DE2245408C3 - Phase plate for generating Fourier transform holograms and method for manufacturing such a phase plate - Google Patents
Phase plate for generating Fourier transform holograms and method for manufacturing such a phase plateInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Phasenplatte der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Phasenplatte.The invention relates to a phase plate of the type specified in the preamble of claim 1 Genus and a method for producing this phase plate.
Eine bekannte Anordnung zur Fourier-Transformations-Holographie ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Danach wird ein von einer Laserquelle 11 ausgehender paralleler Lichtstrahl durch einen Strahlenteiler 12 in einen Objektstrahl 13 und einen Referenzstrahl 14 aufgeteilt Der Objektstrahl 13 wird nach Durchsetzen eines Strahlauf weiters 18 durch eine FokusMerlinse 17, hinter der ein Modulator 16 angeordnet ist auf ein Hologramm-Aufzeichnungsmedium 15 fokussiert an der er mit dem an einem Spiegel 19 reflektierten Referenzstrahl 14 zur Interferenz gebracht wird.A known arrangement for Fourier transform holography is shown schematically in FIG. Thereafter, an emanating from a laser source 11 becomes parallel light beam through a beam splitter 12 into an object beam 13 and a reference beam 14 The object beam 13 is divided after passing through a beam expander 18 through a focus mer lens 17, behind which a modulator 16 is arranged focused on a hologram recording medium 15 which it is brought to interference with the reference beam 14 reflected on a mirror 19.
Wird in dieser Anordnung als Modulator 16 eine Lochmaske gemäß F i g. 25 verwendet, bei der an einem digitalen Informationsmuster entsprechenden Stellen runde Löcher angeordnet sind, so ergibt sich die Schwierigkeit, daß die Energie des Objektstrahls auf sehr schmale Spektralbereiche beschränkt wird. Dies beruht auf der gegenseitigen Interferenz der durch die einzelnen Löcher hindurchtretenden Lichtstrahlen. Eine derartige ungleichmäßige Spektralverteilung der Strahlungsenergie hat zur Folge, daß bei energiereicher Strahlung die besagten Spektralteile in den Sättigungsbereich des Hologramm-Aufzeichnungsmediums fallen, was die Qualität des rekonstruierten Bildes verringert. Wird andererseits mit schwacher Strahlung gearbeitet, so ist die Energie in anderen Spektralbereichen zu gering und wird bei vorgegebener Empfindlichkeit des Aufzeichnungsmediums nicht mehr wahrgenommen, so daß sich ebenfalls die Qualität des rekonstruierten Bildes verschlechtert.If, in this arrangement, a perforated mask according to FIG. 25 used in the case of a Round holes are arranged corresponding to the digital information pattern, the result is the Difficulty that the energy of the object beam is limited to very narrow spectral ranges. this is based on the mutual interference of the light rays passing through the individual holes. One Such an uneven spectral distribution of the radiant energy has the consequence that with more energetic Radiation the said spectral parts fall into the saturation range of the hologram recording medium, which lowers the quality of the reconstructed image. On the other hand, if weak radiation is used, so the energy in other spectral ranges is too low and with a given sensitivity of the Recording medium no longer perceived, so that the quality of the reconstructed Image deteriorates.
Aus »Applied Optics« 9 (1970) Seiten 695 bis 700, ist es bekannt, in Verbindung mit einer derartigen Lochmaske eine Phasenplatte zu verwenden, deren einzelne Teilbereiche unterschiedlich dick sind und dem durchsetzenden Lichtstrahl Phasenverschiebungen von 0 bzw. 180° erteilen. Wird dafür gesorgt, daß die Anordnung der Teilbereiche dieser Phasenplatte mit der Anordnung der Löcher in der Lochmaske übereinstimmt, so lassen sich die beschriebenen Energiespitzen in der Spektralverteilung vermeiden, was die Güte des Hologramms verbessert.From "Applied Optics" 9 (1970) pages 695 to 700, it is known in connection with such To use a shadow mask, the individual sub-areas of which are of different thicknesses and the phase shifts of 0 or 180 °. It will be ensured that the The arrangement of the partial areas of this phase plate corresponds to the arrangement of the holes in the shadow mask, in this way the energy peaks described in the spectral distribution can be avoided, which improves the quality of the Holograms improved.
Die bekannte Phasenplatte ist aber dann unzulänglich, wenn die abzubildenden Informationseinheiten die Phasengrenzlinien zwischen den einzelnen Teilbereichen der Phasenplatte überlappen, was insbesondere dann die Regel ist, wenn Analoginformationen wie Buchstaben oder beliebige Muster holographiert werden sollen. Die Tatsache, daß dann sprunghafte Änderungen der durch diese Phasenplatte bewirkten Phasenverschiebungen innerhalb einzelner Informationsdetails auftreten, führt zu Trennungen innerhalb des Fourier-Spektrums, wie es in F i g. 2 veranschaulicht ist Einerseits wird dadurch der effektive Hologrammdurchmesser groß; andererseits entstehen bei der Rekonstruktion entsprechend den Phasengrenzen helle und dunkle Bereiche, die die Qualität des rekonstruierten Bildes beeinträchtigen.The known phase plate is then inadequate if the information units to be mapped the Phase boundary lines between the individual subregions of the phase plate overlap, which is particularly important then the rule is when analog information such as letters or any pattern is holographed should. The fact that then abrupt changes caused by this phase plate Phase shifts occur within individual information details, leads to separations within of the Fourier spectrum, as shown in FIG. 2 is illustrated. On the one hand, this shows the effective hologram diameter great; on the other hand, during the reconstruction, bright ones arise in accordance with the phase boundaries and dark areas that affect the quality of the reconstructed image.
Wird statt dessen die aus »Applied Optics« 6 (1967) Seiten 1905 bis 1910, bekannte unregelmäßige Glasplatte oder Mattglasplatte verwendet, so lassen sich zwar die durch Phasensprünge bewirkten Schwierigkeiten vermeiden. In diesem Fall wird aber das modulierte Licht stark gestreut, so daß ein entsprechend großes Aufzeichnungsmedium erforderlich ist. Bei Verwendung einer derartigen Mattglasplatte ist es daher nicht möglich, Informationen mit hoher Dichte zu holographieren. Instead, it becomes the irregular glass plate known from "Applied Optics" 6 (1967) pages 1905 to 1910 or frosted glass plate is used, the difficulties caused by phase jumps can be avoided avoid. In this case, however, the modulated light is strongly scattered, so that a correspondingly large Recording medium is required. When using such a frosted glass plate, it is therefore not possible to holograph information with high density.
Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Phasenplatte zur Erzeugung von Fourier-Transformations-Hologrammen zu schaffen, die bei hoher Bildqualität eine Aufzeichnung von Analoginformation mit hoherBased on the last-mentioned prior art, the invention is based on the object of providing a Phase plate for generating Fourier transform holograms to create the recording of analog information with high image quality
Informationsdichte gestattet.Information density permitted.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Mit einer derartigen Phasenplatte, die stetige Phasenänderungen bewirkt, werden die in F i g. 2 gezeigten großen Trennungen der Fourier-Spektren vermieden. Gleichzeitig werden die Intensitätsspitzen verringert Durch die begrenzte Streuung lassen sich ferner größere Informationsverluste auch bei einem verhältnismäßig kleinen Aufzeichnungsmedium vermeiden.The solution to this problem is given in the characterizing part of claim 1. With such a Phase plate, which causes constant phase changes, are the ones shown in FIG. 2 major separations of the Fourier spectra avoided. At the same time, the intensity peaks are reduced by the limited Scattering can also result in greater loss of information even with a relatively small recording medium avoid.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie vorteilhafte Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Phasenplatie sind in den weiteren Ansprüchen dargelegtAdvantageous embodiments of the invention as well as advantageous processes for the production of the invention Phase plates are set out in the further claims
Im folgenden werden der Stand der Technik und die vorliegende Erfindung anhand der zum Teil bereits erwähnten Zeichnung näher erläutert Es zeigtIn the following, the prior art and the present invention are in part already based on mentioned drawing explained in more detail It shows
F i g. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten Hologrammspeichergeräts,F i g. 1 is a schematic view of a known hologram storage device;
Fi g. 2 in einem Diagramm die Lichtintensitätsverteilung auf einem Hologrammedium, wenn eine bekannte Phasenplatte und eine Lochmaske verschoben übereinander angeordnet sind,Fi g. 2 shows the light intensity distribution in a diagram on a hologram, when a known phase plate and a shadow mask are shifted one above the other are arranged
Fig.3 die Wellenform eines Eingangssignals eines bekannten Fouriertransformationshologramms,3 shows the waveform of an input signal of a known Fourier transform hologram,
Fig.4 die Wellenform eines Eingangssignals bei Verwendung der bekannten Phasenplatte,4 shows the waveform of an input signal using the known phase plate,
F i g. 5 ein Diagramm mit der Wellenform eines Eingangssignals bei Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte,F i g. 5 is a diagram showing the waveform of an input signal when using the invention Phase plate,
F i g. 6 ein Diagramm mit der Darstellung der Intensitätsverteilung des Lichts auf einem Hologrammedium im Falle des Eingangssignals der F i g. 3,F i g. 6 is a diagram showing the intensity distribution of the light on a hologram in the case of the input signal of FIG. 3,
F i g. 6,7,8 Diagramme mit der Intensitätsverteilung des Lichts auf einem Hologrammedium im Falle der Signale der F i g. 3,4 bzw. 5,F i g. 6,7,8 Diagrams with the intensity distribution of the light on a hologram in the case of the Signals of FIG. 3,4 or 5,
F i g. 9 in einem Diagramm die Intensitätsverteilung des Lichts auf einem Hologrammedium bei dem bekannten Holographiegerät im Falle einer Bitinformation, F i g. 9 shows a diagram of the intensity distribution of the light on a hologram medium in the case of the known holographic device in the case of bit information,
Fig. 10 ein Diagramm mit der Darstellung der Intensitätsverteilung des Lichts auf einem Hologrammedium bei einer bekannten, auf eine Lochmaske verschoben aufgelegten Phasenplatte,10 is a diagram showing the intensity distribution of the light on a hologram in the case of a known phase plate placed shifted on a shadow mask,
F i g. 11 ein Diagramm mit der Darstellung der Intensitätsverteilung des Lichts auf einem Hologrammedium für eine Bitinformation bei einer erfindungsgemäßen, auf die Lochmaske gelegten Phasenplatte, F i g. 11 is a diagram showing the intensity distribution of light on a hologram for bit information in a phase plate according to the invention placed on the perforated mask,
Fig. 12 in einem Diagramm die Intensitätsverteilung des Lichts, wenn eine beliebige Information, beispielsweise ein Buchstabe, nach einem bekannten Verfahren auf einem Hologrammedium aufgezeichnet wird,12 shows a diagram of the intensity distribution of the light when any information, for example a letter recorded on a hologram using a known method,
Fig. 13 in einem Diagramm die Intensitätsverteilung des Lichts auf einem Hologrammedium bei Verwendung einer bekannten Phasenplatte im Falle der F i g. 12,13 shows a diagram of the intensity distribution of the light on a hologram medium when it is used a known phase plate in the case of FIG. 12,
Fig. 14 in einem Diagramm die Intensitätsverteilung des Lichts auf einem Hologrammedium bei Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte,14 shows a diagram of the intensity distribution of the light on a hologram when used the phase plate according to the invention,
F i g. 15 bis 17 und 19 bis 23 perspektivische Ansichten beziehungsweise Schnittbilder von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Phasenplatte,F i g. 15 to 17 and 19 to 23 are perspective views or sectional images of exemplary embodiments the phase plate according to the invention,
Fig. 18a und 18b eine bekannte Phasenplatte für Digitalsignale,18a and 18b show a known phase plate for digital signals,
F i g. 24 in einem Diagramm die Abhängigkeit des maximal zulässigen Phasenverschiebungsgradienten vom effektiven Hologrammdurchmesser undF i g. 24 shows the dependency of the maximum permissible phase shift gradient in a diagram the effective hologram diameter and
F i g. 25 die Darstellung einer bekannten Lochmaske.F i g. 25 shows a known shadow mask.
Zur leichteren Verdeutlichung der Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bekannten Verfahren sei eine eindimensionale Information aus nur einem Bit vorhanden. Ohne Phasenplatte hat das Eingangssignal eines Fouriertransformationshologramms die in F i g. 3 gezeigte Form. Die ausgezogenen Linien der Fig.3 stellen die Form der Information (Objektstrahl} dar, die durch ein runden Loch hindurchtritt Wird eine bekannte Phasenplatte für Digitalsignale gemäß Fig. 18a und 18b aufgelegt, so bekommt das Eingangssignal die in Fig.4 gezeigte Form. In dieser Figur stellen die gestrichelten Linien die Phasenänderungen dar. Hierbei liegt ein diskontinuierlicher Phasenpunkt innerhalb des Bits. Das Eingangssignal im Falle einer aufgelegten erfindungsgemäßen Phasenplatte ist in F i g. 5 dargestellt Die Intensitätsverteilung des gebrochenen Lichts U (x) berechnet sich in jedem Falle nach den unten aufgeführten Gleichungen, wenn das Signal von einer Informationsübertragungseinrichtung der folgenden Gleichung folgt:To make it easier to illustrate the advantages of the present invention compared to the known method, one-dimensional information consisting of only one bit is present. Without a phase plate, the input signal of a Fourier transform hologram has the one shown in FIG. 3 shape shown. The solid lines in FIG. 3 represent the form of the information (object beam} which passes through a round hole. If a known phase plate for digital signals according to FIGS. 18a and 18b is applied, the input signal takes the form shown in FIG In this figure, the dashed lines represent the phase changes. A discontinuous phase point lies within the bit. The input signal in the case of an applied phase plate according to the invention is shown in FIG. 5. The intensity distribution of the refracted light U (x) is calculated in each case the equations below when the signal from an information transmission device follows the following equation:
1 : f I ^ y ;1: f I ^ y;
o:|f |>4;o: | f |> 4;
worin S der Durchmesser des runden Loches ist.
Wenn keine Phasenplatte aufgelegt ist, so ergibt sichwhere S is the diameter of the round hole.
If no phase plate is placed, this results
= cjio(f>= cji o (f>
exp |- ifc-j-j df.exp | - ifc-j-j df.
Wenn die bekannte Phasenplatte gemäß Fig. 18 aufgelegt ist, so ergibt sich:When the known phase plate according to Fig. 18 is applied, the following results:
U2[X)U 2 [X)
= cjt( = cjt (
to(f) exp^-ifcy—t o (f) exp ^ -ifcy—
Wenn die erfindungsgemäße Platte aufgelegt ist, so ergibt sich:When the plate according to the invention is in place, the result is:
expexp
ik~-i02\ df. (4) ik ~ -i0 2 \ df. (4)
Hierin ist C eine der Amplitude des einfallenden Lichts proportionale Größe, die als Konstante betrachtet wird, I die Koordinatenachse auf der Ebene der Informationsübertragungseinrichtung, χ eine Achse auf der Fourierebene. Φ ι und Φ2 bedeuten die Größen der Phasenverschiebungen durch die Phasenplatten. Sie können durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden:Here, C is a quantity proportional to the amplitude of the incident light, which is regarded as a constant, I the coordinate axis on the plane of the information transmission device , χ an axis on the Fourier plane. Φ ι and Φ 2 mean the sizes of the phase shifts through the phase plates. They can be expressed by the following equations:
Φ, =Φ, =
2:π2: π
Ι .-τ- — f: -^rΙ.-Τ- - f: - ^ r
worin 0 < r< S. where 0 < r <S.
\Ut(x)\2, \U2(x)\2 und \Ui(x)\2 sind in den Fig.6, 7 bzw. 8 dargestellt. Da sich die Phase bei LJ2 (x) diskontinuierlich ändert, tritt gemäß F i g. 7 auf der Hochfrequenzseite der Fourierebene eine Spreizung der Spektren auf. Der Grund hierfür soll im folgenden erläutert werden. Die Fourierspektren des den Phasenänderungen mit einem Phasenverschiebungsgradient a unterworfenen Objektlichtstrahls werden nach folgender Gleichung aus der Mitte verschoben: \ U t (x) \ 2 , \ U 2 (x) \ 2 and \ Ui (x) \ 2 are shown in Figures 6, 7 and 8, respectively. Since the phase changes discontinuously at LJ 2 (x) , according to FIG. 7 shows a spread of the spectra on the high-frequency side of the Fourier plane. The reason for this will be explained below. The Fourier spectra of the object light beam subjected to the phase changes with a phase shift gradient a are shifted from the center according to the following equation:
F(x)=Jexp(-i«i)expN^^)di. (5)
Für die Mitte der Spektren giltF (x) = Jexp (-i «i) expN ^^) di. (5)
The following applies to the middle of the spectra
— αί = O.- αί = O.
(6)(6)
Das heißt,This means,
f/Mf / M
Qualität erforderlich ist. Das heißt, es kann eine der Information entsprechende Phasenplatte hergestellt werden. Andererseits muß bei dem oben beschriebenen Verfahren, bei dem die Hologrammebene aus der Stellung des Brennpunktes verschoben wird (im folgenden als »Defokussierverfahren« bezeichnet), die Verschiebung groß sein, um ein wiedergegebenes Bild guter Qualität zu erzielen. Infolgedessen wird die Größe der Phasenänderung infolge der Verschiebung in der Nähe des Randes der Imformationsübertragungs- oder Modulatoreinrichtung verhältnismäßig groß. Daher sollte der effektive Hologrammdurchmesser ebenfalls groß sein. Die Informationsdichte wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte zehnfach oder mehr größer als nach der bekannten Ausführungsform. Es sei beispielsweise die Kantenlänge der Maske 40 mm, / = 100, λ = 6 · 10-4, die Defokussierung Δ = AfIf = 0,05 und die Größe des aufzulösenden Informationsdetails b = 0,1 mm. Dann wird eine Phasenänderung, mit der die Bedingung y=A ■ x2 eingehalten wird, der Information entsprechend dem Defokussierverfahren überlagert, worin y die Größe der Phasenplatte, χ der Abstand von der Mitte der Maske und A ein Koeffizient ist, der sich ausQuality is required. That is, a phase plate corresponding to the information can be produced. On the other hand, in the above-described method in which the hologram plane is shifted from the position of the focal point (hereinafter referred to as "defocus method"), the shift must be large in order to obtain a reproduced image of good quality. As a result, the magnitude of the phase change due to the shift becomes relatively large in the vicinity of the edge of the information transmission or modulator device. Therefore, the effective hologram diameter should also be large. When using the phase plate according to the invention, the information density becomes ten times or more greater than in the known embodiment. It is, for example, the edge length of 40 mm mask, / = 100, λ = 6 x 10- 4, the defocusing Δ = Afif = 0.05 and the size of the information details to be resolved b = 0.1 mm. Then a phase change, with which the condition y = A ■ x 2 is met, is superimposed on the information according to the defocusing method, where y is the size of the phase plate, χ is the distance from the center of the mask and A is a coefficient derived from
A = A =
.τ!.τ!
X =X =
ergibt.results.
Am Rand der Karte ergibt sich der Phasenverschiejii bungsgradient zuThe phase shift is shown at the edge of the map exercise gradient to
a = ν' = 2Ab = 100. a = ν '= 2Ab = 100.
Der Maximalgradient zur Herstellung eines Wiedcr-J-) gabebildes gleicher Qualität bei höchster Dichte unter Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte istThe maximum gradient for producing a re-J-) gabebildes of the same quality at the highest density using the phase plate according to the invention
Wenn sich daher wie bei U2 (x) die Phase diskontinuierlich ändert und a sehr groß ist, so wird das Spektrum des Objektlichtstrahls an dieser Stelle viel näher zur Hochfrequenzseite auf der Fourierebene gebracht. Das Gegenteil ist bei LZ3 fx^der Fall, wenn sich die Phase kontinuierlich ändert und a nicht sehr groß ist. Die Verschiebung der Fourierspektren wird daher abgeschwächt. Obwohl bei niedrigen Frequenzen Spektralverschiebungen eintreten, erfolgt insgesamt keine merkliche Spreizung. Wenn der effektive Hologrammdurchmesser ausreichend groß gewählt wird, so wird die Information auf der Hochfrequenzseite ebenfalls wiedergegeben, so daß der Gradient a verhältnismäßig groß gewählt werden kann. In diesem Falle wird jedoch die Informationsdichte gering.Therefore, if the phase changes discontinuously as in U 2 (x) and a is very large, the spectrum of the object light beam at this point is brought much closer to the high-frequency side on the Fourier plane. The opposite is the case with LZ 3 fx ^ if the phase changes continuously and a is not very large. The shift in the Fourier spectra is therefore weakened. Although spectral shifts occur at low frequencies, there is no noticeable spread overall. If the effective hologram diameter is selected to be sufficiently large, the information on the high-frequency side is also reproduced, so that the gradient a can be selected to be relatively large. In this case, however, the information density becomes low.
Wenn die Wiedergabe bei auf einen kleinen Wert eingestelltem effektivem Hologrammdurchmesser ausgeführt
wird, so wird die Dichte hoch. Der Hochfrequenzteil der Information geht jedoch verloren, und die
Qualität des wiedergegebenen Bildes wird verschlechtert. Wird ein Bild gewünscht dessen Parameter
(Signal-Rauschverhältnis, Kontur, ungleichmäßig helle und dunkle Teile usw.) bestimmte Werte überschreiten,
so läßt sich der Minimalwert des effektiven Hologrammdurchmessers, der für einen bestimmten Phasenverschiebungsgradient
erforderlich ist bestimmen. Dies ist in Fig.24 gezeigt Wie aus dieser Figur hervorgeht
wird, wenn ein effektiver Holegrammdurchmesser eine geforderte Informationsdichte erfüllt der Maximalgradient
bestimmt der für ein wiedergegebenes Bild guter k = SL = 3\A [mm"1]..
b If the reproduction is carried out with the effective hologram diameter set to a small value, the density becomes high. However, the high frequency part of the information is lost and the quality of the reproduced picture is deteriorated. If an image is desired whose parameters (signal-to-noise ratio, contour, unevenly bright and dark parts, etc.) exceed certain values, the minimum value of the effective hologram diameter, which is required for a certain phase shift gradient, can be determined. This is shown in Fig. 24. As can be seen from this figure, if an effective Holegram diameter fulfills a required information density, the maximum gradient determines the k = SL = 3 \ A [mm " 1 ]] that is good for a reproduced image.
b
Gemäß Fig.24 ist das Verhältnis zwischen den effektiven Hologrammdurchmessern nach den beiden Verfahren:According to Fig. 24, the ratio between the effective hologram diameters is after the two Procedure:
rr:Rd = 4: 1 ; r r : R d = 4: 1;
worin Rr und Ro die effektiven Hologrammdurchmesser bei Verwendung der Phasenplatte bzw. bei Anwendung des Defokussierverfahrens bedeuten.where Rr and Ro mean the effective hologram diameter when using the phase plate or when using the defocusing method.
Da die Informationsdichte umgekehrt proportional ist dem Quadrat des effektiven Hologrammdurchmessers, kann, verglichen mit dem Defokussierverfahren, durch Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte die Informationsdichte auf das Sechzehnfache vergrößert werden.Since the information density is inversely proportional to the square of the effective hologram diameter, can, compared with the defocusing method, by using the phase plate according to the invention the information density can be increased sixteen times.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte mit stetigen Phasenänderungen erfolgt keine große Spreizung der Fourierspektren. Gleichzeitig kann die Höhe des Spektrums der Maximalintensität gesenkt werden. Auf diese Weise läßt sich eine Verbesserung der Qualität des wiedergegebenen Bildes und eine Verbesserung der Wiedergabegüte erreichen.When using the phase plate according to the invention with constant phase changes, no large changes occur Spreading of the Fourier spectra. At the same time, the height of the spectrum of the maximum intensity can be lowered will. In this way, an improvement in the quality of the reproduced image and a Achieve improvement in rendering quality.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren deutlich zu machen, sei angenommen, daß die Information eindimensional istThe invention is to be explained below with the aid of a preferred exemplary embodiment. In order to make the advantages of the present invention over the known methods clear, let assume that the information is one-dimensional
In Fig. 1 sei die Brennweite /"der Fokussierlinse 17 gleich 200 mm. Als Modulator 16 wird eine Lochmaske verwendet. Zunächst sei eine Bitinformation betrachtet, bei der runde Löcher gleichen Durchmessers in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. Der Durchmesser der Löcher betrage beispielsweise 250 μΐη, die Teilung bzw. der Abstand 500 μπι, die Anzahl der Information sei 41 und die Maske liege unmittelbar hinter der Fokussierlinse 17 für den Objektstrahl. Die Verteilung der Lichtintensität auf dem Hologrammedium 15 ist in F i g. 9 für den Fall gezeigt, daß das Medium 15 auf der Brennebene der Fokussierlinse 17 liegt, und daß keine Phasenplatte vorhanden ist. Die Verteilung hat die Form scharfer Spektren. Die Informationsenergie existiert nur in äußerst schmalen Bereichen, was äußerst nachteilig ist.In FIG. 1, let the focal length / ″ of the focusing lens 17 be assumed equal to 200 mm. A perforated mask is used as the modulator 16. First of all, consider bit information, in which round holes of the same diameter are arranged at equal distances from one another. The diameter of the holes is for example 250 μπι, the pitch or the distance 500 μπι, the number of Information is 41 and the mask is located directly behind the focusing lens 17 for the object beam. the Distribution of the light intensity on the hologram 15 is shown in FIG. 9 shown for the case that the medium 15 lies on the focal plane of the focusing lens 17, and that no phase plate is present. The distribution takes the form of sharp spectra. The information energy only exists in extremely narrow areas, what is extremely disadvantageous.
Fig. 10 zeigt die Lichtintensitätsverteilung auf dem Hologrammedium 15 unter den gleichen Bedingungen, wenn eine bekannte diskontinuierliche Phasenplatte aufgelegt ist, so daß der diskontinuierliche Phasenpunkt innerhalb der runden öffnung überlagert ist. Die willkürliche Einheit der Ordinatenachse stellt die Intensität des durch die Lochmaske übertragenen Lichts dar. Die Maximalintensität wird, verglichen mit der der Fig.9 um eine Größenordnung verbessert. Darüber hinaus wird die Verteilung verbreitert. Die Spektren sind jedoch in verschiedene Spitzen getrennt, wobei die Durchmesser der Hologramme auf der Hochfiequenzseite gedehnt werden.Fig. 10 shows the light intensity distribution on the Hologram 15 under the same conditions if a known discontinuous phase plate is placed so that the discontinuous phase point is superimposed within the round opening. the arbitrary unit of the ordinate axis represents the intensity of the light transmitted through the shadow mask The maximum intensity is improved by an order of magnitude compared with that of FIG. About that in addition, the distribution is broadened. However, the spectra are separated into different peaks, with the Diameter of the holograms are stretched on the high frequency side.
Fig. 11 zeigt die Verteilung der Lichtintensität auf dem Hologrammedium 15 unter den gleichen Bedingungen, wenn die erfindungsgemäße, kontinuierlich sich ändernde Phasenplatte aufgelegt ist. Die maximale Lichtintensität wird im gleichen Maße wie in Fig. 10 verbessert, es tritt jedoch keine Spektrentrennung auf, und das lokale Vorhandensein der verteilten Energie wird völlig vermieden.Fig. 11 shows the distribution of light intensity the hologram 15 under the same conditions when the invention, continuously changing phase plate is placed. The maximum light intensity becomes the same as in FIG. 10 improved but there is no spectral separation and the local presence of the distributed energy is avoided entirely.
Fig. 12,13 und 14 zeigen Lichtintensitätsverteilungen auf dem Hologrammedium 15 für den Fall, daß der Objektlichtstrahl durch die Informationsübertragungsoder Modulatoreinrichtung entsprechend eindimensionalen Informationen moduliert wird, die willkürlich angeordneten Buchstaben entsprechen. Bei Fig. 12 wird keine Phasenplatte verwendet, bei Fig. 13 eine bekannte diskontinuierliche Phasenplatte und bei Fig. 14 die erfindungsgemäße kontinuierliche Phasenplatte. Wie sich aus diesen Figuren ergibt, ist die erfindungsgemäße Phasenplatte sehr wirkungsvoll nicht nur bei regelmäßigen oder gleichförmigen Bitinformationen, sondern auch bei allgemeinen Analoginformationen, die keine besondere Regelmäßigkeit aufweisen.Figs. 12, 13 and 14 show light intensity distributions on the hologram 15 in the event that the object light beam is correspondingly one-dimensional through the information transmission or modulator device Information is modulated to correspond to randomly arranged letters. At Fig. 12 no phase plate is used, in FIG. 13 a known discontinuous phase plate and in 14 shows the continuous phase plate according to the invention. As can be seen from these figures, this is the phase plate according to the invention very effective not only with regular or uniform bit information, but also for general analog information that is not particularly regular.
Besteht die Information aus einem zweidimensionalen Analogmuster, so entsprechen die Phasenverschiebungen, denen der parallele Lichtstrahl beim Durchtritt durch die erfindungsgemäße Phasenplatte unterworfen wird, einer statistisch verteilten ein- oder zweidimensionalen stetigen Funktion (Fig.20 oder 19), und bei der sich die Verteilung der Verschiebungen zwischen 0 und 2.T (rad) ändert. Die stetigen Funktionen sind beispielsweise Sinusfunktionen, sich wiederholende Gauß'sche Verteilungsfunktionen, Mehrecklinien-Funktionen (angenähert geradlinige Funktionen) usw.If the information consists of a two-dimensional analog pattern, the phase shifts correspond to which the parallel light beam is subjected to when passing through the phase plate according to the invention becomes, a statistically distributed one or two-dimensional continuous function (Fig. 20 or 19), and with the the distribution of the displacements changes between 0 and 2.T (rad). The continuous functions are for example Sinus functions, repeating Gaussian distribution functions, polygon functions (approximated linear functions) etc.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Phasenplatte hat einen Aufbau, der gemäß Fig. 15 mehrere Einheitsplatten enthält die je eine eindimensionale Phasenänderung bewirken und auf einer Ebene parallel angeordnet sind, so daß ihre Phasenänderungsrichtungen identisch sind. Bei dieser Anordnung besteht ein Vorteil darin, daß, da die Phasenänderungen in einer Dimension erfolgen, die Phasenplatte einfacher hergestellt werden kann als bei zwei Dimensionen. Es kann auch eine Phasenplattenanordnung verwendet werden, bei der zwei derartige eindimensionale Phasenplatten derart übereinander angeordnet sind, so daß die eindimensionalen Phasenänderungsrichtungen einander schneiden. Ein Vorteil besteht in diesem Falle darin, daß eindimensionale Phasenplatten, die einfach hergestellt werden können, bei einem zweidimensionalen Muster verwendbar sind.One embodiment of the phase plate according to the invention has a structure that is shown in FIG. 15 contains several unit plates each causing a one-dimensional phase change and on one plane are arranged in parallel so that their phase change directions are identical. With this arrangement there is an advantage in that, since the phase changes are in one dimension, the phase plate is easier to manufacture can be considered to be in two dimensions. A phase plate arrangement can also be used, in which two such one-dimensional phase plates are arranged one above the other so that the one-dimensional phase change directions intersect. An advantage in this case is that one-dimensional phase plates that can be easily manufactured with a two-dimensional pattern are usable.
Wie oben erwähnt, gehört die mehreckige Linienfunktion zu den stetigen Funktionen, die auf der eindimensional sich ändernden Phasenplatte verteilt sind, wobei die Phasenverschiebungen entsprechend der Mehreck-Linienfunktion beim Durchtritt durch die Platte zwischen 0 und 2 ππ (rad) (n ist eine positive ganze Zahl) kontinuierlich geändert wird. Ein Vorteil dieser Phasenplatte besteht darin, daß die polygonale Linienfunktion sehr zweckmäßig zur gleichförmigen Phasenveränderung zwischen 0 und 2 nrc (rad) ist. Darüber hinaus ist die Funktion stetig. Die polygonale Linienfunktion umfaßt solche, wie sie in den F i g. 16 und 21 gezeigt sind, bei denen die schrägen Linien gleichschenkliger Dreiecke mit statistisch verteilten Basislängen und gleichen Höhen miteinander verbunden sind.As mentioned above, the polygonal line function is one of the continuous functions that are distributed on the one-dimensionally changing phase plate, whereby the phase shifts according to the polygonal line function when passing through the plate between 0 and 2 ππ (rad) (n is a positive whole Number) is continuously changing. An advantage of this phase plate is that the polygonal line function is very useful for uniformly changing the phase between 0 and 2 nrc (rad). In addition, the function is continuous. The polygonal line function includes those shown in FIGS. 16 and 21 are shown in which the oblique lines of isosceles triangles with statistically distributed base lengths and equal heights are connected to one another.
Ein Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß, wenn die polygonale Linienfunktion die Form gleichschenkliger Dreiecke hat, die Fourierspektren auf der Hologrammebene gegenüber der Mitte zweiseitig symmetrisch verteilt werden, so daß keine ungleichmäßigen Spektren auftreten können. Da die Basislängen statistisch verteilt sind, sind auch die Neigungen der schrägen Linien der gleichschenkligen Dreiecke statistisch verteilt, so daß Fehlverteilungen der Spektren auf der Hologrammebene verringert werden.An advantage of this design is that, when the polygonal line function, the shape is isosceles Has triangles, the Fourier spectra on the hologram plane are two-sided opposite the center be distributed symmetrically so that no uneven spectra can occur. Because the base lengths are statistically distributed, the slopes of the oblique lines of the isosceles triangles are also statistical distributed so that maldistributions of the spectra on the hologram plane are reduced.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen Phasenplatten, bei denen gleichschenklige Dreiecke mit bestimmten Basislängen so verteilt sind, daß der Besetzungsfaktor bezüglich der gesamten Phasenplatte mit größeren Basislängen kleiner wird. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Spektralintensität durch Verringerung der intensiveren Spektren gleichförmig gemacht werden kann. Infolge der schwächeren Neigung der schrägen Linien der gleichschenkligen Dreiecke enthalten nämlich die Fourierspektren im niederfrequenten Teil der Hologrammebene ein intensiveres Spektrum als im hochfrequenten Teil der Hologrammebene.Further embodiments of the invention include phase plates in which isosceles triangles with certain base lengths are distributed so that the occupation factor with respect to the entire phase plate becomes smaller with larger base lengths. An advantage of this arrangement is that the spectral intensity can be made uniform by reducing the more intense spectra. As a result of The Fourier spectra contain the weaker inclination of the oblique lines of the isosceles triangles a more intense spectrum in the low-frequency part of the hologram level than in the high-frequency part the hologram plane.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht in einer Phasenplatte (Fig. 17, 22), bei der die polygonale Linienfunktion aufeinanderfolgende gleichschenklige Dreiecke wenigstens einen Teil aufweist, in dem die dem hindurchtretenden Lichtstrahl mitgeteilte Phasenverschiebung konstant ist. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das Spektrum an der Hologrammitte erzeugt wird, indem der parallel zu den Basen liegende Teil mit konstanter Phase hinzuaddiert wird. Demgegenüber fehlt im mittleren Teil der Fourierspektren bei der vorstehend beschriebenen, lediglich aus gleichschenkligen Dreiecken zusammengesetzten Phasenplatten ein Spektrum.Another embodiment consists in a phase plate (Fig. 17, 22), in which the polygonal Line function successive isosceles triangles has at least one part in which the passing light beam communicated phase shift is constant. An advantage of this arrangement consists in that the spectrum is generated at the center of the hologram by placing the one parallel to the bases Part with constant phase is added. In contrast, the Fourier spectra are missing in the middle part the phase plates described above, composed only of isosceles triangles a spectrum.
Wieder ein anderes Ausführungsbeispiel bildet die Phasenplatte (Fig.23), bei der die sich stufenförmig ändernden Teile der in Fi g. 18 gezeigten Phasenplatte aufeinander folgend durch gerade Linien oder Kurven miteinander verbunden sind, deren Neigung geringer istAnother embodiment forms the phase plate (Fig. 23), in which the step-shaped changing parts of the in Fi g. 18 phase plate shown successively connected by straight lines or curves, the slope of which is less
als der obige Wert nib. Da in diesem Fall die Lage der geneigten Flächen an den verbundenen Teilen statistisch verteilt ist, tritt auf der Hologrammebene keine spektrale Fehlverteilung auf, und zwar auch dann nicht, wenn gleiche Neigungen vorliegen. Beispielsweise können bei einer Phasenplatte, mit der Phasenänderungen von 0, π und 2π erzeugt werden können, die willkürlich in gleichen Teilungen untergebracht sind, wobei die Summe der Zahlen der Teile, mit denen die Phasenänderungen von 0 und 2π bewirkt werden können gleich ist der Anzahl der Teile, mit denen die Phasenänderung von π möglich ist, die die Phase ändernden Teile gemäß Fig.3 durch gerade Linien miteinander verbunden sein, wobei der Absolutwert ihrer Neigungen innerhalb der oben erwähnten zulässigen Grenzen gleich ist, und wobei die Neigungen positive und negative Vorzeichen aufweisen können.than the above value nib. Since in this case the position of the inclined surfaces on the connected parts is statistically distributed, no spectral maldistribution occurs on the hologram plane, even if the inclinations are the same. For example, in the case of a phase plate, with which phase changes of 0, π and 2π can be generated, which are arbitrarily accommodated in equal pitches, the sum of the numbers of the parts with which the phase changes of 0 and 2π can be brought about is equal to the number of the parts with which the phase change of π is possible, the phase changing parts according to FIG can have.
Im folgenden soll ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Phasenplatten beschrieben werden.A method for producing the phase plates according to the invention will be described below.
Die jeweiligen Funktionsformen werden mittels eines elektronischen Rechners erzeugt und auf einer Kathodenstrahlröhre in Form von Helligkeitsunterschieden wiedergegeben. Eine trockene Fotoplatte wird unter Verwendung der Wiedergabe belichtet. Nach der Entwicklung und Fixierung wird die Fotoplatte gebleicht, so daß sich die gewünschten Eigenschaften als Positiv darstellen. Das heißt, nachdem die Fotoplatte belichtet, entwickelt und fixiert wurde, hat sie eine weiß-scharze Dichteverteilung. Das abgelagerte Silber ri der Fotoplatte wird beispielsweise mittels Natriumferricyanid, Chromaufheller (Kodak) und Quecksilberchlorid in Ag4Fe(CN)6, AgCl + HgCl bzw. AgCl + Cr2CI1 umgewandelt, d. h. in Substanzen mit geringem Lichtabsorptionsfaktor und großem Brechungsindex. Auf dieseThe respective functional forms are generated by means of an electronic computer and displayed on a cathode ray tube in the form of differences in brightness. A dry photographic plate is exposed using the reproduction. After development and fixation, the photographic plate is bleached so that the desired properties are shown as positive. This means that after the photo plate has been exposed, developed and fixed, it has a white-black density distribution. The deposited silver r i on the photo plate is converted into Ag 4 Fe (CN) 6 , AgCl + HgCl or AgCl + Cr 2 CI 1 , i.e. into substances with a low light absorption factor and a high refractive index, for example using sodium ferricyanide, chromium brighteners (Kodak) and mercury chloride. To this
κι Weise können die gewünschten Eigenschaften erhalten werden. Nach einem ebenfalls anwendbaren Verfahren wird ein Elektronenstrahl-Aufzeichnungsgerät anstelle der Kathodenstrahlröhre zur Erzeugung der Bilder verwendet. Ein ferner in Frage kommendes Verfahrenκι way can get the desired properties will. Another applicable method is to use an electron beam recorder instead the cathode ray tube used to generate the images. Another possible procedure
r> besteht darin, daß die Phasenplatte unter Verwendung von Gelatine-Bichromat oder von in Poiymethylacrylat gelöstem Natriumbichromat für die trockene Platte hergestellt wird.r> consists in using the phase plate of gelatin bichromate or of in poly (methyl acrylate) dissolved sodium dichromate is prepared for the dry plate.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Phasenplatte tritt zuweilen der Fall ein, daß die gewünschte Form, beispielsweise gleichschenklige Dreiecke, nicht in vollkommener Form erhalten werden, sondern etwas verzerrt oder gestört sind. Hierdurch entstehen jedoch keine Schwierigkeiten.In the production of the phase plate according to the invention, the case sometimes occurs that the desired Shape, for example isosceles triangles, cannot be obtained in perfect form, but rather something are distorted or disturbed. However, this does not cause any difficulties.
Hierzu ') Bliitt ZeichnungenOn this') Bliitt drawings
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