DE2713445A1 - Verfahren zur erzeugung von aus geradlinigen spuren bestehenden abtastmustern - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von aus geradlinigen spuren bestehenden abtastmustern

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DE2713445A1
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Description

Böblingen, den 28. März 1977 pr-rs/sz
Anmelderin:
Amtliches Aktenzeichen:
Aktenzeichen der Anmelderin:
Vertreter:
International Business Machines Corporation, Armonk.N. Y. 10504
Neuanmeldung RO 975 002
Patentanwalt Dipl. -Phys. H. Preisher 7030 Böblingen
Bezeichnung:
Verfahren zur Erzeugung von aus geradlinigen Spuren bestehenden Abtastmustern
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2713U5
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von aus geradlinigen Spuren bestehenden Abtastmustern mittels bewegter Hologramme.
Auf vielen Gebieten der Technik werden optische Abtaster zur Umwandlung von Objektformen, Strichkodierungen/ gedruckten Zeichen und dergleichen in elektrische Signale benötigt, die anschließend eine Analyse oder eine Übertragung der in ihnen enthaltenen Information ermöglichen. Als besonders vorteilhaft haben sich für diese Aufgabe aus einer oder mehreren geradlinigen Abtastspuren bestehende Abtastmuster erwiesen, die auf eine Objektebene fokussiert werden.
Es sind einfache, billige und robuste optische Abtastvorrichtungen bekannt, bei c_an ein kohärenter Strahl, beispielsweise ein Laserstrahl, durch ein rotierendes optisches Interferenzmuster abgelenkt wird. Die bekannten Vorrichtungen haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, von denen die wichtigsten darin bestehen, daß die abgetastete Ebene gekrümmt und/oder das die Abtastspuren gekrümmte Linien sind. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in den US-Patentschriften 3 619 033, 3 721 487 und 3 795 768 beschrieben. Die in den US-Patentschriften 3 922 059, 3 922 060 und 3 940 202 beschriebenen Abtastvorrichtungen weisen die oben angegebenen Nachteile im wesentlichen nicht auf, sind aber derartig kompliziert und störanfällig, daß sie für die meisten Anwendungen, insbesondere aber für das Ablesen von strichkodierten Preis- j angaben im Warenhausbetrieb nicht geeignet sind. '
j Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine einfache und j jwenig störanfällige optische Abtastvorrichtung der oben gebannten Art anzugeben, die mit Hilfe rotierender Hologramme auf einer ebenen Objektebene ein aus geradlinigen Spuren bestehendes Abtastmuster erzeugt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine flache Scheibe verwendet, auf der Hologramme angeordnet sind, die durch das Zusammenwirken eines aus ebenen Viellenfronten bestehenden Referenzstrahls und eines aus sphärischen Wellenfronten bestehenden und eine erste Zylinderlinse durchsetzenden Objektstrahls erzeugt werden. Zur Erzeugung des Abtastmusters wird die die Hologramme tragende ebene Scheibe in Umdrehung versetzt und gleichzeitig ein aus ebenen Wellenfronten bestehender Rekonstruktionsstrahl auf die Hologramme gerichtet. Die auf diese Weise entstehende rekonstruierte Welle durchsetzt eine zweite Zylinderlinse, die unter einem bestimmten Winkel zur ersten Linse angeordnet ist.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fign. 1 und 2 Seiten-und Vorderansichten einer Vorrichtung
zur Erzeugung von im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendbaren holographischen Interferenzmustern,
Fig. 3 die vereinfachte Darstellung eines mit der
in den Fign. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung erzeugten Interferenzmusters,
Fig. 4 einen von der Darstellung nach Fig. 2 abweichenden Strahlenverlauf,
Fign. 5 bis 7 eine Seitenansicht, eine Vorderansicht und
eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und
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Fig. 8 die schematische Darstellung eines von dem
in Fig. 5 dargestellten Strahlenverlauf abweichenden Strahlenverlaufs.
In den Fign. 1 und 2 werden Seiten- und Vorderansichten einer einfachen Vorrichtung zur Erzeugung eines im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendbaren holographischen Interferenzmusters wiedergegeben. Eine aus einem an sich bekannten Laser 11 und einer Vorrichtung zur Strah1aufweitung 12 bestehende Lichtquelle 10 erzeugt einen phasenkohärenten, aus ebenen Wellenfronten bestehenden, eine Mittelachse 14 aufweisenden Referenzstrahl 13. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit und Vereinfachung der Darstellung wird diese Lichtquelle in Fig. 2 fortgelassen.
Eine zweite Lichtquelle 20 enthält eine eine punktförmige Lichtquelle darstellende Vorrichtung 21 zur Erzeugung eines aus sphärischen Wellenfronten bestehenden, eine Mittelachse 23 aufweisenden Objektstrahls 22. Der Strahl 22 hat die gleiche Frequenz wie der Strahl 13 und wird zweckmäßigerweise von diesem mit Hilfe eines nicht dargestellten Strahlenteilers abgeleitet. Ferner ist eine Zylinderlinse 24 vorgesehen, deren optische Achse 25 mit der Achse 23 zusammenfällt und deren Zylinderachse 26 senkrecht zur Achse 23 liegt. Die Linse 24 fokussiert den Strahl 22 zu einer linienförmigen Abbildung, die in einer durch eine gestrichelte Linie 27 dargestellten Objektebene liegt. Die Richtung dieser linienförmigen Abbildung liegt in der Darstellung nach Fig. 1 in der Zeichnungsebene und in der Darstellung nach Fig. 2 senkrecht zur Zeichnungsebene. Unterhalb der Linie 27 erweitert sich der Strahl zu einer kohärenten zylindrischen Wellenfront. Selbstverständlich können auch beliebige andere bekannte Quellen zur Erzeugung ebener und zylindrischer Wellenfronten anstelle der in deri
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Fign. 1 und 2 dargestellten Lichtquellen 10 und 20 verwendet werden.
Die Strahlen 13 und 22 schneiden sich im Bereich eines Mediums (30), das aus einer mit einer zur Aufzeichnung von Hologrammen geeigneten photographischen Emulsion überzogenen Glasscheibe besteht. Die das Medium 30 tragende Scheibe, ist in eine Anzahl von ihren Mittelpunkt 32 umgebenden Segmenten 31 unterteilt. Die das Medium 3O tragende Scheibe ist so angeordnet, daß der Referenzstrahl 13 und der Objektstrahl 22 sich an der Oberfläche eines Segments 31a schneiden. Die Scheibe ist so
geneigt, daß die Achsen 14 und 23 gleiche Winkel mit ihrer Oberfläche bilden. Obwohl diese Achsen vorzugsweise zueinander angenähert senkrecht liegen, d. h. mit der Ebene der Scheibe Winkel von 45 einschließen, sind auch andere Winkel möglich. Vorzugsweise liegen die Lichtquellen 10 und 20 an der gleichen Seite der das Medium 30 tragenden Scheibe. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Bereiche 34, in denen sich die Strahlen schneiden, kleiner dargestellt als die ganze Fläche eines Segments 31a. Es ist jedoch vorteilhaft, daß jeweils der ganze Bereich eines Segments beiden Strahlen ausgesetzt wird, während die übrigen Segmente jeweils durch nicht dargestellte an sich bekannte Mittel abgeschirmt werden.
Fig. 3 stellt in starker Vergrößerung ein Transmissionshologramm dar, das in einem Segment 31a durch Belichtung der photographischen Emulsion 30 mit einem ebenen Referenzstrahl und einem zylindrischen Objektstrahl 22 erzeugt wurde. Das Bich ergebende mikroskopische Interferenzmuster enthält eine peihe von abwechselnd angeordneten undurchsichtigen Bögen 33 !und durchsichtigen Bögen 34. Die Breiten dieser Bögen nehmen !monoton in Richtung des Mittelpunktes 32 der das Medium 30 fragenden Scheibe ab, da die Winkel zwischen den Strahlen der , Wellenfronten 13 und 22 zunehmen. Fällt die Linsenachse 25 mit >
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der Strahlachse 23 zusammen, so sind die Bögen 33 und 34 kreisförmig und konzentrisch, sie weisen aber einen vom Radius der Kreisscheibe verschiedenen Radius auf. In anderen, im folgenden noch näher zu beschreibenden Fällen, nehmen die Bögen 33 und 34 kompliziertere Formen an. Das holographische Interferenzmuster ist im Segment 31a in bekannter Weise fixiert.
Hit Hilfe der in den Fign. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung werden aus Interferenzmustern der in Fig. 3 dargestellten Art bestehende Hologramme erzeugt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung können auch andere Vorrichtungen zur Erzeugung der Interferenzmuster verwendet werden.
Die anderen Segmente 31 der das Medium 30 tragenden Scheibe können in der gleichen Weise wie das Segment 31a belichtet werden oder von diesem Segment kopiert werden. Sind alle Segmente 31 einander gleich, so werden durch die in den Fign. 5 bis 7 dargestellte Vorrichtung Abtastspuren erzeugt, die einander in Objektebene 53 überlagern. Dabei wird für jedes ein Interferenziuuster enthaltendes Segment eine linienförmige Abtastspur erzeugt. So eine Abtastvorrichtung kann erforderlichenfalls entweder aus einer sehr kleinen oder aber von einer großen Anzahl von Segmenten bestehen. In vielen Anwendungen ist es jedoch erwünscht, eine Vielzahl von Abtastspuren oder Rasterlinien zu erzeugen, die seitlich voneinander versetzt sind, so daß sich ein zweidimensionales, aus parallelen Linien bestehendes Raster ergibt. Anhand von Fig. 4 wird erläutert, wie ein derartiges Raster erzeugende Interferenzmuster entstehen. Wird der Objektstrahl 22a so bewegt, daß seine Achse '23a mit der optischen Achse 25 nicht mehr zusammenfallt, erzeugt die Linse 24 die Abbildung einer Linie, die parallel zu einer die optische Achse 25 schneidenden Abbildung, jedoch in Bezug auf diese, seitlich versetzt ist. Der Strahl 22a kann
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dann auf ein anderes der Segmente 31 projiziert v/erden, ura mit dem aus ebenen VJellenf ronten bestehenden Referenzstrahl 13 gemäß Fig. 1 ein anderes Interferenzmuster zu erzeugen. In gleicher Weise können durch schrittweise Veränderung der Abstände zwischen den Achsen 23a und 25 weitere Hologramme erzeugt werden.
Die holographischen Interferenzmuster auf den Segmenten 31 müssen nicht durch unmittelbare Belichtung dieser Segmente erzeugt werden. Sie können beispielsweise auf separaten negativen erzeugt und auf die Segmente, beispielsweise durch Drucken, aufgebracht v/erden. Ebenso können andere Substanzen als photographische Emulsionen verwendet v/erden.
Die Fign. 5, 6 und 7 stellen Seiten-, Vorder- und Draufsichten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dar. Eine, in Fig. 6 der Einfachheit halber nicht dargestellte Lichtquelle, besteht aus einem Laser 41 und einer Vorrichtung zur Strahlaufv/eitung 42 und erzeugt einen aus ebenen Viellenfronten bestehenden Rekonstruktionsstrahl 43, dessen Achse mit 44 bezeichnet ist. Die quelle 40 ist der üuelle 10 ähnlich, der Durchmesser des von ihr erzeugten Strahles 43 ist jedoch wesentlich kleiner als der Durchmesser des Strahles 13.
In Abhängigkeit von dem für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Auflösungsvermögen liegt der Durchmesser des Strahles 43 im allgemeinen zwischen einem Prozent bis zehn Prozent der Segmentlänge, d. h. dem Abstand von einem Segment 31 zum nächsten.
Die Quelle 40 ist so angeordnet, daß der Strahl 43 auf das Segment 31a unter einem winkel mit der Ebene der das Medium 3O tragenden Scheibe fällt, der gleich dem Winkel des Strah-
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-Vlies 13 in Fig. 1 ist. Das Hologramm auf dem Seguent 31a erzeugt dann in einem Empfänger 50 einen rekonstruierten Strahl 51, dessen Achse 52 in an sich bekannter Weise die gleiche Riclituny wie die Achse 23 des Objektstrahls 22 hat. Da das zur Erzeugung des Hologramms ursprünglich verwendete "Objekt" eine Linie war, wird der Strahl 51 ohne weitere Maßnahme ein EiId dieser Linie in einer Objektebene bzw. auf der Oberfläche 53 erzeugen, die den gleichen Abstand von der Scheibe 30 wie die Lbene 27 hat.
Zur Umwandlung dieser Linie in einen abtastenden Punkt wird eine zweite Zylinderlinse 54 vorgesehen, die den Strahl 51 in einem Punkt 55 in der Objektebene 53 fokussiert. Die optische Achse 56 dieser Linse fällt mit der Achse 52 des Strahls zusammen. Die Zylinderachse 54 ist parallel zur Objektebene, jedoch senkrecht zu der in den Fign. 1 und 2 dargestellten Zylinderlinse 24. Die Linse 54 ist zwischen der das Medium 30 tragenden Scheibe und der Ebene 53 angeordnet während die erste Linse 24 ooerhalb der Ebene 27 angeordnet ist. D. h., daß die Brennlinien der Zylinderlinsen 24 und 54 in der gleichen Ebene (27 oder 53) liegen, ihre Richtungen in dieser Ebene jedoch senkrecht zueinander verlaufen.
Um den Punkt 55 über die Objektebene 53 entlang einer Abtastspur zu bewegen, wird die das Medium 30 tragende Scheibe um ihren Mittelpunkt 32 mit Hilfe einer Vorrichtung 60 in Rotation versetzt, die beispielsweise aus einem konventionellen, mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden Motor 61 bestehen, der über eine V7elle 62 mit der Scheibe verbunden ist. Bei einer Drehung der Scheibe um ihren Mittelpunkt 32 bewegt sich die Schnittstelle 35 des Strahles 43 mit der Scheibe von einer zur anderen Seite des Segmentes 31a. Liegt die Schnittstelle 35 in der Nähe einer Kante des Segmentes 31a, so wird
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das auf dem Segment befindliche Beugungsmuster bev/irken, daß der rekonstruierte Strahl 51a entlang der Achse 52af wie in Fig. 6 dargestellt, zu einem Punkt 55a in der Objektebene verläuft. Während der Bewegung des Segmentes 31a in die in Fig. 6 dargestellte Lage folgt der durch ausgezogene Linien dargestellte Strahl 51 der Bewegung der Achse 52 zum Punkt 55, der etwa in der Mitte der Abtastspur liegt. Bewegt sich das Segment 31a weiter, so daß die Schnittstelle 35 die gegenüberliegende Kante erreicht, so bewegt sich der rekonstruierte Strahl in die mit punktierten Linien 52b dargestellte Lage zu eineia Punkt 55b in der Objektebene 53.
Die zwischen den Punkten 55a und 55b in Fig. 6 liegenden Punkte bilden, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Abtastspur oder Abtastlinie 58. Alle die Abtastspur 5 8 bildenden Punkte liegen, bedingt durch die Anwesenheit der Zylinderlinse 54 auf einer ebenen Oberfläche der Objektebene 53. Der durch eine gestrichelte Linie 59 in Fig. 7 dargestellte Verlauf zeigt den Weg, den der S tr aiii 51 auf der Höhe der den Fign. 5 und eingezeichneten Zylinderlinse 54 durchläuft, wenn sich der Strahl 51 entlang der Abtastspur 58 bewegt. Auf dieser Höhe weist der Weg 59 eine von der Achse 57 abgewandte Krümmung auf. Seine Enden sind bezüglich der Ebene der Fig. 6 leicht nach unten gebogen. Durch die Anordnung der Linse 54 v/erden die achsenfernen Strahlen zur Achse 57 zurück abgelenkt, so daß die sich ergebende Abtastspur 58 nicht mehr gebogen, sondern gerade und in der Brennebene 53 verläuft. In die in den vorgeschriebenen Ausführungsbeispiel als Abtastfenster !dargestellte Objektebene kann ein nicht dargestelltes Objekt !gebracht werden und durch geradlinig verlaufende Abtastspuren !abgetastet werden.
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In Fig. 4 wurde gezeigt, daß der Strahl 22a von der Achse 25 verschoben werden kann, um in der Ebene 27 eine seitlich versetzte Abbildung oder Brennlinie zu erzeugen. Aus Fig. 8 ist die sich ergebende Versetzung der Abtastung anhand eines Ausschnittes des in Fig. 5 wiedergegebenen Strahlenverlaufes ersichtlich. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Strahlenverlauf schließt der rekonstruierte Strahl 51c und seine Achse 52c mit der Linsenachse 56 einen bestimmten Winkel ein. Diese achsenfernen Strahlen werden in einem Brennpunkt 55c fokussiert, der immer noch innerhalb der Objektebene 53 liegt. Während der Drehung der das Medium 30 tragenden Scheibe und dem Durchgang des Rekonstruktionsstrahle3 durch ein geeignetes, gemäß Fig. 4 hergestelltes Hologramm enthaltendes Segment, führt der Punkt 55c eine über die Ebene 53 verlaufende geradlinige Abtastbewegung in einer senkrecht zur Zeichnungsebene und parallel zur durch den Punkt 55 verlaufenden Abtastung liegenden Richtung aus. Auf diese Weise wird durch die Vorrichtung auf einem in der Ebene 53 liegenden Objekt ein zweidimensionales, aus geraden Linien bestehendes Abtastraster erzeugt. Wie im Zusammenhang mit der Besprechung der Fig. 4 erläutert, kann jede beliebige Anzahl von seitlich versetzten Abtastspuren oder Abtastlinien erzeugt werden, deren Anzahl von der Anzahl der verschiedenen in den Segmenten 31 aufgezeichneten Interferenzmustern abhängt.
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Claims (14)

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1. Verfahren zur Erzeugung von aus geradlinigen Upuren bestehenden Abtastmustern mittels bev/egter uologranime, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Ein aus einer kollimierten kohärenten Wellenfront bestehender Referenzstrahl (13) wird auf ein lichtempfindliches Medium (30) gerichtet.
b) Zur Erzeugung eines Interferenzmusters (31) wird auf den gleichen Bereich ein aus einer sphärischen Wellenfront bestehender Obejektstrahl (22) durch eine Zylinderlinse (24) hindurch gerichtet, deren Brennlinie in einer Objektebene (27) in einer ersten Richtung verläuft.
c) Das belichtete Medium wird erforderlichenfalls entwickelt und fixiert.
d) eine kollimierte, als Rekonstruktionsstrahl (43) dienende Wellenfront wird auf das besagte, die als Hologramme ausgebildeten Interferenzmuster enthaltende Medium gerichtet, so daß ein auf eine in einer Objektebene (53) liegende Abbildung einer Linie konvergierender rekonstruierter Strahl (51) entsteht, der vor Erreichen der Objektebene (53) eine zweite Zylinderlinse (54) durchsetzt, deren Brennlinie in der Objektebene (53) in einer zv/eiten Richtung verläuft.
e) Das das oder die als Hologramme ausgebildeten Interferenzmuster (31) aufweisende, als Kreisscheibe ausgebildete Medium (30) wird bezüglich des Rekonstruktionsstrahls (43) in Drehung versetzt.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennlinien der Zylinderlinsen (24, 54) senkrecht zueinander liegen.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ablenkung des Strahls bewirkenden Interferenzmuster (31) in einem ringförmigen Bereich in der Nähe der Peripherie einer das Medium (3(J) tragenden ebenen Kreisscheibe angeordnet sind.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Interferenzmuster (31) in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten hergestellt und zwecks Erzeugung seitlich voneinander versetzter Spuren unterschiedlich ausgebildet sind.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung aufeinanderfolgender Interferenzlauster (31) der Objektstrahl (22) jeweils um bestimmte Beträge seitlich verschoben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schrittweise Verschiebung des Objektstrahls (22) senkrecht zur Richtung der Brennlinie der ersten Zylinderlinse (24) erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl (13) und der Objektstrahl (22) auf die gleiche Seite der die das Medium (30) tragenden Kreisscheibe fallen und deren Ebene unter gleichen Winkeln schneiden.
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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl (13) und der Objektstrahl (22) die Ebene der das Medium (30) tragenden Kreisscheibe unter Winkeln von 45° schneiden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine ebene, ein Medium (30) tragende Kreisscheibe mit ringförmig an ihrer Peripherie angeordneten, als Hologramme ausgebildeten Interferenzmustern (31), eine Lichtquelle (41) zur Erzeugung eines in zeitlicher Aufeinanderfolge auf die einzelnen als Hologramme ausgebildeten Interferenzmuster (31) fallenden Rekonstruktionsstrahls (43), eine Zylinderlinse (54) mit einer senkrecht zur Zylinderachse der bei der Herstellung der als Hologramme ausgebildeten Interferenzmuster (31) verwendeten Zylinderlinse (24) liegenden Zylinderachse und durch Mittel zur eine periodische Bewegung des durch die einzelnen Interferenzmuster (31) und die Zylinderlinse (54) auf einer Objektebene (53) fokussierten Lichtpunktes bewirkende Drehung der das Medium (30) tragenden Kreisscheibe.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzmuster (31) in einander eng benachbarten Segmenten (31) in der Nähe der Peripherie der das Medium (30) tragenden Kreisscheibe angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen aus Hologramme ausgebildeten Interferenzmuster (31) unterschiedlichen, nichtkollinaren Objektstrahlen zugeordnet sind.
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12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rekonstruktionsstrahles (43) kleiner als 10% der Breite der segmentförmigen Interferenzmuster (31) ist.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekonstruktionsstrahl (43) und die Zylinderlinse (54) an der gleichen Seite der das Medium (30) tragenden Kreisscheibe angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Zylinderlinse (54) die das Medium (30) tragende Kreisscheibe unter dem gleichen Winkel wie der Rekonstruktionsstrahl (43) schneidet.
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DE2713445A 1976-04-02 1977-03-26 Verfahren zur Erzeugung geradliniger optischer Abtastmuster Expired DE2713445C2 (de)

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