DE2850574A1

DE2850574A1 - Holographisches optisches element sowie verfahren und vorrichtung zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2850574A1
Application number: DE19782850574
Authority: DE
Inventors: Lacy G Cook
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-12-09
Filing date: 1978-11-22
Publication date: 1979-06-13
Also published as: NL7811445A; IT1106950B; GB2009960A; FR2411436A1; JPS5486359A; IT7852230A0

Description

Holographisches optisches Element sowie Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung

Eine ausführliche, allgemeine Behandlung holographischer optischer Elemente findet sich in einem Aufsatz von Do Gc McCauley et al mit dem Titel "Holographie Optical Elements for Visual Display Applications" in Applied Optics, Vol. 12, Nr. 2, Februar 1973, Seiten 232 bis 242. Weitere Ausführungen über holographische optische Elemente finden sich in einem Aufsatz von D₀ H. Close mit dem Titel "Holographie Optical Elements" in Optical Engineering, Vol. 14, Nr₀ 5, September/Oktober 1975, Seiten 408 bis 419.

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Holographische optische -ülenitinte und deren Verwendung sind auch in den US-PSen 98 07 82% p? Y/ 212, ^y 15 und 39 4-0 2CKt- behandelt, endlich sei auch noch auf die ältere Patentanmeldung P- 28 ^LV$ 661 _o i? verwiesen, die ein tragbares Sichtgerät unter Verwendung holographischer optischer Diemente zum Gegenstand hat.

Bei dem in der alteren Patentanmeldung beschriebenen Sichtgerät handelt es sich um ein Iiacht- oder 1) amme rung s Sichtgerät, das die Möglichkeit bietet, mit beiden Augen ein einziges Bild zu betrachten, da» von einer transformierenden Bildquelle stammt,, Beispielsweise kann es sich um ein Infrarotbild handeln, das mittels einer Bildverstärkerröhre in den Bereich sichtbarer Wellenlängen transformiert worden ist_o Das von der Bildquelle gelieferte, einzige Bild wird beispielsweise mittels eines Strahlteilers und eines Spiegels geteilt„ Jedes der durch Teilung gewonnen Bilder wird jeweils von einem Auge durch die dem Auge zugeordnete ffiLographisohe Linse oder ein äquivalentes optisches Element betrachtet, das sich auf einer Sichtplatte befindet, die in der normalen Sichtlinie des Benutzers angeordnet isto Bei der Sichtplatte kann es sich beispielsweise um das Visier oder den Schutzschirm eines Helmes handeln, der vom Benutzer getragen wird. Der Benutzer ist daher nicht nur in der Lage, das transformierte Bild z\i sehen, sondern sieht dieses Bild der natürlichen Szene überlagert, die bei dem vorhandenen Umgebungslicht sichtbar isto Solche Sichtgeräte sind besonders nützlich für Feuerwehrleute, Hubschrauberpiloten und dgloo

Wie in den Unterlagen der älteren Patentanmeldung dargelegt, wird von den holographiüchen optischen Elementen eine solche Charakteristik verlangt, daß eine gewisse Verzeichnung des von dem holograx^hischen optischen iilenient durch Reflexion oder Transmission erzeugten Bildes die Folge isto Mit "Verzeichnung" ist hier eine fehlerhafte Verteilung der Bildpunkte auf der richtigen oder gewünschten Bildfläche gemeint, die ein verformtes oder verzerrtes Bild des Objektes zur Folge hat, weil die Bildpunkte nicht Punkt für Punkt den geometrischen Beziehungen der Objektpunkte entsprechen,, Dieser Ausdruck "Verzeichnung" wird verwendet zur Unterscheidung von solchen Formen der Aberration wie "Astigmatismus", wobei es 3ich um die fehlerhafte Verteilung der Bildpunkte längs einer optischen Achse handelt, die gewöhnlich senkrecht zur gewünschten Bildebene steht und lie nicht eine fehlerhafte Form des Bildes, sondern ein zwar in der Form korrektes, aber tmscharfes Bild mit mangelnder Auflösung zur Folge hat. Obwohl die oben erwähnte US-PS 59 40 204 ein Verfahren zur Korrektur des Astigmatismus holographischer optischer Kiemente behandelt, finden sich weder in dieser US-Patentschrift noch in den anderen, oben genannten Druckschriften Angaben über irgendwelche Möglichkeiten zur Korrektur der Verzeichnung holographischer Elemente«,

Tatsächlich werden nach dem Stand der Technik in Systemen, welche von holographischen Elementen Gebrauch machen, konventionelle optische Elemente in der Wiedergabeoptik zur Korrektur der rechtwinkligen Komponenten der Verzeichnung benutzt., Hierdurch werden die Konten und das

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Gewicht des Gesamtsystems natürlich erhöht, und es können dadurch manche Systeme unbrauchbar werden» Weiterhin werden auf diese Weise die Verzeichnungen nicht vollständig beseitigte

Bei einem bekannten Sichtgerät, bei dem in das Blickfeld das Bild einer Kathodenstrahlröhre eingeblendet wird, wird die Verzeichnung der holographischen Elemente, die zur Betrachtung des Bildes der Kathodenstrahlröhre dienen, dadurch eliminiert, daß die Kathodenstrahlröhre elektronisch zur Urzeugung eines Musters programmiert wird, welches die Verzerrungen kompensiert. Auch diese Maßnahme erfordert einen erheblichen Aufwand und ist dann nicht anwendbar, wenn andere als von Kathodenstrahlröhren erzeugte Bilder betrachtet werden sollen,,

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur Korrektur der Verzeichnungen von holographischen optischen Elementen, die Winkel-, Symmetrie-, Trapez- und Tonnen— oder Kissenfehler umfassen, anzugeben, die weder die Anwendung zusätzlicher optischer Glieder in den Abbildüngssystemen noch elektronische Maßnahmen zur Verzerrung der abzubildenden Muster umfassen,/

Diese Aufgabe wird bei einem optischen System nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das holographische optische Element in bezug auf eine oder mehrere Achsen eine sich kontinuierlich ändernde Brennweite aufweist, die durch Anordnung mindestens eines prismatischen Gliedes in einem der Lichtstrahlen erzeugt worden ist, die zur Herstellung des holographischen optischen Elementes verwendet worden sindo

Der Vorteil der erfindungagemäßen Maßnahmen besteht darin, daß zusätzliche optische Elemente, die zur Korrektur von Verzeichnungen erforderlich sind, nur in dem optischen System benötigt werden, das zur Herstellung der holographischen optischen Elemente benötigt wird, und nicht in der Wiedergabeoptik, die sich in dem System des Benutzers befindet. Auf diese V/eise ist es möglich, auch erhebliche Verzeichnungen des holographischen -Elementes zu korrigieren, die verschiedene Komponenten umfaßt, wie Winkelfehler, Symmetriefehler, Trapez- und Tonnenfehler.

Neben einem optischen System mit einem derart korrigierten holographischen optischen Element umfaßt die Erfindung auch das Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung eines solchen optischen Elementes und insbesondere ein spezielles optisches System, das zur Herstellung eines korrigierten holographischen optischen Elementes geeignet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der /ieichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Es zeigen

Fig. 1 das Diagramm einer Ausfuhrungaform eines optischen Systems zur Herstellung eines holographischen optischen Elementes nach der Erfindung,

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Figo 2 ein Diagramm, das die Verzeichnung einea nach dem Stand der Technik hergestellten holographischen optischen Elementes wiedergibt, und

Figo 3 ein Diagramm, das die korrekte Abbildung eines mittels des optischen Systems nach Fig. 1 korrigierten holographischen optischen Elementes veranschaulicht.

Es wurde festgestellt, daß in optischen Systemen, wie sie in der US-PS 39 40 204 oder in der älteren Patentanmeldung P 28 4-3 661.5 beschrieben sind, restliche Verzerrungen vorhanden sind, die bisher nur sehr schwierig zu korrigieren waren» Ea wurde festgestellt, daß solche, durch die V/iedergabeoptik bedingte Verzerimngen dadurch korrigiert werden konnten, daß in dem zur Herstellung des holographischen optischen Elementes verwendeten optischen System ein prismatisches Glied verwendet wurde, bei dem es sich je nach den Eigenschaften eines bestimmten Systems entweder um ein reines Prisma oder um die Abwandlung eines Prismas handeln kann, wie beispielsweise um ein Prisma mit einer zylindrischen oder anderen asphärischen Fläche, oder um ein "Axicon'OEs hat sich gezeigt, daß durch Anwendung dieses Korrekturmittels alle Komponenten einer Verzerrung reduziert oder eliminiert werden können, einschließlich von Winkel-, Symmetrie-, Trapez- und Tonnenf ehlern«.

Das in Fig. 1 in Form eines Diagrammes dargestellte optische System dient zur Herstellung einer holographischen Linse, die für ein Sichtgerät geeignet ist. Die Wellenfronten, die zur Herstellung der holographischen Linse H

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verwendet werden, werden von zwei zueinander kohärenten Punktquellen 10 und 23 erzeugt, die als Objektstrahlbzw. Bezugsstrahl-Punktquellen bezeichnet werden. Diese Punktquellen können von dem gleichen Laser 40 mit Hilfe eines optischen Systems erzeugt werden, das ütrahlteiler, Mikroai -Objektive und bpatialfilter umfaßt. Üolche Methoden s±nd allgemein bekannt und bilden keinen Teil der Erfindungο

In der folgenden Tabelle I sind die verschiedenen optischen Elemente angegeben, die zum imfbau des in Ii¹Ig, 1 schematisch dargestellten optischen üystems verwendet worden sind, das als eine beispielhafte ausführungsform der Erfindung aufgebaut worden ist_o Die in der Tabelle I enthaltenen Maße sind in cm angegeben. Die Numerierung der Oberflächen beginnt mit der Punktquelle 10 für den Bezugs strahl und mit der Punktquelle ?_'$ für den Objektstrahl.

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-ff-

	Hadius	Tabelle I	Material oder Glassorte	Neigung
Flächen- nummer	-	Dicke oder Abstand	Luft
10	-3,4-57 -15,860	25,400	785-261 Luft
11 12	- 2,169 - 4,023	0,254 0,584	785-261 Luft
13 14	O -18,105	0,254 2,817	517-642 Luft
15 16	0	0,889 12,205	HEFL	45°
17	-35,56	-16,320	HEFL
18	O 0	16,320	517-642 Luft	45°
19 20	- 8,783 - 8,783	1,219 6,426 .	517-642 Hologramm	-25° -25°
21 22	-	0,178 0	Luft
23	- 3,437 -15,860	25,400	785-261 Luft
24 25	- 2,164 - 4,023	0,2540 . 0,584	785-261 Luft
26 27	5,639* 0	0,254 1,016	517-642 Luft	25,2°
28 29	- 8,783 - 8,783	1,257 5,563	517-642 Hologramm	25° 25°
30 31	0,178 0

•Zylinderfläche

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Bei der Punktquelle 10 kann es sich um einen Laserstrahl handeln, der von dem Laser 40 abgeleitet ist und über die Linsen L1 und L2 sowie die zylindrische Linse C abgebildet und von der Strahlteiler-Platte P auf den sphärischen Spiegel Ii reflektiert wird. Von dem sphärischen Spiegel M werden die Strahlen zurück durch die Platte P auf das holographische optische Element H reflektiert,, Der andere Strahl oder Bezugsstrahl kommt von der Punktquelle 23» die ebenfalls vom Laser 40 abgeleitet ist_o Die Punktquelle wird mittels der Linsen L3 und L4 abgebildet» Das Bild wird von dem Prisma H transformiert, das sich in dem Weg des Bezugsstrahles zwischen der Linse L4 und dem holographischen Element H befindet« Die Belichtung des holographischen optischen Elementes, das sich zwischen zwei Substraten befindet, erfolgt nach dem Interferenzmuster, das sich an seiner Oberfläche durch die Überlagerung des Objekt s tr ahle s und des Bezugs Strahles ergibt,,

In der Zeichnung sind die Bezugszahlen, die in der Tabelle I zur Bezeichnung der Oberflächen dienen, an jedem der Elemente in Fig., 1 eingetragene Demgemäß bezeichnet die Fläche Nr₀ 10 die Oberfläche der ersten Punktquelle, die sich in einer Luft anstatt von 25,400 cm von der ersten Oberfläche 11 der Linse L1 befindet. Diese Oberfläche 11 hat einen Krümmungsradius von -3»437 cn. Die Linse L1 hat eine Dicke von 0,254· cm und besteht aus Glas vom Typ 785-261 β Die übrigen Informationen der Tabelle I sind in gleicher Weiae auf die in Figo 1 dargestellten -lilemente anwendbar,, £s sei erwähnt, daß die Neigungswinkel, die den Oberflächen mit den Nummern 17» 19, 20, 21 und 22 im Objektstrahl und den Oberflächen mit den

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Nummern 29, 30 und 31 in Bezugsstrahl zugeordnet sind, gegenüber der optischen Achse gemessen sind_o &s ist auch leicht festzustellen, daß die Oberflächen 10 bis 22 dem Weg des Objektstrahles und die Oberflächen 23 bis 31 dem Weg des Bezugsstrahles zugeordnet sind_o Dabei sind die Oberflächen 22 und 31 körperlich die gleichen, werden jedoch in entgegengesetzter Richtung durchlaufen· Das gleiche gilt für die Oberflächen 1? und 1^C)_O

Unter Anwendung der vorstehend beachriebenen Technik wurden holographische Linsen hergestellt, die eine bedeutend verminderte Verzeictmung aufwiesen, wie es ein Vergleich der Fig„ 2 und 3 zeigt». Fig. 2 zeigt das Verzeichnungsmuster existierender Linsen, die nach dem ütand der Technik hergestellt wurden, während Fig. 3 ein verzeichnungsfreies Bildmuster- liefert, das mit einer Linse erhalten wurde, die unter Verwendung des in Figo 1 dargestellten optischen Systems hergestellt wurde„ Beide linsen hatten eine effektive Brennweite von 5,08 cm. Zur Bewertung der derart hergestellten Linsen wurde ein fehlerfreies Gitternetz in der Brennebene angeordnet und es wurde das mittels des holographischen optischen ISlemen tes erzeugte Bild photographiert« Der Abstand der Gitterlinien betrug etwa 0,25 cm, so daß etwa zehn Quadrate einem Blickfeld von 30° entsprachen. Die tonnen- oder kissenförmige Verzeichnung, mit der die nach dem ütand der Technik erzeugte Linse behaftet war, bewirkte die Aufwärtsbiegung bei der in Fig. 2 dargestellten Abbildung Ein Vergleich der aufgenommenen Bilder zeigt, daß nahezu alle Winkel- und Tonnenfehler korrigiert sind und nur eine geringe üpur eines Trapezfehlers verbleibt.

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Eg versteht sich, dali zur Erzeugung von holographischen optischen Elementen nach der Erfindung auch andere Systeme benutzt werden können als das in 1'¹Ig. 1 als Ausführungsbeispiel dargestellte. Beispielweise kann im einfachsten Fall "ine Punktlichtquelle für den Bezugsstrahl durch eine zy.~ syrische Linse urimitbeibar auf einen sphärischen Spiegel abgebildet und auf eine Fläche des holographische^ optischen Elementes gerichtet werden» Die andere Punktquelle wird dann durch ein Prisma mit einer zylindrischen Fläche auf das holographische optische Element gerichtet, wo der Objektstrahl und der Bezugsstrahl Interferenzen bildeno Das Interferenzmuster erzeugt dann das holographische optische Element gemäß den Lehren, die der oben genannten Literatur zu entnehmen sind_o Die Verbesserung in allen diesen optischen Herstellungs-Systemen besteht in der Anwendung eines prismatischen Elementes in einem der zur Belichtung dienenden Strahlen, um in den Wellenfronten eine Aberration von solcher Art zu erzeugen, daß die Verzeichnungen kompensiert und dadurch reduziert oder gar eliminiert werden, die sonst in der das holographische Element enthaltenden Wiedergabeoptik aufgetreten wären» Die optischen Eigenschaften von Prismen sind in einzigartiger Weise dazu geeignet, die Verzeichnung oder Deformation der Bilder in der Bildebene zu eliminieren· Es wird angenommen, daß dieser Erfolg durch die Erzeugung einer kontinuierlichen Veränderung der Brennweite des holographischen optischen Systems um eine oder um mehrere Achsen erzielt wird, wobei die Änderung eine solche Größe und ein solches Vorzeichen hat, daß die sonst bestehende Verzeichnung ausgeglichen wird_o In gleicher V/eise hat es sich gezeigt, daß eine Bildkippung, das ist eine Neigung der Bildebene, ebenfalls durch die Verwendung eines Prismas in der Herstellungs-Optik ausgeglichen werden kann_e

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Claims

Patentansprüche

(ld Optisches System mit einem holographischen optischen Clement, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur von Verzeichnungen, die Winkel-, Symmetrie-, Trapezoid Tonnenfehler umfassen, daa holographische optische Element in bezug auf eine oder mehrere Achsen eine sich kontinuierlich ändernde Brennweite aufweist, die durch Anordnung mindestens eines prismatischen Gliedes (R) in einem der Lichtstrahlen, die zur Herstellung des holographischen optischen Elementes (H) verwendet worden sind, erzeugt worden ist.

Verfahren zur Herstellung eines holographischen optischen Elementes, bei dem ein holographisches Substrat mit zwei einander überlagerten Strahlen belichtet wird,- dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Lichtstrahlen ein Prisma (Ii) zur Verzerimng der Viellenfront angeordnet ist, das eine kontinuierliche Änderung der Brennweite des hologi'uphischen Elementes (H) in bezug auf eine oder mehrere Achsen bewirkt, um durch das holographische Element andernfalls bedingte Abbildungsfehler zu kompensieren»

Vorrichtung zur Herstellung eines holographischen optischen Elementes mit einem ein holographisches Aufzeichnungsmaterial tragenden Substrat, einer ρunktförmigen Quelle eines auf daa holographische Aufzeichnungsmaterial gerichteten ersten Laserstrahles und einer punktförmigen Quelle eines auf das holographische Aufzeichnungsmaterial gerichteten zweiten Laserstrahles, der zum ersten Laserstrahl kohärent i«t,

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dadurch gekennzeichnet, daß zur !Compensation von andernfalls auftretenden Abbildungsfehlern zwischen der Quelle (23) des zweiten Laserstrahles und dem holographischen Aufzeichnungsmaterial (H) mindestens ein prismatisches Glied (R) zur Verzerrung der Wellenfront des zweiten Lasex'strahles angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Quelle (10) des ersten Laserstrahles und dem holographischen Aufzeichnungsmaterial (H) eine Zylinderlinse (C) angeordnet ist.

Optisches üystein. zur Herstellung eines holographischen optischen Elementes mittels verzerrter Wellenfronten zur Kompensation von andernfalls vorhandenen Abbilc.ungsfehlern, mit einer ersten Quelle einer ersten Laser-Wellenfront zur Erzeugung eines ObjektStrahles, einer zweiten Quelle einer zweiten Laser-Wellenfront zur Urzeugung eines Bezugsstrahlea und einem Substrat, das ein holographisches Linsen-AufZeichnungsmaterial trägt und auf welches der Objektstrahl und der Bezugsstrahl gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Quelle (10) und dem Substrat (H) zwei Zwischenlinsen (L1, L2), eine zylindrische Linse (G), eine teilreflektierende Platte (P) und ein sphärischer üpiegel (Ii) derart angeordnet sind, daß die Zwischenlinsen (L1, L2) die Quelle (10) auf die zylindrische Linse (G) abbilden, daß die teilreflektierende Platte (P) das Bild von der zylindrischen Linse (G) und der Spiegel (M) das Bild der ersten Quelle von der teilreflektierenden Platte (P) empfängt,

während das holographische Linsen-Aufzeichnungsmaterial (H) das von dem sphärischen Spiegel (M) reflektierte Licht durch die teilreflektierende Platte (P) hindurch empfängt, die sich zwischen dem Spiegel (M) und dem Aufzeichnungsmaterial (H) befindet, und daß zwischen der zweiten Quelle (25) und dem Substrat (H) zwei weitere Zwischenlinsen (L3, L4) und ein Prisma (R) derart angeordnet sind, daß die zweite Quelle (23) von den Zwischenlinsen (L3, L4-) auf dem Prisma (H) abgebildet wird und das Aufzeichnungsmaterial (H) das von der zweiten Quelle (23) emittierte Licht durch das Prisma (E) hindurch empfängt.

6. Optisches System nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch die in Tabelle I der Beschreibung angegebenen Werte seiner optischen Elemente_o

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