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Die Erfindung betrifft einen platten- bzw. blattförmigen
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Retroreflektor mit wenigstens einem retroreflektierenden Elerent,
das wenigstens zwei und vorzugsweise drei reflektierende Flächen aufweist, welche
unter solchen Winkeln zueinander angeordnet sind, daß ein auf eine der flächen auftreffenden
Lichtstrahl gegebenenfalls nach Zwischerenreflexion an der zweiten Fläche von der
anderen Fläche entre1en der Einfallsrichtung zurückgeworfen wird.
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Bekannte Retroreflektoren weisen retroreflektierende Elemente in Form
von Tripelspiegeln (DE-OS 23 01 868), Domlinsen oder Glasperlen (Scotch-Lite) auf.
Danach bestehen also die retroreflektierenden Elemente bekannter Retroreflektoren
aus einer Kombination von ebenen Spiegeln oder von Linsen -it gekrümmten Spiegeln.
Auch ein 900-Prisma weist in einer Ebene retroreflektierende Eigenschaften auf,
Nachteilig an den bekannten Retroreflektoren ist, daß der einfallende Lichtstrahl
parallelversetzt zurückgeworfen wird, daß an den Begrenzungslinien gemeinsamer Elemente
tote Zonen entstehen und daß durch die räumliche Tiefe der Elemente das einfallende
Bündel bei Neigung vignettiert. Eine hohe Präzision läßt sich bei den bekannten
Retroreflektoren nur mit geschliffenen und polierten Glaselementen erreichen. Insbesondere
dieses Erfordernis setzt dem Einsatz der bekannten Retroreflektoren aus Kostengründen
häufig Grenzen. Beim Einsatz von Retroreflektoren in Lichtvorhängen und Lichtschranken
nissen daher aus wirtschaftlichen Gründen gepreßte Elemente aus Kunststoff verwendet
werden. Deren Genauigkeit ist aber so gering, daß die erreichXbare Meßentfernung
zwischen dem den Retroreflektor beaufschlagenden optischen Gerät und dem Retroreflektor
um einen Faktor 10 und mehr unter der Meßentfernung liegt, welche sich mit hochwertigen
Glas-Retroreflektoren erreichen läßt. Letztere sind aber in der
Herstellung
entsprechend aufwendig.
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Neben den relativ hohen Kosten für hochwertige Glas-Retroreflektoren
ist ein wesentlicher Nachteil inre räumliche Tiefe, welche umständliche, voluminöse
Malterungen erforderlich macht.
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Das ZLel der Erfindung besteht somit darin, einen Retroreflektor der
eingangs genannten Gattung zu. schaffen, welcher auch in Massenproduktion auf sehr
wirtschaftliche Weise herstellbar ist, gleichwohl aber eine hohe Genauigkeit aufweist
und relativ dünn ausgebildet sein l;ann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die R(-flexionsflächendurch
unter den besagten Winkeln angeordnete Beugungsgitterflächen von räumlich üterlagerten
Beugun::sgittern gebildet sind, wobei die Gitterkonstanten der verwendeten monochromatischen
Strahlung angepaßt sind. Die Gitter sollen dabei insbesondere Sinusgitter oder die
höheren Beugungsordnungen sollen evanescent sein. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn die Beugungsgitter durch ein Volumenhologramm gebildet sind und letzteres ein
Phasenhologramm ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die für einen Retroreflektor
notwendige Kombination mehrerer aufeinanderfolgender Lichtablenkungen an ebenen
oder gekrümmten Flächen durch Beugung an Gittern verwirklicht werden kann, wenn
die auf den Retroreflektor auftreffende Strahlung im wesentlichen monochromatisch
ist. Dies ist heute bei allen industriellen Anlagen, in denen mit fletroreflektoren
aearbeitet wird, und bei Lichtschranken im allgemeinen der Fall, denn als tichtquellen
werden hier Laser oder lichtemittierende Dioden (LED) verwendet.
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Ein besonderer Vorteil der Verwendung von räumlich ineinandergeschachtelten
Beuguncsgittern besteht darin, daß die Ablenkung an den einzelnen Gitterebenen nicht
notwendig unter 900 erfolgen muß, weil an Beugungsgitterebenen nicht unbedingt eine
Reflexion unter spiegelnden Reflexionswinkeln erfolgen nuß, obwohl dies bevorzugt
ist. Tm prSçtischen Fall wählt man also eine symmetrische Anordnung der Beugungsgitterebenen
unter 900 mit gleicher Gitterkonstante für beide Gittar. Ein solches Raumgitter
kann man sich vorstellen als eine Summe von ineinander verschachtelten 90°-»rnsnien,
von denen jedes nur Abmessungen im Bereich weniger optischer Wellenlägen hat. Das
hat den Vorteil, daß der so realisierte Retroreflektor eine verschwindend geringe
Tietenab.messung hat, und zwar im Fall von dichromatisierter Gelatine als Hologram-Material
von nur beispielsweise 5 bis 20µm. Weiter weist ein erfindungsgemäßer Retroreflektor
keine toten Zonen auf.
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Der Seitenversatz der reflektierten Strahlen ist so minimal, daß er
nicht meßbar ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, daß die Raumgitter so zur Oberfläche
des sie tragenden Trägers angeordnet werden können, daß im Arbeitsbereich die Reflexion
der Oberfläche nicht im R£'troreflexionsbereich liegt.
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Die Verwendung von Sinusgittern als Beusungsgitter ist deswegen vorteilhaft,
weil dann störende Nebenmaxima der Beugung vermieden werden. Man kann die Nebenmaxima
aber auch dadurch unterdrücken, daß die Gitterkonstante so gewählt wird, daß höhere
Beugungsordnungen evanescent werden. Dies bedeutet, daß die entsprechenden höheren
Beugungsanordnungen durch geeignet große Ablenkwinkel zum Abklingen gebracht werden.
Die Sinusform der Schwärzung bzw. des Brechungsindex ist bei Hologrammen im allgemeinen
gegeben.
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Sofern nach einer bevorzugten Ausführungsform die Beu,fungsgitterflächen
eben sind, wird ein klassischer Retroreflektor erzielt.
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Es ist jedoch auch möglich, eine dritte Eeu-ungsritierebene im wesentlichen
parallel zur Ebene des Retroreflektors vorzusehen, wodurch dieser zusätzlich die
Eigenschaften eines normalen Spiegels erhält. Diese Doppelfunktion des Retroreflektors
kann in manchen Anwendungen von Vorteil sein.
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Weiter ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung ohne weiteres
möglich, daß wenigstens eines und vorzugsweise alle Beugungsgitterflächen derart
gekrümmt sind, daß eine Fokussierungawirkung erzielt wird. Hier kann m.an also ebenfalls
gegenüber klassischen Retroreflektoren eine weitere Funktion erzielen, die bei den
bekannten Retroreflektoren nicht verwirklicht werden kann.
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Die Herstellung eines nur in einer Ebene wirksamen Retroreflektors
gemäß der Erfindung erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß in einem photoemPfindlichen
Blatt- oder Plattenmaterial wenigstens eine annähernd senkrecht auftreffende ebene
Welle mit einer optischen Frequenz mit wenigstens einer im wesentlichen senkrecht
dazu verlaufenden ebenen Welle der gleichen optischen Frequenz überlagert wird,
und daß wenigstens eine weitere Überlagerung einer der beiden Wellen mit einer dritten,
zu ihr gegenläufigen Welle gleicher optischer Frequenz erfolgt, wobei die optische
Frequenz bei der zweiten tberlagerung anders als bei der ersten Überlagerung sein
kann.
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Bin einem Tripelspiegel entsprechender, nicht nur in einer Ebene wirksamer
Retroreflektor kann erfindungsgemaß vorzugsweise dadurch hergestellt werden, daß
in einem photoempfind lichten Blatt- oder Plattenmaterial wenigstens eine annähernd
senkrecht auftreffende ebene Welle mit optischer Frequenz rnit drei im wesentlichen
senkrecht dazu verlaufenden ebenen
Wellen der gleichen optischen
Frequenz überlagert wird, welche in der senkrecht zu der ersten zelle stehenden
Ebene jeweils unter einem Winkel von vorzugsweise 120° zuelnander angeordnet sind,
wobei die Frequenz der drei in einer Ebene legenden Wellen unterschiedlich sein
kann.
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Resonders vorteilhaft ist es, wenn die Überlagerung durch inkohärente
Addition von zwei bzw. drei Zweistranhlinterferenen erfolgt. Bei kohärenter Addition
encteht nämlich :usätzlich ein drittes Raumgitter,welches die Funktion eines normalen
reflektierenden Spiegels besitzt. In besonderen Anwendungsfällen kann es von Nutzen
sein, eine Vorzursrichtung in dieser Weise optisch ablesbar zu markieren.
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Um dem Retroreflektor auch noch fokussierende Eigenschaften zu verleihen,
brauchen bei seiner Herstellung nur entsprechend Kugel- oder parabolische Wellen,
bzw. bei einem nur in einer Ebene wirksamen Retroreflektor Zylinderwellen verwendet
zu werden. Da in diesem Fall ein bestimmter Fokusabstand einrehalten werden muß,
ist es im allgemeinen nicht möglich, alle Funktionen in einer Ebene zu überlagern;
vielr.ehr muß man die Anordnung aus zwei Hologrammen oder aus einer Hologram und
einem Spiegel aufbauen.
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Ein Hologramm wird bekanntlich in einem photoemfindlichen Blattmaterial
dadurch hergestellt, daß eine referenzwelle rr.it einer zu ihr kohärenten Objektwelle
unter einem bestimmten winkel zum Schnitt gebracht wird. Die an der Schnittstelle
auftretenden Interferenzen werden in dem an dieser Stelle angeordneten photoempfindlichen
Material als Hologramm aufgezeichnet. Bei Beleuchtung des Hologramms mit der Referenzwelle
wird die Objektwelle reproduziert (DE-OS 80 O4 312 und 80 04 313).
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Der G.undgedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß
zur Herstellung eines nur in einer Ebene wirksamen Retroreflektors in einem photoempfindlichen
Material zwei Hologramme Über lagert werden, derart, daß beim Gebrauch die Objektwelle
des ersten Hologramms gleichzeitig die Referenzwelle für das zweite Hologramm ist.
Die erste Referenzwelle und die zweite Objektwelle sind in der für einen Retroreflektor
erforderlichen Weise entegengerichtet. Bei der Herstellung eines erfindungsgernäßen
überlagerten Hologramms muß also nur darauf geachtet werden, daß die erste Referenzwelle
und die zweite Objektwelle einander entgegengerichtet sind. Der Verlauf der ersten
Objektwelle bzw. zweiten Referenzwelle innerhalb des Hologramms ist dagegen in weiten
Grenzen unkritisch, da sich diese Vorgänge im Inneren des Hologrammaterials abspielen.
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Bei einem für innerhalb eines Raumwinkels auftreffende Strahlen-geeigneten,
also räumlich wirksamen Retroreflektor durch Überlagerung dreier Hologramme entspricht
beim Gebrauch die erste Objektwelle der zweiten Referenzwelle und die zweite Objektwelle
der dritten Referenzwelle, welche alle innerhalb des transparenten Hologrammaterials
verlaufen. Die dritte Objektwelle ist dann der ersten Referenzwelle entgegengerichtet.
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Jedes Paar Referenzwelle-Objektwelle kann bei der Aufnahme allerdings
eine unterschiedliche optische Frequenz haben, was sich jedoch nur auf die Größe
des Ablenkwinkels der schließlich beim Gebrauch verwendeten monochromatischen Strahlung
auswirkt.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß die
holographisch hergestellten Mehrfachraumgitter eine retroreflektierende Eigenschaft
auch dann aufweisen, wenn die Rekonstruktion außerhalb der exakten geometrischen
Anordnung erfolgt, d.h., wenn der Referenzstrahl bei der Rekonstruktion gegenüber
dem Referenzstrahl bei der Aufnahme eine Winkeländerun;
aufweisen
darf und dennoch Retroreflexion erfolgt. Es ist eine wesentliche Erkenntnis, daß
durch geeignete Dickenwahl der @eugungsgitter eine retroreflektierende Ablenkung
in der erfindungsgemäßen Anordnung stattfindet. Der Toleranzbereich der Winkelabweichung
und damit der praktische Einsatzbereich des Retroreflektors wird durch den Toleranzbereich
der Bragg-Bedingung beim Raumgitter vorgegeben. Er ist damit in weiten Grenzen willkürlich
einstellbar. Um einen großen Winkelbereich zu erhalten, ist ds vorteilhaft, das
Hologramm dünn, d.h. in einer Dicke von wenigen Lichtwellenlängen zu gestalten.
Damit der Rekonstruktionswirkungsgrad dann noch hoch genug ist, muß das Material
eine hohe Brechungsindexmodulation aufweisen (bevorzugt ist z.B.
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dichromatisierte Gelatine). Ein schmaler Toleranzbereich läßt sich
mit einem sehr dicken Hologramm von beispielsweise 30 bis 50 µm Dicke bei geringer
Brechungsindexmodulation erreichen.
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In bekannter Weise kann die zunächst monochromatische Eigenschaft
breitbandig gestaltet werden, wenn Raumgitter bei mehreren Lichtwellenlängen verwendet
werden (Weißlichthologramm). Dies gelingt z.B. dadurch, daß bei der Aufnahme ein
Laser mit mehreren Wellenlängen verwendet wird.
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Da je nach der Dicke des Hologramms nur Winkel innerhalb mehr oder
weniger großer Winkelbereiche beim Auftreffen auf dem erfindungsgemäßen Retroreflektor
in sich selbst zurückreflektiert werden, kann in vorteilhafter Weise durch entsprechende
Begrenzung dieses Winkelbereiches mittels eines entsprechend dick ausgebildeten
Hologramms auch eine gewisse Winkelselektion verwirklicht werden, etwa dergestalt,
daß nur innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches auf den Retroreflektor auftreffende
Strahlen in sich selbst zurückreflektiert werden,
außerhalb dieses
Winkelbereiches liegende Strahlen dagegen nicht. Hierdurch könnte z.B. die Winkelauflösung
von Lichtgittern verbessert werden, indem die einzelnen optischen Elemente des Lichtgitters
hinsichtlich des von ihnen erfaßten Winkelbereiches begrenzt werden können.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Retroreflektoren braucht nicht
dadurch zu erfolgen, daß jeweils ein photoempfindliches Material in den überlagerten
Originaistrahlengang. gebracht wird. Vielmehr können Teilwel-len auf Mutterhologrammen
festgehalten werden und von diesen in einem Kopierprozeß in an sich bekannter Weise
unter stark vereinfachten Bedingungen übertragen werden, so daß der erfindungsgemäße
Retroreflektor als preiswertes Massenerzeugnis herstellbar ist.
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Die Verwendung eines Hologramms als Retroreflektor hat weiter den
wesentlichen Vorteil, daß eine geringfügige Abweichung von der exakten Ausrichtung
der Teilstrahlen in vorgegebener Weise erreicht. werden kann, so daß die Rïckstrahlung
von der genauen Retroreflexion um vorbestimmte Winkelwerte abweichen kann.
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Besonders vorteilhaft wird als Hologrammaterial dichromatisierte Gelatine
verwendet. Die Gelatineschicht soll beidseitig durch eine dielektrische Schicht,
vorzugsweise Glas oder Plastikmaterial geschützt sein.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt Figur 1. einen schematischen Querschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Retroreflektor zur Veranschaulichung von dessen Funktion,
Figur
2 eine schematische Wiedergabe des bevorzugten Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes
Hologramm und Figur 3 eine schematische Draufsicht des Gegenstandes der Fig. 2 bei
Beaufschlagung mit drei unter 120° angeordneten Wellen.
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Nach Fig. 1 sind zwei Raumgitter mit den Gitterebenen 11, 12 unter
einem Winkel von 900 zueinander und unter einem Winkel von 450 zum senkrecht auf
das Hologramm 14 auftreffenden Eingangs lichtstrahl 15 angeordnet. Der einfallende
Lichtstrahl 15 erfährt an jeder der Gitterebenen 11, 12 eine Teilreflexion. Die
Addition mehrerer Teilreflexionen führt zu Ausgangsstrahlen 16, 16', 16", welche
zum Eingangsstrahl 15 exakt gegenläufig sind. Nachdem die seitlichen Versetzungen
der Ausgangsstrahlen 16, 16', 16" sich in der Größenordnung von Lichtwellenlängen
bewegen, liegt also praktisch ein einziger Ausgangsstrahl vor, der durch die Zusammenfassung
der Strahlen 16, 16', 16" gebildet ist. Da die im Bereich der Lichtwellenlänge vorkommenden
seitlichen Versetzungen symmetrisch zu beiden Seiten des Einfallstrahls 15 vorliegen,
liegt also im Mittel überhaupt keine Versetzung zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahl
vor.
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Da der Wirkungsgrad der Reflexion an einer einzelnen Gitterebene z.B.
für dichromatisierte Gelatine über 30 % betragen kann, wird bereits bei einer Tiefe
von wenigen Wellenlängen eine nahezu 100prozentige Umwandlung erreicht. Der Wirkungsgrad
des erfindungsgemäßen Retroreflektors kann also außerordentlich hoch getrieben werden.
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An sich entstehen bei der Rekonstruktion innerhalb des Hologramms
14 auch Wellen, die in Richtung des Ursprungsstrahls
15 oder unter
900 dazu verlaufen und die theoretisch verlorengehen könnten. Wenn man aber erfindungsgemäß
das Hologramm so ausführt, daß es annähernd senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl
liegt, so ist der Lichtweg in der Ebene des Hologramms bis zum Verlassen desselben'
für einen um 900 abgelenkten Lichtstrahl wesentlich größer als der eg in entgegengesetzter
Richtung, so daß alle zunächst unter 909 abgelenkten Strahlen wiederum in den gegen
läufigen Strahl umgewandelt werden. Entsprechendes geschieht mit solchen Strahlen,
die parallel zum einfallenden Lichtstrahl 15 rekonstruiert werden, wenn das Hologramm
relativ dick ist.
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Mit anderen Worten wird der einfallende Lichtstrahl 15 beim Eintreten
in das Hologramm 14 zwat in allen vier senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen
reproduziert, wobei jedoch eine Richtung, nämlich die gegenläufige (Teilstrahlen
16, 16', 16") bevorzugt ist, indem diese Wellen schon nach zwei oder nur ganz wenigen
Reflexionen wieder aus der Oberfläche des blattförmigen Hologrammaterials 14 austreten
Nach Fig. 2 ist ein das spätere Hologramm 14 bildendes photoempfindliches, durchsichtiges
Blatt- oder Plattenmaterial unter einem geringfügigen Winkel von beispielsweise
100 zur Ebene der Wellen einer .Eingangs- oder Referenzwelle 1-1 angeordnet. Senkrecht
zur ebenen Welle 1-1 wird eine dazu kohärente Welle 2-2 gleicher Frequenz in das
Photomaterial eingestrahlt. Das sich aus der Überlagerung der Wellen 1-1 und 2-2
ergebende Interferenzmuster wird im photoempfindlichen Material latent aufgezeichnet.
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Aufgrund der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird also in dem Photomaterial
14 latent ein Interferenzfeld aufgezeichnet, das aus Ebenen besteht, die im wesentlichen
unter einem Winkel von 450 zur ebenen Eingangswelle 1-1 stehen.
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In einer zweiten Aufnahme wird dann der ebenen Welle 1-1 eine dazu
kohärente ebene Lichtwelle 3-3 überlagert, welche gegenläufig zur ebenen Welle 2-2
ist. Die hierbei entstehenden Interferenzebenen 11 sind unter einem Winkel von 900
zu den erstgenannten Ebenen 12 angeordnet. Bei der zweiten Aufnahme kann auch zweckmäßig
eine andere Frequenz benutzt werden, was unter Berücksichtigung der beim späteren
Gebrauch verwendeten monochomatischen Strahlung jedoch bei der Winkelwahl zu berücksichtigen
ist.
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Wahlweise könnte man auch die ebenen Lichtwellen 1-1 mit 2-2 und anschließend
2-2 mit einer zur ebenen Welle 1-1 gegenläufigen Welle 4-4 überlagern.
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Wenn die beiden Aufnahflen nacheinander oder gleichzeitig, aber mit
etwas unterschiedlichen Frequenzen erfolgen, spricht man von inkohärenter Addition.
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Bei gleichzeitiger Aufnahme der Interferenzen der ebenen Wellen 1-1,
2-2 und 3-3 gleicher Frequenz entstehen zusätzliche Interferenzebenen senkrecht
zu der ebenen Welle 2-2.Bei gleichzeitiger Aufnahme der Überlagerung der ebenen
Wellen 1-1, 2-2 und 4-4entstehen zusätzliche Interferenzebenen senkrecht zur Welle
1-1. In beiden Fällen enthält dann das spätere Hologramm 14 zusätzlich zur 9O0-Prismenfunktion
eine Spiegelfunktion. Man spricht hier von einer kohärenten Addition.
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Während die Fig. 1 und 2 aus Gründen der einfacheren Darstellung nur
die Herstellung eines in einer Ebene wirksamen Retroreflektors zeigen, ist nach
dem Vorangesagten klar, daß zur Herstellung eines räumlich wirksamen Retroreflektors
nach Art eines Tripelspiegels drei Teilinterferenzen aus
je zwei
Teilwellen zu überlagern sind, wobei drei der Teilwellen im Winkel von 1200 zueinander
stehen.
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Die ebene Eingangswelle 1-1 wäre also mit senkrecht dazu verlaufenden
ebenen Wellen 2-2 oder 3-3 (Fig. 2) zu überlagern, wobei nach Fig. 3 in der zur
Welle 1-1 senkrechten Ebene drei Teiwellen 2-2, 2'-2' und 2''-2'' unter Winkeln
von jeweils 120° zueinander vorzusehen wären. Die Aufnahmen mit den Wellenpaaren
1-1/2-2, 1-1/2-2t bzw. t-1/2"-2" können wieder kohärent sein, werden vorzugsweise
jedoch inkohärent durchgeführt, um einen reinen Retroreflektor zu erzielen.
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Bei der Herstellung von retroreflektierenden Elementen mit fokussierenden
Flächen sind bei der Herstellung der Hologramme Kugelwellen oder parabolische Wellen
zu verwenden. Da in diesem Fall ein bestimmter Fokusabstand eingehalten werden muß,
ist es im allgemeinen nicht möglich, alle Funktionen in einer Ebene zu überlagern;
vielmehr muß man die Anordnung aus zwei Hologrammen oder aus einem Hologramm und
einem Spiegel aufbauen.
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Bei der Herstellung der Hologramme wird erfindungsgemäß das dünne
Äufzeichnungsmaterial auf einem stabilen Trägermaterial aufgebracht und seine Oberfläche
durch eine Schutzschicht vor Umgebungseinflüssen geschützt. Besonders geeignet ist
eine Einbettung des Hologramms zwischen zwei Glasscheiben. Die Oberfläche der Schutzschicht
kann man vorteilhaft vergüten, um Reflexionsverluste zu vermeiden