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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische
holographische Elemente im allgemeinen und betrifft insbesondere ein Verfahren
für die Reproduktion eines optischen holographischen Elementes und eine
Verwendung des erhaltenen optischen holographischen Elementes.
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Ein Hologramm vom dünnen Typ, dessen Struktur eine Abfolge von
Linien aufweist, kennzeichnet sich durch einen variablen räumlichen
Transmissionskoeffizienten (Kx, Ky). Die Verfahren der Reproduktion
eines Hologrammes ermöglichen, diese Linien in einem holographischen
Aufzeichnungsträger zu registrieren. Das zu reproduzierende Hologramm wird
als Herstellungshologramm bezeichnet. Der Aufzeichnungssupport wird als
Systemhologramm bezeichnet.
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Ein Hologramm kann charakterisiert werden durch seine
Beugungswirksamkeit (siehe H.P. Herzig, Optics Communications, V 58 (1986),
Nr. 3, S. 144, und H. Kogelnick, Bell. Syst. Techn., J. 48 (1969), S.
2909). Die minimale Beugungswirksamkeit wird erhalten, wenn die
Bragg'sche Bedingung in allen Punkten des Hologramms erfüllt ist. Der
Stand der Technik lehrt, daß die Hologramme vom dicken Typ die einzigen
sind, die das Erzielen einer Beugewirksamkeit nahe bei 100% ermöglichen.
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Die Reproduktion optischer holographischer Elemente kann nach
zwei bekannten Haupttechniken ausgeführt werden, die von William T.
Rhodes beschrieben sind in "Hologram Copying", Handbook of Optical
Holography, Academic Press, S. 373 bis 378. Eine erste Technik ermöglicht die
Erlangung einer Kopie eines Hologramms durch ein Verfahren der
Rekonstruktion. Eine zweite Technik basiert auf einem Reproduktionsverfahren
mittels Kontakt.
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Bei dem ersten Verfahren erhält man ein Systemhologramm durch
Aufzeichnen entweder eines virtuellen Bildes oder eines reellen Bildes
eines Obiektes. Diese Bilder wurden zunächst in einem ersten Hologramm
aufgezeichnet, das als Herstellungshologramm bezeichnet wird. Diese
Bilder werden erzeugt durch Beugung einer Rekonstruktionswelle an dem
Herstellungshologramm. Das Interferenzdiagramm, gebildet durch die gebeugte
Rekonstruktionswelle und eine Referenzwelle, wird in einem
holographischen
Aufzeichnungsträger aufgezeichnet, um das Systemhologramm zu
bilden.
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Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es die gleiche
interferometrische Stabilität erfordert wie iene, die für die Aufzeichnung des
Herstellungshologramms benötigt wurde. Die Beugewirksamkeit wird
erhalten durch die Steuerung der Lichtintensitäten der gebeugten
Rekonstruktionswelle und der Referenzwelle und insbesondere des Auftreffwinkels.
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Das zweite Verfahren besteht darin, einen holographischen
Aufzeichnungsträger direkt in Kontakt mit dem Herstellungshologramm zu
bringen. Die Beleuchtung dieses Herstellungshologramms mittels einer
ebenen Welle erzeugt ein Durchlaßbündel der Ordnung null und ein
Beugebündel der ersten Ordnung.
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Das Systemhologramm wird hier erhalten nach Aufzeichnung des
Interferenzdiagramms, gebildet durch die Interferenz zwischen dem Bündel
der Ordnung null und dem genannten gebeugten Bündel erster Ordnung.
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Dieses zweite Verfahren hat den Nachteil, eine
Rekonstruktionswelle zu erfordern, identisch mit der ursprünglichen Referenzwelle,
die verwendet wurde für die Aufzeichnung des Herstellungshologramms. Im
anderen Falle wäre die Auflösung des rekonstruierten Bildes, ausgehend
von dem Systemhologramm, verringert relativ zu dem Bild, rekonstruiert
ausgehend von dem Herstellungshologramm. Außerdem wäre das Feld des
Systemhologramms verringert gegenüber ienem des Herstellungshologramms.
Darüberhinaus führt eine Änderung der Wellenlänge der
Rekonstruktionswelle zu einem aus dem Herstellungshologramm rekonstruierten Bild
schlechter Qualität. Mit anderen Worten erfordert die identische
Reproduktion des Herstellungshologramms die Verwendung einer
Rekonstruktionswelle, welche dieselbe Krümmung, dasselbe Auftreffen und dieselbe
Wellenlänge aufweist wie die ursprüngliche Referenzwelle.
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Eine Hauptbeschränkung der Verfahren nach dem Stand der
Technik besteht darin, daß sie nur den Erhalt eines Systemhologrammes
ermöglichen, dessen aufeinanderfolgende Linien, aus denen es besteht,
identisch sind mit ienen des Herstellungshologramms. Mit anderen Worten
haben, beide, das Herstellungshologramm und das Systemhologramm, denselben
räumlichen Transmissionskoeffizienten. Eine Konsequenz des Vorstehenden
ist, daß man nicht gleichzeitig ein Systemhologramm identischer Struktur
mit der Struktur des Herstellungshologramms, und ein Systemhologramm
erhalten kann, das eine minimale Beugewirksamkeit an allen Punkten für
eine gegebene auftreffende Welle aufweist. Die Beugewirksamkeit der
holographischen Elemente nicht gleichförmiger Struktur, erhalten durch die
bekannten Verfahren, ist nämlich nicht minimal an allen Punkten des
holographischen Elementes.
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Ein Gegenstand der Erfindung besteht in einem
Reproduktionsverfahren eines optischen holographischen Elementes in
einer holographischen Emulsion, die ein Hologramm aufzeichnen kann, mit
einer minimalen Beugewirkung in allen Punkten, welches Verfahren nicht
die vorstehend aufgezählten Beschränkungen aufweisen soll.
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Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ein
Reproduktionsverfahren eines optischen holographischen Elements, das
eine Transformation der Wellenfront sicherstellt sowie eine vorbestimmte
Beugewirksamkeit.
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Mit anderen Worten ist ein Gegenstand der Erfindung ein
Verfahren, das es ermöglicht, ein Systemhologramm mit einer nicht
gleichförmigen Struktur und mit minimaler Beugewirksamkeit an allen Punkten
der Ebene des Systemhologramms zu erlangen.
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Die Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
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Ein Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung für das
Aufzeichnen eines optischen holographischen Elementes liegt in den geringen
Kosten der Ausführung des Verfahrens wie auch darin, daß man
Systemhologramme mit hoher Wirksamkeit erhält.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens der Erfindung ist das
Erhalten einer kontinuierlichen Aufzeichnung und hohem Wirkungsgrad eines
Systemhologramms mit nichtgleichförmiger Struktur. Andere Ziele,
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus
der nachfolgenden Beschreibung, die nur als illustrativ zu verstehen
ist, und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen
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Fig. 1.a und 1.b zwei Techniken nach dem Stand der Technik
zeigen, welche die Aufzeichnung eines Hologramms durch ein
Rekonstruktionsverfahren (Fig. 1.a) bzw. durch ein Kontaktreproduktionsverfahren (Fig.
1.b) ermöglichen und die
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Fig. 2 eine mögliche Konfiguration zeigt, eingesetzt für die
Reproduktion eines optischen holographischen Elementes gemäß der
Erfindung.
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Die Figuren 1.a und 1.b illustrieren die beiden Techniken nach
dem Stand der Technik, erwähnt in der Einleitung der vorliegenden
Beschreibung.
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Die nachstehende Tabelle 1 listet die Übereinstimmungen
zwischen den Bezugszeichen auf, die in Fig. 1 auftauchen und den Elementen,
welche sie bezeichnen.
Tabelle 1
BEZUGSZElCHEN
ELEMENTE
reelles Bild
virtuelles Bild
Herstellungshologramm
Rekonstruktionswelle
gebeugte Rekonstruktionswelle
Referenzwelle
Systemhologramm
Durchlaßbündel der Ordnung null
gebeugtes Bündel erster Ordnung
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Die Fig. 1.a zeigt ein Systemhologramm 16, erhalten durch
Aufzeichnung entweder eines virtuellen Bildes 11 oder eines reellen Bildes
10 eines Obiektes, welche Bilder vorher in einem ersten Hologramm, als
Herstellungshologramm 12 bezeichnet, aufgezeichnet worden waren. Diese
Bilder werden erzeugt durch Beugung einer Rekonstruktionswelle 13 an dem
Herstellungshologramm. Das Interferenzdiagramm, gebildet durch die
gebeugte Rekonstruktionswelle 14 und eine Referenzwelle 15, wird in einem
holographischen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet, um das
Systemhologramm
zu bilden.
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Die Fig. 1.b zeigt einen holographischen Aufzeichnungsträger
vor dem Herstellen des optischen holographischen Systemelementes 16 in
direktem Kontakt mit dem Herstellungshologramm 12. Die Beleuchtung
dieses Herstellungshologramms mittels einer Rekonstruktionswelle 13 erzeugt
ein Durchlaßbündel 17 der Ordnung null und ein gebeugtes Bündel 18
erster Ordnung. Das Systemhologramm wird hier erhalten nach Aufzeichnung
des Interferenzdiagramms, gebildet durch Interferenz zwischen dem Bündel
der Ordnung null und dem gebeugten Bündel erster Ordnung.
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Eine mögliche Konfiguration, welche die Aufzeichnung eines
Herstellungshologramms 1 entsprechend der Erfindung ermöglicht, ist in
Fig. 2 dargestellt.
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Das Herstellungshologramm 1 wird mittels eines bekannten
Verfahrens realisiert, beispielsweise durch vorheriges Aufzeichnen auf
einem holographischen Aufzeichnungsträger, getragen von einem Substrat des
Interferenzdiagramms, gebildet in der genannten Schicht durch
Interferenz zwischen einem Obiektbündel und einem Referenzbündel. Das
holographische Material wird entwickelt, um schließlich das
Herstellungshologramm 1 zu bilden. Dieses Herstellungshologramm ist beispielsweise ein
dünnes Hologramm, dessen Struktur durch einen Vektor mit zwei
Abmessungen (Kx- Ky) repräsentiert werden kann. Dieses erste Hologramm wird
verwendet für die Erzeugung des optischen holographischen Systemelementes
2.
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Der holographische Aufzeichnungsträger vor der Herstellung des
holographischen optischen Systemelements wird in direkten Kontakt mit
dem Herstellungshologramm gebracht.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung durchläuft eine Anfangswelle
3 einen optischen Pfad, auf dem sich ein Hologramm 6 befindet, erzeugt
beispielsweise von einem Computer. Dieses computerzeugte Hologramm ist
beispielsweise ein dünnes Hologramm vom synthetischen Typ und von
geringer Wirksamkeit. Die auf diese Weise gestörte Anfangswelle bildet eine
Auftreffwelle 7. Diese Auftreffwelle beleuchtet das
Herstellungshologramm unter Erzeugung eines Durchlaßbündels der Ordnung null 4 und eine
Beugung des Bündel s der ersten Ordnung 5. Die Aufzeichnung des
Interferenzdiagramms,
gebildet durch Interferenz zwischen dem Durchlaßbündel
der Ordnung null und dem gebeugten Bündels der ersten Ordnung,
ermöglicht die Realisierung des optischen holographischen Systemelementes.
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Das optische holographische Systemelement, das man erhalten
möchte, hat eine Struktur, die repräsentiert wird durch einen Vektor
K(x,y) mit drei Komponenten (Kx, Ky, Kz) Die Achsen X,Y,Z sind iene,
die in Figur 2 definiert sind. Die Komponenten Kx und Ky
charakterisieren die Transformation der Wellenfront der Auftreffwelle, während die
Komponente in Richtung der Achse Z, Kz die nur eine Funktion von x und
y ist, die Beugewirksamkeit bestimmt. Die minimale Beugewirksamkeit wird
erhalten, wenn die Bragg sche Bedingung in allen Punkten des
Herstellungshologramms erfüllt ist.
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Indem man das optische holographische Systemelement durch
Kontaktaufzeichnung erhalten hat, sind die Vektorkomponenten Kx und Ky in
Richtung der Achsen X und Y des optischen holographischen Systemelements
identisch mit den entsprechenden vektoriellen Komponenten des
Herstellungshologramms.
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Die vektorielle Komponente Kz in Richtung der Achse Z des
optischen holographischen Systemelements wird definiert durch den Wert in
iedem Punkt (x, y) des Auftreffwinkels θ R der Auftreffwelle. Die
Definition des Auftreffwinkels wird erhalten durch die Einführung des
computerzeugten Hologramms in die optische Bahn der Anfangswelle.
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Mit anderen Worten stört die Einführung des computererzeugten
Hologramms in die optische Bahn der Anfangswelle diese Anfangswelle und
erzeugt die Auftreffwelle, deren Beleuchtungsrichtungen in iedem Punkt
(x, y) des Herstellungshologramms derart definiert sind, daß die
Beugewirkung in diesen Punkten (x, y) des optischen holographischen
Systemelementes maximal wird.
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Die Werte, in iedem Punkt (x, y) der Ebene des
Systemhologramms, der Vektorkomponente Kz für die die Beugewirkung maximal in
iedem dieser Punkte ist, erzwingen iede der lokalen Beleuchtungsrichtungen
in der Ebene des Herstellungshologramms. Die Bestimmung der genannten
Beleuchtungsrichtungen oder der Auftreffwinkel ermöglicht, die Form der
Wellenfront abzuleiten, die der Auftreffwelle aufzuzwingen ist. Daraus
resultiert, daß bei Kenntnis der erforderlichen Form der Auftreffwelle
die Charakteristiken des computerzeugten Hologramms definiert sind in
Abhängigkeit von der Wellenfront der Anfangswelle.
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Eine bevorzugte Verwendung des optischen holographischen
Elements mit hoher Wirksamkeit, erhalten gemäß dem Verfahren der Erfindung,
ist ein Bündeltrenner mit variablem Verhältnis zwischen den
Lichtintensitäten, die durchgelassen bzw. gebeugt werden.
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Der optische Bündeltrenner benutzt ein optisches
holographisches Element und verwendet ein Hologramm gleichförmiger Struktur. Das
Funktionsprinzip basiert dabei auf einer Veränderung in der Zeit des
Auftreffwinkels der auftreffenden Welle. Diese Veränderung des
Auftreffwinkels wird prinzipiell von einer Veränderung des Beugewinkels der
gebeugten Welle begleitet.
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Gemäß der bevorzugten Anwendung umfaßt das Funktionsprinzip
des optischen Bündeltrenners ein optisches holographisches nicht
gleichförmiges Element hoher Wirksamkeit, erhalten gemäß dem Verfahren der
Erfindung und basierend ausschließlich auf einer seitlichen Verlagerung
des optischen Hologramms. Das optische holographische Element wird lokal
beleuchtet. Das Verhältnis zwischen den Lichtintensitäten des Bündels
der Ordnung null und eines der gebeugten Bündel ist eine Funktion der
lokalen Charakteristiken der holographischen Struktur.
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Der optische Bündeltrenner weist nicht die oben erwähnten
Nachteile auf. Darüberhinaus ermöglicht ein solcher Bündeltrenner die
Erzeugung einer kontinuierlichen Variation der Lichtintensität der
durchgelassenen Welle und der gebeugten Welle.