DE2143344A1 - Aufzeichnung räumlich verteilter Objektschwingungsinformation und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

7212-71 Dr. V.Β/Ε * 143344

RCA 62,850

U.S.Ser.No. 68,875

Filing Date:September 2,1970

RCA Corporation
New York , N.Y. (V.St.A.)

Aufzeichnung räumlich verteilter Objektschwingungsinformation und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aufzeichnung räumlich verteilter Objektschwingungsinformation, mit einem dimensionsstabilen Medium, das auf einer Oberfläche ein Reliefmuster aufweist, welches eine räumliche Trägerwelle enthält, die eine vorgegebene Länge hat und mit der Objektschwingungsinformation, die keine Schwingungen, deren Wellenlänge kürzer ist als die der Trägerschwingung, räumlich moduliert ist, umfaßt, und welches bei Beleuchtung mit einer bestimmten Strahlung diese beugt und Demodulation sowie Wiedergewinnung der Objektschwingungsinformation bewirkt. Ferner betrifft die Er-

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findung zum Herstellen einer solchen Aufzeichnung.

In einer Arbeit von L. Rosen, die in den Appl.Phys.Letters 9_, 337 (1966) erschienen ist, v/erden Hologramme eines speziellen Typs beschrieben, die als "fokussierte Hologramme" bekannt geworden sind. Bei einem fokussierten Hologramm wird ein Bild eines mit kohärentem Licht beleuchteten Objekts auf ein holographisches Aufzeichnungsmaterial fokussiert. Gleichzeitig läßt man auf das Aufzeichnungsmaterial auch noch ein Bezugsbündel unter einem vorgegebenen Winkel bezüglich des fokussierten Bildes fallen. Es tritt daher eine Interferenz zwischen dem Bild des Objekts auf dem Aufzeichnungsmaterial und dem Referenzbündel ein und die dabei entstehende Aufzeichnung wird als fokussiertes Hologramm bezeichnet. Das Referenzbündel erzeugt im Effekt einen räumlichen Träger, dessen Wellenlänge gleich der Wellenlänge des einfallenden Lichtes geteilt durch den Sinus des oben erwähnten vorgegebenen Winkels ist. Wenn es sich bei dem Referenzbündel um eine ebene Welle handelt, hat der räumliche Träger auf der ganzen Fläche die gleiche Wellenlänge. Besteht jedoch das Referenzbündel aus einer nicht ebenen Welle, so ändert sich die Wellenlänge des räumlichen Trägers lediglich in Abhängigkeit von der Änderung des Sinus des vorgegebenen Winkels, der sowohl vom Objekt als auch von dessen Bild unabhängig ist.

Die Objektschwingungsinformation, die durch das fokussierte Bild des Objekts gebildet wird, bewirkt jedoch eine Amplitudenmodulation des räumlichen Trägers.

Fokussierte Hologramme haben bekanntlich die vorteilhafte Eigenschaft, daß die aufgezeichnete Information mit weißem Licht rekonstruiert werden kann, das nicht kollimiert zu sein braucht, so daß man für die holographischen Wiedergabeeinrichtungen nicht unbedingt Laser benötigt. Fokussierte Hologramme können mit durchfallendem Licht oder reflektiertem Licht wiedergegeben werden. Außerdem können sie mit dem unbewaffneten Auge und einer gewöhnlichen Lichtquelle betrachtet werden.

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Für viele Zwecke, z.B. die Wiedergabe von Filmäufzeichnungen durch Fernsehgeräte, wird eine große Anzahl von HoIogrammkopien,ζ.B. Kopien fokussierter Hologramme, benötigt. Die hohen räumlichen Frequenzen, die in Hologrammen auftreten, also die feine Struktur von Hologrammen, macht die Anwendung konventioneller Kopierverfahren äußerst schwierig. Beim üblichen photographischen Kontaktkopieren muß man z.B. das Originalhologramm in sehr engem Kontakt mit dem Kopiermaterial bringen, um Beugung sverluste klein zu halten, die schon bei einem Abstand von nur wenigen Mikrons merkbar werden. Reliefphasenhologramme können andererseits dadurch kopiert werden, daß man das Reliefmuster in ein Kopiermaterial, wie einen Vinylkunststoff, einpreßt.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine holographische Aufzeichnung angegeben werden, die u.a. die vorteilhafte Eigenschaft hat, daß zu ihrer Wiedergabe eine ausgedehnte Lichtquelle verwendet werden kann, was das Erreichen einer größeren Bildhelligkeit sehr erleichtert.

Gemäß der Erfindung ist eine Aufzeichnung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die Amplitude des räumlich modulierten räumlichen Trägers des Reliefmusters von der Objektschwingungsinformation abhängt, während Frequenz und Phase des räumlich modulierten Trägers des Reliefmusters von der Objektschwingungsinformation unabhängig sind.

Zur Demodulation und Wiedergewinnung der Objektschwingungsinformation kann bei der vorliegenden Aufzeichnung eine ausgedehnte Strahlungsquelle verwendet werden.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstlelung einer Aufzeichnung der obengenannten Art, bei welchem ein Objekt mit einem von zwei kohärenten Lichtbündeln unter Erzeugung eines Informationsbündelsaus dem kohärenten Licht, das entsprechend dem Objekt räumlich moduliert ist, beleuchtet wird und das Informationsbündel unter Erzeugung eines reellen Bildes des Objekts auf die Oberfläche eines lichtempfindlichen Aufzeichnungsma-

, insbesondere eines Photolack-Aufzeichnungsmaterials, 20981 1/1217

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fokussiert wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig das andere der beiden kohärenten Lichtbündel schräg bezüglich des fokussierten Informationsbündels auf die Oberfläche des Photolack-Aufzeichnungsmaterials gerichtet und dadurch eine Interferenzfigur aus dem kohärenten Licht auf der Oberfläche des Photolack-Aufzeichnungsmaterials aufgezeichnet wird, und daß der Photolack dann unter Erzeugung.zeines Reliefmusters entsprechend der aufgezeichneten Interferenzfigur entwickelt wird.

Der Erfindungsgedanke wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Einrichtung zum Aufzeichnen eines fokussierten Bildhologrammes auf einem Photolack-Aufzeichnungsmaterial;

Fig. 2 eine typische Schwingungsform, wie sie im entwickelten Photolack oder einer mit diesem hergestellten Abdruckkopie eines Reliefmusters eines fokussierten Bildhologrammes auftritt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Einrichtung zur Rekonstruktion einer Reihe von lichtdurchlässigen fokussierten Reliefbildhologrammen, die einen bespielten Kinofilm für ein Video-Wiedergabesystem darstellen, und

Fig. 4 eine Anordnung zur Rekonstruktion eines reflektierenden fokussierten Reliefbild-Hologrammes.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält einen Laser 102, der ein Lichtbündel 109 der Wellenlänge λ_ liefert,

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von dem nur die Mittellinie dargestellt ist. Das Lichtbündel 109 fällt auf einen teilweise reflektierenden Bündelteiler 104, durch den es in zwei Teilbündel 106 und 108 aufgeteilt wird.

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Das erste Teilbündel 106 fällt nach Reflexion an einem Spiegel 110 durch eine Linse 112, die das Bündel in ein feines Loch von etwa 10 pm Durchmesser in einer Lochblende 114 fokussiert. Das aus dem feinen Loch austretende divergierende Bündel 116 fällt durch ein Transparentbild 118, das die Intensität des durchfallenden Lichtes räumlich über den Bündelquerschnitt entsprechend dem Bildinhalt moduliert. Das aus dem Transparentbild 118 austretende, räumlich modulierte Bündel 120 wird durch ein Mikroskopobjektiv 122 auf die Oberfläche eines Photolack-Aufzeichnungsmaterials 124 geworfen. Die Brennweite des Mikroskopobjektivs 122 und dessen Lage bezüglich des Transparentbildes 118 und des Aufzeichnungsmaterials 124 sind so gewählt, daß ein inVergleich zur Fläche des Transparentbildes kleiner Bereich der Oberfläche des A ufZeichnungsmaterials 124 mit einem fokussierten Bildes des Transparentbildes 118 belichtet wird.

Das zweite Teilbündel 108 fällt nach Reflexion an einem Spiegel 126 durch eine Linse 128, eine Blende 130 mit einem feinen Loch und eine Linse 132, die ein kollimiertes Referenzbündel 134 erzeugt, welches das Aufzeichnungsmaterial 134 gleichzeitig mit dem fokussierten Bild des Transparentbildes 118 beleuchtet. Wie Fig. 1 zeigt, ist die Richtung des kollimierten Referenzbündels 134 um einen Winkel φ bezüglich der Hauptrichtung (Achse) des aus dem Mikroskopobjektiv 122 austretenden Informationslichtbündels, das das fokussierte Bild auf der Oberfläche des Photolackauf Zeichnungsmaterials 124 bildet, versetzt. Da das Licht des Informationsbündels und das Licht des Referenzbündels räumlich kohärent und an der beleuchteten Oberfläche des Photolackauf Zeichnungsmaterials 124 winkelmäßig versetzt sind, bilden die beiden Bündel an der beleuchteten Oberfläche eine Interferenzfigur. Die Belichtungszeit, die entweder durch ein impulsmäßiges Betreiben des Lasers 102 oder einen im Laser 102 oder an einer anderen Stelle in der Einrichtung vorgesehenen Verschluß (nicht dargestellt) gesteuert wird, wird entsprechend der Absolutintensität des vom Laser 102 gelieferten Lichtbündels und der Empfindlichkeit des Photolackaufzeichnungsmaterials so gewählt, daß sich für die aufgezeichnete Interferenzfigur, die ein

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fokussiertes Bildhologramm darstellt, die optimale Auflösung und Wiedergabetreue ergeben.

Nachdem der Photolack 124 in der beschriebenen Weise belichtet worden ist, wird er zum Entwickeln für eine bestimmte Zeitspanne in ein geeignetes Ätz- oder Lösungsmittel gebracht. Die Ätz- oder Lösungsgeschwindigkeit an den verschiedenen Punkten der Oberfläche des Photolacks hängt von der Summe der Lichtenergie ab, der der betreffende Punkt ausgesetzt worden war. Nach dem Entwickeln erhält man also ein fokussiertes Bildhologramm in Form eines Reliefmusters auf der Oberfläche des Photolack-Aufzeichnungsmaterials.

Fig. 2 zeigt eine typische Wellenform des entwickelten Photolack-Aufzeichnungsmaterials. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, bildet das Reliefmuster des fokussierten Bildhologrammes eine feste räumliche Vertex lung eines Trägers bestimmter Wellenlänge λ_ν, wobei λ_ν = X_T/sin<i> ist (mit einer geringen Abhängigkeit vom Winkel zwischen der Aufzeichnungsebene des Photolacks und den einfallenden Lichbündeln; φ kann für Lichtstrahlen von verschiedenen Punkten des Objekttransparentbildes verschieden sein), die lediglich in der Amplitude durch ein komplexes Modulationssignal moduliert ist. Das Reliefmuster des fokussierten Bildhologrammes enthält also keine Phasenmodulation, Frequenzmodulation oder andere Winkelmodulation der räumlichen Trägerwellenlänge, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Von dem Reliefmuster im originalen Photolackaufzeichnungsmaterial kann eine Metallkopie hergestellt werden, z.B. durch stromlose Nickelplattierung und anschließende Elektroplattierung der Reliefmusteroberfläche des Photolackaufzeichnungsmaterials. Diese Metallkopie kann dann von dem entwickelten Photolackaufzeichnungsmaterial getrennt und zum Prägen von Kopien des fokussierten Bildhologrammreliefmusters in thermoplastische Materialien, wie Viny!polymerisaten, verwendet werden. Die gepreßten Kopien weisen dementsprechend dann dieselben typischen Schwingungen des fokussierten Bildhologrammreliefmusters auf, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Diese Kopien können mit verhältnis-

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mäßig geringen Kosten in Massenfertigung hergestellt werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird ein Mikroskopobjektiv 122, das z.B. eine Drei-fache Vergrößerung haben kann, als Abbildungsoptik zwischen dem Transparentbild 118 und dem Aufzeichnungsmaterial 124 verwendet, um die Fläche des Bildes des Transparentbildes 118 um einen bestimmten Faktor, z.B. 9, bezüglich der Fläche des Transparentbildes 118 selbst zu verkleinern. Hierdurch wird die Speicherdichte der aufgezeichneten iiologramiae in vorteilhafter Weise verringert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Verwendung des Mikroskopobjektivs 122 als Abbildungsoptik kein notwendiges Merkmal ist und daß andere optische Mittel zur Fokussierung eines Bildes der Transparentvorlage 118 auf dem Photolack 124 verwendet werden können, unabhängig vom Größenverhältnis zwischen dem fokussierten Bild des transparenten Originals bezüglich der Größe des Originals selbst.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Wiedergabe von früher aufgezeichneter Videoinformation, z.B. eines Kinofilmes. Die Videoaufzeichnung hat die Form eines transparenten Bandes, in das eine in Bandlängsrichtung verlaufende Reihe von fokussierten Reliefbildhologrammen eingeprägt ist. Das Band kann aus einem transparenten Plastikmaterial, wie einem Vinylkunststoff, bestehen. Jedes der lichtdurchlässigen Reliefbildhologramme der Reihe kann die Information eines entsprechenden Einzelbildes des Kinofilmes enthalten.

Das Band 300 wird in seiner Längsrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) in Schritten, die praktisch gleich der Länge der einzelnen lichtdurchlässigen Reliefhologramme ist, fortlaufend weitertransportiert. Die aufeinanderfolgenden Reliefhologramme auf dem Band 300 gelangen dadurch nacheinander in den Weg eines Lichtbündels von einer ausgedehnten Lichtquelle 306, die eine Lampe enthalten kann,und sie werden durch dieses Lichtbündel beleuchtet, wenn ein Verschluß 308 offen ist.

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Zwischen den aufeinanderfolgenden Transportschritten ruht das Band 300 und eine Vorschubvorrichtung 302 öffnet kurzzeitig den Verschluß 308, mit dem sie über eine nur schematisch angedeutete Verbindung 310 gekoppelt ist. Das Lichtbündel 312 von der ausgedehnten Lichtquelle 306 durchsetzt dann für eine kurze Zeitspanne den Verschluß 308 und bildet ein Beleuchtungslichtbündel 314, das auf das Reliefmuster desjenigen fokussierten Bildhologrammes fällt, das sich im Wege des Lichtbündels, also z.B. in einem Bildfenster, befindet. Die Lichtquelle 306 kann z.B, eine Glühlampe hoher Leistung, die ein Lichtbündel hoher Intensität liefert, enthalten. Der Begriff "ausgedehnt" soll hier allgemein eine nichtkohärente Quelle für Schwingungsenergie bedeuten, die sowohl einen über ein vorgegebenes Frequenzband ausgedehnten Wellenlängenbereich hat (also nicht monochromatisch ist) und/oder eine erhebliche räumliche Ausdehnung aufweist (also eine beträchtliche Fläche einnimmt im Gegensatz zu einer praktisch punktförmigen Lichtquelle).

Das auf das Reliefmuster eines lichtdurchlässigen fokussierten Bildhologrammes fallende Lichtbündel 314 wird durch die Interferenzfigur des Hologramms gebeugt, während es das Band durchsetzt. Durch die Beugung entstehen ein Bündel 316 nullter Ordnung, ein in einem Winkel zu diesem verlaufendes oberes Bündel 318 erster Ordnung, ein ebenfalls im Winkel zum Bündel 316 verlaufendes unteres Bündel 320 erster Ordnung und weitere Paare von Bündeln höherer Ordnung, die jedoch nicht dargestellt sind. Das eine der Bündel erster Ordnung, z.B. das obere Bündel 318, fällt durch eine Abbildungsoptik 322, die aus einer Konvexlinse oder aus einer Linsenkombination bestehen kann und aus der Abbildungsoptik 322 tritt ein Lichtbündel 324 aus, das ein rekonstruiertes fokussiertes reelles Bild der durch das Originaltransparentbild 118 (Fig. 1) auf einer photoempfindlichen Fläche 326 einer Fernsehkamera 328 entwirft, so daß auf diese Weise das Hologramm abgelesen und wiedergegeben wird. Die Fernsehkamera 328 formt das Bild in ein elektrisches Videosignal um, das am

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Ausgang 330 der Fernsehkamera 328 zur Verfügung steht. Wenn als lichtempfindliche Ablesevorrichtung eine Fernsehkamera verwendet wird, wie es bei einer Einrichtung gemäß Fig. 3 der Fall ist, muß die Transportvorrichtung 302 mit der Rasterabtastung der Fernsehkameraröhre synchronisiert werden, was durch die Verbindung 329 symbolisch dargestellt ist.

Das Videosignal am Ausgang 330 kann unmittelbar dem Videoteil eines Fernsehempfängers oder einer anderen Fernsehwiedergabeeinrichtung 332 zugeführt werden, oder es kann zur Modulierung eines Fernsehsignalträgers im VHF- oder UHF-Frequenzbereich dienen, der dann den Antennenklemmen eines handelsüblichen Fernsehempfängers zugeführt werden kann. Man kann also auf diese Weise einen Kinofilm, dessen Bilder in Form von Reliefmustern von fokussierten Bildhologrammen aufgezeichnet sind, über einen Fernsehempfänger wiedergeben.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit für gepreßte Kopien von Reliefmustern, die fokussierte Bildhologramme darstellen, ist die Herstellung von Duplikatkopien von Mikrofilmen und Mikrofilm-Karteien. Fig. 4 zeigt eine einfache Einrichtung zur Wiedergabe und Betrachtung solcher kopierter Daten. Ein Band 400, längs dessen eine Folge nebeneinanderliegender Reliefhologramme aufgezeichnet ist, wird im Gegensatz zu dem Band 300 (Fig. 3) mit einer reflektierenden Oberfläche versehen. Die einzelnen Hologramme können sehr kleine Abmessungen haben, um eine hohe Speicherdichte zu erreichen, wie oben anhand von Fig. 1 erläutert worden war. Indem man das Reliefmuster eines gewünschten fokussierten Bildhologrammes auf dem Band 400 mit einem Lichtbündel von einer Mirkoskopbeleuchtungsleuchte 402 belichtet und das kleine rekonstruierte Bild, das durch die Beugung des einfallenden Lichtes am Reliefmuster des Hologrammes entsteht, mit einem Mikroskop 40t betrachtet, kann man die in Form der Reliefhologramme gespeicherte Information sehr einfach lesen.

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Claims (10)

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   Patentansprüche

   Aufzeichnung räumlich verteilter Objektschwingungsinformation mit einem dimensionsstabilen Medium, das auf einer Oberfläche ein Reliefmuster aufweist, welches eine räumliche Trägerwelle enthält, die eine vorgegebene Länge hat und mit der Objektschwingungsinformation, die keine Schwingungen kürzerer Wellenlänge als die der Trägerschwingung umfaßt, räumlich moduliert ist, und welches bei Beleuchtung mit einer bestimmten Strahlung diese beugt und eine Demodulation sowie Wiedergewinnung der Objektschwingungsinformation bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die Amplitude des räumlich modulierten räumlichen Trägers des Reliefmusters von der Objektschwingungsinformation abhängt, während Frequenz und Phase des räumlich modulierten Trägers des Reliefmusters von der Objektschwingungsinformation unabhängig sind.
2. 2. Aufzeichnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Plastikmaterial ist und daß das Reliefmuster mindestens einen Teil der Oberfläche des Plastikmaterials bildet.
3. 3. Aufzeichnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastikmaterial ein Vinylkunststoffband ist.
4. 4. Aufzeichnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastikmaterial für weißes Licht durchlässig ist.
5. 5. Aufzeichnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn ζ e ichnet, daß das Reliefmuster gepreßt ist.
6. 6. Aufzeichnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Objektschwingungsinformation von im wesent-

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   lichen monochromatischen Lichtwellen stammt, gekennzeichnet durch die Kombination mit einer ausgedehnten Lichtquelle zur Beleuchtung des Reliefmusters auf dem Medium.
7. 7. Aufzeichnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Quelle für weißes Licht ist.
8. 8. Verfahren zur Herstellung einer Aufzeichnung nach Anspruch 1, bei welchem ein Objekt mit einem von zwei kohärenten Lichtbündeln unter Erzeugung eines Informationsbündels aus dem kohärenten Licht, das entsprechend dem Objekt räumlich moduliert ist, beleuchtet wird und das Informationsbündel unter Erzeugung eines reellen Bildes des Objektes auf die Oberfläche eines lichtempfindlichen Aufzeichnungsmaterials, insbesondere eines Photolackes, fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig das andere (134) der beiden kohärenten Lichtbündel (116, 134) auf die Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials (124) gerichtet und dadurch eine Interferenzfigur aus dem kohärenten Licht auf der Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials aufgezeichnet wird, und daß das Aufzeichnungsmaterial unter Erzeugung eines Reliefmusters entsprechend der aufgezeichneten Interferenzfigur entwickelt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallform des Reliefmusters auf der Oberfläche des Photolack-Aufzeichnungsmaterials hergestellt wird und daß die Metallform als Mutter zur Herstellung von Kopien des Reliefmusters in Kunststoff verwendet wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopien durch Einpressen der Metallmutter in ein erwärmtes thermoplastisches Material hergestellt werden.

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