DE2707325C2

DE2707325C2 - Vorrichtung zum Aufzeichnen und zum Rekonstruieren eines Hologramms

Info

Publication number: DE2707325C2
Application number: DE19772707325
Authority: DE
Inventors: Takeshi Omiya Matsuoka
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1976-02-21
Filing date: 1977-02-19
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE2707325A1; JPS52102050A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufreichnen eines Hologramms von einem Objekt und zum Rekonstruieren desselben mit weitem Licht,'nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine solche Vorrichtung wird in der prioritätsälteren deutschen Patentanmeldung P 27 01 789 vorgeschlagen.

Das Holographierprinzip, auf dem die Erfindung aufbaut, ist folgendes: Zwei eindimensional fokussierte Bilder, deren Fokussierungsrichtungen voneinander verschieden sind, werden jeweils einmal in einer holographischen Ebene und in einer etwas vor der holographischen Ebene liegenden Ebene gebildet Das Hologramm dieser Bilder wird mittels kohärenter Lichtstrahlen aufgenommen, wobei ein dreidimensionales Bild entsteht, wenn das derart hergestellte Hologramm mit weißem Licht beleuchtet wird.

Vorrichtungen zur Rekonstruktion von Hologrammen mit weißem Licht sind beispielsweise aus der US-PS 35 35 012 vorbekannt, gemäß der für die Hologrammaufnahme mindestens eine Quelle für kohärentes Licht und fokussierende Einrichtungen vorgesehen sind. In diesen Vorrichtungen wird das Hologramm durch ein mit Laserlicht über eine »otütionssymmetrische Abbildungsoptik in der Nähe des lichtempfindlichen Films erzeugtes Bild eines Objektes sowie von einer kohärenten Referenzlichtquelle beleuchtet Eine wesentliche Voraussetzung für das Funktionieren dieser Vorrichtung besteht darin, daß das fokussierte, als Objekt für den Aufnahmeschritt Verwendete Bild nahe der holographischen Platte liegen muß, damit die vom Bild ausgehende Wellenfront eine größere Krümmung als die Wellenfront der Referenzlichtquelle an der fotographischen Platte oder dem entsprechenden Film aufweist, damit die überlagerte Wellenfront nur gering durch die Wellemront der Referenzlichtquelle beeinflußt wird. Nur unter dieser Voraussetzung ist die Aufnahme mit einer ausgedehnten Referenzlichtquelle und entsprechend die Wiedergabe auch mit einer inkohärenten Lichtquelle möglich. Die Größe des beobachteten Bildes kann daher nicht größer als die der fotographischen Platte gemacht werden, wobei weiterhin Fehler der fotographischen Platte mitabgebildet werden, die die Qualität des später erzeugten Hologramms stark beeinträchtigen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche ein Hologramm erzeugen und unter Verwendung von weißem Licht rekonstruieren kann, wobei das Hologramm über einen weiteren Winkelbereich, nämlich bis zu 360° wiedergebbar sein soll, und verbesserte Qualität und größere Abbildung des rekonstruierten Bildes erzielbar sein solL

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruches aufgeführten Merkmale gelöst

Weitwinkelprogramme dienen dazu, dreidimensionale Bilder von Objekten über einen Bereich bis zu 360° abzubilden (das Wort »weit« ist im Sinne von »Weitwinkelholographie«, nicht aber im Sinne von »verbreiterter Blickbereich von einem gegebenen Punkt auf der Seite des Objektes« zu verstehen).

In der nachfolge:'den Beschreibung werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert Dabei zeigt bzw. zeigen

F i g. 1 in erläuternder perspektivischer Darstellung ein optisches Fokussiersystem, welches einen Aspekt der Erfindung illustriert;

F i g. 2 in schematischer Darstellung ein System zum Erzeugen von Hologrammen;

F i g. 3a bis 3c Hologramme, die nach dem System der F i g. 2 rekonstruiert sind;

F i g. 4 in schematischer Darstellung ein System zum Erzeugen von Weitwinkelhologrammen nach der Erfindung;

F i g. 5 die Rekonstruktion des nach dem System der F i g. 4 hergestellten Hologramms und

F i g. 6 und 7 andere Ausführungsbeispiele.

Ein Aspekt des optischen Systems zum Erzeugen eines Hologramms nach der Erfindung wird im folgenden zunächst unter Bezugnahme auf F i g. 1 erläutert, in der eine holographische Ebene 2 gezeigt ist, auf der ein Hologramm des Objektpunktes 1 gebildet werden soll. Zwischen dem Objektpunkt 1 und der holographischen Eoene 2 ist ein Paar von Zylinderlinsen 3a und 36 angeordnet die Licht nur in einer Richtung, also einsinnig, bündeln. Diese Linsen sind so angeordnet, daß die Richtungen, in denen sie Licht bündeln, senkrecht zueinander liegen. Die Zylinderlinse 3a erzeugt ein reelles Bild des Objektpunktes 1 in der vertikalen Richtung (Richtung der K-Achse) auf der holographischen Ebene 2. Die Interferenz zwischen diesem Licht und einem beleuchtenden Referenzlicht 4 (Laserlicht) in der Y-Z- Ebene erzeugt ein normales Hologramm. Die Zylinderlinse 3b erzeugt vor dem Erzeugen eines Hologramms des Objektpunktes 1 bezüglich der Querrichtung zunächst ein einsinniges Virtuelles oder Nebenbild 5 bezüglich def Querrichtung (Richtung der X-Achse) an einem Punkt, der leicht vor der holographischen Ebene 2 liegt, Dementsprechend wird gleichzeitig mit der Bildung eines einsinnigen reellen Bildes des Objektpunktes 1 relativ zur Vertikalrichtung auf der holographischen Ebene ein

Hologramm erzeugt, welches aus der Interferenz zwischen dem Referenzlicht 4 und der divergierenden Wellenfront von dem virtuellen Bild 5 des Objektpunktes 1 bezüglich der Querrichtung resultiert Dies bedeutet, daß das Hologramm, welches auf der holographischen Ebene 2 gebildet wird, ein vertikales Bilddiagramm ist

Das vorstehend beschriebene Prinzip hinsichtlich der Bildung eines Hologramms bezüglich eines Objektpunktes trifft in exakt derselben Weise auf die Bildung eines Hologramms bezüglich eines festen Körpers zu, da ein fester Körper als eine Ansammlung von Objektpunkten betrachtet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel eines Systems zum Aufzeichnen eines Hologramms entsprechend dem vorstehend beschriebenen Prinzip ist in F i g. 2 wiedergegeben.

Wie Fig.2 zeigt, wird ein Laserstrahl 21, der von einem Laser 20 kommt, durch einen Strahlteiler 22 in einen Gbjektbeleuchtungsstrahl 23 und einen Referenzstrahl 24 aufgeteilt Der Objektbeleuchtungsstrahl 23 wird durch Spiegel 25 und 26 reflektiert und dann über eine Linse (oder einen Spiegel) 29 auf ein Objekt 10 projiziert Der Referenzstrahl 24 wird d'.'rch einen Spiegel 27 reflektiert und dann über einen Spiegel (oder eine Linse) 30 auf eine holographische Platte 2 projiziert Eine Streuplatte 31 kann zwischen der Linse 29 und dem Objekt 10 angeordnet sein. Das System, welches vorstehend beschrieben wurde, erzeugt entsprechend dem in F i g. 1 erläuterten Prinzip ein Hologramm.

Der Einsatz der Vorrichtung zum Rekonstruieren eines Hologramms, welches in der oben beschriebenen Weise erzeugt worden ist, wird nunmehr unter Bezugnahme auf die F i g. 4A bis 3C beschrieben.

Wie in Fig. 3A gezeigt ist, wird weißes Licht von einer Lichtquelle 42 innerhalb der V-Z-Ebene auf die holographische Platte 2 von derjenigen Seite projiziert, die der Seite, von welcher ein Beobachter das rekonstruierte Bild betrachten soll, gegenüberliegt Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine Punktquelle. Das rekonstruierte Bild 416, welches auf diese Weise beobachtet wird, wird stereoskopisch wahrgenommen, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die F i g. 3A und 3C noch erläutert wird.

Die Rekonstruktion des Bildes in Querrichtung (X-Achse) ist in Fig.3B gezeigt In Querrichtung wird also das rckonstnrerte holographis, he Bild 416 an einer Stelle beobachtet an der das virtuelle (einsinnige) Bild, welches in F i g. 1 gezeigt ist, bezüglich der Querrichtung des Objekts gebildet wurde. Das rekonstruierte Bild 41 b erscheint unterschiedlich, je nachdem, welches der Beobachtungswinkel ist Es ist aber zu beachten, daß es nur als °.insinniges Bild beobachtet wird.

Wendet man sich nunmehr F i g. 3C zu, so sieht man, daß das rekonstruierte Bild 41c in der vertikalen Richtung fV-Achse) an der Stelle der holographischen Platte 2 beobachtet wird. Bezüglich der vertikalen Richtung ist das Hologramm ein Bildhologramm.

Wie in Fig. 3A gezeigt wird, wird das rekonstruierte Bild entsprechend dem oben erläutei (en Prinzip als rekonstruiertes Bild 41 beobachtet resultierend aus der Kombination der beiden rekonstruierten Bilder 41 b und 41c von Fig,3B bzw. Fig.3C jedwede Änderung im ■eobachtungswinkel bewirkt die Kombination eines anderen Bildes 416 mit dem rekonstruierten Bild 41c, wodurch die Beobachtung stereoskopisch wird,

Dies wird nachfolgend noch in größeren Einzelheiten beschrieben. Angenoirnen, die Koordinaten des Objektpunktes 1 seien (x_u, y,„ z₀), die Koordinaten der Referenzlichtquelle und der weißen Lichtquelle, die zur Rekonstruktion verwendet werden, seien (xr, yn, zr), und μ sei gleich λαΐλκ, wobei Ar die Wellenlänge des beim Rekonstruieren verwendeten Lichtes und Ar die Wellenlänge des Referenz-(Aufzeichnungs-)Lichtes sind, so ergeben sich die Koordinaten des rekonstruierten Bildes (x\,y\, Z₁) wie folgt:

Wenn nun die Koordinaten der Referenzlichtquelle (xr, y«, Zr) innerhalb der Y-Z-Ebene nach hinten und unten liegen, und wenn

-Il zr (1)

X^Iz_x = μ X₀Iz₁₁ + (Xr/z_R - μx_R/z_R) (2)

UrI'z_r - μy_Rlz_R) (3)

= 0; \y_R/z_R\ ~

so hängt die Position des rekons:.·.-,ierten Bildes y\/z\ von dem Wert von μ ab, das heißt ve η der Ditferenz zwischen den Wellenlängen des Lichtes für die Rekonstruktion und dem Referenzlicht In dem Fall also, wo der Objektpunkt vor der holographischen Ebene liegt (^af der gegenüberliegenden Seite der holographischen Ebene vom Beobachter gesehen aus), so variiert die Position des Bildes mit der Wellenlänge, wobei die verschiedenen Bilder, die gebildet werden, zur Bildung eines einzigen, unscharfen Bildes komoiniert werden. Ist aber

z„ = 0,

das heißt also, ist das Bild auf der holographischen Ebene fokussiert so ergibt sich unabhängig vom Wert von μ die nachfolgende Beziehung:

so daß also das mit weißem Licht rekonstruierte Bild klar auf der holographischen Fläche entsteht

Andererseits führt das Einsetzen der Werte von (4) in die Gleichung (2) zur nachfolgenden Beziehung:

_t = UJf₀ IZ_n

Da der Wert

konstant ist, so ergibt sich, daß die durch x\lz\ definierte

Position sich als Resultat der Änderungen des Wertes vbn μ verschiebt Obwohl also der Objektpunkt um eine bestimmte, endliche Distanz vor der holographischen Ebene liegt, ist die Verschiebung in der Position des rekonstruierten Bildeo, die aus der Änderung der Wellenlänge resultiert in diesem Fall klein, so daß das erhaltene Bild relativ scharf ist

Wie aus den vorstehenden Darlegungen klar hervorgeht, liegt das der K-Achse zugeordnete Bild auf der holographischen Fläche, während das der X-Achse zugeordnete BiIH um eine endliche Distanz vor der holographischen Fläche liegt Wenn dieses Hologramm mit weißem Licht rekonstruiert wird, welches die Tendenz hat, den Wert von \ylz\ zu steigern, so ist das Bild trotzdem sowohl in X* als auch in V-Richtung

scharf. Weiterhin bewirkt die Parallaxe des Bildes in ^Richtung einen Unterschied im Beobachtungswinkel in der X'Z^Eberie, wodurch eine stereoskopische Beobachtung ermöglicht wird. Es erübrigt sich zu sagen,

daß das rekonstruierte Bild mit größter Klarheit dann beobachtet werden kann, wenn die rekonstruierten Bilder 4Ii und 41c in X- und V-Richtung dieselbe Vergrößerung haben. Um einen Unterschied in der Vergrößerung zwischen der vertikalen und der Querrichtung auszuschließen und um so sicherzustellen, daD für beide rekonstruierten Bilder 416 und 41c derselbe Beobachtungswinkel gilt, reicht es aus, die nachfolgende Bedingung zu erfüllen:

wobei dies dadurch bewerkstelligt werden kann, daß die Vergrößerung der jeweiligen Linsen in dem das Hologramm aufzeichnenden System hinsichtlich der vertikalen und der Querrichtung geeignet ausgewählt werden.

Der Betrag der im nach der obigen Methode hergestellten Hologramm enthaltenen Parallaxeninformation ist relativ klein. Ein Weitwinkelhologramm kann rjiirrh die Herstellung einer Vielzahl von Hologrammen mit verschiedenen Blickwinkeln relativ zu einem Objekt und nachfolgendem Nebeneinander-Anordnen der so hergestellten Hologramme wiedergewonnen werden. Es ist jedoch schwierig, eine Vielzahl von Hologrammen aus verschiedenen geeigneten Winkeln eines Bereichs herzustellen. Es ist ebenso schwierig, die so hergestellten Hologramme so anzuordnen, daß sie eine natürlich erscheinende Wiederherstellung des Bildes für das menschliche Auge sicherstellen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Abbildung eines Weitwinkelhologramms bis zu einem Winkelbereich von 360°.

Die Einzelheiten, die mit denen der F i g. 2 übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie Fig. 2 versehen. In Fig.4 ist ein um ein bestimmtes konstantes Winkelinkrement drehbarer Drehtisch 40 vorgesehen. Eine Blende 47 zur Belichtungssteuerung ist vor einem länglichen Streifen eines hologrammaufnehmenden und -wiedergebende Mittels, im folgenden Hologrammfilm genannt, in der holographischen Ebene angebracht, wobei der Hologrammfilm durch eine Meß- und Transportvorrichtung 46 um eine feste Länge verschoben wird. Der Drehtisch 40, die Blende 47 und die Meß- und Transporteinrichtung 46 sind funktionell mit den Antriebssteuerungen 43, 45 und 44 verbunden. Die Antriebssteuerungen 43,44 und 45 sind miteinander verknüpft und können im Gleichgang steuern.

Bei der Benutzung wird ein Objekt 10 auf den Drehtisch 40 gestellt. Das gesamte im Zustand der F i g. 4 gezeigte System ist bereit zur Herstellung eines Hologramms des Objekts 10 auf dem Hologrammfilm in der holographischen Ebene 2 über eine Breite von 360° In bei geeigneter Belichtungssteuerung durch die Blende 47. Nachdem der Hologrammfilm in der holographischen Ebene 2 für eine genügend lange Belichtungszeit mit vom Objekt ausgehendem Licht belichtet wurde, wird die Blende 47 betätigt, um die Belichtung zu beenden. Gleichzeitig Werden die Antriebssteuerungen 42 und 44 betätigt, so daß der Drehtisch um 360°In gedreht und ebenso der Hologrammfilm in der holographischen Ebene 2 um eine Länge verschoben wird, die gleich der ist, die gerade belichtet wurde.

Diese Synchronsleuerung wird »/j«-mal wiederholt, so daß eine Folge von diskreten Hologrammen bei »λ« verschiedenen Blickwinkeln bei einem länglichen

ίο Streifen des Hologrammfilms hefgestellt worden ist. Die eine Folge von diskreten Hologrammen tragende Länge des Hologrammfilms wird in der Form eines Kreishologramms 50 aufgestellt. Das so hergestellte Kreishologramm 50 wird um eine Mittelachse 51 gedreht. Wenn Weißlicht von der Lichtquelle 42 in der V-Z-Ebene auf den holographischen Kreis 50 projiziert wird, kann ein Beobachter 52 ein dreidimensionales und 360° breites Bild am Ort, an dem das Bild 41 b, c erscheint, sehen (F i g. 5).

Die oben beschriebene Vorrichtung stellt direkt ein Weitwinkelhologramm her. Ist ein Objekt 10 zu groß zum Transportieren oder zu groß zum Einbringen in das Systemgehäuse, kann eine Anzahl von zweidimensionalen Bildern des Objekts 10 entsprechend der Fig.6 genommen werden. Daraufhin werden diese Bilder statt des Objektes auf den Drehtisch 60 zur Herstellung eines Weitwinkelhologramms des Objekts 10 gebracht.

Genauer gesagt, wird das Objekt 10 auf den Drehtisch 60 gestellt, und eine Folge von diskreten Bildern des Objekts 10 bei verschiedenen Sichtwinkeln wird mit Hilfe einer konventionellen Kamera oder einer anderen Aufnahmeeinrichtung 61 hergestellt. Die Länge des photosensitiven Films 62, die die diskreten Bilder des Objekts 10 trägt, wird kreisförmig gerollt und der

kreisförmige Film 62 auf den Drehtisch 40 gestellt Daraufhin wird ein Weitwinkelhologramm mit der Vorrichtung der F i g. 7 in der gleichen Weise wie bei F i g. 4 beschrieben, hergestellt

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Objekt von dem Teilhologramme hergestellt werden, als ein lichtdurchlässiger Körper beschrieben. Ist im Gegensatz hierzu das Objekt 10 ein kompakter Körper, werden die Strahlen des reflektierten Lichts benutzt wie es auch bei der konventionellen Holographie der Fall ist.

Durch Aufteilung eines Objekts 10 in diskrete und regelmäßige Anteile wird das Objekt 10 oder der kreisFörmige Film mit den zweidimensionalen Bildern des Objekts stufenweise gedreht Alternativ hierzu wird

so die hologrammherstellende Vorrichtung einschließlich des optischen Systems, des Aufnahmemittels und der anderen Komponenten um das Objekt in regehnäßigen Schritten gedreht. Natürlich kann genauso eine Folge von zweidimensionalen Bildern aufgenommen werden.

Vorzugsweise wird die hologrammherstellende Vorrichtung auf eine stößabsörbierende Standfläche gestellt obwohl diese in der Zeichnung nicht gezeigt ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Aufzeichnen eines Hologramms von einem Objekt und zum Rekonstruieren desselben mit weißem Licht, mit mindestens einer Quelle kohärenten Lichtes und einer Abbildungsoptik zwischen Objekt und Hologramm in der Aufnahmeanordnung, bei der in der Aufnahmeanordnung zwischen Objekt und Hologramm zwei Abbildungsoptiken mit jeweils unterschiedlichen Brechkräften in zwei zueinander senkrechten, die optische Achse enthaltenden Hauptebenen vorgesehen sind, die so ausgelegt sind, daß das Objekt in der ersten Hauptebene auf die Hologrammebene und in der zweiten Hauptebene auf eine vor der Hologrammebene, jedoch in im Vergleich zum Objektabstand kurzem Abstand von dieser liegende Ebene abgebildet wird, und bei der in der Rekonstruktionsanordnung die Lichtquelle in der ersten Hauptebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (3a, 3b, 4, 22, 25„ 26, 29, 30-, 31) so eingerichtet ist, daß sie das Hologramm als eine Vielzahl nebeneinanderliegender Teilhologramme aufzeichnet, und daß die Abbildungsoptiken bei der Aufnahme der verschiedenen Teilhologramme (41 £1, 4IcJ die jeweils einer anderen Blickrichtung auf das Objekt (10) entsprechende Bildinformation auf das betreffende Teilhologramm leiten.

30