WO2006111384A1 - Verfahren zur herstellung von winkelreduzierter hologramme sowie vorrichtung zu ihrer wiedergabe - Google Patents

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WO2006111384A1 PCT/EP2006/003624 EP2006003624W WO2006111384A1 WO 2006111384 A1 WO2006111384 A1 WO 2006111384A1 EP 2006003624 W EP2006003624 W EP 2006003624W WO 2006111384 A1 WO2006111384 A1 WO 2006111384A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing holograms according to claim I and subclaims and to devices for reproducing these holograms according to claim 2 and subclaims.
  • holograms have been used in a wide variety of fields: as an artistic medium, as a cultural archiving medium (for example, in archeology for cuneiform writing), as an advertising medium or as a security feature on products.
  • holograms are increasingly integrated, as an example holographic projection screens, but also notch filters or Bragg gratings are e.g. in the field of optical information processing or beam forming.
  • the holographic-optical recording and the printing of holograms with special embossing stamps the second method must precede an optical recording to create the stamp (mastering process).
  • Hologrammfilme- or plates for the optical recording of holograms usually consist of a flat support layer (glass, plastic) and a photosensitive hologram layer (silver halide gelatin, photopolymer, etc.) with a thickness of about 5 microns - 100 microns.
  • the refractive index of a hologram plate based on glass or plastic is approximately 1, 5, the refractive indices of the photosensitive layer and the support material are chosen as equal as possible.
  • the photosensitive layer In order to produce a hologram, the photosensitive layer must be exposed with a reference beam and coherent object beams.
  • phase stability should be better ⁇ / 10, which corresponds to about 0.5 microns. This means that no component involved in the beam path should move by more than 0.5 ⁇ m during the recording.
  • the laser light source must have sufficient temporal and spatial coherence.
  • the reference beam In the case of exposure according to the standard method, moreover, the reference beam must be directed as precisely as possible under the so-called “Brewster angle" (approximately 57 degrees to the plate standard for glass) onto the glass or film plate. At this angle, suitably polarized light is not reflected to air at the two air-to-glass and photosensitive layer interfaces. Different geometries create strong multiple reflections within the recording medium and significantly reduce the quality of reproduction. This is especially true for large angles to the plate normal (flat angle of incidence). This effect occurs even more in holographic films, since here the flexible film is inserted between two glass plates for reasons of stability, resulting in a total of four glass-air and two film-air transitions. In contrast to glass slides, film materials are less expensive and, moreover, easier to handle [see H. I. Bjelkhagen "Silver Halide Recording Materials", Springer 1993, p.53]
  • the hologram After exposure, the hologram is appropriately developed and sealed.
  • the reconstruction can take place both with laser light of suitable wavelength and with other light sources.
  • the recording geometry significantly determines the requirements for the illumination of the finished hologram. Although the requirement for the high coherence of light during playback is eliminated. Nevertheless, the illumination beam used for the reconstruction of holograms must correspond as closely as possible to the reference beam used in the recording, otherwise image errors occur. These are comparable to the aberrations of imaging systems in the deviation from the optical axis.
  • the illumination beam must represent the best possible point light source (in the limit radius infinite: plane wave), because an extended light source leads to multiple overlapping views through multiple reconstruction. If only diffused ambient light is available, the usable depth of a hologram is minimal. All displayed parts of the picture, which are not directly in the hologram plane, appear very blurry.
  • edge lit holograms is extremely expensive, since even small changes in the refractive indices, angles and other geometric conditions greatly reduce the quality of reproduction.
  • the abovementioned patent therefore describes several methods for improving the "edge-lit” technique, in particular special methods for selectively influencing the refractive power of the reproducing layer.
  • the evanescent mode makes it relatively stable at an angle greater than 80 degrees to thread the hologram normal ("steep reference angle, SRA-hologram").
  • this SRA hologram with a second hologram-like structure is mounted on a transparent plate and described as a "holography light panel" (HLP) with extensive applications.
  • HLP holography light panel
  • Another principal disadvantage is the lateral threading of the light beam.
  • An evenly uniform illumination of a hologram requires a carefully tuned variation of the diffraction efficiency over the entire course of the route in the emulsion; here, too, small manufacturing tolerances quickly have a negative effect.
  • an overall low diffraction efficiency wheel eliminates this problem, but leads to a low utilization of the light source. Fluctuations in diffraction efficiency are, however, inevitable in hologram production.
  • the object of the invention is the simple production of holograms with compact lighting and matching playback devices.
  • the following points are of crucial importance:
  • the beam path of the hologram object for reproduction (hereinafter referred to as "object") should be so compact that it can be built within the object without significantly increasing its dimensions.
  • the light source for example, laser, LED
  • the light source should be integrable into the object without expensive optics, if necessary including the power supply.
  • a dynamically switchable selective illumination of different hologram areas or a lighting at different angles should be easy to implement.
  • the reference beam should not be able to escape from the object unintentionally.
  • the reference beam should be able to be secured against contact or manipulation without restricting the view of the hologram installed in the object.
  • the presented solution therefore comprises two aspects, which are described separately under the points hologram recording and hologram reproduction.
  • Holograms can be produced with an arbitrarily steep illumination angle.
  • the structure (see also embodiment) consists of an adapter block, which allows a small rotation of the holographic film when recording within this block. Since the same refractive index is almost everywhere within the block, no multiple reflections are triggered. This can be achieved by means of two transparent Plexiglas wedges twisted 180 degrees against each other, in the film is loaded with a liquid of the same refractive index. The film is now rotated by the wedge angle against the parallel outer sides of the wedges. The whole block is used like a normal hologram plate, which means that the reference beam falls on the outside in the Brewster angle. Therefore, no reflections occur during the beam passage.
  • the slight residual tilting of the object during playback can be compensated by an opposite tilting during recording.
  • the internal twist angle is only 7.81 degrees.
  • a twist of about 7 degrees is sufficient.
  • the block must be oriented so that the tilt is the angle between the reference beam and the film reduced.
  • the necessary thickness of the adapter block at 7 degrees of internal rotation corresponds to only 0.12 times the film length in the illumination direction (tan (7 G / m /) * ⁇ 0.12), so that no changes to standard hologram copy or recording constructions are necessary are.
  • the reproducing apparatus will be described. Instead of illuminating the hologram at an external angle of about 33 degrees to the hologram plane, the viewing angle can be drastically reduced.
  • a suitable beam guide folded in front of or behind the hologram plane a very compact construction of the beam guide can be achieved.
  • the difference in the internal angle with respect to a normally reconstructed hologram is small. (Thus the internal angle changes by only 7 degrees when the external angle is reduced from 33 degrees to 10 degrees to the hologram plane, see above). Therefore, the reproducing properties of the hologram (spectral selectivity, angle selectivity, diffraction efficiency) remain almost identical.
  • the holograms made in this way can now be combined with compact beam guidance and built-in light sources such as e.g. LED's or laser diodes are housed hidden in the frame.
  • the ratio of length to frame thickness is easily reducible to 10/1, i. a 20 cm hologram only needs a 2 cm thick frame to encapsulate the beam path and the lighting.
  • a relatively thicker frame is acceptable, because aesthetically, the aspect ratio and not the absolute frame thickness is aesthetically crucial.
  • the holograms remain sufficiently light even with very large formats.
  • An encapsulated beam guidance offers just in laser or LED lighting a decisive safety advantage, therefore, now the illuminance can be greatly increased here without endangering the viewer. This is very important especially for applications in the daylight area, as holograms have so far usually not been sufficiently bright. Due to the necessarily steep reconstruction angle, the problem of unwanted reconstruction of the hologram is also solved by external extraneous light sources, because such extremely oblique incident light rays can be easily intercepted (by the edge panels). This represents a decisive advantage in the use of holograms in normally illuminated areas and opens up the possibility of such holograms, e.g. to replace traffic signs, warning signs, city or building plans.
  • Another decisive advantage is the remaining freedom for the fine adjustment of the reference beam.
  • Production-related deviations of the reproduction wavelength of the hologram can be compensated by changing the reconstruction angle.
  • multiple-exposure holograms can represent different views through switched light sources, e.g. show movie-like motion sequences.
  • Portions of the hologram can be selectively illuminated, e.g. Signaling operating states in integration with other devices (e.g., computer front ends, multimedia devices, etc.).
  • the combination with distance detectors is possible, e.g. to simulate three-dimensional on / off buttons.
  • With multiple light sources also redundant illumination is also possible, which is e.g. decisive in the case of warning signs in the traffic sector.
  • integrated projectors can be used instead of simple light sources for lighting, so that the arrangement can be used in whole or in part as a flat projection screen.
  • Drawing 1 shows a simple reproduction device.
  • the beam path begins on the underside of the hologram within the lower frame part.
  • the light source attached here is deflected to mirror 1 and illuminates the mounted in the upper frame part mirror. This reflects the light beam onto the hologram, with the beam including the hologram surface at an angle of 10 degrees.
  • the reflected at the front of the glass or the film foil portion falls back into the lower part of the frame, where it is absorbed by a piece of black textile adhesive film.
  • the portion falling into the hologram plate is refracted toward the solder and strikes the film emulsion on the back of the plate and reconstructs the hologram.
  • the remaining portion not used for the reconstruction is absorbed in the rearmost layer by an applied color or blackening layer.
  • the hologram is to be translucent for underlying objects, one may use here only for the wavelength used selective color foil or introduced into the gelatin selective dye, otherwise a blackening is sufficient.
  • the mirror S can be designed as a hollow or cylindrical mirror to provide a plane wave available.
  • Other beam-shaping elements (lenses, Fresnel lenses, cylindrical lenses, holographic grids) can be introduced to improve the flatness of the wave or for better illumination in the beam path.
  • Drawing 2 shows a possible recording device.
  • These are two transparent wedges (Plexiglas, for example) which are twisted 180 degrees apart. The wedge angle is 7 degrees.
  • An additional collecting tray attached to the lower wedge acts as a reservoir for the index-matching liquid.
  • a widened edge is suitably attached to the upper wedge, which prevents the index-matching liquid from reaching the upper surface from the collecting volume.
  • the matching to this edge O-ring on the top of the drip tray serves to seal.
  • the film is placed on the lower wedge, with a precisely cutout prevents the film plate or film from slipping. Subsequently, the second wedge is placed, thereby the liquid is displaced upwards and therefore fills up the entire gap volume.
  • the upper wedge is now fixed with retaining clips.
  • the outer surfaces of the two wedges are parallel to each other, so that the whole arrangement can be brought in the reference beam as in nonnal holographic images in Brewster angle.
  • the object light falls as in conventional recording arrangements in the hologram plane, this comes either directly from the object to be recorded or is generated by a normal master hologram. After taking the film, the film is removed, cleaned of oil residue and developed.
  • Drawing 3 shows a lighting arrangement for a view of the hologram mounted as seen by the viewer lighting while minimizing the emerging at the front of the carrier medium portion of the reference beam, which is equally usable in this form for reflection as transmission holograms.
  • the reference beam R enters the sandwich via the non-reflective right-hand side (antireflection coating S,), with a small proportion being reflected.
  • the carrier layer G glass, plastic
  • the beam passes through the holographic emulsion E, without being able to reconstruct the hologram, since the Bragg condition is not fulfilled.
  • the beam After passing through the second carrier layer G, the beam impinges on the multilayer coating S 2, which is optimized exclusively for the reflection of very flat rays.
  • the reference beam is reflected. A small portion is not reflected but emerges from the sandwich at a steep angle towards the viewer.
  • the reflected beam again traverses the carrier layer G on the return path and then the emulsion E, wherein the holographic representation S is now reconstructed to the left. After passing through the next carrier layer, the beam emerges from the sandwich except for a small amount of reflection. Due to the reflections of about 50% at the flat angles used here, the anti-reflection and anti-reflection Si and S 2 can also be omitted, it only optimizes the brightness and reduces the exiting residual Rp. Alternatively, one or more transparent plates with air gap on the left side of the arrangement serve the same purpose (see drawing 4 and description).
  • the beam path for the Transmission hologram is similar, except that the reconstruction already takes place on the way of the beam.
  • Drawing 4 shows an alternative arrangement using a transparent glass plate in line of sight between viewer and hologram.
  • the glass plate G is used for deflecting the beam of the light source L onto the hologram H.
  • the back of the hologram can be blackened to absorb the emerging reference beam.
  • the plate is illuminated from behind, the reconstruction is carried out at reflection holograms with the reflected at the front of the hologram plate portion. The non-reflected portion falls on the glass plate G and is again directed to the hologram.
  • the light component used for the reproduction can be increased again.
  • Elements for beam shaping (lenses, mirrors) of the light source can be integrated and increase the reproduction quality and brightness, but are not absolutely necessary.
  • Drawing 5 shows the structure of a seamlessly tileable hologram.
  • both reflective holograms and transmission holograms can be used, or simple angle-reduced transmission holograms are used.
  • the light source L is focused by means of the cylindrical lens Z and enters the mirror S, which directs the light beam onto the angle-reduced hologram.
  • the mirror S can be designed as a cylindrical or concave mirror. Suitable alternative lighting systems can be used equally. Since all light guide elements lie on the side facing away from the viewer, they do not hide the holographic representation. Correspondingly constructed individual elements can now be seamlessly joined to one another (see drawing 5, second and third column), a suitable mechanical attachment can be made from behind or by mounting on a transparent plate.
  • Drawing 6 shows the possibility of animating three-dimensional multiplex holograms (holograms in which for example a film sequence is encoded in the angle holographic representation, this is done by selective exposure of the hologram with individual images), without the user having to change his position with respect to the hologram.
  • the reference beam for example, time-controlled.
  • the perspective orientation of the object shown changes, so that a viewer gets a new perspective with each new reference beam angle.
  • Normal holograms show a rotation of the object.
  • multiplex holograms can show any two- or three-dimensional sequences.
  • the animation can be easily arranged by switching light sources arranged in a row (light source array LL) below a cylindrical lens Z. are, happened.
  • the mirror S directs the light onto the hologram SH.
  • Alternative options would be motorized tilting of the mirror, the application of a galvanic mirror scanner in the beam path of the light source, an Aukusto optical modulator in the light beam, a spatial method of the light source and similar methods (rotating mirrors, rotary prisms, movable lenses).
  • Drawing 7 shows the use of angle reduced holograms to construct flat, dynamic three-dimensional screens.
  • the images of different image projectors for example computer beamer
  • Each projector has a slightly different angle of incidence, similar to the light sources of the animated hologram (see description to drawing 6).
  • each image of an imager is projected in a direction offset from the next image, the angular extent of each projection being determined by the fringe width.
  • the individual projector images will be repeated in cyclic order depending on the viewing angle. At appropriate intervals, the viewer's left and right eyes thus receive two different images.
  • each projector is assigned a suitable perspective of a three-dimensional scene, a three-dimensional image becomes visible to the viewer.
  • the generation of dynamic images can be done, for example, by one computer per projector, which calculates the respective perspective in real time and represented by a suitable graphics card. Registration of the user's hand movements may be used to simulate an interaction of the user with the illustrated three-dimensional objects.
  • an intensity-modulating, transparent display can be applied to the front of an animated strip hologram.
  • the hologram sends light rays in a temporal sequence in different spatial directions.
  • the display of the display can display the different perspectives synchronously with the switching of the illumination directions and thus also produce a dynamic three-dimensional representation.
  • Drawing 8 shows a possible arrangement for the direct creation of computer-generated angle-reduced holograms by stepwise exposure of the recording medium.
  • the structure for achieving the angle reduction is analogous to drawing 2 and description, with the difference that the recording medium is movably mounted between the prisms A and B.
  • the described structure serves to generate reflection holograms when using the reference beam R R , transmission holograms are obtained by illuminating the recording location with the reference beam R x through the prism B.
  • Laser light is modulated by an imaging system (for example by an LCD display) and converted by a suitable optics O to the signal beam S.
  • the signal beam S then penetrates the prism B and hits the recording location.
  • the reference beam R is directed at the Brewster angle on the prism A and also hits the recording location.
  • Both beams were previously obtained in a conventional manner by means of a beam splitter and appropriate optical processing of a laser, so that they are coherent with each other and so can write a hologram in the recording medium.
  • the recording medium itself is located in the tub W, which is filled with a liquid for adjusting the refractive index IM.
  • the transition between prism B and the tub is sealed so that no liquid can escape.
  • FIG. 9 shows an exemplary geometry for arbitrarily rendering different holograms with different reference beams.
  • multiplexing thin holograms - as they represent most holographic recording media with thicknesses between 5 - 50 microns - requires very different Bragg angle for clear separation of the playback of the individual holograms. This is taken into account in the exemplary construction.
  • Four narrow mirror strips adhered vertically to the rear side of the angle-reduced hologram each reflect the light of the light sources A, B, C and D at a shallow angle to the hologram.
  • the beam extension by means of the mirror strips reduces the divergence.
  • any other suitable beam guidance is equally applicable.
  • four completely different holograms can be displayed selectively or together with any single intensity.
  • different states can be displayed in the sense of a signal representation. Instead, if one encodes the colors red, green and blue of an overall colored representation in three channels of the four channels, a perfect white balance is possible by controlling the three light sources.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein neues Verfahren zur Herstellung von Hologrammen, die mit einem sehr flachen Einfallswinkel des Referenzstrahls rekonstruiert werden können. Beim Herstellungsprozess bleiben alle Standard verfahren der Holographie nutzbar, mit dem Verfahren können sowohl Reflektions- als auch Transmissionhologramme erzeugt werden. Zur Herstellung benötigt wird ein spezieller Adapterblock, in welchem das Aufnahmemedium um einen kleinen Winkel gegen die Aussenseiten verdreht eingelegt werden kann. Der Adapterblock wird mit einer Indexmatchingflüssigkeit gefüllt. Die Veränderung des internen Winkels bei der Aufnahme führt zu einer wesentlich größeren Änderung des zur Rekonstruktion benötigten externen Winkels, die Hologramme werden daher als winkelreduzierte Hologramme bezeichnet. Winkelreduzierte Hologramme ermöglichen eine flache, gekapselte Anordnung von Lichtquelle und Hologramm bei der Rekonstruktion. Geeignete Aufbauten für die Rekonstruktion von winkelreduzierten Reflektionshologrammen und Transmissionhologrammen sind Teil der Erfindung, insbesondere Vorrichtungen zur Erhöhung der Lichtausbeute, zur Verminderung des austretenden Referenzsstrahls, zur nahtlosen Kachelung der Rekonstruktionsvorrichtung oder Beleuchtungseinrichtungen, zur Animation der dargestellten Inhalte oder zum gezielten Umschalten zwischen verschiedenen Hologrammen durch Multiplexing, dem Einsatz in Kombination mit einem oder mehreren bildgebenden Systemen zum Aufbau eines dynamischen dreidimensionalen Displays sowie der Aufbau eines holographisch sequentiellen Belichtungssystems zur automatisierten Herstellung winkelreduzierter Hologramme mit beliebigen dargestellbaren Inhalten.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG WINKELREDUZIERTER HOLOGRAMME SOWIE VORRICHTUNG ZU IHRER WIEDERGABE
Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hologrammen entsprechend Anspruch I und Unteransprüchen sowie Vorrichtungen zur Wiedergabe dieser Hologramme entsprechend Anspruch 2 und Unteransprüchen.
Stand der Technik
Seit den siebziger Jahren werden Hologramme in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt: Als künstlerisches Medium, als kulturelles Archivierungsmedium (z.B. in der Archäologie für Keilschriften), als Werbeträger oder als Sicherheitsmerkmal auf Produkten. Auch in der technischen Anwendung werden Hologramme immer stärker integriert, als Beispiel seien holographische Projektions-Leinwände, aber auch Notchfilter oder Bragg-Gitter z.B. im Bereich der optischen Informationsverarbeitung oder Strahlformung genannt. In der Produktion gibt es maßgeblich zwei Verfahren: die holographisch-optische Aufnahme und das Drucken von Hologrammen mit speziellen Prägestempeln, wobei beim zweiten Verfahren eine optische Aufnahme zur Erstellung der Stempel vorausgehen muss (Mastering-Prozess).
Hologrammfilme- oder platten zur optischen Aufnahme von Hologrammen bestehen meist aus einer ebenen Trägerschicht (Glas, Kunststoff) und einer lichtempfindlichen Hologrammschicht (Silberhalogenid-Gelatine, Photopolymer etc.) mit einer Dicke von ca. 5 μm - 100 μm. Der Brechwert einer Hologrammplatte auf Glas- oder Kunststoffbasis liegt ungefähr bei 1 ,5, die Brechwerte der photoempfindlichen Schicht und des Trägermaterials werden dabei möglichst gleich gewählt. Zur Herstellung eines Hologramms muss die photoempfindliche Schicht mit einer Referenz- und dazu kohärenten Objektstrahlen belichtet werden. Die Interferenzen zwischen Referenz- und Objektwelle müssen in der photoempfindliche Schicht aufgezeichnet werden, damit dies mit hinreichendem Kontrast möglich ist, sollte die Phasenstabilität besser λ/ 10 sein, was ca. 0.5 μm entspricht. Das heisst kein am Strahlverlauf beteiligtes Bauteil sollte sich während der Aufnahme um mehr als 0.5 μm bewegen.
Diese Anforderungen an die Stabilität sind einerseits durch besondere Aufbauten (schwingungsgedämpfte Tische, hohe Temperaturstabilität im Aufnahmebereich, extrem stabile Spiegel- und Filmhalter) zu erreichen, andererseits muss die Laserlichtquelle über hinreichende zeitliche und räumliche Kohärenz verfügen.
Bei einer Belichtung nach dem Standardverfahren muss zudem der Referenzstrahl möglichst exakt unter dem so genannten "Brewsterwinkel" (ca. 57 Grad zur Plattennormale für Glas) auf die Glas- oder Filmplatte gelenkt werden. Unter diesem Winkel wird geeignet polarisiertes Licht nicht an den beiden Grenzflächen Luft zu Glas und photoempfindlicher Schicht zu Luft reflektiert. Abweichende Geometrien erzeugen starke Mehrfachreflektionen innerhalb des Aufnahmemediums und vermindern die Wiedergabequalität beträchtlich. Dies gilt insbesondere für große Winkel zur Plattennormalen (flache Einstrahlwinkel). Dieser Effekt tritt in noch stärkerem Maße bei Holographie-Filmen auf, da hier der flexible Film aus Stabilitätsgründen zwischen zwei Glasplatten eingelegt wird, was zu ingesamt vier Glas-Luft und zwei Film-Luft-Übergängen führt. Filmmaterialien sind im Gegensatz zu Glasträgern preiswerter und zudem leichter zu handhaben, [siehe H. I. Bjelkhagen "Silver Halide Recording Materials", Springer 1993, S.53]
Nach der Belichtung wird das Hologramm in geeigneter Weise entwickelt und versiegelt. Die Rekonstruktion kann sowohl mit Laserlicht geeigneter Wellenlänge als auch mit anderen Lichtquellen erfolgen. Dabei bestimmt die Aufnahmegeometrie maßgeblich die Anforderungen an die Beleuchtung des fertigen Hologramms. Zwar entfällt die Anforderung an die hohe Kohärenz des Lichtes bei der Wiedergabe. Trotzdem muß der zur Rekonstruktion von Hologrammen verwendete Beleuchtungsstrahl in der Geometrie möglichst genau dem bei der Aufnahme verwendeten Referenzstrahl entsprechen, da ansonsten Bildfehler auftreten. Diese sind vergleichbar mit den Bildfehlern abbildender Systeme bei der Abweichung von der optischen Achse.
Zudem muss der Beleuchtungsstrahl eine möglichst gute Punktlichtquelle darstellen (im Grenzfall Radius unendlich: ebene Welle), denn eine ausgedehnte Lichtquelle führt durch Mehrfachrekonstruktion zu mehreren sich überlagernden Ansichten. Falls nur diffuses Umgebungslicht zur Verfügung steht, ist die nutzbare Tiefe eines Hologramms minimal. Alle dargestellten Bildteile, die nicht direkt in der Hologrammebene liegen, erscheinen stark verschwommen.
Bei der oben beschriebenen Standard-Aufnahmegeometrie muß also zur Rekonstruktion eines Hologramms eine möglichst punktförmige Lichtquelle (nur eine Referenzwelle erlaubt, da sonst Mehrfachrekonstruktionen stattfinden) ungefähr unter dem Brewsterwinkel (entspricht Winkelbedingung bei der Aufnahme, bei Abweichung ergeben sich Bildfehler) in einem möglichst großem Abstand in der Größenordnung der Displayabmessung angebracht werden (hinreichende Ebenheit der Welle). Dies gilt insbesondere für hochqualitative Display-Hologramme mit großer Tiefe und Detailauflösung. Notwendigerweise ragt die Beleuchtungseinheit daher weit in den Raum hinein. Da der Beleuchtungsstrahl offen im Raum verläuft, verbietet sich aus Sicherheitsgründen der Einsatz intensiver punktförmiger Lichtquellen (LED's, Laser) die zur Rekonstruktion eigentlich ideal wären. Auch ist eine direkte Interaktion mit dem dreidimensionalen Objekt erschwert, denn bei der Annäherung an das Hologramm, z.B. um das dreidimensionale Objekt zu "berühren", kann der Beleuchtungsstrahl leicht unterbrochen werden.
Eine Integration von Lichtquelle und Hologramm würde also der Holographie viele interessante Anwendungsfelder, insbesondere im technischen Bereich, erschließen. Die oben beschriebenen Nachteile ließen sich durch eine integrierte platzsparender Strahlführung des Beleuchtungsstrahls umgehen. Dies wird jedoch durch die geometrische Bedingung des Brewsterwinkels verhindert.
Verschiedene Ansätze zum Aufbau platzsparender Strahlführungen werden z.B. im Patent WO 95/04294 ausführlich beschrieben. Hauptanliegen ist es hierbei den Platzbedarf für die Beleuchtung stark zu reduzieren, ohne die Wiedergabequalität zu verschlechtern. Die läßt sich durch die sogenannte "Edge-Lit"-Technologie erreichen, bei der der Referenzstrahl an der Kante der Hologrammplatte mit Hilfe von Prismen oder Gittern eingefädelt wird und unter interner Totalreflektion der Welle das Hologramm mit der sogenannten "evaneszenten Mode" rekonstruiert. Dabei durchläuft der Lichtstrahl die Filmemulsion ähnlich wie Licht in einer dünnen Glasfaser.
Leider ist die Produktion der Edge-Lit-Hologramme äußerst aufwendig, da schon kleine Änderungen der Brechwerte, Winkel und sonstigen geometrischen Bedingungen die Wiedergabequalität stark herabsetzen. Das oben genannte Patent beschreibt daher mehrere Methoden zur Verbesserung der "Edge-Lit "-Technik, insbesondere spezielle Verfahren zur gezielten Beeinflussung des Brechwerts der Wiedergabeschicht, die es laut dem oben genannten Patent ermöglicht die evaneszente Mode relativ stabil unter einem Winkel größer als 80 Grad zur Hologrammnormalen einzufädeln ("steep reference angle, SRA-hologram"). Die genaue Funktionsweise scheint noch nicht völlig aufgeklärt, jedenfalls ist der Einsatz des richtigen Trägermaterials (BKlO, Acryl) zusammen mit einer speziellen Behandlung des Filmmaterials (Ascorbin-Säure, Phenidon für Silberhalogenid-Filme oder der Einsatz von Photopolymeren) notwendig. Im Patent wird dieses SRA-Hologramm mit einem zweiten Hologramm ähnlichen Aufbaus auf einer transparenten Platte montiert und als "Holographie Light Panel" (HLP) mit umfangreichen Einsatzmöglichkeiten beschrieben. Ein HLP kann mit einer ausgedehnten Lichtquelle durch eine Seitenkante sehr platzsparend beleuchtet werden und zeigt trotzdem eine hohe Wi edergabeq ual i tat .
Andere Lösungen zur kompakten Strahlführung beschreibt z.B. das japanische Patent JP002000162995 AA. Dort wird eine treppenförmige transparente Platte vor dem Hologramm eingesetzt, in die seitlich eine Lichtquelle eingekoppelt wird. Die Beleuchtungsführung geschieht hier durch Totalreflektion an der Innenseite der Beleuchtungsplatte.
Nachteile bestehender Verfahren
Trotz der geschilderten Vorteile des HLP-Designs (WO 95/04294) und der darauf beruhenden weiteren Anwendungen ist das Fertigungsverfahren extrem aufwendig. Ein großes Problem bei der Fertigung holographischer Materialen ist es die Korndichte und Korngröße der Silberhalogenidkristalle zu kontrollieren. Diese Parameter wirken sich direkt auf die Empfindlichkeit, die Schichtschrumpfung nach der Entwicklung und die Brechwerte des Materials aus. Trotz der Verbesserungen ist die beim HLP-Design geforderte Genauigkeit der Film- und Trägermaterialen hinsichtlich der Brechwerte mit den üblichen nass-chemischen Verfahren nur schwer zu erreichen.
Ein weiterer prinzipieller Nachteil besteht in der seitlichen Einfädelung des Lichtstrahls. Eine in der Fläche gleichmäßige Ausleuchtung eines Holgramms erfordert hier eine sorgsam abgestimmte Variation des Beugungswirkungsgrades über den gesamten Streckenverlauf in der Emulsion, auch hier wirken sich kleine Fertigungstoleranzen schnell negativ aus. Ist z.B. der Beugungswirkungrad am Anfang zu stark, bleibt nicht genug Licht für die Rekonstruktion des hinteren Hologramm-Teils übrig. Ein insgesamt geringer Beugungswirkungrad behebt zwar dieses Probelm, führt aber zu einer geringen Ausnutzung der Lichtquelle. Schwankungen im Beugungswirkungsgrad sind bei der Hologrammproduktion jedoch unvermeidlich.
Zudem ist für die Anfertigung von HLP's der Einsatz großflächiger Laminierungsschritte nötig, bei dem z.B. Lufteinschlüsse vermieden werden müssen. Schließlich ist die Kontrolle über den Referenzstrahl nach der Fertigung sehr beschränkt, d.h. fehlerhafte Ausrichtungen lassen sich nicht mehr korrigieren. Zur Zeit finden sich trotz Anmeldung des Patents im Juli 1994 keine HLP's zur Hologrammwiedergabe am Markt.
Der größte Nachteil des japanischen Patents JP002000162995 AA (und ähnlicher Patente) ist die störende optische Wirkung der transparenten Beleuchtungs-Platte, die für Bildhologramme wegen der prismenartigen Verzerrung nicht akzeptabel sein kann. Für andere Zwecke (Beleuchtungtechnik) kann das Verfahren durchaus sinnvoll sein.
Aufgabe der Erfindung ist die einfache Herstellung von Hologrammen mit kompakter Beleuchtung sowie passender Wiedergabevorrichtungen. Dabei sind folgende Punkte von entscheidender Bedeutung:
• Der Strahlweg des Hologrammobjekts zur Wiedergabe (im folgenden kurz "Objekt") soll so kompakt sein, dass dieser innerhalb des Objekts aufgebaut werden kann, ohne dessen Ausmaße wesentlich zu vergrößern.
• Die Lichtquelle (z.B. Laser, LED) soll ohne aufwendige Optik in das Objekt integrierbar sein, bei Bedarf einschließlich der Stromversorgung.
• Eine dynamisch schaltbare selektive Beleuchtung verschiedener Hologrammbereiche oder eine Beleuchtung unter verschiedenen Winkeln soll leicht realisierbar sein.
• Der Referenzstrahl soll nicht unbeabsichtigt aus dem Objekt austreten können.
• Der Referenzstrahl soll gegen Berührung oder Manipulation gesichert werden können, ohne die Sicht auf das im Objekt eingebaute Hologramm einzuschränken.
• Eine einfache und für Massenproduktion geeignete Herstellungsmethode für das benötigte Hologramm soll passend zur Wiedergabegeometrie im Objekt möglich sein.
Lösung des Aufgabe
Wie schon dargestellt, lassen sich die geometrischen Bedingungen bei der Wiedergabe von
Hologrammen nur durch die Aufnahmegeometrie einstellen. Die vorgestellte Lösung umfasst daher zwei Aspekte, die unter den Punkten Hologrammaufnahme und Hologrammwiedergabe gesondert beschrieben werden.
Zunächst wird unter dem Punkt Hologrammaufnahme eine Anordnung beschrieben, mit der
Hologramme mit einem beliebig steilen Beleuchtungswinkel hergestellt werden können.
Die Lösungen der Probleme bei der Wiedergabe dieser Hologramme werden gesondert im Punkt
Hologrammwiedergabe beschrieben.
Hologrammaufnahme
In Anspruch I wird ein Verfahren zur Herstellung winkelreduzierter Hologramme beschrieben. Der Aufbau (siehe auch Ausführungsbeispiel) besteht aus einem Adapterblock, der eine kleine Drehung des Holographiefilms bei der Aufnahme innerhalb dieses Blockes erlaubt. Da innerhalb des Blocks überall nahzu der gleiche Brechwert vorherseht, werden keine Mehrfachreflektionen ausgelöst. Dies kann durch zwei gegeneinander um 180 Grad verdrehte transparente Plexiglaskeile erreicht werden, in die der Film mit einer Flüssigkeit gleichen Brechwerts eingelegt wird. Der Film ist nun um den Keilwinkel gegen die parallelen Außenseiten der Keile verdreht. Der gesamte Block wird wie eine normale Hologrammplatte verwendet, das heisst der Referenzstrahl fällt im Brewsterwinkel auf die Außenseiten. Daher treten keine Reflektionen beim Strahldurchgang auf.
Die leichte Drehung des Films innerhalb des Blocks entspricht einer entgegengesetzten Drehung des internen Referenzstrahlwinkels. Da jeder Strahl beim Eintritt in ein dichteres Medium zum Lot hin gebrochen und somit reduziert wird, entsprechen Drehungen des internen Winkels immer wesentlich größeren Drehungen des externen Winkels. Dieser Effekt wird für große Winkel (gemessen zur Filmnormale) maximal. Für die anschließende Rekonstruktion der Platte ohne Adpaterblock ist daher ein wesentlich steilerer externer Winkel nötig, um den bei der Aufnahme benutzen internen Winkel wiederherzustellen und die Rekonstruktion des Hologramms zu ermöglichen. Für das aufgenommene Objekt spielt dagegen die kleine Verdrehung kaum eine Rolle, da die Hauptbeobachtungsrichtung senkrecht zur Hologrammebene liegt und die hier auftretenden externen Änderungen minimal sind. Verzerrungen bei der Wiedergabe des Objektes treten daher nicht auf.
Die leichte Rest- Verkippung des Objekts bei der Wiedergabe kann durch eine entgegengesetzte Verkippung bei der Aufnahme kompensiert werden.
Hier eine kurze Herleitung der quantitativen Größen ausgehend vom Snellius'schen Brechungsindex:
Figure imgf000007_0001
Für Glas und Gelatine ist n2ι circa 1 ,5 , die Winkel werden zum Lot der Grenzfläche zwischen der Luft-Glas-Ebene gemessen. Die übliche Referenzstrahl-Beleuchtung unter dem Brewsterwinkel von 57 Grad führt zu einem internen Winkel von:
Um (57 Grad ) ß /,,r„„„-=arcsin '34 Grad
1,5
Die interne Differenz Δ ß für zwei Strahlenbündel mit den externen Winkeln α, α2 beträgt:
Figure imgf000007_0002
Mit a2 =57 Grad , n2\ = \ ,5 ergibt sich also für die nötige Verdrehung zur Erzeugung des winkelreduzierten Hologramms:
Figure imgf000007_0003
Für das theoretische Maximum eines Einfallwinkels von 90 Grad zur Hologramm-Normalen beträgt der interne Verdrehungswinkel nur 7,81 Grad. Für praktikable Werte von z.B. 80 Grad ( 10 Grad zur Hologrammebene) reicht eine Verdrehung um ca. 7 Grad aus. Der Block muss bei der Aufnahme so orientiert werden, daß die Verkippung den Winkel zwischen dem Referenzstrahl und dem Film verkleinert.
Wird also eine Aufnahme mit einem solchen Adapterblock mit einer internen Verdrehung von z.B. 7 Grad vorgenommen, liegt der externe Rekonstruktionswinkel der damit hergestellten Hologramme bei 10 Grad zur Hologrammebene, was extrem kompakte Aufbauten zur Wiedergabe ermöglicht!
Die notwendige Dicke des Adapterblocks entspricht bei 7 Grad interner Verdrehung nur dem 0, 12- fachen der Filmlänge in Beleuchtungrichtung (tan (7 G/m/)*«0, 12) , so daß keine Änderungen von Standardaufbauten zur Hologrammkopie oder -aufnähme notwendig sind.
Hologrammwiedergabe
In Anspruch 2 wird die Wiedergabevorrichtung beschrieben. Anstatt das Hologramm unter einem externen Winkel von ca. 33 Grad zur Hologrammebene zu beleuchten, kann der Winkel zur Wiedergabe drastisch reduziert werden. Durch eine geeignete über Spiegel gefaltete Strahlführung vor oder hinter der Hologrammebene lässt sich dadurch ein sehr kompakter Aufbau der Strahlführung erreichen.
Mögliche Nebeneffekte bei der Wiedergabe werden mit den in den Unteransprüchen 1.1 , 1.2 beschriebenen Verfahren beseitigt:
• Verluste durch Reflektion an der Vorderseite der Hologrammplatte werden in Kauf genommen oder durch eine geeignete Entspiegelung unterdrückt. Das an der Vorderfläche reflektierte Licht wird innerhalb der Anordnung wieder aufgefangen und absorbiert. Bei einem Winkel von 10 Grad zur Glasfläche liegt der reflektierte Anteil für geeignete Polarisation bei ca. 50% [Quelle: Bergmann- Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3, Optik, S.457]
• Mögliche Mehrfachreflektionen in der Hologrammplatte (Reflektion, Streuung, Totalreflektion) werden durch Schwärzung oder spektral angepasste Einfärbung der Rückseite des Hologramms unterdrückt.
Vorteile
Mit dem neuen Wiedergabe- und Aufnahmeverfahren ergeben sich viele Vorteile für die Nutzung und Produktion von Hologrammen:
Zunächst können alle Standardverfahren der Holographie unter Zuhilfenahme des Adpaterblocks aus Anspruch 1 für die Herstellung von Hologrammen mit winkelreduzierter Wiedergabe genutzt werden. Für die Hologramm-Industrie, Künstler oder Amateure bedarf es nur eines geringen Mehraufwandes um auf die neue Technik umzusteigen. Neben der Nutzung für die Herstellung von Reflektionshologrammen ist die Technik auch für die Herstellung von Transmissionhologrammen und Regenbogenhologrammen geeignet.
Durch die Brechung des Lichtstrahls beim Eintritt in die Glasplatte ist der Unterschied im internen Winkel bzgl. eines normal rekonstruierten Hologramms gering. (So ändert sich der interne Winkel nur um 7 Grad, wenn der externe Winkel von 33 Grad auf 10 Grad zur Hologrammebene reduziert wird, siehe oben). Daher bleiben die Wiedergabeeigenschaften des Hologramms (spektrale Selektivität, Winkelselektivität, Beugungswirkungsgrad) nahezu identisch.
Die so gefertigten Hologramme können nun mit kompakter Strahlführung und eingebauten Lichtquellen wie z.B. LED's oder Laserdioden ausgestattet werden, die versteckt im Rahmen untergebracht sind. Für den Rahmen ist das Verhältnis der Länge zur Rahmenstärke leicht auf 10/1 reduzierbar, d.h. ein 20 cm grosses Hologramm benötigt lediglich einen 2 cm dicken Rahmen, um den Strahlweg und die Beleuchtung zu kapseln. Bei großen Hologrammen ist ein im Verhältnis dickerer Rahmen akzeptabel, denn ästhetisch entscheidend ist das Seitenverhältnis und nicht die absolute Rahmenstärke.
Im Gegensatz zu anderen Lösungen bei denen die Beleuchtung z.B. in einem transparenten Medium mittels Totalreflektion geführt werden muss, bleiben die Hologramme auch bei sehr großen Formaten hinreichend leicht. Zudem entfallen auch die Kosten für z.B. extrem dicke Plexiglasplatten. Eine gekapselte Strahlführung (siehe Anspruch 2.1) bietet gerade bei Laser- oder LED-Beleuchtung einen entscheidenden Sicherheitsvorteil, daher kann jetzt hier die Beleuchtungsstärke stark erhöht werden, ohne den Betrachter zu gefährden. Dies ist gerade für Anwendungen im Tageslichtbereich sehr wichtig, da Hologramme bisher meist nicht ausreichend hell dargestellt werden konnten. Durch den notwendig steilen Rekonstruktionswinkel ist zudem das Problem der ungewollten Rekonstruktion des Hologramms durch externe Fremdlichtquellen gelöst, denn solche extrem schräg einfallenden Lichtstrahlen lassen sich leicht (durch die Randblenden) abfangen. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil bei der Nutzung von Hologrammen in normal beleuchteten Bereichen dar und eröffnet die Möglichkeit, solche Hologramme z.B. als Ersatz für Verkehrshinweisschilder, Warnschilder, Stadtoder Gebäudepläne einzusetzen.
Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die verbleibende Freiheit für die Feinjustage des Referenzstrahls. Produktionsbedingte Abweichungen der Wiedergabewellenlänge des Hologramms können durch Änderung des Rekonstruktionswinkels kompensiert werden. Zudem ist es möglich mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Richtungen für die Wiedergabe zu verwenden oder verschiedene Hologrammbereiche auszuleuchten. So können mehrfachbelichtete Hologramme verschiedene Ansichten durch geschaltete Lichtquellen wiedergeben um z.B. filmähnliche Bewegungsabläufe zu zeigen. Teile des Hologramms können selektiv beleuchtet werden um z.B. in der Integration mit anderen Geräten Betriebszustände zu signalisieren (z.B. Fronten für Computer, Multimediageräte etc.). Hier ist die Kombination mit Abstandsdetektoren möglich, um z.B. dreidimensionale Ein/Ausknöpfe zu simulieren. Mit mehreren Lichtquellen ist zudem auch eine redundante Beleuchtung möglich, was z.B. bei Warnschildern im Verkehrsbereich entscheidend ist. Schließlich können auch integrierte Projektoren statt einfacher Lichtquellen zur Beleuchtung verwendet werden, so daß die Anordnung ganz oder teilweise als flacher Projektionsbildschirm dienen kann.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung 1 zeigt eine einfache Wiedergabevorrichtung. Der Strahlweg beginnt auf der Unterseite des Hologramms innerhalb des unteren Rahmenteils. Die hier angebrachte Lichtquelle wird an Spiegel 1 umgelenkt und leuchtet den im oberen Rahmenteil angebrachten Spiegel aus. Dieser reflektiert den Lichtstrahl auf das Hologramm, wobei der Strahl mit der Hologrammfläche einen Winkel von 10 Grad einschließt. Der an der Vorderseite des Glases oder der Filmfolie reflektierte Anteil fällt wieder in den unteren Teil des Rahmens, wo er durch ein Stück schwarze Textilklebefolie absorbiert wird. Der in die Hologrammplatte einfallende Anteil wird zum Lot hin gebrochen und trifft auf der Rückseite der Platte auf die Filmemulsion und rekonstruiert das Hologramm. Der nicht zur Rekonstruktion benutzte Restanteil wird in der hintersten Lage durch eine aufgebrachte Färb- oder Schwärzungschicht absorbiert. Falls das Hologramm durchsichtig für dahinterliegende Objekte sein soll, kann man hier eine nur für die benutzte Wellenlänge selektive Farbfolie oder einen in die Gelatine eingebrachten selektiven Farbstoff benutzen, ansonsten ist eine Schwärzung ausreichend. Der Spiegel S kann als Hohl- oder Zylinderspiegel ausgeführt werden, um eine ebene Welle zur Verfügung zu stellen. Weitere Strahlformungselemente (Linsen, Fresnellinsen, Zylinderlinsen, holograpische Gitter) können zur Verbesserung der Ebenheit der Welle oder zur besseren Ausleuchtung in den Strahlverlauf eingebracht werden.
Zeichnung 2 zeigt eine mögliche Aufnahmevorrichtung. Es handelt sich hier um zwei transparente Keile (z.B. Plexiglas) die um 180 Grad verdreht aufeinandergelegt werden. Der Keilwinkel beträgt 7 Grad. Eine am unteren Keil zusätzlich angebrachte Auffangschale dient als Reservoir für die Index- Matching-Flüssigkeit. Am oberen Keil ist dazu passend ein verbreiterter Rand angebracht, der verhindert das Index-Matching-Flüssigkeit vom Auffangvolumen auf die obere Fläche gelangen kann. Der zu diesem Rand passende O-Ring auf der Oberseite der Auffangschale dient der Abdichtung. Der Film wird auf den unteren Keil gelegt, wobei eine passgenaue Ausfräsung das Verrutschen der Filmplatte oder Folie verhindert. Anschließend wird der zweite Keil aufgelegt, dabei wird die Flüssigkeit nach oben verdrängt und füllt daher das gesamte Spaltvolumen auf. Der obere Keil wird nun mit Halteklammern fixiert.
Die Aussenflächen der beiden Keile verlaufen parallel zueinander, so das die ganze Anordnung wie bei nonnalen Hologrammaufnahmen im Brewsterwinkel in den Referenzstrahl gebracht werden kann. Das Objektlicht fällt wie bei herkömmlichen Aufnahmeanordnungen in die Hologrammebene, dies kommt entweder direkt vom aufzunehmenden Objekt oder wird durch ein normales Masterhologramm erzeugt. Nach der Aufnahme wird der Film entnommen, von Ölrückständen gesäubert und entwickelt.
Zeichnung 3 zeigt eine Beleuchtungs- Anordnung für eine vom Betrachter aus gesehen hinter dem Hologramm angebrachte Beleuchtung unter Minimierung des an der Vorderseite des Trägermediums austretenden Anteils des Referenzstrahls, der in dieser Form gleichermassen für Reflektions- wie Transmissionshologramme verwendbar ist. Zunächst wird der Strahl verlauf für das Reflektionshologramm beschrieben. Der Referenzstrahl R tritt über die entspiegelte rechte Seite (Entspiegelungsschicht S,) in das Sandwich ein, dabei wird eine geringer Anteil reflektiert. Nach dem Durchlaufen der Trägerschicht G (Glas, Kunststoff) durchläuft der Strahl die holographische Emulsion E, ohne das Hologramm rekonstruieren zu können, da die Braggbedingung nicht erfüllt ist. Nach dem Durchlaufen der zweiten Trägerschicht G trifft der Strahl auf die Multilayer-Verspiegelung S2. die auschließlich für die Reflektion sehr flacher Strahlen optimiert ist. Der größte Anteil der Referenzsstrahls wird reflektiert. Ein kleiner Anteil wird nicht reflektiert sondern tritt in Richtung des Betrachters aus dem Sandwich unter einem steilen Winkel aus. Der reflektierte Strahl durchläuft auf dem Rückweg wieder die Trägerschicht G und dann die Emulsion E, wobei die holographische Darstellung S nun nach links rekonstruiert wird. Nach dem Durchlaufen der nächsten Trägerschicht tritt der Strahl bis auf einen geringen reflektierten Anteil aus dem Sandwich aus. Aufgrund der Reflektions von ca. 50% bei den hier verwendeten flachen Winkeln kann die Ver- und Entspiegelung Si und S2 auch wegelassen werden, sie optimiert lediglich die Helligkeit und mindert den austretenden Restanteil Rp. Alternativ können auch eine oder mehrere transparente Platten mit Luftspalt auf der linken Seite der Anordnung den gleichen Zweck erfüllen (siehe Zeichung 4 und Beschreibung). Der Strahlweg für das Transmissionshologramm verläuft ähnlich, nur das die Rekonstruktion schon auf dem Hinweg des Strahls erfolgt.
Zeichnung 4 zeigt eine alternative Anordnung unter der Verwendung einer transparenten Glasplatte in Sichtlinie zwischen Betrachter und Hologramm. In Variante A wird die Glasplatte G zur Ablenkung des Strahls der Lichtquelle L auf das Hologramm H benutzt. Durch diese Anordnung halbiert sich nochmals die zur Führung des Strahls notwendige Dicke der Gesamtanordnung. Der Rückseite des Hologramms kann geschwärzt werden, um den austretenden Referenzstrahl zu absorbieren. In Variante B wird die Platte von hinten beleuchtet, die Rekonstruktion erfolgt bei Reflektionshologrammen mit dem an der Frontseite der Hologrammplatte reflektierten Anteil. Der nicht reflektierte Anteil fällt auf die Glasplatte G und wird nochmals auf das Hologramm gelenkt. Durch geeignete Entspiegelung der Hologramm vorder- und/oder Rückseite sowie einer zusätzlichen Verspiegelung für flache Winkel der Glasplatte G kann der zur Wiedergabe genutzte Lichtanteil nochmals gesteigert werden. Elemente zur Strahlformung (Linsen, Spiegel) der Lichtquelle können integriert werden und steigern die Wiedergabequalität und Helligkeit, sind jedoch nicht zwingend notwendig.
Zeichnung 5 zeigt den Aufbau eine nahtlos kachelbaren Hologramms. Mithilfe der Wiedergabegeometrie aus Zeichnung 3 können sowohl Reflektionshologramme als auch Transmissionshologramme eingesetzt werden, oder es werden einfache winkelreduzierte Transmissionshologramme verwendet. Die Lichtquelle L wird mithilfe der Zylinderlinse Z fokussiert und tritt auf den Spiegel S, der den Lichtstrahl auf das winkelreduzierte Hologramm lenkt. Der Spiegel S kann als Zylinder- oder Hohlspiegel ausgeführt sein. Geeignete alternative Beleuchtungssysteme sind gleichwertig einsetzbar. Da alle Lichtführungs-Elemente auf der dem Betrachter abgewandten Seite liegen, verdecken sie nicht die holographische Darstellung. Entsprechend aufgebaute Einzelelemente lassen sich nun nahtlos aneineinader fügen (siehe Zeichnung 5, zweite und dritte Spalte), eine geeigente mechanische Befestigung kann von hinten oder durch die Montage auf eine transparente Platte erfolgen. Mehrere Einheiten überspannende holographische Darstellungen werden aus entsprechend hergestellten Einzeldarstellungen kombiniert. Dabei müssen eventuell auftretende Verzerrungen durch eine ungleichförmige Ausleuchtung schon bei der Aufnahme der Hologramme berücksichtigt und kompensiert werden. Dies ist durch bei der Erstellung von computergenerierten Hologrammen leicht möglich. Die Feinjustage der gegenseitigen Lage kann durch die Veränderung der Position der einzelnen Lichtquellen erfolgen, so daß sich insgesamt eine über die Einzelteile ausgedehnte, zusammhängende Darstellung ergibt. Es ist auch möglich nur die Beleuchtung hinter dem Sandwich zu kacheln, und das Hologramm in einem Stück auszuführen, um so eine eventuell aufwendige Positionierung der Einzelhologramme zu vermeiden.
Zeichung 6 zeigt die Möglichkeit dreidimensionale Multiplexhologramme (Hologramme bei denen beispielsweise ein Filmablauf in ,die Winkel holographischen Darstellung kodiert ist, dies geschieht durch selektive Belichtung des Hologamms mit Einzelbildern) zu animieren, ohne das der Benutzer seine Position bezüglich des Hologramms verändern muss. Dazu ist es notwendig den Referenzstrahl zum Beispiel zeitgesteuert zu verändern. Durch die Veränderung des Referenzstrahls ändert sich die perspektivische Ausrichtung des dargestellten Objekts, so dass ein Betrachter mit jedem neuen Referenzstrahlwinkel jeweils eine neue Perspektive zu sehen bekommt. Normale Hologramme zeigen dabei eine Drehung des Objekts. Multiplexhologramme können dagegen beliebige zwei- oder dreidimensionale Sequenzen zeigen. Die Animation kann in einfacher Weise durch das Umschalten von Lichtquellen, die in einer Reihe (Lichtquellenarray LL) unterhalb einer Zylinderlinse Z angeordnet sind, geschehen. Der Spiegel S lenkt das Licht auf das Hologramm SH. Alternative Möglichkeiten bestünden im motorisierten Verkippen des Spiegels, der Anbringung einer galvanischen Spiegel Scanners im Strahlweg der Lichtquelle, einem Aukusto-Optischen Modulators im Lichtstrahl, einem räumlichen Verfahren der Lichtquelle und ähnlicher Methoden (Drehspiegeln, Drehprismen, bewegliche Linsen).
Zeichung 7 zeigt die Verwendung winkelreduzierter Hologramme zum Aufbau flacher, dynamischer dreidimensionaler Bildschirme. Hierbei werden die Bilder verschiedener Bildprojektoren (zum Beispiel Computerbeamer) unter einem flachem Winkel auf das winkelreduzierte Hologramm projeziert. Jeder Projektor hat dabei ähnlich wie bei den Lichtquellen des animierten Hologramms (siehe Beschreibung zu Zeichnung 6) einen leicht anderen Einfalls-Winkel. Benutzt man als Hologramm eine geeignete Darstellung senkrechter schmaler Streifen, wird jedes Bild eines Bildgebers in eine gegen das nächste Bild versetzte Richtung projeziert, wobei die Winkelausdehnung jeder Projektion durch die Streifenbreite bestimmt wird. Bei geeigneter Auswahl des Streifenmusters und der Winkel der Bildgeber werden die einzelnen Projektorbildern je nach Betrachtungswinkel in zyklischer Reihenfolge wiederholt auftreten. In geeignetem Abständen erhält so das linke und das rechte Auge des Betrachters zwei unterschiedliche Bilder. Wird jedem Projektor einer passende Perspektive einer dreidimensionalen Szene zugeordnet, wird so für den Betrachter ein dreidimensionales Bild sichtbar. Die Erzeugung dynamischer Bilder kann zum Beispiel durch je einen Rechner pro Projektor erfolgen, der die jeweilige Perspektive in Echtzeit berechnet und durch eine geeignete Grafikkarte darstellt. Eine Registrierung der Handbewegungen des Benutzers kann zur Simulation einer Interaktion des Benutzers mit den dargestellten dreidimensionalen Gegenständen verwendet werden.
Altenativ kann ein intensitätsmodulierendes, transparentes Display auf der Vorserseite eines animierten Streifenhologramms aufgebracht werden. Das Hologramm sendet Lichtstrahlen in einer zeitlichen Abfolge in unterschiedliche Raumrichtungen. Die Darstellung des Displays kann synchron zum Umschalten der Beleuchtungsrichtungen die verschiedenen Perspektiven anzeigen und so ebenfalls eine dynamische dreidimensionale Darstellung erzeugen.
Zeichnung 8 zeigt eine mögliche Anordnung zur direkten Erstellung computergenerierter winkelreduzierter Hologramme durch schrittweises Belichten des Aufnahmediums. Der Aufbau zur Erreichung der Winkelreduktion ist analog zu Zeichnung 2 und Beschreibung, mit dem Unterschied, das das Aufnahmemedium beweglich zwischen den Prismen A und B angebracht ist. Der beschriebene Aufbau dient bei Verwendung des Referenzstrahls RR der Erzeugung von Reflektionshologrammen, Transmissionhologramme erhält man durch Beleuchtung des Aufnahmeorts mit dem Referenzstrahl Rx durch das Prisma B.
Laserlicht wird durch ein bildgebendes System (zum Beispiel durch ein LCD-Display) moduliert und durch eine geeignete Optik O zum Signalstrahl S umgeformt. Der Signalstrahl S durchdringt dann das Prisma B und trifft auf den Aufnahmeort. Der Referenzstrahl R wird unter dem Brewsterwinkel auf das Prisma A gelenkt und trifft ebenfalls den Aufnahmeort. Beide Strahlen wurden zuvor in üblicher Weise mithilfe eines Strahlteilers und geeigneter optischer Aufbereitung aus einem Laser gewonnen, so daß sie kohärent zueinander sind und so ein Hologramm im Aufnahmemedium schreiben können. Das Aufnahmemedium selbst befindet sich in der Wanne W, die mit einer Flüssigkeit zur Anpassung des Brechungsindexes IM aufgefüllt ist. Der Übergang zwischen Prisma B und der Wanne ist so abgedichtet, das keine Flüssigkeit austreten kann. Ein geeignetes xy-Verfahrsystem innerhalb der Wanne W bewegt das Aufnahmemedium M nach jeder Belichtung zum nächsten Aufnahmeort (das xy- Verfahrsystem ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt). Zeichung 9 zeigt eine beispielhafte Geometrie zur beliebigen steuerbaren Wiedergabe unterschiedlicher Hologramme mit verschiedenen Referenzstrahlen. Beim Multiplexing dünner Hologramme - wie sie die meisten holographischen Aufnahmemedien mit Dicken zwischen 5 - 50 μm darstellen - benötigt man stark unterschiedliche Braggwinkel zur klaren Trennung der Wiedergabe der Einzelhologramme. Dies ist bei der beispielhaften Konstruktion berücksichtigt. Vier senkrecht auf die Rückseite des winkelreduzierten Hologramms aufgeklebte schmale Spiegelstreifen reflektieren jeweils das Licht der Lichtquellen A, B, C und D unter einem flachen Winkel auf das Hologramm. Die Strahlverlängerung mittels der Spiegelstreifen verringert die Divergenz. Jede andere geeignete Strahlführung ist jedoch ebenso einsetzbar. Mithilfe der Konstruktion lassen sich vier völlig unterschiedliche Hologramme selektiv oder gemeinsam mit beliebiger Einzelintensität darstellen. Damit lassen sich zum Beispiel verschiedene Zustände in Sinne einer Signaldarstellung anzeigen. Kodiert man stattdessen in drei Kanäle der vier Kanäle die Farben rot, grün und blau einer insgesamt farbigen Darstellung, ist ein perfekter Weißabgleich durch die Regelung der drei Lichtquellen möglich.

Claims

Ansprüche:I . Verfahren zur Aufnahme von Hologrammen dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmemedium zwischen zwei Flächen dergestalt eingelegt wird, daß es um einen bestimmten kleinen Winkel gegen die Flächen der Gesamtkonstruktion verdreht ist. Der Brechwert des Gesamtsystems wird in geeigneter Weise angepasst, so daß störende Mehrfachreflektionen vermindert werden.
1.1 Verfahren nach Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Schwärzung, eine geeignete Einfärbung oder durch Aufbringung einer geeigneten Schicht auf der Rückseite des Aufnahmemediums Mehrfachreflektionen bei der Rekonstruktion vermindert werden.
1.2 Verfahren nach Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß eine EntSpiegelung der Licht-Eintrittsfläche des Aufnahmemediums vorgenommen wird, um die Reflektion der Beleuchtungswelle bei der Rekonstruktion zu vermindern.
1.3 Verfahren zum Kopieren der nach Anspruch 1 und Unteransprüchen erzeugten Hologramme dadurch gekennzeichnet, daß diese Hologramme als Master für optische, mechanische oder sonstige Kontaktkopien verwendet werden.
1.4 Verfahren nach Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die kleine interne Verdrehung des Referenzstrahls durch andere optische Aufbauten in ähnlicher Weise zustande kommt wie in Anspruch 1 beschrieben oder Teil einer Berechnungsmethode für synthetische Hologramme ist.
1.5 Vorrichtung zur Aufnahme von Hologrammen dadurch gekennzeichnet, daß ein für das Verfahren nach Anspruch 1 geeignetes Aufnahme-System als Ersatz für herkömmliche Filmplatten eingesetzt wird.
1.6 Verfahren nach Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Teilanordnung welche zu der dem Referenzstrahl zugewandten Fläche gehört entfällt und daß eine Reflektion des Referenzstrahls in Kauf genommen oder durch eine Entspiegelung unterdrückt wird.
1.7 Verfahren nach Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Teilanordnung welche zu der dem Referenzstrahl zugewandten Fläche gehört, durch ein Volumenhologramm oder ein Prisma zur Einkopplung der Referenzstrahls ersetzt wird.
1.8 Verfahren Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Teilanordnung welche zu der dem Referenzstrahl abgewandten Fläche gehört, eine Lichtabsorption aufweist, so dass eine Rückreflektion an der Austrittsseite hinreichend stark reduziert wird, bevor sie wieder das Aufnahmemedium errreicht.
1.9 Verfahren nach Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Teilanordnung welche zu der dem Referenzstrahl abgewandten Fläche gehört, entfällt und eine Reflektion des Referenzstrahls entweder durch Entspiegelung, Einfärbung oder Schwärzung mittels einer am Aufnahmemedium aufgebrachten Schicht oder durch Kontakt mit einer lichtabsorbierenden Flüssigkeit mit ähnlichem Brechungsindex hinreichend vermindert wird.
1.10 Verfahren nach Anspruch 1 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtung schrittweise erfolgt um das Gesamthologramm zu erstellen, wobei der Signalstrahl mittels optischer Bildgebesysteme erzeugt wird.
1.1 1 Verfahren zur Herstellung winkelreduzierter Hologramme nach Unteranspruch 1.10 wobei der Referenzstrahl bei jedem Belichtungsschritt nach einem geeigneten System im Winkel verändert wird, um die korrekte Rekonstruktion unter speziellen Wiedergabebedingungen (divergente Wellenfronten, verzerrte Wellenfronten) zu erlauben.
1.12 Verfahren nach Anspruch I und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß mehrere winkelreduzierte Hologramme mit verschiedenen Referenzstrahlwinkeln und/oder Referenzstrahlgeometrien in einem Aufnahmemedium aufgenommen werden.
1.13 Verfahren nach Unteranspruch 1.12 dadurch gekennzeichnet, daß drei unterschiedliche Hologramme zu den drei Grundfarben rot, grün und blau zur späteren Darstellung eines Echtfarbhologramms mit der Möglichkeit zum Weißabgleich aufgenommen werden.
2. Vorrichtung zur Wiedergabe der von Hologrammen dadurch gekennzeichnet, daß eine LED, Laserdiode oder sonstige Lichtquelle zusammen mit dem nach Anspruch 1 und Unteransprüchen erzeugtem Hologramm montiert und das erzeugte Licht direkt oder durch geeignete optische Bauteile auf das Hologramm gelenkt wird.
2.1 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungs-Strahlweg vor Manipulation durch eine davor angebrachte transparente oder gefärbte Platte geschützt wird.
2.2 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß mehrere LED's, Laserdioden oder sonstige Lichtquellen zur Beleuchtung des Hologramms mit gemeinsamer, teilweise gemeinsamer oder getrennter Strahlführung vorhanden sind.
2.3 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Anzeigeelemente eingebaut sind.
2.4 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Sensoren, Empfänger, Sender oder sonstige Elemente eingebaut sind.
2.5 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die enthaltenen Elemente durch eine Elektronik oder andere physikalische Methoden verbunden werden oder/und durch Computer gesteuert werden.
2.6 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl durch eine oder mehrere im Strahlengang angeordnete transparente Platten auf das Hologramm gelenkt wird, wobei sich diese Platten auch in der Sichtlinie des Betrachters befinden können.
2.7 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm mit einem Referenzstrahl so beleuchtet wird, daß der an der Innenseite des Wiedergabemediums reflektierte Anteil des Referenzstrahls das Hologramm rekonstruiert. 2.8 Vorrichtung nach Unteranspruch 2.7 dadurch gekennzeichnet, daß der durchgelassene Anteil des Referenzstrahls durch eine oder mehrere parallel angebrachte transparente Flächen wieder auf das Hologramm geworfen wird.
2.9 Vorrichtung nach Unteranspruch 2.6, 2.7 und/oder 2.8 dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierte Anteil des Referenzstrahls durch eine geeignete winkelabhängige Verspiegelung (Multilayer-Schichten, holographische Schichten) verstärkt wird und/oder unerwünschte Reflektionen an anderen Flächen durch geeignete Entspiegelungen vermindert werden, wobei es sich um direkt aufgebrachte Schichten oder mittels eines transparenten Trägers durch geeignete Verfahren aufgeklebte Schichten handeln kann.
2.10 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung so ausgeführt wird, daß sie zur Herstellung großer Flächen aus vielen Einzelvorrichtungen nahezu nahtlos zusammengesetzt werden kann.
2.1 1 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß durch Umschalten von Lichtquellen oder sonstiger geeigneter Veränderung des Referenzstrahls die Darstellung einer Abfolge von im Hologramm enthaltenen Bildern ermöglicht wird.
2.12 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß ein geeigneter Bildgeber einen Teil des Hologramms oder das ganze Hologramm beleuchtet und die Vorrichtung mittels eines geeigneten Hologramms ganz oder teilweise als zweidimensionale dynamische Anzeigefläche dient.
2.13 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene mit geeigneten Bildgebern auf ein geeignet angefertigtes Hologramm projezierte Bilder in verschiedene, definierte Raumrichtungen abgestrahlt werden, um einen dreidimensionalen Bildeindruck zu erzeugen oder verschiedenen Betrachtern gleichzeitig unterschiedliche Inhalte zu zeigen.
2.14 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hologrammfläche ein transparentes intensitätsmoduliertes Display aufgebracht wird, wobei dass Hologramm zeitlich moduliert Licht in unterschiedliche Raumrichtungen aussendet und die Gesamtanordnung durch eine synchrone Steuerung des Bildinhaltes des intensitätsmodulierten Displays dynamische dreidimensionale Inhalte darstellen kann.
2.15 Vorrichtung nach Anspruch 2 und Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation des Referenzstrahls und/oder durch verschiedene Referenzstrahlen unterschiedliche Hologramme, die zuvor unter verschiedenen Braggwinkeln geschrieben wurden, in beliebigen Intensitätverhältnissen oder zeitlicher Abfolge rekonstruiert werden können.
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