DE2360417C3

DE2360417C3 - Phasenplatte zur Erzielung von zufallsverteilten Phasenverschiebungen

Info

Publication number: DE2360417C3
Application number: DE19732360417
Authority: DE
Inventors: Yoshito Hachioji Tokio Tsunoda (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-12-04
Filing date: 1973-12-04
Publication date: 1979-07-26
Also published as: FR2214134B1; DE2360417A1; DE2360417B2; FR2214134A1; JPS4979257A; JPS5139864B2

Description

JO

Die Erfindung bezieht sich auf eine Phasenplatte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige, aus »Applied Optics«, Band 11, Nr. 4 (April 1972), Seiten 818 bis 822, bekannte Phasenplatte ist in Fig. l(a) und v» l(b) der beigefügten Zeichnungen wiedergegeben. Bei dieser bekannten Phasenplatte richtet, sich die höchste vorkommende optische Dicke der zufallsverteilten Flächenelemente nach derjenigen Wellenlänge, für die die Phasenplatte eigens gebaut ist. Mit der bekannten Phasenplatte läßt sich daher die angestrebte zufallsverteilte Phasenverschiebung nur bei einer Strahlung einer einzigen festen Wellenlänge erzielen. Bei optischen Systemen, die mit Strahlungsquellen mehrfacher Wellenlänge arbeiten, wie es beispielsweise bei holograph!- 4 > sehen Farbspeichersystemen oder mehrfarbigen angepaßten Filtersystemen der Fall ist, muß deshalb die bekannte Phasenplatte entsprechend der jeweiligen Wellenlänge ausgewechselt werden. Außerdem ist es nicht zulässig, mit mehrfarbiger Strahlung zu arbeiten. w

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Phasenplatte zu schaffen, die in der Lage ist, eine zufallsverteilte Phasenverschiebung gleichzeitig mehreren Spektralkomponenten des einfallenden Lichtbündels zu erteilen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Danach sind die optischen Dicken der einzelnen Flächenelemente der Phasenplatte für alle zu berücksichtigenden Wellenlängen angepaßt. Somit ergibt sich der Vorteil, mi daß mit mehrfarbigem Licht gearbeitet werden kann, bzw. daß sich ein Auswechseln der Phasenplatte erübrigt, wenn in dem betreffenden optischen System, in dem die Phasenplatte Verwendung findet, abwechselnd mit Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge gearbei- t>> tet wird.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach dem Patentanspruch 2 ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die Phasenplatte minimale Dicke annimmt und das die Phasenplatte durchsetzende Lichtbündel in seiner Intensität am wenigsten geschwächt wird.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung annand der Zeichnungen durch Vergleich eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit der oben erwähnten bekannten Phasenplatte sowie durch Beschreibung zweier Verwendungsbeispiele näher erläutert In den Zeichnungen zeigen

die schon erwähnten F i g. 1 (a) und l(b) eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt der bekannten Phasenplatte,

F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Phasenplatte,

Fig.3 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Phasenplatte und

Fig.4 und 5 Anordnungen eines mehrfarbigen holographischen Speichersystems bzw. eines mehrfarbigen angepaßten Filtersystems unter Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte.

Es sei zunächst eine Phasenplatte betrachtet, die in der Lage ist, einem einfallenden kohärenten Lichtbündel der Wellenlänge X₁ zufallsverteilte Phasenverschiebungen zu erteilen. Gemäß F i g. l(a) und l(b) umfaßt eine derartige Phasenplatte quadratische phasenschiebende Flächenelemente mit unterschiedlicher Membrandicke, die dem einfallenden monochromatischen Lichtbündel eine /j-stufige Phasenverschiebung erteilen. Es sei nun angenommen, daß bei dieser Phasenplatte sämtliche Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Phasenverschiebungen, die dem Lichtbündel beim Hindurchtreten durch die Flächenelemente erteilt werden, jeweils gleich θ sind. Bezeichnet man die jeweiligen Phasenverschiebungen mit 0, θι, .·.. θ_η·ι, so ergibt sich, daß θη-ι = πθ\ = θ.

Eine solche Phasenplatte läßt sich zu einer Phasenplatte vervollkommnen, die in der Lage ist, dem LichtbUndel zufallsverteilte Phasenverschiebungen zu erteilen, wenn die Phasenvektoren, die die oben genannten Phasenkomponenten des durch die Phasenplatte hindurchtretenden und auf das holographische Speichermedium auftreffenden Lichtbündels darstellen, einander zu Null addieren.

Die räumliche Verteilung der Phasenvektoren ist in F i g. 3 dargestellt. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, lassen sich die x- und y-Komponenten des Jfc-ten Phasenvektors 7> durch folgende Gleichungen ausdrücken:

(fk)x = a cos Θ*; und
(FkJy = a sin θ*;

wobei a die Länge des jeweiligen Vektors darstellt. Aufgrund der Tatsache, daß die Anzahl der Vektoren stets gleich ist, wird die obige Bedingung erfüllt, wenn ein Satz von Vektoren r\,... rüsich insgesamt zu Null addiert.

Die Summe der ^-Komponenten und diejenige der y-Komponenten ist durch die folgenden Gleichungen gegeben, und zwar für die ^-Komponenten

sin^/sin^ (I)

und Rir die ^'-Komponenten

. (»1+
n

/siiw

Beide Summen verschwinden, wenn

	wird	/I	sin	ni-i ~T	= O.
Daher
		«-	mn	; oder
		1-1 =	η	2.T.

Es sei angenommen, daß die obige Gleichung für ein einfallendes Lichtbündel der Wellenlänge Λι erfüllt ist und daß die Gleichungen (1) und (2) für die Wellenlänge Ai angegeben sind. Der Unterschied zwisrhen zwei aufeinanderfolgenden Phasenverschiebungen, die einem die Phasenplatte durchsetzenden LichtbUndel einer Wellenlänge A₂ erteilt werden, beträgt

/ι H

ausgedrückt durch die Differenz Θ, die einem Lichtbündel der Wellenlänge Ai erteilt wird. Die Bedingung, daß die für die Wellenlänge Ai vollkommene Phasenplatte gleichzeitig für die Wellenlänge A₂ vollkommen ist, läßt sich durch die Gleichung ausdrücken:

ten mit Dicken von l/n, 2In,... n/n desjenigen Weges aufweist, der einer optischen Weglänge entspricht, der gleichzeitig ein gemeinsames Vielfaches von Ai und Xz ist Wenn η = 6 ist, so werden die dem einfallenden Lichtbündel erteilten Phasenverschiebungen zu 0, π, 2». 3π, 4π und 5π. In diesem Falle sind Flächenelemente mit Dicken, die diesen Phasenverschiebungen entsprechen, in einer Phasenplatte zufallsverteilt, bei der immer gleich viele Flächenelemente gleicher Dicke vorhanden

ίο sind. Tritt ein weiteres Lichtbündel mit unterschiedlicher Wellenlänge hinzu, so muß nur in ähnlicher Weise ein Satz von kleinsten ganzen Zahlen gefunden werden, bei denen die ganzzahligen Vielfachen der jeweiligen Wellenlängen einander gleich sind. Die einzige Bedingung besteht jedoch dabei darin, daß der Wert für m die Gleichung (6) erfüllen muß, so daß außer der kleinsten gemeinsamen Vielfachen viele ganze Zahlen verwendet werden können, die ganzzahlige Vielfache dieses kleinsten Wertes sind. In Gleichung (6) ist m stets größer als 1, woraus sich ergibt, daß die Phasenplatte so gestaltet werden muß, daß die maximale Dicke der Flächenelemente einer optischen Weglänge entspricht die größer ist als eine Wellenlänge jeder Spektralkomponente des einfallenden Lichtbündels.

Fig.2 zeigt den Querschnitt einer Phasenplatte, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. l(b) bezeichnet sind. Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist Ai = 6328 A und A₂ = 4880 A, so daß die maximale Dicke bzw. die Stufendicke des einzelnen

jo Flächenelementes

sin ¹U

Daher wird

= sin "-*>- H=Q.

/I /ι

bzw. m χ

wobei /' eine ganze Zahl ist. Setzt man nun Gleichung (3) in Gleichung (5) ein, so erhält man

= ν .7 oder

m = j . (6)

Beispielsweise kann man einen He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge Ai und einen Ar-Laser mit einer Wellenlänge A₂ als Strahlungsquellen verwenden, wobei Ai = 6328 A und A₂ - 4880 A ist Dabei ist Ai/A₂ = 13, woraus sich als die Gleichung (6) erfüllende kleinste ganze Zahl m = 3 ergibt Setzt man diesen Wert in Gleichung (3) ein, so erhält man

Es ist dann nur noch nötig, die Phasenplatte so zu gestalten, daß sie eine zufallsverteilte Anordnung aus Flächenelementen mit Dicken entsprechend den optischen Weglängen l/n, 2In,... al η von drei Wellenlängen des Lichtbündels der Wellenlänge X, = 6328 A hat Die oben genannte optische Weglänge von 3Ag ist etwa gleich der optischen Weglänge von 4 A₂ für A₂ = 4880 A. Generell ist die Phasenplatte dann derart aufgebaut, daß sie eine zufallsverteilte Anordnung von Flächenelemenwird.

In F i g. 2 ist der Wert von η = 6, d. h. daß die Phasenplatte sechs Dickenstufen hat während bei der in Fig. l(a) gezeigten herkömmlichen Phasenplatte die (5) 40 Stufendicke m χ d\ln und η = 3 ist

Die in Fig.2 dargestellte Phasenplatte läßt sich dadurch herstellen, daß beispielsweise auf der transparenten Grundplatte 1, die aus Glas oder dergleichen besteht ein transparentes Dielektrikum 2 in sechs 4^r> Stufen mit Membrandicke aufgedampft wird.

Die obige Beschreibung befaßt sich nur mit der Phasenplatte; im folgenden soll die Verwendung einer solchen Phasenplatte in einem holographischen Farbaufzeichnungssystem beschrieben werden, bei dem zur ~>n Änderung der Wellenlänge beim Aufzeichnen eines Hologramms mit mehreren Wellenlängen, d. h. eines vielfarbigen Hologramms, kein Auswechseln von Phasenplatten erforderlich ist

In Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen farbigen holographischen Speichersystems gezeigt Gemäß der schematischen Darstellung der Fig.4 werden Laser-Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen, die von Lasern 1 und 2 ausgehen, durch einen Strahlenteiler 3 in einen Objektstrahl 4 und einen bo Bezugsstrahl 5 aufgeteilt. Ein vergrößerter Strahl 8, in den der Objektstrahl 4 durch eine Vergrößerungslinse 6 und eine Kollimatorlinse 7 vergrößert wird, durchsetzt eine Aufzeichnungslinse 9, eine Phasenplatte 13, einen Stichpioben- oder Teilbildraster 14 sowie eine !nformab5 tions-Speichereinrichtung 15, wird auf ein lichtempfindliches Material 16 fokussiert und zur Bildung eines Hologramms mit dem Bezugsstrahl 5 gemischt Durch Einfügen einer Strahlen-Ablenkeinrichtung 25, bei-

spielsweise eines Prismas, in den Weg des vergrößerten Strahls 8 wird der fokussierte Strahl in einzelne Strahlen der jeweiligen Spektralkomponenten aufgeteilt, wie dies durch gestrichelte Linien 10, ausgezogene Linien 11 und strichpunktierte Linien 12 dargestellt ist Diese > Strahlen sammeln sich auf dem lichtempfindlichen Material 16 in Brennpunkten 17, 18 bzw. 19. Andererseits trifft der Bezugsstrahl 5, der von einem Spiegel 24 reflektiert wird, auf eine Spiegel-Ablenkeinrichtung 23, in der er in Strahlen verschiedener ι ο Spektralkomponenten zerlegt wird, wie dies durch die gestrichelte Linie 20, die ausgezogene Linie 21 bzw. die strichpunktierte Linie 22 dargestellt ist. Diese Strahlen sind zur Bildung von Hologrammen auf die oben genannten Brennpunkte 17, 18 bzw, 19 fokussiert. Als !5 Laser 1 und 2 können in dem vorliegenden Beispiel ein He-Ne-Laser (6328 A) und ein Ar-Laser (4880 A, 5145 A) verwendet werden.

An den Brennpunkten 17,18 und 19 werden auf diese Art und Weise monochromatische Hologramme der 2« roten, grünen und blauen Spektren erzeugt Werden von derartigen Hologrammen gleichzeitig Bilder der jeweiligen Farben wiedergegeben, so überlappen diese einander an der Stelle (15), an der sich die Originalinformations-Speichereinrichtung 15 befindet. Als eine derartige Speichereinrichtung kann etwa ein Farbfilm benützt werden.

Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Phasenplatte erübrigt ein Auswechseln der Phasenplatte, was bisher bei jeder Änderung der Wellenlänge der jo Strahlenquelle erforderlich war. Außerdem gestattet die erfindungsgemäße Phasenplatte die gleichzeitige Aufzeichnung von Hologrammen mit verschiedenen Wellenlängen, wie sie bei Verwendung eines von mehreren Strahlungsquellen ausgehenden Laserstrahls zur Verfü- js gung stehen.

Im folgenden sollen die charakteristischen Eigenschaften eines so erzeugten Farbhologramms betrachtet werden. Der Einfachheit halber sei zunächst die Aufzeichnung eines monochromatischen Hologramms ίο untersucht Durchsetzt ein von der Linse 9 hindurchgelassener Laserstrahl nur die Informations-Speichereinrichtung 15, so wird der die Information tragende Strahl ziemlich lokal auf dem lichtempfindlichen Material fokussiert Dies kommt daher, daß die Bildinformation im allgemeinen eine Menge niederfrequenter Komponenten enthält Die genannte Schwierigkeit läßt sich durch Einfügen des Rasters 14 und der Phasenplatte 13 in den optischen Weg beseitigen, wobei diese beiden Elemente gemeinsam bewirken, daß eine örtliche Konzentration des die Information tragenden Strahls verhindert und der fokussierte Strahl gleichmäßig auf das lichtempfindliche Material gestreut wird. Der als Hologramm aufzuzeichnende, die Information tragende Strahl wird dabei von dem Raster 14 in Teilbilder beispielsweise in Form kreisrunder oder quadratischer Löcher unterhalb des Auflösungsvermögens des Auges zerlegt, so daß nur die notwendige Information herausgezogen wird. Sodann werden dem Strahl zufallsverteilte Phasenverschiebungen bezüglich der eo verschiedenen Spektralkomponenten erteilt, indem der zerlegte Strahl an den jeweiligen Teilbildstellen durch die Phasenplatte 13 geleitet wird, die für jeden der Teilstrahlen gleichmäßig ist jedoch dem gesamten Bündel von Teilstrahlen zufallsverteilte Phasenverschiebungen zu erteilen vermag. Durch einen derartigen Aufbau läßt sich eine Autokorrelations-Wirkung zwischen den Teilslrahlen verhindern, so daß sich hervorragende Bilder mit hoher Dichte und ohne Hintergrundrauschen reproduzieren lassen. Ein farbiges Bild hoher Qualität läßt sich somit dadurch erreichen, daß die jeweiligen Bilder, die aus Hologrammen hoher Qualität in den jeweiligen Farbspektren reproduziert werden, inkohärent einander überlagert werden. Die jeweiligen Hologramme lassen sich mit hoher Dichte aufzeichnen, wobei die Dichte an die theoretische Grenze heranreicht; daher kann selbst bei der Aufzeichnung von Mehrfachhologrammen der gesamte Aufzeichnungsbereich derart klein gemacht werden, daß das Farbhologramm natürlich mit unvergleichlich hoher Qualität und Dichte erzeugt werden sollte. Zu beachten ist, daß der Raster zur Zerlegung des informationstragenden Strahls nicht immer erforderlich ist weil die Form der Einheitsflächen in der Phasenplatte so hergestellt werden kann, daß sie die Funktion des Rasters übernehmen.

F i g. 5 zeigt die Verwendung der erfindungsgemäßen Phasenplatte in einem mehrfarbigen angepaßten Filtersystem. Gemäß der schematischen Darstellung der F i g. 5 werden von Strahlenquellen 26 und 27 ausgehende Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge durch einen Strahlenteiler 28 zu einem mehrfarbigen Strahl vereinigt der eine Vergrößerungslinse 29 und eine Kollimatorlinse 30 passiert und als vergrößerter Parallelstrahl 31 austritt Der Strahl durchsetzt dann ein unbekanntes Farbmuster 32 und eine Phasenplatte 39 und wird hinter einer Sammellinse 33 auf einem Hologramm 34 fokussiert In dem Hologramm 34 sind Muster verschiedener Typen als Fourier-Transformierte bezüglich der jeweiligen Farbspektren aufgezeichnet. Falls das unbekannte Muster mit dem auf dem Hologramm aufgezeichneten Muster übereinstimmt, tritt aus dem Hologramm ein gebeugter Strahl 35 aus, der durch eine Linse 36 zur Messung auf einen Detektor 37 oder einen Detektor 38 fokussiert wird

Sind nun auf dem unbekannten Muster 32 sehr ähnliche Zeichen, beispielsweise der Buchstabe O und der Buchstabe Q, in verschiedenen Farben ausgebildet, so werden von dem Hologramm 34 Strahlen 35 in voneinander unterschiedlichen Richtungen abgebeugt; beispielsweise wird der Strahl für den Buchstaben O auf dem Detektor 38 und der für den Buchstaben Q auf dem Detektor 37 fokussiert, was eine genaue Differenzierung zwischen den Zeichen gestattet Die Intensitäten der gebeugten Strahlen hängen von der Qualität des Hologramms 34 ab, so daß es erforderlich ist das Hologramm mit höchster Güte aufzuzeichnen. Um ein solches Hologramm mit hoher Güte zu erzielen, kann die erfindungsgemäße ZufaDsphasenplatte für einen mehrfarbigen Strahl verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Phasenplatte zur Erzielung von zufallsverteilten Phasenverschiebungen im Querschnitt eines, die Phasenplatte durchsetzenden, kohärenten Lichtbündels der Wellenlänge X₁, bestehend aus einer Vielzahl von, zufällig über den Querschnitt verteilten, phasenschiebenden Flächenelementen, die jeweils einer von insgesamt (n+\) Gruppen angehören, wo π eine frei wählbare ganze Zahl ist, wobei die optischen Dicken der Flächenelemente einer Gruppe unter sich gleich sind, die höchste vorkommende optische Dicke den Wert m ■ λ\ annimmt, so m eine frei wählbare ganze Zahl ist, und sich die optischen Dicken der Flächenelemente der (n+\) verschiedenen Gruppen um gleiche Stufen der Größe -^- unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer entsprechenden Phasenverschiebung für kohärentes Licht der Wellenlängen λ, (i = 2, 3, 4 ...) die Größe m so gewählt wird, daß mk\ ein gemeinsames Vielfaches der verschiedenen λ, ist.

2. Phasenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß πύ\ das kleinste gemeinsame Vielfache der verschiedenen λ₍· ist