DE2732843A1

DE2732843A1 - Holographischer fokussierungsschirm

Info

Publication number: DE2732843A1
Application number: DE19772732843
Authority: DE
Inventors: Isaia Glaser-Inbari
Original assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Current assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Priority date: 1976-07-26
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1978-02-02
Also published as: GB1591170A; IL50125A0; US4602843A; JPS5331127A; IL50125A

Description

KRAUS & WEISERT

PATENTANWALT!: L / O Z O '( J

DR. WAI Tr: R Κ HAUS mPLOMCHEMIKED · DO-ING. ANNLKÄTE Wtlbrln DIPL-IN6. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGAHDSlHASSt 1ü · U-BOOO MÜNCHEN 71 ■ TELEFON Of) 9/7 O 7O 7 7-7 9 7O 7 (1 . TELEX O5-21215Ü kpatd

TELEGRAMM KRAUSPATENT

1577 JS/MY

YEDA RESEARCH AND DEVELOPMENT CO.LTD. Rehovot, Israel

Holographischer Fokussierungsschirm

709865/θ7βΒ

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Lichtzerstreuung, und zwar bezieht sich die Erfindung im einzelnen auf Fokussierungsschirme, wie sie in optischen Einrichtungen, wie z.B. in photographischen Kameras, verwendbar sind. E3 wird hier der allgemeine Begriff "Fokussierungs-3chirm^B verwendet, obwohl derartige Fokussierungsschirme in optischen Einrichtungen vorzugsweise als "Mattscheiben" oder "Visierscheiben¹¹ bezeichnet werden.

Bei der Benutzung vieler optischer Instrumente ist es notwendig, die genaue axiale Anordnung, d.h. den Fokus, eines Bildes zu bestimmen. Ia Falle von photographischen Kameras ist es z.B. erforderlich, den photographischen Film längs der Bildebene auszurichten. Die Bildebene liegt ihrerseits hinter der Kameralinse, und zwar in einem Abstand, der sich in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem abzubildenden Objekt und der Linse ändert.

Da3 menschliche Auge ist, sofern es nicht durch Hilfsmittel unterstützt wird, Im allgemeinen nicht in der Lage, ein virtuelles Bild mit Genauigkeit zu lokalisierten, was an der automatischen Akkommodation des menschlichen Auges liegt. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird üblicherweise eine Mattscheibe an der zu erwartenden Bildebene eingefügt, um die Bilder, die nicht scharf sind, in einem ausreichenden Maße zu zerstreuen, so daß auf dLese Weise die Akkommodation der Augen ausgeschaltet wird.

Mattscheiben werden allgemein aus Milchglas hergestellt, daa durch Oberflächenbehandlung einer Glasplatte erzeugt wird, die üblicherweise mittels einee Schleifmaterials erfolgt. Milchglasscheiben haben jedoch eine Anzahl von Machteilen. Der Hauptnachtoll besteht darin, daß die Menge an Licht, die durch die Mattscheibe hindurchgeht, abnimmt, wenn daa Ausmaß an Unscharfe, dan durch die Mattscheibe hervorga-

7 0 «) ft B S / 0 7 β Β

bracht wird, zunimmt, Es wurde z.B. gefunden, daß in den Fällen, in denen die Mattscheibe eine Gauß'sche Zerstreuungsfunktion hat, eine optimale Mattscheibe einen begrenzten Helligkeitswirkung3grad von etwa 8b% und ein Verwiachunga- bzw. Unscharfeverhältnis von etwa Qh% besitzt.

Ein anderer Nachteil von Milchglaamattscheiben besteht darin» daß die Oberflächenstruktur des mit Schleifmittel behandelten Glasee relativ groß bzw. grob ist, was zu der Tendenz führt, daß sie sichtbar wird, wenn die Mattscheibe in Verbindung mit hochvergrößernden Okularen verwendet wird, was zu einer Störung den Bildes führt.

In der US-PS 3 619 021 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Zerstreuungsschicht; beschrieben, bei dem eine photoempfindliche Schicht mittels eines ersten Lichtwellenfeldes belichtet wird, das eine statistische Phasenverteilung mit Wellenbergen und -tälern hat, die unterschiedliche Beträge an belichtendem Licht repräsentieren, wonach die belichtete Schicht entwickelt und behandelt wird, und zwar so, daß die Unterschiede zwischen den Längen des optischen We ges herabgesetzt werden, so daß sie weniger als die Hälfte der Lichtwellenlängen 3ind und so, daß ein LaserstrahlenbUndel, das durch die Schicht hindurchgeht, ein zweites Wellenfold ausbildet, das eine im wesentlichen konstante Amplitude und eine sich lokal verändernde Phase besitzt. Die ses Wellenfeld kann zum Beleuchten ein«*» r.i ar.s^irenten Bilds verwendet werden, so daß dasselbe eine holographische Aufzeichnung auf einer photographischen Platte M.''et, wenn ein ReferunzütrahlenhilndeL an kohärentem Idcht unter einem Winkel auf die photographische Platte gerichtet wird.

Die US-PS 3 690 BIO beschreibt ein Verfahren und olno Anordnung zum Herstellen von Zerstreuungslinsen mit willkürlicher Indikatrlx. ELne Zerstreuungslinse auL einer

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-j- 27 3 2 H Λ 3

gewünschten Lichtintensitätsverteilung wird photographisch dadurch hergestellt, daß man ein Bild von einer beleuchteten Zerstreuungslinse mit Standardeigenschaften aufzeichnet, und zwar nach einer räumlichen Frequenzfilterung des Lichts der Linse, z.B. durch Verwendung einer Maske gewünschter Konfiguration.

Die vorliegende Erfindung geht über die technischen Lehren und Anregungen des Standes der Technik hinaus und schlägt einen holographischen Fokussierungsschirm mit wählbaren Zerstreuungseigenschaften vor.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Fokussierungsschirm zur Verfügung gestellt, der ein holographisches Element mit wählbaren Zerstreuungseigenschaften umfaßt. Das holographische Element kann ein Kinoform, ein dickes Phasenhologramm oder irgendein anderes, auf der Achse oder außerhalb der Achse liegendes Hologramm umfassen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines holographischen Fokussierungsschirms zur Verfügung gestellt, das die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

Anwenden von kohärentem Licht längs eines ersten und zweiten Lichtwegs ^

Zerstreuen des kohärenten Lichts, das längs des ersten Lichtwegs verläuft, und Steuern der Zerstreuungseigenschaften mittels einer Maske von wählbarer Konfiguration;

Anordnen einer photographischen Platte zur Belichtung mit dem zerstreuten Licht längs des ersten Lichtwegs und mit dem Licht längs des zweiten Lichtwegs, so daß auf diese Weise ein Beugungselement mit holographischem Muster erzeugt wird; und

Anordnen des Beugungselements im Weg eines virtuellen Bildes.

709885/0785

Weiterhin wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Fokussierungsschirms zur Verfügung gestellt, das die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

Erzeugen eines Kinoforms; und

Anordnen des Kinoforms im Wege eines virtuellen Bildes.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwischung (d.h. die Fokusunterscheidung), die mit holographischen Fokussierungsschirmen oder Kinofora-Fokussierungsschirmen erzielbar ist, die Verwischung übersteigen kann, welche mit konventionellen Milchglasmattscheiben erzielbar ist, ohne daß die Bildhelligkeit beeinträchtigt wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1A eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der normalisierten Effektivverwischung und des Helligkeitswirkungsgrades einer exemplarischen Milchglasmattscheibe veranschaulicht;

Fig. 1B eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der normalisierten Effektiwerwischung und dem Helligkeitswirkungsgrad für einen idealen Hologrammoder Kinoformfokussierungsschirm zeigt;

Fig. 2A einen Aufbau einer optischen Einrichtung zum Erzeugen eines holographischen Fokussierungsschirms;

Fig. 2B eine Abwandlung der Aufzeichnungsgeometrie der Einrichtung der Fig. 2A;

Fig. 3 einen alternativen Aufbau einer optischen Einrichtung zum Herstellen eines holographischen Fokussierungsschirms ;

Fig. 4 eine Darstellung einer Maske, die zur Verwendung in dem optischen Aufbau gemäß Fig. 2 oder 3 geeignet ist;

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Fig. 5 einen durch einen Rechner erzeugten Kinoformfokussierungsschirm;

Fig. 6 die Darstellung einer Zelle des Kinoformfokussierungsschirms der Fig. 5 im Querschnitt;

Fig. 7 ein optisches Instrument, in dem ein holographischer Fokussierungsschirm verwendet wird, wie er durch die Anwendung eines optischen Aufbaus der Fig. 1 hergestellt worden ist; und

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer einäugigen Spiegelreflexkamera, in der ein holographischer Fokussierungsschirm der Art verwendet wird, wie er durch den Aufbau hergestellt wurde, der in Fig. 1 veranschaulicht ist.

Eine Würdigung der gewünschten Eigenschaften der Hologramm- und Kinoform-Fokussierungsschirme Im Vergleich mit konventionellen Milchglasmattscheiben ergibt sich aus einer Betrachtung der nachfolgenden Berechnungen, die sich auf den Helligkeitswirkungsgrad und die relative Verwischungsabmessung beziehen.

Wenn man ein optisches System betrachtet, das eine Linse vom Durchmesser A, einen Fokussierungsschirm und das menschliche Auge umfaßt, wobei in diesem System dem Auge Licht durch die Linse und den Fokussierungsschirm zugeführt wird, dann 1st der Betrag an Licht, der tatsächlich das Auge erreicht, geteilt durch den Gesamtbetrag an Licht, der an der Linse eintritt, gleich der Helligkeit des Bildes, das mit dem Fokussierungsschirm gesehen wird, geteilt durch die Helligkeit eines virtuellen Bildes, welches durch die Linse erzeugt wird. Diese Größe ist als Helligkeitswirkungsgrad bekannt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Helligkeit eines virtuellen Bildes nahezu gleich der Helligkeit des Originalobjekts ist. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß jedes Flächenelement der Linsen- bzw. Objektivöffnung zum Bild einen Betrag an Licht beiträgt, der durch dsn Ausdruck Q(r

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gegeben ist, in dem r und ψ die Polarkoordinaten sind.

Wie in der Arbeit von W.T.Plummer in Applied Optics, Band 14, Nr. 12, Seite 2762, vom November 1975, deren Titel in deutscher Übersetzung "Fokussierungsschirm-Optimalisierung¹¹ lautet, beschrieben ist, kann der Helligkeitswirkungsgrad des Fokussierungsschirms durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

(Gleichung 1)

^^ rdrdf

Es sei darauf hingewiesen, daß Q(r,rf>) in der Weise definiert ist, daß sein Gesamtintegral 1 ist.

Die Effektivabmessung eines außerhalb des Fokus liegenden Punktes wird wiedergegeben durch die Gleichung: (Gleichung 2)

R =

\ C 2 \|J q(r) r rdr

r dr

Bei einem tatsächlichen Bild, das durch die Linse (optische Einstellbeobachtungen) in der Ebene des Fokussierungsschirms ausgebildet wird, wird die Lichtverteilung in einem außerhalb des Fokus liegenden Bildpunkts q(r) gegeben durch
(Gleichung 3)

q(r)

0 für andere r-Werte

q_o f ür r

worin q eine Konstante ist. Wenn man diesen Wert von q z.B. in die Gleichung 2 einfügt, dann ergibt sich die Abmessung eines effektiven Verwischungsradius von einem aktuellen, außerhalb des Fokus liegenden Punktes zu

(Gleichung W) 1 a AF

Ό _ ββββΜ · mm · MWM»

⁰ " "/Τ 2 F

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Wenn jedoch dieses Bild durch einen Fokussierungsschirm gesehen wird, dann muß q(r) richtig durch Q(r,d>) belastet werden. Aus Einfachheitsgründen ist die (t> -Abhängigkeit von Q vernachlässigt, und infolgedessen ergibt sich: (Gleichung 5)

. r) für ra

O für andere r-Werte

Infolgedessen kann der Wert des Effektivradius der Verwischung bei einem speziellen Schirm von seiner Q-Funktion berechnet werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, sich auf eine normalisierte oder relative Verwischungsabmessung zu beziehen, die als R/R_o definiert ist, worin R dadurch erhalten wird, daß man q aus der Gleichung 5 in die Gleichung 2 einfügt, und R ist durch Gleichung 4 gegeben.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei den konventionellen Milchglasmattscheiben als Fokussierungsschirme das Licht näher der Achse der einfallenden Beleuchtung zerstreut wird. Infolgedessen ist Q(r) eine monoton abnehmende Funktion von r. Daher ist R/R_Q niemals größer als 1 bei solchen Schirmen.

Wenn man annimmt, daß der Fokussierungsschirm eine Gauß'sche Zerstreuungsfunktion besitzt, was eine gute Annäherung der Q-Funktion von Milchglasmattscheiben ist, dann ist deren Diffusität bzw. Zerstreuungsfähigkeit gegeben durch: (Gleichung 6) ο

Q_n (r) » -~ exp (- ±~)

worin C eine Konstante ist. Infolgedessen ergibt sich der Helligkeitswirkungsgrad für eine Milchglasmattscheibe dieser Art durch
(Gleichung 7) ₂

_G*1 -exp (- A-j-)
4c

709885/0785

2732SA3

und das Verwischungsverhältnis ist gegeben durch (Gleichung 8)

^RG

K N 2? (e? - 1)

für ξ= A²/4c²

Es sei darauf hingewiesen, daß bei allen anwendbaren Werten von C und A der Helligkeitswirkungsgrad niemals größer als 1 und das Verwischungsverhältnis weniger oder gleich 1 ist. Die Beziehung zwischen dem Verwischungsverhältnis und dem Helligkeitswirkungsgrad ist aus Fig. 1A ersichtlich.

Es läßt sich erkennen, daß die optimale Beziehung zwischen dem Helligkeitswirkungsgrad und der relativen Verwischung an der Stelle vorhanden ist, an welcher der Helligkeitswirkungsgrad ungefähr 8h% beträgt und das Verwischungsverhältnis ^R _G/^R _O etwa 0,84 ist.

Infolgedessen ist klar ersichtlich, daß der Aufbau einer Milchglasmattscheibe stets einen Kompromiß zwischen zwei wünschenswerten Qualitäten, nämlich Helligkeit und Fokussierbarkeit, beinhaltet.

Es ist ersichtlich, daß keine Technik den Helligkeitswirkungsgrad über 1 hinaus erhöhen kann. Jedoch läßt sich zeigen, daß das Verwischungsverhältnis tatsächlich über 1 erhöht werden kann, indem man gewisse holographische Fokusslerungsschirme oder Kinoformfokusslerungsschirme benutzt.

Im allgemeinen sind die grundsätzlichen unterschiede zwischen einem holographischen Fokussierungsschirm oder einem Kinoformfokussierungsschirm einerseits und einer konventionellen Milchglasmattscheibe andererseits die folgenden:

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(1) Das Milchglas hat eine nahezu Gauß'sche Zerstreuungsfunktion, während diejenige des Hologramms ziemlich willkürlich gesteuert werden kann.

(2) Beim Milchglas sind die Zerstreuungseigenschaften (praktisch) unabhängig von der Wellenlänge, während diejenigen des Hologramms sehr stark mit der Wellenlänge variieren.

(3) Das Milchglas ist ein axiales optisches Element, während das Hologramm ein außeraxiales Element sein kann.

(4) Das Milchglas zerstreut alles eintreffende Licht, während das Hologramm einen Zerstreuungswirkungsgrad hat, der gewöhnlich weniger als 1 beträgt.

Die Bezeichnung "Hologramme" wird nachstehend dazu benutzt, alle Arten von Hologrammen zu bezeichnen, und zwar sowohl dicke als auch dünne Hologramme wie auch Kinoforme. Es sind viele Arten von Hologrammen bekannt, und genauere Beschreibungen derselben sind in dem Buch "Optische Holographie" (Titel in deutscher Obersetzung) von R.J.Collier, C.B. Burckhardt und L.H. Lin, das im Academic Press Verlag, New Tork 1971, erschienen ist, zu finden. Gebleichte bzw. entfärbte Hologramme sind auf den Seiten 289 bis 292 beschrieben; dichromatisch gemachte Gelatinehologramme sind auf den Seiten 293 bis 298 beschrieben; Lachlinsenanordnungen sind auf den Seiten 164 bis 167 beschrieben, und Kinoforme sind auf den Selten 560 bis 563 beschrieben.

Wenn man die Gleichungen 1 und 2 näher betrachtet, dann erkennt man, daß der größtmögliche Wert für die effektive Verwischung durch die folgende Gleichung gegeben wird: (Gleichung 9)

worin 6 die Dirac'sche Deltafunktion ist. In diesem Falle ist der Helligkeitswirkungsgrad gleich 1 und die relative

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Verwischungsgröße ^~ 1st gleich 2. Das muß mit dem Wert für den Helligkeitswirkungsgrad und die relative Verwischungsabmessung verglichen werden, wie er oben in Verbindung mit konventionellen Milchglasmattscheiben erläutert worden ist. Es sei darauf hingewiesen» daß die obigen Werte mit holographischen Schirmen oder mit Kinoformschirmen nur in monochromatischem Licht erhalten werden. Jedoch überschreiten die erzielbaren Ergebnisse selbst bei weißem Licht die Ergebnisse bei weitem, die sich bei Milch- bzw. Mattglas ergeben. Die Beziehung zwischen der relativen Verwischungsabmessung und dem Helligkeitswirkungsgrad bei einem Kinoformfokussierungsschirm in weißem Licht ist in Fig. 1B veranschaulicht.

Es ist ersichtlich, daß theoretisch ein Wirkungsgrad von 100£ mit dicken Phasenhologrammen erzielt werden kann, die auf Materialien, wie z.B. dichromatisch gemachter Gelatine oder gebleichten photographischen Emulsionen, ausgebildet sind, wie sie in dem obigen Buch beschrieben sind, wie auch mit Kinoformen, die durch Rechner erzeugt worden sind, welche ebenfalls in dem obigen Buch beschrieben sind. Dicke Hologramme sind dadurch charakterisiert, daß ihre Dicke t das 1Ofache ihres Gitterabstands d überschreitet, wobei d durch die Bragg'sehe Gleichung 2 a sin θ = Λ bestimmt ist. Die Verwendung von Kinoformen ist in gewisser Weise zu bevorzugen, da sie auf der Achse arbeiten, so daß sie direkt gegen konventionelle Matt- bzw. Milchglasscheiben ausgetauscht werden können. Wenn holographische Schirme angewandt werden, dann müssen alle relevanten Parameter, wie z.B. der Bezugswinkel, die Dicke und die Brechungszahlmodulation, ausgewählt werden, damit man den höchsten durchschnittlichen bzw. mittleren Rekonstruktionswirkungsgrad erzielt.

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Die Herstellung und der Aufbau eines holographischen Fokussierungsschirms gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung sei nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B näher erläutert.

Es sei zunächst auf Fig. 2A Bezug genommen, in der ein Laser 10 gezeigt ist, z.B. ein konventioneller Laser, der ein Bündel 12 von kohärentem Licht aussendet. Dieses Bündel wird mittels eines Spiegels 13 zu einem Strahlen- bzw. Bündelteiler reflektiert. Der Strahlen- bzw. Bündelteiler 14 kann ein konventioneller Lichtaufteilungswürfel sein, der einen halbreflektierenden Spiegel besitzt. Ein Anteil des Lichts, welches in den Aufteilungswürfel 14 eintritt, wird so abgelenkt, daß es auf eine Lochlinsenanordnung 16 auftrifft, die eine Divergenz des Bündels von kohärentem Licht bewirkt. Das auf diese Weise divergierende Bündel trifft auf eine lichtempfindliche holographische Platte 18 auf. Der andere Teil des Lichts, welcher den Strahlen- bzw. Bündelaufteiler 14 verläßt, wird mittels eines Spiegels 15 so reflektiert, daß er auf eine zweite Lochlinsenanordnung 17 auftrifft, die in gleichartiger bzw. ähnlicher Weise eine Divergenz des kohärenten Bündels bewirkt. Das auf diese Weise divergente Bündel geht durch ein Zerstreuungselement 20 und dann durch eine Maske 22 hindurch. Das Licht, das durch die Maske 22 hindurchgeht, trifft auf die Hologrammplatte auf.

Es sei darauf hingewiesen, daß beide Anteile des Lichts, die auf die holographische Platte 18 auf troff en, noch gegenseitig kohärent sind. Infolgedessen Interferieren sie auf der holographischen Platte und erzeugen ein feines Muster von Interferenzrändern bzw. -säumen. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß das Zentrum der Divergenz der Bündel kohärenten Lichts, das von der Lochlinsenanordnung 16 aufgeht, längs der gleichen Ebene wie die Maske 22 ange-

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ordnet ist, wie durch die punktierte Linie 2h angedeutet ist. Die Hologrammplatte, auf dor die Interferenzränder aufgezeichnet sind, wird anschließend chemisch verarbeitet, so daß man ein Hologramm erhält.

Alternativ können mehrere Arten von holographischen Platten verwendet werden. Photographische Emulsionen, die Silberhalogenidsalze enthalten, können mittels eines Bleichungsverfahrens behandelt werden, so daß eine Variation im Brechungsindex der Emulsion durch Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung erzeugt wird. Alternativ kann eine dichromatisierte Gelatineplatte angewandt werden, indem man eine Variation im Brechungsindex erzeugt, oder es können Photowiderstandsmaterialien verwendet werden, um eine Dickenvariation in der Beschichtung der Platte (oder der Platte selbst) zu erzeugen. Die Erörterung dieser verschiedenen Arten von Hologrammen in dem oben genannten Buch "Optische Holographie" wird durch diese Bezugnahme zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Ein alternatives Verfahren zum Herstellen von holographischen Fokussieruiigsschirmen umfaßt den Gebrauch eines sequentiellen Aufzeichnungsverfahrens. Wie die Fig.2B zeigt, wird eine holographische Platte mit zwei kollimierten, gegenseitig kohärenten Lichtbündeln beleuchtet. Ein Bündel ist senkrecht zur Platte, während das andere unter einem Winkel ο bezüglich des ersten Bündels verläuft (typischerweise beträgt dieser Winkel 15° bis 30°,was von der öffnung der Linsen, die später in Verbindung mit dem Schirm verwendet werden sollen, abhängt). Nach der Belichtung wird die Platte in ihrer eigenen Ebene um einen Winkel 0 gedreht. Dieses Verfahren wird N Mal wiederholt (wobei N typischerweise von 5 bis 15 beträgt und ß = 2 T/N ist). Die Platte wird dann mittels eines Verfahrens behandelt bzw. verarbeitet, das identisch mit demjenigen ist, wie es im vorher be-

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schriebenen Beispiel der Herstellung holographischer Schinne benutzt wurde. Dieses Verfahren ergibt einen auf der Achse liegenden holographischen Schirm, der den Vorteil hat, daß mit ihm konventionelle Schirme bzw. Mattscheiben direkt ersetzt werden können. Das Verfahren kann jedoch nur gute Ergebnisse mit starken (große Öffnung), bildfokussierenden Linsen ergeben.

Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, in der eine abgewandelte optische Einrichtung zur Hologrammerzeugung veranschaulicht ist, die eine konvergierende Linse 30 umfaßt. Ein Laser 32 erzeugt ein Bündel kohärenten Lichts, das von einem Spiegel 36 zu einem BUndelteilungswürfel 38 reflektiert wird. Ein Teil des kohärenten Bündels geht durch eine Linsen- und Locheinrichtung 40 hindurch, und das durch diese Einrichtung erzeugte divergierende Bündel von kohärentem Licht trifft auf eine Sammellinse 30 auf und bildet hinter dieser Linse ein Bündel, das nach einem virtuellen Punkt zu konvergiert, der sich in einem Abstand S¹ hinter der holographischen Platte 42 befindet, die innerhalb des Lichtwegs vorgesehen ist. Der andere Anteil de3 Lichts, das au3 dem Bündelteiler 38 austritt, wird durch einen Spiegel 44 reflektiert und durch eine Linsen- und Locheinrichtung 46 geschickt. Das divergierende Bündel, da3 von der Einrichtung 46 erzeugt worden Ist, durchsetzt eine Zerstreuungseinrichtung 48 und eine Maske 50, und zwar so, daß da3 Licht, das durch die Maske 50 hindurchgeht, auf die holographische Platte 42 auftrifft und infolgedessen mit dem kohärenten Licht von der Linse 30, das auch auf die Platte 42 auftrifft, interferiert.

Eine typische Masks, die in dem optischen Aufbau von eLner der Flg. 2A, 2B und 3 verwendet warden kann, ist in Fif;. 4 veranschaulicht; diese Maske umfaßt eine ringförmige Öffnung mit den Außendurchmesser D und der Dicke d, die

70988^/0

auf einem lichtundurchlässigen Hintergrund angeordnet ist. Wenn eine solche Maske, die gemäß der Maske mit dem Bezugszeichen 22 in Fig. 2 vorgesehen ist , mit einem zerstreuten Bündel kohärenten Lichts einer vorgegebenen Wellenlänge beleuchtet wird, dann bewirkt die Beugung von Licht in den aufgezeichneten Rändern auf dem Hologramm, daß ein Bild der Maske im Unendlichen erscheint. Wenn die in Fig. 5 gezeigte Maske so angeordnet ist, wie durch das Bezugszeichen 50 in Fig. 3 angedeutet ist, dann erscheint das Bild der Maske in

S · S₁
einem Abstand S¹, wobei S¹ = 1 , wobei S der Abstand

zwischen der Maske 50 und der holographischen Platte 42 ist, während S^ der Abstand zwischen der holographischen Platte und dem Ursprungspunkt des Bildes, das von der Sammellinse 30 erzeugt wird, ist.

Die Erzeugung eines Kinoforms ist in dem vorerwähnten Buch "Optische Holographie" auf den Seiten 560 bis 563 wie auch in der IBM-Veröffentlichung Mr. 320.2371 vom 6. Oktober I969 beschrieben, die von L.B.Lesern, P.M.Hir3ch und J.A.Jordan jr. verfaßt Lst und (in deutscher Übersetzung) den Titel "Durch Rechner erzeugte optische Elemente: Fortschritt und die Probleme" hat. Die Beschreibungen, die sich in den vorerwähnten Druckschriften befinden, werden hiermit durch diese Bezugnahme mit zum Offenbarungsinhait der vorliegen len Anmeldung gemacht.

Es sei nun auf Fig. 5 eingegangen, in der in schema tischer Form ein typischer Kinoformschi na gezeigt ist, welcher ein periodisches Muster von einer Mehrzahl von erhabenen, koaxialen Ringen umfaßt, das geeignet ist, in Verbindung tait einem optischen System angewandt zu werden, welches eine Linsenöffnung von f/3,5 hat. Die Radien der Ringe werden durch die folgende Tabelle wiedergegeben.

709885/0785

Radius Nr.

2732ÖA3

V/ert

Position

10

11

12

13

15

0,8 Mikron

hoch

1,9 Mikron

niedrig

3,0 Mikron

hoch

Mikron

niedrig

5,2 Mikron

hoch

6,3 Mikron

niedrig

7,4 Mikron

hoch

8,6 Mikron

niedrig

9,7 Mikron

hoch

10,8 Mikron

niedrig

11,9 Mikron

hoch

13,0 Mikron

niedrig

Mikron

hoch

15,2 Mikron

niedrig

16,3 Mikron

hoch

niedrig

Es sei kurz auf Fig. 6 Bezug genommen, in der eine Querschnittsansicht eines Kinoformschirms der Fig. 5 längs der Linien VI-VI gezeigt ist. Die Dickenvariation zwischen den erhabenen Teilen und den vertieften Teilen d wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben: (Gleichung 10)

in der η die Brechungszahl (etwa 1,5) und λ die mittlere Wellenlänge (etwa 0,55 Mikron) ist.

Die Verwendung von Hologrammen als Fokussierungs schirme in optischen Instrumenten ist in den Fig. 7 und 8

709885/0785

2732Ö43

veranschaulicht. Die Fig. 7 zeigt die Verwendung eines holographischen Fokussierungsschirms in einem allgemeinen optischen System, bei dem ein Lichtbündel 89 ein optisches Abbildungselement oder -system 83, wie z.B. eine photographische Linse oder ein Mikroskop, durchquert. Das Lichtbündel 89 geht durch eine Feldlinse 84, typischerweise eine Fresnel-Linse, die dahingehend wirkt, daß sie Licht von dem optischen System 83 sammelt, welches in ein Okular 87 gerichtet ist. Ein Hologramm 85», das als Fokussierungsschirm wirkt, ist benachbart zur Feldlinse 84 eingefügt, so daß es einen gesteuerten Betrag an Verwischung für nichtfokussierte Bilder erzeugt, und dieser Fokussierungsschirm kann unter Verwendung einer Apparatur hergestellt werden, deren Aufbau in Fig. 2 gezeigt ist. Aul den FoIi us sie rungs schirm 85 folgend ist ein optischer Keil 86 (oder alternativ ein lineares Gitter) vorgesehen, wodurch Licht, das mittels des Fokussierungsschirms 85 abgebeugt worden ist, nach dem Okular zu gerichtet wird, und wodurch weiterhin nichtabgebeugtes Licht vom Okular weggerichtet wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß im Falle von dicken, auf der Achse liegenden holographischen Schirmen oder Kinoformen der Keil oder das lineare Gitter weggelassen werden kann.

Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß in Abwesenheit des Hologramm-Fokussierungsschirms 85 und des Keils 86 eine Person, die mit ihrem Auge (angedeutet durch das Bezugszeichen 88) von hinten her in das Okular 87 schaut, eine Vergrößerung des Bildes sieht, welches durch das System 83 ausgebildet worden ist. Da dieses ein virutelles Bild ist, würde es die meiste Zeit scharf erscheinen, weil das Auge auf Änderungen in der axialen Lokalisierung des Bildes etwas akkommodiert. Dadurch würde es im wesentlichen unmöglich werden, eine Fokussierung des optischen Instruments vorzuneh-

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^ 27328A3

men. Wie bereits weiter oben erläutert wurde, ist es beim Stand der Technik üblich, ein Matt- bzw. Milchglas zu verwenden, das am Ort des Schirns 85 angeordnet ist, um eine Lichtzerstreuung zu erzeugen und so das Auge am Akkommodieren zu hindern. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 7 veranschaulicht ist, dient das Hologramm als Zerstreuungselement, und der Betrag an Zerstreuung, der durch das Hologramm erzeugt wird, wird durch die Relation der Abmessung der in der Maske ausgebildeten Öffnung zur Geometrie des da3 Hologramm erzeugenden Apparats (wie typischerweise bzw. beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist), insbesondere des Abstands S_Q, gesteuert. Da der Betrag an Zerstreuung mit der Wellenlänge variiert und die Zerstreuung hier durch Beugung bewirkt wird, erscheint das unscharfe Bild auch mit Farbsäumen, wodurch die Unterscheidungsfäligkeit dee Betrachters zwischen .scharfen und unscharfen Bildern verbessert wird.

Es sei nun auf Flg. 8 bezug genommen, In der eine typische einäugige Spie^oLref Le!xkanora gezeigt Ist, die einen holographischen Fokussierungsacliirm 95 aufv/eist. Das Licht tritt durch die Linse 5S in die Kamera ein und tflrd durch den Spiegel 43 reflektiert. Der Spiegel 43 ist verschwenkbar, da er so angeordnet L?t, d;iP er um eine Achst 91 in Verbindung mit einer Vorspannungsfeder 92 gedreht wild, wobei letztere den Spiegel 43 in eine allgemein horizontale Position außerhalb des Lichtv/eges 93 und dos photograph!sehen Films 96, der auf der Rückseite der Kamera längs einer vertikalen Ebene vorgesehen lot, drückt. DLe Betätigung der Kamerasteuerung bewirkt, daß der Spiegel 43 in eine geneigte Stallung nach abwärts verschwenkt werden kann, wobei er in eine lösbare Verbindung mit einem Fang- b/.w. HaLtetsLL 94 tritt, das den SpießeL bei Betätigung des Varschlußoechanlsmus freigibt, so daß die Belichtung des FLIa;; vereinfacht wird.

Das Licht, daa von dsm Spiegel 43 reflektiert wird, wird von einer FeLdlinse 34 gesammelt, welche »las Licht durch

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einen holographischen Fokussierungsschim 95 zu einem Fünfkantprisma 97 richtet, welches das Licht seinerseits in ein Okular 98 reflektiert.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Boden de3 Prismas 97 leicht geneigt sein kann, wodurch der gleiche Effekt hervorgerufen wird, wie er sich bei der Verwendung eines optischen Keils ergibt, wie es in Verbindung mit Fig.7 beschrieben worden ist. Alternativ kann ein Gitter für diesen Zweck angewandt werden.

Es i3t ersichtlich, daß Hologramme der Art, wie sie von der optischen Einrichtung erzeugt werden, die gemäß der in Fig. 2D dargestellten Konfiguration angeordnet ist, auch als Feldlinsen wirken können. Infolgedessen ist es möglich, daß man durch Wahl richtiger bzw. geeigneter Werte für die Abstände S und S. die Feldlinkse 84 eliminieren kann.

Wenn dicke, auf der Achse liegende Hologramm2 und Kinoforme angewandt werden, pflanzt sich sowohl das zerstreute wie auch das nichtzerstreute Licht axial fort. Infolgedessen ist es möglich, durch geeignete Wahl des Materials, das bei der Herstellung des holographischen Fokus3ierungsschirms benutzt wird, ein genügend niedriges Niveau von nichtzerstreutem Licht zu erzeugen, derart-, daß der optische Keil 86 (Fig. 7) oder der geneigte Boden dea Prlsmaa 97 (Fig. 0) nicht vorgesehen zu werden brauchen. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß holographischa Fokussierung3schirne dieser Art vorhandene Milchglasmattscheiben ersetzen können, ohne daß es erforderlich i3t, in dem optischen Instrument irgendeinen anderen Austausch vorzunehmen.

Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn einmal ein Ein-MatrIx-Hologramm erzeugt worden ist, eine in wesentlichen unbeschränkte Anzahl von Kopien von diesem Hologracua

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hergestellt werden können, und zwar durch optische Kopier^ techniken oder mechanisches Pressen oder irgendeine geeignete andere Technik.

Es ist erkennbar, daß Kinoformschirme, die ein Muster verwenden, das von einem Rechner berechnet worden ist, anstelle von Hologrammen angewandt werden können, und daß diese Kinoformschirme größere Helligkeitswirkungsgrade und bessere Fokussierungsunterscheidungen als in konventioneller Weise erzeugte Hologramme hervorbringen bzw. ermöglichen können.

Wie man sieht, haben Beugungs-Fokussierungsschirme des Kinoform- oder Hologrammtyps eine Anzahl von Vorteilen gegUber konventionellen Mattglasschirmen, und zwar handelt es sich bei diesen Vorteilen insbesondere um bessere Bildhelligkeit zum Betrachten, als sie von Milchglasmattscheiben geboten wird, sowie um wählbare Verwischungsfunktionen und die Möglichkeit, ein Vielfachbild anstelle einer Verwischung zu erzeugen. Fokussierungsschirme der hier beschriebenen Art können bei niedrigen Kosten leicht in Massenproduktion hergestellt werden. Auch kann die Oberflächenstruktur der Fokussierungsschirme, die gemäß der Erfindung, insbesondere gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, aufgebaut sind und betrieben werden, beträchtlich kleiner, bzw. feiner als diejenige von Milchglasmattscheiben und infolgedessen kleiner als die Auflösung von im wesentlichen allen Okularvergrößerern, in denen solche Fokussierungsschirme angewendet werden sollen, gemacht werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß mit dem Begriff "außerhalb der Achse" die Bedeutung "außerachsig" und mit dem Begriff "auf der Achse" die Bedeutung "aufachsig" gemeint ist.

Ende der Beschreibung

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Claims

Patentansprüche

1. Fokussierungsschina, gekennzeichnet durch ein holographisches Element von wählbaren Zerstreuungscharakteristika bzw. -eigenschaften.

2. Fokussierungsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das holographische Element ein dickes Phasenhologramm umfaßt oder ist.

3. Fokussierungsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Kinoform umfaßt oder ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines holographischen Fokussierungsschirms, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Anwenden bzw. Ausstrahlen von kohärentem Licht längs eines ersten und zweiten Lichtwegs;

Zerstreuen de3 kohärenten Lichts, das längs des ersten Lichtwegs verläuft, und Steuern der Zerstreuungseigenschaften bzw. -charakteristika mittels einer Maske von wählbarer Konfiguration; und

Anordnen einer photographischen Platte zu deren Belichtung durch das zerstreute Licht, welches längs des ersten Lichtwegs verläuft, und durch das Licht, welches längs des zweiten Lichtwegs verläuft, so daß dadurch ein Beugungselement mit holographischem Muster erzeugt wird.

5. Verfahren zum Herstellen eines Fokussierungsschirms, insbesondere nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Erzeugen eines Kinoforms; und

Anordnen des Kinoforms im Wege eines virtuellen Bildes.

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6. Fokussierungsschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Verwischungsverhältnis von größer als 1 besitzt.

7. Verfahren zur Herstellung eines holographischen Fokussierungsschirms nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Anordnens der photographischen Platte die Verfahrensschritte des Verdrehens der photographischen Platte in ihrer Ebene in eine Mehrzahl von Positionen und des Belichtens der photographischen Platte mit dem zerstreuten Licht, das längs des ersten und zweiten Lichtwegs verläuft, in jeder der Mehrzahl von Positionen umfaßt.

8. Fokussierungsschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das holographische Element ein auf der Achse befindliches Element bzw. ein aufachsiges Element umfaßt oder ist.

9. Anordnung zum Herstellen eines photographischen Fokussierungsschirms, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, gekennzeichnet durch

eine Quelle (10 ,32) von kohärentem Licht;

einen ersten und zweiten Lichtweg, von denen jeder wenigstens eine Divergierungseinrichtung (16,17;4O,46) umfaßt, die so angeordnet sind, daß divergiertes Licht auf eine photographische Platte (18;42) auftrifft; und

ein Zerstreuungselement (20;48) sowie eine Maske (22;50), die zwischen der Divergierungseinrichtung und der photographischen Platte längs des ersten Lichtwegs bzw. im ersten Lichtweg angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Sammellinse (30) bzw. ein Sammellinsensystem umfaßt, die bzw. das längs des zweiten Lichtwegs bzw. im zweiten Lichtweg zwischen der Divergierungseinrichtung (40) und der photographischen Platte (42) angeordnet ist.

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11. Fokussierungsschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das holographische Element ein außerhalb der Achse befindliches Element bzw. ein außerachsiges Element umfaßt oder ist.

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