Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Vereinigung mehrerer Teilstrahlenbündel zu einem einzigen Strahlenbündel.
Der Begriff Strahlung soll hier alle Arten von Schwin gungsenergie, wie elektromagnetische Schwingungen aller Wellenlängen, akustische Schwingungen usw. umfassen, mit denen Interferenzfiguren erzeugt werden können. Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel von Lichtstrahlung erläutert. Der Begriff Licht soll dabei elektromagnetische Schwingungen im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich umfassen.
Häufig sollen mehrere Strahlungsbündel einzeln verarbeitet und dann zu einem einzigen zusammengesetzten Strahlungs bündel vereinigt werden. Dies ist z.B. bei Nachrichtensystemen der Fall, die mit phasenmoduliertem Licht arbeiten und bei denen ein Referenz-Lichtbündel einer vorgegebenen Wellen länge mit einem anderen Lichtbündel dieser Wellenlänge, dessen Phase bezüglich der des Referenzbündels als Funktion der Zeit entsprechend einem Modulationssignal geändert wird, zu vereinigen ist.
Die beiden kombinierten Lichtbündel können dann in Form eines einzigen zusammengesetzten Bündels übertragen werden, so dass etwaige Phasenverschiebungen, die auf der Übertragungsstrecke zwischen dem Sendeort und dem Empfangsort auftreten, beide Teilbündel des zusammenge setzten Bündels in gleicher Weise beeinflussen und dementspre chend keine Verzerrung der am Empfangsort empfangenen Signale verursachen. Ein anderes Beispiel ist der Fall, bei dem eines oder mehrere von einer Anzahl von Lichtbündeln dadurch, dass man es durch ein Transparentbild fallen lässt, räumlich in der Intensität moduliert wird, bevor es oder sie mit den anderen Bündeln zu einem einzigen zusammenge setzten Bündel vereinigt werden.
In diesem Falle können sich wenigstens einige Teilbündel hinsichtlich der Lichtwellenlänge voneinander unterscheiden und z.B. verschiedene Grundfarben darstellen, die in dem einzigen resultierenden zusammenge setzten Bündel gemischt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass gleichzeitig mehrere Strahlenbündel erzeugt und unter verschiedenen Einfallswinkeln auf einen holographischen Bündelkoppler gerichtet werden, wobei der holographische Bündelkoppler die Strahlenbündel derart beugt, dass sie alle unter demselben Austrittswinkel den Bündelkoppler verlassen.
Eine Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung eines einzigen Lichtbündels, das sowohl die Farb- information als auch die Leuchtdichteinformation einer Szene enthält, unter Verwendung dreier getrennter Schwarzweiss- Transparentbilder, die die jeweiligen Farbauszüge einer Szene darstellen, ist dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig getrennte farbige Lichtbündel erzeugt werden, dass die Intensität jedes dieser farbigen Lichtbündel räumlich dadurch moduliert wird, dass man die Lichtbündel jeweils durch das die entsprechende Farbinformation enthaltende Transparentbild fallen lässt,
dass man ein erstes der räumlich modulierten Bündel auf den holographischen Bündelkoppler unter einem ersten Einfallswinkel fallen lässt, dass man gleichzeitig ein zweites der räumlich modulierten Bündel unter einem zweiten Einfallswinkel, der vom ersten Winkel verschieden ist, auf den holographischen Bündelkoppler richtet, und dass gleichzeitig das dritte der räumlich modulierten Bündel auf den holographi schen Bündelkoppler unter einem dritten Einfallswinkel geworfen wird, welcher dritte Einfallswinkel sowohl vom ersten als auch vom zweiten Winkel verschieden ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Einrichtung zur Herstellung eines holographischen Bündelkopplers; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung, die mit einem holographischen Bündelkoppler arbeitet und ähnlich wie die Einrichtung gemäss Fig. 1 aufgebaut ist; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Einrichtung mit einem holographischen Farbbündelkoppler; und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung, die mit einem holographischen Farbbündelkoppler gemäss Fig. 3 arbeitet.
In Fig. 1 ist schematisch eine Quelle für kohärente Strahlungsbündel' zum aufeinanderfolgenden Aufzeichnen von Hologrammfiguren dargestellt. Die Quelle, die einen oder mehrere Laser zusammen mit einer üblichen Bündelteileroptik enthalten kann, ist insbesondere imstande, ein erstes Paar kohärenter Lichtbündel einer vorgegebenen ersten Wellenlänge zu liefern, von denen das eine mit einem Referenzbündel B, und das andere mit einem Bündel B1 in Fig. 1 zusammenfällt. Wie Fig. 1 zeigt, ist das Bündel B, senkrecht und das Bündel B, in einem Winkel O, vom Bündel B, nach oben bezüglich eines Aufzeichnungsträgers 102 orientiert.
Im allgemeinen Fall ist der Einfallswinkel des Bündels B, bezüglich des Aufzeichnungs trägers 102 beliebig und der Einfallswinkel des Bündels B, bezüglich des Aufzeichnungsträgers 102 ist vom Einfallswinkel des Bündels B@ wesentlich verschieden.
Durch die Beleuchtung des Aufzeichnungsträgers 102 mit den kohärenten Strahlungsbündeln des ersten Paares wird eine erste Teil-Interferenzfigur auf dem Aufzeichnungsträger 102 aufgezeichnet. Die Eigenschaften dieser ersten Teil Interferenzfigur werden durch die Wellenlänge der kohärenten Strahlungsbündel des ersten Paares und durch die jeweiligen Einfallswinkel der beiden Bündel dieses Paares bezüglich des Aufzeichnungsträgers 102 bestimmt.
Nachdem die erste Teil-Interferenzfigur auf dem Auf zeichnungsträger 102 aufgezeichnet worden ist, werden dieser noch eine oder mehrere zusätzliche Teil-Interferenzfiguren überlagert und nacheinander auf dem Aufzeichnungsträger 102 aufgezeichnet, so dass man eine einzige Interferenzfigur erhält. Insbesondere kann die Lichtquelle 100, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, nachdem sie das erste Paar kohärenter Strahlungsbündel der vorgegebenen ersten Wellenlänge in der oben erläuterten Weise erzeugt hat, nacheinander ein oder mehrere weitere Paare kohärenter Strahlungsbündel, wie ein Paar kohärenter Strahlungsbündel einer vorgegebenen zweiten Wellenlänge liefern, welches aus einem Bündel, das in der Richtung des Bündels Br verläuft und einem Bündel, das in der Richtung des Bündels B" verläuft, besteht.
Wie Fig. 1 zeigt, ist das Bündel B, des zweiten Paares kohärenter Strahlungsbündel senkrecht zum Aufzeichnungsträger 102 und das Bündel B" in einen Winkel O", dervomBündelBr nach unten geht, bezüglich des Aufzeichnungsträgers 102 orientiert. Im allgemeinen sind die auf den Aufzeichnungsträger 102 bezogenen Einfallswinkel des einen Bündels B, aller nacheinander zum Aufzeichnen verwendeten Paare kohärenter Strahlungsbündel untereinander gleich, während die Einfallswinkel der anderen Bündel B, ... B" bezüglich des Aufzeichnungsträgers 102 voneinander und von dem des ersterwähnten Bündels wesentlich verschieden sind.
Die Wellenlängen der kohärenten Strahlungsbündel der Strahlungsbündelpaare können von Paar zu Paar gleich oder verschieden sein. Auf alle Fälle ist auf dem Aufzeichnungsträger 102 schliesslich eine zusammengesetzte Interferenzfigur aufgezeich net, die aus einer Anzahl überlagerter Teilinterferenzfiguren besteht, die jeweils durch Aufzeichnen mit verschiedenen Paaren kohärenter Strahlungsbündel erzeugt wurden. Diese zusammengesetzte Interferenzfigur stellt ein Hologramm dar.
Das aufgezeichnete Hologramm kann entweder ein sogenann tes Oberflächen- oder Dünnschicht-Hologramm sein, wobei dann die verschiedenen Teil-Interferenzfiguren alle im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen, oder es kann ein sogenanntes Volumen- oder Dickschicht-Hologramm sein, wobei dann die Tiefe der Ebenen, in denen die verschiedenen Teil-Interferenzfiguren aufgezeichnet sind, Funktionen der den verschiedenen Teil-Interferenzfiguren entsprechenden Winkel O, ... O" sind. Ein Dickschicht-Aufzeichnungsträger wird bevorzugt, da bei diesem etwaige unerwünschte, durch eine Kreuzmodulation der verschiedenen, die zusammengesetzte Interferenzfigur bildenden Teil-Interferenzfiguren hervorgeru fenen Effekte zweiter Ordnung weitestgehend vermieden werden.
In Fig. 1 sind die Bündel B, ... B" und das Bündel B, alle als Bündel paralleler Strahlen mit ebenen Wellenfronten dargestellt. Dies ist jedoch nicht wesentlich. Wenn es der vorgesehene Verwendungszweck erfordert, können eines oder mehrere Bündel konvergente oder divergente Bündel sein, wie noch näher erläutert wird. Ausserdem kann in dem speziellen Falle, dass die Wellenlänge aller Bündelpaare die gleiche ist, eine einzige kohärente Strahlungsquelle zum Erzeugen aller Bündel verwendet werden und die Aufzeichnung kann mit allen Paaren gleichzeitig anstatt nacheinander erfolgen.
Die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung enthält eine nachfolgend als holographischer Bündelkoppler bezeichnete Vorrichtung 202, die nach dem in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Verfahren hergestellt worden ist. Die dargestellte Einrichtung enthält eine Quelle 200 zum gleichzeitigen Erzeugen von Strahlungsbündeln, die zu koppeln sind. Die Quelle 200 kann eine oder mehrere monochromatische Lichtquellen, wie Laser, und übliche optische Elemente enthalten und liefert gleichzeitig eine Anzahl von im Winkel zueinander verlaufender Abfrage bündel b, ... b", die den Bündeln B, ... B" in Fig. 1 entsprechen. Die Bündel b, .. . b" sind auf das auf dem holographischen Bündelkoppler 202 aufgezeichnete Hologramm gerichtet, dessen Herstellung oben in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde.
Insbesondere verläuft das Abfragebündel b, in einem Winkel 0, oberhalb der Normalen zum holographischen Bündelkoppler 202 und das Abfragebündel b" verläuft in einem Winkel KP" unterhalb der Normalen zum holographischen Bündelkoppler 202.
Die Abfragebündel b, ... bn können entweder gleiche oder verschiedene Wellenlängen haben. Ferner können die Abfrage bündel b, ... bn jeweils die gleiche Wellenlänge wie oder eine andere Wellenlänge als das entsprechende Bündel B,<B>...</B> B" in Fig. 1 haben. In allen Fällen muss jedoch das Verhältnis der Wellenlänge jedes speziellen Abfragebündels b, ... bn zur Wellenlänge des entsprechenden der Bündel B, ... B" in Fig. 1 im wesentlichen gleich dem Verhältnis des Sinus des Winkels (P, den das betreffende Abfragebündel mit der Normalen zum Bündelkoppler 202 bildet, zum Sinus des Winkels O, den das entsprechende Bündel B, ... B" in Fig. 1 mit der Normalen zum Aufzeichnungsträger 102 bildet, sein.
Das Verhältnis der Wellenlänge des Abfragebündels b, zur Wellenlänge des Bündels B, wird also im wesentlichen gleich dem Verhältnis sin 01/sin O, gemacht. In entsprechender Weise wird das Verhältnis der Wellenlänge des Abfragebündels b" zur Wellenlänge von B" im wesentlichen gleich dem Verhältnis von sin n/sin O" gemacht. Im speziellen Falle, dass die Wellenlänge des Abfragebündels b, gleich der Wellenlänge des entsprechen den Aufzeichnungsbündels B, ist, wird dann also 0, in Fig. 2 gleich O, in Fig. 1 sein.
Die Quelle 200 zum gleichzeitigen Erzeugen der zu koppelnden Strahlungsbündel kann eine Anordnung enthalten, die eines oder mehrere der zu koppelnden Bündel mit einer Nachricht zu modulieren gestattet. Die Abfragebündel b, und b" können z.B. von einer einzigen kohärenten Quelle gewonnen werden, so dass sie gleiche Wellenlänge haben, und die Quelle 200 für die zu koppelnden, gleichzeitig erzeugten Strahlungs bündel kann einen Phasenmodulator, z.B. einen elektro optischen Modulator, enthalten, um die Phase eines der Ab- fragebündel b, und b" als Funktion der Zeit entsprechend einem Nachrichtensignal bezüglich der Phase des anderen Bündels zu modulieren. Anstelle der Phasenmodulation können auch eines oder mehrere der Abfragebündel b, ... b" mit einem Nachrichtensignal amplituden- und/oder frequenzmoduliert werden.
Eine andere zweckmässige Form der Modulation ist die räumliche Modulation eines oder mehrerer Bündel. In diesem Falle ändert sich die Intensität von Punkt zu Punkt über den Querschnitt des Bündels entsprechend einem Nachrichten signal. Dies kann durch ein in der Quelle 200 vorgesehenes Transparentbild bewirkt werden, das von einem Bündel durchsetzt wird.
Bei der Adressierung des Hologramms des holographischen Bündelkopplers 202 mit dem Abfragebündel b,, das die oben erwähnte Wellenlänge und Winkelorientierung hat, entsteht eine Beugungskomponente erster Ordnung, die einen Teil eines gekoppelten Ausgangsbündels 204 darstellt und senkrecht zum Bündelkoppler 202 aus diesem austritt. In entsprechender Weise wird bei der Adressierung des Hologramms des holographischen Bündelkopplers 202 mit dem Abfragebündel b", das die oben angegebene Wellenlänge und Winkel orientierung hat, ebenfalls eine Beugungskomponente erster Ordnung erzeugt, die einen Teil des gekoppelten Ausgangs bündels 204 bildet und senkrecht zum Bündelkoppler 202 aus diesem austritt.
Bei der gleichzeitigen Beleuchtung des Bündel- kopplers 202 mit den Abfragebündel b,... b" entsteht also eine Anzahl aus dem Bündelkoppler 202 austretender, den verschiedenen Abfragebündeln entsprechender Beugungs komponenten erster Ordnung, die zusammenfallen und ein einziges zusammengesetztes und gekoppeltes Ausgangsbündel, nämlich das Bündel 204, bilden. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Paare kohärenter Bündel, die bei der Aufzeichnung des holographischen Bündelkopplers 202 nacheinander verwendet worden waren, Referenzbündel enthielten, die alle die gleiche Orientierung bezüglich des Bündelkopplers hatten.
Der Aus trittswinkel des gekoppelten Ausgangsbündels 204 bezüglich des holographischen Bündelkopplers 202 wird nämlich durch den Einfallswinkel der jeweiligen Referenzbündel B, (Fig. 1) der verschiedenen Paare kohärenter Bündel, die bei der Aufzeichnung des Hologramms des holographischen Bündel- kopplers 202 verwendet werden, bestimmt.
Fig. 3 zeigt die Herstellung eines holographischen Farb- bündelkopplers. Die Einrichtung gemäss Fig. 3 weist eine Quelle 300 für Paare kohärenter Lichtbündel zur aufeinander folgenden Aufzeichnung von Interferenzfiguren auf. Die Quelle 300 enthält einen oder mehrere Laser und übliche optische Elemente zum Erzeugen eines ersten Paares kohärenter Bündel, die eine Wellenlänge im roten Spektralbereich haben und aus einem Bündel paralleler Strahlen 302, das auf einen Aufzeichnungsträger 304 unter einem Winkel 0a oberhalb der Normalen zum Aufzeichnungsträger gerichtet ist, und einem divergenten Bündel, das symmetrisch zur Normalen des Auf zeichnungsmediums 304 verläuft, bestehen.
Auf dem holographischen Aufzeichnungsträger 304 wird auf diese Weise eine erste Teil-Interferenzfigur aufgezeichnet. Nachdem die erste Teil-Interferenzfigur aufgezeichnet worden ist, wird der Aufzeichnungsträger 304 mit einem zweiten Paar kohärenter Bündel, deren Wellenlänge im grünen Spektralbereich liegt, belichtet. Das zweite Paar kohärenter Bündel setzt sich aus einem parallelen Bündel 306, das unter einem unterhalb der Normalen zum Aufzeichnungsträger 304 liegenden Winkel OG auf den Aufzeichnungsträger 304 gerichtet ist, und einem divergenten Referenzbündel, dessen Orientierung mit dem Referenzbündel des ersten Paares kohärenter roter Bündel zusammenfällt, zusammen.
Hierdurch wird auf dem Auf zeichnungsträger 304 eine überlagerte zweite Teil-Interferenz- figur aufgezeichnet. In entsprechender Weise wird der Auf Izeichnungsträger 304 dann mit einem dritten Paar kohärenter Bündel, deren Wellenlänge im blauen Spektralbereich liegt, belichtet. Das dritte Paar kohärenter Bündel besteht aus einem parallelen Bündel 308, das unter einem Winkel Ob unterhalb der Normalen zum Aufzeichnungsträger 30-1 auf dieses gerichtet ist, und einem divergenten Referenzbündel, das die gleiche Orientierung hat wie die Referenzbündel der ersten beiden Paare kohärenter Bündel. Hierdurch wird eine dritte Teil Interferenzfigur aufgezeichnet, die den vorher aufgezeichneten beiden Teil-Interferenzfiguren überlagert ist.
Die drei Teil- Interferenzfiguren bilden zusammen eine einzige zusammenge setzte Interferenzfigur in Form eines Hologramms.
Die Einrichtung gemäss Fig. 4 weist eine Quelle 400 zum gleichzeitigen Erzeugen von zu koppelnden, räumlich modulierten Lichtbündeln auf. Die Quelle 400 enthält Licht quellen für Licht mit Wellenlängen im roten, grünen und blauen Spektralbereich, die im wesentlichen gleich denen sind, die beim Aufzeichnen des holographischen Bündelkopplers 402 verwendet wurden. Die Quelle 400 enthält ferner ein erstes Transparentbild mit der Rotinformation einer Szene, das zur räumlichen Modulation des roten Bündels in dessen Weg angeordnet ist, so dass ein räumlich moduliertes rotes Bündel 404 entsteht.
Das rote Bündel 404 ist ein Bündel, das unter demselben, sich von der Normalen zum holographischen Bündelkoppler nach oben erstreckenden Winkel 0R auf den Bündelkoppler gerichtet ist wie das rote Bündel 302, das beim Aufzeichnen des Hologramms auf den Bündelkoppler verwendet worden war. In entsprechender Weise wird ein räumlich moduliertes grünes Bündel 406, das unter demselben Winkel OG wie das grüne Bündel 106 einfällt, mittels eines zweiten Transparentbildes innerhalb der Quelle 400, das die grüne Information der Szene enthält, erzeugt. Der holographi sche Bündelkoppler 402 wird gleichzeitig mit dem roten Bündel -10.1 und dem grünen Bündel 406 belichtet.
Ferner wird auf den Bündelkoppler 402 ein räumlich moduliertes blaues Bündel 408 gerichtet, das mittels eines die blaue Information der Szene enthaltenden dritten Transparentbildes in der Quelle 400 erzeugt und auf den Bündelkoppler mit der gleichen Winkel orientierung OB fällt wie das blaue Bündel 408. Das blaue Bündel -108 beleuchtet den Bündelkoppler 402 gleichzeitig mit dem roten Bündel -104 und dem grünen Bündel 406.
Man beachte, dass der holographische Bündelkoppler 402 bei der Einrichtung gemäss Fig. 4 von hinten beleuchtet wird, d.h. dass sich das aufgezeichnete Hologramm auf der rechten Seite des holographischen Bündelkopplers 402 befindet, während die beleuchtenden Bündel 404, 406 und 408 von der in Fig. 4 linken Seite her einfallen. Dies hat zur Folge, dass ein einziges, konvergentes, räumlich moduliertes weisses Bündel 410 rekonstruiert wird, das die ganze Farb- und Leuchtdichte- information der Szene aus den drei getrennten Transparent bildern in der Quelle 400 enthält. Die Ausbreitungsrichtung und der Konvergenzgrad des Bündels 410 werden durch die Richtung und die Divergenz der bei der Aufzeichnung des Hologramms auf dem holographischen Bündelkoppler 402 verwendeten Referenzbündel bestimmt.
Das konvergente Bündel 410 erzeugt ein reelles Bild der durch die drei Transparentbilder dargestellten Szene in voller Farbe in einer Bildebene 412. Wenn das Hologramm des Bündelkopfes 402 nicht von hinten, wie es bei Fig. 4 der Fall ist, sondern von vorne beleuchtet würde, wäre das gekoppelte Bündel ein divergentes Bündel, und es würde anstelle des reellen Bildes ein virtuelles Bild entstehen.
Die oben beschriebenen holographischen Bündelkoppler stellen Hologramme vom Transmissionstyp dar; selbstver- ständlich könnten wegen der bekannten Aequivalenz von Hologrammen des Transmissionstyps und Reflexionstyps als holographische Bündelkoppler auch Hologramme des Reflexionstyps verwendet werden.