DE60018603T2

DE60018603T2 - Holographischer drucker

Info

Publication number: DE60018603T2
Application number: DE60018603T
Authority: DE
Inventors: David Pease Pottage BROTHERTON-RATCLIFFE; Florian Michel Robert Pease Pottage VERGNES; Alexey Rodin; Mikhail Grichine
Original assignee: Geola Technologies Ltd
Current assignee: VIEW HOLOGRAPHICS LTD., CONWY, GB
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: JP2003516565A; DK1244944T3; EP1244944B1; US20030156308A1; US20060114532A1; US7262891B2; US7042605B2; ATE277369T1; LT99143A; EP1236073A2; US20050200924A1; US7548360B2; DE60018603D1; AU2191301A; US20050200925A1; US6930811B2; US20080158630A1; US7324248B2; US7423792B2; EP1394635A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen holographischen Drucker und ein Verfahren zum Schreiben von Masterhologrammen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufzeichnen und Drucken holographischer Stereogramme anhand digitaler Daten dargelegt.
Seit über 50 Jahren werden Hologramme durch die allgemeine Technik des Beleuchtens eines Objekts mit kohärentem Licht und Bewirken, dass das gestreute Licht auf ein lichtempfindliches Aufzeichnungsmaterial fällt, das auch durch einen wechselseitig kohärenten Referenzstrahl beleuchtet wird, hergestellt (siehe beispielsweise E.N. Leith u.a., "Reconstructed Wavefronts and Communication Theory", Journal of the Optical Society of America 53, 1377 – 81, 1963). Bei einer solchen Technik ist jedoch ein physisches bzw. physikalisches Objekt erforderlich, um eine holographische Darstellung dieses Objekts zu erzeugen, und die Größe des holographischen Bilds entspricht gewöhnlich 1 : 1 der Größe des holographierten Objekts. Diese Technik ist daher für viele praktische Anwendungen ungeeignet.
Eine Alternative zum Erzeugen und anschließenden direkten Schreiben des Grundinterferenzmusters, das ein Hologramm kennzeichnet, wurde erörtert und untersucht (siehe beispielsweise das US-Patent 4 701 006). Selbst mit heutigen Computerbetriebsmitteln bleibt die Berechnung des Interferenzmusters durch Fouriertransformationen jedoch für größe re Hologramme eine schwer zu bewältigende Aufgabe. Zusätzlich ist es noch immer sehr schwierig und kostspielig, solche Muster, sobald sie berechnet wurden, zu schreiben, wobei bei der bevorzugten Technik ein Elektronenstrahl eingesetzt wird.
Eine andere Technik für die Erzeugung von Hologrammen, bei der kein reales Objekt erforderlich ist, wurde von King u.a. vorgeschlagen (Applied Optics, 1970). In dieser Veröffentlichung wurde gezeigt, dass Hologramme durch optisches Multiplexen von Informationen zusammengesetzt werden können, die aus mehreren zweidimensionalen Kameraansichten entnommen wurden. Die Wichtigkeit dieser Idee besteht darin, dass die Maschine, die die endgültigen Hologramme druckt, von dem tatsächlichen Objekt getrennt sein kann, und dass das holographische Bild in der Größe nicht dem ursprünglichen Objekt entsprechen muss. Weiterhin wurde gezeigt, dass gar kein Objekt erforderlich ist, falls die zweidimensionalen Ansichten anhand Rohcomputerdaten erzeugt werden (siehe beispielsweise das US-Patent 3 843 225).
Bei einer üblichen Ausführungsform des vorstehenden Prinzips ist es bekannt, sequentielle Ansichten eines Objekts durch eine Kamera aufzuzeichnen, die auf einer linearen oder kreisförmigen Schiene angebracht ist. Die jeweiligen Ansichten werden dann in einem optischen System verwendet, das die Daten multiplexiert, um ein Zwischenhologramm (oder H1-Hologramm) zu bilden, wie in dem US-Patent 3 832 027 beschrieben ist. Ein solches Hologramm kann dann zur Bildung eines zweiten Hologramms umgewandelt oder übertragen werden, das nun unter Weißlicht sichtbar ist und als das H2-Hologramm bekannt ist. Um dies zu bewirken, wird das H1-Hologramm in einer zeitlich umgekehrten Geometrie durch Laserlicht beleuchtet, und das so hergestellte reale Bild wird als das Objekt für das H2-Hologramm verwendet. Bei der Beleuchtung dieses H2-Hologramms durch einen zeitlich umgekehrten Referenzstrahl wird ein unter Weißlicht sichtbares virtuelles Bild rekonstruiert. Eine wirksame und praktisch einsetzbare kommerzielle Maschine zum Umwandeln von H1-Hologrammen in H2-Hologramme ist bekannt (siehe M.V. Grichine, D.B. Ratcliffe, G.R. Skokov, "An Integrated Pulsed-Holography System for Mastering and Transferring onto AGFA or VR-P Emulsions", Proc. SPIE Band 3358, S. 203 – 210, Sixth International Symposium on Display Holography, Tung H. Jeong, Herausgeber).
Holographische Drucktechniken, die implizit die Erzeugung eines Zwischen- oder H1-Hologramms erfordern, das anschließend verwendet wird, um ein endgültiges unter Weißlicht sichtbares Hologramm zu erzeugen, werden gewöhnlich als holographische "Zweistufen-Druckprozesse" bezeichnet. Im wesentlichen alle Hauptmerkmale der bekannten holographischen "Zweistufen-Druckprozesse" sind in dem US-Patent 3 832 027 erklärt. Bei späteren Entwicklungen (beispielsweise Spierings W. u.a., "Development of an Office Holoprinter II", SPIE Band 1667, Practical Holography VI, 1992) wurde der in dem US-Patent 3 832 027 verwendete photographische Film durch einen LCD-Bildschirm ersetzt.
Ein alternatives Schema zum "Zweistufen-Druckprozess" ist in US-A-4 206 965 beschrieben, wobei die photographischen Bilder in Form vieler langer, dünner Schlitzhologramme, die Seite an Seite angeordnet sind, direkt auf das endgültige unter Weißlicht sichtbare Hologramm multiplexiert werden, wodurch es erforderlich ist, ein Zwischen-H1-Hologramm zu erzeugen. Holographische Druckschemata, bei denen das endgültige unter Weißlicht sichtbare Hologramm direkt gedruckt wird, ohne dass es erforderlich wäre, ein Zwischen-Hologramm (H1-Hologramm) zu erzeugen, werden im allgemeinen als "einstufige" Verfahren oder Direktschreibverfahren bezeich net. Später wurde ein in dem US-Patent 4 498 740 beschriebenes System zum Aufzeichnen zweidimensionaler zusammengesetzter Hologramme, die aus einem zweidimensionalen Gitter getrennter Hologramme zusammengesetzt sind, entwickelt, wobei jedes solche Hologramm einem einzigen Objektpunkt entspricht. Dieses letztgenannte System weist jedoch den Nachteil auf, dass sich das Bild sehr nahe an dem Aufzeichnungsmaterial befinden sollte. Zusätzlich war das System nicht in der Lage, Hologramme zu bilden, die die Richtungseigenschaften des von jedem Bildpunkt ausgehenden Lichts getreu rekonstruieren konnten.
In dem US-Patent 4 421 380 ist ein System zum Erzeugen von Einstufen-Vollfarb-Transmissionshologrammen aus 3 verschachtelten zusammengesetzten Streifen- oder Punkthologrammen des achromatischen Typs durch Aufnehmen einer in Lageübereinstimmung angeordneten Farbfiltermaske beschrieben. In dem US-Patent 4 778 262 ist ein Einstufenverfahren zum direkten Schreiben einer zweidimensionalen Matrix von Grundhologrammen anhand Computerdaten beschrieben. Es sei auch auf die US-Patente 4 969 700 und 5 793 503 verwiesen. In dem US-Patent 5 138 471 ist eine ähnliche Technik beschrieben, bei deren bevorzugten Ausführungsform ein eindimensionaler räumlicher Lichtmodulator verwendet wird, der mit einem Computer verbunden ist, um übliche Hologrammtypen als eine zweidimensionale Matrix von Grundhologrammen (in einer Stufe) direkt zu schreiben. In dem US-Patent 4 834 476 ist eine weitere ähnliche Einstufentechnik beschrieben, die auf berechneten oder sequentiellen Kameradaten beruht, deren Verwendung für das Direktschreiben von "Alcove-" (gekrümmten) zusammengesetzten Hologrammen entweder mit einer Reflexions- oder einer Transmissionsgeometrie beschrieben wurde, wobei diese Technik jedoch auf herkömmlichere flache Hologramme verallgemeinert werden könnte.
Der wahrscheinlich relevanteste Stand der Technik in bezug auf holographische Einstufen-Direktschreib-Drucker ist die Arbeit von Yamagushi u.a. ("Development of a prototype full-parallax holoprinter", Proc. Soc. Photo-Opt Instrum. Eng (SPIE), Band 2406, Practical Holography IX, S. 50 – 56, Februar 1995 und "High Quality recording of a full-parallax holographic stereogram with digital diffuser", Optical Letters, Band 19, Nr. 2, S. 135 – 137, 20. Januar 1994). Dies wird in weiteren Einzelheiten nachstehend erörtert, und die bekannte Anordnung wird anhand 16 beschrieben. Ein Dauerstrich-HeNe-Laser 1601 erzeugt einen Strahl, der einen akustooptischen Modulator 1602 durchläuft, bevor er durch Spiegel 1603, 1604 und 1605 auf den Strahlteiler 1609 übertragen wird. Die Funktion des Elements 1602 besteht darin, als ein einfacher Verschluss zu wirken. Am Element 1609 wird der Strahl in einen Referenzarm und einen Objektarm aufgeteilt. Der Objektstrahl durchläuft eine Halbwellenplatte 1608 und einen Polarisator 1607 zur Polarisationseinstellung. Er wird dann durch den Spiegel 1606 umgelenkt, bevor er die Teleskoplinsen 1612 und 1613 durchläuft. Der Strahl wird nun durch den Spiegel 1614 gelenkt, um ein verdrillt-nematisches LCD-Feld 1615 mit einer Auflösung von 340 × 220 Bildpunkten mit einem optional angebrachten pseudozufälligen Diffusor 1616 zu beleuchten, bevor er auf einen kleinen Fleck mit einer Größe von 0,3 mm × 0,3 mm auf einem lichtempfindlichen Film 1620 innerhalb einer definierenden Blende 1618 mit einem Feststellmechanismus 1619 zum Zusammenklemmen der Blende und des Films bei jeder Belichtung konvergiert wird.
Der durch das Element 1609 erzeugte Referenzstrahl durchläuft die Halbwellenplatte 1610 und den Polarisator 1611, bevor er über einen Spiegel 1621 an dem durch die Blende 1622 festgelegten Ort auf das lichtempfindliche Substrat 1620 gerichtet wird, wobei die Blende mit der Blende 1618 übereinstimmt, sich jedoch auf der Referenzstrahlseite des Films befindet.
Das vorstehend erwähnte System bewirkt demgemäß, dass ein Referenzstrahl und ein Objektstrahl gemeinsam einen lichtempfindlichen Film von entgegengesetzten Seiten des Films in einer als holographischer Bildpunkt oder Holopixel bekannten kleinen Zone beleuchten. Die Größe des so gebildeten holographischen Bildpunkts wird effektiv durch die Blenden 1618 und 1622 bestimmt. Der Objektstrahl wird durch die Linse 1617, deren Fourierebene auf dem lichtempfindlichen Material 1620 eingerichtet wird, auf den holographischen Bildpunkt fokussiert. Durch Bewegen des lichtempfindlichen Films 1620 in einer zweidimensionalen in Schritten erfolgenden Weise, wobei bei jedem Schritt das Bild in der LCD 1615 geändert wird, gewartet wird, dass die Systemschwankungen abklingen und dann ein folgender holographischer Bildpunkt belichtet wird, werden eine Mehrzahl solcher holographischer Bildpunkte auf dem lichtempfindlichen Film 1620 aufgezeichnet. Durch Berechnen aller erforderlichen LCD-Bilder wird auf diese Weise ein monochromatisches Weißlicht-Reflexionshologramm einer dreidimensionalen Vollparallaxenszene oder eines dreidimensionalen Vollparallaxenobjekts erzeugt.
Die vorstehende Anordnung weist viele Nachteile auf. In erster Linie begrenzt die Verwendung eines Dauerstrichlasers erheblich die Schreibzeit jedes holographischen Bildpunkts. Zusätzlich stören im allgemeinen Temperaturänderungen und Umgebungsschall den richtigen Betrieb eines solchen Druckers. Daher weist die Anordnung den Nachteil einer geringen Druckgeschwindigkeit auf, und es ist nicht praktisch möglich, eine solche Vorrichtung außerhalb einer streng gesteuerten Laborumgebung zu implementieren. Es sei beispielsweise bemerkt, dass dargelegt wurde, dass etwa 36 Stunden erforderlich sind, um auch nur ein kleines Hologramm von 320 × 224 holographischen Bildpunkten zu schreiben.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend erwähnten Systems besteht darin, dass es nur holographische Bildpunkte einer Größe erzeugen kann. Dies liegt daran, dass sowohl Kontaktblenden 1618, 1622 als auch der feststehende pseudozufällige Diffusor 1616, dessen Teilung gleich derjenigen der LCD ist, verwendet werden, um die Größe der holographischen Bildpunkte festzulegen. Diese beiden Teilsysteme beschränken erheblich die Größe der holographischen Bildpunkte. Ein solches System ist daher nicht in der Lage, die Größe der holographischen Bildpunkte kontinuierlich zu ändern, und es können daher unterschiedliche Hologrammformate, die erheblich verschiedene Bildpunktgrößen benötigen, nicht leicht erzeugt werden.
Die Verwendung von Kontaktblenden 1618, 1622 in dem System ist abgesehen davon, dass sie inflexibel sind, auch sehr problematisch, weil die Emulsionsoberfläche des lichtempfindlichen Materials sehr empfindlich ist.
Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass sie nur dafür ausgelegt ist, monochromatische Reflexionshologramme zu erzeugen. Daher werden Transmissionshologramme, wie Regenbögen und Achromate, ausgeschlossen. Das System ist auch nicht in der Lage, Master-H1-Hologramme zu erzeugen, und es ist ähnlich nicht in der Lage, eine Form von mehrfarbigen Hologrammen zu erzeugen.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend erwähnten Systems besteht darin, dass das eingesetzte Weitwinkelobjektiv 1617 nur dafür ausgelegt ist, die sphärische Aberration zu minimieren, dass es einfach in der Konstruktion ist und dass es nur die Herstellung eines begrenzten Satzes holographischer Formate ermöglicht.
Ein weiterer Nachteil des Systems besteht darin, dass der Winkel des Referenzstrahls festgelegt ist und nicht gesteuert werden kann, wie es beispielsweise erforderlich sein kann, um unterschiedlichen Hologrammwiedergabebedingungen Rechnung zu tragen. Dies ist bei großen Formaten besonders problematisch.
Wie leicht verständlich ist, treten bei dem vorstehend beschriebenen holographischen Drucker zahlreiche Probleme auf, die ihn für eine kommerzielle Verwendung unpraktisch machen.
In vielen Fällen ist das zweistufige Verfahren zum Erzeugen eines Zwischen-H1-Hologramms anhand Computerdaten und zum anschließenden Kopieren oder Übertragen in die Bildebene dieses Hologramms zur Bildung eines unter Weißlicht sichtbaren Hologramms (H2-Hologramms) den vorstehend erwähnten Verfahren zum direkten Schreiben des endgültigen Hologramms vorzuziehen. Dies liegt an einer Anzahl von Gründen. Erstens ist es häufig bevorzugt, Hologramme mit einer beschränkten Parallaxe zu erzeugen, die nur eine horizontale Parallaxe aufweisen. Mit der zweistufigen Technik, die ein Zwischen-H1-Hologramm erzeugt, kann ein solches H1-Hologramm im wesentlichen aus einem oder mehreren eindimensionalen Streifen überlappender holographischer Bildpunkte zusammengesetzt werden. Die klassische optische Übertragungstechnik besorgt dann den viel schwierigeren Schritt des Berechnens der Lichtverteilung über die gesamte zweidimensionale Oberfläche des endgültigen Hologramms (H2-Hologramms). Falls ein solches endgültiges Hologramm wie bei einem einstufigen Druckschema direkt geschrieben wird, muss diese Berechnung von einem Computer ausgeführt werden. Zusätzlich ist bei großen Hologrammen die zum Schreiben eines zweidimensionalen Felds holographischer Bildpunkte erforderliche Zeit gewöhnlich proportional zum Quadrat der zum Schreiben des H1-Masterhologramms erforderlichen Zeit und kann daher bei manchen Anwendungen übermäßig lang werden. Weiterhin besteht eine häufige Klage bei direkt geschriebenen zusammengesetzten Einstufenhologrammen darin, dass die Hologramme "pixelförmig" aussehen, während dieses Problem bei der zweistufigen Technik, bei der ein H1-Masterhologramm verwendet wird, weniger leicht auftritt.
Ungeachtet des vorstehend Erwähnten gibt es viele Situationen, in denen es vorteilhaft ist, das endgültige Hologramm durch ein einstufiges Direktschreibverfahren direkt zu schreiben. Beispielsweise lassen sich direkt geschriebene Hologramme leichter kachelförmig zusammenlegen, um sehr große Anzeigen zu bilden. Weiterhin sind bei vielen Anwendungen schnelle Vorschauen des endgültigen Hologramms erforderlich, und es ist im allgemeinen nicht zweckmäßig, ein H1-Hologramm zu erzeugen und dieses Hologramm dann in eine andere Maschine einzulegen, um das endgültige H2-Hologramm zu erzeugen. Zusätzlich ermöglicht die einstufige Technik des direkten Schreibens von Hologrammen die Erzeugung hybrider Hologramme mit hochgradig nicht standardmäßigen Betrachtungsfenstern, was wahrscheinlich von der Druckindustrie in Zusammenhang mit holographischen Werbetafelanzeigen gefordert wird. Weitere Vorteile des einstufigen Systems bestehen darin, dass Materialien, wie Photopolymere (siehe beispielsweise das europäische Patent EP 0 697 631 B1 ) verwendet werden können, die nur eine Trockenverarbeitung benötigen, während die empfindlicheren Silberhalogenidmaterialien, die wegen einfacher Energieüberlegungen für klassisch kopierte H2-Hologramme eingesetzt werden müssen, eine Nassverarbeitung benötigen.
Bekannte einstufige und zweistufige holographische Druckprozesse, bei denen Dauerstrichlaser und daher die herkömmliche holographische Drucktechnologie verwendet werden, waren grundsätzlich langsam und empfindlich für Vibrationsstörungen.
Zum Untersuchen der herausragenden Merkmale der bekannten zweistufigen holographischen Drucker ist in 15 der durch das US-Patent 3 832 027 beschriebene holographische Drucker wiedergegeben, und dieser wird nachstehend erörtert. Ein Dauerstrichlaser 41, der einen monochromatischen Strahl 71 emittiert, wird durch ein Prisma 62 auf einen Strahlteiler 43 gelenkt. Hier wird der Strahl in zwei Teile zerlegt. Ein Teil ist im allgemeinen als der Referenzstrahl bekannt, und der andere Teil ist als der Objektstrahl bekannt. Der Referenzstrahl läuft dann weiter zu einem räumlichen Filter und Kollimator (46 bis 48), wodurch ein kollimierter Strahl 72 erzeugt wird, der durch einen Spiegel 64 zu einem darüberliegenden geneigten Spiegel 65 gelenkt wird, der den Strahl schließlich von oben unter einem geeigneten Winkel auf ein lichtempfindliches Substrat 60 richtet. Eine dünne vertikale Blende 58 deckt das lichtempfindliche Substrat 60 ab, um alles außer einem dünnen vertikalen Streifen 59 in dem Substrat zu maskieren.
Der aus der Optik 43 austretende Objektstrahl wird durch das Prisma 63 zu einem Projektionssystem 51 reflektiert, das aus einer Beleuchtungslinse 52, einem System 53 zum Vorbewegen einer Folie eines photographischen Films mit einem Filmbild 33 und einer Projektionslinse 54 besteht. Der Zweck dieses Projektionssystems 51 besteht darin, ein vergrößertes und fokussiertes Bild des auf dem Filmrahmen 33 vorhandenen Bilds in kohärentem Licht auf den großen Diffusionsschirm 56 zu projizieren. Das Licht von diesem vergrößerten Bild wird dann in einer großen Vielzahl von Richtun gen durch den Diffusor diffundiert, wobei ein Teil des Lichts auf den Bereich des lichtempfindlichen Substrats 59 fällt, der nicht durch die Blende 58 abgedeckt ist.
Das System bewegt die Blende in Schritten um einen endlichen Betrag über die Oberfläche des lichtempfindlichen Materials in einer zur Schlitzrichtung orthogonalen Richtung (d.h. in dem Diagramm vertikal und in Wirklichkeit horizontal), wobei bei jedem dieser Schritte eine Laserbelichtung vorgenommen wird. Das Filmvorschubsystem wird jedesmal dann betätigt, wenn die Blende bewegt wird, so dass das Filmbild bei jeder Belichtung geändert wird. Indem dafür gesorgt wird, dass ein Satz geeigneter perspektivischer Ansichten einer bestimmten dreidimensionalen Szene oder eines bestimmten dreidimensionalen Objekts auf der Filmrolle gespeichert wird, kann auf diese Weise ein holographisches Stereogramm auf dem lichtempfindlichen Substrat 60 codiert werden.
Mit diesem System sind viele Nachteile verbunden. In erster Linie bedeutet die Verwendung eines Dauerstrichlasers, dass das ganze System auf einer Schwingungsisolationsplattform, die gewöhnlich pneumatisch aufgehängt werden muss, installiert werden muss. Zusätzlich stören im allgemeinen Luftströme, Temperaturänderungen und Umgebungsschall den richtigen Betrieb eines solchen Druckers. Daher weist das System den Nachteil einer geringen Druckgeschwindigkeit auf, und es ist praktisch nicht durchführbar, eine solche Vorrichtung außerhalb einer streng gesteuerten Laborumgebung zu verwenden.
Ein weiterer Nachteil dieses holographischen Druckers besteht darin, dass ein Diffusionsschirm verwendet wird, auf den zweidimensionale perspektivische Ansichtsbilder projiziert werden. Wenn das durch dieses Verfahren erzeugte H1- Hologramm übertragen wird, um ein H2-Hologramm zu bilden, das unter Weißlicht sichtbar ist (siehe beispielsweise 6 aus dem US-Patent 3 832 027), muss die Größe dieses endgültigen unter Weißlicht sichtbaren Hologramms (H2-Hologramms) kleiner oder gleich der Größe des Diffusionsschirms 56 sein. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, ein 1 m × 1 m messendes unter Weißlicht sichtbares Hologramm zu erzeugen, muss ein Diffusionsschirm mit einer Größe von mindestens 1 m × 1 m verwendet werden. Weil der in 15 dargestellte Abstand D sowohl dem endgültigen optimalen Betrachtungsabstand des unter Weißlicht sichtbaren Hologramms als auch dem in 6 von dem US-Patent 3 832 027 dargestellten Abstand D entsprechen muss, muss dieser Abstand D gewöhnlich erheblich größer sein als das Hologramm. Es ist demgemäß ersichtlich, dass die Intensität des schließlich durch den Schlitz 59 der Blende 58 auf das lichtempfindliche Material 60 aus 15 fallenden Objektlichts viele Größenordnungen kleiner ist als das gesamte den Diffusionsschirm beleuchtende Licht. Wenn es erwünscht ist, ein unter Weißlicht sichtbares Hologramm (H2) mit einer Größe von 1 m × 1 m durch den in 6 von dem US-Patent 3 832 027 beschriebenen Prozess zu erzeugen, kann ein in 15 dargestellter D-Wert von etwa 1 m verwendet werden. Wenn die durchschnittliche Empfindlichkeit eines holographischen Standard-Silberhalogenidfilms als 50 μJ/cm² angenommen wird und verschiedene realistische Systemnäherungen vorgenommen werden, kann gezeigt werden, dass eine minimale Laserenergie von 1 Joule erforderlich ist. Um solche Hologramme zu schreiben, wären daher entweder große Dauerstrichlaser erforderlich, oder es müssten sehr lange Belichtungen verwendet werden. Ein leistungsstarker Laser ist jedoch infolge der Probleme mit der thermischen Erwärmung der verschiedenen optischen Komponenten, insbesondere des Films 33, unerwünscht, die während jeder einzelnen Belichtung interferometrisch statisch bleiben müssen. Lange Belichtungszeiten sind wegen der auf Schwingungen zurückzuführenden Probleme unerwünscht.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend erwähnten Systems besteht darin, dass ein Diffusionsschirm, abgesehen davon, dass er energetisch unwirksam ist, unvermeidlich die Bildqualität beeinträchtigt.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend erwähnten Systems besteht darin, dass eine Punktquelle zum Beleuchten der Filmfolie verwendet wird und die endgültige Bildtreue dadurch erheblich begrenzt wird.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend erwähnten Systems besteht darin, dass sich eine große bewegliche Blende nahezu in Kontakt mit der lichtempfindlichen Emulsionsoberfläche bewegen muss. Dies ist gewöhnlich sehr problematisch, weil die Emulsion des lichtempfindlichen Materials 60 gewöhnlich sehr zerbrechlich ist und weiterhin die Qualität des erzeugten Hologramms schnell abnimmt, falls die Blende 58 in einem mehr als sehr kleinen Abstand von der Emulsionsoberfläche gehalten wird.
Ein weiterer Nachteil der vorstehenden Anordnung besteht darin, dass die bewegliche Blende unvermeidlich Bereiche des Hologramms zurücklässt, die entweder doppelt belichtet sind oder unbelichtet sind, wodurch die Qualität verringert wird. Dies gilt insbesondere, wenn die Schlitzgröße 59 erheblich kleiner als die Hologrammgröße ist.
Ein weiterer Nachteil der vorstehenden Anordnung besteht darin, dass sie nur in der Lage ist, H1-Hologramme zu erzeugen und nicht direkt unter Weißlicht sichtbare Einstufenhologramme schreiben kann, bei denen das dreidimensionale Objekt die Hologrammebene schneidet.
Ein weiterer Nachteil der vorstehenden Anordnung besteht darin, dass sie nur in der Lage ist, Einzelparallaxenhologramme ausreichend gut zu schreiben, weil eine Verallgemeinerung der Technik auf Vollparallaxenhologramme die Technik angesichts der vorstehend zitierten Probleme hoffnungslos umständlich machen würde. Es muss von einer kommerziellen holographischen Druckvorrichtung erwartet werden, dass sie relativ kompakt ist, in einer normalen kommerziellen Umgebung arbeitet, in der leicht Schwingungen auftreten, dass sie eine Vielzahl von Hologrammformaten erzeugt und dass sie vernünftige Druckzeiten aufweist.
Es ist dementsprechend erwünscht, einen verbesserten holographischen Drucker bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein holographischer Drucker nach Anspruch 1 vorgesehen.
Die automatischen räumliche Kohärenz variierenden Mittel bzw. die automatischen Mittel zum Ändern der räumlichen Kohärenz steuern vorzugsweise in kontinuierlich veränderlicher Weise den Durchmesser des Objektlaserstrahls in der Fourierebene.
Der Schritt der Verwendung eines gepulsten Lasers als Laserquelle eines holographischen Druckers ist besonders vorteilhaft, weil dadurch ermöglicht wird, dass der Drucker unempfindlich gegenüber externen oder internen Schwingungen oder leichten Temperaturschwankungen arbeitet. Zusätzlich wird die Druckgeschwindigkeit erheblich erhöht, weil es nicht erforderlich ist, dass Schwingungen abklingen, bevor eine Belichtung vorgenommen wird. Demgemäß ist die Schreibgeschwindigkeit im wesentlichen durch die Auffrischungsrate des verwendeten SLMs bestimmt. Demgemäß kann die bevorzugte Ausführungsform einige Größenordnungen schneller arbeiten als herkömmliche Drucker, bei denen ein Dauerstrichlaser verwendet wird, wobei die Betriebszuverlässigkeit erheblich höher ist.
Die Positionierung des lichtempfindlichen Materials bei der Verwendung an einer hinter der Fourierebene und vor der Bildebene des Linsensystems liegenden Position sollte dem vorstehend erwähnten bekannten System gegenübergestellt werden, bei dem ein Linsensystem verwendet wird, um ein Bild auf einen Diffusionsschirm zu projizieren, der dann Licht auf das lichtempfindliche Material streut. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das lichtempfindliche Material bei der Verwendung näher zur Fourierebene als zur Bildebene angeordnet. Hierdurch wird eine Energieeinsparung von mindestens einigen Größenordnungen bereitgestellt, wodurch ermöglicht wird, eine viel kleinere Laserquelle zu verwenden als bei herkömmlichen holographischen Druckern. Zweitens ermöglicht die bevorzugte Ausführungsform im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen ein größeres Hologramm einen proportional größeren Drucker erfordert, die Konstruktion einer kompakten Maschine. Drittens wird durch direktes Belichten des lichtempfindlichen Materials eine bessere Bildqualität erhalten. Viertens werden durch direktes Belichten des lichtempfindlichen Materials die störenden Blenden aus dem Stand der Technik überflüssig gemacht.
Dadurch, dass der holographische Drucker weiter ein automatisches Mittel zum Ändern der räumlichen Kohärenz des Laserstrahls aufweist, wird das Steuern des Durchmessers des Objektlaserstrahls in der Fourierebene ermöglicht. Im allgemeinen ist das endgültige Bild umso getreuer, je größer der Durchmesser des Objektlaserstrahls in der Fourierebene ist. Falls der Strahldurchmesser in der Fourierebene jedoch zu groß wird, geht Bildtiefe in dem Hologramm verloren. Weil der optimale Durchmesser des Objektstrahls in der Fourierebene eine Funktion des geschriebenen Hologrammtyps, des Formats des Hologramms, des darin enthaltenen Bilds und verschiedener anderer Druckerparameter ist, ist es sehr wünschenswert, diesen Durchmesser kontinuierlich ändern zu können.
Vorzugsweise weisen die automatischen Mittel zum Ändern der räumlichen Kohärenz ein einstellbares Teleskop und eine Mikrolinsenanordnung auf, wobei das einstellbare Teleskop dafür eingerichtet ist, einen nahezu kollimierten Laserstrahl mit veränderlichem Durchmesser zu erzeugen, der die Mikrolinsenanordnung beleuchtet. Das Teleskop ist dafür eingerichtet, einen veränderlich steuerbaren Bereich der Mikrolinsenanordnung zu beleuchten, und der Abstand der Einzellinsen in dem Linsenfeld kann so gewählt werden, dass die einzelnen Linsen Strahlung aussenden, bei der im wesentlichen keine Überlappung auftritt, wodurch eine Fleckigkeit erzeugt werden könnte. Es ist demgemäß möglich, den Durchmesser des Objektstrahls in der Fourierebene wirksam und einfach zu steuern und auch ein sehr getreues Bild des durch die Gesamtheit der Einzellinsen-Strahlungsquellen wirksam beleuchteten LCD-Schirms im wesentlichen frei von Fleckigkeit zu erzeugen.
Der räumliche Lichtmodulator, der hinter den automatischen Mitteln zum Ändern der räumlichen Kohärenz und vor dem Linsensystem angeordnet ist, ist vorzugsweise verschiebbar. Gegenwärtig verfügbare räumliche Lichtmodulatoren haben eine begrenzte Auflösung. Um eine höhere Auflösung des endgültigen Hologramms zu erreichen, als dies ansonsten mit einem statischen SLM möglich ist, kann der räumliche Lichtmodulator innerhalb der Eingangsdatenebene des Objektivs bewegt werden. Ein solches System erhöht die effektive ho lographische Auflösung des holographischen Druckers.
In dem Fall, in dem Hologramme für die Anzeige mit einem kollimierten Weißlichtstrahl zu beleuchten sind, bietet das Verschieben der LCD einen zweckmäßigen und wirksamen Weg zum Erzeugen von Hologrammen mit rechteckigen Betrachtungszonen. Ein rechteckiges Betrachtungsfenster ist erwünscht, weil ein das Hologramm ansehender Betrachter entweder das gesamte Bild oder gar kein Bild sieht. Dies sollte dem Fall eines rollenden Betrachtungsfensters gegenübergestellt werden, in dem ein Betrachter während eines großen Teils der Zeit nur einen Teil des holographischen Bilds sieht. Durch Verschieben der LCD kann ein Hologramm mit einer bestimmten rechteckigen Betrachtungszone mit einer LCD geringerer Auflösung erzeugt werden, als andernfalls erforderlich wäre, falls die LCD statisch bleiben würde.
Vorzugsweise weist der holographische Drucker weiter Mittel zum Modifizieren zum räumlichen Lichtmodulator gesendeter Bilder auf, um inhärente optische Verzerrungen des Druckers zumindest teilweise zu korrigieren. Eine Korrektur der digitalen Computerbilder vor ihrer Anzeige auf dem räumlichen Lichtmodulator durch Software ist ein sehr wünschenswertes bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung. Dies liegt daran, dass zum Auslegen geeigneter Weitwinkelobjektive für einen holographischen Drucker eine bessere Funktionsweise beim Beseitigen durch die ersten vier Seidelkoeffizienten charakterisierter Aberrationen verwirklicht werden kann, falls eine gewisse optische Verzerrung (5ter Koeffizient) akzeptiert wird. Demgemäß können in dem Fall, in dem das Weitwinkelobjektiv eine gewisse Tonnen- oder Kissenverzerrung aufweist, ein besseres Auflösungsvermögen des Objektivs und ein besseres Gesichtsfeld des Objektivs erreicht werden. Weil für viele Hologrammtypen verschiedene Farbkanäle geschrieben werden müssen, die in der Lage genau über einstimmen müssen, ist die Verwendung einer Bildkorrektur durch Software besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise hat das Linsensystem ein effektives Gesichtsfeld von mehr als 70 Grad, vorzugsweise von mehr als 75 Grad, noch bevorzugter von mehr als 80 Grad und noch bevorzugter von wenigstens 85 Grad. Das Gesichtsfeld des Linsensystems bestimmt das maximale Gesichtsfeld, das für ein anhand der H1-Master gemäß der bevorzugten Ausführungsform hergestelltes endgültiges in der Bildebene liegendes Weißlichthologramm möglich ist. Es bestimmt auch das Format von Hologrammen, die ein holographischer Drucker erzeugen kann. Demgemäß würde ein Linsensystem mit einem Gesichtsfeld von weniger als 70 Grad die Anwendung der Vorrichtung erheblich beschränken.
Vorzugsweise befindet sich die Fourierebene des Linsensystems hinter dem Linsensystem, bevorzugter wenigstens 1 mm, 1,5 mm, 2 mm oder 2,5 mm hinter dem Linsensystem. Es ist schwierig, ein Weitwinkelobjektiv zu entwickeln, dessen minimale Taille (Fourierebene) außerhalb des Objektivs und hinter diesem liegt. Es ist sogar noch schwieriger, ausreichend Platz zwischen der letzten Linse des Objektivs und dieser Ebene zuzulassen, so dass ein Referenzstrahl unter dem Brewster-Winkel (von der Objektivseite) eingebracht werden kann, um zusätzlich einen lichtempfindlichen Film in der Nähe der Fourierebene oder an dieser zu beleuchten (siehe beispielsweise 12). Falls der Abstand zwischen der Fourierebene und dem Objektiv viel kleiner als etwa 2 mm ist, wird es praktisch unmöglich, gegenwärtig verfügbare räumliche Lichtmodulatoren zu verwenden.
Vorzugsweise wird die Laserquelle so eingerichtet, dass sie Laserstrahlen bei zweiten und dritten Wellenlängen erzeugt, wobei die erste, die zweite und die dritte Wellenlänge von einander jeweils um wenigstens 30 nm abweichen. Indem die Laserquelle mehrfarbig eingerichtet wird, können mehrfarbige Masterhologramme erzeugt werden, die zum Herstellen von mehrfarbigen Hologrammen in der Bildebene verwendet werden können.
Vorzugsweise weist der holographische Drucker weiter eine zweite und eine dritte Laserquelle zum Erzeugen von Laserstrahlen bei zweiten und dritten Wellenlängen auf, wobei die erste, die zweite und die dritte Wellenlänge voneinander jeweils um mindestens 30 nm abweichen. Eine alternative Anordnung zu einem mehrfarbigen Laser ist durch mehrere Laser gegeben, die jeweils eine Emission einer anderen Farbe erzeugen.
Vorzugsweise weist der holographische Drucker weiter ein erstes Linsensystem zur Verwendung bei der ersten Wellenlänge, ein zweites Linsensystem zur Verwendung bei der zweiten Wellenlänge und ein drittes Linsensystem zur Verwendung bei der dritten Wellenlänge auf, wobei das erste, das zweite und das dritte Linsensystem so eingerichtet sind, dass ein gewünschtes Linsensystem automatisch ausgewählt werden kann. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist der Entwurf des Objektivs entscheidend, und es kann gewöhnlich ein viel besseres Objektiv entworfen werden, falls es nur bei einer Wellenlänge funktionieren soll. Wenn daher ein Mehrfarbbetrieb verwendet wird, werden vorzugsweise verschiedene Linsensysteme verwendet, die für eine bestimmte Wellenlänge optimiert sind.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Ändern der räumlichen Kohärenz eine Anzahl diskreter diffraktiver Elemente, wobei die Anzahl der durch den Laserstrahl beleuchteten diskreten diffraktiven Elemente geändert und/oder gesteuert werden kann.
Vorzugsweise weist der holographische Drucker weiter eine Anzahl von Einzellinsen und Mittel zum Ändern der Anzahl der vom Laserstrahl beleuchteten Einzellinsen auf.
Vorzugsweise weist der holographische Drucker weiter Mittel zum Ändern der räumlichen Kohärenz des Strahls, noch bevorzugter in automatischer Weise, ohne dass erhebliches Fleckigkeitsrauschen erzeugt wird, auf.
Vorzugsweise weist der holographische Drucker weiter Mittel zum Ändern der räumlichen Kohärenz des Laserstrahls in einer kontinuierlich veränderlichen nicht diskreten Weise auf.
Vorzugsweise weisen die Mittel zum Ändern der räumlichen Kohärenz eine Anzahl von Komponenten auf, wobei die Beziehung zwischen den Komponenten geändert werden kann, um die räumliche Kohärenz des Laserstrahls zu ändern. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Beziehung, die geändert werden kann, der relative Abstand zwischen zwei Linsen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum direkten Schreiben von unter Weißlicht sichtbaren Einstufenhologrammen nach Anspruch 11 vorgesehen.
Die bevorzugte Ausführungsform löst das Problem der Empfindlichkeit gegenüber in der Umgebung und von der Maschine hervorgerufenen Schwingungen in einer kommerziellen holographischen Druckmaschine durch die Verwendung eines gepulsten Lasers mit geeigneten zeitlichen und räumlichen Strahlcharakteristiken, so dass die Schreibzeit des Hologramms nur durch die Auffrischungsrate des verwendeten räumlichen Lichtmodulators begrenzt ist.
Die bevorzugte Ausführungsform verwendet die Kombination eines räumlichen Lichtmodulators und eines in der Aberration minimierten Weitwinkelobjektivs mit einer minimalen Strahlen- bzw. Strahltaille außerhalb des Objektivs und verwendet ein Verfahren zum Steuern der räumlichen Kohärenz des durch die optischen Elemente laufenden Laserstrahls, ohne dass erhebliches Fleckigkeitsrauschen herbeigeführt wird, um ein H1-Masterhologramm ohne die Verwendung eines Diffusionsschirms aufzuzeichnen, auf den ein Bild herkömmlicherweise projiziert wird.
Die bevorzugte Ausführungsform verwendet die Kombination eines räumlichen Lichtmodulators und eines in der Aberration minimierten Weitwinkelobjektivs mit einer minimalen Strahltaille außerhalb des Objektivs und verwendet ein Verfahren zum Steuern der räumlichen Kohärenz des durch die optischen Elemente laufenden Laserstrahls, ohne dass erhebliches Fleckigkeitsrauschen herbeigeführt wird, um ein allgemeines zusammengesetztes Hologramm aufzuzeichnen, das unter Weißlicht sichtbar sein kann oder nicht, wobei die Bildpunktgröße der einzelnen Komponentenhologramme vorzugsweise kontinuierlich durch diese räumliche Kohärenz gesteuert wird und wobei die Lichtintensitätsverteilung dieser Bildpunkte vorteilhaft ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann der räumliche Lichtmodulator, der die individuellen Bilder für jeden holographischen Bildpunkt anzeigt, ein- oder zweidimensional innerhalb der Eingangsdatenebene des erwähnten Objektivs zwischen individuellen Belichtungen bewegt werden, so dass Bilder höherer Auflösung für H1-Masterhologramme erhalten werden können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der räumliche Lichtmodulator innerhalb der Objektpupille feststehend bleiben und kann jede erforderliche Verschiebung (entweder von Seite zu Seite oder von oben nach unten) des angezeigten Bilds zwischen einzelnen Belichtungen durch Software erreicht werden.
Vorzugsweise kann eine Kombination eines Bildversatzes durch Software und einer mechanischen Bewegung des räumlichen Lichtmodulators verwendet werden, um eine effektive Bildverschiebung in der Eingangsdatenebene des Objektivs zu erreichen.
Vorzugsweise kann das Element, das die räumliche Kohärenz steuert, im Fall der Erzeugung eines H1-Hologramms in einer zufälligen oder in einer geordneten Weise bewegt werden, um jedes Muster oder räumliches Rauschen, das insbesondere durch ein solches Element erzeugt wird, herauszumitteln und zu verringern, jedoch auch um jedes andere solche in dem System auftretende optische Rauschen zu verringern und dadurch die Qualität des holographischen Bilds zu verbessern.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal kann im Fall der Erzeugung eines H1-Hologramms die Packungsdichte und die Größe der holographischen Bildpunkte derart gewählt, optimiert oder gesteuert werden, dass jedes unerwünschte optische Muster oder räumliche Rauschen herausgemittelt oder verringert wird, um dadurch die Qualität des holographischen Bilds zu verbessern.
Es ist im Fall der Erzeugung eines H1-Hologramms bevorzugt, die Laserausgangsenergie und das Teilungsverhältnis zwischen der Referenzenergie und der Objektenergie entsprechend der Packungsdichte und der Größe der holographischen Bildpunkte zu optimieren und dadurch die Qualität und die Helligkeit des holographischen Bilds zu verbessern.
Es ist im Fall der Erzeugung eines H1-Hologramms bevorzugt, zu bewirken, dass die Referenzstrahlverteilung den Objektstrahl automatisch in der Form und der Position an der holographischen Filmebene durch ein geeignetes Mittel in der Art einer computergesteuerten, motorisierten, in der Bildebene angeordneten, veränderlich vergrößerten Blende verfolgt.
Wenn ein farbiger gepulster Laser verwendet wird, um mehrfarbige H1-Hologramme zu erzeugen, werden vorzugsweise drei getrennte optische Systeme mit einem steuerbaren Schreibort wenigstens eines der optischen Weitwinkelobjektive implementiert, wodurch das parallele Schreiben holographischer Bildpunkte verschiedener Farben auf eine panchromatische Emulsion ermöglicht wird, so dass entweder dafür gesorgt werden kann, dass die holographischen Bildpunkte verschiedener Farben auf einer Linie liegen oder dass die holographischen Bildpunkte verschiedener Farben ein spezifisches und steuerbares Muster bilden.
Wenn ein gepulster Farblaser verwendet wird, um mehrfarbige H1-Hologramme zu erzeugen, wird vorzugsweise ein optisches System mit mehreren Wellenlängen verwendet, und verschiedene wellenlängenkritische Elemente in diesem optischen System werden zwischen Belichtungen mit verschiedenen Farben automatisch ersetzt und ausgewählt.
Daten zum Schreiben des Hologramms werden vorzugsweise entweder durch ein dreidimensionales Computermodell erzeugt oder aus einer Anzahl sequentieller Kameraaufnahmen entnommen. Die Hologramme werden mit einem Schreibkopf durch Laserlicht auf einem geeigneten Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet, wobei ein an einen Computer angeschlossener räum licher Lichtmodulator verwendet wird. Das Aufzeichnungsmaterial oder der Schreibkopf wird ein- oder zweidimensional bewegt, um ein Feld oder eine Matrix zu schreiben, die eine Anzahl von Bildpunkten aufweist.
Vorzugsweise ist ein holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Laser zum Schreiben digitaler Masterhologramme (H1) aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein holographischer Drucker vorgesehen, der dafür ausgelegt ist, digitale H1-Masterhologramme zu drucken, und einen gepulsten Laser, einen SLM, ein Ultra-Weitwinkelobjektiv und ein Mittel zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls aufweist.
Vorzugsweise ist der SLM statisch und füllt wirksam die Eingangsdatenebene des Ultra-Weitwinkelobjektivs.
Vorzugsweise wird der SLM von einer Belichtung eines holographischen Bildpunkts zu einer anderen ein- oder zweidimensional in der Eingangsdatenebene des Weitwinkelobjektivs bewegt.
Vorzugsweise hat das Weitwinkelobjektiv eines oder mehrere der folgenden Eigenschaften: (a) Es ist dafür ausgelegt, bei einer spezifischen Wellenlänge zu arbeiten, (b) seine Strahltaille liegt erheblich außerhalb des Objektivs, (c) es hat eine geringe optische Aberration und eine hohe Auflösung, (d) es hat ein effektives Gesichtsfeld von mehr als 70 Grad und (e) es hat eine erhebliche optische Verzerrung (d.h. eine durch den 5. Seidelkoeffizienten beschriebene Aberration), wofür eine Bildkorrektur durch Software (SLM) erforderlich ist.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls ein einstellbares Teleskop verwendet (wodurch ein in etwa kollimierter Laserstrahl mit veränderlichem Durchmesser erzeugt wird), das eine Mikrolinsenanordnung beleuchtet.
Vorzugsweise ist der gepulste Laser ein monochromatischer gepulster Laser mit einer Impulsdauer zwischen 1 Femtosekunde und 100 Mikrosekunden und einer zeitlichen Kohärenz von mehr als 1 mm.
Vorzugsweise ist der gepulste Laser ein Neodym-Laser, der weiterhin bevorzugt entweder durch Blitzlampen oder Dioden gepumpt wird.
Vorzugsweise ist der gepulste Laser ein mehrfarbiger Laser mit einer Impulsdauer jeder Farbkomponente zwischen 1 Femtosekunde und 100 Mikrosekunden, wobei die zeitliche Kohärenz jeder Farbkomponente größer als 1 mm ist.
Vorzugsweise ist die Größe der holographischen Bildpunkte jedes erzeugten Hologramms optimiert und wird so gesteuert, dass die beste Bildtreue erreicht wird.
Vorzugsweise werden wenigstens einige der elektromechanischen Verschiebe- und Drehtische, die darin verwendet werden, durch eine spezielle Steuereinrichtung gesteuert, die das Programmieren einer konstanten Geschwindigkeit und nichtlinearer Bewegungsbahnen der elektromechanischen Tische ermöglicht, wodurch die glatte und geeignet präzise Bewegung wenigstens einiger dieser Tische bei hohen Belichtungsraten ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist der SLM eine hochauflösende LCD.
Vorzugsweise werden Software-Bildverzerrungsalgorithmen für jeden geschriebenen holographischen Bildpunkt verwendet, um die inhärente optische Verzerrung in dem optischen System des Druckers zu korrigieren und um ein nicht verzerrtes Hologramm-Wiedergabebild unter einer bestimmten endgültigen Beleuchtungs-Lichtgeometrie zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird das Verfahren zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls so eingerichtet, dass es in dem endgültigen Hologramm kein erhebliches Fleckigkeitsrauschen induziert.
Vorzugsweise werden Software-Bildverzerrungsalgorithmen auf jedes zum SLM gesendete Bild angewendet, wobei die genaue Form dieser Verzerrungen mit Bezug auf die Position des SLMs in der Objektiv-Eingangsdatenebene und die geschriebenen holographischen Bildpunkte berechnet wird, um die inhärente optische Verzerrung in dem optischen System des Druckers zu korrigieren und ein nicht verzerrtes Hologramm-Wiedergabebild unter einer bestimmten endgültigen Beleuchtungs-Lichtgeometrie zu gewährleisten.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Laser, einen oder mehrere SLMs, ein oder mehrere Weitwinkelobjektive und ein Verfahren zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz jedes Objektstrahls aufweist.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Reflexions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen mehrfarbigen gepulsten Laser, 3 oder mehr SLMs, 3 oder mehr Weitwinkelobjektive, ein Mittel zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz jedes Objektstrahls und ein Mittel zum veränderlichen Ein stellen des Abstands zwischen holographischen Bildpunkten unterschiedlicher Farben aufweist.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Reflexions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen mehrfarbigen gepulsten Laser, 3 oder mehr SLMs, 3 oder mehr Weitwinkelobjektive und ein Mittel zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz jedes Objektstrahls aufweist, wobei der Abstand zwischen holographischen Bildpunkten unterschiedlicher Farben festliegt und null sein kann oder nicht.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Reflexions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen mehrfarbigen gepulsten Laser, einen SLM, 3 oder mehr Weitwinkelobjektive, die automatisch oder manuell in eine kritische Position in einer wesentlichen optischen Schaltung eingefügt oder daraus zurückgezogen werden können, und ein Mittel zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls aufweist, wobei dieser holographische Drucker sequentiell in einer Farbe druckt und anschließend einen anderen Durchgang für die nächste Farbe ausführt.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Reflexions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Farblaser aufweist, wobei ein Farbkanal zuerst geschrieben wird, woraufhin der Drucker einen anderen Durchgang ausführt, wobei er die nächste Farbe schreibt, usw., wobei diese Durchgänge entweder eine ganze Druckzeile, ein Teil einer Druckzeile, ein zu druckender Bereich oder der gesamte zu druckende Bereich ist.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Reflexions- H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Farblaser aufweist, wobei ein oder mehrere Farbkanäle gleichzeitig geschrieben werden.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Reflexions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Farblaser aufweist, wobei ein oder mehrere optische Elemente durch holographische optische Elemente ersetzt sind.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Reflexions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Laser aufweist, wobei ein oder mehrere optische Elemente durch holographische optische Elemente ersetzt sind.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Transmissions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Farblaser mit 3 oder mehr Farben aufweist, wobei 3 oder mehr Masterhologramme, eines für jede Farbe, auf einem anderen holographischen Film oder einer anderen holographischen Platte aufgezeichnet werden.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Transmissions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Farblaser mit 3 oder mehr Farben, 3 oder mehr SLMs, 3 oder mehr Weitwinkelobjektiven und ein Verfahren zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz jedes Objektstrahls aufweist, wobei 3 oder mehr Masterhologramme, eines für jede Farbe, auf einem anderen holographischen Film oder einer anderen holographischen Platte aufgezeichnet werden.
Vorzugsweise ist ein für das Drucken digitaler Transmissions-H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Farblaser mit 3 oder mehr Farben, einen SLM, 3 oder mehr Weitwinkelobjektive, die automatisch oder manuell in eine kritische Position in einer wesentlichen optischen Schaltung eingefügt oder daraus zurückgezogen werden können, und ein Verfahren zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls aufweist, wobei 3 oder mehr Masterhologramme, eines für jede Farbe, auf einem anderen holographischen Film oder einer anderen holographischen Platte aufgezeichnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden Software-Bildverzerrungsalgorithmen auf jedes zum SLM gesendete Bild angewendet, um die inhärente optische Verzerrung in dem Weitwinkelobjektiv des Druckers zu korrigieren.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal wird eine Blende in der Bildebene verwendet, um die Größe und die Form des Referenzstrahls zu steuern. Vorzugsweise wird die Blende ein- oder zweidimensional bewegt, um den Ort des Referenzstrahls in der holographischen Filmebene genau zu modifizieren. Vorzugsweise wird bewirkt, dass der Referenzstrahl dem Objektstrahl in der holographischen Filmebene automatisch folgt. Vorzugsweise wird der Abstand des Objektivs von der holographischen Filmebene gesteuert, um die Größe der holographischen Bildpunkte zu ändern.
Vorzugsweise wird die räumliche Kohärenz des Objektstrahls gesteuert, um den Durchmesser des Objektstrahls am Ort der minimalen Strahltaille nach dem Durchlaufen des Weitwinkelobjektivs zu ändern und zu optimieren.
Vorzugsweise wird die Bildtreue des Hologramms durch Wählen der räumlichen Dichte der geschriebenen holographischen Bildpunkte weiter optimiert. Weiterhin wird vorzugsweise die Dichte von Bereich zu Bereich in dem Hologramm geändert.
Vorzugsweise wird das Element, das die räumliche Kohärenz des Objektstrahls steuert, in einer zufälligen oder speziellen Weise zwischen holographischen Belichtungen bewegt, um jedes Rauschen zu vermindern, das andernfalls die Qualität des geschriebenen Hologramms beeinträchtigen würde.
Vorzugsweise wird der SLM auf einem Präzisionstisch zum Weitwinkelobjektiv hin und von diesem fort bewegt, um den optimalen H1 – H2-Übertragungsabstand zu steuern, wenn das Masterhologramm schließlich zu einem H2-Hologramm übertragen wird.
Vorzugsweise wird im Fall einer statischen SLM die erforderliche Bildverschiebung innerhalb der Eingangsdatenebene des Objektivs durch Software ausgeführt.
Vorzugsweise wird ein H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einfarbkanal-Regenbogenhologramm zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus einer einzigen Zeile stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht.
Vorzugsweise wird ein H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Mehrfarbkanal-Regenbogenhologramm zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus mehreren vertikal versetzten Zeilen stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht.
Vorzugsweise wird ein H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einfarb kanal-Reflexionshologramm entweder einer vollständigen oder einer horizontalen Parallaxe zu erzeugen, wobei das Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht.
Vorzugsweise wird ein H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einfarbkanal-Reflexionshologramm entweder einer vollständigen oder einer horizontalen Parallaxe zu erzeugen, wobei das Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht, deren Dichte eine allgemeine Funktion der kartesischen Bildpunktkoordinaten auf dem holographischen Substrat ist.
Vorzugsweise wird ein H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einzelparallaxen-Einfarbkanal-Reflexionshologramm zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht, deren Dichte in vertikaler und in horizontaler Richtung nicht gleich ist.
Vorzugsweise wird ein Reflexions-H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Mehrfarb-Reflexionshologramm entweder einer vollständigen oder einer horizontalen Parallaxe zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht.
Vorzugsweise wird ein Reflexions-H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einzelparallaxen-Mehrfarbkanal-Reflexionshologramm zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht, deren Dichte in vertikaler und in horizon taler Richtung nicht gleich ist.
Vorzugsweise wird ein Reflexions-H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einzel- oder Vollparallaxen-Mehrfarbkanal-Reflexionshologramm zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix stark überlappender holographischer Bildpunkte besteht, deren Dichte eine allgemeine Funktion der kartesischen Bildpunktkoordinaten auf dem holographischen Substrat ist.
Vorzugsweise wird ein Reflexions-H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einzel- oder Vollparallaxen-Mehrfarbkanal-Reflexionshologramm zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix schwach überlappender holographischer Bildpunkte besteht, deren Dichte eine allgemeine Funktion der kartesischen Bildpunktkoordinaten auf dem holographischen Substrat ist.
Vorzugsweise wird ein Reflexions-H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um ein Einzel- oder Vollparallaxen-Mehrfarbkanal-Reflexionshologramm zu erzeugen, wobei das H1-Masterhologramm aus einer zweidimensionalen Matrix schwach überlappender oder angrenzender holographischer Bildpunkte besteht, die durch die Farbe verschachtelt sind und deren Dichte eine allgemeine Funktion der kartesischen Bildpunktkoordinaten auf dem holographischen Substrat ist.
Vorzugsweise wird ein H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um entweder ein Mehrfarbkanal-Regenbogenhologramm oder ein achromatisches Transmissionshologramm zu erzeugen, wobei jeder holographische Bildpunkt durch einen Objektstrahl geschrieben wird, dessen Ausbreitungsvektor zum Normalenvektor des holographischen Films parallel ist.
Vorzugsweise wird ein H1-Masterhologramm geschrieben, das in die Bildebene übertragen werden soll, um entweder ein Mehrfarbkanal-Regenbogenhologramm oder ein achromatisches Transmissionshologramm zu erzeugen, wobei jeder holographische Bildpunkt durch einen Objektstrahl geschrieben wird, dessen Ausbreitungsvektor einen Winkel zum Normalenvektor des holographischen Films bildet. Noch bevorzugter ist der Winkel der achromatische Winkel.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein für das Drucken digitaler H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Laser, mehrere SLMs, mehrere Weitwinkelobjektive, ein Verfahren zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz jedes Objektstrahls und ein Verfahren zum veränderlichen Einstellen des Abstands zwischen von jedem Weitwinkelobjektiv geschriebenen holographischen Bildpunkten aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein für das Drucken digitaler H1-Masterhologramme ausgelegter digitaler holographischer Drucker vorgesehen, der einen gepulsten Mehrfarblaser, mehrere SLMs, mehrere Weitwinkelobjektive, ein Verfahren zum veränderlichen Steuern der räumlichen Kohärenz jedes Objektstrahls und ein Verfahren zum veränderlichen Einstellen des Abstands zwischen von jedem Weitwinkelobjektiv geschriebenen holographischen Bildpunkten aufweist.
In vielen Fällen werden Hologramme zur Anzeige mit einem nichtkollimierten Weißlichtstrahl beleuchtet, der von der Punktquelle in der Art einer Halogenlampe ausgeht. Falls die Wiedergabe-Beleuchtungsgeometrie nicht berücksichtigt wird und weiter ein konstanter Referenzwinkel bei der Auf zeichnung verwendet wird, treten bei der Beleuchtung des Hologramms durch einen divergenten Strahl sowohl eine Bildverzerrung als auch eine Verzerrung des Betrachtungsfensters auf. Durch die Verwendung einer Kombination einer Bildvorverzerrung auf der Grundlage eines diffraktiven Modells, einer ein- oder zweidimensionalen Verschiebung der LCD und einer Bewegung des Referenzstrahls in nur einer Richtung bei jeder Belichtung eines holographischen Bildpunkts kann jede induzierte Bildverzerrung kompensiert werden und ein stark verbessertes Hologramm-Betrachtungsfenster erhalten werden. Demgemäß ist die Kombination eines eindimensional veränderlichen Referenzstrahls, einer verschiebbaren LCD und einer Software-Bildverzerrung sehr wünschenswert, insbesondere bei größeren Hologrammen.
Vorzugsweise wird die Größe der holographischen Bildpunkte jedes erzeugten Hologramms optimiert und für jeden Fall durch Ändern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls gesteuert.
Vorzugsweise wird, wenn ein farbiger gepulster Laser verwendet wird, ein optisches System mit mehreren Wellenlängen verwendet und werden verschiedene wellenlängenkritische Elemente in diesem optischen System zwischen Belichtungen mit verschiedenen Farben automatisch ausgetauscht und ausgewählt.
Vorzugsweise wird eine in der Bildebene angeordnete Blende verwendet, um die Größe und die Form des Referenzstrahls zu steuern.
Vorzugsweise werden die Laserenergie und das Energieverhältnis zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl so gewählt, dass die Helligkeit und die Qualität des endgültigen Hologramms optimiert werden.
Vorzugsweise wird die Größe des Referenzstrahls stets an die Größe des Objektstrahls an der Oberfläche des lichtempfindlichen Materials angepasst.
Vorzugsweise wird eine in der Bildebene angeordnete Blende verwendet, um die Größe und die Form des Referenzstrahls zu steuern, während die effektive Strahlkollimierung und eine niedrige Strahldivergenz aufrechterhalten werden.
Zum Erläutern der Unterschiede zwischen der Ausführungsform, die auf Zweistufen-Druckprozesse gerichtet sind, und herkömmlichen holographischen Zweistufen-Druckprozessen wird auf 17 Bezug genommen, worin die bevorzugte Anordnung (unteres Diagramm) eines herkömmlichen Verfahrens (oberes Diagramm) gegenübergestellt ist. Bei den bekannten Anordnungen wird ein fokussiertes Bild eines räumlichen Lichtmodulators 1701 unter Verwendung einer Objektivlinse 1702 auf dem Diffusionsschirm 1703 erzeugt. Der Diffusionsschirm streut das einfallende Licht in einer großen Vielzahl von Richtungen. Ein lichtempfindliches Material 1705, das von einer beweglichen Blende 1706 bedeckt ist, die ein allgemeines Rechteck sein kann, ermöglicht es, dass die Einhüllende der mit 1717 und 1716 bezeichneten Strahlen jenen Teil der Oberfläche des Materials 1705 bestrahlt, der vom Blendenloch 1707 nicht bedeckt ist. Der wechselseitig kohärente Referenzstrahl wird von A nach B eingebracht, um im Bereich 1704, der als ein holographischer Bildpunkt bezeichnet werden kann, ein kleines Transmissionshologramm zu erzeugen. Durch Bewegen der Blende in ein- oder zweidimensionaler Weise, wodurch das SLM-Bild zu der geeigneten perspektivischen Ansicht geändert wird, und durch Vornehmen einer Belichtung wird ein zusammengesetztes Transmissionshologramm aus holographischen Bildpunkten mit einer durch die verwendete Blende definierten Form aufgebaut. Bei der bekannten Anordnung ist die Blende ein Schlitz, und die Bewegung ist eindimensional. Die bekannte Anordnung könnte zu einer zweidimensionalen Bewegung und einer rechteckigen oder quadratischen Blende verallgemeinert werden. Das sich ergebende zusammengesetzte Transmissionshologramm wird dann im Stand der Technik durch konjugierte Beleuchtung des verarbeiteten Hologramms unter Verwendung eines Wiedergabestrahls 1708, dessen Ausbreitungsrichtung von B nach A verläuft, in ein unter Weißlicht sichtbares H2-Hologramm übertragen. Dieser Prozess erzeugt ein reales Bild am räumlichen Ort 1703. Insbesondere wird durch Abdecken des verarbeiteten Hologramms 1705 mit einer Blende 1706, so dass nur der holographische Bildpunkt 1704 durch den Referenzstrahl 1708 beleuchtet wird, nun genau dasselbe Bild durch das Hologramm, das zum Aufzeichnen des Bildpunkts 1704 verwendet wurde, auf den Diffusionsschirm 1703 projiziert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird kein Diffusionsschirm verwendet. Stattdessen wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein hochspezialisiertes Weitwinkelobjektiv 1714 verwendet, um ein fokussiertes Bild des SLMs 1715 am räumlichen Ort 1709 zu bilden. In der Bildebene 1709 ist keine Materialoberfläche vorhanden. Stattdessen wird der lichtempfindliche Film 1712 etwas hinter der Ebene der minimalen Strahltaille angeordnet, wie dargestellt ist. Das Bild bei 1715 ist im allgemeinen (entweder dadurch, dass die LCD in bezug auf die Objektivlinse verschoben ist, oder durch Software) entweder in eindimensionaler oder in zweidimensionaler Weise in bezug auf das Bild 1701 verschoben. Auf diese Weise entspricht der Strahl 1717 im unteren Diagramm genau dem zeitlich umgekehrten Strahl 1717 im oberen Diagramm, und gleiches gilt für 1718. Weil eine Zeitumkehrtransformation zwischen diesen beiden Strahlensätzen existiert, wird ein zeitlich umgekehrter Referenzstrahl 1711, der von D nach C läuft, verwendet. Demgemäß wird wie oben ein holographischer Bildpunkt am Ort 1713 erzeugt. Durch gemeinsames Bewegen des SLMs 1715, der Objektivlinse 1714 und des Referenzstrahls 1711 in ein- oder zweidimensionaler (verschiebender) Weise über die Oberfläche des lichtempfindlichen Films wird ein zusammengesetztes Transmissionshologramm aufgezeichnet. Dieses Hologramm 1712 ist zum Hologramm 1705 konjugiert. Falls daher das zusammengesetzte Hologramm 1712 chemisch verarbeitet und dann durch denselben Referenzstrahl 1711, der von D nach C läuft, beleuchtet wird, sorgfältig vorgegangen wird, um nur einen holographischen Bildpunkt zur Zeit zu beleuchten, und ein Diffusionsschirm am Ort 1701 angeordnet ist, werden genau die gleichen Bilder beobachtet und auf den Diffusionsschirm projiziert, die unter Verwendung der vorstehend beschriebenen bekannten Technik gewonnen wurden.
Demgemäß hat die bevorzugte Anordnung viele Vorteile gegenüber bekannten Anordnungen, einschließlich eines um Größenordnungen kleineren Energiebedarfs als im Stand der Technik, einer drastisch verbesserten Systemflexibilität, eines geringeren Rauschens, eines schnellen Betriebs und einer erheblich verringerten Druckergröße.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nur der Erläuterung dienen, werden nun nur als Beispiel anhand der anliegenden Zeichnung beschrieben.
1 zeigt den Vorgang des Erfassens von Daten von einer Reihe sequentieller Kameraaufnahmen, die zum Erzeugen der digitalen Hologramme verwendet werden können, wobei zusätzlich ein Computermodell eines Objekts dargestellt ist, worin eine Betrachtungsebene definiert ist, auf der perspektivische Ansichten erzeugt werden.
2 zeigt eine Draufsicht einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung.
3 zeigt ausgewählte Schlüsselkomponenten der bevorzugten Ausführungsform aus einer perspektivischen Ansicht.
4 zeigt eine Ausführungsform, die im H1-Master-Schreibmodus für den Fall eines Transmissions-H1-Hologramms arbeitet.
5 zeigt eine Ausführungsform, die im H1-Master-Schreibmodus für den Fall arbeitet, dass der holographische Aufzeichnungsmodus unter dem achromatischen Winkel orientiert ist.
6 zeigt eine Ausführungsform, die im H1-Master-Schreibmodus für den Fall eines Reflexions-H1-Hologramms arbeitet.
7 zeigt eine Anordnung, die im (einstufigen) Direktschreibmodus für den Fall eines Reflexionshologramms arbeitet.
8(a) zeigt das auf dem holographischen Material aufgezeichnete überlappende Objektstrahl-Dichtemuster, das für ein H1-Masterhologramm typisch ist, das für die Erzeugung eines Regenbogenhologramms durch herkömmliche Übertragung geschrieben wird, wobei jeder Kreis die perspektivischen Informationen für einen bestimmten Gesichtspunkt enthält.
8(b) zeigt das auf dem holographischen Material aufgezeichnete überlappende Objektstrahl-Dichtemuster, das für ein H1-Masterhologramm typisch ist, das für die Erzeugung eines Vollfarb-Regenbogenhologramms durch herkömmliche Übertragung geschrieben wird, wobei jede Ellipse die perspektivischen Informationen für einen bestimmten Gesichts punkt enthält, wobei die drei Zeilen die drei Primärfarbtrennungen darstellen.
9 zeigt das auf dem holographischen Material aufgezeichnete überlappende Objektstrahl-Dichtemuster, das für ein H1-Vollblenden-Masterhologramm typisch ist, das für die Erzeugung eines einfarbigen oder Vollfarb-Reflexionshologramms durch herkömmliche Übertragung geschrieben wird, wobei jeder Kreis die perspektivischen Informationen von einem bestimmten Punkt im Raum enthält, wie in 1 dargestellt ist.
10 zeigt das auf dem holographischen Material aufgezeichnete Objektstrahl-Dichtemuster, das für ein direkt geschriebenes Hologramm typisch ist, wobei jeder Kreis die Richtungs- und Amplitudeninformationen von Licht enthält, das von diesem Punkt ausgeht, wodurch das dreidimensionale Bild gebildet wird.
11 zeigt ein Beispiel eines gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform verwendeten Weitwinkelobjektivs (für 526,5 nm optimiert), das eine hohe Auflösung, eine geringe Aberration, einen veränderlichen Brennebenenabstand und eine Position der minimalen Strahltaille aufweist, die erheblich außerhalb des Objektivs liegt.
12 zeigt eine Strahlverfolgung für das Objektiv aus 11, worin verschiedene Ebenen und Schlüsselorte detailliert angegeben sind.
13(a) – (d) zeigen Fleckdiagramme für das Objektiv aus den 11 und 12, die durch umgekehrte Strahlverfolgung von der Objektebene zur Eingangsdatenebene für vier Zoomkonfigurationen berechnet sind.
14 zeigt Strahlschnittdiagramme für das beim Zoom 3 aus den 11, 12 und 13 arbeitende Objektiv in der Objekt- und der Eingangsdatenebene.
15 zeigt einen bekannten holographischen Drucker, der nur zu Erläuterungszwecken angegeben ist.
16 zeigt einen alternativen bekannten holographischen Drucker.
17 zeigt einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen Verfahren zum Erzeugen eines Hologramms und dem entsprechenden Verfahren einer bevorzugten Ausführungsform.
5.1 Grundlegende erforderliche Bilddaten
Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Computer verwendet, um ein dreidimensionales Modell eines Objekts unter Verwendung eines kommerziellen Standard-Computerprogramms zu erzeugen. Solche Computerprogramme können heute sehr realistische Modelle unter Verwendung einer Vielzahl hochentwickelter Aufbereitungsprozesse, die Effekte des wirklichen Lebens nachbilden, erzeugen. Zusätzlich wurden die Rechenzeiten, die für das Ablaufen solcher Programme erforderlich sind, durch Fortschritte der Computertechnologie drastisch verringert. Dreidimensionale Scanner, bei denen das Moiré-Prinzip oder andere Prinzipien verwendet werden, ermöglichen nun die Aufnahme von dreidimensionalen Bildern aus der realen Welt in solche Computermodelle. Der für solche dreidimensionale Modelle erforderliche Speicher hängt in hohem Maße von den darin verwendeten Strukturabbildungen ab, und Computerdateien, die solche dreidimensionale Modelle darstellen, sind daher gewöhnlich verhältnismäßig klein und können leicht über das Internet übertragen werden. Bei der bevorzugten Ausführungs form dieser Erfindung werden die dreidimensionalen Computermodelle verwendet, um eine Reihe zweidimensionaler Kameraansichten einer virtuellen Betrachtungsebene zu erzeugen, wie in 1 dargestellt ist. Die Betrachtungsebene ist hierbei mit 101 bezeichnet, und individuelle zweidimensionale Bilder, wie 105 und 104, des durch den Computer dargestellten Objekts 100 werden an mehreren Stellen auf der Betrachtungsebene, wie 102 und 103, erzeugt. Der Abstand und die Dichte solcher zweidimensionaler Ansichten werden im allgemeinen entsprechend den Informationen gesteuert, die für einen bestimmten Hologrammtyp erforderlich sind, sie bilden jedoch bei einer Ausführungsform eine reguläre zweidimensionale Matrix und bei einer anderen Ausführungsform ein reguläres horizontales eindimensionales Feld. Abweichungen von diesen regulären Formen sind aus verschiedenen Gründen nützlich, unter anderem beispielsweise, um das Rauschen im Hologrammbild zu verringern, während die Bildunschärfe kontrolliert wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird an Stelle einer Computerdarstellung ein reales Modell verwendet und eine reale Kamera eingesetzt, um individuelle Photographien aufzunehmen (entweder digital oder durch einen photographischen Film, der anschließend digitalisiert wird). In einem solchen Fall sollte 1 folgendermaßen interpretiert werden: Das Objekt 100 stellt das durch Holographie aufzunehmende Objekt dar. 101 stellt die Ebene dar, auf der die Kamera 102 positioniert ist, und Photographien des Objekts 100 werden an einer Vielzahl von Positionen auf dieser Ebene aufgenommen. Beispielsweise ergibt die Betrachtungsposition 106 die Photographie 105 und die Betrachtungsposition 103 die Photographie 104. Im allgemeinen wird irgendein Mechanismus verwendet, um eine Kamera sequentiell von einer Position zu einer anderen zu transportieren, wobei ein eindimensionaler oder zweidimensionaler Verschiebetisch eingesetzt wird. Wie zuvor werden der Abstand und die Dichte dieser zweidimensionalen Ansichten im allgemeinen entsprechend den für einen bestimmten Hologrammtyp erforderlichen Informationen gesteuert, sie bilden jedoch bei einer Ausführungsform eine reguläre zweidimensionale Matrix und bei einer anderen Ausführungsform ein reguläres horizontales eindimensionales Feld. Abweichungen von diesen regulären Formen sind aus verschiedenen Gründen nützlich, unter anderem beispielsweise, um das Rauschen im Hologrammbild zu verringern, während die Bildunschärfe kontrolliert wird.
In beiden vorstehenden Fällen kann eine beschränkte Animation, die auf das endgültige Hologramm übertragen werden kann, modelliert werden, indem dafür gesorgt wird, dass sich das Modell 100 in einem definierten Sinne (wodurch diese Animation dargestellt wird) bewegt, wenn verschiedene Kamerapositionen auf der Ebene 101 ausgewählt werden, wobei diese Kamerapositionen sequentiellen monotonen Bahnen auf der Ebene folgen. Bei Betrachtung des endgültigen Hologramms nimmt ein Betrachter, der dieser sequentiellen monotonen Bahn im Beobachtungsraum folgt, die Animation wahr.
5.2 Grundprinzipien
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein Satz zweidimensionaler Ansichten eines realen oder vom Computer dargestellten Objekts aufgenommen und werden diese Ansichten digital verarbeitet, um Daten zu erzeugen, die auf einem räumlichen Lichtmodulator in zwei Dimensionen dargestellt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der räumliche Lichtmodulator eine hochauflösende Flüssigkristallanzeige, es ist jedoch zu verstehen, dass gemäß weniger bevorzugten Ausführungsformen jede andere Form eines zweidimensionalen räumlichen Lichtmodulators mit geeig neten Eigenschaften verwendet werden kann.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein gepulster Laser verwendet, um diesen räumlichen Lichtmodulator zu beleuchten. Ein solcher gepulster Laser kann ein einfarbiger oder ein mehrfarbiger Laser sein und Impulse mit charakteristischen Zeiten von Nanosekunden bis einigen zehn Mikrosekunden erzeugen. Die Wiederholungsrate dieses Lasers sollte idealerweise einen Betrieb bei Geschwindigkeiten ermöglichen, die sich der Auffrischungsrate des gewählten räumlichen Lichtmodulators nähern. Die Verwendung eines gepulsten Lasers ermöglicht den Aufbau einer kommerziellen Maschine, die nicht durch Schwankungen beeinflusst wird. Daher können qualitativ hochwertige Hologramme durch die Verwendung einer solchen Vorrichtung schnell und vorhersehbar erzeugt werden. Die zeitliche Kohärenz und Energievariationen solcher Laser von Impuls zu Impuls sollten sorgfältig gewählt werden. Im allgemeinen liegt die erforderliche zeitliche Kohärenz in der Größenordnung einiger Zentimeter, falls die Objekt- und Referenzstrahlarme abgeglichen sind. Die letztendliche Auswahl der Impulsdauer muss von den individuellen Reziprozitätsrelationen eines gegebenen holographischen Aufzeichnungsmaterials abhängen, falls erforderliche Impulszüge verwendet werden können, um längere Impulseinhüllende zu erreichen, während das elektrische Spitzenfeld bewahrt bleibt, was für eine nichtlineare Frequenzkonvertierung nützlich ist.
Es wird ein spezielles Beleuchtungssystem für den räumlichen Lichtmodulator verwendet, wodurch die räumliche Kohärenz des Laserstrahls in leicht einstellbarer Weise gesteuert wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden ein Teleskop und eine Mikrolinsenanordnung für diesen Zweck verwendet, wenngleich zu verstehen ist, dass auch andere geeignete Systeme zum Steuern der räumlichen Kohä renz eines Laserstrahls in leicht einstellbarer Weise existieren und austauschend verwendet werden können. Solche Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass sie die räumliche Kohärenz eines Laserstrahls in leicht einstellbarer Weise steuern, während kein erhebliches Fleckigkeitsrauschen herbeigeführt wird. Bei der von Yamagushi u.a. offenbarten Anordnung ("High Quality recording of a full-parallax holographic stereogram with digital diffuser", Optical Letters, Band 19, Nr. 2, S. 135 – 137, 20. Januar 1994) wird ein pseudozufälliger Diffusor direkt vor dem SLM verwendet, um die räumliche Kohärenz zu begrenzen, ohne Fleckigkeitsrauschen herbeizuführen. Dieses System ermöglicht es jedoch nicht, dass die räumliche Kohärenz variabel geändert wird.
Eine Mikrolinsenanordnung besteht aus einer zweidimensionalen geordneten Matrix von Mikrolinsen. Jede Einzellinse hat einen bestimmten Durchmesser und eine bestimmte Brennweite, und das Feld ist durch den Mittenabstand zwischen benachbarten Einzellinsen gekennzeichnet. Bei Bestrahlung durch kohärentes Licht hoher räumlicher Kohärenz wirkt jede Einzellinse als eine effektive Einzelquelle und erzeugt einen Kegel divergierender Strahlung. Hinter dem Linsenfeld wird die Strahlung aller Einzellinsen überlagert. Ein Bildschirm, der so angeordnet ist, dass er die mehreren von jeder Einzellinse ausgehenden Strahlungsbestandteile schneidet, zeigt im allgemeinen Fleckigkeitsrauschen. Falls die Einzellinsen jedoch ausreichend weit beabstandet sind, treten im wesentlichen keine Flecken auf, weil die Phaseninformation zwischen den Einzelquellen zufällig wird. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass die Anzahl der Strahlungsquellen in einem bestimmten Bereich A schnell abnimmt, wenn der Abstand von Einzellinse zu Einzellinse vergrößert wird. Der Bereich A des beleuchteten Teils des Linsenfelds schreibt in dem vorliegenden System im wesentlichen die räumliche Kohärenz vor. Die Anzahl der Strahlungsquellen oder Einzellinsen innerhalb dieses Bereichs schreibt dann die Gleichmäßigkeit des endgültigen SLM-Beleuchtungsstrahls durch Mitteln über die Gesamtheit vor. Weil bei der vorliegenden Erfindung ein gepulster Laser verwendet wird, können die Strahlreinigungstechniken, die bei der Dauerstrich-Holographie routinemäßig verwendet werden, normalerweise infolge des elektrooptischen Durchbruchs nicht verwendet werden, weshalb der Beleuchtungsstrahl schon an sich räumlich weniger gleichmäßig ist. Daher ist so viel Mittelung über die Gesamtheit mehrerer Einzellinsenquellen wie möglich erforderlich. Wir berechnen im allgemeinen optimale Linsenfeldspezifikationen und jene des Teleskops zur Linsenfeldbeleuchtung durch eine Kombination einer herkömmlichen Strahlverfolgung und eines Berechnens des Fleckigkeitsmusters an der endgültigen Hologrammebene.
Das Laserlicht, das durch den räumlichen Lichtmodulator hindurchläuft, läuft durch eine spezielle Weitwinkel-Objektivlinse, die das Licht außerhalb dieses Objektivs zu einer engen Taille fokussiert, wodurch ein als Objektstrahl bekannter Strahl gebildet wird. Ein Bild des räumlichen Lichtmodulators wird in einem spezifischen und steuerbaren Abstand von der Taille gebildet. Ein holographisches Aufzeichnungsmaterial wird an einer solchen minimalen Taille des Objektstrahls angeordnet. Ein Referenzstrahl, der mit diesem Objektstrahl kohärent ist, wird auch dazu gebracht, denselben physikalischen Bereich des Aufzeichnungsmaterials zu beleuchten, jedoch aus einem anderen Winkel, so dass der Referenzstrahl und der Objektstrahl in dem Bereich interferieren, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das durch das Aufzeichnungsmaterial aufgezeichnet wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das holographische Material in bezug auf den Objektstrahl in einer Ebene, die durch die optimale Überlappung des Objektstrahls und des Referenzstrahls bestimmt ist, ein- oder zweidimensional bewegt, während das Bild auf dem räumlichen Lichtmodulator so geändert wird, dass jede benachbarte Position des Paars aus dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl auf dem Aufzeichnungsmaterial mit einer Interferenzmustercharakteristik solcher verschiedener Computerdaten codiert wird. Alternativ wird das Paar aus dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl bewegt und bleibt das Aufzeichnungsmaterial feststehend (zumindest in einer Dimension). In jedem Fall führt dieses Verfahren zur Erzeugung mehrerer einzelner Interferenzmuster (als holographische Bildpunkte bekannt), die eine zweidimensionale Matrix oder ein oder mehrere eindimensionale Felder solcher Bildpunkte bilden. Eine solche Mehrzahl an Bildpunkten ist als ein zusammengesetztes Hologramm bekannt.
Es ist erwünscht, dass die Größe und die Intensitätsverteilungen sowohl des Objektstrahls als auch des Referenzstrahls, abhängig vom Typ des geschriebenen Hologramms und von den erforderlichen Eigenschaften dieses Hologramms, genau gesteuert werden. Im Fall des Objektstrahls erfolgt dies bei einem Einstufen-Hologramm durch Steuern der räumlichen Kohärenz des Laserlichts oder bei einem H1-Masterhologramm durch Ändern des Abstands des holographischen Films von einem Weitwinkelobjektiv. Die Größe des Referenzstrahls kann wirksam gesteuert werden, indem eine Blende unter Verwendung eines einstellbaren Teleskops auf die Bildebene der Aufzeichnungsmaterialoberfläche abgebildet wird, wobei dafür gesorgt werden muss, dass die Strahlkollimierung und die Strahldivergenz innerhalb annehmbarer Grenzen bleiben.
Es ist auch erwünscht, dass ein Weitwinkelobjektiv entwickelt und aufgenommen wird, das Aberrationen minimiert und das einen Ort einer minimalen Taille außerhalb dieses Ob jektivs hält. Bei der von Yamagushi u.a. ("Development of a prototype full-parallax holoprinter", Proc. Soc. Photo-Opt Instrum. Eng (SPIE), Band 2406, Practical Holography IX, S. 50 – 56, Februar 1995) offenbarten Anordnung wurde ein dreilinsiges Objektiv verwendet, das die sphärische Aberration (den ersten Seidel-Koeffizienten) minimiert hat und eine f-Zahl von 0,79 erreichte.
Im allgemeinen muss die Brennebene des Objektivs über einen erheblichen Bereich veränderlich sein, und im Fall eines H1-Hologramms entspricht der fokussierte SLM-Bildabstand genau dem H1-H2-Übertragungsabstand und damit dem optimalen Betrachtungsabstand des endgültigen H2-Hologramms. Aberrationen, die Seidel-Koeffizienten höherer Ordnung entsprechen, müssen auch minimiert werden. Dementsprechend wurde eine geeignete Klasse von Objektiven identifiziert, wobei ein Beispiel von diesen in 11 dargestellt ist. Diese haben ein sehr großes Gesichtsfeld bzw. Sehfeld und die erforderlichen Eigenschaften einer hohen Auflösung und einer geringen Aberration über einen erweiterten Bereich von Brennebenenabständen. Eine Eigenschaft dieser Objektive, die für verschiedene Laserwellenlängen ausgelegt werden können, besteht darin, dass sie eine erhebliche optische Verzerrung aufweisen (siehe 14, worin ein vollkommenes Rechteck in der Objektebene 1102 ein gerundetes Rechteck 1401 bildet, wenn es zur LCD zurückverfolgt wird, die sich an der Eingangsdatenebene befindet), und dass sie daher durch Software digital korrigiert werden müssen. Diese "Kissenverzerrung" oder "Tonnenverzerrung" kann in der kanonischen Störungstheorie durch einen finiten Seidel-Koeffizienten 5ter Ordnung gekennzeichnet werden. Mit den gegenwärtigen Objektiven wurden f-Zahlen, die erheblich kleiner sind als jene, über die im Stand der Technik berichtet wurde, erreicht, und es können Gesichtsfelder im Bereich von 100 Grad erhalten werden.
Nach dem Schreiben werden diese zusammengesetzten Hologramme entsprechend den bestimmten Anforderungen der Aufzeichnungsmaterialien verarbeitet, und es wird ein Hologramm erzeugt. Bevorzugte Materialien sind Photopolymere und Silberhalogenide, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden.
Durch geeignete Auswahl der Datenverarbeitungsalgorithmen können viele Formen von Hologrammen durch den vorstehenden Prozess erzeugt werden.
Es können zwei wichtige Hologrammklassen unterschieden werden. Die erste Klasse besteht aus als H1-Hologramme bekannten Hologrammen, die dafür vorgesehen sind, auf ein anderes Hologramm (nachstehend als H2 bezeichnet) übertragen zu werden, bei dem die Ebene des dreidimensionalen Bilds geändert ist. Eine solche Bildebenenübertragung wurde vorstehend beschrieben und ist eine klassische optische Standardtechnik. Die zweite Hologrammklasse besteht aus einem Hologramm, das dieses übertragene oder H2-Hologramm direkt nachbildet, wodurch es unnötig ist, die H1-Stufe zu durchlaufen. In diesem Fall wird die Ebene des dreidimensionalen Bilds unter Verwendung eines Computers geändert, um einen anderen mathematischen Manipulationsalgorithmus an dem ursprünglichen Datensatz auszuführen.
Wie Fachleute verstehen werden, erfordern diese beiden verschiedenen Hologrammklassen erheblich verschiedene Schreibbedingungen, damit die optimale Hologrammqualität für beide Klassen erhalten werden kann. H1-Hologramme werden am besten mit großen Bildpunkten geschrieben, die einen Bereich auf dem Aufzeichnungsmaterial erreichen können, der hunderte Male größer ist als derjenige der Bildpunkte, die zum direkten Schreiben des endgültigen Hologramms erforderlich sind. Die jeweiligen Bildpunkte werden demgemäß viele Male überlappt. Dies führt zu einem H1-Hologramm, dessen Helligkeit verringert ist, das jedoch erheblich weniger rauschbehaftet ist. Durch die Technik der Bildebenenübertragung kann diese Verringerung der Beugungswirksamkeit dann kompensiert werden, und es ergibt sich ein H2-Hologramm, das eine optimale Helligkeit und eine sehr hohe Qualität hat.
Für das direkte Schreiben von Hologrammen ist eine Struktur angrenzender Bildpunkte erforderlich, die einander minimal überlappen, falls die Helligkeit des endgültigen Hologramms nicht beeinträchtigt werden soll. Hieraus ergeben sich natürlich Beschränkungen für die endgültige Bildqualität bei bestimmten Anwendungen.
5.3 Beschreibung
Nachstehend werden die bevorzugte Ausführungsform des H1-Master-Schreibens der vorliegenden Erfindung sowie die als Beispiel dienende Anordnung des einstufigen Schreibens beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass Fachleute verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Streichungen vornehmen können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann ein optisches System in einer Vielzahl von Arten angeordnet werden. Das System für das Vorschieben und die Bewegung des Aufzeichnungsmaterials in bezug auf den räumlichen Lichtmodulator kann auch auf zahlreiche Arten hergestellt werden, und es können starre Substrate an Stelle des nachstehend verwendeten flexiblen Materials eingesetzt werden.
5.3.1 Der Objektstrahlarm
2 zeigt eine Draufsicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein einfarbiger gepulster Laser 200 mit einer einzigen Frequenz (ein blitzgepumpter, bei der zweiten Harmonischen (526,5 nm) arbeitender Einzeloszillator-Nd:YLF-Laser mit einer einzigen Frequenz, der bei einer Ausführungsform 1 mJ je Impuls abgibt), der zu einem schnellen Betrieb in der Lage ist und ausreichend zeitliche Kohärenz aufweist, emittiert einen Strahl kohärenten Lichts, der durch einen veränderlichen Strahlteiler 201 geteilt wird. Der Strahl 202 läuft zum Spiegel 203 weiter, woraufhin er zum Spiegel 204 abgelenkt wird und dann zur Wellenplatte 205 abgelenkt wird, welche die Polarisation des Strahls steuert. Der Strahl läuft zu einem Teleskop weiter, das Linsen 206, 207 und 265 aufweist. Die Linse 207 ist an einem motorisierten Verschiebetisch 208 mit einem Motor 209 angebracht. Der Durchmesser des aus der Optik 207 austretenden Strahls wird auf diese Weise gesteuert, und der Strahl wird näherungsweise kollimiert. Der Strahl läuft zur Mikrolinsenanordnung 210, das den Strahl auf die Kollimationslinsenanordnung 211 erweitert. Der Abstand zwischen den Elementen 210 und 211 wird so gewählt, dass er die effektive Brennweite der Linse 211 ist. Auf eine solche Weise tritt ein "kollimierter" Strahl mit einer steuerbaren räumlichen Kohärenz aus der Optik 211 aus. Der Strahl beleuchtet nun eine Flüssigkristallanzeige (LCD) 212 mit einer Auflösung von 768 × 1024 Bildpunkten und einer seitlichen Abmessung von 26,4 mm, die auf einem motorisierten zweidimensionalen Verschiebetisch 216 mit einem Vertikalsteuermotor 215 und einem Horizontalsteuermotor 218 angebracht ist. Die Positionen der maximalen horizontalen Verschiebung der LCD sind mit 213 und 214 bezeichnet. Die LCD-Position wird eingestellt, wenn H1-Hologramme geschrieben werden, und sie wird verwendet, um eine viel höhere Auflösung des endgültigen Bilds zu erhalten als dies andernfalls mit derselben statischen LCD für einen gegebenen Betrachtungswinkel möglich wäre. Die LCD-Position kann auch eingestellt werden, wenn ein Einstufen-Hologramm geschrieben wird, um eine be stimmte Betrachtungsfenstergeometrie des Hologramms aufrechtzuerhalten.
Nach dem Durchlaufen der Flüssigkristallanzeige durchquert der Strahl einen Linearpolarisator, der das LCD-Bild von einem Polarisationsdrehungsbild in eine Amplitudenmodulation umwandelt. Anschließend durchläuft der Strahl das an dem motorisierten Verschiebetisch 220 mit einem Motor 263 angebrachte Weitwinkelobjektiv 219. Dieser Tisch wird auch zum Steuern der Position des durch das Objektiv 219 erzeugten fokussierten Bilds (1102 in 11) der LCD verwendet. Die Größe der minimalen Taille 266 des Objektstrahls wird durch den motorisierten Tisch 208 mit dem Motor 209 gesteuert. Der Objektstrahl gelangt nun auf das Hologrammaterial 262, das hier als ein auf einem Rollen-/Tischsystem angebrachter Film dargestellt ist. Der Motor 229 steuert die Bewegung des Tisches 223 zur Position der minimalen Taille des Objektstrahls hin und von dieser fort. Rollen 224 und 225 steuern die horizontale Bewegung des Films 262 vor dem Objektstrahl. Der Motor 228 steuert die vertikale Bewegung des Films vor dem Objektstrahl. Der Motor 226 steuert die Bewegung der Rollen 224 und 225. Die Rollen 222 und 231 spannen den Film und steuern den horizontalen Winkel, den der Film mit dem axialen Ausbreitungsvektor des Objektstrahls bildet. Beispielsweise zeigt 5 einen Abschnitt dieses Diagramms für den Fall, in dem der Film zum achromatischen Winkel zurückgezogen wurde, was nützlich ist, wenn H1-Master zur Übertragung auf panchromatische Regenbogen-H2-Hologramme geschrieben werden.
5.3.2 Der Referenzstrahlarm
Der Referenzstrahl wird durch den veränderlichen Strahlteiler 201, der durch einen Motor 265' gesteuert wird, vom Hauptlaserstrahl abgespalten. Der Strahl 235 wird auf einen Spiegel 236 gerichtet, woraufhin er durch eine quasielliptische oder rechteckige Blende 237 reflektiert wird, von der schließlich ein effektives Bild am Schnitt des Referenzstrahls mit dem holographischen Aufzeichnungsmaterial erzeugt wird, wobei diese quasielliptische oder rechteckige Form auf dem Aufzeichnungsmaterial einen festgelegten kreisförmigen oder quasielliptischen oder rechteckigen Referenzabdruck erzeugt, je nach dem, wie es durch den Typ des geschriebenen Hologramms erforderlich ist. Der Referenzstrahl läuft zu der Wellenplatte 238 weiter, welche die Polarisation des Laserstrahls steuert. Die Elemente 239 und 241 bilden entweder mit 264 oder 263 ein Teleskop, das die Größe des Strahls hinter 264/263 steuert und durch den motorisierten Tisch 242 mit dem Motor 243 einstellbar ist. Der Strahlteilerschalter 244 lenkt den Referenzstrahl entweder auf den Weg 254 oder auf den Weg 245. Der Weg 245 wird verwendet, um Transmissionshologramme zu erzeugen, während der Weg 254 verwendet wird, um Reflexionshologramme zu erzeugen.
Im Fall des Wegs 245 durchläuft der Referenzstrahl die Linse 264, die ein Näherungsbild der Blende 237 an der Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials erzeugt. Diese Linse korrigiert auch die durch die Linse 241 erzeugte leichte Divergenz des Lichts. Die Divergenz des Lichts hinter 264, das idealerweise kollimiert ist, wird auf diese Weise so gesteuert, dass sie innerhalb der Beugungsgrenze liegt. Dies bedeutet praktisch, dass für eine geringe Größe des Referenzstrahls der Strahl nicht exakt kollimiert ist, sondern dass diese Abweichung von der Kollimation zu einer Bildunschärfe führt, die erheblich geringer ist als jene, die durch die Größe der Beleuchtungsquelle für das endgültige Hologramm herbeigeführt wird. Spiegel 246 und 249 richten nun den Referenzstrahl auf das Ziel, um den Objektstrahl an der Oberfläche des holographischen Aufzeichnungs materials zu schneiden. Motorisierte Drehtische 247 und 250 mit Motoren 248 bzw. 252 und der Linearverschiebetisch 251 mit dem Motor 253 gewährleisten, dass unterschiedliche Referenzwinkel für unterschiedliche Anordnungen und Orientierungen des Aufzeichnungsmaterials erreicht werden können. Für viele Anwendungen ist der Brewster-Winkel zu bevorzugen, bei manchen Anwendungen ist jedoch spezifisch die Flexibilität erforderlich, diesen Winkel zu ändern.
Im Fall des Wegs 254 durchläuft der Referenzstrahl die Linse 263, die ein Näherungsbild der Blende 237 an der Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials erzeugt. Diese Linse korrigiert auch eine durch die Linse 241 hervorgerufene leichte Divergenz des Lichts. Die Divergenz des Lichts hinter 263, das idealerweise kollimiert ist, wird auf diese Weise wie oben so gesteuert, dass sie innerhalb der Beugungsgrenzen liegt. Spiegel 255 und 256 richten nun den Referenzstrahl auf das Ziel, um den Objektstrahl an der Oberfläche des holographischen Aufzeichnungsmaterials, dieses Mal von der entgegengesetzten Seite des Objektstrahls, zu schneiden. Der motorisierte Drehtisch mit dem Motor 259 und der Linearverschiebetisch 258 mit dem Motor 260 gewährleisten, dass unterschiedliche Referenzwinkel für unterschiedliche Anordnungen und Orientierungen des Aufzeichnungsmaterials erreicht werden können. Für viele Anwendungen ist der Brewster-Winkel zu bevorzugen, bei manchen Anwendungen ist jedoch spezifisch die Flexibilität erforderlich, diesen Winkel zu ändern.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht ausgewählter Komponenten der bevorzugten Ausführungsform, die entsprechend 2 mit Bezugszahlen versehen sind.
5.3.3 H1-Transmissionshologramme
Der mit Abstand am häufigsten auftretende Typ des H1-Hologramms ist das H1-Transmissionshologramm. Dieser Hologrammtyp tritt in vier Grundvarianten auf, nämlich (i) H1-Hologramme, die zur Bildung von Regenbogen-Transmissionshologrammen geeignet sind, (ii) H1-Hologramme, die zur Bildung panchromatischer (d.h. vollfarbiger) Regenbogen-Transmissionshologramme geeignet sind, (iii) H1-Hologramme, die zur Bildung achromatischer (d.h. schwarzweißer) Transmissionshologramme geeignet sind, und (iv) H1-Hologramme, die zur Bildung einfarbiger Reflexionshologramme geeignet sind. In allen Fällen sollten die einzelnen holographischen Bildpunkte einander gut überlappen und viel größer sein als die minimale Taillengröße des Objektstrahls, um die Informationen einer bestimmten Perspektive über einen makroskopischen Bereich des Hologramms zu verteilen und eine gute Mittelung dieses räumlichen optischen Rauschens, das in dem System stets vorhanden ist, zu gewährleisten.
4 zeigt ein Diagramm des Systems im H1-Transmissionsmodus. Es sei bemerkt, dass der Referenzstrahl von der gleichen Seite wie der Objektstrahl auf das Aufzeichnungsmaterial fällt, um einen Bildpunkt 221 zu bilden. Es sei bemerkt, dass der Bildpunkt gegenüber dem Punkt der minimalen Taille 266 erheblich verschoben ist. Es sei bemerkt, dass sich das Bild (in der Ebene 1102 in 11) der LCD 212 in einem Abstand 401 vom Aufzeichnungsmaterial 262 befindet und dass ein bei 402 angeordneter Bildschirm ein scharf fokussiertes Bild jedes in die LCD 212 eingegebenen zweidimensionalen Bilds zeigen würde. Die Ebene 402 (1102 in 11) entspricht gewöhnlich der H2-Ebene in einer Übertragungsgeometrie.
Zum Aufzeichnen eines H1-Transmissionshologramms werden perspektivische Ansichten eines realen oder vom Computer erzeugten Objekts vorab verzerrt, um eine restliche optische Verzerrung und eine bestimmte endgültige Belichtungsgeometrie zu kompensieren. Solche Bilder werden dann nacheinander einzeln in die LCD geladen, es wird ein holographischer Bildpunkt aufgezeichnet, das Aufzeichnungsmaterial wird vorbewegt, und der Prozess wird für jedes Bild wiederholt. Für den vorstehenden Fall (i) wird eine Bildpunktzeile auf das holographische Aufzeichnungsmaterial geschrieben, wie in 8(a) dargestellt ist. Jeder Kreis stellt ein Interferenzmuster dar, das Informationen über eine bestimmte perspektivische Ansicht entlang einer horizontalen Sichtlinie enthält (es sei bemerkt, dass die Form der einzelnen Bildpunkte in Wirklichkeit nicht genau kreisförmig ist, sondern dass wir diese Form als eine klare Darstellung zu Erläuterungszwecken verwendet haben). 8(b) zeigt den Fall (ii), in dem drei Bildpunktzeilen bei dem achromatischen Winkel geschrieben werden, wobei jede Zeile einem roten, grünen oder blauen Komponentenbild in der axialen Betrachtungsposition des endgültigen Hologramms entspricht. Die Aufzeichnungsgeometrie für den Fall (ii) ist in 5 dargestellt. 9 zeigt die Fälle (iii) und (iv), in denen ein zweidimensionales Bildpunktfeld geschrieben werden muss. Im Fall (iii) enthalten alle horizontalen Bildpunktzeilen tatsächlich Informationen, die sich auf eine einzige vertikale Parallaxe beziehen. Im Fall (iv) kann dies der Fall sein oder nicht. Falls jedoch die volle Parallaxe verwendet wird, kann die Packungsdichte der Bildpunkte jedoch moduliert werden, um die chromatische Unschärfe des Bilds zu verringern. Tatsächlich kann die Packungsdichte generell moduliert werden, um die Verringerung des optischen Rauschens durch Mitteln über die Gesamtheit zu optimieren, während die Klarheit eines Einzelbilds bei einer Bildverschmierung durch einen nahen Bildpunkt aufrechterhalten wird. Diese Erwägungen sind generell wichti ger für große Reflexions-Vollparallaxenhologramme, die in dem Grenzfall, in dem unendlich viele Ansichten verwendet werden, um das Stereogramm zu erzeugen, den Nachteil einer chromatischen Verschmierung aufweisen. Dennoch sollten sehr große Hologramme mit einer reduzierten Parallaxe optimiert werden, falls die Verschmierung bzw. die Unschärfe und das Rauschen in Grenzen gehalten werden sollen.
In allen Fällen muss die räumliche Kohärenz des Objektstrahls gesteuert werden, damit die Größe der minimalen Taille im Objektstrahl hinter dem Objektiv gesteuert werden kann. Diese minimale Taille bestimmt wiederum die Freiheit von einer Unschärfe des Bilds, während die Bildqualität verbessert wird. Daher ist die Bildqualität bei einer zu kleinen Taille schlecht und ist bei einer zu großen Taille das Bild unscharf. Es gibt daher einen sehr großen Bereich von Taillengrößen zwischen den Extremwerten dieser beiden Parameter, und es ist sehr wünschenswert, den optimalen Taillendurchmesser genau zu wählen. Dies ist der Grund dafür, dass ein besonders bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung darin besteht, ein Verfahren zum Steuern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls zu verwenden, das es ermöglicht diese Kohärenz leicht zu ändern.
Die optimale, maximale Packungsdichte holographischer Bildpunkte bei einem H1-Transmissionshologramm sollte schließlich durch den Typ des verwendeten Aufzeichnungsmaterials bestimmt werden. Bei bestimmten Anwendungen, wie der Vollfarbholographie, ist ein Reflexions-H1-Hologramm einem Transmissions-H1-Hologramm vorzuziehen. In einem solchen Fall wird der farbige Laser mit einer einzigen Frequenz durch einen mehrfarbigen Laser mit einer einzigen Frequenz ersetzt, und die LCD kann beispielsweise durch eine Farb-LCD oder einen anderen räumlichen Lichtmodulator ersetzt werden. In diesem Fall kann ein Farb-H1-Masterhologramm mit der in 6 dargestellten Geometrie geschrieben werden, und dieses kann durch Abbilden auf eine Ebene in ein Farb-Reflexions-H2-Hologramm umgewandelt werden. Die Packungsdichte holographischer Bildpunkte bei solchen H1-Reflexionshologrammen kann etwas geringer sein als die Bildpunkt-Packungsdichte, die bei H1-Transmissionshologrammen bevorzugt ist, und diese hängt von den Eigenschaften eines gegebenen Aufzeichnungsmaterials ab.
5.3.4 Direkt geschriebene Hologramme zur Erläuterung
Wenn ein Hologramm direkt geschrieben wird (Einstufenprozess), kann die endgültige Hologrammhelligkeit nicht mehr durch einen Übertragungsprozess mit einer Abbildung in eine Ebene gesteuert werden. Daher sollte das Hologramm, das geschrieben wird, eine optimale Helligkeit aufweisen. Dies bedeutet, dass die holographischen Bildpunkte aneinander angrenzen müssen, statt einander zu überlappen, wie in 10 dargestellt ist. Folglich befindet sich die optimale Position für den holographischen Film an der Position der minimalen Taille des Objektstrahls, wie in 7 dargestellt ist. Es kann nun das bereits beschriebene System zur Steuerung der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls verwendet werden, um die Größe des holographischen Bildpunkts zu steuern und zu gewährleisten, dass seine Intensitätsverteilung an der Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials in etwa eine Gaußverteilung ist.
Zum Aufzeichnen eines direkt geschriebenen Hologramms werden perspektivische Ansichten eines realen oder vom Computer erzeugten Objekts mathematisch transformiert, um einen Satz neuer Bilder zu erzeugen, die dann vorverzerrt werden, um restliche optische Aberrationen und eine bestimmte endgültige Beleuchtungsgeometrie zu kompensieren. Solche Bilder werden dann in die LCD geladen, es wird ein holographi scher Bildpunkt aufgezeichnet, wobei die Bildebene der LCD optimal auf die vorgesehene Betrachtungsebene oder auf unendlich gelegt ist, und das Aufzeichnungsmaterial wird dann vorbewegt, und der Prozess wird wiederholt. Der Prozess wird so ausgeführt, dass eine zweidimensionale Matrix holographischer Bildpunkte erzeugt wird, wobei jeder solche Bildpunkt die Lichtstrahlen getreu reproduziert, die einen entsprechenden Punkt auf einer gewählten Bildebene durch das reale oder virtuelle, vom Computer erzeugte Objekt schneiden. Unter bestimmten Näherungen erzeugt diese Technik dementsprechend ein Hologramm, das mit einem Hologramm identisch ist, das als ein H1-Masterhologramm erzeugt wird und dann unter Verwendung einer klassischen Abbildung auf eine Bildebene übertragen wird, um ein H2-Hologramm zu erzeugen. In der Praxis gibt es jedoch große Unterschiede, und die beiden Techniken sind ziemlich kompliziert und haben, wie vorstehend erörtert wurde, für verschiedene Anwendungen bevorzugte Verwendungen.
Es können verschiedene mathematische Transformationen gebildet werden, die alle Haupt-Hologrammtypen unter Verwendung der Technik des Direktschreibens des Hologramms erzeugen. Regenbogenhologramme können erzeugt werden, indem dafür gesorgt wird, dass die einzelnen LCD-Bilddateien für einen gegebenen holographischen Bildpunkt aus einem einzigen horizontalen Informationsband bestehen. Die Höhe dieses Bands auf der LCD wird so gewählt, dass sie von der vertikalen Position des holographischen Bildpunkts abhängt. Auf diese Weise wird ein Hologramm erzeugt, das sein Beleuchtungslicht in ein horizontales Band vor dem Hologramm fokussiert. Dieses Band wird mit den Bildinformationen aus einer einzigen vertikalen Perspektive moduliert, wodurch ein Regenbogenhologramm erzeugt wird. Im Fall dreifarbiger Regenbogenhologramme bestehen die Bilddateien für jeden holographischen Bildpunkt aus drei horizontalen Bändern, de ren vertikale Positionen in der LCD in verschiedener Weise von der vertikalen Position des jeweiligen holographischen Bildpunkts abhängen. Folglich bewirkt das endgültige Hologramm das Fokussieren seines Beleuchtungslichts in drei horizontale Bänder parallel zum Hologramm und vor diesem, wobei die drei Bänder dieses Mal in einer Ebene liegen, die unter dem achromatischen Winkel zum Normalenvektor des Hologramms orientiert ist. Wiederum wird jedes Band mit den jeweiligen primären Farbbildinformationen von einer einzigen vertikalen Perspektive moduliert, wodurch ein panchromatisches Regenbogenhologramm erzeugt wird. Ein monochromatisches Einzelparallaxen-Reflexionshologramm wird durch LCD-Bilddateien erzeugt, die aus vertikalen Streifen zusammengesetzt sind, die mit den horizontalen perspektivischen Informationen horizontal moduliert sind. Vollparallaxen-Reflexionshologramme werden ebenso durch wirklich zweidimensional transformierte LCD-Bilddateien erzeugt.
Durch Spielen mit den mathematischen Transformationen können hybride Hologramme durch die Direktschreibtechnik erzeugt werden, so dass das Bild aus einer Perspektive achromatisch erscheint, jedoch von einem anderen Gesichtspunkt möglicherweise einen Regenbogencharakter hat. Alternativ können viele verschiedene Sichtfenster für die Hologramme leicht eingerichtet werden, und Parameter unter Einschluss der schon an sich vorhandenen Bildunschärfe können gesteuert werden, um aus bestimmten Winkeln Ansichten mit sehr großer Tiefe zu erzeugen, während andere Winkel für die Bildintegrität näherer Objekte optimiert werden können.
5.3.5 Andere Techniken
Das bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verwendete Weitwinkelobjektiv ist in den 11 bis 14 dargestellt und definiert. Dieses 85°-Objektiv wurde für einen Betrieb innerhalb eines Bereichs von Brennweiten zwischen 50 cm und 1,5 m ausgelegt. 13 zeigt Standard-Fleckdiagramme für 4 Zoomeinstellungen zwischen diesen Extremen (zoom 1 entspricht einer Vergrößerung von 45x, zoom 2 entspricht einer Vergrößerung von 31,8x, zoom 3 entspricht einer Vergrößerung von 22,5x und zoom 4 entspricht einer Vergrößerung von 15,9x). Wie ersichtlich ist, ist die maximale projizierte Fleckgröße auf der Eingangsdatenebene nicht größer als die Bildpunktgröße der LCD (etwa 50 Mikrometer). Die optische Verzerrung dieses bestimmten Objektivs beträgt etwa 6 %. Durch Akzeptieren eines etwas höheren Werts von 12 % haben spätere Versionen tatsächlich eine verbesserte Auflösung bis deutlich unter die Bildpunktgröße der LCD.
Das Objektiv ist dafür ausgelegt, mit einer LCD mit einer Seitengröße von 26,4 mm zu arbeiten. Die Eingangsdatenebene des Objektivs (1101) ist jedoch 61,7 cm breit, wodurch eine erhebliche seitliche Bewegung sowie eine erhebliche Aufwärts-/Abwärtsbewegung der LCD innerhalb der Ebene möglich sind. Durch Gewährleisten, dass unser Objektiv innerhalb seiner Auslegungsgrenzen zwischen einer Brennweite von 50 cm, wo es eine Vergrößerung von 15,9x ergibt, bis 1,5 m, wo es eine Vergrößerung von 45x ergibt, können wir Zweistufenhologramme mit maximaler Auflösung erzeugen, die Größen von 30 × 40 cm bis mehr als 1 m × 1 m aufweisen, wobei alle geeignete optimale Betrachtungsabstände haben. In Zusammenhang mit diesem letztgenannten Punkt sei bemerkt, dass der H1-H2-Übertragungsabstand gleich der verwendeten Brennweite des Objektivs gesetzt ist, die dann auch der optimale Betrachtungsabstand des endgültigen H2-Hologramms ist. (Im Fall von Einstufenhologrammen gibt es keine effektive Grenze für die Hologrammgröße, wenn angenommen wird, dass für eine kollimierte Wiedergabebeleuchtung gesorgt werden kann.)
Häufig führen Techniken zum Steuern der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls dazu, dass in dem Strahl Rauschen herbeigeführt wird. Das am häufigsten auftretende ist die Laser-Fleckigkeit und wird nicht weiter betrachtet, weil die bevorzugte Ausführungsform die räumliche Kohärenz kontrolliert, ohne eine erhebliche Fleckigkeit herbeizuführen. Bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wurden ein Teleskop und eine Mikrolinsenanordnung zum Erreichen dieser Kontrolle verwendet. Durch den physikalischen Aufbau von Mikrolinsen werden in dem Objektstrahl jedoch leicht optische Muster herbeigeführt. Dieses Rauschen kann durch Bewegen der Mikrolinsenanordnung bei jeder Bestrahlung in zufälliger oder geordneter Weise reduziert werden. Dieses Rauschen lässt sich auch stark verringern, indem die optimale maximale Bildpunktdichte gewählt wird, wie vorstehend beschrieben wurde.
Wenn H1-Hologramme geschrieben werden, kann der SLM innerhalb der Eingangsdatenebene (1101) des Objektivs für sequentielle Schreibvorgänge sowohl horizontal als auch vertikal bewegt werden. Dies ermöglicht effektiv die Verwendung kleinerer SLMs mit geringerer Auflösung als dies andernfalls erforderlich wäre, falls ausschließlich eine Bildsteuerung durch Software eingesetzt werden würde, um in dem endgültigen H2-Hologramm den gleichen Sichtwinkel und die gleiche Auflösung zu erreichen. Im Fall eines H1-Hologramms zur Herstellung eines Regenbogenhologramms wird der SLM nur in einer Richtung bewegt. Für dreifarbige H1-Regenbogenhologramme, H1-Reflexionshologramme oder Vollparallaxen-H1-Hologramme muss der SLM jedoch zweidimensional bewegt werden.
Der SLM kann auch sowohl horizontal als auch vertikal innerhalb der Eingangsdatenebene (1101) des Objektivs bewegt werden, wenn Einstufenhologramme geschrieben werden. Es ist in diesem Fall möglich, in vorteilhafter Weise das endgültige Betrachtungsfenster des Hologramms zu modifizieren. Insbesondere können wir ein Hologramm bilden, wobei das Hologramm von einer bestimmten Betrachtungszone entweder vollständig sichtbar oder vollständig unsichtbar ist. Dies sollte dem Fall eines statischen SLMs entgegengesetzt werden, wobei die optimale Verwendung des SLMs vorschreibt, dass große Abschnitte der Hologramm-Betrachtungszone nur eine Teilansicht des Hologrammbilds zeigen.
In der Praxis kann die Hybridtechnik, bei der sowohl eine Softwaresteuerung als auch eine gewisse Bewegung des SLMs in der Eingangsdatenebene (1101) des Objektivs verwendet wird, sowohl zur Einstufen- als auch zur H1-Hologrammerzeugung eingesetzt werden.
Alternativ bietet ein größerer statischer SLM, der die Eingangsdatenebene (1101) des Objektivs effektiv ausfüllt, eine bessere Lösung, wenn ein SLM mit sehr hoher Auflösung verfügbar ist, wobei die gesamte Bildmanipulation nun ausschließlich durch Software erfolgt.
Im Fall des Schreibens eines H1-Hologramms sollte der holographische Film in einem erheblichen Abstand vom Ort der minimalen Strahltaille (266) gehalten werden. Weil der Teil der Eingangsdatenebene des Objektivs (d.h. der die LCD enthaltende), der für Laserlicht durchlässig ist, stets viel kleiner ist als die gesamte Eingangsdatenebene (1101) des Objektivs und weil sich dieser durchlässige Bereich weiter entweder infolge einer Bildsteuerung durch Software oder infolge der Tatsache, dass der SLM physikalisch in der Eingangsdatenebene bewegt wird, von Schuss zu Schuss bewegen muss (wobei wenigstens eine dieser Optionen für das richtige Funktionieren der Erfindung notwendig ist), ist zu ver stehen, dass sich die Zone der Objektstrahlung, die bei 221 auf den holographischen Film 262 fällt, auch unvermeidlich von Belichtung zu Belichtung bewegt. Die Ausführungsform aus 2 kann daher weiter verbessert werden, indem dafür gesorgt wird, dass die Blende 237 automatisch zweidimensional bewegt wird, so dass die Form, die Größe und die Position des Referenzstrahls auf der Ebene des holographischen Films im Wesentlichen mit der Form, der Größe und der Position des Objektstrahls darauf übereinstimmen. Diese Verbesserung ist nicht erforderlich, wenn Einstufenhologramme geschrieben werden, weil die Position des holographischen Films im wesentlichen mit dem Punkt der minimalen Taille des Objektstrahls übereinstimmt. In diesem Fall werden die Größe, die Position und die Form des Referenz- und des Objektstrahls in der Filmebene einmal in Übereinstimmung gebracht, bevor alle Belichtungen beginnen, statt dass der Referenzstrahl ständig eingerichtet wird, so dass eine bewegliche Blende gewöhnlich nicht erforderlich ist. Es sei bemerkt, dass in 2 eine Blende 237 zum Festlegen der Form des Referenzstrahls und ein einstellbares Teleskop 239, 241, 263, 264 zum Festlegen des Strahldurchmessers verwendet wurden. Weitere steuerbare Spiegel (beispielsweise 246 und 249) ändern dann den Referenzwinkel zu der Filmebene 262. Im allgemeinen müssen die Vernetzung dieser einzelnen Systeme und die Softwaresteuerung herausfinden, wie die Größe, die Position und die Form des Referenz- und des Objektstrahls an der Filmebene am besten in Übereinstimmung zu bringen sind. Es ist klar, dass nicht übereinstimmende Objekt- und Referenzstrahlen an der Filmebene zu einer Verringerung der Bildqualität und der Helligkeit führen.
Bei der Ausführungsform aus 2 ist die Fähigkeit zum Ändern des Referenzwinkels hervorzuheben. Dies ist aus einer Vielzahl von Gründen, wie einer Kompensation einer Emulsionsschwellung bei der chemischen Verarbeitung, für die Erzeugung von H1-Hologrammen, die zur Übertragung bei anderen Laserwellenlängen vorgesehen sind, für das Schreiben von Regenbogenmastern auf ein einziges (achromatisches) geneigtes Substrat und für die Erzeugung von Hologrammen, die durch einen divergenten oder konvergenten Weißlichtstrahl zu bestrahlen sind, nützlich. Es ist jedoch zu bemerken, dass das Seitenverhältnis der Blende 237 geändert werden muss, wenn der Referenzwinkel geändert wird, damit die Abbildungen des Objektstrahls und des Referenzstrahls auf dem holographischen Film geeignet übereinstimmen können. Um eine vollständige Übereinstimmung der Abbildungen des Objektstrahls und des Referenzstrahls zu erhalten, muss tatsächlich für eine veränderlich steuerbare und veränderlich vergrößerbare Blende gesorgt werden. Diese Komplikation ist in 2 nicht offensichtlich. In dem Fall, in dem ein holographischer Drucker in der Lage sein muss, nicht nur Einstufenhologramme mit einer Bildpunktgröße von weniger als 1 mm, sondern auch H1-Hologramme mit Bildpunktgrößen von einigen Zentimetern zu drucken, muss bei der Auslegung des Referenzstrahl-Präparationssystems sehr sorgfältig vorgegangen werden. In diesem Fall können die Elemente 237, 239, 241, 263 und 264 individuell komplexe Elemente sein, kann ein automatisches System zum Steuern der Blendengröße und des Seitenverhältnisses vorhanden sein und kann Software das System sowohl mit der Laserenergieausgabe als auch mit dem Verhältnis zwischen dem Objekt- und dem Referenzstrahl rückkoppeln.
In vielen Fällen werden Einstufenhologramme zur Anzeige mit einem nichtkollimierten Weißlichtstrahl beleuchtet, der von einer Punktquelle, wie beispielsweise eine Halogenlampe, ausgeht. Falls die Wiedergabebeleuchtungsgeometrie nicht berücksichtigt wird und weiter bei der Aufzeichnung ein konstanter Referenzwinkel verwendet wird, treten bei der Beleuchtung des Einstufenhologramms durch einen divergenten Strahl sowohl eine Bildverzerrung als auch eine Verzerrung des Betrachtungsfensters auf. Durch Verwendung einer Kombination einer Bildvorverzerrung auf der Grundlage eines Beugungsmodells, einer ein- oder zweidimensionalen Verschiebung der LCD und einer Bewegung des Referenzstrahls in nur einer Richtung bei jeder Belichtung eines holographischen Bildpunkts kann jede induzierte Bildverzerrung kompensiert werden und ein stark verbessertes Hologrammbetrachtungsfenster erhalten werden. Demgemäß ist die Kombination eines eindimensional änderbaren Referenzstrahls, einer verschiebbaren LCD und einer Software-Bildverzerrung sehr wünschenswert, insbesondere für größere Hologramme. Gewöhnlich muss der Referenzstrahl nur über einen verhältnismäßig kleinen Winkelbereich geändert werden, um einen nichtkollimierten Wiedergabestrahl zu kompensieren, und die vorstehend erwähnte Komplikation eines automatischen Systems zum Steuern der Größe und des Seitenverhältnisses der Blende zur Steuerung des Referenzstrahls ist daher nur in bestimmten Fällen erwünscht, beispielsweise dann, wenn kleinere Einstufenhologramme kachelförmig nebeneinander gelegt werden, um größere Felder zu bilden. Es ist durch die Verwendung einer statischen LCD möglich, Hologramme zu erzeugen, die für eine Punktquellenbeleuchtung ausgelegt sind, es sind dann jedoch SLM-Felder mit höherer Auflösung erforderlich. Weil die Auflösung kommerzieller SLMs begrenzt ist und es erwünscht ist, eine optimale Hologrammqualität zu erzeugen, ist es erwünscht, den SLM verschieben zu können. Im Prinzip ist eine zweidimensionale Winkelmanipulation des Referenzstrahls während der Aufzeichnung möglich, in der Praxis ergibt sich jedoch, dass die zusätzliche mechanische Kompliziertheit eines solchen zweidimensionalen Steuersystems nicht gerechtfertigt ist, und ein solches System bietet keine erheblichen praktischen Vorteile.
Während des Normalbetriebs der bevorzugten Ausführungsform können mehrere elektromechanische Präzisionstische erforderlich sein, um ihre Position bei der Belichtung zu aktualisieren. Wenn der Laser (200) oberhalb einiger Hz betrieben wird, müssen bestimmte elektromechanische Probleme adressiert werden, weil es nicht mehr möglich ist, die elektromechanischen Tische anzuhalten und in Bewegung zu setzen, ohne dass eine unannehmbare mechanische Schwingung herbeigeführt wird, mit der beispielsweise der Verlust der Positionierungsgenauigkeit einhergeht.
Diesem Problem muss Rechnung getragen werden, indem eine Mikroprozessor-basierte Steuereinrichtung aufgebaut wird, die in der Lage ist, verschiedene Bahnen konstanter und nichtlinearer programmierter Geschwindigkeit auf mehreren Tischen einzurichten. Es ist gegenwärtig möglich, dieses System mit bis zu 30 Hz zu betreiben, wobei sich ausgezeichnete mechanische Schwingungseigenschaften ergeben.
In 5 ist ein Verfahren zum Schreiben eines H1-Hologramms dargestellt, das für die Übertragung eines Vollfarb-Regenbogenhologramms geeignet ist. Der Film ist durch die Aufrolleinrichtung 231 in die achromatische Position zurückgezogen dargestellt. Es ist jedoch zu verstehen, dass dies nur einen Weg darstellt, auf dem für diese Anmeldung geeignete H1-Hologramme geschrieben werden können. Insbesondere kann entschieden werden, 3- oder mehrstreifige Masterhologramme (siehe 8b) zu schreiben, wobei sich der Film in der flachen Position befindet, wie in 2 dargestellt ist, statt dass er sich in der in 5 dargestellten Position befindet. In diesem Fall werden die Software und der Bildfokussierungstisch so eingestellt, dass Schlüsseleigenschaften des für jeden Streifen geschriebenen Interferenzmusters geändert werden. Ein bestimmtes Bildebenen-Übertragungssystem wird dann verwendet, durch das die 3 Streifen getrennt und in einer gestaffelten Geometrie bei dem achromatischen Winkel angeordnet werden, wobei sie jedoch einzeln alle parallel zum endgültigen H2-Hologramm verlaufen. Ein solches Verfahren hat gegenüber dem einfacheren Verfahren, das vorstehend behandelt wurde und in den 5 und 8b dargestellt ist, praktische Vorteile in bezug auf die Bildqualität, die Genauigkeit der Ausrichtung und die Maschinenkalibrierung.
Es sei bemerkt, dass der gepulste Laser 200 bei der vorstehenden Ausführungsform eine hohe zeitliche Kohärenz aufweist und dass es demgemäß keine Vorhersage für das Einstellen der Objekt- und Referenzweglängen darin gibt. Falls jedoch ein gepulster Laser verwendet wird, der eine geringere zeitliche Kohärenz aufweist als gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform, werden der Objekt- und der Referenzweg ausgeglichen, und dieser Ausgleich kann elektromechanisch steuerbar sein, wenn diese Kohärenz geringfügig ist.
Indem für den Fall eines holographischen Druckers, bei dem ein Weitwinkelobjektiv mit einer sehr geringen Aberration verwendet wird, dafür gesorgt wird, dass die Vertikal- und die Horizontalbewegungen des holographischen Materials und des räumlichen Lichtmodulators synchronisiert sind, so dass die Bilder an der endgültigen H2-Ebene der Bildpunkte des räumlichen Lichtmodulators für alle bei der Erzeugung eines H1-Hologramms projizierten zweidimensionalen Bilder in einer Linie ausgerichtet sind, so dass dieses H1-Hologramm, wenn es auf ein H2-Hologramm übertragen wird, an der Oberfläche des H2-Hologramms ein definiertes Bildpunktbild erzeugt, können die Bilder auf dem räumlichen Lichtmodulator zu verschachtelten Bildpunktgruppen, die mehrere Primärfarben darstellen, zerlegt und codiert werden, und es kann eine registrierte Farbmaske an das H2-Hologramm angehängt, laminiert oder auf dieses gedruckt werden, um ein mehrfarbiges Hologramm zu erzeugen.
5.4 Modifikationen an der bevorzugten Ausführungsform
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein monochromatischer gepulster Laser oder ein mehrfarbiger gepulster Laser verwendet werden. Der prinzipielle Vorteil der Verwendung eines mehrfarbigen Lasers besteht darin, dass Mehrfarb- oder Vollfarb- Reflexionshologramme unter Verwendung des Zweistufenverfahrens gedruckt werden können.
Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Implementation eines mehrfarbigen gepulsten Lasers bei der bevorzugten Ausführungsform. Die erste besteht darin, einfach mehrere getrennte und abgesetzte optische Systeme der vorstehend beschriebenen Art, eines für jede durch den Laser erzeugte Farbe, einzurichten. Falls hierbei angenommen wird, dass der mehrfarbige Laser drei Emissionswellenlängen aufweist, sind im wesentlichen immer jeweils drei Einheiten von allem, einschließlich dreier SLMs, dreier Objektive und dreier Referenzstrahlen, erforderlich. Es ist daher möglich, holographische Bildpunkte dreimal so schnell zu schreiben, es müssen jedoch natürlich auch dreimal so viele Bildpunkte geschrieben werden. Falls dieses Verfahren zur Implementation eines mehrfarbigen Lasers gewählt wird, wird das Filmvorschubsystem (oder Plattenvorschubsystem) so organisiert, dass es drei getrennte, gleichzeitige Schreiborte unterstützt. Zusätzlich wird der Abstand zwischen den holographischen Bildpunkten verschiedener Farben so gesteuert, dass in einem Fall dafür gesorgt wird, dass Bildpunkte unterschiedlicher Farben in einer Linie ausgerichtet werden und dass in einem anderen Fall eine wohldefinierte chromatische Bildpunkt-Nebeneinanderanordnung erzeugt wird.
Der andere Weg, auf dem dieses Problem behandelt wurde, besteht in der Erzeugung eines optischen Systems mit einem austauschbaren Schreibobjektiv, das ansonsten gleich gut für alle Wellenlängenkomponenten funktioniert. Es ist effektiv nicht praktizierbar, ein optisches System in seiner Gesamtheit zu erzeugen, das für viele Wellenlängen gleichzeitig funktioniert. Dies ist in erster Linie auf das sehr stark spezialisierte Objektiv zurückzuführen, das wir verwenden müssen und das von seiner Auslegung für eine Verwendung bei nur einer Wellenlänge abhängt. Daher wird dieses Problem gelöst, indem zuerst mit einer Farbe, dann mit einer anderen usw. belichtet wird. Jedesmal wenn die Farbe geändert wird, wird das geeignete Schreibobjektiv elektromechanisch ausgewählt. Bei drei Farben werden drei Objektive in einer Präzisionshalterung verwendet, die jeweils auf Abruf geladen werden können.
Zusammenfassend sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schreiben aller Haupttypen von Zwischen-H1-Hologrammen hoher Qualität bei erheblich höheren Geschwindigkeiten als im Stand der Technik und ohne praktische Betriebsbeschränkungen für Vibrationen bereitstellt.

Claims

Holographischer Drucker zum Schreiben von Haupt- bzw. Masterhologrammen (H1) für eine nachfolgende Umwandlung zu weißlichtsichtbaren Hologrammen (H2), mit: einer Laserquelle (200), die angeordnet ist, um einen Laserstrahl bei einer ersten Wellenlänge zu erzeugen, wobei der Laserstrahl in einen Objektstrahl (202) und einen Referenzstrahl (235), der gegenseitig kohärent zu dem Objektstrahl (202) ist, aufgeteilt ist, einem räumlichen Lichtmodulator (212), wobei bei Gebrauch der Objektstrahl den räumlichen Lichtmodulator (212) beleuchtet, einem Linsensystem (212) zum Schreiben eines holographischen Bildpunkts (221) eines Masterhologramms (H1) auf ein lichtempfindliches Medium (262), wobei das Linsensystem (219) dem räumlichen Lichtmodulator nachgeordnet angeordnet und eingerichtet ist, den Objektstrahl auf eine minimale Strahlentaille (266) in der Fourierebene des Linsensystems zu fokussieren, und Positionierungsmitteln zum Positionieren eines lichtempfindlichen Mediums (262) bei einer der minimalen Strahlentaille (266) nachgeordneten Position, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (200) eine Impulslaserquelle umfasst, und wobei der holographische Drucker weiterhin aufweist: Mittel (206–210, 265) zum automatischen Variieren einer räumlichen Kohärenz zum automatischen Variieren der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls, um den Durchmesser des Objektstrahls bei der minimalen Strahlentaille (266) zu steuern, wobei das Mittel (206–210, 265) zum automatischen Variieren einer räumlichen Kohärenz dem räumlichen Lichtmodulator (212) vorgeschaltet angeordnet ist, und wobei das Positionierungsmittel bei Gebrauch das lichtempfindliche Medium (262) bei einer der Bildebene des räumlichen Lichtmodulators (19) vorgeschalteten Position positioniert.
Holographischer Drucker nach Anspruch 1, bei dem der räumliche Lichtmodulator (212) umsetzbar bzw. verschiebbar ist.
Holographischer Drucker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mittel (206–210, 265) zum automatischen Variieren einer räumlichen Kohärenz ein einstellbares Teleskop und eine Mikrolinsenanordnung (210) aufweist, wobei das einstellbare Teleskop angeordnet ist, um einen näherungsweise parallel ausgerichteten Laserstrahl mit variablem Durchmesser, der die Mikrolinsenanordnung (210) beleuchtet, zu erzeugen.
Holographischer Drucker nach Anspruch 1, 2 oder 3, der weiterhin ein Mittel zum Modifizieren von Bildern aufweist, die zu dem räumlichen Lichtmodulator (212) gesendet sind, um zumindest teilweise inhärente optische Verzerrungen des Druckers zu korrigieren.
Holographischer Drucker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Linsensystem (219) ein effektives Bildfeld (1103) hat, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: (i) größer als 70°, (ii) größer als 75°, (iii) größer als 80° und (iv) bei zumindest 85°.
Holographischer Drucker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die minimale Strahlentaille (266) dem Linsensystem (219) nachgeordnet angeordnet ist.
Holographischer Drucker nach Anspruch 6, bei dem die minimale Strahlentaille (266) dem Linsensystem (219) zumindest 2 mm nachgeordnet angeordnet ist.
Holographischer Drucker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Laserquelle angeordnet ist, um zusätzlich Laserstrahlen bei zweiten und dritten Wellenlängen zu erzeugen, wobei die ersten, zweiten und dritten Wellenlängen sich jeweils voneinander um zumindest 30 nm unterscheiden.
Holographischer Drucker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der weiterhin eine zweite und eine dritte Laserquelle zum Erzeugen von Laserstrahlen bei zweiten und dritten Wellenlängen aufweist, wobei die ersten, zweiten und dritten Wellenlängen sich jeweils voneinander um zumindest 30 nm unterscheiden.
Holographischer Drucker nach Anspruch 8 oder 9, der weiterhin ein erstes Linsensystem zur Verwendung bei der ersten Wellenlänge, ein zweites Linsensystem zur Verwendung bei der zweiten Wellenlänge und ein drittes Linsensystem zur Verwendung bei der dritten Wellenlänge aufweist, wobei das erste, zweite und dritte Linsensystem so angeordnet sind, dass ein gewünschtes Linsensystem automatisch ausgewählt werden kann.
Verfahren zum Schreiben von Masterhologrammen (H1) für eine nachfolgende Umwandlung zu weißlichtsichtbaren Hologrammen (H2), mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Laserquelle (200), die angeordnet ist, um einen Laserstrahl bei einer ersten Wellenlänge zu erzeugen, Aufteilen des Laserstrahls in einen Objektstrahl (202) und einen Referenzstrahl (235), der gegenseitig kohärent zu dem Objektstrahl (202) ist, Beleuchten eines räumlichen Lichtmodulators (212) mit dem Objektstrahl (202), Bereitstellen eines Linsensystems (219) zum Schreiben eines holographischen Bildpunkts (221) eines Masterhologramms (H1) auf ein lichtempfindliches Medium (262), wobei das Linsensystem (219) dem räumlichen Lichtmodulator (212) nachgeordnet angeordnet und eingerichtet ist, den Objektstrahl auf eine minimale Strahlentaille (266) in der Fourierebene des Linsensystems zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (200) eine Impulslaserquelle aufweist, und wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: Automatisches Variieren der räumlichen Kohärenz des Objektstrahls, um den Durchmesser des Objektstrahls bei der minimalen Strahlentaille (266) zu steuern, und Positionieren eines lichtempfindlichen Mediums (262) bei einer der minimalen Strahlentaille (266) nachgeordneten und der Bildebene des räumlichen Lichtmodulators (219) vorgeschalteten Position.