DE1948334A1 - Holographische Kamera mit veraenderlichem Aufnahmewinkel - Google Patents

Description

1348334

Patentanwalt·

Dfpl.-ln.. -.,-.BdGtZ IL 410-14.949P 24.9.1969

Dipl.-Ing. Limprecht

München 22, Stelnsciorfstr. 10

Commissariat a !^Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Holographische Kamera mit veränderlichem Aufnahmewinkel

Die Erfindung betrifft eine extrem kurz belichtende Kamera, insbesondere eine Kamera, die auf der holographischen Aufzeichnung mit veränderlichem Aufnahmewinkel beruht.

Die gegenwärtig am häufigsten verwendeten extrem kurz belichtenden Kameras erzeugen ein reelles Bild auf einer photographischen Platte, z. B. die Drehspiegelkameras und die elektronischen Kameras.

Bei ersteren wird das Bild des Gegenstands mit Hilfe eines Drehspiegels auf eine Reihe von Objektiven projiziert, die auf dem Umfang eines Kred. ses angeordnet sind und jeweils ein Bild auf dem Film erzeugen. Die Leistungs-

009815/1809

grenzen von derartigen Kameras sind vor allem technisch bedingt. Es ist unmöglich, die Drehzahl des Spiegels unbegrenzt zu erhöhen, weil der Spiegel sich verformen und sogar zerspringen kann. Aus diesem Grund können kaum Öffnungszeiten von weniger als 100 nsec erreicht werden. Diese Kameras haben auch den Nachteil einer ziemlich schwachen Lichtstärke infolge des geringen öffnungswinkels der Strahlen. Außerdem benötigen sie viele Zusatzgeräte (Pumpe, Druckluftquelle, Absperrorgane usw.), die die Drehspiegelkameras aufwendig und unhandlich- machen. Schließlich ist ihre Synchronisation mit den zu untersuchenden Vorgängen nur schwierig mit einer Genauigkeit von besser als 1 /U see vorzunehmen.

Eine erste Gruppe der elektronischen Kameras wird durch die Kameras mit "biplanarer·* Röhre gebildet, die im wesentlichen nur sehr schnelle Verschlüsse sind. Sie erlauben Öffnungszeiten von 1 nsec und sogar 300 psec. Ihre Zeilenzahl ist relativ liocii, dafür ist der Kontrastfaktor verhältnismäßig¹ gering. Nachteiligerweise können sie nur ein einziges Bild pro Experiment herstellen, so daß sie nur für die Untersuchung von reproduzierbaren Vorgängen eingesetzt werden können.

Eine zweite Gruppe' von elektronischen Kameras wird durch die Kameras mit einer Ablenkröhre gebildet. Diese erlauben zwar die Aufzeichnung mehrerer Bilder während des gleichen Experiments, jedoch gestattet die Technologie dieser Röhre Öffnungszeiten von größenordmingsraäßig einigen nsec nur bei verminderter Bildqualität. Außerdem ist der zur Verfügung stehende Durchmesser der Photokathode der Röhre nicht größer als 30 mm, was die Informationskapazität stark begrenzt· Dagegen ist ihre Auflösung im

009815/18 09

allgemeinen ausreichend, ihre Sperrigkeit klein, und ihre Synchronisation führt zu keinen besonderen Schwierigkeiten.

Bei der Entwicklung von Kameras, die die Aufzeichnung von mehreren Bildern guter Qualität in möglichst schneller Folge erlauben, macht man von der Holographie Gebrauch, durch die nicht nur viel mehr Informationen gewonnen werden können, sondern außerdem auf eine einzige Platte mehrere Aufzeichnungen aufgebracht und anschließend während der Auswertung der Aufzeichnung räumlich getrennt werden.

Ebenso hat man holographische Kameras entwickelt, bei denen zwischen der Aufzeichnung der verschiedenen Hologramme auf einer einzigen Platte mechanische Verschiebungen stattfinden, um die Stellung des Gegenstands relativ zur photographischen Platte und zum Bezugsstrahl zu ändern, damit eine Trennung der verschiedenen Bilder zur Wiedergabe ermöglicht wird. So ist es bereits bekannt, die Platte um eine Achse senkrecht zu ihr zu verschwenken, so daß zur Wiedergabe die Bilder sich um den Bezugsstrahl verteilen. Ferner ist es bereits bekannt, den Bezugsstrahl um eine Achse zu verschwenken, die durch den Gegenstand und die Plattenmitte definiert ist, wobei die wiedergegebenen Bilder sich wie im vorhergehenden Fall um den Bezugsstrahl verteilen. Schließlich ist es bereits bekannt, den Winkel zwischen der Richtung des Abtaststrahls und der des Bezugs strahle so asu ändern, daß zur Wiedergabe die Bilder in verschiedenen Richtungen gesehen werden.

Wenn auch die bekannten Kameras für die Aufzeichnung

009815/1609

von verhältnismäßig langsamen Vorgängen geeignet sind, d. h. für Vorgänge mit einer Dauer von mehr als 100 nsec, sind bei einer Unterschreitung dieser Grenze in gleicher Weise wie bei den Drehspiegelkameras mechanische Verschiebungen während des Experiments ausgeschlossen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine extrem kurz belichtende holographische Kamera anzugeben, die auf einer Änderung des Aufnahmewinkels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufzeichnungen beruht»

Eine holographische Kamera mit veränderlichem Aufnahmewinkel, mit einer holographischen Baugruppe, die aus einem Laser und einem Umlenkorgan besteht, um aus dem vom Laser emittierten Licht zwei verschiedene Strahlen zu erzeugen und diese auf der gleichen photographischen Platte interferieren zu lassen, nachdem der eine Strahl einen ortsfesten Gegenstand beleuchtet hat, dessen Bild aufgezeichnet werden soll, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen optischen Verschluß, der mindestens aus einem der Strahlen einen sehr kurzen Lichtimpuls ausblendet, und durch eine auf der Bahn des ausgeblendeten Lichtimpulses angeordnete optische Einrichtung zur Zerlegung des Lichtimpulses in eine Folge von Teilimpulsen, die gegeneinander räumlich versetzt und verzögert sind, und zur Projektion der Teilimpulse unter veränderlichem Einfallswinkel entsprechend der Art des Ausgangsstrahls auf den Gegenstand bzw. die photographische Platte.

Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, daß der Verschluß vor dem Umlenkorgan auf der Bahn des vom Laser emittierten Ausgangsstrahle angeordnet ist, so daß er aus dem Ausgangsstrahl einen sehr kurzen Impuls ausblendet,

009815/1609

und daß die optischen Einrichtungen identisch auf den Bahnen der durch das Umlenkorgan getrennten beiden Lichtimpulse angeordnet sind und jeden dieser Lichtimpulse in eine Folge von Teilimpulsen zerlegen, wobei jeder aus dem ersten Lichtimpuls erzeugte Teilimpuls synchronisiert zu einem aus dem zweiten erzeugten Teilimpuls ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kamera abgebildet ist«

Ein Rubinlaser 1, der kohärente Lichtimpulsa rsit einer Dauer von etwa 30 nssc erzeugt» ist einem optischen Verschluß 2 wie einer Kerr- oder Pockelszelle zugeordnet, der diese Impulse so unterbricht, daß Impulse mit einer Dauer von etwa 1 nsec erzeugt werden.

Das emittierte Licht wird in zwei Strahlen mit entgegengesetzter Richtung durch zwei Spiegel 3 aufgeteilt, die um 45 geneigt sind. Die beiden Strahlen fallen dann jeweils gleichzeitig unter einem Einfallswinkel θ auf eine Glasplatte h mit parallelen Flächen, deren Einfallsfläche halbdurchlässig ist und deren Rückfläche total oder vollständig reflektiert. Infolge aufeinanderfolgender Reflexionen des Lichts an diesen beiden Flächen erhält man aus einem einzigen Anfangsimpuls mehrere Impulse, die in parallelen Richtungen austreten, die um eine Entfernung e gegeneinander versetzt sind und gegenseitig um ein Zeitintervall l/v, d. h. den Quotienten des vom Licht im Innern der Glasplatte durchlaufenen Wegs zu seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit in dieser Platte verzögert sind.

009815/1609

Ein Teil des im Punkt A auf die Einfallsfläche der Glasplatte k fallenden Lichtstrahls wird reflektiert, wodurch ein erster Impuls J entsteht, während der andere Teil dieses Lichtstrahls gebrochen und im Punkt B an der reflektierenden Rückfläche vollständig reflektiert wird sowie auf die Einfallsfläche im Punkt C zurückfällt. Ein Teil-dieses Lichts wird nun gebrochen und bildet den zweiten Impuls II, der parallel zum ersten, aber um einen Abstand e versetzt und um ein Zeitintervall ; verzögert emittiert wird, während der andere Teil des im Punkt C auffallenden Lichtstrahls reflektiert wird, von neuem die Glasplatte durchläuft, im Punkt D an der Rückfläche reflektiert wird und im Punkt E auf die Einfallsfläche zurückfällt, um einen dritten Impuls IXl zu erzeugen, der um einen Abstand e zum zweiten versetzt und ebenfalls gegenüber diesem um ein Zeitintervall "*" verzögert ist.

Dieser Vorgang wiederholt sich, so daß man zwei Folgen von Impulsen kohärenten Lichts erhält, die paarweise synchronisiert sind, und von denen die einen als Abtaststrahlen und die anderen als Bezugestrah.1 en. für die Aufnahme einer Folge verschiedener Hologramme verwendet werden.

Es ist ersichtlich, daß, wenn eine Folge von Strahlen erhalten werden soll, die die gleiche Energie transportieren, was für die Gewinnung von identisch belichteten Bildern wünschenswert ist, ein bestimmter Reflexionskoeffizient vorhanden so ein muß, der für die Reflexionen an der Einfallsflache in den Punkten A, C, E usw. unterschiedlich ist. Außerdem muß die Platte eine beträchtliche Dicke aufweisen; wenn z. B. !»pulse mit einer gegenseitigen Zeit-

009815/1609

verzögerung von 1 nsec gewonnen werden sollen, muß die Platte etwa 10 cm dick sein. Platten mit parallelen Flächen, die diesen Anforderungen genügen, sind jedoch schwierig herzustellen. Daher werden gemäß der Erfindung vorzugsweise sogenannte "Piano^M-Platten verwendet, deren Einfallsfläche durch nebeneinanderliegende halbdurchlässige Plättchen und deren Rückseite durch einen ebenen Spiegel gebildet wird, der parallel zu den Plättchen verläuft. Auf diese Weise können leicht die Reflexionskoeffizienten und Brechungsindizes der Platten so gewählt werden, daß eine Energiegleichverteilung zwischen den verschiedenen aufeinanderfolgenden Lichtstrahlen erreicht wird.

Eine "Stufen"-Ablenkeinrichtung 5, die sich in der Bahn der von jeder der "Pianoⁿ-PlM.tten emittierten Strahlen befindet und vorzugsweise aus einer so zugeschnittenen Glasplatte besteht, daß eine Überlagerung von mehreren Prismen erreicht wird, dient dazu, die Strahlen nacheinander in Abhängigkeit von ihrer Emission einerseits auf einen transparenten Gegenstand 6, dessen Bild aufgezeichnet werden soll, wobei jeder Strahl von einer der Platten kommt, und andererseits auf eine photοgraphische Platte auffallen zu lassen, wobei jeder Strahl von der anderen Platte stammt. Das durch den Gegenstand 6 durchgelassene Licht wird von einer Linse 8 aufgefangen, die ein Bild auf einer Milchglasscheibe 9 erzeugt«, Die durch die Milchglasscheibe 9 zerstreuten Teillichtstrahlen interferieren mit dem Bezugsstrahl, um auf der photοgraphischen Platte 7 ein Hologramm zu erzeugen. Die die Stufenablenkeinrichtung 5 bildende Glasplatte kann in zwei identische Teile unterteilt sein.

Auf diese Weise interferieren nacheinander eine Folge

009815/1609

1348334

von Abtast- und Bezugsstrahlen auf der photograph!sehen Platte und zeichnen dort völlig verschiedene Hologramme auf, weil nicht nur der Bezugsstrahl jedesmal auf der photographischen Platte einen anderen Einfallswinkel hat, sondern außerdem der Gegenstand 6 jedesmal durch den Abtaststrahl unter einem anderen Winkel gesehen wird«

Das erste Hologramm wird durch das Paar der Impulse I aufgezeichnet: Der Bezugsstrahl hat auf der photographischen Platte 7 einen Einfallswinkel i , während der Gegenstand vom Abtaststrahl unter einem Winkel i* gesehen wird. Anschließend wird das zweite Hologramm nach einem Zeitintervall * durch das Paar der Impulse II aufgezeichnet* Der Einfallswinkel des Bezugsstrahls beträgt jetzt i₂, und der Gegenstand wird unter einem Winkel i· gesehen.

Dieser Vorgang Setzt sich fort, so daß man in einer Kamera, die die Aufzeichnung auf der gleichen photographischen Platte erlaubt, die sich in einer genau statischen Halterung befindet, aus einem einzigen Anfangsimpuls eine Folge von Hologrammen erhält, die leicht zur Wiedergabe in sehr unterschiedlicher Weise geeignet sind. Diese kann durch Blitzbeleuchtung der holographischen Aufzeichnung vorgenommen werden, z. B. mit Hilfe eines Gaslasers. Die verschiedenen Bilder werden nacheinander wiedergegeben, indem der Einfallewinkel des Wiedergabestrahls auf die Aufzeichnung geändert wird. Es ist also ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Kamera die Beobachtung von sehr schnellen Vorgängen und das mit einer sehr hohen Zeilenzahl oder Auflösung erlaubt. So kann man Folgen von 10 Hologrammen erhalten, die um 1 neec getrennt sind, wobei jedes einer Öffnung von etwa 1 neec entspricht.

009815/1609

Es ist auch, ersichtlich., daß die Kamera so abgewandelt werden kann, daß der optische Verschluß sich nicht mehr vor dem Umlenkorgan 3» sondern auf der Bahn des Bezugsstrahls (oder des AbtastStrahls) befindet.

In diesem Fall fällt der nicht unterbrochene Strahl nicht mehr auf eine Platte mit parallelen Flächen, sondern direkt auf den Gegenstand (oder die photographische Platte). Obwohl der Bezugsstrahl (oder der Abtaststrahl) jetzt eine konstante Neigung haben und während der ganzen Dauer der Aufzeichnungsfolge vorhanden sein kann, erhält man immer eine Folge von unterschiedlichen Hologrammen, weil jetzt der Gegenstand unter einem anderen Winkel bei jedem Abtastimpuls gesehen wird (oder jeder Bezugsimpuls auf die photographische Platte unter einem anderen Winkel fällt).

Bei einer derartigen Ausführung müssen jedoch kohärente Wellenzüge verwendet werden, die lang genug sind, um sich über die ganze Dauer der Folge zu erstrecken, wobei diese Bedingung nicht die abgebildete symmetrische Anordnung erfordert.

Die Erfindung kann noch in anderer Weise gegenüber dem abgebildeten Ausführungsbeispiel abgewandelt werden. Beim oben erklärten Aueführungsbeispiel wird die holographische Aufzeichnung durch Lichtübertragung mit einer Zerstreuungseinrichtung vorgenommen, wobei der Gegenstand ein Phasengegenstand ist, d. h. kein« Schwächung des Lichts verursacht, sondern nur die Wellenfronten ändert. Die holographische Aufzeichnung kann jedoch Auch in anderer Weise -vorgenommen werden, z. B. über Reflexionen, wenn der Gegenstand nicht lichtdurchlässig ist.

009815/1609

Claims (1)

1. Patentansprüche

   (JV Holographische Kamera mit veränderlichem Aufnahme-Winkel, mit einer holographischen Baugruppe, die aus einem Laser und einem Umlenkorgan besteht, um aus dem vom Laser emittierten Licht zwei verschiedene Strahlen zu erzeugen und diese auf der gleichen photographischen Platte interferieren zu lassen, nachdem der eine Strahl einen ortsfesten Gegenstand beleuchtet hat, dessen Bild aufgezeichnet werden soll, gekennzeichnet durch einen optischen Verschluß (2), der mindestens aus einem der Strahlen einen sehr kurzen Lichtimpuls ausblendet, und durch eine auf der Bahn des ausgeblendeten Lichtimpulses angeordnete optische Einrichtung (4) zur Zerlegung des Lichtimpulses in eine Folge von Teilimpulsen (i, II, Hl), die gegeneinander räumlich versetzt und verzögert sind, und zur Projektion der Teilimpulse unter veränderlichem Einfallswinkel (i*_f i'₂; i-» i₂) entsprechend der Art des Ausgangs strahl s auf den Gegenstand (6) bzw. die phot ©graphische Platte (7).

   2· Holographische Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (2) vor dem Umlenkorgan (3) auf der Bahn des vom Laser (1) emittierten Ausgangsstrahls angeordnet ist, so daß er aus dem Ausgangsstrahl einen sehr kurzen Impuls ausblendet, und daß die optischen Einrichtungen (4) identisch auf den Bahnen der durch das Umlenkorgan (3) getrennten beiden Lichtimpulse angeordnet sind und jeden dieser Lichtimpulse in eine Folge von Teilimpulsen (I₉ II, III) zerlegen, wobei jeder aus dem ersten Lichtimpuls erzeugte Teilimpuls synchronisiert zu einem aus dem zweiten erzeugten Teilimpuls ist«

   009815/1609

   3. Holographische Kamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen eine Glasplatte (k) mit parallelen Flächen, von denen die Einfallsfläche halbdurchlässig und die andere Fläche reflektierend ist, und eine Ablenkeinrichtung (5) mit veränderlichem Ablenkwinkel aufweisen, die sich in der Bahn des von der Glasplatte emittierten Lichts befindet.

   k. Holographische Kamera nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Glasplatte (4) an ihrer Einfallsfläche durch nebeneinanderliegende Plättchen gebildet ist, die verschiedene Reflexionskoeffizienten haben, um eine Energiegleichverteilung zwischen den verschiedenen von der Glasplatte {k) emittierten Lichtstrahlen zu erreichen, und daß die andere Fläche durch einen ebenen Spiegel gebildet ist, der parallel zu den Plättchen verläuft.

   5. Holographische Kamera nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (5) mindestens durch eine Glasplatte gebildet ist, die eine Überlagerung von mehreren Prismen darstellt.

   009815/1609

   Leerseite