VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG WINKELREDUZIERTER HOLOGRAMME SOWIE VORRICHTUNG ZU IHRER WIEDERGABE

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hologrammen entsprechend Anspruch I und Unteransprüchen sowie Vorrichtungen zur Wiedergabe dieser Hologramme entsprechend Anspruch 2 und Unteransprüchen.

Stand der Technik

Seit den siebziger Jahren werden Hologramme in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt: Als künstlerisches Medium, als kulturelles Archivierungsmedium (z.B. in der Archäologie für Keilschriften), als Werbeträger oder als Sicherheitsmerkmal auf Produkten. Auch in der technischen Anwendung werden Hologramme immer stärker integriert, als Beispiel seien holographische Projektions-Leinwände, aber auch Notchfilter oder Bragg-Gitter z.B. im Bereich der optischen Informationsverarbeitung oder Strahlformung genannt. In der Produktion gibt es maßgeblich zwei Verfahren: die holographisch-optische Aufnahme und das Drucken von Hologrammen mit speziellen Prägestempeln, wobei beim zweiten Verfahren eine optische Aufnahme zur Erstellung der Stempel vorausgehen muss (Mastering-Prozess).

Hologrammfilme- oder platten zur optischen Aufnahme von Hologrammen bestehen meist aus einer ebenen Trägerschicht (Glas, Kunststoff) und einer lichtempfindlichen Hologrammschicht (Silberhalogenid-Gelatine, Photopolymer etc.) mit einer Dicke von ca. 5 μm - 100 μm. Der Brechwert einer Hologrammplatte auf Glas- oder Kunststoffbasis liegt ungefähr bei 1 ,5, die Brechwerte der photoempfindlichen Schicht und des Trägermaterials werden dabei möglichst gleich gewählt. Zur Herstellung eines Hologramms muss die photoempfindliche Schicht mit einer Referenz- und dazu kohärenten Objektstrahlen belichtet werden. Die Interferenzen zwischen Referenz- und Objektwelle müssen in der photoempfindliche Schicht aufgezeichnet werden, damit dies mit hinreichendem Kontrast möglich ist, sollte die Phasenstabilität besser λ/ 10 sein, was ca. 0.5 μm entspricht. Das heisst kein am Strahlverlauf beteiligtes Bauteil sollte sich während der Aufnahme um mehr als 0.5 μm bewegen.

Diese Anforderungen an die Stabilität sind einerseits durch besondere Aufbauten (schwingungsgedämpfte Tische, hohe Temperaturstabilität im Aufnahmebereich, extrem stabile

Spiegel- und Filmhalter) zu erreichen, andererseits muss die Laserlichtquelle über hinreichende zeitliche und räumliche Kohärenz verfügen.

Bei einer Belichtung nach dem Standardverfahren muss zudem der Referenzstrahl möglichst exakt unter dem so genannten "Brewsterwinkel" (ca. 57 Grad zur Plattennormale für Glas) auf die Glas- oder Filmplatte gelenkt werden. Unter diesem Winkel wird geeignet polarisiertes Licht nicht an den beiden Grenzflächen Luft zu Glas und photoempfindlicher Schicht zu Luft reflektiert. Abweichende Geometrien erzeugen starke Mehrfachreflektionen innerhalb des Aufnahmemediums und vermindern die Wiedergabequalität beträchtlich. Dies gilt insbesondere für große Winkel zur Plattennormalen (flache Einstrahlwinkel). Dieser Effekt tritt in noch stärkerem Maße bei Holographie-Filmen auf, da hier der flexible Film aus Stabilitätsgründen zwischen zwei Glasplatten eingelegt wird, was zu ingesamt vier Glas-Luft und zwei Film-Luft-übergängen führt. Filmmaterialien sind im Gegensatz zu Glasträgern preiswerter und zudem leichter zu handhaben, [siehe H. I. Bjelkhagen "Silver Halide Recording Materials", Springer 1993, S.53]

Nach der Belichtung wird das Hologramm in geeigneter Weise entwickelt und versiegelt. Die Rekonstruktion kann sowohl mit Laserlicht geeigneter Wellenlänge als auch mit anderen Lichtquellen erfolgen. Dabei bestimmt die Aufnahmegeometrie maßgeblich die Anforderungen an die Beleuchtung des fertigen Hologramms. Zwar entfällt die Anforderung an die hohe Kohärenz des Lichtes bei der Wiedergabe. Trotzdem muß der zur Rekonstruktion von Hologrammen verwendete Beleuchtungsstrahl in der Geometrie möglichst genau dem bei der Aufnahme verwendeten Referenzstrahl entsprechen, da ansonsten Bildfehler auftreten. Diese sind vergleichbar mit den Bildfehlern abbildender Systeme bei der Abweichung von der optischen Achse.

Zudem muss der Beleuchtungsstrahl eine möglichst gute Punktlichtquelle darstellen (im Grenzfall Radius unendlich: ebene Welle), denn eine ausgedehnte Lichtquelle führt durch Mehrfachrekonstruktion zu mehreren sich überlagernden Ansichten. Falls nur diffuses Umgebungslicht zur Verfügung steht, ist die nutzbare Tiefe eines Hologramms minimal. Alle dargestellten Bildteile, die nicht direkt in der Hologrammebene liegen, erscheinen stark verschwommen.

Bei der oben beschriebenen Standard-Aufnahmegeometrie muß also zur Rekonstruktion eines Hologramms eine möglichst punktförmige Lichtquelle (nur eine Referenzwelle erlaubt, da sonst Mehrfachrekonstruktionen stattfinden) ungefähr unter dem Brewsterwinkel (entspricht Winkelbedingung bei der Aufnahme, bei Abweichung ergeben sich Bildfehler) in einem möglichst großem Abstand in der Größenordnung der Displayabmessung angebracht werden (hinreichende Ebenheit der Welle). Dies gilt insbesondere für hochqualitative Display-Hologramme mit großer Tiefe und Detailauflösung. Notwendigerweise ragt die Beleuchtungseinheit daher weit in den Raum hinein. Da der Beleuchtungsstrahl offen im Raum verläuft, verbietet sich aus Sicherheitsgründen der Einsatz intensiver punktförmiger Lichtquellen (LED's, Laser) die zur Rekonstruktion eigentlich ideal wären. Auch ist eine direkte Interaktion mit dem dreidimensionalen Objekt erschwert, denn bei der Annäherung an das Hologramm, z.B. um das dreidimensionale Objekt zu "berühren", kann der Beleuchtungsstrahl leicht unterbrochen werden.

Eine Integration von Lichtquelle und Hologramm würde also der Holographie viele interessante Anwendungsfelder, insbesondere im technischen Bereich, erschließen. Die oben beschriebenen Nachteile ließen sich durch eine integrierte platzsparender Strahlführung des Beleuchtungsstrahls umgehen. Dies wird jedoch durch die geometrische Bedingung des Brewsterwinkels verhindert.

Verschiedene Ansätze zum Aufbau platzsparender Strahlführungen werden z.B. im Patent WO

95/04294 ausführlich beschrieben. Hauptanliegen ist es hierbei den Platzbedarf für die Beleuchtung stark zu reduzieren, ohne die Wiedergabequalität zu verschlechtern. Die läßt sich durch die sogenannte "Edge-Lit"-Technologie erreichen, bei der der Referenzstrahl an der Kante der Hologrammplatte mit Hilfe von Prismen oder Gittern eingefädelt wird und unter interner Totalreflektion der Welle das Hologramm mit der sogenannten "evaneszenten Mode" rekonstruiert. Dabei durchläuft der Lichtstrahl die Filmemulsion ähnlich wie Licht in einer dünnen Glasfaser.

Leider ist die Produktion der Edge-Lit-Hologramme äußerst aufwendig, da schon kleine änderungen der Brechwerte, Winkel und sonstigen geometrischen Bedingungen die Wiedergabequalität stark herabsetzen. Das oben genannte Patent beschreibt daher mehrere Methoden zur Verbesserung der "Edge-Lit "-Technik, insbesondere spezielle Verfahren zur gezielten Beeinflussung des Brechwerts der Wiedergabeschicht, die es laut dem oben genannten Patent ermöglicht die evaneszente Mode relativ stabil unter einem Winkel größer als 80 Grad zur Hologrammnormalen einzufädeln ("steep reference angle, SRA-hologram"). Die genaue Funktionsweise scheint noch nicht völlig aufgeklärt, jedenfalls ist der Einsatz des richtigen Trägermaterials (BKlO, Acryl) zusammen mit einer speziellen Behandlung des Filmmaterials (Ascorbin-Säure, Phenidon für Silberhalogenid-Filme oder der Einsatz von Photopolymeren) notwendig. Im Patent wird dieses SRA-Hologramm mit einem zweiten Hologramm ähnlichen Aufbaus auf einer transparenten Platte montiert und als "Holographie Light Panel" (HLP) mit umfangreichen Einsatzmöglichkeiten beschrieben. Ein HLP kann mit einer ausgedehnten Lichtquelle durch eine Seitenkante sehr platzsparend beleuchtet werden und zeigt trotzdem eine hohe Wi edergabeq ual i tat .

Andere Lösungen zur kompakten Strahlführung beschreibt z.B. das japanische Patent JP002000162995 AA. Dort wird eine treppenförmige transparente Platte vor dem Hologramm eingesetzt, in die seitlich eine Lichtquelle eingekoppelt wird. Die Beleuchtungsführung geschieht hier durch Totalreflektion an der Innenseite der Beleuchtungsplatte.

Nachteile bestehender Verfahren

Trotz der geschilderten Vorteile des HLP-Designs (WO 95/04294) und der darauf beruhenden weiteren Anwendungen ist das Fertigungsverfahren extrem aufwendig. Ein großes Problem bei der Fertigung holographischer Materialen ist es die Korndichte und Korngröße der Silberhalogenidkristalle zu kontrollieren. Diese Parameter wirken sich direkt auf die Empfindlichkeit, die Schichtschrumpfung nach der Entwicklung und die Brechwerte des Materials aus. Trotz der Verbesserungen ist die beim HLP-Design geforderte Genauigkeit der Film- und Trägermaterialen hinsichtlich der Brechwerte mit den üblichen nass-chemischen Verfahren nur schwer zu erreichen.

Ein weiterer prinzipieller Nachteil besteht in der seitlichen Einfädelung des Lichtstrahls. Eine in der Fläche gleichmäßige Ausleuchtung eines Holgramms erfordert hier eine sorgsam abgestimmte Variation des Beugungswirkungsgrades über den gesamten Streckenverlauf in der Emulsion, auch hier wirken sich kleine Fertigungstoleranzen schnell negativ aus. Ist z.B. der Beugungswirkungrad am Anfang zu stark, bleibt nicht genug Licht für die Rekonstruktion des hinteren Hologramm-Teils übrig. Ein insgesamt geringer Beugungswirkungrad behebt zwar dieses Probelm, führt aber zu einer geringen Ausnutzung der Lichtquelle. Schwankungen im Beugungswirkungsgrad sind bei der Hologrammproduktion jedoch unvermeidlich.

Zudem ist für die Anfertigung von HLP's der Einsatz großflächiger Laminierungsschritte nötig, bei dem z.B. Lufteinschlüsse vermieden werden müssen. Schließlich ist die Kontrolle über den Referenzstrahl

nach der Fertigung sehr beschränkt, d.h. fehlerhafte Ausrichtungen lassen sich nicht mehr korrigieren. Zur Zeit finden sich trotz Anmeldung des Patents im Juli 1994 keine HLP's zur Hologrammwiedergabe am Markt.

Der größte Nachteil des japanischen Patents JP002000162995 AA (und ähnlicher Patente) ist die störende optische Wirkung der transparenten Beleuchtungs-Platte, die für Bildhologramme wegen der prismenartigen Verzerrung nicht akzeptabel sein kann. Für andere Zwecke (Beleuchtungtechnik) kann das Verfahren durchaus sinnvoll sein.

Aufgabe der Erfindung ist die einfache Herstellung von Hologrammen mit kompakter Beleuchtung sowie passender Wiedergabevorrichtungen. Dabei sind folgende Punkte von entscheidender Bedeutung:

• Der Strahlweg des Hologrammobjekts zur Wiedergabe (im folgenden kurz "Objekt") soll so kompakt sein, dass dieser innerhalb des Objekts aufgebaut werden kann, ohne dessen Ausmaße wesentlich zu vergrößern.

• Die Lichtquelle (z.B. Laser, LED) soll ohne aufwendige Optik in das Objekt integrierbar sein, bei Bedarf einschließlich der Stromversorgung.

• Eine dynamisch schaltbare selektive Beleuchtung verschiedener Hologrammbereiche oder eine Beleuchtung unter verschiedenen Winkeln soll leicht realisierbar sein.

• Der Referenzstrahl soll nicht unbeabsichtigt aus dem Objekt austreten können.

• Der Referenzstrahl soll gegen Berührung oder Manipulation gesichert werden können, ohne die Sicht auf das im Objekt eingebaute Hologramm einzuschränken.

• Eine einfache und für Massenproduktion geeignete Herstellungsmethode für das benötigte Hologramm soll passend zur Wiedergabegeometrie im Objekt möglich sein.

Lösung des Aufgabe

Wie schon dargestellt, lassen sich die geometrischen Bedingungen bei der Wiedergabe von

Hologrammen nur durch die Aufnahmegeometrie einstellen. Die vorgestellte Lösung umfasst daher zwei Aspekte, die unter den Punkten Hologrammaufnahme und Hologrammwiedergabe gesondert beschrieben werden.

Zunächst wird unter dem Punkt Hologrammaufnahme eine Anordnung beschrieben, mit der

Hologramme mit einem beliebig steilen Beleuchtungswinkel hergestellt werden können.

Die Lösungen der Probleme bei der Wiedergabe dieser Hologramme werden gesondert im Punkt

Hologrammwiedergabe beschrieben.

Hologrammaufnahme

In Anspruch I wird ein Verfahren zur Herstellung winkelreduzierter Hologramme beschrieben. Der Aufbau (siehe auch Ausführungsbeispiel) besteht aus einem Adapterblock, der eine kleine Drehung des Holographiefilms bei der Aufnahme innerhalb dieses Blockes erlaubt. Da innerhalb des Blocks überall nahzu der gleiche Brechwert vorherseht, werden keine Mehrfachreflektionen ausgelöst. Dies kann durch zwei gegeneinander um 180 Grad verdrehte transparente Plexiglaskeile erreicht werden, in

die der Film mit einer Flüssigkeit gleichen Brechwerts eingelegt wird. Der Film ist nun um den Keilwinkel gegen die parallelen Außenseiten der Keile verdreht. Der gesamte Block wird wie eine normale Hologrammplatte verwendet, das heisst der Referenzstrahl fällt im Brewsterwinkel auf die Außenseiten. Daher treten keine Reflektionen beim Strahldurchgang auf.

Die leichte Drehung des Films innerhalb des Blocks entspricht einer entgegengesetzten Drehung des internen Referenzstrahlwinkels. Da jeder Strahl beim Eintritt in ein dichteres Medium zum Lot hin gebrochen und somit reduziert wird, entsprechen Drehungen des internen Winkels immer wesentlich größeren Drehungen des externen Winkels. Dieser Effekt wird für große Winkel (gemessen zur Filmnormale) maximal. Für die anschließende Rekonstruktion der Platte ohne Adpaterblock ist daher ein wesentlich steilerer externer Winkel nötig, um den bei der Aufnahme benutzen internen Winkel wiederherzustellen und die Rekonstruktion des Hologramms zu ermöglichen. Für das aufgenommene Objekt spielt dagegen die kleine Verdrehung kaum eine Rolle, da die Hauptbeobachtungsrichtung senkrecht zur Hologrammebene liegt und die hier auftretenden externen änderungen minimal sind. Verzerrungen bei der Wiedergabe des Objektes treten daher nicht auf.

Die leichte Rest- Verkippung des Objekts bei der Wiedergabe kann durch eine entgegengesetzte Verkippung bei der Aufnahme kompensiert werden.

Hier eine kurze Herleitung der quantitativen Größen ausgehend vom Snellius'schen Brechungsindex:

Für Glas und Gelatine ist n ₂ ι circa 1 ,5 , die Winkel werden zum Lot der Grenzfläche zwischen der Luft-Glas-Ebene gemessen. Die übliche Referenzstrahl-Beleuchtung unter dem Brewsterwinkel von 57 Grad führt zu einem internen Winkel von:

Um (57 Grad ) ß _/ ,, _r „„„-= ^ar csin '34 Grad

1,5

Die interne Differenz δ ß für zwei Strahlenbündel mit den externen Winkeln α, α ₂ beträgt:

Mit a ₂ =57 Grad , n _2\ = \ ,5 ergibt sich also für die nötige Verdrehung zur Erzeugung des winkelreduzierten Hologramms:

Für das theoretische Maximum eines Einfallwinkels von 90 Grad zur Hologramm-Normalen beträgt der interne Verdrehungswinkel nur 7,81 Grad. Für praktikable Werte von z.B. 80 Grad ( 10 Grad zur Hologrammebene) reicht eine Verdrehung um ca. 7 Grad aus. Der Block muss bei der Aufnahme so orientiert werden, daß die Verkippung den Winkel zwischen dem Referenzstrahl und dem Film

verkleinert.

Wird also eine Aufnahme mit einem solchen Adapterblock mit einer internen Verdrehung von z.B. 7 Grad vorgenommen, liegt der externe Rekonstruktionswinkel der damit hergestellten Hologramme bei 10 Grad zur Hologrammebene, was extrem kompakte Aufbauten zur Wiedergabe ermöglicht!

Die notwendige Dicke des Adapterblocks entspricht bei 7 Grad interner Verdrehung nur dem 0, 12- fachen der Filmlänge in Beleuchtungrichtung (tan (7 G/m/)*«0, 12) , so daß keine änderungen von Standardaufbauten zur Hologrammkopie oder -aufnähme notwendig sind.

Hologrammwiedergabe

In Anspruch 2 wird die Wiedergabevorrichtung beschrieben. Anstatt das Hologramm unter einem externen Winkel von ca. 33 Grad zur Hologrammebene zu beleuchten, kann der Winkel zur Wiedergabe drastisch reduziert werden. Durch eine geeignete über Spiegel gefaltete Strahlführung vor oder hinter der Hologrammebene lässt sich dadurch ein sehr kompakter Aufbau der Strahlführung erreichen.

Mögliche Nebeneffekte bei der Wiedergabe werden mit den in den Unteransprüchen 1.1 , 1.2 beschriebenen Verfahren beseitigt:

• Verluste durch Reflektion an der Vorderseite der Hologrammplatte werden in Kauf genommen oder durch eine geeignete Entspiegelung unterdrückt. Das an der Vorderfläche reflektierte Licht wird innerhalb der Anordnung wieder aufgefangen und absorbiert. Bei einem Winkel von 10 Grad zur Glasfläche liegt der reflektierte Anteil für geeignete Polarisation bei ca. 50% [Quelle: Bergmann- Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3, Optik, S.457]

• Mögliche Mehrfachreflektionen in der Hologrammplatte (Reflektion, Streuung, Totalreflektion) werden durch Schwärzung oder spektral angepasste Einfärbung der Rückseite des Hologramms unterdrückt.

Vorteile

Mit dem neuen Wiedergabe- und Aufnahmeverfahren ergeben sich viele Vorteile für die Nutzung und Produktion von Hologrammen:

Zunächst können alle Standardverfahren der Holographie unter Zuhilfenahme des Adpaterblocks aus Anspruch 1 für die Herstellung von Hologrammen mit winkelreduzierter Wiedergabe genutzt werden. Für die Hologramm-Industrie, Künstler oder Amateure bedarf es nur eines geringen Mehraufwandes um auf die neue Technik umzusteigen. Neben der Nutzung für die Herstellung von Reflektionshologrammen ist die Technik auch für die Herstellung von Transmissionhologrammen und Regenbogenhologrammen geeignet.

Durch die Brechung des Lichtstrahls beim Eintritt in die Glasplatte ist der Unterschied im internen Winkel bzgl. eines normal rekonstruierten Hologramms gering. (So ändert sich der interne Winkel nur um 7 Grad, wenn der externe Winkel von 33 Grad auf 10 Grad zur Hologrammebene reduziert wird,

siehe oben). Daher bleiben die Wiedergabeeigenschaften des Hologramms (spektrale Selektivität, Winkelselektivität, Beugungswirkungsgrad) nahezu identisch.

Die so gefertigten Hologramme können nun mit kompakter Strahlführung und eingebauten Lichtquellen wie z.B. LED's oder Laserdioden ausgestattet werden, die versteckt im Rahmen untergebracht sind. Für den Rahmen ist das Verhältnis der Länge zur Rahmenstärke leicht auf 10/1 reduzierbar, d.h. ein 20 cm grosses Hologramm benötigt lediglich einen 2 cm dicken Rahmen, um den Strahlweg und die Beleuchtung zu kapseln. Bei großen Hologrammen ist ein im Verhältnis dickerer Rahmen akzeptabel, denn ästhetisch entscheidend ist das Seitenverhältnis und nicht die absolute Rahmenstärke.

Im Gegensatz zu anderen Lösungen bei denen die Beleuchtung z.B. in einem transparenten Medium mittels Totalreflektion geführt werden muss, bleiben die Hologramme auch bei sehr großen Formaten hinreichend leicht. Zudem entfallen auch die Kosten für z.B. extrem dicke Plexiglasplatten. Eine gekapselte Strahlführung (siehe Anspruch 2.1) bietet gerade bei Laser- oder LED-Beleuchtung einen entscheidenden Sicherheitsvorteil, daher kann jetzt hier die Beleuchtungsstärke stark erhöht werden, ohne den Betrachter zu gefährden. Dies ist gerade für Anwendungen im Tageslichtbereich sehr wichtig, da Hologramme bisher meist nicht ausreichend hell dargestellt werden konnten. Durch den notwendig steilen Rekonstruktionswinkel ist zudem das Problem der ungewollten Rekonstruktion des Hologramms durch externe Fremdlichtquellen gelöst, denn solche extrem schräg einfallenden Lichtstrahlen lassen sich leicht (durch die Randblenden) abfangen. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil bei der Nutzung von Hologrammen in normal beleuchteten Bereichen dar und eröffnet die Möglichkeit, solche Hologramme z.B. als Ersatz für Verkehrshinweisschilder, Warnschilder, Stadtoder Gebäudepläne einzusetzen.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die verbleibende Freiheit für die Feinjustage des Referenzstrahls. Produktionsbedingte Abweichungen der Wiedergabewellenlänge des Hologramms können durch änderung des Rekonstruktionswinkels kompensiert werden. Zudem ist es möglich mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Richtungen für die Wiedergabe zu verwenden oder verschiedene Hologrammbereiche auszuleuchten. So können mehrfachbelichtete Hologramme verschiedene Ansichten durch geschaltete Lichtquellen wiedergeben um z.B. filmähnliche Bewegungsabläufe zu zeigen. Teile des Hologramms können selektiv beleuchtet werden um z.B. in der Integration mit anderen Geräten Betriebszustände zu signalisieren (z.B. Fronten für Computer, Multimediageräte etc.). Hier ist die Kombination mit Abstandsdetektoren möglich, um z.B. dreidimensionale Ein/Ausknöpfe zu simulieren. Mit mehreren Lichtquellen ist zudem auch eine redundante Beleuchtung möglich, was z.B. bei Warnschildern im Verkehrsbereich entscheidend ist. Schließlich können auch integrierte Projektoren statt einfacher Lichtquellen zur Beleuchtung verwendet werden, so daß die Anordnung ganz oder teilweise als flacher Projektionsbildschirm dienen kann.

Ausführungsbeispiele

Zeichnung 1 zeigt eine einfache Wiedergabevorrichtung. Der Strahlweg beginnt auf der Unterseite des Hologramms innerhalb des unteren Rahmenteils. Die hier angebrachte Lichtquelle wird an Spiegel 1 umgelenkt und leuchtet den im oberen Rahmenteil angebrachten Spiegel aus. Dieser reflektiert den Lichtstrahl auf das Hologramm, wobei der Strahl mit der Hologrammfläche einen Winkel von 10 Grad einschließt. Der an der Vorderseite des Glases oder der Filmfolie reflektierte Anteil fällt wieder in den

unteren Teil des Rahmens, wo er durch ein Stück schwarze Textilklebefolie absorbiert wird. Der in die Hologrammplatte einfallende Anteil wird zum Lot hin gebrochen und trifft auf der Rückseite der Platte auf die Filmemulsion und rekonstruiert das Hologramm. Der nicht zur Rekonstruktion benutzte Restanteil wird in der hintersten Lage durch eine aufgebrachte Färb- oder Schwärzungschicht absorbiert. Falls das Hologramm durchsichtig für dahinterliegende Objekte sein soll, kann man hier eine nur für die benutzte Wellenlänge selektive Farbfolie oder einen in die Gelatine eingebrachten selektiven Farbstoff benutzen, ansonsten ist eine Schwärzung ausreichend. Der Spiegel S kann als Hohl- oder Zylinderspiegel ausgeführt werden, um eine ebene Welle zur Verfügung zu stellen. Weitere Strahlformungselemente (Linsen, Fresnellinsen, Zylinderlinsen, holograpische Gitter) können zur Verbesserung der Ebenheit der Welle oder zur besseren Ausleuchtung in den Strahlverlauf eingebracht werden.

Zeichnung 2 zeigt eine mögliche Aufnahmevorrichtung. Es handelt sich hier um zwei transparente Keile (z.B. Plexiglas) die um 180 Grad verdreht aufeinandergelegt werden. Der Keilwinkel beträgt 7 Grad. Eine am unteren Keil zusätzlich angebrachte Auffangschale dient als Reservoir für die Index- Matching-Flüssigkeit. Am oberen Keil ist dazu passend ein verbreiterter Rand angebracht, der verhindert das Index-Matching-Flüssigkeit vom Auffangvolumen auf die obere Fläche gelangen kann. Der zu diesem Rand passende O-Ring auf der Oberseite der Auffangschale dient der Abdichtung. Der Film wird auf den unteren Keil gelegt, wobei eine passgenaue Ausfräsung das Verrutschen der Filmplatte oder Folie verhindert. Anschließend wird der zweite Keil aufgelegt, dabei wird die Flüssigkeit nach oben verdrängt und füllt daher das gesamte Spaltvolumen auf. Der obere Keil wird nun mit Halteklammern fixiert.

Die Aussenflächen der beiden Keile verlaufen parallel zueinander, so das die ganze Anordnung wie bei nonnalen Hologrammaufnahmen im Brewsterwinkel in den Referenzstrahl gebracht werden kann. Das Objektlicht fällt wie bei herkömmlichen Aufnahmeanordnungen in die Hologrammebene, dies kommt entweder direkt vom aufzunehmenden Objekt oder wird durch ein normales Masterhologramm erzeugt. Nach der Aufnahme wird der Film entnommen, von ölrückständen gesäubert und entwickelt.

Zeichnung 3 zeigt eine Beleuchtungs- Anordnung für eine vom Betrachter aus gesehen hinter dem Hologramm angebrachte Beleuchtung unter Minimierung des an der Vorderseite des Trägermediums austretenden Anteils des Referenzstrahls, der in dieser Form gleichermassen für Reflektions- wie Transmissionshologramme verwendbar ist. Zunächst wird der Strahl verlauf für das Reflektionshologramm beschrieben. Der Referenzstrahl R tritt über die entspiegelte rechte Seite (Entspiegelungsschicht S,) in das Sandwich ein, dabei wird eine geringer Anteil reflektiert. Nach dem Durchlaufen der Trägerschicht G (Glas, Kunststoff) durchläuft der Strahl die holographische Emulsion E, ohne das Hologramm rekonstruieren zu können, da die Braggbedingung nicht erfüllt ist. Nach dem Durchlaufen der zweiten Trägerschicht G trifft der Strahl auf die Multilayer-Verspiegelung S _2. die auschließlich für die Reflektion sehr flacher Strahlen optimiert ist. Der größte Anteil der Referenzsstrahls wird reflektiert. Ein kleiner Anteil wird nicht reflektiert sondern tritt in Richtung des Betrachters aus dem Sandwich unter einem steilen Winkel aus. Der reflektierte Strahl durchläuft auf dem Rückweg wieder die Trägerschicht G und dann die Emulsion E, wobei die holographische Darstellung S nun nach links rekonstruiert wird. Nach dem Durchlaufen der nächsten Trägerschicht tritt der Strahl bis auf einen geringen reflektierten Anteil aus dem Sandwich aus. Aufgrund der Reflektions von ca. 50% bei den hier verwendeten flachen Winkeln kann die Ver- und Entspiegelung Si und S ₂ auch wegelassen werden, sie optimiert lediglich die Helligkeit und mindert den austretenden Restanteil Rp. Alternativ können auch eine oder mehrere transparente Platten mit Luftspalt auf der linken Seite der Anordnung den gleichen Zweck erfüllen (siehe Zeichung 4 und Beschreibung). Der Strahlweg für das

Transmissionshologramm verläuft ähnlich, nur das die Rekonstruktion schon auf dem Hinweg des Strahls erfolgt.

Zeichnung 4 zeigt eine alternative Anordnung unter der Verwendung einer transparenten Glasplatte in Sichtlinie zwischen Betrachter und Hologramm. In Variante A wird die Glasplatte G zur Ablenkung des Strahls der Lichtquelle L auf das Hologramm H benutzt. Durch diese Anordnung halbiert sich nochmals die zur Führung des Strahls notwendige Dicke der Gesamtanordnung. Der Rückseite des Hologramms kann geschwärzt werden, um den austretenden Referenzstrahl zu absorbieren. In Variante B wird die Platte von hinten beleuchtet, die Rekonstruktion erfolgt bei Reflektionshologrammen mit dem an der Frontseite der Hologrammplatte reflektierten Anteil. Der nicht reflektierte Anteil fällt auf die Glasplatte G und wird nochmals auf das Hologramm gelenkt. Durch geeignete Entspiegelung der Hologramm vorder- und/oder Rückseite sowie einer zusätzlichen Verspiegelung für flache Winkel der Glasplatte G kann der zur Wiedergabe genutzte Lichtanteil nochmals gesteigert werden. Elemente zur Strahlformung (Linsen, Spiegel) der Lichtquelle können integriert werden und steigern die Wiedergabequalität und Helligkeit, sind jedoch nicht zwingend notwendig.

Zeichnung 5 zeigt den Aufbau eine nahtlos kachelbaren Hologramms. Mithilfe der Wiedergabegeometrie aus Zeichnung 3 können sowohl Reflektionshologramme als auch Transmissionshologramme eingesetzt werden, oder es werden einfache winkelreduzierte Transmissionshologramme verwendet. Die Lichtquelle L wird mithilfe der Zylinderlinse Z fokussiert und tritt auf den Spiegel S, der den Lichtstrahl auf das winkelreduzierte Hologramm lenkt. Der Spiegel S kann als Zylinder- oder Hohlspiegel ausgeführt sein. Geeignete alternative Beleuchtungssysteme sind gleichwertig einsetzbar. Da alle Lichtführungs-Elemente auf der dem Betrachter abgewandten Seite liegen, verdecken sie nicht die holographische Darstellung. Entsprechend aufgebaute Einzelelemente lassen sich nun nahtlos aneineinader fügen (siehe Zeichnung 5, zweite und dritte Spalte), eine geeigente mechanische Befestigung kann von hinten oder durch die Montage auf eine transparente Platte erfolgen. Mehrere Einheiten überspannende holographische Darstellungen werden aus entsprechend hergestellten Einzeldarstellungen kombiniert. Dabei müssen eventuell auftretende Verzerrungen durch eine ungleichförmige Ausleuchtung schon bei der Aufnahme der Hologramme berücksichtigt und kompensiert werden. Dies ist durch bei der Erstellung von computergenerierten Hologrammen leicht möglich. Die Feinjustage der gegenseitigen Lage kann durch die Veränderung der Position der einzelnen Lichtquellen erfolgen, so daß sich insgesamt eine über die Einzelteile ausgedehnte, zusammhängende Darstellung ergibt. Es ist auch möglich nur die Beleuchtung hinter dem Sandwich zu kacheln, und das Hologramm in einem Stück auszuführen, um so eine eventuell aufwendige Positionierung der Einzelhologramme zu vermeiden.

Zeichung 6 zeigt die Möglichkeit dreidimensionale Multiplexhologramme (Hologramme bei denen beispielsweise ein Filmablauf in ,die Winkel holographischen Darstellung kodiert ist, dies geschieht durch selektive Belichtung des Hologamms mit Einzelbildern) zu animieren, ohne das der Benutzer seine Position bezüglich des Hologramms verändern muss. Dazu ist es notwendig den Referenzstrahl zum Beispiel zeitgesteuert zu verändern. Durch die Veränderung des Referenzstrahls ändert sich die perspektivische Ausrichtung des dargestellten Objekts, so dass ein Betrachter mit jedem neuen Referenzstrahlwinkel jeweils eine neue Perspektive zu sehen bekommt. Normale Hologramme zeigen dabei eine Drehung des Objekts. Multiplexhologramme können dagegen beliebige zwei- oder dreidimensionale Sequenzen zeigen. Die Animation kann in einfacher Weise durch das Umschalten von Lichtquellen, die in einer Reihe (Lichtquellenarray LL) unterhalb einer Zylinderlinse Z angeordnet

sind, geschehen. Der Spiegel S lenkt das Licht auf das Hologramm SH. Alternative Möglichkeiten bestünden im motorisierten Verkippen des Spiegels, der Anbringung einer galvanischen Spiegel Scanners im Strahlweg der Lichtquelle, einem Aukusto-Optischen Modulators im Lichtstrahl, einem räumlichen Verfahren der Lichtquelle und ähnlicher Methoden (Drehspiegeln, Drehprismen, bewegliche Linsen).

Zeichung 7 zeigt die Verwendung winkelreduzierter Hologramme zum Aufbau flacher, dynamischer dreidimensionaler Bildschirme. Hierbei werden die Bilder verschiedener Bildprojektoren (zum Beispiel Computerbeamer) unter einem flachem Winkel auf das winkelreduzierte Hologramm projeziert. Jeder Projektor hat dabei ähnlich wie bei den Lichtquellen des animierten Hologramms (siehe Beschreibung zu Zeichnung 6) einen leicht anderen Einfalls-Winkel. Benutzt man als Hologramm eine geeignete Darstellung senkrechter schmaler Streifen, wird jedes Bild eines Bildgebers in eine gegen das nächste Bild versetzte Richtung projeziert, wobei die Winkelausdehnung jeder Projektion durch die Streifenbreite bestimmt wird. Bei geeigneter Auswahl des Streifenmusters und der Winkel der Bildgeber werden die einzelnen Projektorbildern je nach Betrachtungswinkel in zyklischer Reihenfolge wiederholt auftreten. In geeignetem Abständen erhält so das linke und das rechte Auge des Betrachters zwei unterschiedliche Bilder. Wird jedem Projektor einer passende Perspektive einer dreidimensionalen Szene zugeordnet, wird so für den Betrachter ein dreidimensionales Bild sichtbar. Die Erzeugung dynamischer Bilder kann zum Beispiel durch je einen Rechner pro Projektor erfolgen, der die jeweilige Perspektive in Echtzeit berechnet und durch eine geeignete Grafikkarte darstellt. Eine Registrierung der Handbewegungen des Benutzers kann zur Simulation einer Interaktion des Benutzers mit den dargestellten dreidimensionalen Gegenständen verwendet werden.

Altenativ kann ein intensitätsmodulierendes, transparentes Display auf der Vorserseite eines animierten Streifenhologramms aufgebracht werden. Das Hologramm sendet Lichtstrahlen in einer zeitlichen Abfolge in unterschiedliche Raumrichtungen. Die Darstellung des Displays kann synchron zum Umschalten der Beleuchtungsrichtungen die verschiedenen Perspektiven anzeigen und so ebenfalls eine dynamische dreidimensionale Darstellung erzeugen.

Zeichnung 8 zeigt eine mögliche Anordnung zur direkten Erstellung computergenerierter winkelreduzierter Hologramme durch schrittweises Belichten des Aufnahmediums. Der Aufbau zur Erreichung der Winkelreduktion ist analog zu Zeichnung 2 und Beschreibung, mit dem Unterschied, das das Aufnahmemedium beweglich zwischen den Prismen A und B angebracht ist. Der beschriebene Aufbau dient bei Verwendung des Referenzstrahls R _R der Erzeugung von Reflektionshologrammen, Transmissionhologramme erhält man durch Beleuchtung des Aufnahmeorts mit dem Referenzstrahl R _x durch das Prisma B.

Laserlicht wird durch ein bildgebendes System (zum Beispiel durch ein LCD-Display) moduliert und durch eine geeignete Optik O zum Signalstrahl S umgeformt. Der Signalstrahl S durchdringt dann das Prisma B und trifft auf den Aufnahmeort. Der Referenzstrahl R wird unter dem Brewsterwinkel auf das Prisma A gelenkt und trifft ebenfalls den Aufnahmeort. Beide Strahlen wurden zuvor in üblicher Weise mithilfe eines Strahlteilers und geeigneter optischer Aufbereitung aus einem Laser gewonnen, so daß sie kohärent zueinander sind und so ein Hologramm im Aufnahmemedium schreiben können. Das Aufnahmemedium selbst befindet sich in der Wanne W, die mit einer Flüssigkeit zur Anpassung des Brechungsindexes IM aufgefüllt ist. Der übergang zwischen Prisma B und der Wanne ist so abgedichtet, das keine Flüssigkeit austreten kann. Ein geeignetes xy-Verfahrsystem innerhalb der Wanne W bewegt das Aufnahmemedium M nach jeder Belichtung zum nächsten Aufnahmeort (das xy- Verfahrsystem ist hier der übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).

Zeichung 9 zeigt eine beispielhafte Geometrie zur beliebigen steuerbaren Wiedergabe unterschiedlicher Hologramme mit verschiedenen Referenzstrahlen. Beim Multiplexing dünner Hologramme - wie sie die meisten holographischen Aufnahmemedien mit Dicken zwischen 5 - 50 μm darstellen - benötigt man stark unterschiedliche Braggwinkel zur klaren Trennung der Wiedergabe der Einzelhologramme. Dies ist bei der beispielhaften Konstruktion berücksichtigt. Vier senkrecht auf die Rückseite des winkelreduzierten Hologramms aufgeklebte schmale Spiegelstreifen reflektieren jeweils das Licht der Lichtquellen A, B, C und D unter einem flachen Winkel auf das Hologramm. Die Strahlverlängerung mittels der Spiegelstreifen verringert die Divergenz. Jede andere geeignete Strahlführung ist jedoch ebenso einsetzbar. Mithilfe der Konstruktion lassen sich vier völlig unterschiedliche Hologramme selektiv oder gemeinsam mit beliebiger Einzelintensität darstellen. Damit lassen sich zum Beispiel verschiedene Zustände in Sinne einer Signaldarstellung anzeigen. Kodiert man stattdessen in drei Kanäle der vier Kanäle die Farben rot, grün und blau einer insgesamt farbigen Darstellung, ist ein perfekter Weißabgleich durch die Regelung der drei Lichtquellen möglich.