DE102021132521A1 - Arrangement for recording short-term holograms - Google Patents
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Abstract
Anordnung zur Aufnahme von Kurzzeithologrammen bewegter Objekte in Heterodyntechnik, bestehend ausa) einem Lasersystem, das kohärente Licht mit einer ersten Frequenz (ω1) emittiert,b) mit einem Strahlteiler, der den kohärenten Lichtimpuls zur Objektbeleuchtung und einen zweiten um eine Differenzfrequenz (Δω > δω) frequenzverschobenen Referenz-Lichtimpuls erzeugt,c) mit einem ersten Strahlengang, bei der Referenz-Lichtimpuls (ω+Δω) als ebene Welle schräg unter einem Einfallswinkel (αLO), gemessen gegen die optische Achse auf einen Sensor fällt,d) mit einem zweiten Strahlengang zur Beleuchtung eines Objekts mit dem kohärenten Lichtimpuls erster Frequenz,e) mit einem Raumfrequenzfiltersystem, das dafür sorgt, dass vom Objekt rückgestreute Lichtstrahlen mit einem maximalen Winkel αmaxmit αmax< αLOauf den Bildsensor treffen.Arrangement for recording short-term holograms of moving objects using heterodyne technology, consisting ofa) a laser system that emits coherent light with a first frequency (ω1),b) with a beam splitter that splits the coherent light pulse for object illumination and a second one by a difference frequency (Δω > δω ) generates a frequency-shifted reference light pulse,c) with a first beam path, in which the reference light pulse (ω+Δω) falls as a plane wave obliquely on a sensor at an angle of incidence (αLO), measured against the optical axis,d) with a second Beam path for illuminating an object with the coherent light pulse of the first frequency,e) with a spatial frequency filter system which ensures that light rays scattered back from the object hit the image sensor at a maximum angle αmaxwith αmax<αLO.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Aufnahme von Kurzzeithologrammen bewegter Objekte in Heterodyntechnik gemäß Gattung des Anspruchs 1.The invention is based on an arrangement for recording short-term holograms of moving objects using heterodyne technology according to the preamble of
Die Aufnahme von Hologrammen mittels Referenz- und Objektwelle ist hinlänglich bekannt.The recording of holograms using reference and object waves is well known.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Hologrammaufnahmetechnik im Hinblick auf bewegte Objekte weiterzuentwickeln.The object of the invention is to further develop the hologram recording technique with regard to moving objects.
Die Aufgabe wird durch die Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.The object is solved by the arrangement according to
Vorteilhaft wird eine Anordnung zur Aufnahme von Kurzzeithologrammen bewegter Objekte in Heterodyntechnik vorgeschlagen, bestehend aus
- a) einem Lasersystem, das kohärente Lichtimpulse mit Kreisfrequenz ω und spektraler Bandbreite δω < 2π/ Δt emittiert,
- b) einem Strahlteiler, der einen ersten Strahl zur Objektbeleuchtung und einen zweiten um Δω > δω frequenzverschobenen zweiten Strahl zur Referenz erzeugt,
- c) einem ersten Strahlengang bei der Lichtfrequenz ω+ Δω, der als ebene Welle schräg unter dem Winkel αLO, gemessen gegen die optische Achse auf den Sensor fällt,
- d) einem zweiten Strahlengang zur Beleuchtung eines Objekts mit einer Lichtfrequenz ω,
- e) einem Raumfrequenzfiltersystem, das dafür sorgt, dass vom Objekt rückgestreute Lichtstrahlen mit einem maximalen Winkel αmax mit αmax < αLO auf den Bildsensor treffen.
- a) a laser system that emits coherent light pulses with angular frequency ω and spectral bandwidth δω < 2π/ Δt,
- b) a beam splitter, which generates a first beam for object illumination and a second beam, frequency-shifted by Δω > δω, for reference,
- c) a first beam path at the light frequency ω+ Δω, which falls on the sensor as a plane wave at an angle α LO, measured against the optical axis,
- d) a second beam path for illuminating an object with a light frequency ω,
- e) a spatial frequency filter system, which ensures that light rays scattered back from the object hit the image sensor at a maximum angle α max with α max < α LO .
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the figures.
Es zeigen schematisch:
-
1 eine kohärente Überlagerung einer monochromatischen Objektwelle und einer frequenzverschobenen monochromatischen schräg zur z-Achse laufenden ebenen Lokaloszillatorwelle auf einem CMOS-Bildsensor in der (x,y)-Ebene bei z=0, -
2 Schematische Darstellung verschiedener Raumfrequenzspektren, -
3 eine bi-chromatische Entfernungsmessung, -
4 eine mono-chromatische Entfernungsmessung, -
5 eine alternative mono-chromatische Entfernungsmessung, -
6 ein Beispiel einer bi-chromatischen Entfernungsmessung gemäß3 , -
7 ein Beispiel mit einer Raumfrequenzfilterung mit Hilfe von Blenden.
-
1 a coherent superposition of a monochromatic object wave and a frequency-shifted monochromatic plane local oscillator wave running obliquely to the z-axis on a CMOS image sensor in the (x,y) plane at z=0, -
2 Schematic representation of different spatial frequency spectra, -
3 a bi-chromatic distance measurement, -
4 a mono-chromatic distance measurement, -
5 an alternative mono-chromatic distance measurement, -
6 an example of a bichromatic distance measurement according to3 , -
7 an example with spatial frequency filtering using apertures.
Kerngedanke der Erfindung ist es eine kohärente heterodyn-holographische Überlagerung eines optischen Wellenfeldes und einer schräg einfallenden ebenen Referenzwelle mit einer Detektion und Rekonstruktion des WellenfeldesThe core idea of the invention is a coherent heterodyne-holographic superimposition of an optical wave field and an obliquely incident planar reference wave with a detection and reconstruction of the wave field
In
Die elektrische Feldstärke der sich unter den Winkeln (αx, αy) mit
Das Überlagerungsfeld in der Sensorebene z = 0 ist bis auf einen Phasenfaktor gegeben durch
Die Intensität I(x, y, t) als zeitgemittelte optische Energieflussdichte durch die Fläche z = 0 ist proportional zum Betragsquadrat der elektrischen Feldstärke. In nichtmagnetischen Materialien gilt mit Brechungsindex n0, Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 und Dielektrizitätskonstante ε0 ganz allgemein die Beziehung I(x,y,t) = n0c0ε0 |E|2 und damit folgt
Die ersten beiden Terme sind zeitlich konstant. Der interessante dritte Term beschreibt die kohärent-heterodyne Überlagerung der Objektlichtwelle mit der frequenzverschobenen ebenen Lokaloszillatorwelle und liefert ein Hochfrequenzsignal dessen Phase identisch ist mit der Phase der Objektlichtwelle und dessen Amplitude durch die Lokaloszillatoramplitude ELO eingestellt werden kann.The first two terms are constant in time. The interesting third term describes the coherent-heterodyne superimposition of the object light wave with the frequency-shifted planar local oscillator wave and supplies a high-frequency signal whose phase is identical to the phase of the object light wave and whose amplitude can be adjusted by the local oscillator amplitude E LO .
Mit Realteil bzw. Inphase-Komponente der gesamten ortsabhängigen komplexen elektrischen Signalfeldstärke
Durch den Detektionsprozess wird die komplexe Amplitudenverteilung der Lichtwelle E0 (x,y,z = 0) exp(-iφ(x,y,z = 0)) in die komplexe räumliche Verteilung des Hochfrequenzsignals „heruntergemischt“ und kann damit vollständig, also nach Betrag und Phase für jeden Punkt in der Sensorebene (x,yz=0) bestimmt werden. Für kleine Differenzfrequenzen Δv < 20 Hz kann die Wechselkomponente unmittelbar mit einer Video-Messkamera ausgewertet werden. Dabei ist zu beachten, dass sich das aufzuzeichnende Interferenzmuster während der Belichtungszeit von mindestens einer Periodendauer T = 1/Δv nicht verändert. Zur Aufzeichnung bewegter Objekte sind folglich deutlich höhere Differenzfrequenzen vorzugsweise um Δv ~ 100 MHz erforderlich, wie sie insbesondere von synchron zeitlich integrierenden active Pixel pmd-CMOS-Sensoren angeboten werden. Diese Sensoren nutzen eine raumzeitliche Modulation der generierten Photoelektronen und liefern für jeden Pixel eine zeitabhängige Charakteristik von Photostrom iph (x,y,t) und auf einen Pixel der Fläche A einfallenden Lichtleistung P(x,y,t) = A I{x, y, t) der Form
Anmerkung: Mit einem klassischen Active Pixel CMOS-Bildsensor mit vorgesetztem Elektroabsorptionsmodulator lässt sich dieselbe Übertragungsfunktion realisieren!Note: The same transfer function can be realized with a classic active pixel CMOS image sensor with an upstream electro-absorption modulator!
Zeitliche Mittelung über m Perioden des Hochfrequenzsignals gemäß
Ohne Objektlicht ist das Signal einfach:
Interessant ist, dass offenbar ein geringer dynamischer Quantenwirkungsgrad η1 durch ein starkes Lokaloszillatorfeld ELO kompensiert werden kann.It is interesting that apparently a low dynamic quantum efficiency η 1 can be compensated by a strong local oscillator field E LO .
Das differentielle Messsignal wächst bei konstanter Feldstärke der Objektwelle proportional mit der Wurzel der Lokaloszillatorintensität
Unter Beachtung von (7) und (8) zeigt sich, dass Real- und Imaginärteil des elektrischen Feldes von Objekt-Lichtwelle und überlagerter Lokaloszillatorwelle einfach aus den gemessenen Sensorsignalen zu bestimmen sind, denn es gilt
Bei stationären Wellenfeldern kann die Messung von Realteil und Imaginärteil der komplexen elektrischen Feldstärke in zwei Schritten zeitlich nacheinander vorgenommen werden. Wenn sich die Verhältnisse zum Beispiel durch Bewegung des Objekts dynamisch ändern, kann die Nutzung von Strahlteilern zur Erzeugung von Replikas von Objekt- und Referenzfeldern Abhilfe schaffen. Bei der Strahlteilung sind allerdings winkelabhängige Verzerrungen in Kauf zu nehmen, die zwar korrigierbar sind, aber doch einen erheblichen materiellen Mehraufwand im Detektionsprozess erfordern und die Methode letzten Endes für praktische Anwendungen nicht besonders attraktiv machen. Deshalb wird im Folgenden gezeigt, wie die Bestimmung der komplexen elektrischen Feldstärke des Objektlichts in der Sensorebene E0 (x, y, z = 0) exp(-iφ(x,y,z = 0)) allein durch Messung der Inphase-Komponente nach Beziehung (17) (oder alternativ aus der QuadraturKomponente (18)) erfolgen kann. Die Methode nutzt Eigenschaften zweidimensionaler analytischer Signale. Ganz allgemein ist das (vx,vy)-Raumfrequenzspektrum des Objektlichts am Ort des Sensors in der Ebene z=0 nach Beziehung (1) bandbegrenzt, denn alle von einem kohärent beleuchteten Objekt ausgehenden Wellen gelangen unter einem endlichen Einfallswinkel deutlich kleiner als 90° auf die endlich große Fläche des Sensors. Mischung mit einer ebenen Referenzwelle mit noch größerem Einfallswinkel, das heißt größerer Raumfrequenz (yxLO ,vyLO), sorgt dafür, dass im Raumfrequenzspektrum des Überlagerungssignals nur Frequenzkomponenten aus dem ersten Quadranten (vxLO > 0,vyLO > 0) von Null verschieden sind. Damit ist das komplexe elektrische Überlagerungsfeld
In
Der mit dem pmd-Sensor in der Ebene z = 0 gemessene komplexe elektrische Feldstärkeverlauf E(x,y,z=0) hängt mit der Feldstärkeverteilung E(x,y,z=z0) in der Ebene z = z0 > 0 über das Beugungsintegral zusammen. In paraxialer Näherung gilt
Dies ist bis auf den konstanten Faktor 1/(iλf) und einen nur von den Koordinaten (x0,y0) abhängigen Phasenfaktor die Fourier-Transformierte der Feldverteilung in der Linsenebene z = 0. Die Intensitätsverteilung in der Fokalebene, also in der Fernfeld-Bildebene ist entsprechend
Die Berechnung der Intensitätsverteilung in anderen Ebenen kann in ähnlicher Weise erfolgen. Aus der gemessenen Feldverteilung E(x,y,z = 0) erhält man sozusagen „nachträglich“ in jeder anderen Bildebene, womit sich das Objekt in seiner gesamten Tiefe rekonstruieren lässt.The calculation of the intensity distribution in other planes can be done in a similar way. From the measured field distribution E(x,y,z = 0) one obtains, so to speak, “subsequently” in every other image plane, with which the object can be reconstructed in its entire depth.
Die kohärente Aufzeichnung optischer Interferenzfelder erfordert in der Regel, dass sich Objekt und Aufnahmesystem nicht bewegen. Genauer gesagt, sollte das aufzuzeichnende Interferenzmuster während der Belichtung nicht verschmieren. In Richtung der optischen Achse, hier also in z-Richtung, sind Verschiebungen
Andererseits führen Bewegungen in Teilen des Objekts mit Geschwindigkeiten von vz = 10 m/s zu Doppler-Frequenzverschiebungen von δv = vvz /c0 = 10 MHz. Solche axialen Geschwindigkeiten lassen sich mit Detektorsystemen erfassen, die auf modifizierte Differenzfrequenzen (Δv + δv) abgestimmt sind.On the other hand, movements in parts of the object with velocities of v z = 10 m/s lead to Doppler frequency shifts of δv = vv z /c 0 = 10 MHz. Such axial velocities can be detected with detector systems tuned to modified differential frequencies (Δv + δv).
Eine Herausforderung ist die Erfassung feiner Strukturen im Interferenzmuster in der (x,y)-Sensorebene, die wesentlich durch die laterale Ausdehnung des beleuchteten Objekts bestimmt ist. Kleinste Strukturen Δx werden generiert von Objektstrahlen, die unter dem größten Winkel Δθ, gemessen zur optischen z-Achse, auf den Sensor fallen. Die Überlagerung dieser Wellen mit der starken axialen Lokaloszillatorwelle erzeugt Muster der Periode Δx = λ/sin Δθ.One challenge is capturing fine structures in the interference pattern in the (x,y) sensor plane, which is largely determined by the lateral extent of the illuminated object. The smallest structures Δx are generated by object rays that fall on the sensor at the greatest angle Δθ, measured to the optical z-axis. The superposition of these waves with the strong axial local oscillator wave produces patterns of period Δx = λ/sin Δθ.
Die dargestellten Überlegungen zeigen, dass Systeme zur kohärenten Bilderfassung schon heute für eindimensionale Einsatzfelder mit nahezu punktförmiger oder nur schwach divergenter Objektbeleuchtung eine interessante Alternative bieten können. Die Systeme zeichnen sich aus durch höchste Empfangsempfindlichkeit, die bis an die Quantenrauschgrenze heranreicht. Die Objektbeleuchtung erfolgt mit geringster Intensität und ermöglicht kleinsten Energieverbrauch. Einhergehend ist höchste Augensicherheit. Neben der Erfassung dreidimensionaler Ortskoordinaten (Erfassung z-Koordinate hier noch nicht diskutiert!) können axiale Geschwindigkeiten ortsabhängig direkt detektiert werden.The considerations presented show that systems for coherent image acquisition can already offer an interesting alternative for one-dimensional fields of application with almost punctiform or only weakly divergent object illumination. The systems are characterized by the highest reception sensitivity, which reaches up to the quantum noise limit. The object is illuminated with the lowest intensity and enables the lowest possible energy consumption. This goes hand in hand with maximum eye safety. In addition to the detection of three-dimensional location coordinates (detection of z-coordinates not yet discussed here!), axial speeds can be detected directly depending on the location.
Die für den nahen Infrarotbereich durchgeführten Analysen sind in vollem Umfang auf den sichtbaren Spektralbereich übertragbar. In allen genannten Bereichen gibt es Diodenlasersysteme hoher elektrisch-optischer Konversionseffizienz von über 30 % und hoher Kohärenzlänge von weit über 100 m. Die für die untersuchte Heterodyntechnik notwendige Frequenzverschiebung lässt sich sehr zweckmäßig durch den Einsatz akusto-optischer Modulatoren realisieren, die auch vorteilhaft zur Erzeugung kurzer optischer Impulse und Impulsfolgen mit minimalen Pulslängen von 5 ns einsetzbar sind.The analyzes carried out for the near infrared range can be fully transferred to the visible spectral range. In all the areas mentioned there are diode laser systems with a high electrical-optical conversion efficiency of more than 30% and a high coherence length of well over 100 m short optical pulses and pulse trains with minimum pulse lengths of 5 ns can be used.
Die Beleuchtung des Objekts erfolgt mit zwei räumlich kohärenten Lichtwellen mit unterschiedlichen Frequenzen ω1 und ω2 aber gleichen Amplituden E10 (x, y, z) = |E1 (x,y, z, t)| und E2 (x,y, z) = |E2 (x,y, z, t)| , wobei die Differenzfrequenz (ω1 - ω2)/2π ≈ 100 MHz typischerweise im Hochfrequenzbereich liegt. Als ebene schräg zur z-Achse laufende Referenz- oder Lokaloszillatorwelle wählen wir
Bei der Kreisfrequenz Δω ist das Signal
Kreuzkorrelation, d.h. Multiplikation mit cos Δωt und Zeitintegration über eine ganze Zahl m von Perioden T = 1/Δω liefert das Signal
Ohne Objektlicht wird das Fotostromsignal nur durch das starke Lokaloszillator-Licht bestimmt
Der Kontrast kann zur präzisen Bestimmung von z0 herangezogen werden, wenn man wie in
Für das gemessene Fotostromsignal gilt entsprechend
Die für punktförmige Objektbeleuchtung dargestellte Methode zur Abstandsmessung lässt sich auf einfache Weise auf eindimensionale Beleuchtungsmuster (Streifen, Striche) und zweidimensionale flächenhafte Beleuchtung erweitern. Für konvexe Objekte bleibt eine ortsaufgelöste Abstandsbestimmung gewährleistet, solange die vom Objekt auf den Sensor treffenden Wellen und die ebene Referenzwelle die Bedingung (1) erfüllen.The distance measurement method presented for punctiform object illumination can easily be extended to one-dimensional illumination patterns (stripes, lines) and two-dimensional areal illumination. A spatially resolved distance determination is guaranteed for convex objects as long as the waves hitting the sensor from the object and the planar reference wave fulfill condition (1).
Wie bereits in Formel (5) dargestellt gilt:
Zur Bestimmung einer Objektdistanzen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Realteil mit einem Sensor zu erfassen, der im Takte der Schwebungsfrequenz Δω das Signal demoduliert.In order to determine an object distance, it is provided according to the invention to detect the real part with a sensor which demodulates the signal in time with the beat frequency Δω.
Im Beispiel gemäß
Der Sensor ist als Synchrondemodulator ausgebildet und arbeitet vorzugsweise nach einem Photonenmischprinzip bzw. PMD-Prinzip und weist ein Array von Lichtlaufzeitpixeln, die die am Sensor anstehende Interferenz der Referenz- und Objektwelle phasensynchron zur Modulationsfrequenz Δω erfassen.The sensor is designed as a synchronous demodulator and preferably works according to a photon mixing principle or PMD principle and has an array of light propagation time pixels that detect the interference of the reference and object waves at the sensor phase-synchronously to the modulation frequency Δω.
Ausgehend von den phasensynchron ermittelten Signalen lassen sich Objektdistanzen ermitteln.Object distances can be determined on the basis of the phase-synchronously determined signals.
Die Modulationsfrequenz Δω wird mit Hilfe eines Modulators erzeugt, der derart ausgebildet ist, dass die Modulationsfrequenz Δω dem optischen Modulator und dem Demodulator phasensynchron oder ggf. verschoben um eine vorgegebene Phasenlage zur Verfügung gestellt wird.The modulation frequency Δω is generated with the aid of a modulator which is designed in such a way that the modulation frequency Δω is made available to the optical modulator and the demodulator in phase synchronism or, if necessary, shifted by a predetermined phase position.
Alternativ zu dieser Frequenzaufbereitung können auch zwei Laser mit zwei unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden.As an alternative to this frequency processing, two lasers with two different frequencies can also be used.
Ein Teil der nach dem ersten akustooptischen Modulator austreten Lichtwellen wird auf einen zweiten akustooptischen Modulator AOM 2 geleitet, der mit einer zweiten Modulationsfrequenz des Modulators 2 betrieben wird. Die Frequenzen der beiden in den AOM2 eintretenden Lichtwellen werden um die Frequenz der anliegenden Modulationsfrequenz verschoben und bilden die Referenzwellen ω1', ω2', die auf den Demodulator gelenkt werden. Die zweite Modulationsfrequenz liegt vorteilhaft in einem von 1 bis 100 MHz und besonders vorteilhaft in einem Bereich von 40 bis 80 MHz. Je nach Ausgestaltung des Demodulators kommen auch höhere Modulationsfrequenzen in Betracht.A portion of the light waves emerging after the first acousto-optical modulator is directed to a second acousto-
Mit dem anderen Teil der aus dem ersten AOM1 austreten Lichtwellen ω1, ω2 wird ein Objekt beleuchten, wobei die vom Objekt reflektierte Objektwellen derart auf den Demodulator gelenkt werden, dass sie dort mit den Referenzwellen interferieren.An object is illuminated with the other part of the light waves ω 1 , ω 2 emerging from the first AOM1, the object waves reflected by the object being directed onto the demodulator in such a way that they interfere with the reference waves there.
Die Überlagerung der beiden Interferenzmuster wird mit Hilfe des Demodulators demoduliert und eine Ortsinformation des Objekts ermittelt.The superimposition of the two interference patterns is demodulated with the aid of the demodulator and location information of the object is determined.
Für die Objektwelle gilt:
Bzw.:
Für die Referenzwelle gilt:
Der pmd-Prozessor führt eine (synchrone) Kreuzkorrelation mit cos(Δωt) durch und liefert pixelweise bis auf eine additive Konstante das ortsabhängige reelle Messsignal proportional zu:
Ein zweiter Prozessor berechnet aus dem Messsignal pixelweise die komplexe Amplitude der elektrischen Feldstärke der Objektwelle in der Sensorebene z = 0 :
Ein weiterer Prozessor berechnet aus der komplexen Amplitude der elektrischen Feldstärke der Objektlichtwelle in der Ebene z = 0 die Propagation der Welle in andere Ebenen, wobei auch optische Elemente wie z.B. Linsen berücksichtigt werden können.Another processor uses the complex amplitude of the electrical field strength of the object light wave in the z = 0 plane to calculate the propagation of the wave into other planes, whereby optical elements such as lenses can also be taken into account.
Hieraus lässt sich folgende Anordnung realisieren:From this, the following arrangement can be implemented:
Anordnung zur Aufnahme von Kurzzeithologrammen bewegter Objekte in Heterodyntechnik, bestehend aus
- a) einem Lasersystem, das kurze, typisch Δt ≈ 100 ns lange kohärente Lichtimpulse mit Kreisfrequenz ω und spektraler Bandbreite δω < 2π/ Δt emittiert, vorzugsweise einer kantenemittierenden Laserdiode mit externem Gitterreflektor.
- b) einem Strahlteiler, der einen ersten Strahl zur Objektbeleuchtung und einen zweiten um Δω > δω frequenzverschobenen zweiten Strahl zur Referenz erzeugt. Der Strahlteiler ist vorzugsweise als akusto-optischer Modulator ausgebildet, der bei der Frequenz Δω ≈ 100 MHz betrieben wird,
- c) einem ersten Strahlengang bei der Lichtfrequenz ω+ Δω, der als ebene Welle schräg unter dem Winkel αLO, gemessen gegen die optische Achse auf den Sensor fällt.
- d) einem zweiten Strahlengang zur Beleuchtung eines diffus reflektierenden Objekts bei der Lichtfrequenz ω.
- e) einem Raumfrequenzfiltersystem, das dafür sorgt, dass vom Objekt rückgestreute Lichtstrahlen mit einem maximalen Winkel amax mit amax < αLO auf den Bildsensor treffen. Das Raumfrequenzfiltersystem wird im einfachsten Fall zweckmäßigerweise durch Blenden realisiert.
- f) einem flächenhaften Bildsensor, vorzugsweise einem CMOS Bildsensor endlicher Größe, dessen Pixelempfindlichkeit sich synchron mit der Frequenz Δω steuern lässt und dessen räumliche Auflösung hoch genug ist, um das Intensitätsüberlagerungsmuster von Referenz- und Objektlicht naturgetreu aufzeichnen zu können. Vorzugsweise wird für diesen Zweck ein pmd-Bildsensor genutzt.
- g) einer ersten und zweiten Prozessoreinheit, die aus dem pixelweise gemessenen reellen Messsignal die pixelweise vorliegende ortsabhängige komplexe Amplitude der elektrischen Feldstärke des Objektlichts in der Sensorebene nach Betrag und Phase generiert.
- h) einer weiteren Prozessoreinheit, die ausgehend von der komplexen Feldverteilung in der Sensorebene die Propagation des Feldes entlang der optischen Achse berechnet. Insbesondere lassen sich damit auch Abbildungen des Objekts berechnen, wenn die Wirkung einer optischen Sammellinse in die Propagation des Feldes numerisch berücksichtigt wird. Sozusagen nachträglich nach Aufnahme des Hologramms und Berechnung der komplexen Feldverteilung der Objektlichtwelle lassen sich damit bei geeigneter Wahl der Bildweite und der Brennweite der numerisch simulierten optischen Linse scharfe Bilder von verschiedenen Tiefenebenen des Objekts erzeugen.
- a) a laser system that emits short, typically Δt ≈ 100 ns long coherent light pulses with angular frequency ω and spectral bandwidth δω < 2π/ Δt, preferably an edge-emitting laser diode with an external grating reflector.
- b) a beam splitter, which generates a first beam for object illumination and a second beam, frequency-shifted by Δω > δω, for reference. The beam splitter is preferably designed as an acousto-optical modulator, which is operated at the frequency Δω ≈ 100 MHz,
- c) a first beam path at the light frequency ω+ Δω, which falls on the sensor as a plane wave at an angle αLO, measured against the optical axis.
- d) a second beam path for illuminating a diffusely reflecting object at the light frequency ω.
- e) a spatial frequency filter system that ensures that light rays scattered back from the object hit the image sensor at a maximum angle amax with amax < αLO. In the simplest case, the spatial frequency filter system is expediently implemented by screens.
- f) an areal image sensor, preferably a CMOS image sensor of finite size, whose pixel sensitivity can be controlled synchronously with the frequency Δω and whose spatial resolution is high enough to be able to record the intensity superimposition pattern of reference and object light faithfully. A pmd image sensor is preferably used for this purpose.
- g) a first and second processor unit, which generates the pixel-by-pixel location-dependent complex amplitude of the electric field strength of the object light in the sensor plane from the real measurement signal measured pixel-by-pixel according to amount and phase.
- h) a further processor unit, which calculates the propagation of the field along the optical axis based on the complex field distribution in the sensor plane. In particular, it is also possible to calculate images of the object if the effect of an optical converging lens on the propagation of the field is taken into account numerically. After the recording of the hologram and calculation of the complex field distribution of the object light wave, so to speak, sharp images of different depth levels of the object can be generated with a suitable choice of the image length and the focal length of the numerically simulated optical lens.
In Analogie zu Videos lassen sich durch Belichtung mit Laserlichtimpulsfolgen Hologrammsequenzen vom Objekt generieren.In analogy to videos, hologram sequences can be generated from the object by exposure to laser light pulse sequences.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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Country | Link |
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-
2021
- 2021-12-09 DE DE102021132521.8A patent/DE102021132521A1/en active Pending
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R163 | Identified publications notified |