DE102021132521A1 - Arrangement for recording short-term holograms - Google Patents

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Karl Joachim Ebeling
Philipp Gerlach
Stefan Bölsker
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IFM Electronic GmbH
PMDtechnologies AG
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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 claim 1.

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 claim 1.

Vorteilhaft wird eine Anordnung zur Aufnahme von Kurzzeithologrammen bewegter Objekte in Heterodyntechnik vorgeschlagen, bestehend aus

  1. a) einem Lasersystem, das kohärente Lichtimpulse mit Kreisfrequenz ω und spektraler Bandbreite δω < 2π/ Δt emittiert,
  2. b) einem Strahlteiler, der einen ersten Strahl zur Objektbeleuchtung und einen zweiten um Δω > δω frequenzverschobenen zweiten Strahl zur Referenz erzeugt,
  3. 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,
  4. d) einem zweiten Strahlengang zur Beleuchtung eines Objekts mit einer Lichtfrequenz ω,
  5. e) einem Raumfrequenzfiltersystem, das dafür sorgt, dass vom Objekt rückgestreute Lichtstrahlen mit einem maximalen Winkel αmax mit αmax < αLO auf den Bildsensor treffen.
An arrangement for recording short-term holograms of moving objects in heterodyne technology is advantageously proposed, consisting of
  1. a) a laser system that emits coherent light pulses with angular frequency ω and spectral bandwidth δω < 2π/ Δt,
  2. b) a beam splitter, which generates a first beam for object illumination and a second beam, frequency-shifted by Δω > δω, for reference,
  3. 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,
  4. d) a second beam path for illuminating an object with a light frequency ω,
  5. 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 gemäß 3,
  • 7 ein Beispiel mit einer Raumfrequenzfilterung mit Hilfe von Blenden.
They show schematically:
  • 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 to 3 ,
  • 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 1 ist die kohärente Überlagerung eines monochromatischen optischen Wellenfeldes und einer um Δω = 2πΔv frequenzverschobenen monochromatischen ebenen Welle dargestellt, die schräg zu den vom Objekt ausgehenden Lichtwellen auf einen Image-Sensor treffen. Das Raumfrequenzspektrum (vx,vy) der Objektwelle sei um die z-Achse konzentriert, so dass in paraxialer Näherung gerechnet werden kann. Für die beiden positiv angenommenen Raumfrequenzkomponenten (vxLO , vyLO) der ebenen Referenz- oder Lokaloszillatorwelle soll gelten ν x L O | ν x | und ν y L O | ν y |

Figure DE102021132521A1_0001
und die Objektwelle wird als paraxiales Wellenfeld angenommen. Die folgende Darstellung beschreibt die Verhältnisse in skalarer Näherung, setzt also insbesondere lineare Polarisation der elektromagnetischen Felder voraus.In 1 shows the coherent superposition of a monochromatic optical wave field and a monochromatic plane wave frequency-shifted by Δω = 2πΔv, which strikes an image sensor at an angle to the light waves emanating from the object. The spatial frequency spectrum (v x ,v y ) of the object wave is concentrated around the z-axis, so that it can be calculated in a paraxial approximation. For the two assumed positive spatial frequency components (v xLO , v yLO ) of the plane reference or local oscillator wave should hold v x L O | v x | and v y L O | v y |
Figure DE102021132521A1_0001
and the object wave is assumed to be a paraxial wave field. The following representation describes the conditions in a scalar approximation, i.e. it assumes in particular linear polarization of the electromagnetic fields.

Die elektrische Feldstärke der sich unter den Winkeln (αx, αy) mit sin ( α x L O ) = ν x L O / λ und sin ( α y L O ) = ν y L O / λ

Figure DE102021132521A1_0002
(2) schräg zur z-Richtung ausbreitenden monochromatischen ebenen Referenz- oder Lokaloszillator-Welle ist bis auf einen konstanten Phasenfaktor durch E L ( x , y , z , t ) = E L O exp ( i ( ω + Δ ω ) t 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) i k z z )
Figure DE102021132521A1_0003
gegeben, wobei ELO die reelle Amplitude der Welle und kz = 2π vz die Wellenvektorkomponente in z-Richtung bezeichnen. Das elektrische Feld der Objekt- oder Signal-Welle lässt sich ganz allgemein schreiben als E ( x , y , z , t ) = E 0 ( x , y , z ) exp ( i φ ( x , y , z ) ) exp ( i ω t ) ,
Figure DE102021132521A1_0004
wobei E0 (x, y, z) = |E(x,y,z,t)| der Betrag und φ(x,y,z) die Phase der Signalwelle sind.The electric field strength at the angles (α x , α y ) with sin ( a x L O ) = v x L O / λ and sin ( a y L O ) = v y L O / λ
Figure DE102021132521A1_0002
(2) Monochromatic plane reference or local oscillator wave propagating obliquely to the z-direction is through up to a constant phase factor E L ( x , y , e.g , t ) = E L O ex ( i ( ω + Δ ω ) t 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) i k e.g e.g )
Figure DE102021132521A1_0003
given, where E LO denotes the real amplitude of the wave and k z = 2π v z denote the wave vector component in z-direction. The electric field of the object or signal wave can be generally written as E ( x , y , e.g , t ) = E 0 ( x , y , e.g ) ex ( i φ ( x , y , e.g ) ) ex ( i ω t ) ,
Figure DE102021132521A1_0004
where E 0 (x,y,z) = |E(x,y,z,t)| are the magnitude and φ(x,y,z) the phase of the signal wave.

Das Überlagerungsfeld in der Sensorebene z = 0 ist bis auf einen Phasenfaktor gegeben durch E t o t ( x , y , z = 0, t ) = E L ( x , y , z = 0, t ) + E ( x , y , z = 0, t ) = E L O exp ( i ( ω + Δ ω ) t 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) ) + E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) ) exp ( i ω t ) .

Figure DE102021132521A1_0005
The superimposed field in the sensor plane z = 0 is given by except for a phase factor E t O t ( x , y , e.g = 0, t ) = E L ( x , y , e.g = 0, t ) + E ( x , y , e.g = 0, t ) = E L O ex ( i ( ω + Δ ω ) t 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) ) + E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) ex ( i ω t ) .
Figure DE102021132521A1_0005

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 I ( x , y , t ) / ( n 0 c 0 ε 0 ) = | E t o t ( x , y , z = 0, t ) | 2 = E L O 2 + E 0 2 ( x , y , z = 0 ) = E L O 2 + E 0 2 ( x , y , z = 0 ) + 2 E L O R e { E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) i φ ( x , y , z = 0 ) ) exp ( i Δ ω t ) } = E L O 2 + E 0 2 ( x , y , z = 0 ) + 2 E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) cos ( Δ ω t 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) φ ( x , y , z = 0 ) ) .

Figure DE102021132521A1_0006
The intensity I(x, y, t) as the time-averaged optical energy flux density through the area z = 0 is proportional to the square of the absolute value of the electric field strength. In non-magnetic materials, the general relationship I(x,y,t) = n 0 c 0 ε 0 |E| applies with refractive index n 0 , vacuum speed of light c 0 and dielectric constant ε 0 2 and it follows I ( x , y , t ) / ( n 0 c 0 e 0 ) = | E t O t ( x , y , e.g = 0, t ) | 2 = E L O 2 + E 0 2 ( x , y , e.g = 0 ) = E L O 2 + E 0 2 ( x , y , e.g = 0 ) + 2 E L O R e { E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) ex ( i Δ ω t ) } = E L O 2 + E 0 2 ( x , y , e.g = 0 ) + 2 E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) cos ( Δ ω t 2 π ( v x L O x + v y L O y ) φ ( x , y , e.g = 0 ) ) .
Figure DE102021132521A1_0006

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 E r t o t ( x , y , z = 0 ) = E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) cos ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) )

Figure DE102021132521A1_0007
sowie Imaginärteil bzw. Quadraturkomponente der ortsabhängigen komplexen elektrischen Feldstärke E i t o t ( x , y , z = 0 ) = E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) sin ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0008
ergibt sich für starke lokale Oszillatorfeldstärke E L O 2 E 0 2 ( x , y , z = 0 )
Figure DE102021132521A1_0009
die Beziehung I ( x , y , t ) / ( n 0 c 0 ε 0 ) = E L O 2 + 2 E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) cos ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) ) cos ( Δ ω t ) + 2 E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) sin ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) ) sin ( Δ ω t )
Figure DE102021132521A1_0010
oder anders geschrieben I ( x , y , t ) / ( n 0 c 0 ε 0 ) = E L 0 2 + 2 ( E r t o t ( x , y , z = 0 ) cos ( Δ ω t ) + E i t o t ( x , y , z = 0 ) sin ( Δ ω t ) ) .
Figure DE102021132521A1_0011
With real part or in-phase component of the entire location-dependent complex electrical signal field strength E right t O t ( x , y , e.g = 0 ) = E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) cos ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0007
and imaginary part or quadrature component of the location-dependent complex electric field strength E i t O t ( x , y , e.g = 0 ) = E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) sin ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0008
results for strong local oscillator field strength E L O 2 E 0 2 ( x , y , e.g = 0 )
Figure DE102021132521A1_0009
the relationship I ( x , y , t ) / ( n 0 c 0 e 0 ) = E L O 2 + 2 E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) cos ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) ) cos ( Δ ω t ) + 2 E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) sin ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) ) sin ( Δ ω t )
Figure DE102021132521A1_0010
or written differently I ( x , y , t ) / ( n 0 c 0 e 0 ) = E L 0 2 + 2 ( E right t O t ( x , y , e.g = 0 ) cos ( Δ ω t ) + E i t O t ( x , y , e.g = 0 ) sin ( Δ ω t ) ) .
Figure DE102021132521A1_0011

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 i p h ( x , y , t ) = ( q η 0 ω + q η 1 ω cos ( 2 π Δ ν t ) ) P ( x , y , t ) ,

Figure DE102021132521A1_0012
wobei q die Elektronenladung und ℏω die Photonenenergie bezeichnen, η0 die statische und η1 dynamische Quantenausbeute bedeuten und angenommen wurde, dass im pmd-Detektor jeder Pixel mit der Frequenz Δv moduliert wird.Through the detection process, the complex amplitude distribution of the light wave E 0 (x,y,z = 0) exp(-iφ(x,y,z = 0)) is “mixed down” into the complex spatial distribution of the high-frequency signal and can thus be completely, i.e can be determined according to amount and phase for each point in the sensor plane (x,yz=0). For small difference frequencies Δv < 20 Hz, the alternating component can be evaluated directly with a video measuring camera. It should be noted that the interference pattern to be recorded does not change during the exposure time of at least one period T = 1/Δv. Significantly higher differential frequencies, preferably around Δv˜100 MHz, are consequently required for recording moving objects, as are offered in particular by synchronously time-integrating active pixels pmd CMOS sensors. These sensors use a spatiotemporal modulation of the generated photoelectrons and provide for each pixel a time-dependent characteristic of photocurrent iph (x,y,t) and incident light power P(x,y,t) = AI{x,y on a pixel of area A , t) of the form i p H ( x , y , t ) = ( q n 0 ω + q n 1 ω cos ( 2 π Δ v t ) ) P ( x , y , t ) ,
Figure DE102021132521A1_0012
where q denotes the electron charge and ℏω the photon energy, η 0 denotes the static and η 1 the dynamic quantum yield and it was assumed that in the pmd detector each pixel is modulated with the frequency Δv.

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 < i p h ( x , y , t ) > = ( 1 m T ) 0 m T i p h ( x , y , t ) d t

Figure DE102021132521A1_0013
ergibt nach (10) bei Modulation des pmd-Detektors mit cos(Δωt) für die Inphase-Komponente < i p h i ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 ε 0 ) ( q η 0 ω E L O 2 + q η 1 ω E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) cos ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) ) )
Figure DE102021132521A1_0014
und entsprechend erhält man bei Modulation des Detektors mit sin(Δωt) die Quadraturkomponente. < i p h q ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 ε 0 ) ( q η 0 ω E L O 2 + q η 1 ω E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) sin ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) ) )
Figure DE102021132521A1_0015
Temporal averaging over m periods of the high-frequency signal according to < i p H ( x , y , t ) > = ( 1 m T ) 0 m T i p H ( x , y , t ) i.e t
Figure DE102021132521A1_0013
results from (10) with modulation of the pmd detector with cos(Δωt) for the in-phase component < i p H i ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 e 0 ) ( q n 0 ω E L O 2 + q n 1 ω E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) cos ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) ) )
Figure DE102021132521A1_0014
and correspondingly, when the detector is modulated with sin(Δωt), the quadrature component is obtained. < i p H q ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 e 0 ) ( q n 0 ω E L O 2 + q n 1 ω E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) sin ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) ) )
Figure DE102021132521A1_0015

Ohne Objektlicht ist das Signal einfach: < i p h 0 ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 ε 0 ) ( q η 0 ω E L O 2 ) .

Figure DE102021132521A1_0016
Without object light, the signal is simple: < i p H 0 ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 e 0 ) ( q n 0 ω E L O 2 ) .
Figure DE102021132521A1_0016

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 < i p h i , q ( x , y , t ) > < i p h 0 ( x , y , t ) > E L O .

Figure DE102021132521A1_0017
With a constant field strength of the object wave, the differential measurement signal increases proportionally with the square root of the local oscillator intensity < i p H i , q ( x , y , t ) > < i p H 0 ( x , y , t ) > E L O .
Figure DE102021132521A1_0017

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 E r t o t ( x , y , z = 0 ) = ( < i p h i ( x , y , t ) > < i p h 0 ( x , y , t ) > ) ω / ( n 0 c 0 ε 0 q η 0 E L O )

Figure DE102021132521A1_0018
und entsprechend E i t o t ( x , y , z = 0 ) = ( < i p h q ( x , y , t ) > < i p h 0 ( x , y , t ) > ) ω / ( n 0 c 0 ε 0 q η 1 E L O ) .
Figure DE102021132521A1_0019
Taking (7) and (8) into account, it can be seen that the real and imaginary parts of the electric field of the object light wave and the superimposed local oscillator wave can be easily determined from the measured sensor signals, because it is valid E right t O t ( x , y , e.g = 0 ) = ( < i p H i ( x , y , t ) > < i p H 0 ( x , y , t ) > ) ω / ( n 0 c 0 e 0 q n 0 E L O )
Figure DE102021132521A1_0018
and accordingly E i t O t ( x , y , e.g = 0 ) = ( < i p H q ( x , y , t ) > < i p H 0 ( x , y , t ) > ) ω / ( n 0 c 0 e 0 q n 1 E L O ) .
Figure DE102021132521A1_0019

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 E S ( x , y , z = 0 ) = E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) i φ ( x , y , z = 0 ) )

Figure DE102021132521A1_0020
ein zweidimensionales analytisches Signal, analog zu einem eindimensionalen Signal mit einseitigem Spektrum. Der Realteilteil des Überlagerungsfeldes (19) bestimmt nach (13) und (16) die Ortsabhängigkeit des Messignals. Es gilt 2 R e { E S ( x , y , z = 0 ) } = 2 { E 0 ( x , y , z = 0 ) cos ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) ) } = exp ( 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) ) E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) ) + exp ( 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) ) E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0021
und die zweidimensionale Fourier-Transformierte ist F { R e { E S ( x , y , z = 0 ) } } ( ν x , ν y ) = δ ( ( ν x ν x L O , ν y ν y L O ) F { E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) ) } / 2 + δ ( ( ν x + ν x L O , ν y + ν y L O ) F { E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) ) } / 2 ,
Figure DE102021132521A1_0022
wobei * die zweidimensionale Faltung und δ die zweidimensionale δ-Funktion bezeichnen. Die Funktion (21) ist wegen der Bedingung (1) und der Verschiebungseigenschaft der δ-Funktion ist der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (21) nur im ersten Quadranten (vx > 0,vy > 0) der (vx,vy)-Ebene von Null verschieden und das selbe gilt im vierten Quadranten (vx < 0,vy < 0) für den zweiten Term der rechten Seite von (21) verschieden. Mit der Signum-Funktion s g n ( ν x ) = { + 1 f u ¨ r ν x > 0 0 f u ¨ r ν x = 0 1 f u ¨ r ν x < 0
Figure DE102021132521A1_0023
ergibt sich damit die interessante Beziehung ( 1 + s g n ( ν x ) ) ( 1 + s g n ( ν y ) ) F { R e { E S ( x , y , z = 0 ) } } ( ν x , ν y ) = 2 δ ( ( ν x ν x L O , ν y ν y L O ) F { E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) ) } .
Figure DE102021132521A1_0024
Inverse Fourier-Transformation liefert (entsprechend (20)) F i { ( 1 + s g n ( ν x ) ) + ( 1 + s g n ( ν y ) ) F { R e { E S ( x , y , z = 0 ) } } ( ν x , ν y ) } ( x , y , z = 0 ) = exp ( 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) ) E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) ) ,
Figure DE102021132521A1_0025
womit sich die komplexe elektrische Feldverteilung in der Sensorebene unter Berücksichtigung von (20) aus gemessenen Fotostromsignalen und den aus der Aufnahmegeometrie bekannten Raumfrequenzen (vxLO ,vyLO) bestimmen lässt gemäß (Kontrolliere Faktor 2!) E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) ) = exp ( 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) ) F i { ( 1 + s g n ( ν x ) ) ( 1 + s g n ( ν y ) ) F { R e { E S ( x , y , z = 0 ) } } ( ν x , ν y ) } ( x , y , z = 0 ) .
Figure DE102021132521A1_0026
In the case of stationary wave fields, the real and imaginary parts of the complex electric field strength can be measured in two consecutive steps. If the conditions change dynamically, for example due to the movement of the object, the use of beam splitters to generate replicas of object and reference fields can help. When splitting the beam, however, angle-dependent distortions have to be accepted, which can be corrected, but require considerable additional material effort in the detection process and ultimately make the method not particularly attractive for practical applications. Therefore, the following shows how the complex electric field strength of the object light in the sensor plane E 0 (x,y,z = 0) exp(-iφ(x,y,z = 0)) can be determined by measuring the in-phase component alone according to equation (17) (or alternatively from the quadrature component (18)). The method uses properties of two-dimensional analytical signals. In general, the (v x ,v y ) spatial frequency spectrum of the object light at the location of the sensor in the z=0 plane is band-limited according to relation (1), because all waves emanating from a coherently illuminated object arrive at a finite angle of incidence that is significantly smaller than 90° ° to the finitely large area of the sensor. Mixing with a plane reference wave with an even greater angle of incidence, i.e. greater spatial frequency (y xLO ,v yLO ), ensures that only frequency components from the first quadrant (v xLO > 0,v yLO > 0) differ from zero in the spatial frequency spectrum of the local signal are. This is the complex electric superposition field E S ( x , y , e.g = 0 ) = E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) i φ ( x , y , e.g = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0020
a two-dimensional analytical signal, analogous to a one-dimensional signal with a one-sided spectrum. According to (13) and (16), the real part of the superposition field (19) determines the spatial dependence of the measurement signal. It applies 2 R e { E S ( x , y , e.g = 0 ) } = 2 { E 0 ( x , y , e.g = 0 ) cos ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) ) } = ex ( 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) ) E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) + ex ( 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) ) E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0021
and is the two-dimensional Fourier transform f { R e { E S ( x , y , e.g = 0 ) } } ( v x , v y ) = δ ( ( v x v x L O , v y v y L O ) f { E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) } / 2 + δ ( ( v x + v x L O , v y + v y L O ) f { E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) } / 2 ,
Figure DE102021132521A1_0022
where * denotes the two-dimensional convolution and δ denotes the two-dimensional δ-function. The function (21) is, because of the condition (1) and the shifting property of the δ-function, the first term on the right-hand side of the equation (21) is only in the first quadrant (v x > 0,v y > 0) of the (v x ,v y )-plane is non-zero and the same is different in the fourth quadrant (v x < 0,v y < 0) for the second term of the right-hand side of (21). With the Signum function s G n ( v x ) = { + 1 f and ¨ right v x > 0 0 f and ¨ right v x = 0 1 f and ¨ right v x < 0
Figure DE102021132521A1_0023
this leads to the interesting relationship ( 1 + s G n ( v x ) ) ( 1 + s G n ( v y ) ) f { R e { E S ( x , y , e.g = 0 ) } } ( v x , v y ) = 2 δ ( ( v x v x L O , v y v y L O ) f { E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) } .
Figure DE102021132521A1_0024
Inverse Fourier transform yields (according to (20)) f i { ( 1 + s G n ( v x ) ) + ( 1 + s G n ( v y ) ) f { R e { E S ( x , y , e.g = 0 ) } } ( v x , v y ) } ( x , y , e.g = 0 ) = ex ( 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) ) E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) ,
Figure DE102021132521A1_0025
with which the complex electric field distribution in the sensor plane can be determined taking into account (20) from measured photocurrent signals and the spatial frequencies (v xLO ,v yLO ) known from the recording geometry according to (check factor 2!) E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) = ex ( 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) ) f i { ( 1 + s G n ( v x ) ) ( 1 + s G n ( v y ) ) f { R e { E S ( x , y , e.g = 0 ) } } ( v x , v y ) } ( x , y , e.g = 0 ) .
Figure DE102021132521A1_0026

In 2 sind verschiedene Spektren schematisch dargestellt, um die in den Gleichungen (19) bis (24) beschriebenen Überlegungen zur Ermittlung der komplexen ortsabhängigen elektrischen Feldstärke aus der gemessenen Verteilung des Realteils zu illustrieren. Das Verfahren ist angelehnt an die Verarbeitung eindimensionaler analytischer Zeitsignale. Die Ermittlung des Realteils der ortsabhängigen Feldstärke stellt eine Besonderheit dar, nicht nur weil sie in der Praxis Messungen bis an die Quantenrauschgrenze erlaubt sondern auch weil sie in hervorragender Weise Kurzzeit- oder Hochfrequenzmessungen bis nahe an den einstelligen Nanosekundenbereich oder Gigahertzbereich erlaubt und damit zur Registrierung bewegter Objekte gut geeignet ist. In einfachen Varianten der Methode sind ortsaufgelöste Tiefenbestimmungen in z-Richtung, also in Sichtrichtung, zum Beispiel unter Verwendung von holographischen Zweiwellenlängen-Verfahren oder Geschwindigkeitsmessungen in z-Richtung durch Ausnutzung des Doppler-Effekts möglich.In 2 Various spectra are shown schematically to illustrate the considerations described in equations (19) to (24) for determining the complex, location-dependent electric field strength from the measured distribution of the real part. The method is based on the processing of one-dimensional analytical time signals. The determination of the real part of the location-dependent field strength is a special feature, not only because it allows measurements up to the quantum noise limit in practice, but also because it allows short-term or high-frequency measurements up to almost the single-digit nanosecond range or gigahertz range in an excellent way and is therefore more moving for registration objects is well suited. In simple variants of the method, spatially resolved depth determinations in the z-direction, ie in the viewing direction, are possible, for example using holographic two-wavelength methods or speed measurements in the z-direction by utilizing the Doppler effect.

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 E ( x , y , z = z 0 ) = ( e x p ( i k z 0 ) i z 0 λ ) E ( x , y , z = 0 ) e x p ( i k 2 z 0 [ ( x 0 x ) 2 + ( y 0 y ) 2 ] ) d x d y ,

Figure DE102021132521A1_0027
wobei k = 2π/λ = ω/c0 die Vakuumwellenzahl ist. Eine Sammellinse mit Brechungsindex n0, Dicke Δz , Brennweite f in der Sensorebene z = 0 resultiert in einer zusätzlichen quadratischen Phasendrehung mit dem Amplitudentransmissionsfaktor t ( x , y ) = exp [ i k ( n 0 1 ) Δ z ] exp ( i k 2 ƒ [ x 2 + y 2 ] ) ,
Figure DE102021132521A1_0028
wobei der erste Faktor eine zusätzliche konstante Phasenverschiebung auf der optischen Achse berücksichtigt. Die elektrische Feldstärkeverteilung in der hinteren Brennebene der Linse, also für z0 = ƒ ist damit E ( x 0 , y 0 , z = f ) = ( e x p ( i k ƒ ) i λ ƒ ) e x p [ i k ( n 0 1 ) Δ z ] e x p ( i k 2 ƒ [ x 0 2 + y 0 2 ] ) E ( x , y , z = 0 ) exp ( i 2 π λ ƒ [ x x 0 + y y 0 ] ) d x d y .
Figure DE102021132521A1_0029
The complex electric field strength profile E(x,y,z=0) measured with the pmd sensor in the plane z = 0 is related to the field strength distribution E(x,y,z=z 0 ) in the plane z = z 0 > 0 via the diffraction integral. In a paraxial approximation, E ( x , y , e.g = e.g 0 ) = ( e x p ( i k e.g 0 ) i e.g 0 λ ) E ( x , y , e.g = 0 ) e x p ( i k 2 e.g 0 [ ( x 0 x ) 2 + ( y 0 y ) 2 ] ) i.e x i.e y ,
Figure DE102021132521A1_0027
where k = 2π/λ = ω/c 0 is the vacuum wavenumber. A converging lens with refractive index n 0 , thickness Δz , focal length f in the sensor plane z = 0 results in an additional quadratic phase rotation with the amplitude transmission factor t ( x , y ) = ex [ i k ( n 0 1 ) Δ e.g ] ex ( i k 2 ƒ [ x 2 + y 2 ] ) ,
Figure DE102021132521A1_0028
where the first factor takes into account an additional constant phase shift on the optical axis. The electric field strength distribution in the rear focal plane of the lens, i.e. for z 0 = ƒ is thus E ( x 0 , y 0 , e.g = f ) = ( e x p ( i k ƒ ) i λ ƒ ) e x p [ i k ( n 0 1 ) Δ e.g ] e x p ( i k 2 ƒ [ x 0 2 + y 0 2 ] ) E ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i 2 π λ ƒ [ x x 0 + y y 0 ] ) i.e x i.e y .
Figure DE102021132521A1_0029

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 I ( x 0 , y 0 , z = f ) = | E ( x 0 , y 0 , z = f ) | 2 = 1 / ( λ ƒ ) 2 | E ( x , y , z = 0 ) exp ( i 2 π λ ƒ [ x x 0 + y y 0 ] ) d x d y | 2 .

Figure DE102021132521A1_0030
Except for the constant factor 1/(iλf) and a phase factor that is only dependent on the coordinates (x 0 ,y 0 ), this is the Fourier transform of the field distribution in the lens plane z = 0. The intensity distribution in the focal plane, i.e. in the far field -Image plane is appropriate I ( x 0 , y 0 , e.g = f ) = | E ( x 0 , y 0 , e.g = f ) | 2 = 1 / ( λ ƒ ) 2 | E ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i 2 π λ ƒ [ x x 0 + y y 0 ] ) i.e x i.e y | 2 .
Figure DE102021132521A1_0030

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 Δ z λ

Figure DE102021132521A1_0031
zu fordern. Bei Differenzfrequenzen von Δv ≈ 100 MHz lassen sich Integrationszeiten von mT = m/ Δv ≈ 100 ns realisieren. Damit gilt für maximal zulässige Geschwindigkeiten in z-Richtung v z m T λ oder ( mit λ = 1 μ m , m = 10 ) v z 10 m / s = 36 k m / S t d .
Figure DE102021132521A1_0032
The coherent recording of optical interference fields usually requires that the object and the recording system do not move. More specifically, the interference pattern to be recorded should not smudge during exposure. There are displacements in the direction of the optical axis, in this case in the z-direction Δ e.g λ
Figure DE102021132521A1_0031
to promote. With difference frequencies of Δv ≈ 100 MHz, integration times of mT = m/ Δv ≈ 100 ns can be achieved. This applies to the maximum permissible speeds in the z-direction v e.g m T λ or ( With λ = 1 µ m , m = 10 ) v e.g 10 m / s = 36 k m / S t i.e .
Figure DE102021132521A1_0032

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 E L ( x , y , z , t ) = E L O exp ( i ( ω 1 + Δ ω ) t 2 π i ( ν x L O 1 x + ν y L O 1 y ) i k z L O 1 z ) + E L O exp ( i ( ω 2 + Δ ω ) t 2 π i ( ν x L O 2 x + ν y L O 2 y ) i k z L O 2 z ) .

Figure DE102021132521A1_0033
und setzen noch vyLO1 = VyLO2 = 0 und vxLO1 = vxLO2 = VXLO. Der Einfachheit halber betrachten wir ein unmittelbar um die z-Achse im Fernfeld bei z z 0 / 2, | z 0 | λ
Figure DE102021132521A1_0034
konzentriertes Objekt, von dem nach eine rückgestreute paraxiale Welle ausgeht, die in der Nähe des Sensors bei z=0 als ebene Welle E ( x , y , z , t ) = | E 0 | exp ( i k z 1 ( z z 0 ) + i ω 1 t ) + | E 0 | exp ( i k z 2 ( z z 0 ) + i ω 2 t )
Figure DE102021132521A1_0035
approximiert werden kann und z0 den Umweg berücksichtigt, den das Licht zur Beleuchtung des Objekts zusätzlich zurückzulegen hat. Die Sensorabmessungen sind typischerweise klein gegen |z0| und die Intensität in der Sensorebene z = 0 ist I ( x , y , t ) = { E L ( x , y , z = 0, t ) + E ( x , y , z = 0, t ) } { E L ( x , y , z = 0, t ) + E ( x , y , z = 0, t ) } ,
Figure DE102021132521A1_0036
wobei der hochgestellte Asterix * die Notation für die Bildung einer konjugiert komplexen Größe bezeichnet. Berechnung mit (21) und (22) ergibt I ( x , y , t ) = E L O 2 ( 2 + 2 cos ( ω 2 ω 1 ) t ) + 2 E L O | E 0 | ( cos ( k z 1 z 0 Δ ω t + 2 π ν x L O x ) + cos ( k z 1 z 0 + ( ω 1 ω 2 Δ ω ) t + 2 π ν x L O x ) ) + 2 E L O | E 0 | ( cos ( k z 2 z 0 Δ ω t + 2 π ν x L O x ) + cos ( k z 2 z 0 + ( ω 2 ω 1 Δ ω ) t + 2 π ν x L O x ) ) + | E 0 | 2 ( 2 + 2 cos [ ( k z 2 k z 1 ) z 0 + ( ω 2 ω 1 ) t ] ) .
Figure DE102021132521A1_0037
The object is illuminated with two spatially coherent light waves with different frequencies ω 1 and ω 2 but the same amplitudes E 10 (x, y, z)=|E 1 (x,y, z, t)| and E 2 (x,y,z) = |E 2 (x,y,z,t)| , where the difference frequency (ω 1 - ω 2 )/2π ≈ 100 MHz is typically in the high-frequency range. We choose a reference or local oscillator wave running at an angle to the z-axis E L ( x , y , e.g , t ) = E L O ex ( i ( ω 1 + Δ ω ) t 2 π i ( v x L O 1 x + v y L O 1 y ) i k e.g L O 1 e.g ) + E L O ex ( i ( ω 2 + Δ ω ) t 2 π i ( v x L O 2 x + v y L O 2 y ) i k e.g L O 2 e.g ) .
Figure DE102021132521A1_0033
and set v yLO1 = V yLO2 = 0 and v xLO1 = v xLO2 = V XLO . For the sake of simplicity, we consider an immediately around the z-axis in the far field at e.g e.g 0 / 2, | e.g 0 | λ
Figure DE102021132521A1_0034
concentrated object from which to a backscattered paraxial wave emanates near the sensor at z=0 as a plane wave E ( x , y , e.g , t ) = | E 0 | ex ( i k e.g 1 ( e.g e.g 0 ) + i ω 1 t ) + | E 0 | ex ( i k e.g 2 ( e.g e.g 0 ) + i ω 2 t )
Figure DE102021132521A1_0035
can be approximated and z 0 takes into account the additional detour that the light has to travel to illuminate the object. The sensor dimensions are typically small compared to |z 0 | and the intensity in the sensor plane is z=0 I ( x , y , t ) = { E L ( x , y , e.g = 0, t ) + E ( x , y , e.g = 0, t ) } { E L ( x , y , e.g = 0, t ) + E ( x , y , e.g = 0, t ) } ,
Figure DE102021132521A1_0036
where the superscript asterix * denotes the notation for the formation of a conjugate complex quantity. Calculation with (21) and (22) results I ( x , y , t ) = E L O 2 ( 2 + 2 cos ( ω 2 ω 1 ) t ) + 2 E L O | E 0 | ( cos ( k e.g 1 e.g 0 Δ ω t + 2 π v x L O x ) + cos ( k e.g 1 e.g 0 + ( ω 1 ω 2 Δ ω ) t + 2 π v x L O x ) ) + 2 E L O | E 0 | ( cos ( k e.g 2 e.g 0 Δ ω t + 2 π v x L O x ) + cos ( k e.g 2 e.g 0 + ( ω 2 ω 1 Δ ω ) t + 2 π v x L O x ) ) + | E 0 | 2 ( 2 + 2 cos [ ( k e.g 2 k e.g 1 ) e.g 0 + ( ω 2 ω 1 ) t ] ) .
Figure DE102021132521A1_0037

Bei der Kreisfrequenz Δω ist das Signal E Δ ω ( t ) = 2 E L O | E 0 | [ cos ( k z 1 z 0 Δ ω t + 2 π ν x L O x ) + cos ( k z 2 z 0 Δ ω t + 2 π ν x L O x ) ] = 2 E L O | E 0 | [ cos ( k z 1 z 0 + 2 π ν x L O x ) cos Δ ω t + sin ( k z 2 z 0 + 2 π ν x L O x ) sin Δ ω t ] + 2 E L O | E 0 | [ cos ( k z 2 z 0 + 2 π ν x L O x ) cos Δ ω t + sin ( k z 2 z 0 + 2 π ν x L O x ) sin Δ ω t ] .

Figure DE102021132521A1_0038
At the angular frequency Δω is the signal E Δ ω ( t ) = 2 E L O | E 0 | [ cos ( k e.g 1 e.g 0 Δ ω t + 2 π v x L O x ) + cos ( k e.g 2 e.g 0 Δ ω t + 2 π v x L O x ) ] = 2 E L O | E 0 | [ cos ( k e.g 1 e.g 0 + 2 π v x L O x ) cos Δ ω t + sin ( k e.g 2 e.g 0 + 2 π v x L O x ) sin Δ ω t ] + 2 E L O | E 0 | [ cos ( k e.g 2 e.g 0 + 2 π v x L O x ) cos Δ ω t + sin ( k e.g 2 e.g 0 + 2 π v x L O x ) sin Δ ω t ] .
Figure DE102021132521A1_0038

Kreuzkorrelation, d.h. Multiplikation mit cos Δωt und Zeitintegration über eine ganze Zahl m von Perioden T = 1/Δω liefert das Signal ( 1 m T ) 0 m T E Δ ω ( t ) cos Δ ω t d t = 2 E L O | E 0 | cos [ ( k z 2 k z 1 ) z 0 / 2 ] cos [ 2 π ν x L O x + ( k z 2 + k z 1 ) z 0 / 2 ) ] 2 E L O | E 0 | cos [ ( ω 2 ω 1 ) z 0 / 2 c 0 ] cos [ 2 π ν x L O x + ω 1 z 0 / 2 c 0 ] ,

Figure DE102021132521A1_0039
wobei c0 die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bezeichnet. Auf dem synchronen Sensor ergibt sich gemäß der Kennlinie (11) auf dem ganz wesentlich durch die starke Referenzwelle bestimmte gleichmäßige Untergrundintensität ein Cosinusförmig moduliertes Streifenmuster, genauer gesagt ein Schwebungssignal in x-Richtung, dessen Periode 1/vxLO von der Raumfrequenz der Referenzwelle abhängt und dessen Amplitude sich mit der Tiefenkoordinate z0 des Objekts periodisch ändert. Demgemäß erhält man nach (13) für die Inphase-Komponente des gemessenen Fotostroms die Beziehung < i p h i ( x , y , t ) > = < i p h i ( x ) > = ( n 0 c 0 ε 0 ) ( q η 0 ω 2 E L O 2 ) + ( q η 1 ω 2 E L O | E 0 | cos ( k z 2 k z 1 ) z 0 / 2 ) cos [ 2 π ν x L O x + ( k z 2 + k z 1 ) z 0 / 2 ) ] ) .
Figure DE102021132521A1_0040
Cross-correlation, ie multiplication by cos Δωt and time integration over an integer m of periods T=1/Δω, provides the signal ( 1 m T ) 0 m T E Δ ω ( t ) cos Δ ω t i.e t = 2 E L O | E 0 | cos [ ( k e.g 2 k e.g 1 ) e.g 0 / 2 ] cos [ 2 π v x L O x + ( k e.g 2 + k e.g 1 ) e.g 0 / 2 ) ] 2 E L O | E 0 | cos [ ( ω 2 ω 1 ) e.g 0 / 2 c 0 ] cos [ 2 π v x L O x + ω 1 e.g 0 / 2 c 0 ] ,
Figure DE102021132521A1_0039
where c 0 denotes the speed of light in a vacuum. On the synchronous sensor, according to the characteristic curve (11), a cosine-shaped modulated fringe pattern results, more precisely a beat signal in the x-direction, whose period 1/v xLO depends on the spatial frequency of the reference wave and whose amplitude changes periodically with the depth coordinate z 0 of the object. Accordingly, according to (13) one obtains the relation for the in-phase component of the measured photocurrent < i p H i ( x , y , t ) > = < i p H i ( x ) > = ( n 0 c 0 e 0 ) ( q n 0 ω 2 E L O 2 ) + ( q n 1 ω 2 E L O | E 0 | cos ( k e.g 2 k e.g 1 ) e.g 0 / 2 ) cos [ 2 π v x L O x + ( k e.g 2 + k e.g 1 ) e.g 0 / 2 ) ] ) .
Figure DE102021132521A1_0040

Ohne Objektlicht wird das Fotostromsignal nur durch das starke Lokaloszillator-Licht bestimmt < i p h 0 ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 ε 0 ) ( q η 0 ω 2 E L O 2 ) ,

Figure DE102021132521A1_0041
das über die Sensorfläche als zeitlich und räumlich konstant anzusetzen ist. Der Kontrast K des räumlichen Schwebungssignals in x-Richtung ist gegeben durch K ( z 0 ) = < i p h i , m a x ( x ) > < i p h i , m i n ( x ) > < i p h i , m a x ( x ) > + < i p h i , m i n ( x ) > = ( | E 0 | / E L O ) | cos ( ( k z 2 k z 1 ) z 0 / 2 ) |
Figure DE102021132521A1_0042
Without object light, the photocurrent signal is only determined by the strong local oscillator light < i p H 0 ( x , y , t ) > = ( n 0 c 0 e 0 ) ( q n 0 ω 2 E L O 2 ) ,
Figure DE102021132521A1_0041
which can be assumed to be temporally and spatially constant across the sensor surface. The contrast K of the spatial beat signal in the x-direction is given by K ( e.g 0 ) = < i p H i , m a x ( x ) > < i p H i , m i n ( x ) > < i p H i , m a x ( x ) > + < i p H i , m i n ( x ) > = ( | E 0 | / E L O ) | cos ( ( k e.g 2 k e.g 1 ) e.g 0 / 2 ) |
Figure DE102021132521A1_0042

3 zeigt eine Methode zur Bestimmung der Tiefenkoordinate eines punktförmig beleuchteten diffus streuenden Objekts mit einem pmd-Bildsensor. Zur Beleuchtung dient eine räumlich kohärente bi-chromatische Laserquelle. Die Aufzeichnung des Streulichts erfolgt mit einem heterodyn-holographischen Verfahren. 3 shows a method for determining the depth coordinates of a punctiformly illuminated, diffusely scattering object using a pmd image sensor. A spatially coherent bichromatic laser source is used for illumination. The scattered light is recorded using a heterodyne holographic process.

Der Kontrast kann zur präzisen Bestimmung von z0 herangezogen werden, wenn man wie in schematisch dargestellt vorgeht. Das vom Objekt rückgestreute bi-chromatische Licht wird auf einer Teilfläche des Sensors mit der bi-chromatischen Referenzwelle (21) überlagert und gleichzeitig auf einem anderen separaten Teil des Sensors mit der monochromatischen Teilwelle von (21), die durch E L m o n ( x , y , z , t ) = E L O exp ( i ( ω 1 + Δ ω ) t 2 π i ( ν x L O 1 x + ν y L O 1 y ) i k z L O 1 z )

Figure DE102021132521A1_0043
gegeben ist. Auswertung mit der modifizierten Referenzwelle wie in (27) bis (29) liefert der ebenen Referenzwelle (21) überlagert und gleichzeitig mit (26) ausgewertet. Das der Gleichung (26) entsprechende modifizierte Signal ist ( 1 m T ) 0 m T E Δ ω , m o n ( t ) cos Δ ω t d t = E L O | E 0 | cos [ 2 π ν x L O x + k z 1 z 0 ] = E L O | E 0 | cos [ 2 π ν x L O x + ω 1 z 0 / 2 c 0 ] .
Figure DE102021132521A1_0044
Contrast can be used to precisely determine z 0 if, as in shown schematically proceeds. The bichromatic light backscattered from the object is superimposed on a partial area of the sensor with the bichromatic reference wave (21) and at the same time on another separate part of the sensor with the monochromatic partial wave of (21), which is caused by E L m O n ( x , y , e.g , t ) = E L O ex ( i ( ω 1 + Δ ω ) t 2 π i ( v x L O 1 x + v y L O 1 y ) i k e.g L O 1 e.g )
Figure DE102021132521A1_0043
given is. Evaluation with the modified reference wave as in (27) to (29) supplies the plane reference wave (21) superimposed and evaluated at the same time with (26). The modified signal corresponding to equation (26) is ( 1 m T ) 0 m T E Δ ω , m O n ( t ) cos Δ ω t i.e t = E L O | E 0 | cos [ 2 π v x L O x + k e.g 1 e.g 0 ] = E L O | E 0 | cos [ 2 π v x L O x + ω 1 e.g 0 / 2 c 0 ] .
Figure DE102021132521A1_0044

Für das gemessene Fotostromsignal gilt entsprechend < i p h i , m o n ( x , y , t ) > / ( n 0 c 0 ε 0 ) = ( q η 0 ω 2 E L O 2 ) + ( q η 1 ω 2 E L O | E 0 | cos [ 2 π ν x L O x + k z 1 z 0 ] ) ,

Figure DE102021132521A1_0045
und mit dem modifizierten Kontrast Kmon (z0) = (|E0 | /ELO) lässt sich z0 aus dem Verhältnis K ( z 0 ) / K m o n ( z 0 ) = | cos ( ( k z 2 k z 1 ) z 0 / 2 ) | = | cos [ ( ω 2 ω 1 ) z 0 / 2 c 0 ] |
Figure DE102021132521A1_0046
ermitteln. Der Kontrast ändert sich periodisch mit z0. Die Bedingung für maximalen Kontrast ist z0,2m = 2mπc0/(ω2 - ω1), wobei m eine ganze Zahl ist. Minimalen Kontrast findet man fürz0(2m+1) = (2m + 1)πc0/(ω2 - ω1).The same applies to the measured photocurrent signal < i p H i , m O n ( x , y , t ) > / ( n 0 c 0 e 0 ) = ( q n 0 ω 2 E L O 2 ) + ( q n 1 ω 2 E L O | E 0 | cos [ 2 π v x L O x + k e.g 1 e.g 0 ] ) ,
Figure DE102021132521A1_0045
and with the modified contrast K mon (z 0 ) = (|E 0 | /E LO ) z 0 can be calculated from the ratio K ( e.g 0 ) / K m O n ( e.g 0 ) = | cos ( ( k e.g 2 k e.g 1 ) e.g 0 / 2 ) | = | cos [ ( ω 2 ω 1 ) e.g 0 / 2 c 0 ] |
Figure DE102021132521A1_0046
determine. The contrast changes periodically with z 0 . The condition for maximum contrast is z 0.2m = 2mπc 0 /(ω 2 - ω 1 ), where m is an integer. Minimum contrast is found forz 0(2m+1) = (2m + 1)πc 0 /(ω 2 - ω 1 ).

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).

4 zeigt einen Aufbau, bei dem eine von einem Objekt reflektierte Objektwelle EObj und eine frequenzverschobenen Referenzwelle ELo auf einen Sensor gelenkt und dort zur Interferenz gebracht werden. Der Sensor ist als Demodulator ausgebildet ist, demoduliert die am Sensor anliegende Interferenz. 4 shows a structure in which an object wave E Obj reflected by an object and a frequency-shifted reference wave E Lo are directed to a sensor and brought to interference there. The sensor is designed as a demodulator, demodulates the interference present at the sensor.

Wie bereits in Formel (5) dargestellt gilt: E tot = E Obj + E Lo E t o t = a e i φ ( x , y , z ) e i ω t + A e i k r e i ω t i Δ ω t

Figure DE102021132521A1_0047
und für die Intensität: I | E 2 | = a 2 + A 2 + R e 2 a A e i φ ( x , y , z ) e i ω t e i k r e i ω t i Δ ω t
Figure DE102021132521A1_0048
mit A » α I A 2 + 2 A ( x , y ) c o s ( Δ ω t φ ( x , y ) k r )
Figure DE102021132521A1_0049
As already shown in formula (5), the following applies: E dead = E object + E Lo E t O t = a e i φ ( x , y , e.g ) e i ω t + A e i k right e i ω t i Δ ω t
Figure DE102021132521A1_0047
and for the intensity: I | E 2 | = a 2 + A 2 + R e 2 a A e i φ ( x , y , e.g ) e i ω t e i k right e i ω t i Δ ω t
Figure DE102021132521A1_0048
with A » α I A 2 + 2 A ( x , y ) c O s ( Δ ω t φ ( x , y ) k right )
Figure DE102021132521A1_0049

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 4 sendet ein Laser ein kohärentes Licht mit einer Frequenz ω1 in Richtung eines Objekts aus. Zur Bildung einer Referenzwelle bzw. -frequenz ω1' wird ein Teil des vom Laser emittierten Lichts auf einen optischen Modulator, hier ein akustooptischer Modulator AOM, gelenkt, der die eintretende Laserfrequenz um eine am optischen Modulator anliegende Modulationsfrequenz Δω verschiebt, mit ω 1 ' = ω 1 ' + Δω

Figure DE102021132521A1_0050
In the example according to 4 a laser emits coherent light with a frequency ω 1 in the direction of an object. To form a reference wave or frequency ω 1 ', part of the light emitted by the laser is directed onto an optical modulator, here an acousto-optical modulator AOM, which shifts the incoming laser frequency by a modulation frequency Δω present at the optical modulator ω 1 ' = ω 1 ' + Δω
Figure DE102021132521A1_0050

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.

5 zeigt eine Variante, bei der die Frequenzverschobene Lichtwelle auf das Objekt gelenkt wird und die unverschobene Lichtwelle als Referenz dient. 5 shows a variant in which the frequency-shifted light wave is directed onto the object and the unshifted light wave serves as a reference.

6 zeigt einen Aufbau für eine bi-chromatische Entfernungsmessung gemäß 3. Im dargestellten Beispiel wird mit Hilfe eines Lasers eine erste kohärente Lichtwelle und über einen nachgeschalteten akustooptischen Modulator zusätzlich eine zweite kohärente Lichtwelle mit einer zweiten Frequenz erzeugt. Mit Hilfe eines ersten Modulators wird der akustooptische Modulator AOM1 mit einer Modulationsfrequenz beaufschlagt, um die der AOM einen Teil der eingehenden Lichtwelle in der Frequenz verschiebt. Am Ausgang des akustooptische Modulators AOM1 liegen dann zwei Lichtwellen mit unterschiedlicher Frequenz an, mit denen ein Objekt beleuchtet wird. Die beiden Frequenzen unterscheiden sich vorteilhaft um 100 bis 1000 MHz, vorzugsweise liegt der Frequenzunterschied in einem Bereich von 200 - 400 MHz. 6 shows a setup for a bichromatic distance measurement according to FIG 3 . In the example shown, a first coherent light wave is generated with the aid of a laser and a second coherent light wave with a second frequency is additionally generated via a downstream acousto-optical modulator. With the aid of a first modulator, the acousto-optical modulator AOM1 is subjected to a modulation frequency by which the AOM shifts the frequency of part of the incoming light wave. Two light waves with different frequencies, with which an object is illuminated, are then present at the output of the acousto-optical modulator AOM1. The two frequencies advantageously differ by 100 to 1000 MHz, the frequency difference preferably being in a range of 200-400 MHz.

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-optical modulator AOM 2 which is operated at a second modulation frequency of the modulator 2 . The frequencies of the two light waves entering the AOM2 are shifted by the frequency of the modulation frequency present and form the reference waves ω 1 ', ω 2 ', which are directed to the demodulator. The second modulation frequency is advantageously in a range from 1 to 100 MHz and particularly advantageously in a range from 40 to 80 MHz. Depending on the configuration of the demodulator, higher modulation frequencies can also be considered.

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.

7 zeigt einen Aufbau mit einer ersten und zweiten Blende. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Winkel αmax nur schematisch eingezeichnet. Blende 1 und Blende 2 dienen zur Raumfrequenzfilterung des Objektlichts, das auf den Sensor trifft. Die Blenden befinden sich in der Praxis sehr viel näher am Sensor ( ~1 cm x 1 cm) als hier dargestellt. 7 shows a structure with a first and second panel. For reasons of clarity, the angle α max is shown only schematically. Aperture 1 and Aperture 2 are used for spatial frequency filtering of the object light hitting the sensor. In practice, the apertures are much closer to the sensor (~1 cm x 1 cm) than shown here.

Für die Objektwelle gilt: 2 E L O R e { E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) i φ ( x , y , z = 0 ) ) exp ( i Δ ω t ) }

Figure DE102021132521A1_0051
For the object wave applies: 2 E L O R e { E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) i φ ( x , y , e.g = 0 ) ) ex ( i Δ ω t ) }
Figure DE102021132521A1_0051

Bzw.: 2 E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) cos ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) ) cos ( Δ ω t ) + 2 E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) sin ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) ) sin ( Δ ω t )

Figure DE102021132521A1_0052
Or.: 2 E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) cos ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) ) cos ( Δ ω t ) + 2 E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) sin ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) ) sin ( Δ ω t )
Figure DE102021132521A1_0052

Für die Referenzwelle gilt: E L O exp ( i ( ω + Δ ω ) t 2 π i ( ν x L O x + ν y L O y ) )

Figure DE102021132521A1_0053
The following applies to the reference wave: E L O ex ( i ( ω + Δ ω ) t 2 π i ( v x L O x + v y L O y ) )
Figure DE102021132521A1_0053

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: E L O E 0 ( x , y , z = 0 ) cos ( 2 π ( ν x L O x + ν y L O y ) + φ ( x , y , z = 0 ) )

Figure DE102021132521A1_0054
The pmd processor performs a (synchronous) cross-correlation with cos(Δωt) and delivers the location-dependent real measurement signal proportional to: E L O E 0 ( x , y , e.g = 0 ) cos ( 2 π ( v x L O x + v y L O y ) + φ ( x , y , e.g = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0054

Ein zweiter Prozessor berechnet aus dem Messsignal pixelweise die komplexe Amplitude der elektrischen Feldstärke der Objektwelle in der Sensorebene z = 0 : E 0 ( x , y , z = 0 ) exp ( i φ ( x , y , z = 0 ) )

Figure DE102021132521A1_0055
A second processor calculates the complex amplitude of the electric field strength of the object wave in the sensor plane z = 0 pixel by pixel from the measurement signal: E 0 ( x , y , e.g = 0 ) ex ( i φ ( x , y , e.g = 0 ) )
Figure DE102021132521A1_0055

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

  1. 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.
  2. 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,
  3. 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.
  4. d) einem zweiten Strahlengang zur Beleuchtung eines diffus reflektierenden Objekts bei der Lichtfrequenz ω.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
Arrangement for recording short-term holograms of moving objects using heterodyne technology, consisting of
  1. 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.
  2. 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,
  3. 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.
  4. d) a second beam path for illuminating a diffusely reflecting object at the light frequency ω.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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)

Anordnung zur Aufnahme von Kurzzeithologrammen bewegter Objekte in Heterodyntechnik, bestehend aus a) 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 αmax mit αmax < αLO auf den Bildsensor treffen.Arrangement for recording short-term holograms of moving objects using heterodyne technology, consisting of a) a laser system that emits coherent light with a first frequency (ω 1 ), 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) impinges on a sensor as a plane wave at an angle of incidence (α LO ), 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 α max with α maxLO . Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Licht in Lichtimpulsen <= 100 ns ausgesendet wird und/oder der Bildsensor eine Integrationszeit <= 100 ns aufweist.arrangement according to claim 1 , in which the light is emitted in light pulses <= 100 ns and/or the image sensor has an integration time <= 100 ns. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Strahlteiler als akustooptischer Modulator ausgebildet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, in which the beam splitter is designed as an acousto-optical modulator. Anordnung nach Anspruch 3, bei der der Strahlteiler bei der Frequenz im Bereich von 1-100 MHz betrieben wird.arrangement according to claim 3 , in which the beam splitter operates at the frequency in the range of 1-100 MHz. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Raumfrequenzfiltersystem durch wenigstens eine Blende realisiert wird.Arrangement according to one of the preceding claims, in which the spatial frequency filter system is implemented by at least one diaphragm. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Oszillator zur Erzeugung einer Modulationsfrequenz (Δω), mit einem optischen Modulator zur Erzeugung einer Referenzlichtwelle (ELO, ω1'), mit einem PMD-Sensor mit mehreren PMD-Pixel, die jeweils einen ersten und zweiten Integrationsknoten (A, B) aufweisen, wobei der PMD-Sensor und der optische Modulator mit der vom Oszillator erzeugten Modulationsfrequenz (Δω) betrieben werden, wobei ein Teil des von der Lichtquelle bzw. Lasersystem ausgesendeten Lichts auf den optischen Modulator gelenkt und der optische Modulator die erste Frequenz (ω1)des eintreffenden Lichts um die Modulationsfrequenz (Δω) verschiebt, so dass am Ausgang des optischen Modulators eine Referenzlichtwelle (ELO) mit einer zweiten Frequenz (ω1') zur Verfügung steht, wobei eine Szenerie bzw. Objekt mit der ersten kohärenten ebenen Lichtwelle beleuchtet wird und die vom Objekt reflektierte Lichtwelle eine Objektlichtwelle (EObj) bildet, wobei der PMD-Sensor mit der Objektlichtwelle (EObj) und der Referenzlichtwelle (ELO) beleuchtet wird und zwar derart, dass die Einfallswinkel bzw. die Ausbreitungsrichtungen beiden Wellen in einem vorgegebenen Winkel (α) zueinander ausgerichtet sind und beide Wellen interferieren, wobei die Interferenz zeitlich veränderlich ist und eine Periodendauer entsprechend der Frequenzverschiebung (Δω) bzw. der Modulationsfrequenz (Δω) aufweist, wobei die Interferenz phasensynchron im Takte der Modulationsfrequenz (Δω) abwechselnd von den ersten und zweiten Integrationsknoten (A,B) erfasst wird, wobei nach einer Integrationszeit für ein PMD-Pixel ein Differenzsignal (A-B) zur Verfügung steht, wobei aus einer lateralen Verteilung der Differenzsignale und unter Berücksichtigung der Einfallswinkel der Objekt- und Referenzwelle eine laterale aufgelöste Amplitude und eine lateral aufgelöste Phase der Objektwelle ermittelbar ist.Arrangement according to one of the preceding claims, with an oscillator for generating a modulation frequency (Δω), with an optical modulator for generating a reference light wave (E LO , ω 1 '), with a PMD sensor with a plurality of PMD pixels, each having a first and second integration node (A, B), wherein the PMD sensor and the optical modulator are operated with the modulation frequency (Δω) generated by the oscillator, wherein part of the light emitted by the light source or laser system is directed onto the optical modulator and the optical modulator shifts the first frequency (ω 1 ) of the incoming light by the modulation frequency (Δω), so that a reference light wave (E LO ) with a second frequency (ω 1 ') is available at the output of the optical modulator, with a scene or Object is illuminated with the first coherent plane light wave and the light wave reflected from the object forms an object light wave (E Obj ) where the PMD Sensor is illuminated with the object light wave (E Obj ) and the reference light wave (E LO ) in such a way that the angles of incidence or the directions of propagation of the two waves are aligned at a predetermined angle (α) to one another and both waves interfere, with the interference changing over time and has a period corresponding to the frequency shift (Δω) or the modulation frequency (Δω), with the interference being detected alternately by the first and second integration nodes (A,B) in phase-synchronous fashion with the modulation frequency (Δω), with after an integration time for a PMD pixel, a difference signal (AB) is available, from a lateral distribution of the difference signals and taking into account the angle of incidence of the Object and reference wave, a laterally resolved amplitude and a laterally resolved phase of the object wave can be determined.
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