DE1673121A1

DE1673121A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Darstellen eines dreidimensionalen Bereiches,in welchem sich Stoerungen fuer eine elektromagnetische Strahlung befinden

Info

Publication number: DE1673121A1
Application number: DE19661673121
Authority: DE
Inventors: Parrent Jun George B; Ward John H; Thompson Brian J
Original assignee: Technical Operations Inc
Current assignee: Technical Operations Inc
Priority date: 1965-03-08
Filing date: 1966-03-08
Publication date: 1970-10-29
Also published as: US3520610A

Description

Patentanwalt "Π-χΤΎ^Ι Dipl. phys. Gerhard Lied! , .CXpl.

München 22, Steinsdorf sir. 21-22 J_-. —* — '

Ecke Zweibrückenstr., Tel. 298462 1 R 7 ^ 1 9

B 2826

TECHNICALOPERATIONS, INC. Burlington, Massachusetts, USA

Verfahren und Vorrichtung zum Darstellen eines dreidimensionalen Be-

Fü!£^^e£»_JiL^.^!!!?¹^ ?*?** ?lH£^unI^eB für_eine^ eleWromagneüsche Strah- λ

lung befinden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Darstellen eines dreidimensionalen Bereiches, in welchem sich Störungen für eine elektromagnetische Strahlung befinden.

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Das Analysieren der Dichte und Größe von in einem fließenden Medium verteilten Teilchen bringt viele Probleme mit sich. Da Teilchen in einem fließenden Medium dazu neigen, in ständiger Bewegung zu sein, kann keine genaue Analyse durchgeführt werden, wenn diese Bewegung nicht während des Analysierens völlig unterbunden wird. Dies wird im allgemeinen durch Abtrennung des Probevolumens von der Gesamtmenge erreicht. Eine solche Abtrennung ruft jedoch eine so starke Stoning her-™ vor, daß die Dichte und/oder die Verteilung in der Probe verändert wird.

Beispielsweise neigen in einem kleinen Volumennebel die Flüssigkeitsteilchen dazu, sich zu vereinigen und zu kondensieren.

Um die Störungen des Mediums zu verringern, ist es wünschenswert, die Information in einem Probevolumen schnell aufzuzeichnen, und dann die Aufzeichnung getrennt für eine detaillierte Analyse zu verwenden. Übliche fotografische Techniken sind unzulänglich wegen der Unfähigkeit, ) ein genügend tiefes Feld zu erhalten. Eine genaue Messung hängt jedoch

von der Bildauflösung ab.

Ein neuer Weg zur Analysierung von Teilchendichte und -verteilung in einem flüssigen Medium ist mittels Beugungsbildern, sog. Hologrammen, möglich. Die derzeitige Kenntnis der Hologramme beginnt mit einer aus-

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gedehnten Arbeit von D. Gabor in den späten 40er Jahren, und eine gute Beschreibung von Hologrammen unter Bezugnahme auf die Arbeit von Gabor ist in "Principles of Optics" von Born und Wolf, 2. Edition, 1964, S. 453 bis 458, zu finden. Ein Hologramm, wie es von Gabor beschrieben wird, ist ein Fresnelsches Beugungsbild. Wenn ein Fresnelsches Beugungsbild eines mit kohärentem Licht beleuchteten Objektes fotografiert und das fotografische Bild in einem optischen System in derselben Ebene angeordnet wird, in der das Bild gemacht wurde, ^

kann ein rekonstruiertes Bild des Objektes in derselben Ebene fokussiert werden wie wenn das Objekt in seiner wirklichen Stellung wäre und das Hologramm fehlte.

Das Hologramm von Gabor, das im folgenden ein Fresnel-Hologramm genannt werden soll, enthält einige lästige Mehrdeutigkeiten als Folge eines virtuellen Bildes, das von der konjugierten Welle erzeugt wird.

Bei der Herstellung eines Hologrammes von Teilchen, die in einem

flüssigen Medium verteilt sind, wurde gefunden, daß die Mehrdeutig- ™

keit, die durch die konjugierte Welle erzeugt wird, vermieden werden kann durch die Verwendung einer Fraunhofer-Beugung anstatt einer Fresnelschen Beugung. Um Fraunhofer-Beugung zu erhalten, muß das optische System so ausgebildet sein, daß das Beugungebild im Fern-

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feld beobachtet wird. Die Bedingung für das Fernfeld ist definiert

2d²

durch die Beziehung z> —j-~, wobei ζ die Entfernung von der Beugungsöffnung (die in diesem Falle eines der Teilchen im Probevolumen ist) zur Beobachtungsebene (die in diesem Falle die Ebene des Hologramms ist), d ist der Durchmesser des größten Teilchens oder Teilchenbildes und λ ist die Wellenlänge der Lichtquelle. Fresnel-

• ' 2d²

Beugung tritt im Nahfeld auf, wo ζ < -j-— ist. Während das Hologramm im Fernfeld der einzelnen Objekte registriert werden muß, muß Sorgfalt darauf verwendet werden, sicherzustellen, daß das fotografische Bild im Nahfeld des beleuchtenden Strahles gemacht wird.

2 D

Das Nahfeld für den beleuchteten Strahl muß der Gleichung z<—-r

genügen, wobei D der Durchmesser des Strahles in derjenigen Ebene des Probevolumens ist, das der Strahlungsquelle zugekehrt ist, und ζ die Entfernung von dieser Ebene zu der Ebene ist, in der das HoIo- W gramm entsteht. Diese Beziehungen setzen einen im wesentlichen kol-

limierten Beleuchtungs strahl voraus mit einer Vergrößerung von 1, wie im folgenden ausgeführt wird. Wie bekannt, kann die physikalische Länge einer optischen Entfernung beispielsweise durch Linsen oder Spiegel vergrößert oder verkleinert werden. Durch Anwendung solcher Mittel, die die scheinbare Größe von Teilchen verändern (vergrößern

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i«i*_a>j!r*.*■<*! Q₀₉₈₄4/07 27

BADORlGtNAL

oder verkleinern), kann die Entfernung z, die der Fernfeldbedingung

2 d² m² genügt, in Übereinstimmung mit der Beziehung z> -. verändert

werden, wobei m der Vergrößerungsfaktor ist. Wenn rn gleich der

2 d²

Einheit ist, wird diese Beziehung zu z>—-γ—, wie bereits ausgeführt.

Ein Hologramm, das unter Verwendung eines Fraunhoferschen Beugungsbildes entstanden ist, wird im folgenden als "Fernfeld"-HoIo- _m graram bezeichnet. Ein Hologramm dieser Art kann mit einem fotografischen Apparat hergestellt werden, der inmitten einer Partikel wolke angeordnet ist, die analysiert werden soll oder ein vergrößertes oder verkleinertes Bild derselben. Durch Anwendung einer kurzen Belichtungszeit für die Herstellung des Hologrammes kann die Teilchenbewegung in der Objektebene des fotografischen Apparates tatsächlich eliminiert werden. Daher ist keine Abtrennung des Probevolumens notwendig. Das Hologramm wird dann eine vollständige Darstellung des ungestörten Probevolumens und kann aufbewahrt und in getrennten Laboratoriumseinrichtungen im Detail analysiert werden.

Es wurde gefunden, daß das Hologramm selbst Informationen enthält, die, wenn das Objekt ein Probevohunen von Teilchen in einem fließenden Medium war, ohne einen durch mangelnde Tiefenschärfe bedingten

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Verlust, Teilchenverteilung und -dichte in ***μ ¹^r?.' amen wiedergab. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ; Juti* ^as Fernfeldhologramm des Probevolumens von in einem fließenden Medium dispergier ten Teilchen verwendet, um das Probevolumen zu rekonstruieren und Bilder einzelner Teilchen in dem Probevolumen scharf zu fokussieren für Meßzwecke. Auf diese Weise kann, wenn gewünscht, jedes Teilchen gesondert analysiert und die Gesamtzahl der Teilchen in einem Probevolumen genau gezählt werden. Die Erfindung erlaubt außerdem eine erhebliche Erhöhung des Kontrastes der hergestellten Bilder durch ganz einfache und billige zusätzliche Komponenten in dem optischen System.

So ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Analysierung der Teilchengröße, -verteilung und -dichte in einem fließenden Medium zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches System zu schaffen, durch das Bilder von einzelnen Teilchen eines Original-Probevolumens, die fotografisch auf einer einzelnen fotografischen Platte gespeichert sind, getrennt fokussiert werden.

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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät anzugeben, mit dem der Kontrast von Aerosolbildern, die von einem Fraunhofer-Hologramm rekonstruiert wurden, erhöht werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele entnommen werden.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten einstufigen Systems zur optischen Erzeugung des Bildes eines Objektes;

Fig. 2 und 3 sind schematische Darstellungen eines Systemes, in dem zwei optische Stufen verwendet werden, um unter Verwendung eines Hologramms ein rekonstruiertes Bild eines Objektes zu erzeugen;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die die optische Einrichtung für die Herstellung eines Fraunhofer-Hologramms darstellt, das für die vorliegende Erfindung verwendet wird;

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Fig. 5 IHt eine schematische Darstellung eines optischen Systems für die Darstellung eines rekonstruierten Probevolumens £<·- maß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer ersten Einrichtung zur Darstellung eines rekonstruierten Probevolumens mit vergrößertem Kontrast gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Vorrichtung eines optischen Systems für die Darstellung eines Probevolumens mit erhöhtem Kontrast gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 8 ist eine Projektion einer dritten Vorrichtung eines optischen Gerätes zur Analysierung eines rekonstruierten Probevolumens gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein konventionelles optisches System für die Abbildung eines Objektes. In einem solchen System ist die Lichtquelle 10 begrenzt durch eine Blende 11 und kollimiert durch die Linse 12, um eine einheitliche Beleuchtung des Objektes 13 zu schaffen. Das durch das Objekt 13

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veränderte Licht fällt durch eine Linse 15 und erzeugt ein reelles Bild 16 des Objektes.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Bildung eines Hologramms und die Rekonstruktion des Objektes aus dem Hologramm. Die gezeigten optischen Systeme sind dem der Fig. 1 vergleichbar, so daß Ähnlichkeiten in der Wirkungsweise gezeigt werden können. Der erste wesentliche Unterschied ist, daß die Lichtquelle 12 zur Erzeugung eines Hologramms in den Fig. 2 und 3 kohärente Wellen am Objekt 13 und dem Hologramm 18 erzeugen muß. Unter kohärenten Wellen sollen im folgenden Wellen verstanden werden, die, wenn sie in eine Mehrzahl von Komponenten aufgeteilt werden, während der normalen Beobachtungoperiode im wesentlichen konstante Phasendifferenzen haben.

In Fig. 2 wird die Beleuchtung, die in Fig. 1 die Linse 15 erreicht haben wür Je, von einem fotografischen Teil 17 aufgefangen. Die Eigenschaften dieses fotoempfindlichen Teils sind nicht kritisch und es kann dazu dienen, um entweder ein negatives oder ein positives Bild de:) aufgefangenen Bildes zu erzeugen. Das vom fotoempfindlich&n Teil aufgefangene Bild ist in der Art eines Beugungsbildes, da das aufgegangene

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Bild außerhalb der Ebene des Brennpunktes des i'ti^ 17 liegt. Das ent wickelte Bild auf dem fotoempfindlichen Teil oder ein davon hergestellter Abzug ist als Hologramm bekannt.

In Fig. 3 ist das Objekt 13 aus dem optischen System entfernt worden, und das Hologramm 18 ist in die Stellung des fotoempfindlichen Teiles 17 in Fig. 2 gebracht worden. Die Linse 15, die genau an derselben Stelle angeordnet ist wie in Fig. 1, fokussiert ein reelles Bild 16 in der Bildebene genauso als wenn das Objekt 13 die öbjektet>ene einnehmen würde.

Es ist schnell einzusehen, daß es zwei Schritte erfordert, ein Bild zu erzeugen, wenn ein Hologramm verwendet wird, anstatt dee einen Schrittes, der in einem üblichen optischen Abbildungssystem notwen · dig ist. Außerdem ist für das Hologramm die Verwendung einer sehr speziellen Lichtquelle notwendig und das Hinzufügen eines fotoempfii dlichen Teiles. Trotz dieser scheinbaren Nachteile hat das Hologramm gewisse Eigenschaften, die sehr nützlich sind. Eine besondere Eigenschaft, die für die vorliegende Erfindung von größtem Interesse 1st, iöt das Fehlen des Unterschiedes in der Tiefenschärfe im Hologramm selbst. D.h. wenn das Objekt Tiefe aufweist, kann von jeder Ebene

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dieser Tiefe in einem von dem Hologramm hergestellten Bild schart fokussiert werden.

Fig. 4 zeigt die Erzeugung eines Hologramms für Zwecke der Erfin dung. Das Objekt ist abgebildet als Probevolumen 20 des Aerosols Das Objekt kann jede Art von Teilchen sein, die in einem fließenden Medium verteilt sind. Es kann daher aus Wasser und/oder Flüssigkeitsteilchen l>estehen, die in Luft oder in einem anderen gasförmigen Medium verteilt sind. Die Teilchen können auch Blasen in einer FIühsigkeit, wie Gasblasen in Wasser, sein, oder das Objekt kann jede Form von Teilchen sein, die entweder in einem gasförmigen oder einem festen Medium verteilt sind.

Eine quasi-monokromatische Quelle von Strahlungsenergie 10, beispielsweise ein Laser, eine gefilterte Bogenlampe oder eine gefilterte % Dampflampe, ist so angeordnet, daß sie durch die Linsen 22 auf die Lochblende 23 fokussiert ist. Impuls-Laser sind besonders vorteilhaft, da ihre Intensität bezüglich der verwendbaren Leistungsabgabe für den vorliegenden Zweck hoch genug ist, um eine genügend kurze Belichtungszeit zu erlauben, innerhalb deren keine Bewegung der Partikel

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auftritt. Hinter der Linse 25 ist ein Fenster 26 angebracht, das sich zum Raum 27 hin öffnet, um den Eintritt der Strahlung in das Probevolumen 20 zu ermöglichen. Weitere Fenster 28 folgen dem Raum 27 und decken das fotoempfindliche Teil 17 ab.

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung ist vollständig geschlossen, außer dem Raum 27, der nach außen offen ist. Wenn daher die ganze Vorrichtung in dem zu analysierenden Medium angeordnet wird, füllt ein Probevolumen des Mediums den Raum 27 ohne eine merkliche Störung des Mediums aus. Eine Trennung zwischen der Masse des Mediums und dem Probevolumen tritt nicht auf.

Im Betrieb füllt sich der Raum 27 mit dem Probevolumen 20 des zu analysierenden Materials. Kohärente Wellen der Quelle 10, die durch die Linse 22 auf die Blende 23 hin gebündelt wurden, werden durch die Linse 25 kollimiert, gehen durch das Fenster 26 und beleuchten das Probevolumen 20. Beleuchten bedeutet hierbei die Probe der Energie der Strahlungsquelle auszusetzen. Als Probevolumen soll ein vorbestimmtes Volumen bezeichnet werden, das die Objektebene des optischen Systems einnlin:nt und alle darin enthaltene Materie. Die kohä-

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renten Wellen werden durch das Probevolumen 20 verändert, gehen anschließend durch das Fenster 28 und beleuchten das fotoempfindlieht Medium 17.

Es ist klar, daß Fig. 4 und die vorstehende Beschreibung sehr stark vereinfacht sind und daß für die Erzeugung von Hologrammen verschiedene Abwandlungen erwünscht sein können, die von den Eigenschaften des Mediums abhängen. Beispielsweise ist es möglich, mit Wolken ge ringer Dichte den Raum 27, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, erheblich tiefer zu machen als den des Prot>evolumens, Da das zusätzliche Wolkenmaterial während der Analyse außerhalb des Brennpunktes bleibt, beeinflußt es die Analyse nicht. Durch die zusätzliche Tiefe wird es möglich, jede Störung des Probevolumens durch Randeinflüsse zu vermeiden.

Der Abstand zwischen dem fotoempfindlichen Teil 17 und den einzelnen Partikeln im Probevolumen 20 in FigAmuß, wie bereits ausgeführt,

2d²

der Bedingung ζ > —r-- genügen. Das auf dem fotoempfindlichen Teil 14 gebildete Hologramm wird dann ein Fernfeld-Hologramm. Bei der Rekonstruktion der im Probevolumen enthaltenen Teilchen von dem Fern-

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feld-Hologramm liegt das virtuelle Bild, dan von der konjugierten Welle erzeugt wird, so weit außerhalb des Brennpunktes, daß es lediglich eine gleichmäßige Verteilung des Hintergrundes ergibt.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen optische Anordnungen für die Rekonstruktion des Probevolumens aus dem Hologramm.

In Fig. 5 bilden eine Quelle 10, eine Linse 22 und ein Schirm 23 mit einer Lochblende eine kleine Quelle elektrischer Strahlung. Da die das Hologramm 18 beleuchtende Strahlung nicht koUimiert sein muß, ist die Linse 12 nicht notwendig. Das Hinzufügen von Kondensoroder Kollimator linsen würde mehr Energie vom Schirm 23 auf das Hologramm 18 bringen. Das Hologramm kann jedoch nahe an den Schirm 23 gebracht werden, so daß das Hologramm einen beträchtlichen Teil der Strahlungsenergie auffängt, auch wenn es weit genug entfernt ist, um eine gleichförmige Beleuchtung zu erhalten.

Wenn die Strahlungsquelle 10 in Fig. 5 dieselbe Wellenlänge wie die Strahlungsquelle hat, die bei der Bildung des Hologramms 18 verwendet worden ist, und das Hologramm 18 mit einem gerichteten Strahl be-

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leuchtet wird, tritt, ohne daß weitere Linsen von Nutzen sind, die rekonstruierte Probe 30 in einer Entfernung hinter dem Hologramm 18 auf, die äquivalent der Entfernung der Originalvolumenprobe, von der das Hologramm 18 hergestellt wurde, von dem fotoempfindlichen Teil ist. Wenn der Strahl, der das Hologramm 18 beleuchtet, divergiert, wird das rekonstruierte Probevoluinen umso weiter rückwärts auftreten, je mehr das Hologramm an die Quelle heranbewegt wird. Wenn ^ der Strahl, der das Hologramm 18 beleuchtet, kollimiert ist, hat das rekonstruierte Probevolumen diepelbe Größe, solange die Wellenlänge der Quelle dieselbe ist, wie die bei der Erzeugung des Hologramme-) Wenn jedoch der Strahl divergiert, wächst das rekonstruierte Probe» volumen in seiner Größe, wenn das Hologramm näher zur Quelle heranbewegt wird. Diese Vergrößerung kann, noch bevor das Hologramm nahe genug an der Quelle angeordnet ist, um eine nichtgleit-hförmige Beleuchtung zu erreichen, so groß werden, daß die Energie pro Flä- ^ cheneinheit des rekonstruierten Volumens so klein wird, daß sie praktisch wertlos ist. Die Vergrößerung und Anordnung des Bildes stehen in umgekehrter Beziehung zum Radius der Krümmung des Strahles an dem Punkt, wo das Hologramm beleuchtet wird. Bei Verwendung einer Punktquelle ist festzustellen, daß der Radius der Krümmung zunehmend kürzer wird, wenn das Hologramm näher an die Quelle heranbewegt wird.

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Für die Erzeugung des Bildes 30 sind keine Linsenelemente als notwendig dargestellt oder beschrieiien worden. Das ist der Fall, weil die Beugungsbilder der einzelnen Teilchen des Probevolumens,die im Hologramm 18 aufgezeichnet wurden, die wesentlichen Eigenschaften einer Zonenplattenlinse haben. Daher tragen die Beugungsbilder jedes Teilchens nicht nur die Information, die für das Teilchen repräsentativ ist, sondern wirken außerdem als ihre¹ eigene Linse, durch die das Bild des Teilchens rekonstruiert wird. Wenn die Wellenlänge einer Quelle, die das Hologramm 18 l>eleuchiet, verändert wird gegenüber der, die für die Erzeugung des Hologramms verwendet worden ist, wird die Vergrößerung und/oder Lage des rekonstruierten Probevolumens ebenfalls verändert. Die Beziehung, durch die dies festgelegt wird, ist die folgende:

ζ.« λ «

Dabei ist z« ⁽^^e Entfernung zwischen dem Hologramm und der scharf fokussieren Rekonstruktion; λ ₂ ist die Wellenlänge, die für die Rekonstruktion verwendet worden ist; z* iet die Entfernung vom Original" teilchen zum Film, auf dem das Hologramm aufgenommen wurde; λ. ist die Wellenlänge, die verwendet wurde, um das Hologramm herzu-

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stellen, und m ist die Vergrößerung in der scharf fokussiert en Rekonstruktion.

Es kann angenommen werden, daß λ«, λ- und z„ üblicherweise bekannt sind. Wenn die Strahlung kollimiert ist, so daß sowohl das Hologramm wie die Rekonstruktion mit ebenen Wellen erzengt sind, wird die Vergrößerung gleich 1. Wenn sphärische Wellen verwendet werden, —

steht die Vergrößerung in umgekehrter Beziehung zürn Radius der sphärischen Wellen auf der Ebene des Hologramms (d. h. des fotosensitiven Teiles während der Erzeugung und des Hologramms während der Rekonstruktion).

Das rekonstruierte Probevolumen 30 kann dadurch beobachtet werden, daß es auf einem Schirm oder einer Mattscheibe oder dergleichen in einer Beobachtungsebene innerhalb des rekonstruierten Probevolumens aufgefangen wird, das die speziellen Teilchen enthält, die zu untersuchen sind. Daher wird das Bild dieser Teilchen scharf fokussiert sein, während andere Teilchenbilder int rekonstruierten Protevolumen außerhalb des Brennpunktes sind, je nach der Entfernung von der Auffangebene. Da, wie in Fig. 4 dargestellt, das Hologramm üblicherweise

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die Informationen sowohl von Teilchen enthält, die vorne, als auch von denen, die hinten im Probevol'imen liegen, treten die Bilder dieser Partikel auch in der Erweiterung 31 des rekonstruierten Probevolumens aif. Unter der Voraussetzung, daß die Dichte der Teilchenbilder in der Erweiterung 31 des rekonstruierten Probevolumens nicht zu groß ist, können sie vernachlässigt werden, wenn das rekonstruierte Probevolumen betrat hi et wird, u?id sie geben nur einen niedrigen Storuntergrund ab. Obwohl ein Schirm in der Beobachtungsebene hilft, das gewünschte Bild zu lokalisieren, kann das rekonstruierte Bild auch direkt im Raum betrachtet werden. Wenn es jedoch mit unbewatfnetem Auge betrachtet wird, ist es durch Fokussierungssehwierigkeiten behindert. Dies wird in Verbindung mit der Fig. 8 noch weiter erläutert werden.

Fig. 5 stellt das rekonstruierte Probevolumen 30 nach der vorliegenden Erfindung in seiner einfachsten Form dar. Das Entfernen der optischen Linsen vermeidet Verzerrungen und andere Interferenz-Störungen, die als Folge der Linsenqual Itdt und fremder Materialien auftreten, welche sich auf den Oberflächen der Linsen ansammeln können. Jedoch können Linsen dem System hinzugefügt werden, um die Quelle

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zu kollimieren und die Lage des rekonstruierten Bildes zu vergrößern oder zu verändern. Optische Systeme können außerdem hinzugefügt werden, um den Kontrast zu erhöhen oder in anderer Weise die Energie zu verändern, die von dem endgültig rekonstruierten Probevolumen kommt, um die Betrachtung und die Analyse zu erleichtern.

Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei Anordnungen zur Rekonstruktion des Probe volumens, bei denen die Untergrundbeleuchtung unterbunden wird. In Fig. 6 wird Strahlung von der Quelle 10 durch die Linsen 32 kollimiert. Das Hologramm 18 wird mit dem kollimierten Strahl beleuchtet, wodurch das rekonstruierte Probevolumen 30 erzeugt wird. Bei Verwendung eines divergierenden Strahles, wie in Fig. 5, verändert die Bewegung des Hologramms 18 vor und zurück sowohl die Lage als auch die Vergrößerung des rekonstruierten Probevolumens. Bei Verwendung eines kollimierten Strahles, wie in Fig. 6, verändert das Vor- und Zurückbewegen des Hologramme 18 die Lage des rekonstruierten Probevolumens 30. Es wird jedoch weder seine Vergrößerung noch seine Lage relativ zum Hologramm verändert.

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- ZU -

In Fig. 6 wird das erste rekonstruierte Probevolumen 30 nicht beachtet und eine Linse 33, die auf das erste rekonstruierte Probevolumen 30 folgt, fokussiert alle verbleibenden koUimierten Komponenten des Beleuchtungsstrahles auf eine zentrale Blende 35. Auf die zentrale Blende 35 folgt eine zweite Linse 36, die ein endgültig rekonstruiertes Probevolumen 37 erzeugt. Ein Schirm oder eine Mattglasscheibe 38 ist so angeordnet, daß sie eingestellt werden kann, um jede Ebene des endgültig rekonstruierten Probevolumens aufzufangen. Das Hologramm 18 kann unmittelbar benachbart zur Kollimator linse 32 angeordnet werden. Das hat den Vorteil der Kompaktheit und nur kleiner durch Staubteilchen in der Luft hervorgerufener Verluste, Die Linse kann eine Brennweite von dem rekonstruierten Probevolumen 30 entfernt angeordnet werden. In diesem Falle fokussiert sie das rekonstruierte Probevolumen im Unendlichen, während sie alles kollimierte Licht, d. h. nicht vom Hologramm abgelenkte Licht, in der hinteren Brennebene der Linse fokussiert. In diesem Fall wird die zentrale Blende hinter der Brennebene der Linse 33 angeordnet. Die Linse 36 kann dann eine Brennweite von der zentralen Blende 35 entfernt angeordnet werden. In diesem Falle bildet sie das endgültig rekonstruierte Bild 37 eine Brennweite von ihrer hinteren Brennfläche weg ab. Bei diesen Anordnungen erscheint die Fourier-Transformation des rekonstruierten

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Probevolumens 30 in der hinteren Brennfläche der Linse 33. Beinahe alle Untergrundbeleuchtung erscheint im Mittelpunkt dieser Transformation und wird dadurch durch die zentrale Blende 35 zurückgehalten. Die Linse 36 bewirkt die inverse Transformationsfunktion, so daß das endgültige Volumen 37 in der rückwärtigen Brennebene der Linse 36 ohne Untergrundbeleuchtung rekonstruiert wird. In der Anordnung nach Fig. 5 entstehen die Teilchenbilder hell oder dunkel gegen einen hellen ™

Hintergrund oder umgekehrt, abhängig davon, ob das Hologramm 18 ein negatives oder positives ist. Da das rekonstruierte Probevolumen 37 in Fig. 6 keine Untergrundbeleuchtung enthält, erscheinen die Teilchenbilder hell gegen einen dunklen Hintergrund, unabhängig davon, ob das Hologramm ein positives oder negatives ist.

Wenn auch die Anordnung nach Fig. 6 im einfachsten mathematischen Sinne dargestellt worden ist, in dem die Fourier-Transformation des rekonstruierten Probevolumens in der Ebene der zentralen Blende 35 liegt, so ist dies doch keine notwendige Begrenzung. Wenn beispielsweise da· Hologramm 18 bewegt wird, während die Linsen 33, 36 und die zentrale Blende 35 in Ihrer Stellung bleiben, tritt das rekonstruierte Probevolumen nicht »ine Brennlänge vor der Linse 33 auf. Daher wird

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ihre Fourier-Transformation nicht in der hinteren Brennfläche der Linse 33 liegen. Dies hat hinsichtlich des Abbildungsvorganges nur sehr geringe Wirkung. Die zentrale Blende 35 verhindert weiterhin die Untergrundbeleuchtung und, und wieder wird durch die Linse 36 ein endgültig rekonstruiertes Bild 37 erhalten, wenn auch in einer anderen Ebene. Wenn die Untergrundbeleuchtung von der Bildinformation entfernt worden ist, sind Störeffekte verringert, und es können weitere optische Maßnahmen hinzugefügt werden, wobei nur eine geringe Störung des Bildes auftritt.

Da die Hologrammtechnik aus kleinen optischen Störungen in der Objektebene (d. h. in den Orten des Probevolumens) Bilder mit hohem Kontrast erzeugt, ist es wünschenswert, Oberflächen Jeder Art weit weg von der Objektebene zu halten. Glaslinsen, Fenster und Filter beispielsweise enthalten immer optische Fehler mancher Art und nehmen außerdem Staubteilchen und fremde M?*erie an ihrer Oberfläche auf.

Eine Abänderung der Fig. β ist in Fig. 7 dargestellt. m der Anordnung nach Fig. 7 wird die Hintergrundbeleuchtung vor der Rekonstruk-

tion des Probevolumens entfernt, Daher ist in Fig. 7 die Linse 33 eine Brennweite vor dem Hologramm 18 angeordnet, anstatt vor dem rekonstruierten Volumen 30, -wie in Flg. 6, Die Transformation des Hologramms 18 tritt daher in der Transformationsebene auf, und das unabgelenkte Licht wird durch die zentrale Blende 35 ausgeblendet. Eine weitere Linse 36, die von der Linse 33 durch die Summe ihrer beiden Brennweiten getrennt ist, erzeugt ein Bild 40 des Hologramms in der hinteren Brennebene der Linse 36. Das rekonstruierte Probevolumen erscheint hinter dem Hologrammbild 40 in derselben Entfernung wie sie ohne das optische System hinter dem Hologramm 18 erschienen wäre.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung, die in der Weise der Fig. 6 oder Fig. 7 betrieben werden kann. Sie schließt eine optische Vorrichtung zur Änalysierung des rekonstruierten Probevolumens ein.

Die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung enthält einen Tifech 50, der hintereinander die kohärente Strahlungsquelle 51, den Räumen 52, eine erste Sammellinse 53, die zentrale Blende 55, eine zweite Sammel-

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linse 56, einen durchsichtigen Schirm 57, Mikrometerschrauben 58 und eine optische Analysiervorrichtung 60 trägt.

Im Betrieb sind der Rahmen 52, die Linsen 53 und 56 und die zentrale Blende 55 wie in Fig. 6 oder Fig. 7 angeordnet, so daß ein Hologramm im Rahmen 52 ein rekonstruiertes Bild auf dem durchsichtigen Schirm 57 ergibt. Ein geeigneter Schirm 57 besteht aus Mattglas oder einem ähnlichen durchsichtigen Material, das das Licht des Bildes diffus zerstreut, so daß das Bild auf jeder Seite des Schirms für das Auge sichtbar wird. Das zerstreuende Korn des Schirmes 57 sollte fein sein in bezug auf die Teilclienbilder, damit das Bild nicht so sehr verzerrt wird, daß genaue Messungen unmöglich werden.

Der Schirm 57 ist dargestellt in der Weise, daß er in einem einstellbaren Rahmen montiert ißt, welcher längs der optischen Achse vor-und zurückbewegt werden kann. Diese Bewegung wird erzeugt durch eine Mikrometerschraube 58, die einen Schraubentrieb an dem Rahmen hat, der den Schirm 57 trägt. Die Mikrometerscliraube wird so eingestellt, daß sie ausgewählte Ebenen des rekonstruierten Volumens so scharf fokussiert, wie es für eine Betrachtung wünschenswert ist.

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Die optische Einrichtung 60 ist eine Mikroskopeinrichtung, die als Kalibrierung für die Messung der Teilchenbilder in dem rekonstruierten Probevolumen auf einem inneren (nicht dargestellten) Fadenkreuz geeignete Skalen aufweist. Die Vorrichtung 60 ist ausgestattet mit üblichen Getriebeeinrichtungen, die eine vertikale und seitliche Verschiebung relativ zum Tisch 50 gestatten. Diese Getriebeeinrichtungen sind nicht im Detail dargestellt und nur symbolisch durch die gekreuzten Pfeile 62 angedeutet.

Die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung ist eine bevorzugte Anordnung. Es ist jedoch möglich, diese in verschiedener Weise abzuändern, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise Iiaan die Linse 56 entfernt werden. Trotzdem erscheint das rekonrtrwiert© Probevolumen. Jedoch treten ohne Lins© 56 in verschiedenen Ebene» d@s Probevolumens verschiedene Vergrößerungen auf. Wi© bereits ausgeführt, bringen verschiedene Anordnungen des Systems ©ta© Vergrößerung des rekonstruierten Volumen® mit sich.

Bei einer einfachen Ausführung des in Fig. B dargestelltes Apparates ist der Sehirm 57 mil seinem TraniportmeehaKtemtsg ©afftsgufc wan für

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die Vor- und Zurückbewegung des Hologrammrahmens 56 ist ein kalibrierter Antriebsmechanismus 61 vorgesehen. Bei dieser Abwandlung verbleibt der optische Analysator mit hohem Auflösungsvermögen 60 in einem festgelegten Brennpunkt in einer Beobachtungsebene. Die Vor- und Zurückbewegung des Hologramms ergibt verschiedene Ebenen des rekonstruierten Probevolumens in der Beobachtungsebene. Wie im vorstehenden beschrieben, ist in der Xnspeküonsebene kein Schirm notwendig und die Verwendung eines hoc häuf losenden, optischen Anaiysators vermeidet jede Schwierigkeit in der Fokussierung auf spezifische Teilchenbilder in der Beobachtungsebene,

Die Erfindung soll durch die vorstehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels nicht beschränkt werden, Unter Beachtung der Tatsache, daß die Bedingungen für die Fraunhofer- oder Fernfeldbeugung nicht scharf von den Bedingungen für die Fiesnei-Beugung getrennt sind und daß sie sich bekanntlich graduell van einem Typ zum anderen ändern, umfaßt die vorliegende Erfindung auch Fälle, in denen eine erhebliche Annäherung au die Fernfeld-Beugungsbiider für praktische Zwecke ausreichend isl.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Darstellen eines dreidimensionalen Bereiches, in welchem sich Störungen für eine elektromagnetische Strahlung bef inden, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Bereich zunächst mit einem Strahl elektromagnetischer Stralilung kohärent beleuchtet wird und daß im Strahlenverlauf eine Einrichtung, die auf die Veränderungen des Strahls durch die Störungen anspricht in einer Stellung angeordnet ist, die bezüglich des Beleuchtungsstrallies im NaMeId und bezüglich der Störungen im wesentlichen im Fernfeld liegt, wobei ein Fernfeld-Hologramm der Störungen aufgezeichnet wird, welches anschließend durch kohärentes Beleuchten ein reelles Bild der Störungen in einem dreidimensionalen Bildraum ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung Licht ist und daß die strahlungsempfindliche Einrichtung ein fotoempfindliches Material ist.

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3. Verfahren narh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als fotoempfindliches Material ein fotografisches Material verwendet wird, welches durch das von den Störungen veränderte Licht belichtet wird, und daß das fotografische Material entwickelt wird, um die Aufzeichnung des Fernfeld-Hologramms der Störungen zu erhalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm aufgezeichnet wird und diese Aufzeichnung beleuchtet wird, um den Bereich als reelles Bild der Störungen im dreidimensionalen Raum zu erhalten.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine optische Vorrichtung ein ebenes Bild in diesem Bildraum ausgewählt wird,

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Instrument aiii einen ausgewählten Punkt in diesem ebenen Bild fokussiert wird.

7. Verfahren nach einom der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander alle Ebenen des Bildraumes untersucht werden.

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8, Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein kalibriertes Mikroskop für die Messung in einer Deobachtungsebene im Biidraum fokussiert wird, wobei die Stellung des Hologramms verändert wird, um aufeinanderfolgende Ebenen des reellen Bildes in den Brennpunkt der Beobachtungsebene zu bringen,und das reelle Bild mit dem Mikroskop ausgemessen wird,

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander jode der verschiedenen Ebenen des Bildraumes fotografiert wird,

i 0, Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dacKireh gekennzeichnet, daß der dreidimensionale Raum als fileßandag Medium enthält in welchem Teilchen^ bi»lgpieisw«lae StUub oösi ein Aerosol, ala Störungen vorhanden sifuf, und daß diener Bareieh aar während eines begrenztsn Zeitintervalle^ τοη soluhar Xiäiige bel^Ußhfcet ~*Αεά_} daß .Ue Teilchen beobachtet oder autgez«luhnet iverds.i köiüiwii als wsiui ei# in dem Medium ruhten.

11. ^erfuhren nach Anspruch 'tfc, daJü.vi:h fc-eViür--,fiös^, cfeß dieser eift;! mit einem Impuis-Luse? }i€h:ireiu. \h>U :ich;ai wl^& ■

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12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm mit kollimierter, kohärenter Strahlung beleuchtet wird, um ein reelles Bild zu erzeugen, wobei die Strahlungsenergie, die durch das Hologramm nicht abgelenkt worden ist, ausgeblendet wird, um den Kontrast des reellen Bildes zu steigern.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausblenden der unabgelenkten Strahlungsenergie bewirkt wird durch Anordnung des Hologramms lh der vorderen Brennebene einer Konvergenzlinse, wobei diese Linse das Hologramm im Unendlichen fokussiert, während die Quelle der Strahlungsenergie In der hinteren Brennebene der Linse fokussiert wird und das Zentrum der hinteren Brennebene ausgeblendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausblenden der unabgelenkten Strahlungsenergie bewirkt wird durch Rekonstruktion des Bilden des Bereiches in der vorderen Brennfläche einer Konvergenz linse, wobei äieee Line« das Bild des Bereiche im Unendlichen fokussiert, während dxs kcllimierte Licht in der hinteren Brennebene der Linse fokussiert wird und wobei das Zentrum der hinteren Brennebene ausgeblendet wird und ein endgültiges, rekonstruiertes Bild mit erhöhtem Kontrast erhalten wird.

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15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die aufeinanderfolgende Anordnung folgender Teile:

a) eine Quelle quasi-monochromatischen Lichts,

b) Mittel zum Halten eines Hologramms, weit lies davS Beugungkbild enthält,

c) Mittel zum Fokussieren reeller Bilder der Teilchen im Raum und

d) Mittel zum optischen Analysieren der Bilder.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel eine feste Brennebene haben mid daß Mitlei vorhanden sind, um das Hologramm so einzustellen, daß verschiedene Teilchenbilder in die Brennebene verschoben werden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Analysierungsmittel in Beziehung auf die optische Achse seitlich und vertikal einstellbar sind, um verschiedene Bilder von Teilchen in die Brennebene zu verschieben.

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18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchsichtiger Schirm in einer Rekonstruktionsebene für das Probevolumen angeordnet ist und Mittel vorhanden sind, durch die mittels einer relativen Bewegung in Richtung der optischen Achse zwischen Schirm und den reellen Bildern einzelne der reellen Bilder auf dem Schirm fokussiert werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch eine erste Konvergenzlinse, durch die die Strahlungsquelle auf einen Punkt in eiiiT Ebene abgebildet wird,und eine öffnung mit einer zentralen Blende, die in dieser Ebene angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Impuls-Laser ist.

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