DE1943424A1 - Zeit-Durchschnitts-Holographie - Google Patents

Zeit-Durchschnitts-Holographie

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DE1943424A1
DE1943424A1 DE19691943424 DE1943424A DE1943424A1 DE 1943424 A1 DE1943424 A1 DE 1943424A1 DE 19691943424 DE19691943424 DE 19691943424 DE 1943424 A DE1943424 A DE 1943424A DE 1943424 A1 DE1943424 A1 DE 1943424A1
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radiation
frequency
hologram
bundle
vibration
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DE19691943424
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Aleksoff Carl C
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Battelle Development Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/021Interferometers using holographic techniques

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • ZEIT-DURCHS CHNITTS -HOLOGRAPHIE (Priorität der USA Patentanmeldung Nr. 831 090, angemeldet 6. Juni 1969) Abstract Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Holographie und .insbesondere auf die Verwendung von holographischen Techniken für Vibrations-Analyse.
  • Kurz zusammengefaßt besteht die Erfindung in einer Technik zur Untersuchung von Vibrations- und anderen Veränderungseigenschaften eines Gegenstandes durch Konstruktion eines Zeit-Durchschnitts-Hologramms des sich verändernden Gegenstandes. Der das Hologramm konstruierende Bezugsstrahl hat entweder eine einzige Frequenz, die sich von der den Gegenstand beleuchtenden Strahles unterscheidet, oder er ist so moduliert, daß er eine Mehrzahl von Frequenzen umfaßt.
  • Der Hinterarund der Erfindung Fundamentale Techniken der Wellenfront-Rekonstruktion (Holographie) wurden von Leith und Upatnieks in Scientific American, Voi. 212, Nr. 6, Seiten 24 bis 35, vom Juni 1965 beschrieben. Ein Hologramm wird konstruiert durch Interfexenz zweier kohärenter Strahlungsbündel, wie elektromagnetische Strahlung innerhalb des sichtbaren Spektrums, an einem Hologrammdetektor, wie einem fotografischen Film. Ein aufzuzeichnender Gegenstand wird in den Pfad eines dieser Bündel angeordnet, um eine gegenstandmodifizierte Strahlung zu erzeugen, die auf den Hologramm-Detektor auftrifft. Das andere Strahlungsbündel, daß das Bezugsbündel genannt wird, schneidet das gegenstand-modifizierte Bündel unter einem endlichen Winkel mit demselben. Nachdem der Detektor behandelt ist, wie durch Entwicklung des fotografischen Films in gewöhnlicher Weise, erhält man ein Hologramm des Gegenstandes. Wenn das Hologramm mit Strahlung beleuchtet wird, die der Strahlung des Bezugsbündels entspricht, wird das gegenstand-modifizierte Bündel rekonstruiert unter Bildung eines drei-dimensionalen Bildes des Gegenstandes.
  • Die Verwendung dieser holographischen Technik zur Analyse des an verschiedenen Punkten mit verschiedenen Vibrations-Amplituden vibrierenden Gegenstandes ist in der gleichzeitig schwebenden deutschen Patentanmeldung P 15 14 179.1; unsere Akte DA-K217(H-2); und der gleichzeitig schwebenden US-Patentanmeldung S.N. 505 652 offenbart, und sie ist von Powell und Stetson im Journal of the Optical Society of America, Vol. 55, No. 12, Dezember 1965, Seiten 1593 bis 1598 beschrzben. Kurz gesagt umfaßt die dort offenbarte Technik die Anordnung des Hologramm-Detektors so, daß der Gegenstand im allgemeinen in einer zu demselben senkrechten Richtung vibriert. Der Holograum-Detektor wird liner großen Anzahl von Vibrationen, der Gegenstands-Vibrätion, -ausgesetzt, um ein Zeit-Durchschnitts-Hologramm zu erzeugen. Bei Rekonstruktion des Hologramms umfaßt ein modifiziertes Bild des Gegenstandes ein Muster von hellen und dunklen Streifen von denen die Amplitude der Vibration an verschiedenen Teilen des Gegenstandes bestimmt werden kann. Die rekonstruierte Lichtintensität an einem gegebenen Punkte des Gegenstandsbildes ist bezogen auf dieflAmplitude der Vibration dieses Gegenstandpunktes durch das Quadrat einer Null-Ordnung Bessel-Funktion der ersten Art.
  • Diese Technik ist sehr nützlich fUr die meisten Vibrations-Analyse-Anwendungen, aber leidet unter gewissen Beschränkungen für andere Anwendungen. Hine hauptsächliche Beschränkung besteht darin, daß die Gegenstandsbild-Rekonstruktion am hellsten ist, wo der Gegenstand Null-Vibration aufweist. Bereiche-des Gegenstandes mit hoher Vibrations-Amplitude sind im allgerinen insgesamt dunkel mit einem Streifenmuster, das sich nur schwer beobachten läßt. Dies ist in gewissen Gegenstandsbild-Rekonstruktionen sichtbar, die in dem genannten Pawell und Stetson Artikel, insbesondere in dessen Fig.
  • 4(f), wiedergegeben sind.
  • Das Hauptziel und weitere Ziele der Erfindung sind die Schaffung einer Technik: um Vibration zu analysieren durch Zeitdurchschnitts-Holographie, die die Erkennung von Unterschieden der Amplitude der Vibration an den Teilen des Gegenstandes erlaubt, die im allgemeinen große Vibrations-Amplituden aufweisen; die Erkennung kleiner Vibrationen im Gegenstand, die @@öhnlicherweise durch die in dem genannten Powell und Stetson Artikel beschriebenen Techniken nicht nachweisbar sind; bei der die vibrations-Amplitude durch kontrollierte Empfindliclieit bestimmt werden kann; bei der die fundamentale Vibrations-Frequenz eines Gegenstandes und seine Harmonischen bestimmt werden können; und durch die die relative Vibrationsphase zwischen verschiedenen Punkten des vibrierenden Gegenstandes bestimmt werden kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung Die vorgenannten und weitere Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch Konstruktion eines Zeitdurchschnitt-Hologramms während einer Mehrzahl von Vibrationen eines Gegenstandes, wobei verschiedene Punkte desselben mit verschiedenen Vidations-Amplituden sich bewegen, wobei das Bezugsbündel wenigstens-eine Strahlung frequenz umfaßt, die von der Strahlungsfrequenz des den Gegenstand beleuchtenden Bündels um einen Betrag abweicht, der auf die Frequenz der Gegenstandsvibration bezogen ist.
  • Gemäß einer Ausbilden der Erfindung umfaßt die Bezugsbündelstrahlung im wesentlichen eine einzige Strahlungsfre.quenz, die von der verwendeten einzigen gegenstands-beleuchtenden Strahlung um einen Betrag abweicht, der-gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Grundvibrationsfrequenz des Gegenstandes ist. Wenn das Bezugsbündel von dem den Gegenstand beleuchtenden Bündel durch die Grundfrequenz der Gegenstandsvibration abweicht, enthält das rekonstruierte Gegenstandsbild ein Streifenmuster für genügend große Vibrations-Amplituden. Weiterhin ist, für kleine Schwingungs-Amplituden, die Helligkeit des rekonstrierten Gegenstandsbildes proportional der Schwingungs-Amplitude. Diese verbesserten Resultate werden auch erreicht, wenn das Bezugsbündel in seiner Frequenz von dem gegenstandbeleuchtenden Bündel um zwei oder mehrere Male der Grundfrequenz der Gegenstands-Vibration abweicht. Diese Techniken sind zum Studium von sowohl nicht-sinusförmigen als auch von sinusförmigen Gegenstands-Vibrationen brauchbar. Ein Zeitdurchschnitt-Hologramm, das gemaß den erfindungsgemäßen Techniken konstruiert ist, wird mit Licht beleuchtet, um ein Bild des Gegenstandes zu rekonstruieren.
  • Betrachtungsoptik wird im Raum auf das rekonstruierte Bildes Gegenstandes fokussiert.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Grundfrequenz der Gegenstands-vibration bestimmt werden kann, als der kleinste Unterschied zwischen den Bezugsbündel und Gegenstandbeleuchtungsbündel Frequenzen, bei denen der Gegenstand in einigen seiner Bereiche hell rekonstruiert.
  • Irgendeine bequeme Technik kann verwendet werden, um ein Bezugsstrahlungsbündel zu erhalten, das eine einzige von - der Frequenz des den Gegenstand beleuchtenden Strahlungsbündels unterschiedliche Frequenz aufweist, wie durch Verwendung-getrennter Strahlungsquellen, die auf verschiedene Frequenzen für die gegenstands -beleuchtenden und Bezugsbündel abgestimmt sind. Alternativ kann eine einzige Strahlungsquelle verwendet werden, wie dies für optische holographische Arbeiten üblich ist, unter Hinzufügung eines gei;qneten, in den Pfad des Bezugsbündels eingefügten Apparates, um dessen Frequenz vor dem Auftreffen auf den holographischen Detektor zu verschieben.
  • Eine Ultraschall-Beugungszelle oder ein elektro-optischer Phasen-Modulator sind bequeme Einrichtungen zur Einfügung in ein Bezugslichtbündel, um dessen Frequenz um einen kontrollierbaren Betrag zu verschieben.
  • Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung wird ein Bezugsbündel mit dergleichen Frequenz wie der Frequenz des gegenstandbeleuchtenden Bündels mit einer Frequenz frequenz-moduliert, die gleich der Grundfrequenz der Gegenstands-Vibration ist. Die modulierende Funktion ist im wesentlichen die gleiche'wie die Gegenstandsvibrations-Funktion. Diejenigen Gegenstandspunkte, die das gegenstand-beleuchtend.e Bündel mit derselben Tiefe und Phase modulieren, mit der das Bezugsbündel moduliert wird, werden am hellsten rekonstruiert. Dies gestattet Rekonstruktion eines Gegenstandsbildes mit einem klaren Streifenmuster in denjenigen Teilen des Gegenstandes,die eine große Vibrations-Amplitude haben. Zusätzlich kann die relative Vi-brationsphase zwischen zwei oder mehr Gegenstandspunkten aus dem Streifenmuster des rekonstruierten Bildes bestimmt werden. Weiterhin bewirkt Modulation des Bezugsbündels mit einer Frequenz, die gleich zwei oder mehrere Male die Grundfrequenz der Gegenstands-Vibration ist, die gleichen Vorteile.
  • Das Bezugsbündel kann gemäß einer bevorzugten Ausführung unter Verwendung von optischer Holographie durch ein elektrisch erregtes optisches kristall, das in seinen Pfad angeordnet ist, derart moduliert werden. Viele andere spezielle Techniken können auch verwendet werden, um zufriedenstellend die Bezugsbündel-Modulation sowohl mit;6ptischer als auch anderer Strahlung zu erreichen.
  • Gewisse Ausbildungen der erfindungsgemäßen Techniken sind von dem Erfinder der vorliegenden Anmeldung vollständiger beschrieben worden in "Applied Physics Letters", Vol. 14, Nr. 1, Seiten 23 bis 24.
  • Diese Druckschrift ist zwar vom 1. Januar 1969 datiert, wurd nÇ 2 t bis zum 4. Marz 1969 veröffentlicht.
  • Eine detailliertere Offenbarung der Erfindung und weiteren Ziele, Merkmale und Vorteile derselben ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 illustriert allgemein ein erfindungsgemßes Verfahren der Konstruktion eines Zeitdurchschnitt-Hologramms eines vibrierenden Gegenstandes; Fig. 2 veranschaulicht ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bildes eines holographisch gemäß dem in Fig. 1 veranschaulichten Verfahren, aufgezeichneteni vibrierenden Gegenstandes; -Fig. 3a veranschaulicht ein Frequenz-Spektrum eines den Gegenstand beleuchtenden Bündels; Fig. 3b veranschaulicht ein Frequenz-Spektrum eines vom Gegenstand modifizierten Bündels; Fig. 3c veranschaulicht ein Frequenz-Spektrum eines teleuchtenden Bezugsbündels; Fig. 3d zeigt in grafischer Darstellung typische Null-, Erste-und Zweite-Ordnung Bessel-Funktionen, die die Tiefe der Modulation "m" (proportional zur Amplitude der Gegenstands-Vibration auf Licht-Bild-Rekonstruktions-IntensitAt beziehen; Fig. 4 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Ultraschall-Beugungszelle zum Verlagern der Frequenz des Bezugsbündels verwendet ist; und Fig. 5 zeigt eine andere spezielle Ausbildungsform der Erfindung-, die ein optisches Kristall zur Modulierung des Bezugsbündels verwendet.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausbildungsformen Die Techniken der vorliegenden Erfindung sind in ihrer bevorzugten Ausbildungsform hier unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung innerhalb des sichtbaren Spektrums beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die erfindungsgemäßen Techniken mit rgendeiner Strahlungsform, die bei der Durchführung der Holographie verwendet werden, durchgeführt werden kann. Solche Strahlung umfaßt z.B. Teilchenstrahlung, wie ein Elektronenbündel, oder elektromagnetische Strahlung, wie Licht, oder akustische Strahlung wie Schallenergie..Da die bevorzugten FormBn der Erfindung Lichtstrahlungsenergie verwenden, soll die Erfindung so beschossen werden.
  • Fig. 1 zeigt einen vibrierenden Gegenstand, z.B. eine Platte 11, die starr Rings ihrer Ränder lla und llb befestigt ist. Ein (nicht dargestellter) Umstand veranlaßt die Platte 11, sich zu Stellungen maximaler Vibrations-Amplituden 13 und 15 zu verformen, die hier zwecks Veranschaulic hung übertrieben dargestellt sind. Alle Punkte der Platte 11 haben nicht die gleiche Vibrations-Amplitude. Eine Laser-Lichtquelle 17 sendet ein gegenstand-beleuchtendes Bündel 19 mit einer Frequenz f0 aus. Die vibrierende Platte 11 reflektiert und frequenz-moduliert das gegenstand-beleuchtende Bündel 19 in ein gegenstand-modifiziertes Bündel 21. Ein fotoempfindlicher Detektor 23 ist so angeordnet, daß er das gegenstand-modifizierte Bündel 21 auffängt.
  • Eine Laser-Lichtquelle 25 erzeugt ein Bezugsbündel 27, mit einer Frequenz f und wird eo auf den fotoempfindlichen Detektor 23 gerichtet, um mit dem gegenstand-modifizierten Bündel 21 zu interferieren, wodurch sowohl die Phasen- und die Amplituden-Information des gegenstand-modifizierten, über eine große Zahl von Plattenvibrationen gemittelten Bündels aufgezeichnet wird.
  • Die Holographie-Techniken erfordern, daß ein gegenstand-modifiziertes Bündel oder ein Bezugsbündel miteinander kohärent sind.
  • Ansonsten wird das gegenstand-modifizierte Bündel nicht richtig aufgezeichnet. Gewöhnliche Holographie-Techniken verwenden eine einzige Laser-Lichtquelle mit geeigneten Bilndelteilern und anderen optischen Elementen, so daß das gegenstand beleuchtende Bündel und das Bezugsbündel genau die gleiche Frequenz haben. Die in dem erwähnten Artikel von Powell und Stetson beschriebene Technik verwendet kohärente gegenstand-beleuchtende und Bezugsbündel; d.h. fo = f r° Nachdem der fotoempfindliche Detektor 23 richtig behandelt wurde, so ergibt sich ein Hologramm 23'. Wird das Hologramm 23' mit einem Lichtbündel beleuchtet, das ähnlich oder gleich dem des Bezugsbündels der Fig. 1 ist, so wird ein ein Bild tragendes gebeugtes Bündel 29 erzeugt. Das gebeugte Bündel 29 ist eine Rekonstruktion der gegenstand-modifizierten Wellenfront 21, wie sie über eine Zeitspanne von vielen Vibrations-Kreisläufen der Platte 11 gemittelt ist. Ein virtuelles Bild 31 der Platte 11 qeist übereinander gelagerte dunkle und helle Streifen auf, die Punkte der Platte mit gleichen Vibrations-Amplituden anzeigen. Betrachtungsoptik en, die ein menschliches Auge umfassen können, werden auf das virtuelle Bild 31 fokussiert. Wenn fo = f, r während der Konstruktion des Hologrammes sind, so interferiert das Bezugsbündel 27 nur mit dem Teil des gegenstand-modifizierten Bündels 21, der die gleiche Frequenz hat. Da die vibrierende Platte 11 verschiedene Frequenzen in dem gegenstand-modifizierten Bündel 21 erzeugt, so wird nur die Information der Teile der Platte 11 klar aufgezeichnet, die eine Frequenz-Komponente gleich der Frequenz zur des Bezugsbündels erzeugen. Die Vibrations-Charakteristiken anderer Teile der Gegenstandsplatte können oft erwünscht sein, und es wurde ermittelt, daß die Streifenmuster dieser anderen Bereiche klarer gemacht werden, wenn das Bezugsbündel 27 wanigstens eine Frequenz fr enthält, die nicht gleich fO ist und die davon um einen Betrag sich unterscheidet, der auf die Grundfrequenz der Vibration der Gegenstandsplatte 11 bezogen ist.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 3a, 3b und 3c soll nun eine Ausbildung der Erfindung beschrieben werden, bei der das Bezugsbündel eine einzige Frequenz fr # fo enth§lt. In diesen Figuren ist die relative Lichtamplitude mit y bezeichnet.
  • Fig. 3a zeigt die relative Amplitude des gegenstand-beleuchtendea Bündels 19 als eine Funktion der Frequenz über eine Zeitspanne vom Beginn der Belichtung des fotoempfindlichen Detektors 23 bis zum Ende derselben. Fig. 3a zeigt die gesamte Bündelamplitude als im wesentlichen auf eine einzige Frequenz f0 konzentriert.
  • Es sei ein besonderer Wall von sinusförmiger Gegenstands-Vibration betrachtet. Die Vibration der Gegenstandsplatte 11 frequenzmoduliert das gegenstand-beleuchtende Bündel in ein gegenstandmodifiziertes Bündel 21. Ein besonderer Punkt 33 des Gegenstandes wird Licht reflektieren, das ein Frequenz-Spektrum, etwa gleich dem in Fig. 3b veranschaulichten haben kann, wobei die genaue Verteilung von der Amplitude der sinusförmigen Vibration des besonderen Punktes 33 abhängt. Die komplexe vom Punkt 33 reflektierte Wellenform wird bequemerweise in Ausdrücken der Amplitude seiner sinusförmigen, durch eine Frequenz F getrennten Komponenten angegeben. Die Midellinie zeigt die relative Amplitude der sinusförmigen Komponente der gegenstandbeleuchtenden Bündelfrequenz fo. Wenn fo = fr ist, wird nur dieser Teil, der Amplitude des gegenstand-modifizierten Bündels aufgezeichnet, während die verbleibenden Komponenten den fotoempfindlichen Detektor 23 verschleiern.
  • Fig. 3c zeigt das Frequenz-Spektrum des Bezugsbündels 23 in einem speziellen Beispiel der Erfindung, worin zur æo gewählt ist, daß es gleich fo+F wird, worin F die sinusförmige Gegenstandsvibrations-Frequenz ist. Das Bezugsbündel 27 interferiert mit der Frequenz-Komponente des gegenstand-mcdifizierten Bündels, die gleich dem Wert f, r ist. Information des vibrierenden Gegenstandes wird dadurch aufgzeichnet für Interpretation seines Vibrations-Charakters durch Betrachtung eines rekonstruierten Bildes desselben. Die Bezugs# strahlung interferiert mit dem Teil des gegenstand-modifizierten Bündels, der durch den Gegenstandpunkt 33 erzeugt wird, was als J1(m) in Fig. 3b markiert ist.
  • Ein mit fo= f r konstruiertes Zeitmittel-Hologramm rekonstruiert ein Bild des Gegenstandpunktes 33 mit einer relativen IntensiSt, die proportional dem Quadrat eines Null-Ordnung Besselfunktionswertes für die besondere vibrationsamplitude des Gegenstandpünktes 33 ist.
  • Eine Null-Ordnung Besselfunktion ist als Jo(m) in Fig. 3d aufgetragen, worin "m" die Modulationstiefe ist, die durch die Vibrationsamplitude des besonderen Gegenstandspunktes verursacht-wird, dessen rekonstruierte Intensität von Interesse ist. Verschiedene Punkte des Gegenstandes vibrieren mit verschiedenen Amplituden und rekonstruieren somit mit verschiedenen Lichtintensiäten gemäß der J0 (m) Kurve.
  • Es wurde ermittelt, daß, wenn das Bezugsbündel zu einer Frequenz fr= fo + F verlagert wird, die Lichtintensität eines rekonstruierten Gegenstandspunktes bezogen ist auf die Vibrationsamplitude (m) dieses Punktes durch die Erste-Ordnung Besselfunktion J1(m), wie dies in Fig. 3d gezeigt ist. Arbeitet man auf der Kurve J1(m), anstatt wie früher auf der Kurve JO(m), so hat dies verschiedene Vorteile. Beispielsweise, wenn Rekonstruktion der Teile des Gegenstandes mit niedriger Vibration gewünscht wird, so bietet die Kurve Jl(m) eine viel größere Neigung 1-1 als die Neigung 0-0 der J0 (m) Kurve. Die größere Neigung ergibt eine besser betrachtbare Rekonstruktion für niedrige Werte von m. Fernerhin ist die Neigung 1-1 der J1(m) Kurve konstant über einen größeren Bereich von Modulationstiefen als die Neigung 0-0 der J0 (m) Kurve. Die J@(m) Kurve kann vorgezogen werden für klarere Streifenmuster in Bereichen des Gegenstandes, die andere Vibrations-Amplituden haben, wo die Neigung der J1(m) Kurve größer ist- als diejenige der Jo (m) Kurve.
  • Die erfindungsgemäßen Techniken sind nicht auf das Arbeiten in einer Erste-Ordnung Besselfunktion beschränkt, sondern können auf andere höhere Ordnung Besselfunktionen ausgedehnt werden. Für eine gegebene interessierende Vibrationsamplitude kann eine Zweite-oder höhere-Ordnung Besselfunktion die größte Neigung haben und somit betrachtbarere Rekonstruktionsstreifen muster um die besondere Vibrations-Amplitude herum ergeben. Infolgedessen würde das Bezugsstrahlungsbündel eine einzige Frequenz fr enthalten, die gleich ist f0 + 2F für Arbeiten auf einer Zweite-Ordnung Besselfunktionskurve J2(m), f0 + 3F zum Arbeiten auf einer Dritte-Ordnung Besselfunktionskurve (nicht dargestellt), usw. Wie aus Fig. 3d ersichtlich, ist die Neigung 2-2 der J2(m) Kurve größer als die Neigung 0-0 der J0 (m) Kurve für niedrige Modulationstiefen (m). Somit ergibt das Arbeiten auf dieser Kurve eine bessere Rekonstruktion der Gegenstands punkte,,die niedrigere vibrations-Amplituden haben als sie beim Arbeiten auf der JO(m) Kurve erreicht wird. Dieselben Vorteile werden erreicht durch Arbeiten auf sogar höheren Besselordnungskurven.
  • Bei einer bevorzugten Ausbildungsform dieses Bereiches der -Erfindung wird eine einzelne Laser-Lichtquelle verwendet in Kombination mit Mitteln im Bezugsbündel zur Verlagerung der Frequenz desselben um einen fortlaufend einstellbaren Betrag. Solch ein System ist in Fig. 4 veranschaulicht, worin eine einzelne Laser-Lichtquelle 35 ein kohärentes Lichtbündel 37 erzeugt, das durch einen Bündel spalter 39 in eiue Bezugskomponente 41 und eine den gegenstand-beleuchtende Komponente 43 geteilt wird. Die gegenstand-beleuchtende Komponente wird von einem Spiegel 45 reflektiert und durch geeignete Optik 47 ausgedehnt, um ein Lichtbündel 49 zur Beleuchtung des Gegenstandes 51 zu erzeugene Der Gegenstand 51 ist nicht auf einen ebenen Gegenstand beschränkt, sondern kann eine nicht ebene der Untersuchung unterworfene Fläche aufweisen. Die Bezugskomponente wird durch eine Ultraschall-Beugungszelle 43 hindurchgeschickt, die einen von einem damit verbundenen, elektronischen Oszillator 47 elektrisch angetriebenen Wandler 45 enthalt; Ein Ultraschall Energieaufnehmer 46 ist am Ende der Zelle gegenüber dem Wandler 45 angeordnet. Die Bezugskomponente 41 wird somit durch eine wandernde Ultraschallwelle in Seitenbander gebeugt, die von der Frequenz des Bezugsstrahlungsteiles 41 um einen Betrag sich unterscheiden, der gleich der Frequenz des Oszillators 47 ist. Eine Linse 49 bringt diese Komponenten an einem räumlichen Filter 51, der nur einem Seitenband 53 den Durchtritt gestattet, in Fokus. Hin Spiegel 55 reflektiert das Seitenbandlicht in ein BezugabUndel 57, das auf einen fotoempfindlichen, mit einem gegenstand-modifizierten Bündel 61 interferierenden Detektor gerichtet ist. Bei dem Beispiel der Frequenzspektra, das in Fig. 3c veranschaulicht ist, erfolgt Einstellung der Oszillations-Frequenz des Oszillators 47 äquivalent zur Bewegung der Zeitmittel-Amplitude des BezugbUndels, das in Fig. 3c längs der horizontalen Grundlinie relativ zu der Frequenz fO des den Gegenstand beleuchtenden Bündels dargestellt ist.
  • Es ist zu vermerken, daß sinusförmige Gegenstands-Vibrations-Funktion, wie sie in dieser Beschreibung angenommen ist, oft auftritt.
  • Wenn jedoch der Gegenstand ganß einer komplexeren, nicht sinusförmigen Funktion vibriert, so wird doch das Bezugsbündel in seiner Frequenz von den gegenstand-beleuchtenden BUndel um einen Betrag verlagert, der gleich einem ganzzahligen Vielfachem von F ist, worin F nun die Grundfrequenz der' Gegenstands-Vibration ist.
  • Gemil einer anderen Ausbildung der Erfindung kann nützliche Information eines vibrierenden Gegenstandes auch erhalten werdan, wenn das 8ezugsbUndel moduliert wird, um eine komplette Wellenltngen-Verteilung einzuschließen, die durch einen interessierenden Punkt des vibrierenden Gegenstandes erzeugt wird, um vollko nene Informationen dieses Punktes aufzuzeichnen und dadurch hellere Konstruktion dieses Punktes des Gegenstandes zu erzeugen. Um diese Frequenzen in den Bezugsbdedel zu erzeugen, wird ein mit dem den gegenstandbeleuchtenden BUndel koMrentu Bündel durch dieselbe Funktion, wie die den Gegenstand antreibende, frequenzmoduliert. Ein Weg, um dies zu erreichen, ist die Verwendung eines mechanisch so angetriebenen Spiegels, daß er in einem im wesentlichen orthogonal zum Bezugsbündelpfad verlaufenden Pfad vibriert. Wenn die Vibration des Spiegels die gleiche Frequenz- und Amplitudenfunktion hat wie die Vibration des interessierenden Gegenstandspunktes, so werden das Bezugsbündel und der Teil des vom Gegenstand modifizierten vom gegebenen Punkt erzeugten Bündels vollkommen einander in Spektrums-Komponenten angepaßt sein und dadurch vollkommen interferieren. Dieser Punkt (der eine weite Fläche des Gegenstands sein kann) erscheint als der-heIlste rekonstruierte Teil eines Bildes des Gegenstandes und Streifenmuster, die Punkte mit von der des gegebenen Punktes verschiedener Vibration repräsentieren, erscheinen deutlich zur Bestimmung der vibrationamplitudeno-Unterschiede von denen des gegebenen Punktes.
  • Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung dieses Gesichtspunktes der Erfindung ist in Fig. 5 veranschaulicht, in der ein optischer Kristall zum Modulieren des Bezugsbündels verwendet ist anstelle des vorstehend erwähnten, umständlicheren mechanisch angetriebenen Spiegels. In Fig. 5 sind alle Elemente, die den in für Fig. 4 berchriebenen Elementen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Bezugsstrahlungsbündel 41 ist ein geeignetes elektro-optisches Längskristall 63 angeordnet, das Blätter aus elektrisch-leitendem Glas 65 und 67 auf beiden Seiten desselben aufwirt. (Alternativ kann ein elektro-opkisches Querkristall verwendet werden, das leitende Blätter, die parallel zur Bewegungsrichtung des Lichts orientiert sind, verwendet werden.) Der Oszillator 48 ist quer zu den Blättern leitenden Glases verbunden, die Änderungen in dem optischen Kristall 63 bewirken, um ein Bezugsbündel 69 zu erzeugen, das frequenz-moouliert ist und dadurch mehrere Frequenzen über eine Zeitspanne enthält. Der Oszillator 48 muß in der Lage sein, eine Welienformfunktion zu erzeugen, die der den Gegenstand antreibenden Funktion entspricht. Diese Funktion kann sinusförmig sein, braucht aber nicht notwendigerweise sinüsförmig zu sein. Ein moduliertes Bezugsbündel wird von einem Spiegel 41 reflektiert und wird durch ein geeignetes optisches Element 43 in ein Bezugsbündel 45 expandiert, das auf dem fotoempfindlichen Detektor 59 auftrifft und auf demselben mit dem gegenstand-modifizierten Bündel 61 interferiert.
  • Die Erfindung ist hier für die Bestimmung der Vibrationsamplitude beschrieben, sobald etwas von dem Charakter der Gegenstandsvibration bekannt ist. Die Techniken der Erfindung können jedoch auch angewendet werden zur Bestimmung des Charakters der Gegenstands-Vibrations-Funktion. Ein Hologramm wird verzugsweise von einem vibrierenden Gegenstand in realer Zeit hergestellt, so daß die Streifenmuster auf einem rekonstruierten Bild desselben für verschiedene Modulationen des Bezugsbündels betrachtet werden können. Verwendung von fotochromischen Glas als Hologramm-Detektor gestattet solche Untersuchung des vibrierenden Gegenstandes in reeller Zeit. Der Charakter der Bezugs-Bündelmodulation wird dann geändert, während die Wirkung solcher Änderungen auf den Streifenmustern des holografisch rekonstruierten Bildes des vibrierenden Gegenstandes beobachtet wird.

Claims (12)

  1. Ansprüche
    /Dl. Verfahren der Konstruktion eines Hologramms eines Gegenstandes, der mit einer Grundfrequenz und mit verschiedenen Amplituden an verschiedenen Punkten desselben vibriert, g e k e n n -z e i c h n e t durch die Schritte: Beleuchten des vibrierenden Gegenstandes mit kohärenter Strahlung vorbestimmter Frequenz und dadurch erfolgende Erzeugung einer gegenstand-modifizierten Strahlung; Anordnung eines Hologramm-Detektors in den Pfad der gegenstand-modifizierten Strahlung; und -gleichzeitiges Richten auf den Hologramm-Detektor eines kohärenten Bezugsstrahlungs-Bündels von nur einer predöminierenden Frequenz, die von der Frequenz der gegenstand-beleuchtenden Strahlung abweicht durch ein ganzzahliges Vielfaches der V£hrations-Grundfrequenz des Gegenstandes.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Gegenstand eine nicht ebene, vibrierende Oberfläche hat, und daß diese nicht ebene Gegenstands-Oberfläche rait der kohärenten Strahlung beleuchtet wird.
  3. 3., Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet: daß der Gegenstand mit einer nicht-sinusförmigen Punktion vibriert; und daß dieser nicht-sinusförmig vibrierende Gegenstand mit der kohärenten Strahlung beleuchtet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß das genannte ganzzahlige Vielfache für das Bezugsstrahlungsbündel im wesentlichen gleich eins, d. h. gleich der gegenstand-vibrierenden Grundfrequenz gemacht wird.
  5. 5. Verfahren uach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch. g e k e n nz e i c h n e t , daß das genannte ganzzahlige Vielfache wenigstens das Zweifache der Grundfrequenz der Gegenstandsvibration gemacht wird.
  6. 6. Verfahren zur Bestimmung des vibrationsmusters eines Gegenstandes unter Verwendung des -Verfahrens nach einem der vorhergehend9n Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e ts daß der Hologramm-Detektor mit einem rekonstruierendon Lichtbündel in einer Weise beleuchtet wird, um ein ein Bild tragendes gebeugtes Lichtbündel zu erzeugen; und daß Betrachtungsoptik in dem bild-tragenden gebeugten Bündel angeordnet und diese Optik auf ein rekonstruiertes Bild des Gegenstandes fokussiert wird.
  7. 7. Verfahren, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Konstruktion eines Hologramms eines mit einer gegebenen Bewegungsfunktion und mit verschiedenen Amplituden an verschiedenen Punkten vibrierenden Gegenstandes, gekennzei c h n e t durch die Schritte: Beleuchten des Gegenstandes mit kohärenter Strahlung vorbestimmter Frequenz unter dadurch erfolgender Erzeugung von gegenstandmodifizierter Strahlung; Anordnen eines Hologramm-Detektors in den Pfad der gegenstandmodifizierten Strahlung; und gleichzeitiges Richten auf den Hologramm-Detektor von Bezugsstrahlung, die mit der gevenstand-beleuchtenden Strahlung kohärente Strahlung enthält, die frequenzmoduliert ist durch eine im wesentlichen der gegebenen Bewegungsfunktion des Gegenstandes gleichen Modulationsfunktion.
  8. 8. Ein gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche konstruiertes Hologramm.
  9. 9. Apparat, vorzugsweise zur Ausführung des Verfahrens nach einen der Ansprüche 1 bis 6, zur Konstruktion eines Zeitmittel-Hologramms eines Gegenstandes, der mit einer Grundfrequenz bzw. einer gegebenen Bewegungsfunktion vibriert und verschiedene Amplituden an verschiedenen seiner Punkte aufweist,. g e k e n n z e i c h n e t durch: eine Quelle (35) kohärenter Lichtstrahlung (37); Mittel (39) zum Spalten der Lichtstrahlung (37) in zwei kohärente Lichtstrahlungsbündel (41,43); Mittel (45,47), zum Richten eines dieser Bündel (43) auf den vibrierenden Gegenstand (51) zwecks Erzeugung eines gegenstandmodifizierten Lichtstrahlungsbündels (61); einen Hologramm-Detektor (59), der im Pfad der gegenstandmodifizierten Strahlung (61) angeordnet istt und Mittel (55 bzw. 71,73) zum Richten des anderen der Bündel (41) auf den Hologramm-Detektor (59); und Mittel (43,49,51 bzw. 63) im Pfad dieses anderen Bündels (41) zum Verschieben seiner Frequenz um einen vorbestimmten Betrag.
  10. 10. Apparat nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel im Pfad des anderen Bündels (41) zum Verschieben seiner Frequenz um einen vorbestimmten Betrag eine mit Ultraschall-Energie angetriebene Lichtbrechungszelle (43) umfaßt.
  11. 11. Apparat nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß anstelle der Mittel zum Verlagern der Frequenz um einen vorbestinnten Betrag Mittel (63) im Pfad des anderen Bündels (41) angeordnet sind zur Frequenz-Modulatioai dieses Bündels mit einer Modulationsfunktion, die im wesentlichen die gleiche wie die gegebene Bewegungsfunktion des Gegenstandes (51) ist.
  12. 12. Apparat nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Modulations-Mittel im Pfad des anderen Bündels (41) ein elektrisch angetriebenes optisches Kristall (63) aufweisen.
    L e e r s e i t e
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