DE19919020C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen - Google Patents

Abstract

Zur Analyse und Aufzeichnugn von Lichtwellen mit ihrer Phaseninformation wird ortsaufgelöst die Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle ermittelt und aus der ortsabhängigen Ausbreitungsrichtung die Form der Phasenfront rekonstruiert. Hierzu ist eine bei Beaufschlagung mit Licht aus einer Lichtquelle ortsaufgelöste Ausbreitungsrichtungsinforamtionen der Lichtwelle in Intensitätsinformationen konvertierende Wandlervorrichtung und eine die Intensitätsformationen erfassende Aufnahmevorrichtung vorgesehen.

Description

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Trifft Licht auf eine Ebene mit den Ortskoordinaten x und y, so läßt sich dort für die Lichtwelle allgemein schrei­ ben: E(x, y) = A(x, y) exp[-iΦ(x, y)], wobei E den Vektor der elektromagnetischen Feldstärke, A den Amplitudenvektor, Φ die Phase und 1 die imaginäre Einheit bezeichnen. Die Lichtintensität I ist bis auf die Vakuumimpedanz gegeben durch den Betrag von E bzw. A: I(x, y) = |E(x, y)| = |A(x, y)|. Bei der Photo­ graphie wird die Lichtintensität I(x, y) einer Welle und damit die Amplitudenin­ formation A(x, y) aufgezeichnet. Die Phaseninformation Φ(x, y) geht bei der üblichen Photographie verloren.

Es gibt große Anstrengungen, Verfahren zu entwickeln oder weiterzuent­ wickeln, die eine Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit der gesamten Phaseninformation Φ(x, y) ermöglichen. Anwendungen liegen z. B. in den Be­ reichen Multimedia, Meßtechnik, Kunst und dreidimensionale Photographie.

Eine Methode zur vollständigen Aufzeichnung von Lichtwellen stellt die Holo­ graphie dar. Die aufzuzeichnende Welle E(x, y) wird mit einer wohldefinierten Referenzwelle R(x, y) überlagert. Die Frequenz (Farbe) der Wellen E(x, y) und R(x, y) wird gleich gewählt, so daß es bei der Überlagerung der Wellen zu ei­ nem stehenden Interferenzmuster (örtlich durchmoduliertes Hell-Dunkel-Mu­ ster) kommt. Dieses Interferenzmuster wird in einem holographischen Auf­ zeichnungsmaterial in ein Absorptions- oder Brechungsindexmuster umge­ wandelt (Amplituden- bzw. Phasenholographie). Nachfolgende Beleuchtung des Hologramms mit der Referenzwelle R(x, y) erzeugt durch Beugung an dem Absorptions- bzw. Brechungsindexmuster die ursprüngliche Welle E(x, y) mit­ samt der vollständigen Phaseninformation Φ(x, y). Holographische Bilder sind dreidimensional, da die Phase Φ(x, y) die Tiefeninformation des Bildes enthält. Die Phase wird bei der Holographie durch Interferenz festgehalten, da die Re­ ferenzwelle quasi wie eine Referenzuhr wirkt: Liegt ein Teil des Bildes weiter zurück, so kommt das von dort ausgesendete Licht später an und schwingt mehr im Takt oder mehr gegen den Takt des Referenzlichts (konstruktive oder destruktive Interferenz). Der Takt zwischen den Wellen legt an jeder Stelle der x,y-Hologrammebene die Intensität des Interferenzmusters fest, und diese In­ tensität wird letztlich in dem Hologramm gespeichert.

Die Holographie wird in weiten Bereichen der Technik, Kunst und Wissen­ schaft erfolgreich eingesetzt, weist jedoch bei der Aufnahme der Bilder zwei Nachteile auf, die insbesondere die Entwicklung praktikabler holographischer Kameras erschweren: (1) Eine Referenzwelle muß erzeugt und mit der Signal­ welle überlagert werden. (2) Während der Hologrammaufnahme müssen sämt­ liche Komponenten (Objekt, Lichtquelle, Aufzeichnungsmedium) mechanisch in Ruhe sein, da sonst das Interferenzmuster verwischt und kein Hologramm entsteht. Die einzelnen Komponenten dürfen sich während der Aufnahme ma­ ximal um eine Strecke bewegen, die gleich der Wellenlänge des Lichts ist (ty­ pisch 0.5 µm im sichtbaren Spektralbereich). Diese Anforderung ist in der Pra­ xis schwer zu erfüllen.

Aus der optischen Meßtechnik sind eine Reihe weiterer Verfahren bekannt, die ebenfalls die Phase einer Lichtwelle bestimmen. So z. B. die Interferometrie. Dieses Verfahren funktioniert wie die Holographie, nur daß das Interferenzmu­ ster sofort analysiert wird. Die beschriebenen Nachteile, die Notwendigkeit ei­ ner zweiten Welle und die Anforderung hoher mechanischer Stabilität, treffen auch auf dieses Verfahren zu.

Ferner gibt es die Methode der Strahlablenkung ("beam deflection"). Ein Licht­ strahl wird aus einer wohldefinierten Richtung auf ein zu untersuchendes Ob­ jekt gelenkt. Der Durchmesser des Strahls ist wesentlich kleiner als die Ab­ messungen des Objekts. Der Strahl durchdringt das Objekt, und das transmit­ tierte Licht wird betrachtet. Das Objekt lenkt das Licht im allgemeinen ab. Es wird daher hinter dem Objekt die Richtung bestimmt, in die der Strahl dort läuft. Daraus kann man die Phase des Lichtstrahls bestimmen. Diese Technik ist gut geeignet, um Objekte abzurastern und zu untersuchen. Die Methode ist jedoch auf den Einsatz von Lichtstrahlen beschränkt, deren Durchmesser klein sind gegenüber der Größe typischer Strukturen des zu untersuchenden Objekts. Das Verfahren ist nicht für die Analyse und Aufnahme vollständiger, ausge­ dehnter Lichtwellen geeignet.

Sämtliche genannten Methoden haben ferner den Nachteil, daß sie Strahltei­ ler, Linsen oder Spiegel benötigen und somit praktisch nur für ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht anwendbar sind, nicht aber z. B. für Röntgen­ strahlen.

Nähere Informationen zu den genannten Verfahren sind z. B. dem Lehrbuch Bergmann, Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III, 8. Auflage, "Optik" zu entnehmen. Ferner gibt es in der Patentliteratur Veröffentlichungen, die Verbesserungen der genannten Verfahren zum Gegenstand haben. Als Beispiel sei die Schrift DE 195 13 233 A1 genannt.

Neben den genannten Verfahren, die Lichtwellen vollständig aufzeichnen oder analysieren, gibt es eine Reihe an optischen Methoden, um dreidimensionale Eindrücke zu erzeugen. Diese Verfahren lassen sich unter dem Begriff Stereo­ skopie zusammenfassen. Dabei werden dem rechten und dem linken Auge unterschiedliche Bilder zugeführt, was einen dreidimensionalen Seheindruck hervorruft. Dreht der Betrachter jedoch den Kopf, so ändert sich das Bild nicht, wie es bei echten dreidimensionalen Aufnahmen der Fall wäre. Hierzu kann beispielsweise auf die DE 195 01 155 A1, DE 40 38 475 A1, DE 197 11 967 A1, DE 195 31 760 A1 und EP 0 729 055 A2 verwiesen werden.

Es gibt ferner Verfahren, die Abweichungen einer Wellenfront von einer ebe­ nen Welle messen. Eine solche Technik offenbart z. B. die US-A-5120128. Ein Signal wird erhalten, welches von der örtlich gemittelten Deformation der ge­ samten Welle abhängt. Die Form der Wellenfront wird mit solchen Verfahren, die nur der Messung von Wellenfront-Aberrationen dienen, nicht bestimmt.

Die DE 40 03 698 C2 zeigt eine Unterart des sogenannten Shack-Hartmann- Verfahrens, bei dem ein in Transmission durchstrahltes abbildendes Element, beispielsweise eine Anordnung von mehreren Linsen oder Lochblenden, in den Strahlengang eingebracht wird und die das abbildende Element durchdringen­ den Strahlen ortsaufgelöst auf einem Schirm o. dgl. Detektor abgebildet wer­ den. In der gezeigten Anordnung werden drei Lichtflecken als Abbildungen der Lochblenden erhalten. Allein die Lage der Lichtflecken vermittelt dabei Infor­ mation über die Ausbreitungsrichtung der Wellenfront. Diese Lichtflecken ver­ ändern ihre Lage auf dem Detektor, sofern sich die Ausbreitungsrichtung der durch die jeweiligen Lochblenden laufenden Wellenfronten ändert. Dabei ist über die Öffnungsweite einer jeweiligen Lochblende zu mitteln. Derartige Lochblenden weisen Mindestdurchmesser von typischerweise 300 µm auf, also in etwa dem 1000fachen der Lichtwellenlänge. Ein derartiges Verfahren kann folglich überhaupt nur dann eine Aussagekraft haben, wenn über die Ausdehnung der Lochblenden eine im wesentlichen ebene Gestalt haben, was einen Sonderfall darstellt. Ein solches Verfahren eignet sich beispielsweise zum Prüfen von Sammellinsen, die von einer in ihrem Brennpunkt stehenden Lichtquelle bestrahlt werden und bildseitig einen parallelen Strahlengang er­ zeugen sollen. Die Abweichungen von der Parallelität des Strahlenganges, also von der vollständig ebenen Wellenform, läßt sich über eine Verlagerung der Lichtflecken auf dem Schirm nachweisen. Ein Ausmessen einer nicht ebe­ nen, beispielsweise von einem nahegelegenen Objekt zurückgestrahlten Welle, wie dies in einer fotografischen Abbildung notwendig wäre, läßt sich aufgrund der Größe der Lochblenden, bei dem über einen großen Bereich der Wellenfronten zu mitteln wäre, nicht sinnvoll durchführen. Zudem ist die Zahl der Meßpunkte beim Shack-Hartmann-Verfahren sehr klein (im Beispiel der Entgegenhaltung sind es lediglich drei Punkte), typisch ist eine Auflösung von etwa 30 × 30 Punkten. Auch ist der sogenannte Phasenhub, d. h. der dynami­ sche Bereich der eingestrahlten Wellen, mit etwa 400λ bei einem Shack- Hartmann-Verfahren sehr klein, da bei sehr schrägem Einfallswinkel die ein­ zelnen auf dem Schirm abgebildeten Punkte nicht mehr eindeutig den jeweili­ gen Lochblenden bzw. Linsen zugeordnet werden können.

Der hier vorgestellten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Analyse- und Aufzeichnungsverfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung für Lichtwellen zu schaffen, welche Amplituden- und Phasenverteilungen von Lichtwellen bestimmen, dabei ohne zusätzliche Lichtwellen und ohne Interferenz auskom­ men und dabei auch große Phasenhube und Intensitätsmodulationen messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 26, 27, 28, 29 oder 30 ge­ löst. Dabei wird die Tatsache genutzt, daß Lichtwellen sich im allgemeinen senkrecht zu ihrer Wellenfront ausbreiten, also die lokale Ausbreitungsrichtung senkrecht auf der Fläche konstanter Phase Φ(x, y) steht.

An einem in den Abb. 1 bis 6 dargestellen Ausführungsbeispiel wird die Erfindung exemplarisch dargestellt.

Gemäß Abb. 1 trifft eine Lichtwelle 1 auf ein absorbierendes Medium 2 in Gestalt einer planparallelen Platte. Schematisch dargestellt ist die Form der Wellenfront 1, gezeigt sind also die Flächen konstanter Phase Φ(x, y). Die Pfeile deuten die lokalen Ausbreitungsrichtungen an, welche jeweils senkrecht auf der Wellenfront 1 stehen. Zur Vereinfachung der Betrachtung wird zu­ nächst angenommen, daß die Welle ein homogenes Intensitätsprofil aufweist (I(x, y) = I_o). Die Dicke der einen Wandlerkörper bildenden Platte 2 aus absor­ bierendem Material ist mit d bezeichnet. Die Wegstrecke, die das Licht in dem absorbierenden Medium zurücklegt, hängt von dem Einfallswinkel Θ ab. Be­ zeichnet α den Lambert-Beer-Absorptionskoeffizienten des Materials, so wird das Licht beim Durchtritt durch den Absorber 2 in der Intensität um den Faktor exp(-αd/cos Θ) abgeschwächt. Reflexionsverluste und Brechung werden bei dieser Darstellung vernachlässigt; die Berücksichtigung dieser Effekte ändert an dem Konzept nichts. An dem Beispiel wird deutlich, daß die Messung der Lichtintensität hinter dem Absorber die Bestimmung des Einfallswinkels Θ der Welle erlaubt.

Wie die Abb. 2 zeigt, ist jedoch eine Messung des Intensitätsmusters hinter einem absorbierenden Medium allein nicht allenthalber ausreichend, um eindeutig die Form der Wellenfront rekonstruieren zu können. Zum einen gibt es viele verschiedene Richtungen, die mit dem Lot auf den Absorber 2 den Winkel Θ bilden. Alle diese Richtungen liegen auf einem Kegelmantel um das Lot auf der Eintrittsfläche des Absorbers 2. Außerdem können Intensitätsvaria­ tionen hinter dem Absorber 2 nicht nur auf unterschiedliche Krümmungen der Wellenfront 1 zurückzuführen sein; es ist genausogut möglich, daß die Welle an sich ein inhomogenes Intensitätsmuster aufweist.

Diese genannten Probleme lassen sich jedoch beispielshaft lösen, wie Abb. 3 schematisch zeigt. Wird der Absorber 2 verschwenkt, so ändert sich die Intensitätsverteilung dahinter. Je nach lokaler Richtung des Wellenvektors kommt es dabei in Abhängigkeit von der Schwenkrichtung zu einer Erhöhung oder Erniedrigung der Intensität des transmittierten Lichts. Damit kann auf die Richtung der Wellenfront 1 in der Ebene senkrecht zur Schwenkachse ge­ schlossen werden. Die lokale Richtung der Wellenfront 1 läßt sich durch einen Vektor beschreiben, der eine Steigung in x- und in y-Richtung aufweist. Aus einem Schwenkvorgang kann die Steigung in eine Richtung ermittelt werden. Zur vollständigen Bestimmung des Richtungsvektors sind zwei Schwenkvor­ gänge um z. B. zueinander senkrechte Achsen auszuführen. Dieses wird in Abb. 4 schematisch veranschaulicht. Der Absorber 2 wird um zwei zueinan­ der senkrechte Achsen gedreht, und die Schwenkwinkel werden mit δ und ε bezeichnet. Bei der Schwenkung von der Stellung 1 zur Stellung 2, also um die y-Achse, wird die Steigung der Wellenfront 1 in x-Richtung erhalten. Bei der Schwenkung von der Stellung 1 zur Stellung 3, also um die x-Achse, erhält man dagegen die Steigung der Wellenfront in y-Richtung. Aus den drei Auf­ nahmen werden zwei Differenzaufnahmen gebildet, die dann die notwendigen Informationen enthalten.

Abb. 5 veranschaulicht die Verarbeitung der erhaltenen Daten: Aus den Intensitätsänderungen kann jeweils die Steigung der Wellenfront in x- und in y- Richtung ermittelt werden. Durch Integration wird dann die Wellenfront Φ(x, y) an sich gewonnen. Eine auftretende Integrationskonstante ist ohne Relevanz. Ist die Wellenfront bekannt, so kann für jeden Punkt der Winkel Θ berechnet und zusammen mit einer Messung des Lichtmusters hinter dem Absorber die Intensitätsverteilung I(x, y) der einfallenden Welle ermittelt werden. Damit ist dann die gesamte Welle E(x, y) = A(x, y) exp[-i Φ(x, y)] bestimmt.

Das Auswerteverfahren ist viel einfacher als z. B. bei interferometrischen Auf­ nahmen, da dort Periodizität zu Mehrdeutigkeiten führt. Eine runde Vertiefung in einem Objekt und eine runde Erhebung führen zu gleichen Interferenzmu­ stern (Kreisen), und weitere Aufnahmen oder sogenannte Heterodyn-Techni­ ken sind nötig, um eindeutig auf die Phase der Lichtwelle zu schließen.

Das hier offenbarte Aufnahmesystem läßt sich gut zur Realisierung von Kame­ ras einsetzen, die dreidimensionale Aufnahmen ermöglichen, und Abb. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Das Licht einer Lichtquelle 4 beleuchtet ein Ob­ jekt 5, und die aufzuzeichnende Lichtwelle 1 entsteht. Die Lichtwelle 1 trifft auf einen Absorber 2, der um zwei Achsen geschwenkt wird (Winkel δ und ε). Die entstehenden Intensitätsmuster werden für drei Stellungen des Absorbers 2 mit einer elektronischen Kamera 6 oder mit einem photographischen Film auf­ genommen und dann wie oben beschrieben ausgewertet.

Nach der Auswertung der Aufnahmen (Algorithmus z. B. entsprechend Abb. 5) liegt die vollständige Welleninformation digital vor und kann weiter ge­ nutzt werden. Drei Beispiele seien genannt: (1) Die aufgenommene und analy­ sierte Welle kann optisch wiedergegeben werden. (2) Durch Lösung der Wel­ lengleichung kann eine zeitlich zurücklaufende Welle simuliert und damit die Form (Topographie) des beleuchteten Objekts bestimmt werden. Bei Phasen­ objekten läßt sich entsprechend das Phasenprofil bestimmen. (3) Durch rech­ nerische Inversion der Phasenfront lassen sich phasenkonjugierte Wellen er­ zeugen.

Das Verfahren ist mit ultraviolettem, sichtbarem und infrarotem Licht durch­ führbar, aber darauf nicht beschränkt. Es ist insbesondere auch für Röntgen­ licht geeignet. In diesem spektralen Bereich wurden noch keine Phasenmes­ sungen vorgenommen, unter anderem weil keine geeigneten optischen Kom­ ponenten (Strahlteiler, Linsen oder Spiegel) für Röntgenstrahlen zur Verfügung stehen und die anderen, oben aufgeführten Techniken somit versagen.

Die aufgenommenen Wellen lassen sich mit verschiedenen Verfahren voll­ ständig wiedergeben. Abb. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Zwei Flüssig­ kristallmodulatoren 7, 8 sind hintereinandergeschaltet. Einer kann dabei die Amplitude A(x, y), der andere die Phase Φ(x, y) modulieren. Stehen die Modu­ latoren 7, 8 dicht beieinander und werden diese mit einer ebenen Welle be­ leuchtet, so ergibt sich nach den Modulatoren die gewünschte, rekonstruierte Welle E(x, y) = A(x, y) exp[-i Φ(x, y)]. Neuartige Projektoren, die herkömmliche Dia-Projektoren oder Beamer ersetzen und die dreidimensionale Bilder wie­ dergeben, lassen sich auf diese Art leicht realisieren. Auch Abzüge entspre­ chend photographischen Bildern lassen sich anfertigen. Dazu kann beispiels­ weise die gemessene Amplitudenverteilung zunächst zur Herstellung eines herkömmlichen Photos verwendet werden. Das Photo soll mit einer Kunststoff­ schicht überzogen sein, die durch Modulation der Dicke oder des Brechungs­ indexes die notwendige Phaseninformation enthält. Licht tritt dann durch die Kunststoffschicht, und eine Modulation um exp[-i Φ(x, y)/2] wird dadurch er­ reicht. Die Reflexion am herkömmlichen Photohintergrund sorgt für die not­ wendige Amplitudenmodulation A(x, y). Dann tritt das Licht nochmals durch die Kunststoffschicht, und die Phase wird um weitere exp[-i Φ(x, y)/2] moduliert. Insgesamt erhalten wir E(x, y) = A(x, y) exp[-i Φ(x, y)]; das vollständige, dreidi­ mensionale Bild wird rekonstruiert.

Es gibt in der Optik viele verschiedene Effekte, die von der Ausbreitungsrich­ tung des Lichts abhängen. Die Lichtabsorption in Abhängigkeit von der effekti­ ven Durchstrahllänge wurde als illustratives Beispiel gewählt. Zwei weitere Bei­ spiele werden im folgenden vorgestellt.

Gemäß Abb. 8 durchläuft eine Welle 1 einen Polarisator 9 und wird beim Eintritt in ein doppelbrechendes Material in Form eines plattenförmigen Wandlerkörpers 10 in ihre Eigenzustände aufgeteilt, wenn das Licht nicht ent­ lang einer der Hauptachsen polarisiert ist. Beim Austritt aus dem doppelbre­ chenden Material setzen sich die Eigenwellen wieder zu einer einzigen Welle zusammen, deren Polarisation von der Laufzeitdifferenz (Retardierung) der Eigenwellen und somit von der Wegstrecke und vom Einfallswinkel abhängt. Räumlich modulierte Polarisationen können mit einem Polarisator (Analysator) 11 leicht sichtbar gemacht werden. Ein doppelbrechendes Medium weist ge­ genüber einem absorbierenden den Vorteil auf, daß weniger Licht verloren geht und daß daher mit schwächeren Lichtquellen gearbeitet werden kann. Außerdem führen kleine Winkeländerungen (typisch 1°) schon zu gut meßba­ ren Intensitätsänderungen.

Sogenannte dichroitische Materialien weisen Lambert-Beer-Absorptions-koeffi­ zienten α auf, die von der Polarisation des Lichts abhängen (z. B. unterschiedli­ che α für entlang der b- oder der c-Richtung polarisiertes Licht). Gemäß Abb. 9 tritt eine Welle 1 durch einen Polarisator 12 und ist damit im gezeigten Beispiel in der Zeichenebene polarisiert. Die b- und c-Komponenten der Licht­ polarisation hängen jedoch von der Ausbreitungsrichtung des Lichts ab. Dabei bezeichnen b und c zueinander senkrechte Richtungen, die die Zeichenebene aufspannen. Das Licht tritt in ein dichroitisches Medium ein, das in Form einer Platte 13 als Wandlerkörper dargestellt ist. In dem skizzierten Beispiel weist das schräg laufende Licht eine b-Komponente der Polarisation auf. Diese wird besonders stark absorbiert, so daß es zu einer starken Abschwächung schräg laufender Wellen kommt. Damit kann abermals die Ausbreitungsrichtung der Welle durch die Messung einer Lichtintensität bestimmt werden.

Neben den ausgeführten Beispielen sei noch die Bragg-Beugung an Volumen­ phasengittern als besonders winkelselektiver Effekt erwähnt, der ebenfalls zur Messung der lokalen Ausbreitungsrichtung von Phasenfronten herangezogen werden kann.

Bei der technischen Ausführung der Aufnahme und Analyse von Wellenfronten mit dem hier vorgestellten Verfahren sind zahlreiche Details zu beachten. Bei­ spiele: (1) Wellenfronten 1 sind nicht statisch; sie ändern beim Fortschreiten ihre Form. Die gezeigten Darstellungen gehen davon aus, daß sich das Licht in dem nachweisenden Medium (Absorber, doppelbrechendes Medium, dichroiti­ sches Medium) geradlinig ausbreitet. Diese Bedingung ist nur erfüllt, wenn das Medium so dünn ist, daß sich die Wellenfront über diese Dicke nicht merklich ändert. In diesem Zusammenhang ist es auch nötig, die Verschwenkung des Wandlerkörpers so gering zu halten, daß sich im Bereich der bewegten Teile des Mediums die Wellenfront nicht merklich ändert. (2) Es ist sinnvoll, mono­ chromatisches Licht einzusetzen, um möglichst wohldefinierte Wellenfronten zu erhalten. Bei polychromatischem Licht können sich verschiedene Wellen­ fronten überlagern, die möglicherweise unterschiedliche Ausbreitungsrich­ tungen aufweisen. (3) Die Wellenfrontinformation wird letztlich in Intensitätsin­ formation konvertiert. Zur Aufnahme der Intensitätsmuster kann es nötig sein, dicht hinter das Medium bzw. den Analysator einen Streuschirm (nicht darge­ stellt) zu stellen, um ein reelles Bild des Intensitätsmusters zu erhalten, wel­ ches dann mit Linsen abgebildet und schließlich aufgenommen wird. Alternativ kann die Aufnahme auch unmittelbar hinter dem Wandlerkörper bzw. Analy­ sator erfolgen.

Ein Anwendungsfeld der Erfindung liegt im Bereich der Photographie. Kleinere Objekte (bis zu einigen Kubikmetern) können dreidimensional aufgenommen und wiedergegeben werden. An die Stelle herkömmlicher photographischer Abzüge können Photos treten, die eine echte dreidimensionale Bildwiedergabe bieten, bei denen also durch Drehung des Abzugs oder durch Bewegung des Betrachters auch hinter und in Objekte geschaut werden kann. Diese Anwen­ dung ist für den Endverbraucher interessant.

Dreidimensionale Bilder können auch in der Werbung eingesetzt werden, z. B. in Zeitungen und Zeitschriften. Auch können nach dem neuen Verfahren her­ gestellte Bilder als Teil von Verpackungen Aufmerksamkeit anziehen.

Für die Wissenschaft und Kunst ist die Verfügbarkeit eines dreidimensionalen Aufzeichnungsverfahrens besonders wichtig. Z. B. lassen sich empfindliche Keilschriften mit herkömmlichen Photos nur unzureichend archivieren, da die wichtige Tiefeninformation fehlt. Museen können Sammlungen mit dreidimen­ sionalen Bildern ergänzen, um z. B. mehrere Werke eines Bildhauers zusam­ men zu zeigen.

Besonders vielversprechend ist das neue Aufzeichnungsverfahren auch für den Bereich der Meßtechnik. Wird z. B. die Wellenfront dicht hinter einem Ob­ jekt aufgezeichnet, so gibt sie die Form (Topographie) des Objekts wieder. Bei größerer Distanz kann aus der gemessenen Wellenfront mittels Computern die Welle am Ort der Entstehung berechnet werden. Dazu ist die Wellengleichung der Elektrodynamik zu lösen. Das Verfahren ist also in jedem Fall geeignet, um die Form von Objekten zu bestimmen. Genauigkeiten im Bereich der Lichtwel­ lenlänge (besser als 1 µm) sollten sich erreichen lassen. Die Messung von To­ pographien hat sehr viele Anwendungen: Die Vermessung von Zähnen, um Inlays herzustellen, die Vermessung und damit Digitalisierung von Modellen sowie die regelmäßige Messung der Größe und damit des Verschleißes me­ chanischer Teile sind nur einige Beispiele.

Werden die Topographien von Objekten zu verschiedenen Zeiten aufgenom­ men und Differenzen gebildet, so lassen sich auch Bewegungen und Schwingungen analysieren. Beispielsweise werden die Reifen von Flugzeugen bislang mittels der Doppelbelichtungsinterferometrie geprüft: Hologramme des Reifens bei zwei verschiedenen Reifendrücken werden dazu aufgenommen und miteinander verglichen. Als Resultat erhält man die Verformung des Rei­ fens bei Druckerhöhung. Weist das Gummi z. B. Luftblasen auf, so kommt es zu charakteristischen Auswölbungen. Dieses Verfahren könnte gut auf die neue Aufzeichnungstechnik umgestellt werden. Die Topographie des Reifens wird in zwei Zuständen aufgenommen, und die Aufnahmen werden subtrahiert, so daß die Verformung übrig bleibt. Diese Technik ist auch einsetzbar, um z. B. die Verformung mechanischer Komponenten unter Belastung zu untersuchen.

Insgesamt ist mit der Erfindung ein Verfahren zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phaseninformation bereitgestellt, das dadurch ge­ kennzeichnet wird, daß hinter einer einzigen zusammenhängenden Öffnung eines optischen Wandlers ortsaufgelöst eine der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle zugeordnete Intensität ermittelt und aus der ortsabhängigen Aus­ breitungsrichtung die Form der Phasenfront rekonstruiert wird. Die optischen Wandler können unterschiedlich ausgebildet sein, wie in den Ansprüchen 1 bis 5 im einzelnen ausgeführt. In jedem Fall konvertieren sie eine ortsaufgelöste Ausbreitungsrichtungsinformation einer Lichtwelle in Intensitätsinformationen, wobei die Intensitätsinformationen durch eine Aufnahmevorrichtung erfaßt werden.

Claims (40)

1. Verfahren zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phasen­ information, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines optischen Absorbers als optischen Wandlers ortsaufgelöst eine der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle zu­ geordnete Intensität bei verschiedenen Absorberstellungen ermittelt und aus der orts­ abhängigen Ausbreitungsrichtung die Form der Phasenfront rekonstruiert wird.

2. Verfahren zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phasen­ information, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines doppelbrechenden Mediums als optischen Wandlers ortsaufgelöst eine der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle zugeordnete Intensität ermittelt und aus der ortsabhängigen Ausbreitungsrichtung die Form der Phasenfront rekonstruiert wird.

3. Verfahren zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phasen­ information, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines dichroitischen Mediums als optischen Wandlers eine der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle zugeordnete In­ tensität ermittelt und aus der ortsabhängigen Ausbreitungsrichtung die Form der Pha­ senfront rekonstruiert wird.

4. Verfahren zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phasen­ information, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Ausbreitungsrich­ tung ein optischer Wandler zur Bewirkung eines winkelabhängigen Reflexions- oder Beugungseffekts eingesetzt wird und damit eine der Ausbreitungsrichtung einer Licht­ welle zugeordnete Intensität ermittelt und aus der ortsabhängigen Ausbreitungsrich­ tung die Form der Phasenfront rekonstruiert wird.

5. Verfahren zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phasen­ information, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Ausbreitungsrich­ tung ein Wandlerkörper aus einem Material eingesetzt wird, dessen richtungsab­ hängige Eigenschaften durch äußere Einwirkung einer Verschwenkung des Wandler­ körpers entsprechend veränderbar sind und damit, eine der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle zugeordnete Intensität ermittelt und aus der ortsabhängigen Ausbreitungs­ richtung die Form der Phasenfront rekonstruiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ermittlung der Ausbreitungsrichtung unter veränderten Be­ dingungen einmal oder mehrmals wiederholt, Lichtintensitätsverteilungen gemessen, die erhaltenen Ergebnisse verglichen und festgestellte Differenzen in die Rekonstruk­ tion der Phasenfrontform einbezogen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Intensitäts­ bilder digital aufgenommen und weiterverarbeitet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verände­ rung der Bedingungen das Medium, welches den zum Nachweis der Ausbreitungs­ richtung genutzten, richtungsabhängigen Effekt zeigt, um eine vorgegebene Achse unter einem vorgegebenen Winkel verschwenkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mechanisch verschwenkt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch externe elektrische Felder im Medium eine einer Verschwenkung entsprechende Änderung richtungsabhängiger Eigenschaften hervorgerufen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß monochromatisches Licht verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ultraviolettes, sichtbares oder infrarotes Licht verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Röntgenlicht verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß polarisiertes Licht verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Intensitätsmustern ein Halbleiterdetektor verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Intensitätsmustern ein aus regelmäßig angeordneten Elementen bestehender Detektor verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Intensitätsmustern ein photographischer Film verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder durch die Erstellung von nicht selbstleuchtenden, die Lichtwellen unter ex­ terner Beleuchtung wiedergebenden Abzügen wiedergegeben werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß aufgezeichnete Bilder unter Verwendung von Flüssigkristalldisplays wiedergegeben werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung des Systems ebene Wellen eingesetzt werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung des Systems Kugelwellen eingesetzt werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung von Farbaufnahmen nacheinander oder gleichzeitig mindestens zwei Lichtwellen verschiedener Frequenz eingesetzt werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Objekt reflektiertes Licht aufgenommen wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Licht aufgenommen wird, das ein Objekt durchlaufen hat.

26. Einrichtung zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phaseninfor­ mation, gekennzeichnet durch eine bei Beaufschlagung mit Licht aus einer Licht­ quelle (4) ortsaufgelöste Ausbreitungsrichtungsinformationen der Lichtwelle (1) in In­ tensitätsinformationen konvertierende und bewegliche Wandlervorrichtung (2) aus lichtabsorbierendem Material und eine die Intensitätsinformationen bei verschiedenen Absorberstellungen erfassende Aufnahmevorrichtung und eine Vorrichtung zur Er­ mittlung der Phaseninformation aus den Intensitätsinformationen.

27. Einrichtung zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phaseninfor­ mation, gekennzeichnet durch eine bei Beaufschlagung mit Licht aus einer Licht­ quelle (4) ortsaufgelöste Ausbreitungsrichtungsinformationen der Lichtwelle (1) in In­ tensitätsinformationen konvertierende Wandlervorrichtung (2) aus lichtdoppelbrechen­ dem Material und eine die Intensitätsinformationen erfassende Aufnahmevorrichtung und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Phaseninformation aus den Intensitätsinfor­ mationen.

28. Einrichtung zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phaseninfor­ mation, gekennzeichnet durch eine bei Beaufschlagung mit Licht aus einer Licht­ quelle (4) ortsaufgelöste Ausbreitungsrichtungsinformationen der Lichtwelle (1) in In­ tensitätsinformationen konvertierende Wandlervorrichtung (2) aus dichroitischem Ma­ terial und eine die Intensitätsinformationen erfassende Aufnahmevorrichtung und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Phaseninformation aus den Intensitätsinformationen.

29. Einrichtung zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phaseninfor­ mation, gekennzeichnet durch eine bei Beaufschlagung mit Licht aus einer Licht­ quelle (4) ortsaufgelöste Ausbreitungsrichtungsinformationen der Lichtwelle (1) in In­ tensitätsinformationen konvertierende Wandlervorrichtung (2) aus einem winkelab­ hängige Reflexions- oder Beugungseffekte hervorrufenden Material und eine die In­ tensitätsinformationen erfassende Aufnahmevorrichtung und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Phaseninformation aus den Intensitätsinformationen.

30. Einrichtung zur Analyse und Aufzeichnung von Lichtwellen mit ihrer Phaseninfor­ mation, gekennzeichnet durch eine bei Beaufschlagung mit Licht aus einer Licht­ quelle (4) ortsaufgelöste Ausbreitungsrichtungsinformationen der Lichtwelle (1) in In­ tensitätsinformationen konvertierende Wandlervorrichtung aus einem Material, dessen richtungsabhängige Eigenschaften durch äußere Einwirkung einer Verschwenkung des Wandlerkörpers entsprechend veränderbar sind, und eine Vorrichtung zur Ermitt­ lung der Phaseninformation aus den Intensitätsinformationen.

31. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur digitalen Weiterverarbeitung digital von der Wandler- (2; 10; 13) oder der Aufnahmevorrichtung (6) erfaßter Intensitätsinformationen vorge­ sehen sind.

32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wandlerkörper (2; 10; 13) als planparalleler Plattenkörper aus­ gebildet ist.

33. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkörper in Durchlaßrichtung des Lichts eine Abmessung (d) aufweist, die so gering ist, daß sich die Wellenfront innerhalb des Wandlerkörpers nicht merk­ lich ändert.

34. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkörper (2; 10; 13) zur Änderung der Wandlerbedingungen in seiner räumlichen Position veränderbar abgestützt ist.

35. Einrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkör­ per (2; 10; 13) um definierte Achsen mit vorgebbarem Winkel verschwenkbar ist.

36. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkörper Flüssigkristallmodulatoren umfaßt.

37. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung einen Halbleiterdetektor aufweist.

38. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung einen aus regelmäßig angeordneten Elementen be­ stehenden Detektor aufweist.

39. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung von einem fotografischen Film gebildet ist.

40. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung von nicht selbstleuchtenden, die Lichtwellen unter ex­ terner Beleuchtung wiedergebenden Abzügen gebildet ist.