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Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines bestimmten Suchobjekts
in einer Vorlage Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
eines bestimmten Suchobjekts in einer Vorlage, bei dem das Fourierspektrum der mittels
kohärenten Lichtes durchleuchteten, in eine Fourierebene transformierten Vorlage
durch ein dem Suchobjekt entsprechendes, in.der Fourierebene angeordnetes konjugiertes
Filter moduliert wird und eine Übereinstimmung zwischen der Vorlage und dem im Filter
enthaltenen Suchobjekt als Lichtkonzentration in einer Rücktransformationsebene
erkennbar ist.
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Es ist bereits ein Verfahren der oben beschriebenen Art bekanntgeworden,
bei dem als konjugiertes Filter ein Fourierhologramm des Suchobjekts verwendet wird.
Das Fourierhologramm hat die Eigenschaft, daß eine translatorische Bewegung des
Objektes gegenüber dem Schichtträger bei der Aufnahme
keine Änderung
der Aufzeichnung mit sich bringt.
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Das bedeutet, daß ein Erkennen eines Suchobjektes erfolgen kann, ganz
gleich, in welcher Position auf der abzutastenden Vorlage sich dessen Bild befindet
Es ist aber erforderlich, däß das Suchobjekt in Umriß und Winkelstellung mit seiner
Darstellung in der Vorlage übereinstimmt, um eindeutig eine Erkennung durchführen
zu können. Bei Strichvorlagen, wo z. B. Zahlen oder Buchstaben auf Übereinstimmung
zu prüfen sind, ist dies verhältnismäßig leicht möglich.
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z.B.
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Dagegen ist es/schwierig, beimUberprüfen von fotografischen Aufnahmen
von Nebelkammern die Bahnen einzelner geladener Teilchen unmittelbar auf Unstetigkeitsstellen
zu überprüfen.
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Deren Lage ist nämlich winkelmäßig nicht festgelegt und es ist auch
der Abbildungsmaßstab gegenüber Vergleichsaufnahmen eventuell unterschiedlich.
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Zur Lösung dieser Schwierigkeit besteht einmal die Möglichkeit, eine
Vorlage nacheinander mehrmals zu überprüfen, wobei jeweils das konjugierte Filter
in der Fourierebene um einen kleinen Winkelbetrag fortgeschaltet wird. Auf diese
Weise können azimutale Unterschiede festgestellt werden.
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Unterschiede im Abbildungsmaßstab sind auf diese Weise nicht zu erfassen.
Hierzu müssten verschiedene Fourierhologramme des Suchobjektes hergestellt werden
und nacheinander
zur Überprüfung der Vorlage verwendet werden.
Schließlich können perspektivisch verschiedene Formen des Suchobjektes auch nur
durch solche Nehrfachüberprüfungen nacheinander berücksichtigt werden.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe auch Suchobjekte in einer Vorlage
erkannt werden, die verschiedene Stellungen und perspektivische Ansichten aufweisen
können, ohne daß hierzu eine Vielzahl von Uberprüfungsvorgängen erforderlich wäre.
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Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art das Fourierspektrum der Vorlage vervielfacht und es ist jedem dieser Teilspektren
ein konjugiertes Teilfilter mit einem besonderen Suchobjekt oder mit azimutal, maßstäblich
oder perspektivisch verschiedenen Ansichten eines oder mehrerer Suchobjekte zugeordnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Aufspaltung
des Fourierspektrums der Vorlage in verschiedene Teitspektren jedes dieser Spektren
mit einem anderen Suchobjekt oder einer anderen Ansicht eines Such-Objekts verglichen
werden kann. Dies bedeutet, daß z. B.
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um einen kleinen Winkel jeweils verdrehte Suchobjekte oder perspektivisch
veränderte Ansichten desselben Suchobjektes gleichzeitig auf Übereinstimmung überprüft
werden können.
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Unabhängig von der Lage konjugierten Teilfilter in der Fourierebene
und unabhängig von der Lage eines eventuell übereinstimmenden Bilddetails in der
Vorlage wird in der Rücktransformationsebene der Ort erkennbar, an dem das gesuchte
Objekt vorhanden ist Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit derBeschreibung eines Ausführungsbeispiels,
das anhand von Figuren eingehend erläutert ist0 Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Erkennen eines Suchobjekts in einer Vorlage, Fig. 2 eine Anordnung
von Suchobjekten innerhalb eines Koordinatensystems, von dem durch holografische
Aufnahme ein in Fig. 3 gezeigtes konjugiertes Filter erzeugt wird, Fig. 4 eine Vorrichtung
zur Herstellung des konjugierten Filters.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, der ein paralleles Strahlenbündel
aussendet. Dieses trifft durch eine Sammellinse 2 auf einen ersten Schwenkspiegel
3, der von einem hin-und hergehenden Antriebsmotor 4 gesteuert ist. Dahinter ist
ein weiterer Schwenkspiegel 5 angeordnet, dessen Schwenkachse zu der des Spiegels
3 senkrecht steht Der Schwenkspiegel 5 wird durch einen Motor 6 angetrieben0 Zwischen
den Antrieben 4 und 6 besteht in der Weise eine Koppelung, daß der von dem Spiegel
6 ausgehende Strahl eine Vorlage 7 zeilenweise ausleuchtetO Außerdem ist die Linse
2 so abgestimmt, daß ihr Brennpunkt nach der Umlenkung durch den Schwenkspiegel
3 gerade in die Oberfläche des Spiegels 5 fällt. Dieser Brennpunkt fällt zusammen
mit dem Brennpunkt einer Kondensorlinse 8, die dicht an einer Vorlage 7 angeordnet
ist.
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In Richtung des Strahlengangs hinter der Vorlage 7 liegt eine Vervielfältigungseinrichtung
9, im vorliegenden Fall ein Kreuzgitter mit einem bestimmten Gitterprofil. Die Gitterkonstante
des Gitters 9 ist so ausgelegt, daß mit einer guten Wiedergabequalität das Bild
der Vorlage aufgespalten wird in eine Reihe von Beugungsordnungen, z. Bo in fünf
positive und fünf negative Beugungsordnungen.
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Dies bedeutet, daß ein einzelner Bildpunkt in einem Quadrat von einer
Seitenlänge von 10 Bildern jeweils einmal wiedergegeben wird, do h verhundertfacht
wird Durch die Struktur des Gitters, das zweckmäßigerweise auf fotografischem Wege
hergestellt wird, ist außerdem sjcherzustellen, daß die Intensität der einzelnen
Ordnungen weitgehend übereinstimmt Im Abstand der Brennweite der Kondensorlinse
8 ist eine weitere Linse, die sogenannte Transformationslinse 10 angeordnet, deren
Brennweite mit der der Linse 8 übereinstimmt. In der Brennebene dieser Linse liegt
die sogenannte Fourier- oder Trausformationsebene Die Gitterkonstante des Kreuzgitters
9 ist so gewählt, daß die einzelnen Beugungsordnungen in dieser Ebene bereits räumlich
sich nicht mehr überlagern, d h,, 9 daß die Teilspektren räumlich getrennt erkennbar
sind und so jeweils mit einem eigenen Suchobjekt verglichen werden können Zu diesem
Zweck ist in der Fourierebene 11 ein konjugiertes Filter angeordnet, das anhand
der Figuren 2 und 3 noch eingehend erläutert ist. Dieses konjugierte Filter enthält
eine Vielzahl von Suchobjekten oder eine größere Anzahl von verschiedenen azimutalen9
maßstäblich oder perspektivisch verschiedenen Ansichten eines oder mehrerer Suchobjekte.
Die Anzahl der Suchobjektbilder bzw Holografien
darf dabei jedoch
die Zahl der Teilspektren, also in unserem Beispiel hundert, nicht überschreiten
Hinter der Fourierebene ii ist eine Rucktransformationslinse 12 angeordnet, deren
Brennweite mit der der Linsen 8 und 10 übereinstimmt. Ihre Brennebene fällt mit
der Fourierebene zusammen. In der anderen Brennebene der Rücktransformationslinse
12 ist eine Mattscbeibe 13 angeordnet.
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Zwischen der Linse 12 und der Mattscheibe 13 ist ferner unter 450
ein teildurchlässiger Spiegel 14 angeordnet, der einen Teil des aus der Linse 12
austretenden Lichtes in einen Mischraum, Z Bo in eine Ulbrichtkugel 15 wirft, deren
Eintrittsfläche 15a in ihrer Lage optisch der Mattscheibe 13 entspricht An den Mischraum
ist ein lichtelektrischer Wandler, z B ein SEV 16 angeschlossen, der über eine Schaltung
verschiedene Funktionen ausführen kann.
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Zwischen dem Drehspiegel 5 und der Kondensorlinse 8 ist ein weiterer
selektivdurchlässiger Spiegel 17 unter 450 angebracht, Der Spiegel ist voll durchlässig
für das von dem Laser 1 kommende monochromatische Lichts Er ist jedoch weitgehend
undurchlässig bzw. spiegelnd für das Licht einer thermischen Lichtquelle 18, die
in Bezug auf den Spiegel 17 symmetrisch zu dem Drehspiegel 5 liegt0 Auch die thermische
Lichtquelle
18 leuchtet deshalb über den Kondensor 8 die Vorlage 7 so aus, daß sie auf der Mattscheibe
13 vollständig sichtbar ist Die Linsen 8, 10 und 12 sind in bekannter Weise als
Linsen veränderlicher Brennweite ausgebildet Dies kann z B.
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in der Weise geschehen, wie sie von Zoom-Objektiven für fotografische
Aufnahmegeräte bekannt ist Die Aufnahme für die Linsen 8, 10, 12 sowie für die Vorlage
7, das Gitter 9, das konjugierte Filter 11 und Spiegel und Mattscheibe 13 sind dabei
kinematisch so verbunden, daß die Abstande entsprechend den Brennweiten der Objektive
verändert werden.
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Die Brennweitenverstelleinrichtungen der einzelnen Linsen sind außerdem
so gekuppelt, daß alle Brennweiten gleichzeitig um gleiche Beträge verändert werden
In Figo 2 sind in einem quadratisch aufgeteilten Feld die Bilder 19 verschiedener
Suchobjekte angeordnet0 In jeder Zeile sind es jeweils vier Bilder eines schematisch
angedeuteten Suchobjektes, jedoch jeweils in einer anderen azimutalen Anordnung0
Aus diesen Bildern der Suchobjekte entsteht auf noch zu beschreibende holografische
Weise das konjugierte Filter, dessen Aussehen in Figo 3 ebenfalls schematisch dargestellt
ist. Das konjugierte Filter des
Suchobjektes in der obersten Zeile
enthält aufgrund der überwiegenden vertikalen und horizontalen Begrenzungslinien
des Suchobjekts vor allem sich in einem Mittelpunkt schneidende Linien nach Art
eines Kreuzes Eine Verdrehung des Suchobjektes um einen gewissen Winkel bringt eine
entsprechende Drehung des Kreuzes in dem Filter, Bei einer Drehung um 900 des Suchobjektes
in Figo 2 ergibt sich ein um 900 gedrehtes Fourierspektrum gemäß Figo 3o Das dreieckige
Suchobjekt in der zweiten Zeile hat zwei weitere dominante Linien in dem Filter
aufgrund der unter 600 zur Horizontalen geneigten Linien, die sich als entsprechende
Sternlinien in dem Fourierhologramm ausprägen, Auch hier wiederholt sich bei einer
Drehung des Suchobjektes um seine Achse eine entsprechende Verdrehung des Fourierspektrums0
Für das in der dritten Zeile angegebene Suchobjekt ergeben sich rein schematisch
entsprechende kreisförmige Linien in dem Fourirhologramm, Um von der auf transparentem
Material vorliegenden Vorlage mit den Suchobjekten gemäß Figo 2 auf die Fourierhologramme
dieser Suchobjekte gemäß Figo 3 zu kommen, ist eine Anordnung gemäß Fig. 4 erforderlich
In dieser Figur ist mit 20 ein Laser bezeichnet, dessen paralleler Ausgangsstrahl
auf einen Strahlenteiler, z0 Bo einen teildurchlässigen Spiegel 21
fällt0
Beide Teilstrahlen fallen über Umlenkspiegel 22, bzw. 23 und 24 auf Sammellinsen
25, bzw 26, in deren hinterer Brennebene je ein Pinhole 27 bzwO 28 zur Ausblendung
ungerichteten Lichtes liegt0 Die Pinholes liegen in den Brennpunkten je einer Kollimatorlinse
29, 30.
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Diese Linse 29, 30 verlässt je ein paralleler, monochromatischer und
kohärentes Strahl Hinter der Linse 30 ist die Vorlage mit den Bildern i9 der Suchobjekte
angeordnet Das von der Vorlage modulierte parallele Strahlenbündel fällt auf eine
Transformationslinse 319 hinter der im Abstand der Brennweite eine fotografische
Platte 32 liegt.
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Im Bereich dieses Films überlagert sich das von der Transformationslinse
32 ausgehende Strahlenbündel mit dem von dem Spiegel 21 abgespalteten Teil des Laserstrahls,
welcher von der Kollimatorlinse 29 direkt auf die Fotoplatte 26 gerichtet wird.
Durch ein schrittweises Weiterbewegen der Platte mit den Bildern 19 der Suchobjekte
und der Fotoplatte 32, wobei jeweils nur ein Suchobjekt durchleuchtet wird, wird
in jedem Bereich der Fotoplatte 26 das Fourierhologramm eines Suchobjektbildes 19
oder einer anderen Ansicht eines und desselben Suchobjektes aufbelichtet. Wenn alle
vorgesehenen Bildfelder gemaß Figo 2 zu Fourierhslogrammen gemäß Figo 3 transformiert
wurden, wird die Fotoplatte 32 entwickelt und als konjuigertes Filter 11 in der
Anordnung gemäß Figo 1 verwendet.
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Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Figo 1 ist nun folgende: Der
Strahl des Lasers 1 tastet über die Drehspiegel 3 und 5 und durch die Kondensorlinse
8 die Vorlage 7 bereichsweise und zeilenweise abO Die ausgeleuchteten Bereiche sind
dabei in ihrer Größe so bestimmt, daß sie nicht wesentlich größer als die Größe
der vermuteten Suchobjekte sind0 Auf diese Weise kommt ein sehr günstiges Signal-Rauschverhältnis
zustande, ein wesentlich günstigeres, als wenn die gesamte Vorlage gleichzeitig
ausgeleuchtet und auf Vorhandersein von Abbildungen der Suchobjekte überprüft würde.
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Durch das Gitter 9 werden von jedem Punkt des Bildes auf der Vorlage
7 Beugungsordnungen verschiedener Ordnung erzeugt In der Figur sind zur vereinfachten
Darstellung nur die mittlere, die nullte Beugungsordnung und die +lo und -1. Beugungsordnung
dargestellt Aufgrund der Gitterkonstante des Gitters 9 ist der Winkel zwischen der
nullten und der lo bzwO ~ lo Ordnung festgelegt Die Gitterkonstante muß so groß
gewählt sein, daß in der Fourierebene 11 eine deutliche Trennung zwischen den Fourierspektren
der gesamten Vorlage einer Ordnung vorhanden ist Jeweils im Bereich eines Fourierspektrums
einer Beugungsordnung
der Vorlage ist nun ein konjugiertes Teilfilter
gemäß Abbildung 3 angeordnetfl so daß die neben und übereinander angeordneten Teilfilter
alle gleichzeitig mit einen Fourierspektrum desselben von dem Laserstrahl ausgeleuchteten
Bereiches der Vorlage 7 beaufschlagt werden Das Fourierteilspektrum gleicher Ordnung
entsteht dabei immer an derselben Stelle in der Fourierebene o Stimmen nun Strukturen
in dem ausgeleuchteten Vorlagenbereich mit einem der konjugierten Filter in der
Fourierebene 11 überein so wird der Lichtduy'chtritt nicht behindert und es entsteht
über die Rücktransformationslinse 12 auf der Mattscheibe i3 eine Lichtkonzentration
an der Stelle, die lagemäßig der Lage des Suchobjektes in der Vorlage 7 entspricht
Durch die Umlenkung eines Teiles des von der Rücktransformationslinse 12 durchgelassenen
Lichtes in die Eintrittsebene 15a der Ulbrichtkugel 15 wird von dem SEV 16 ein Signal
für größere Helligkeit dann ausgelöst, wenn aufgrund der ÜbereinstimmuE von einem
der Suchobjekte mit dem gerade ausgeleuchteten Teil der Vorlage 7 eine größere Helligkeitskonzentration
auftritt Die ist beim Erfassen eines Suchobjektes der Fall, Der SEV i6 kann dann
z Bo ein Warnsignal hervorrufen9 das die Bedienungsperson zur Markierung der gefundenden
Position veranlaßt Der SEV
kann jedoch auch ein Signal zur Stillsetzung
der Motore 4 und 6 geben, so daß die Abtastbewegung sofort eingestellt wird, wenn
ein Suchobjekt auf der Vorlage gefunden wurde.
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Dann verbleibt die Helligkeitskonzentration auf der Mattscheibe 13
an der Stelle1 an der in der Vorlage das Suchobjekt gefunden wurde Es kann nun fotografisch
eine Maske erzeugt werden, in der diese Helligkeitskonzentration an einer bestimmten
Position fotografisch festgehalten wird Gleichzeitig kann durch die thermische Lichtquelle
18 die Vorlage 7 vollständig ausgeleuchtet werden und nach der Abbildung durch die
Linsen 10 und 12 das Bild der Vorlage auf der Mattscheibe sichtbar gemacht werden9
so daß dies entweder zur visuellen Beobachtung oder ebenfalls zur fotografischen
Registrierung genutzt wird Bei in ihrer Größe verhältnismäßig stark variierenden
Suchobjekten, do h,, wenn der Abstand zum Suchobjekt oder dessen Größe nicht genau
bekannt sind, ist es schwierig, eine entsprechende Anzahl von Abbildungen 19 unterschiedlichen
Abbildungsmaßstabes in der Fourierebene 11 unterzubringen. In diesem Fall besteht
auch die Möglichkeit, die maßstäbliche Vergrößerung des Suchobjektes gegenüber dem
Vergleichsobjekt zu berücksichtigen durch eine Veränderung der Brennweiten der Linsen
8, 10 und 12o Zu diesem Zweck
werden die Linsen als Objektive mit
einstellbarer Brennweite ausgebildet, etwa nach Art der bekannten Zoom-Objektive
für fotografische Aufnahmegeräte. Die Verstelleinrichtungen für die Linsen 8, 10
und 12 sind dabei so gekuppelt, daß die Brennweiten sich immer nur gleichsinnig
um gleiche Beträge verstellen lassen Gleichzeitig ist durch entsprechende Maßnahmen
wie gekuppelte verschiebbare Trager der übrigen Glieder dafür zu sorgen, daß der
Abstand zwischen dem Drehspiegel 5 und der Linse 8 sowie der Linse 8 und der Linse
10 sowie von hier zur Fourierebene und zur Rücktransformationsebene und zur Mattscheibe
13 jeweils der Abstand der gemeinsamen Brennweite eingehalten wird0 Es wird dann
jeweils nach einer Verstellung der Brennweiten der Abtastvorgang der Vorlage wiederholt0
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. So kann zO
Bo anstelle der Ulbrichtkugel 15 mit dem SEV 16 ein flächenhafter fotoelektrischer
Wandler vorgesehen sein, der ebenfalls einen Anstieg der Helligkeit durch ein entsprechendes
Signal ausdrückt, Selbstverständlich können die Linsen 8, 10 und 12 auch durch Kombinationen
von einzelnen optischen Gliedern gebildet seine was bei der Ausbildung als Zoom-Objektiv
unerlässlich ist.