DE2215781A1 - Verfahren zum Erfassen von Phasemn formation von einem durchsichtigen Auf zeichnungstrager - Google Patents

Description

DIFM-.-ING. A. GRÜNECKER
DR.-!NG. H. KINKEiLDEY
DR.-ING. VV. STOCKMAIR, Ae. E.
DR. DIPL.-CHEM. W. FiSCHER

PAIENiAiCVVALTu

inst of techmi

EO^-X) VlONCHti·.' :.' Müz-miÜGnwin". 43 Telefon Ύ) 71 00; 7.9 67 44.' 22 Π Telegramme Monapot München Telex 05-WSiW

30. Mars 1972 P

Verfahren zum Erfassen von Phasen:Lrä

von einem durchsichtigen Aufzeichnungsträger

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Phaseninformation von einem durchsichtigen Aufzeichnungsträger.

Die Erfindung eignet sich allgemein für Bilddarstellungssysteme, insbesondere für Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen und Sichttiarmachen von optischer Phaseninformation.,

Das menschliche Aage spricht auf Veränderungen der Lichtstärke oder Lichtamplitude an, kann aber die Phasenlage des Lichts nur erfassen, x^enn sie'zu Veränderungen der Lichtstärke führt. Daher sind beispielsweise Unterschiede in der Brechzahl und/oder der Dicke eines durchsichtigen Materials bei der Betrachtung unter der normalen Umgebungsbeleuchtunf-r durch das menschliche Auge fast nicht zu erkennen»

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Man kann diese Unterschiede in der Brechzahl und/oder der Dicke aber mit Hilfe von Verfahren der Schlierenoptik oder Interferoinetrie sichtbar machen. Bisher wurden zum Sichtbarmachen von Information, die in Form von Unterschieden in der Dicke und/oder der Drechzahl, d.h. von optischer Phaseninformation, aufgezeichnet waren, vorwiegend Verfahren der Schlierenoptik verwendet. Beispielsweise läßt sich die Dicke oder die Brechzahl eines durchsichtigen Materials in einem Flächenbereich verändern, der die Gestalt eines Bildes hat und im Vergleich zu den Veränderungen ziemlich groß ist. Die Schlierenoptik ergibt ein kontrastreiches Bild mit hellen und dunklen Stellen, wobei der Tonwert (die Helligkeit) von dem Betrag der Veränderung der Dicke und/cder der Brechzahl in einem gegebenen Flächenbereich abhängig ist. Man kann auf diese V/eise nicht ohne weiteres Information hinsichtlich der einzelnen Vertiefung bzw. Dickenveränderung oder der einzelnen Brechzahländerung erhalten, sondern nur allgemein Information bezüglich des Flächenintegrals diese Veränderungen.

Die Verwendung der Interferometrie in Bilddarstellungssystem ist nicht empfehlenswert, weil die dem Auge oder anderen Photowandlern dargebotene Information aus komlizierten Interferenzmustern besteht. Ferner sind die üblichen Interferometer mechanisch hochempfindliche Instrumente, die nur in schwingungsfreier Aufstellung bzw. Umgebung verwendet werden können. Daher werden sie in allgemeinen aus wirtschaftlichen Gründen als für Bilddarstellungssysteme ungeeignet angesehen.

Beispiele von Abbildungssystemen, in denen Information in Form von Dichenunterschieden eines durchsichtigen Materials aufgezeichnet viird, sind Thermcplast-Deformationssycteme, wie sie in den USA-Patentschriften 3 196 011, 3 113 179, 3 055 006,

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3 ''+36 216, 'j 560 20.5 angegeben sind, sowie Elastonier-Deformationscysterne, v.^rie sie in der USA-Patentanmeldung 101 729 vom 28. Dezember 1970 angegeben sind.

Ein Beispiel eines Abbildungssystems, das Information dn Feiern von Veränderungen der Brechzahl eines durchsichtigen Materials aufzeichnet, ist in der USA-Patentanmeldung 97 865 vom 14. Dezember 1970 angegeben. Auf die Offenbarung in den vorstehend genannten Patentschriften und Patentanmeldungen wird hier ausdrücklich Beziig genommen.

Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, die Fachteile des Standes der !Technik zu überwinden und mit einfachen, wirtschaftlichen Mitteln neuartige Verfahren und Vorrichtungen zum /zuverlässigen Erfassen, Betrachten und Auswerten von Information zu schaffen, die so aufgezeichnet ist, daß sie die Phase einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere des Lichts verändern kann.

Die Erfindung wendet Grundsätze der Interferometrie auf Bilddarstellungssysteme an und schafft unter Vermeidung der vorstehend angegebenen und weiterer Schwierigkeiten, die bisher bei der Anwendung der Interferometrie in Bilddarstellungssystemen aufgetreten sind, neuartige interferomstrische Verfahren und Vorrichtungen mit hohem Auflösungsvermögen.

Dabei erweitert die Erfindung das Anwendungsgebiet von Abbildungssystemen, in denen Information in Form von Veränderungen der Brechzahl oder Dicke aufgezeichnet wird, durch die Verwendung neuartiger Aufzeichnungs- und Leseverfahren.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird konvergierendes, seitlich kohärentes Licht auf den Aufzeichnungsträger gerichtet und die Lichtstärke des Interferenzlichts ausgewertet;,

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das νου der oberen und der unteren Fläche des Aufzeichnungsträgers reflektiert wird.

Im Rahmen der Erfindung wird daher Phaseninformation, die in Form von Dicken- und/oder Brechzahl^unterschieden in einem durchsichtigen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet ist, dadurch erfaßt, daß man konvergierendes "bzw. zumindest vorübergehend zeitlich kohärentes Licht auf den durchsichtigen Aufzeichnungsträger richtet. Die Lichtstärke des von" der oberen und der unteren Fläche des durchsichtigen Aufzeichnungsträgers reflektierten Interferenzlichts entspricht unmittelbar der Dicke und/ oder der Brechzahl des jeweils untersuchten Flächenelemente. Die während einer Abtastung des durchsichtigen Aufzeichnungsträgers erfaßten Veränderungen der Lichtstärke des Interferenzlichts geben die Größe der Unterschiede in der Dicke und/oder der Brechzahl des Aufzeichnungsträgers an.

Die Erfindung ermöglicht es, auch sehr kleine Unterschiede in der Brechzahl und Dicke von durchsichtigen Materialien zu erfassen und auszuwerten, insbesondere Unterschiede, die in den oben angegebenen Abbildungssystemen auftreten.

Im Rahmen der Erfindung werden zur direkten Sichtbarmachung von Unterschieden in der Dicke bzw. der Brechzahl von durchsichtigen Aufzeichnungsträgern interferometrische Verfahren verwenden. Gemäß logischer Aufgliederung stellen die Unterschiede in der Dicke und/oder der Brechzahl Information dar,· in vorliegender Anmeldung als Phaseninformation bezeichnet wird. Wenn die Phaseninformation beispielsv/eise ein Strichbild, ein Halbtonbild oder ein holographisches Interferenzmuster ist, wird sie Phasenbild genannt. Bilddarstellungssysteme, in denen Phasenbilder verwendet werden, werden als Phasenbilddarstellungssysteme bezeichnet.

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Bei Phasenbildern, die Dickenunt er schiede aufweisen, hat der durchsichtige Aufzeichnungsträger eine verformte und eine verhältnismäßig ebene Fläche. Bei Brechzahlunterschioden sind die Flächen des durchsichtigen Aufzeichnungsträgers im wesentlichen parallel. Erfindungsgemäß gewinnt man den Brechzahl» und/oder Dickenverlauf dadurch, daß konvergierendes, zeitlich bzw«, zumindest vorübergehend; kohärentes oder, quasimonochroinat:; sches Licht auf ein diskretes Flächenelement des durchsichtigen Aufzeichungsträgers gerichtet wird und daß die Lichtintensitätsveränderungen erfaßt werden, die auf die verstärkende und schwächende Interferenz der von der oberen und der unten Fläche äes durchsichtigen Aufzeichnungsträgers reflektierten Lichtwellenzüge zurückzuführen sind. Die Lichtstärke ändert sich, weil die Phasenbeziehung zwischen den von den beiden Flächen reflektierten Lichtwellenzügen an den Stellen verändert wird, an denen die Dicke, d.h. die optische Weglänge, und/oder die Brechzahl verändert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von der üblichen Interferometrie in verschiedener Hinsicht. Zunächst werden in den meisten üblicnen Interferometer]! nichtkonvergierende Lichtbündel verwendet und Bezugslichtbündel außerhalb des Prüflings erzeugt. Sodann ist die erfindungsgemäße Anordnung gegenüber mechanischen Belastungen und Schwingungen weit weniger empfindlich, weil die Flächen,welche die interferierenden Lichtwellenzüge reflektieren, starr miteinander verbunden sind. Vor allem aber führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Auflösungsvermögen, das um eine Größenordnung höher ist als bei den üblichen Interferometern, weil zum Unterschied von letzteren keine reflektierende oder durchsichtige, äußere Bezugsfläche verwendet wird.

Die Erfindung ermöglicht ein neuartiges Verfahren zum Lesen der vorstehend erwähnten, deformierten Thermoplaste und Elastomere

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In diesen Systemen besteht das Phasenbild aus Flächendefοrm~ mationen mit unterschiedlicher Amplitude (Tonv/ert) und konntanber Ortsfrequenz bzw. räumlicher Periodizität. Das Phasenbild wird in vorgegebener Zeitbeziehung mit dem vorstehend beschriebenen, konvergierenden, zeitlich bzw. zumindest vorübergehend kohärenten Licht abgetastet. Der Momentanwert der Lichtstärke dos Interferenzlichts wird von einem Photowandler erfaßt. Die Lichtstärke geht jedesmal durch ein Maximum, wenn die Veränderung der DeformationSamplitude gleich einem Vielfachen dor- Wellenlänge des Abtastlichts ist. An den kleinsten Deformationsamplituden treten die Lichtstärke-Maxima bei einer Grundfrequenz auf, die mit der Ortsfrequenz bzw. der räumlichen Periodizität der Deformationen in Beziehung steht. Mit zunehmender Deformationsamplitude treten die Lichtstärke-Maxima bei einer höheren Frequenz auf, die nachstehend als Interferenz-· streifen frequenz bezeichnet die. Die Grundfrequenz und die Sbreifenfrequenzen geben auf diese V/eise Informationen über den Tonwert des Phasenbildes. Infolgedessen kann man aufgrund des Frequenzspektrums der Lichtstärke-Maxima auf einer Kathoden-

strahlröhre oder einer anderen Bilddarstellungseinrichtung ein sichtbares Bild erzeugen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich axxs der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Schema, in dem zur Erläuterung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt ist, wie ein konvergierendes Lichtbündel auf einen in Schrägansicht skizzierten Teil eines durchsichtigen Aufzeichnungsträgers von unterschiedlicher Dicke gerichtet wird,

Fig. 2 eine schematisierte Schrägansicht eines Mechanismus zum Antrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 unter flächiger Abtastung eines Phasenbildes,

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Pig. 3 ein elektrisches Blockschaltrchema einer Einrichtung zur Rekonstruktion eines Bildes mittels einer Kathodenstrahlröhre aufgrund der durch die ATatastung mit der Vorrichtung gemäß 3?ig. 2 erhaltenen Information und

Fig. 4 ein dreiteiliges Diagramm (A bis G) zur Darstell lung von Deformations-Phaseninformation mit konstanter Ortsfrequenz bzw. räumlicher Periodicität und zunehmender Amplitude, sowie der entsprechenden Grund- und Streifenfrequenzen der Lichtstärke-Maxima.

Verfahren und Vorrichtung gemäß Fig. 1 dienen zum Erfassen und Auswerten von Phaseninformation gemäß der Erfindung. Nachstehend werden Phasenbilder besprochen, die Dickenunterschiede aufweisen. Dieselbe Beschreibung ist aber auch auf die Behandlung von Phasenbildern anwendbar, die Brechzahlunterschiede haben.

Eine Lampe 1 ist eine übliche Wolframfadenlampe, Kohlelichtbogenlampe oder eine gleichwertige Quelle elektromagnetischer Strahlung. Es sein angenommen, daß diese Strahlungsquelle einen polychromatischen Ausgang hat. Das von der Lampe 1 erzeugte Licht bzw. die elektromagnetische Strahlung wird auf den durchsichtigen Aufzeichnungsträger 2 gerichtet, der eine ungleichförr· mige Dicke hat und nachstehend als Phaseninformation, Phasenaufzeichnung oder Phasenbild bezeichnet wird. Das Licht \tfird auf das Phasenbild mit Hilfe eines Objektivs fokussiert, welches ein Interferenzfilter 3 enthä3.t, das zeitlich bzw. zumindest vorübergehend kohärente Strahlung durchläßt, die eine i_m Vergleich zu der Dicke 4 der Phasenaufzeichnung große 'Kohärenzlänge besitzt«

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Die Optik umfaßt ferner ein Kondensorlinsensystem 5? eine Blende 7? einen »Strahlenteiler 8 und das Objektiv 9* welches in der Betrachtungsebene 13 ein Bild eines ander Stelle der Phasenaufzeichnung vorhandenen Gegenstandes erzeugt» Das soeben beschriebene System stellt im wesentlichen oin Hellfeld-Auflichtmikroskop dar. Ein Unterschied besteht in der Verwendung des Interferenzfilters 3> um den Bezugs!.!chi; Kohärenz zu verleihen.

Die Phasenaufzeichnung hat eine so geringe Dicke 4, daß das beschriebene Linsensystem einen kleinen Lichtfleck sowohl auf dd,e obere Fläche 14 als auch auf die untere Fläche 15 der Phasenaufzeichnung fokussiert. Das Reflexionsvermögen dieser beiden Flächen soll nicht stärker verschieden sein als um einen Faktor von 10 bis 20, damit die Lichtstärkeveränderungen in dem von ihnen reflektieren Interferenzlicht erfaßbar sind. Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn die beiden Flächen 14,15 im wesentlichen dasselbe Reflexionsvermögen haben.

Man kann die erfindungsgemäß erzielten Ergebnisse wie folgt erklären. Die Kohärenzlänge des auf die Phasenaufzeichnung gerichteten Lichts ist größer als die Dicke 4 der Phasenaufzeichnung. Nur die von kleinen Flächenelementen 17 und oder oberen und der unteren Fläche der Aufzeichnung reflektierten Lichtwellenzüge können einander unter Interferenz überlagern. Dabei v/erden die von den kleinen Flächeneleraenten 17 und 18 bestimmten Zylinder 19 und 20 als Auflösungsvolumina bezeichnet. Die Lichtstärke Iij des von den beiden diskreten Flächenelementen 17 und 18 reflektierten Lichts ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

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wobei rait R₁ ^j und R₀. ■ das Reflexionsvermögen des Flächenelements 17 bzw. 18 bezeichnet ist, mit der Kohärenz faktor, mit 1 die Lichtstärke des Auflichts und mit Δ0λ_Λ der Phasenunterschied zwischen den von den Flächenelementen 17s '18 reflektierten Lichwellenzügen.

Bei der Definition von I. . ist angenommen, daß das Licht mit in wesentlichen gleicher Lichtstärke auf den Flächenelemente!! und 18 auftrifft und die Reflexionsfaktoren klein sind,, Es ist ferner angenommen, daß die ganze Phasenaufzeichnung aus zahlreichen zylindrischen Auflösungs-zellen besteht, wie sie durch die Zylinder 19 und 20 dargestellt sind. Die Indizes i und j geben die X-Y-Koordinaten für die Lage der Zylinder an. In der Formel Δ ψ ^ « ^i -τ Αφ' (2)

ist η die Brechzahl, t- · die Höhe des Zylinders (Dicke 4), A/ die Wellenlänge des Lichts und.^10¹ die auf die Flächenelemente 17 und 18 zurückzuführende Phasendifferenz. Daher kann man die ganze Phasenaufzeichnung durch eine Darstellung der Lichtstärkenunterschiede wiedergeben, die auf die Unterschiede von t oder von η zurückzuführen sind. Ein Maximum und ein Minimum, d.h. eine Periode, treten an allen Stellen auf, an denen 0. . eine Veränderung von 21T oder an denen t eine "Veränderung 2ΐτλ/π erfährt.

Gemäß der Gleichung (1) muß der Kohärenzfakt.or Ϋ~ groß sein, damit der Interferenzterm genügende Signifikanz gewinnt. Hun ist die zeitliche bzw. zumindest vorübergehende Kohärenz maßgeblich für die Interferenz der von den Flächenelementen 17» reflektierten Lichtwellenzüge, während die Örtliche Kohärenz oder räumliche Phasenkonstanz für die Interferenz der Lichtwellen bestimmend ist, die von seitlich gegeneinander versetzten Flächen reflektiert werden, z.B. von den oberen Flächen der Zylinder und 20. Infolgedessen ist die zeitliche Kohärenz wichtiger als die örtliche Kohärenz.

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ß ist ein Auflösungsvermögen von mehr als 2000 Linien pro mm. erzielbar, wars den Zehnfachen des Auflösungsvermögens ϋborlicher Interferometer entspricht. Diese Steigerung des Auflösungsvermögens wird dadurch ermögJicht, daß das Objektiv unmittelbar auf das Interferenzmuster foivussiert ist, das sich auf die Oberfläche des Prüflings befindet. Dagegen erfassen die Objektive in den bekannten Interferometer^ das Interferenzmuster durch ein optisch ebenes, durchsichtiges Element hindurch, oder das durch den Prüfling modulierte Bündel und das Bezugsbündel v/erden unter Bildung des Interferenzmusters erst vereinigt, nachdem jedes Bündel von mehreren Spiegeln, Linsen und anderen optischen Elementen weit ergegeben worden ist, die mechanische und optische Probleme bedingen.

In dem erfindungsgemäßen System wird das Auflösungsvermögen durch eine Veränderung der Streufunktion des Objektivs beeinflußt. Die Veränderung der Streufunktion wird u.a. durch Veränderung des Durchmessers der Blende 7 bewirkt. Angesichts des hohen Auflösungsvermögens kann die Kohärenzlänge des Lichts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kleiner sein als bei normalem Laserlicht, damit Fehler im optischen System einen möglichst kleinen Einfluß auf das Interferenzmuster haben. Man kann als monochromatische Quelle von monochromatischer Strahlung anstelle der Lampe 1 und des Interferenzfilters 3 aber auch einen Laser verwenden.

Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Interferenzverfahrens besteht darin, daß eine Fläche des Prüflings als Bezugsflache verwendet wird, Dadurch wird zunächst das Auflösungsvermögen erhöht. Andererseits kann die Bildinformation direkt sichtbar gemacht werden, wenn das Auflösungsvermögen des Systems absichtlich herabgesetzt wird. Indem man das konvergierende Licht durch die zu einem niedrigen Auflösungsvermögen führende Blende 7

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über die panze Fläche der Phasenaufzeichnung verteilt, läßt sich zwar nicht ,jede einzelne Deformation, aber doch die Information in ihrer Gesamtheit sichtbar machen. Ferner kann man durch Veränderung der Wellenlänge des konvergierenden Lichts sowohl positive als auch negative Bilder erzeugen.

In allen-vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann man ein Photo des auf die Betrachtungsebene 13 projizierten Bildes herstellen. Zweckmäßig ist es beispielsweise, zum Herstellen einer dauerhaften Aufzeichnung der' betrachteten Information eine Polaroid-Kamera zu verwenden. Statt dessen kann man aber auch andere mit Silberhalogenidfilmcn arbeitende oder noch andere Systeme zum Herstellen von dauerhaften Aufzeichnungen benutzen..

Erfindungsgemäß bestimmt man die Dicke des durchsichtigen Aufzeichnungsträgers an einer bestimmten Stelle einfach dadurch, daß man das von dem Interferomete}? erzeugte Lichtstärkeprofil betrachtet. Diese Betrachtung erfolgt in der Betrachtungsebene 13· Indem man das Lichtstärkeprofil eicht oder mit einem Normalprofil vergleicht, erhält man direkt die Dicke. Sie läßt sich an einer bestimmten Stelle ferner dadurch ermitteln, daß man die Lichtstärke an einer Stelle mit der Lichtstärke an einer benachbarten Stelle vergleicht. Einen Sichtlinienplan der Phasenaufzeichnung (ein Interferogramm) kann man leicht herstellen, wenn man das konvergierende Lichtbündel über die Fläche der Aufzeichnung bewegt. Mehrere Interferenzstreifen lassen sich betrachten, ohne daß das Lichtbündel gegenüber der Aufzeichnung bewegt würde, sofern der Brennfleck des konvergierenden Lichtbündels einen größeren Durchmesser hat als das kleinste Auflösungselement, d.h. das Flächenelement 17-

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Das Filter 3^ ist in dem System gemäß 1'¹Ig. 1 wichtig. Ea n+,el''.t ein Interferenzfilter mit kontinuierlicher Frequenzvcrändenrng dar und besteht aus einem durchsichtigen Material, das eine konstante Brechzahl, hat, während sich seine Dicke stufenlos ändert. Das Filter läßt ein kontinuierliches Spektrum von Wellenlängen durch, von denen jede eine zeitliche Kohärenzlänge hat,, die größer ist als die Dicke 4 der Phaseriau.f?eichnn.Dr; 2. Man kann auch einen Laser mit konstanter Wellenlänge oder ein Filter mit einen begrenzteren Wellenlängenbereich verwenden.

Eine neuartige Anwendung der Interferometrie sur Phar-enbilddarstellung ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Fig» 2 zeigt ein Deformationsbild 30, beispielsweise aus thermoplastischem oder elastomerem Material, das nach einem der Verfahren gemäß den eingangs angegebenen Patentschriften und Patentanmeldungen hergestellt worden ist. Das Phasenbild 30 besteht aus einem Deformationsmuster mit konstanter Ortsfrequens /bzw. räumlicher Periodizität, z.B. aus parallelen Linien, deren Amplitude oder Höhe von Spitze zu Spitze sich kontinuierlich ändert. Die verschiedenen Spitzenamplit-uden stellen verschiedene Tonwerte in einem sichtbaren Bild dar. Die Dichte oder Ortsfrequenz der Deformationen kann bis zu 500 Linien pro mm betragen, was dem Auflösungsvermögen entspricht, das man für die Aufzeichnung von holographischen Interferenzmustern und Mikrobildern benötigt. Deformationen mit' dieser Dicht oder Ortsfrequenz kann das menschliche Auge nicht erkennen. Mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 1 kann man jedoch Deformationen mit Frequenzen von mehr als 2000 Linien pro mm sichtbar machen. Phasenbilder mit so hohen Frequenzen können in elektrischen Datenverarbeitungssystemen, z.B. Digitalrechnern, verwendet werden. In einem Mikroskop wird das in der Betrachtungsebene 13 erzeugte Bild mit Hilfe eines Okulars betrachtet, um eine stärkere' Vergrößerunp" zu erzielen.

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Das in 3?ig. 2 gezeigte Interferometer 3 ähnelt im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, doch ist an der Betrachtungsebene 13 eine Vervielfacher-Photozelle oder ein anderer Photowandler angeordnet. Dieser Photowandler ist mit einer elektrischen Schaltung verbunden, die elektrische Signale erzeugt, die den von dem Photowandler erfaßten Lichtstärkeveränderungen entsprechen.

Bas Interferometer 31 ist mechanisch mit dem Antriebsmechanismus 32 verbunden, der aus den ortsfesten Schienen 33 und 34, dem Längsschlitten 35 "und. dem Querschlitten 36 besteht. Ein Elektromotor 37 bewegt den Längsschlitten längs der Schienen von und zurück«, Mit dem Querschlitten 36 ist ein Elektromotor 38 verbunden, der den Querschlitten auf dem Längsschlitten 35 vor- und rückwärtsbewegt. Infolgedessen kann das Interferometer das Phasenbild 30 zeilenweise abtasten. Die Zeilen 40 stellen einen möglichen Abtastxireg dar, den das Interferometer beschreiben kann. Die gestrichelten Linien 41 stellen einen Rücklaufweg dar. Die mechanischen Toleranzen des Antriebsmechanismus sind so gewählt, daß das Objektiv des Mikroskops fokussiert bleibt.

Das Interferometer bewegt sich längs einer Abtastzeile mit konstanter Geschwindigkeit. Das von dem Photowandler erzeugte elektrische Signal hat eine Grundschwingung, deren Frequenz den Ortsfrequenzen des Phasenbildes direkt proportional ist. Bei zunehmenden Deformationsamplituden werden Schwingungen mit Streifenfroquenzen erzeugt. Insbesondere wird eine Streifenfrequenz jedesmal erzeugt, wenn die Dicke 4 der Phasenaufzeichnungsträgers um einen Betrag von λ/2 η verändert wird, wo Λ die Wellenlänge und η die Brechzahl ist. Aus der obigen Gleichung (2) geht hervor, daß die Lichtstärke I. . jedesmal durch ein Maximum geht, wenn die Dicke sich um λ./2η verändert. Infolgedessen wird eine erste Streifenfrequenz erzeugt, wenn die

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Defoxmationsamplituden eine erste Größe überschreiten, und eine aweite, dritte, vierte usw. Streifenfrequenz vrird erzeugt, wenn die -Amplituden schrittweise um weitere Beträge zunehnen.

Dies ist in dem dreiteiligen Diagramm in Fig. 4- dargestellt. Auf der linken Seite der drei Teile A Ms C in Fig. 4 ist gezeigt, daß die Deformationen des Phasenbildes 30 eine konstante Frequenz, aber unterschiedliche Ampituden von Spitze zu Spitze haben. Auf der rechten Seite der drei Teile A bis C ist der Frequenzgang der I. .-Maxima dargestellt. Im Teil A ist die Amplitude der Deformation yon Spitze zu Spitze kleiner als λ/2η (oder ein Vielfaches davon), so daß die Maxima bei einer Grundfrequenz f^, auftreten, die der Orts;-frequenz der Deformationen proprotional ist. In dem Teil B ist die Amplitude von Spitze zu Spitze um X/2n größer a.ls die Bezugsamplitude im Teil A. Daher treten im Teil B die Maxima an einer höheren Frequenz f~ auf, die hier als Streifenfrequenz bezeichnet wird. Im Teil C ist die Amplitud.e von Spitze zu Spitze um mehrere Vielfache von λ/2n größer als im Teil A, so daß die höhere Streifenfrequenz ΐ-, erzeugt wird. Der Photowandler des Interferometers 30 erzeugt elektrische Signale, deren Frequenzen der Grundfrequenzen f. und den Streifenfrequenzen f., f~ entsprechen. Diese elektrischen Signale v/erden von einer geeigneten Schaltung ausgewertet und zum Zusammensetzen eines sichtbaren Bildes verwendet. Dies ist nachstehend ausführlich erläutert.

Es lassen sich soviele Streifenfrequenzen erzeugen, daß ein Bild mit im wesentlichen stufenlosen Tonwerten und einem großen Kontrastbereich rekonstruiert werden kann, weil die Deformationen in einem Bereich von λ/2η bis zu dem Hundertfachen dieses Wertes liegen können. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die in Frare

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kommenden Dicken sehr klein sind und das verformbare Material, aus dein das Phasenbild hergestellt ist, für eine entsprechende Verformung gut geeignet ist. Man erkennt, daß das vorstehend beschriebene Systen ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Lesen eines Phasenbildes darstellt.

Jetzt seien wieder die Figuren 2 und 3 betrachtet« Die während der Abtastung des Phasenbildes 30 durch das Interferometer 31 von diesem erzeugten elektrischen Signale werden mit den elektrischen X- und T-Stellungssignalen synchronisiert, die von den Elektromotoren 37 "-nid 38 abgeleitet werden. Diese Lichtstärkesignale und Stellungssignale werden mit Hilfe von Verstärkern 43 bis 45 in geeigneter Weise verarbeitet und auf geeignete Weise aufgezeichnet. z„B. mit Hilfe eines liagnetband-Aufseichnungsgeräts 46. Dabei wird das Aufzeichnungsgerät derart gesteuert, daß sich die Abtastfrequenz oder Srfassungsgeschwindigkeit des Interferometers beträchtl.i ca von der Abtastfrequenz unterscheiden kann, die zum Zusammensetzen eines Bildes aufgrund der aufgezeichneten Information verwendet wird_e

Pig. 5 stellt ein System zum Aufbau eines Bildes aus den aufgezeichneten Lichtstärkesignalen und StellungsSignalen dar.» Mit Hilfe des Bandgeschwindigkeitsreglers 47 wird die Bandgeschwindigkeit beim Abspielen so gewählt, daß die Abtastfrequenz des Interferometers 31 derjenigen der Kathodenstrahlröhre 48 entspricht. Die aufgezeichneten Σ-X-Stellungssignale werden einer geeigneten Schaltung 49 zugeführt, welche den Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre 48 entsprechend einem vorgeschriebenen Haster aussteuert. Gleichzeitig werden die aufgezeichneten Lichtstärkesignale über eine geeignete Schaltung an die Helligkeitssteuerung der Kathodenstrahlröhre angelegt. Das aufgezeichnete Lichtstärkesignal kann aus den erfaßten Grundfrequenzen f. und den erfaßten Streifenfrequenzen (z.B. f., fp)

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bestehen, oder aus einen Wechsel- oder Gleichspannung; rJ.^vai, dan die Prequenz und die Amplituden der .Deformationen darstellt.

Dao in 2 und 3 dargestellte System stellt nur ein beispiel dar, auf das die Erfindung nicht eingeschränkt ist. Beispielsweise kann man mit Hilfe einer geeigneten herkönaiii·- cheii Schaltung die Kathod.enstrahlröhre direkt mit den Lichtstärke- und Stellungssignalen des Interferometers aussteuern,.. Außerdem kann man anstelle des parallelen Abtastmusters in Fig. 2 auch andere Abtastmuster und statt einer konstanten eine sich verändernde Abtastfrequenz'verwenden. Der für die Abtastung verwendete Antrieb mit Schienen und Schlitten .kann durch einen rotierenden Zylinder, ein Galvanometer, einen. wenciclförmigen Schlitz oder eine andere Abtasteinrichtung ersetzt werden.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merlanale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims (20)

1. P a t ο η t a η s τ> r π ehe

   *1J Verfahren sum Erfassen von Phasen-Information von einen >—/

   durchsichtigen Aufzeichnungsträger, dadurch gekennzeichnet, daß konvergierendes, zeitlich bzw. zumindest vorübergehend kohärentes Licht auf den Aufzeichnungsträger. (2) gerichtet und die Lichtstärke (I.^) des Interferenzliehts ausgevrertet wird, das von der oberen und der unteren Fläche ('14,15) ^fles Aufzeichnungsträgers reflektiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei c -h ~ π e t, daß die Phaseninformation in"Form von Unterschieden in der Dicke (4) des durchsichtigen Aufzeichnungsträgers (2) gewonnen xd.rd.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ eich-, net, daß die Phaseninformation in Form von Unterschieden in der Brechzahl (n) des durchsichtigen Aufzeichnungsträgers (2) gewonnen wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des zeitlich bzw. zumindest vorübergehend kohärenten Lichts ein im wesentlichen polychromatisches Licht durch ein durchsichtiges Interferenzfilter (3) von stufenlos veränderlicher Dicke geführt wird.
5. 5« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennz ei chnet, daß zum Richten des Lichts auf den Aufzeichnungträger (2) Licht mit Hilfe eines Mikroskopobjektivs (9) auf den Aufzeichnungsträger (2) fokussiert wird und daß zur Auswertung der Lichtstärke (I..) des Interferenzlichts dieses durch das Objektiv auf eine Betrachtungsebene (13) fokussiert wird.

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6. 6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch £ e- k e η η ζ e 1 c h net, daß "beim Richten dos Lichts auf den AiifKeichnur.gGtrager (2) die Auflösung dos in der Betrachtung?ebene (ij3) erzeugten Bildes durch eine im Boreich des Objektive anroerdnete Blende (7) beeinflußt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung des Bildes durch geeignete V.'ahl der Öffnung des Objektivs (Blende 7) ¹-^nd durch Veränderung der Wellenlänge des kohänten Lichts herabgesetzt v/ird, so daß man wahlweise positive und negative Bilder in der Betrachtungsebene (13) erhält.
8. 8. Verfahren wenigstens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem konvergierenden Licht ein diskretes Flächenelement (17>18) des Aufzeichnungsträgers (2) beleuchtet wird, der verschieden dicke Teilt? aufweist und daß zum Herstellen einer datierhaften Aufzeichnung ein Aufzeichnungsträger mit dem Interferenzlicht belichtet v/ird, das infolge der verschieden dicken Teile verschiedene Lichtstärken (I- -) hat.
9. 9. Verfahren wenigstens nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß mit dem konvergierenden Licht ein diskretes Flächenelement (I7j18) des Aufzeichnungsträgers (2) beleuchtet wird, der Teile auf unterschiedlichen Brechzahlen (n) aufweist, und daß zum Herstellen einer dauerhaften Aufzeichnung ein Aufzeichnungträger mit dem Interferenzlicht belichtet wird, das infolge der unterschiedlichen Brechzahlen (n) verschiedene Lichtsträrken (I. .) hat.
10. 10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9? dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenbild (2) Unterschiede in der Dicke (4·) oder der Brechzahl aufweist, die

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    9 O1C7Q ZZ I D / O

    "zur Auswertung durch ein elektrisches Datenverarbeitungsgerät logisch ¹DZM. systematisch geordnet angeordnet sind.
11. 11. Verfahren zum Losen eines Phasen"bildes, das in einen durchsichtigen Auf zoichnivngtrllger aufgezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein seitlich kohärentes*, konvergierendes Lichtbündel auf den Aufzeichnungsträger (2) gerichtet wird, daß ein Bild der Lichtstärke des von der oberen und der unteren Fläche (14,15) des Aufzeichnungsträgers (2) reflektierten Lichts auf einen elektrischen Photowandler projiziert wird und daß durch eine Bewegung des Lichtbün&elE relativ zu dem Aufzeichnungsträger (2) mit Hilfe des elektrischen Photowandlers ein elektrisches Signal erzeugt xiird, dessen Frequenzen Veränderungen des Fhäsenbildes entsprechen»
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η ζ e i c Ii net, daß sum Aufbau eines sichtbaren Bildes aus dem elektrischen Signal dieses an eine elektrisch gesteuerte Bilddarstellungseinrichtung (48) angelegt wird» ' ...
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12_S dadurch gekennzeich net, daß in der Bilddarstellungseinrichtung (48) eine Kathodenstrahlröhre verwendet wird.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal mit einer elektrischen Signalaufzeichnungseinrichtung (46) aufgezeichnet wird·
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Phaseninforiaation im durchsichtigen Aufzeichnungsträger (2) in Form von Unterschieden in der Dicken (4) und/oder in der Brechzahl (n) aufgezeichnet ist.

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16. 16., Verfahren wenigstens υ ach Anbruch 15, dadurch

    β e k e η η ζ eich η e t, daß das Phasenbild mehrere

    Deformationen umfaßt, die eine konstante Ortsfrequ.enz bzw.

    räumlicher Periodizität und unterschiedliche /unplit-ader.

    haben.
17. 17· Verfahren nach ueniGütcnc einen der Ansprüche 11 bis 16. dadurch g e k e η η 2 ei c h η e t, daß das Phasenbild ein Strichbild ist.
18. 18. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bin 16, dadurch {^kennzeichnet, daß das Fhasenbild ein Halbtonbild ist.
19. 19. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das Fnasenbild ein holographisches Interferenzmuster ist.
20. 20. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 ibs 17* dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, d.aß das Phänenbild Information enthält, die zur Answertune durch ein Datenverarbeitungsgerät logisch angeordnet bzw. systematisch geordnet ist.

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