DE2312247A1 - Einrichtung zur auswertung holographisch rekonstruierter wellenfelder mit zwei frequenzen - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Einrichtung zur Auswertung holographisch rekonstruierter Wellenfelder mit zwei Frequenzen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Auswertung der Rekonstruktion holographisch gespeicherter Wellenfelder, die durch Streuung eines kollinearen Beleuchtungsbündels mit zwei optischen Frequenzen Uj-. und tu ₂ an einem zu untersuchenden Objekt entstanden und mit ReferenzwelJ.en der gleichen Frequenzen U) und U) holographisch gespeichert sind, wobei JLU₁ - ^ω ₂!"7* 1 SHz.

Es ist bekannt CAppl. Phys. Lett.' 15_ Cl July 1959) No. 1,

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S« 28 - 30), dass sich, bei der Hologrammrekonstruktion eines Objektes, das mittels eines Lasers aufgenommen wurde, der auf zwei -Frequenzen UJ. und Lo schwingt, deren DifferenzfrequenzjVx) - "UJ I grosser ist als 1 GHz, im Bild des Objektes Streifen verminderter Lichtintensität ergeben, deren Abstand proportional ist zur Tiefe des Objektes in einer Richtung ζ der Winkelhalbierenden zwischen der Richtung der Beleuchtungswelle und der Beobachtung. Das Bild des Objektes ist also mit "Tiefenkonturen" durchzogen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen"', mittels welcher die Tiefe des "Objektes über die erwähnten Tiefenkonturen einfach und genau ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss die Einrichtung bei der Rekonstruktion bzgl. des holographischen Speichermediums und der Referenzwellen räumlich identisch aufgebaut ist wie bei der Aufnahme, nämlich derart, dass zwei räumlich getrennte und zu dem an dem Objekt gestreuten Wellenfeld geneigte, und das holographische Speiohermedium beaufschlagende Referenzwellen vorgesehen sind, diese Referenzwellen jedoch nicht wie bei der Aufnahme jeweils mit einer Frequenz ^-> oder Uj „ schwingen, sondern jeweils mit einer optischen Frequenz LU ' oder LJ^* ^wotiei die Differenz-

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frequenz dieser beiden Frequenzen grosser Null und kleiner als 1 GHz, ist, und dass eine geometrisch-optisqhe Vorrichtung .zur Abbildung der derart rekonstruierten Wellenfelder in eine'Bildebene vorgesehen ist, welche mittels eines optoelektronischen Detektors abtastbar ist, welcher das in der Bildebene auftretende Licht-Wechselsignal auch bzgl. seiner Phase auszuwerten vermag.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, dass durch die Einführung der beiden Frequenzen vüj und LOI im Punkt P der Bildebene E -ein Lichtwechselsignal I CP, t) entsteht, das eine Trägerfrequenz Si. = Uj ' - UO' aufweist, und dessen Phase ^ CP) direkt porportional ist zur Tiefe ζ des in dem Bildpunkt P abgebildeten ObjektPunktes. Da-Q. erfindungsgemäss ^. 1 GHz, z.B. 10 kHz, sein soll, kann das Signal I CP, t)- leicht in konventionellen Phasendetektoren verarbeitet und die Phase r\y CP) in Abhängigkeit vom Ort P in der Bildebene E ermittelt werden.

Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Einrichtung mit einem einteiligen holographischen Speichermedium und zwei zueinander geneigten Referenzwellen , und

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Fig. 2 eine Einrichtung mit einem zweiteiligen holographischen Speichermedium und zwei parallelen Referenzwel'len.

In Fig. la) ist ein Objekt 0 dargestellt, welches mit einem Beleuchtungsbündel B beleuchtet wird, welches mit zwei diskreten, verschiedenen Frequenzen Uj und Uj _ schwingt. Das Beleuchtungsbündel B kann als aus zwei kollinearen, derselben Laser-QuaLle entstammenden, kollimierten oder divergenten Lichtwellen der Frequenzen Uj und UJ bestehend aufgefasst werden, es kann aber auch als Wellenfeld mit der Kohärenzlänge 1,,Qj₁ ^{= C}^C ÜJ -Ou-) interpretiert werden, wobei dann die Kohärenzlänge relativ klein ist, da JUJ - UJ-I erfindungsgemäss ja > 1 GHz sein soll.

Von dem Objekt 0 läuft dann das Wellenfeld B¹ CUJ.., UJ ) zu dem holographischen Speichermedium H, d.h. einer Photoplatte, einem Film, einem thermoplastischen Substrat od. dgl, B¹ umfasst wieder die Frequenzen Co und UJ und kann wie vorstehend •beschrieben interpretiert werden.^

B' wird auf H mittels der zueinander und zu B¹ geneigten •Referenzwellen R₁ C UJ₁) und R„ CUJ ) holographisch gespeichert. R, schwingt mit der einen in B enthaltenen Frequenz UX , R„

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mit der anderen Frequenz Lu₉. Auf diese Weise wird das gestreute Wellenfeld B¹ C U) ) für die Frequenz UjL unabhängig j von dem anderen Teil B¹ C U)₀) für die Frequenz U)₀ ge- I

speichert. Der-für UK gespeicherte Teil ist mit O C tu, ) = O bezeichnet, der für UJ ₉ gespeicherte Teil mit O

Cw₂) = o^C2).

Ferner sind noch Koordinatenachsen χ, ζ angegeben, von denen ζ in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen B und B¹ weist.

Gemäss Fig. Ib) wird, in räumlich identischer Anordnung wie bei der Aufnahme, das Speichermedium H mit den Referenzwellen R, CU)-J) und R₉ CU)') beaufschlagt. Dabei sind Co-! und LO ' optische Frequenzen, d.h. jedenfalls grosser als 6 . 10 Hz C Λ f& 50 ^u), z.B. 6,5 . 10 Hz CAr-Laser), und ihre Differenz \tu' ~ ^?! ^{ist konstant} ^¹¹^ kleiner als 1 GHz, z.B. 10 kHz.

Die Frequenzen ^-!s UJ₉ können z.B. in bekannter Weise mittels mechano-optischer Modulation CBeleuchten eines rotierenden Gitters) eines Laserstrahles erzeugt werden. Es kann aber z.B'. auch ein Zeemann-Laser C"Laser", Kleen'u. Muller, Springer 19 69, S. 274 ff.) verwendet werden, der gleichzeitig zwei verschiedene Frequenzen mit entgegengesetzt zirkularer

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Polarisation liefert, so dass sie beispielsweise durch Λ/^-Plättchen und Polarisatoren trennbar sind. Die Differenzier beiden Frequenzen kann etwa zwischen 10 und 100 MHz variiert werden.

Mit den Referenzwellen R, CmJ') und R. (UJ') werden die gespeicherten Wellenfelder 0 und 0 rekonstruiert und mittels des Linsensystems L geometrisch-optisch in die Bildebene E abgebildet. Sie weisen jedoch jetzt die Frequenzen U) -I und Uj' auf.

Dadurch sind die Tiefenkonturenlinien nicht mehr stationär, sondern wandern über die Bildebene E dahin. Γη der Bildebene E ist ein optoelektronischer Detektor D mit zwei Messfühlern F, und F₂, z.B. Photodioden, vorgesehen. Dieser Detektor D misst dann ein Wechselsignal I CP, t).

Im Punkt P der Bildebene kann dieses Signal wie folgt be schrieben werden:

I CP, t) A^a + b cos [CMJ^ -ω^) t + Λα/]

-ω

=- ζ CP).

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a und b sind Konstante, ζ CP) ist die Tiefe ζ des dem Bildpunkt P, an dem das Wechselsignal aufgenommen wird, ent— ' sprechenden Objektpunktes. ·

Wie ersichtlich, ist also I CP, t) ein in bekannter Weise hochfrequenztechnisch verarbeitbares Signal, dessen Phase ^ unmittelbar ein Mass für die Tiefe des beobachteten Objektpunktes ist.

Im Ausführungsbeispi,el sind nun zwei Messfühler F und F_ vorgesehen. Von diesen ist F₁ ortsfest, während mit F_ die Bildebene E abgefahren wird. Γη F₁ wird dann eine Referenz-

phase /\γ CP, ) *j ζ CP..) gemessen, und in F„ eine Phase

tu-, - uL
ru; CP₂) tyj — ζ CP₂). Durch Differenzbildung au CP,) -

ol> CP₂) ergibt sich dann unmittelbar die Abweichung der Tiefe des Punktes P₂ von der des Punktes P,. Es wird also ein Höhenlinienbild des betrachteten Objektes mit höchster Auflösung ClO u) erhalten. Wie ersichtlich, ändert sich λλ/ mit ζ umso stärker, d.h. wird die Auflösung umso besser, je grosser ¹^, - UJ ist. Es hat jedoch keinen Sinn, zu allzu grossen Werten!UJ "^o I ^zu &^e^^ieni ^^a dann die Konturenlinien C rvy ändert um 2 U ) so eng zusammenrücken, dass die Messfühler F₁, F₂ sie I nicht mehr aufzulösen

vermögen. Bei tu - U; R₅* 1 GHz haben die Konturenlinien beispielsweise einen Abstand von etwa 15 cm, bei 10 GHz jedoch nur noch 15 mm.

L Π q 8 2 L I 0 6 R G

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Die In Fig. Ib) noch, angedeuteten Wellenfelder 0 C Lül)

C2)

und 0 (UU-! ) sind Kreuzmodulationsterme, d.h., Wellenfelder, di'e durch Rekonstruktion der gespeicherten Wellenfelder 0 und 0 mit den "falschen" Referenzwellen R (LUi) und R₁ Clü-J) entstehen. Es ist klar, dass die Neigung der Richtungen B¹, R-. und R„ so gewählt sein muss, dass die sich überlagernden Wellenfelder 0 CW ·) und 0 (ω^) nicht von den Kreuzmodulationstermen, den Referenzwellen und den konjugierten .Objektwellen gestört werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 dadurch, dass das Wellenfeld B^T C<O ) mittels der Referenzwelle R₁ (UJ₁) auf dem ersten Speicherteil H , z.B. einer Photoplatte, gespeichert wird, und das Wellenfeld B¹ (U) ) mittels der Referenzwelle R CUJ ) auf dem Speicherteil H-. Die durch H durchtretende Welle B¹ (üü..), bzw. die auf H₁ auf treffen de Welle B' CuJ₉), stören nich't wesentlich, da sie mit den speichernden Referenzwellen R₉ C-U₉) bzw. R CuJ₁ ) inkohärent sind. Es kann jedoch auch so vorgegangen werden, dass zuerst nur das Objekt und H₁ mit B (W ) und R CuJ ) beaufschlagt werden, und dann nur das Objekt und mit B CuJ₂) und R CUj₉).

Bei der Rekonstruktion werden mit den bei der Speicherung

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verwendeten räumlich identische Referenzwellen R (lü ') und R- Cu;') verwendet. Dadurch ergeben sich hinter H die gleichen .Wellenfelder 0^Cl) Cu;') und 0^C2) CoU') wie in Fig. 1, so dass die Auswertung in der gleichen Weise erfolgen kann.

Ein besonderer Vorteil der Ausführungsart nach Fig. 2 liegt darin, dass hier Referenzwellen aus demselben kolliriierten Strahlenbündel, beispielsweise durch mechanische Blenden, verwendet werden können. Dadurch ist die Anordnung bei weitem unkritischer als die in Fig. 1, was die Störung des rekonstruierten Objektes durch konjugierte Wellen, Referenzwellen und Kreuzmodulationsterme betrifft.

In die Erfindung vorteilhaft ergänzender Weise können auch mehrere Messfühler in vielfältigen Konfigurationen und mit mehreren Phasenmetern vorgesehen sein. Dadurch können bei Bedarf die Differentialquotienten der ermittelten Höhenlinien, d.h. der Phasen Λγ nach den Ortskoordinaten, in einfacher Weise ermittelt werden. Dies ist Im einzelnen In den

• en

beiden Patentanmeldung*' der gleichen Erfinder desselben Anmeldedatums mit den Titeln "Einrichtung zur Auswertung holographischer Interferogramme" und "Einrichtung zur Auswertung von Interferogrammen für Oberflächendeformationen" beschrieben, auf welche insoweit Bezug genommen wird.

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An dem optoelektronischen Detektor D kann ein konventioneller x-y-Schreiber angeschlossen sein. Auf diesem kann für einen beliebigen Schnitt des Objektes das Profil der sichtbaren Oberfläche, also ζ als Funktion von χ in der Bildebene E, direkt mit hoher Genauigkeit C Δ ζ A^O₉I mm) dargestellt werden.

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Claims (3)

21/73 Patentansprüche

1./Einrichtung zur Auswertung der Rekonstruktion holograpiiisch gespeicherter Wellenfelder, die durch Streuung eines kollinearen Beleuchtungsbündels mit zwei optischen Frequenzen CJ-. und OJ ^ an einem zu untersuchenden Objekt entstanden und mit Referenzwellen der gleichen Frequenzen OJ-. und OJy holographisch gespeichert sind, wobei CO, - OJ₉ >" 1 GHz, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung bei der Rekonstruktion bzgl. des holographischen Speichermediums (H; H-, H„) und der Referenzwellen (R-. , R„) räumlich identisch aufgebaut ist wie bei der Aufnahme.nämlich derart, dass zwei räumlich getrennte und zu dem an dem Objekt (0) gestreuten Wellen feld (B¹) geneigte und das holographische Speichermedium (H; H , H) beaufschlagende Referenzwellen (R, , R„) vorgesehen sind, diese Referenzwellen (R-, , R„) jedoch nicht wie bei der Aufnahme jeweils mit einer Frequenz C^-, oder Gu 2 schwingen, sondern jeweils mit einer optischen Frequenz CJ \ oder <^ό» ^w°bei die Dxfferenzfrequenz dieser beiden Frequenzen grosser Null und kleiner als GHz, ist, und dass eine geometrisch-optische Vorrichtung (L) zur Abbildung der derart rekonstruierten Wellenfelder (0

(2)
p, 0 ^y (6Jp) in eine Bildebene (E) vorgesehen ist,

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welche mittels eines optoelektronischen Detektors (D) abtastbar ist, welcher das in der Bildebene (E) auftretende Licht-Wechselsignal (I (P, t)) auch bzgl. seiner Phase C^(P)) auszuwerten vermag.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme ein das Objekt (0) beaufschlagendes, die Frequenzen co -, und CO^ enthaltendes Beleuchtungsbündel (B (Cu-., co»)), ein einteiliges holographisches Speichermedium (H), und zwei zu dem an dem Objekt (0) gestreuten Wellenfeld (B') und zueinander geneigte Referenzwellen (R (oi-.), R„ (COo)) vorgesehen sind, wobei die eine Referenzwelle (R,) mit 0O₁ und die andere (R-) mit OO schwingt, und bei der Rekonstruktion, bei räumlich identischer Anordnung, die eine Referenzwelle (R (öü -! )) mit der Frequenz Od ' , und die andere (R„ (.Go ^)) mit der Frequenz gü ' schwingt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme ein das Objekt (0) beaufschlagendes, die Frequenzen co , und OJ~ enthaltendes kollineares Beleuchtungsbündel (B (CJ ), B (6O_?)), ein holographisches Speichermedium mit zwei in Beobachtungsrichtung hintereinander angeordneten Speicherteilen (H , H), und zwei

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jeweils einen der Speicherteile beaufschlagende, zu dem an dem Objekt (0) gestreuten Wellenfeld (B¹) geneigte und zueinander vorzugsweise parallele Referenzwellen (R, (CO₁ ) , R^ (.0Jn))- vorgesehen sind, wobei die eine Referenzwelle (R-.) mit Cö _Ί und die andere (R„) mit co,, schwingt, und bei

J- J- * L-C.

der Rekonstruktion, bei räumlich identischer Anordnung, die eine Referenzwelle (R (.0Jl)) mit der Frequenz CC ' , und die andere (R„ (OJl)) mit der Frequenz CO A schwingt.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

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