DE2335515A1

DE2335515A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von vielfachbildern

Info

Publication number: DE2335515A1
Application number: DE19732335515
Authority: DE
Inventors: Olof Bryngdahl
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1972-10-17
Filing date: 1973-07-12
Publication date: 1974-04-18
Also published as: JPS4975161A; US3791275A; NL7313220A; GB1449636A; FR2203091A1; CA1000538A; FR2203091B1

Description

Xerox Corporation, Rochester, N.Y./USA

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Vielfachbildern"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Vielfachbildern eines einzigen Gegenstandes unter Anwendung einer Selbstabbildungstechnik.

Mehrere Bilder eines einzigen Gegenstandes kann man bekanntlich mit verschiedenen Verfahren bzw. Vorrichtungen erzeugen, die entweder die Wellenfronten der reflektierten Lichtstrahlen

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2 3 3 b b 1 b

oder ihrer Amplituden teilen. Die Wellenfront wird beispielsweise geteilt von Spiegeln, Linsen und Nadellochanordnungen. Strahlaufspalter, wie etwa halbdurchlässige Spiegel, doppelbrechende Kristalle und Beugungsgitter unterteilen dagegen die Amplitude. Inzwischen kann man auch mit holographischen Verfahren Vielfachbilder eines mit einer Lichtquelle beleuchteten Gegenstandes erzeugen. Gemeinsames Element bei diesen holographischen Verfahren ist ein Hologramm, von dem bei Beleuchtung mit einer punktförmigen Quelle eine Anordnung von punktförmigen Bildern rekonstruiert wird. Ersetzt man die punktförmige Lichtquelle durch einen ausgedehnten Gegenstand, so erhält man eine Anordnung von Abbildungen dieses Gegenstandes.

Die Selbstabbildung periodischer Gegenstände in kohärentem Licht jsb ein bekanntes Phänomen. Die wiederholte Beleuchtung eines Gegenstandes in zwei rechtwinkeligen Richtungen (Periode d) mit ausgerichtetem Licht (Wellenlänge Λ) ergibt Bilder (Fourierbilder) des periodischen Gegenstandes in Ebenen, die

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im Abstand von ζ = 2 vd /A vom Gegenstand liegen, wobei ν eine ganze Zahl ist. Beleuchtet man die Objektanordnung mit einer punktförmigen Lichtquelle im Abstand ζ vor dem Gegenstand, so erhält man die Ebenen mit den Fourierbildern

zu: Έ ι

l/z_o + 1/^= A /2 vd^

bei einer quadratischen Anordnung und zu:

l/z + l/z = 2 A /3 vd²

bei einer hexagonalen Anordnung. Zwischen diesen so definierten Ebenen entstehen Fresnelbilder, d.h. nicht reelle Scheinbilder des Gegenstandes. Die Lage dieser Ebenen erhält man, wenn man in obigen Formeln ν ersetzt durch: ν + N/n, wobei η und N ganze Zahlen ohne gemeinsamen Faktor sind.

nachiräcjiloh
geändert

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Diese Anordnungen erfordern jedoch zur Erzielung der Vielfachbilder eines einzigen Gegenstandes einen komplizierten Aufwand an Vorrichtungen und Techniken. Außerdem sind die bekannten Selbstabbildungsverfahren begrenzt, auch die Beleuchtung des Gegenstandes mit einer kohärenten Lichtquelle, damit in bestimmten Abständen vom Gegenstand die Bilder des periodischen Gegenstandes entstehen.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung gestatten demgegenüber eine erheblich vereinfachte Erzeugung von Vielfachbildern nach dem Selbstabbildungsverfahren. Der Gegenstand wird dabei mit räumlich inkohärenten, monochromatischen Licht beleuchtet.

Die Erfindung gestattet ferner die Erzeugung scharfer Selbstabbildungen eines einzigen Gegenstandes unter Verwendung von inkohärentem, monochromatischem Licht mittels einer periodischen Anordnung von Nadellöchern. Ferner ermöglicht die Erfindung eine Vervielfachung der Nadellochbilder, die von einzelnen Punkten eines mit inkohärentem Licht beleuchteten Gegenstandes erzeugt werden.

Gemäß der Erfindung beleuchtet eine inkohärente, monochromatische Lichtquelle einen Gegenstand so, daß einzelne Punkte des Gegenstandes Selbstabbildungen einer Nadellochanordnung in der Nähe des Gegenstandes bewirken können. Die Nadellochanordnung ist eine periodische Struktur aus im gleichen Abstand angeordneten Nadellöchern, die die Erzeugung scharfer Bilder an definierten Stellen der Anordnung geslattet.

Nach einem Merkmal der Erfindung enthält die periodische Struktur eine minimale Anzahl von Nadellöchern, die Bilder des Gegenstandes erzeugen, der aus mehr als einem Bild-erzeugenden

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Punkt besteht. Die in den Selbstabbildungen enthaltene Information enthält auch die relative Lage der bilderzeugenden Punkte. Da eine mindestens zweidimensionale Bildwiedergabe jeder Abbildung erwünscht ist, muß theoretisch die periodische Struktur mindestens drei Nadellöcher enthalten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden an bestimmten anderen, definierten Stellen Fresnelbilder erzeugt, also reelle Abbildungen des Gegenstandes, in größerer Anzahl als die Nadellöcher.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegen die Nadellöcher in einer Ebene, d.h. die periodische Struktur ist eben. Die Fourierbilder und Fresnelbilder entstehen in entsprechenden Ebenen, parallel zur Ebene mit der Nadellochanordnung, an den bestimmten, definierten Stellen im Abstand von dieser Nadellochanordnung.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Nadellochanordnung in einer Seite eines geschlossenen Gehäuses vorgesehen. Der Gegenstand ist außerhalb des Gehäuses der Nadellochanordnung optisch zugeordnet und wird von einer inkohärenten, monochromatischen Lichtquelle beleuchtet. Man erhält dann im Gehäuse Fourier- und Fresnelbilder. Eine Belichtungsebene im Gehäuse kann mit der offenen Seite des Gehäuses so zusammenwirken, daß auf ihr entweder Fourierbilder oder Fresnelbilder entstehen. Alternativ kann man den Gegenstand auch mit inkohärentem, polychromatischem Licht beleuchten, wenn man ein geeignetes Filter zusammen mit der Nadellochanordnung verwendet, so daß lediglich monochromatisches Licht durch die Nadellöcher in das Gehäuse eintreten kann.

Zur eingehenderen Erläuterung der Erfindung wird auf die Darstellung gemäß der Zeichnung verwiesen. Darin zeigt:

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Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Selbstabbildungssystems gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Strahlungsverteilung in verschiedenen Ebenen des Selbstabbildungssystems gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 Fourierbilder in verschiedenen Ebenen bei Verwendung einer hexagonalen Nadellochanordnung.

Fig. 1 zeigt ein Selbstabbildungssystem gemäß der Erfindung mit einem Gegenstand S in einer Quellenebene 1. Im Abstand ζ von der Quellenebene 1 befindet sich eine Gegenstandsebene 2. Die Gegenstandsebene 2 ist bei der bevorzugten Ausführungsform ein undurchsichtiges Blatt mit im gleichen Abstand angeordneten Nadellöchern. Gemäß der Erfindung kann an Stelle der Gegenstandsebene 2 irgendeine periodische Struktur mit Nadellöchern vorgesehen werden. Eine Beleuchtung der Quellenebene 1 mit räumlich inkohärentem, monochromatischem Licht erzeugt eine Anordnung von Bildern des Gegenstandes S.

Die Quellenebene 1 kann auf verschiedene Weise mit inkohärentem, monochromatischem Licht beleuchtet werden. Beispielsweise kann man das inkohärente, monochromatische Licht mit einem monochromatischen Laser zusammen mit einer rotierenden Mattglasscheibe erzeugen. Alternativ ist auch eine Quecksilberdampflampe als Lichtquelle verwendbar. Ebenso kann man das Objekt S auch mit normalem Tageslicht beleuchten, wobei das inkohärente, monochromatische Licht durch geeignete Filter erzeugt wird.

Das optische System nach Fig. 1 erzeugt zwei Arten von Bildern, die später noch erläutert werden. An den von den Formain definierten Stellen entstehen Fourier- und Fresnelbilder. Die Fourierbilder sind reelle Abbildungen des Gegenstandes S, in der gleichen Anzahl wie die Nadellöcher in der Gegenstands-

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ebene 2. Die Fresnelbilder sind ebenfalls reelle Abbildungen des Gegenstandes S, mit größerer Anzahl als die Nadellöcher in der Gegenstandsebene 2. Bei der bevorzugten Ausführungsform entstehen die Fourierbilder und Fresnelbilder in entsprechenden Ebenen parallel zur Gegenstandsebene 2. In Fig.l erhält man an der Stelle a Fourierbilder, während die übrigen Bilder Fresnelbilder sind.

Ein Gegenstand S mit einer Höhe D von etwa 0,00508 mm und .einer photographisch erzeugten, quadratischen Anordnung von 55 χ 55 Nadellöchern als Gegenstandsebene 2 mit einer Periode d = 0,006985 mm und einem mittleren Lochdurchmesser von 0,001016 mm wurden in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet. Mit den zur Erfindung angegebenen Formeln kann man die Lage der Fourierbilder und Fresnelbilder vorhersagen. In Fig. l liegt die Quellenebene 1 im Abstand ζ von der Gegenstandsebene 2. Die Bilder werden im Abstand ζ von der Gegenstandsebene 2 gemäß Tabelle 1 erzeugt. Die Einheitszelle in der Fresnelbildanordnung wurde um einen Faktor m gegenüber den Fourierbilderη reduziert. In den Fresnel-Abbildungsebenen einer quadratischen Anordnung hat man deshalb eine Vielzahl

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m des Originalmusters. Die EinheitsZellenvergrößerung ist

(z + zj / mz und die Bildvergrößerung ist(zt/z. Deshalb läßt 0 ο

sich eine Einheitzellen- oder Bildvergrößerung mit Fresnelbildern von m-£(d/D) (z + ζ ) /l^lohne sich überlappende Bilder realisieren.

nachträglich
geändert

7 -

U 0 9 8 1 6 / Ü 7 Ü 7

2 3 3 b b 1

Tabelle 1

2(a)	-1
2(b)	-1
2(c)	NLA
2(d)	O
2(e)	O
2(f)	O
2(g)	O
2(h)	O
3 (a)	NLA
3(b)	-1
3(c)	-2

Figur ν η N m ζ in mm

1 -136

2 11 -94 (ζ = 250 mm) O

6 13 60

4 12 102

3 13 161 8 3 4 196 2 11 355

(ζ =290 mm) 0

1 »-104

1 -152

NLA = Nadellochanordnung

Fig. 2 zeigt die tatsächliche Zuordnung der mit obiger Anordnung erzeugten Bilder unter Verwendung von Licht von 5145 A aus einem AR-Laser, mittels einer rotierenden Mattglasscheibe auf den Gegenstand F projeziert. Die Anzahl der Bilder mit starkem Kontrast beträgt im Fall d¹165 χ 165, im Fall e) 109 χ 109 und im Fall bj61 χ 61. In Fig. 2 sind lediglich einige aus der Vielzahl von Bildkombinationen gemäß der Erfindung durch ihre Lage identifiziert. Die Erfindung läßt sich ebenfalls mit verschiedenen Formen von Nadellochanordnungen realisieren. Beispielsweise erhält man mit einer hexagonalen Nadellochanordnung mit einer Periode d = 235 μ und einem Durchmesser von 35 μ anstelle der quadratischen Anordnung

Λ09816/070 7 ⁸ "

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die Bilder nach Fig. 3 an den entsprechenden Stellen.

Die Erfindung liefert somit ein leistungsfähiges optisches Hilfsmittel zur Erzeugung von Vielfachbildern. Eine einzelne Gegenstandsverteilung und eine generalisierte Nadellochanord-

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nung pxp kann m (pxp) Fresnelbilder des Gegenstandes liefern, wobei m auch größer als 5 sein kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß man sowohl in der Fourier- als auch in der Fresnelbildebene extrem scharfe Bilder erhält. Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform sind theoretisch mindestens 3 Löcher für die Nadellochanordnung erforderlich, da die Selbstabbildungen dann einen mindestens zweidimensionalen Informationsinhalt aufweisen. Bei dieser minimalen Konfiguration ist die Erzeugung reeller Bilder des ursprünglichen Gegenstandes zur praktischen Verwendung dieser Bilder gewährleistet.

Bei einer wichtigen Ausführungsform ist eine Nadellochanordnung in einer Seite eines geschlossenen Gehäuses vorgesehen. Der Gegenstand befindet sich außerhalb des Gehäuses und ist der Nadellochanordnung optisch zugeordnet. Der Gegenstand wird von einer inkohärenten, monochromatischen Lichtquelle beleuchtet, In dem Gehäuse entstehen dann Fourier- und Fresnelbilder. Die Belichtungsebene im Gehäuse kann so ausgeführt werden, daß sie mit der durchbrochenen Seite des Gehäuses so zusammenwirkt, daß entweder Fourierbilder oder Fresnelbilder auf ihr abgebildet werden. Dieser Anwendungsfall eignet sich für Röntgenstrahlenphotographie, wobei die Röntgenstrahlen selbst die Lichtquelle bilden. Unter Anwendung der Erfindung erhält man dann erheblich schärfere Bilder des Gegenstandes, da man bekanntlich in optischen Röntgenstrahlsystemen nicht mit Linsen arbeiten kann.

Eine weitere Ausführungsform, die Linsen in einem optischen

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_ Q —

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System überflüssig macht, ist eine Mehrzwecknadellochkamera. Die konventionelle Nadellochkamera mit einer einzigen Öffnung zur Bilderzeugung liefert lediglich ein einziges Bild von relativ schlechter Qualität. Man muß deshalb bei bekannten Systemen eine Linsenoptik in der Öffnung vorsehen, die die Fokussierung eines scharfen Bildes bewirkt. Gemäß der Erfindung erhält man scharf begrenzte Selbstabbildungen durch eine Anzahl von Nadellöchern als Bilderzeugungsöffnungen, ohne daß Linsen benötigt werden. Wenn der Gegenstand mit polychromatischen, inkohärentem Licht, d.h. mit neutralem Licht, beleuchtet wird, erreicht man mit einem Filter, das lediglich monochromatisches Licht durch die Nadellöcher in das Kameragehäuse gelangt.

Die Bilderzeugung gemäß der Erfindung läßt sich ebenfalls mit Vorteil zur Bildvervielfachung in den Fresnelabbildungsebenen einsetzen. Die Bildvervielfachung eignet sich beispielsweise für optische Berechnungen, für Vergleiche bei der Mustererkennung und zur Erzeugung integrierter Schaltungen, wobei eine einzelne Maske beleuchtet wird und anschließend Mehrfachbilder zur gleichzeitigen Ätzen einer Vielzahl von Schaltungskarten erzeugt werden.

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Claims

2 3 3 b b Ί b Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Vielfachbildern eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit inkohärentem, monochromatischem Licht so beleuchtet wird, daß einzelne Punkte des Gegenstandes zu Quellen von Sekundärstrahlung werden, wobei im Abstand vom Gegenstand eine Struktur mit einer periodischen Anordnung von Öffnungen vorgesehen ist, und daß die Struktur der Sekundärstrahlung so ausgesetzt wird, daß in vorgegebenen Abständen von dieser Struktur mehrere gleiche Bilder des Gegenstandes entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ebene Struktur vorgesehen ist und daß die Vielfachabbildungen in definierten Abbildungsebenen im vorgegebenen Abständen von der Struktur entstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit einer inkohärentem Lichtquelle beleuchtet wird und daß eine Strahlungsart zur Erzeugung der monochromatischen Sekundärstrahlung ausgefiltert wird.

4. Optisches System zur Ausführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung einer vom Gegenstand ausgehenden, inkohärenten und monochromatischen Strahlung und durch eine mit einer periodischen Anordnung von öffnungen versehenen Struktur, die auf die vom Gegenstand ausgehende Bestrahlung so anspricht, daß in vorgegebenen Abständen von der Struktur gleiche Bilder des Gegenstandes entstehen.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur eben ausgeführt ist und daß die Bilder in definierten

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Bildebenen und in vorgegebenen Abständen entstehen.

6. Systen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Abbildungsebenen Fourierbilder aufweisen und daß die übrigen Abbildungsebenen Fresnelbilder aufweisen.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Fresnelbilder reelle optische Bilder des Gegenstandes sind und daß in jeder Abbildungsebene die Anzahl der Bilder größer ist als die Anzahl der Öffnungen der Struktur.

8. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Öffnungen mindestens drei Nadellöcher umfaßt.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung eine inkohärente Lichtquelle ist, wobei mittels Gegenstand und Filtern eine monochromatische Beleuchtung erreicht wird.

10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Ar-Laser und eine rotierende Mattglasscheibe zusammen mit dem Gegenstand vorgesehen ist.

11. System nach den vorhergehenden Ansprüchen zur Erzeugung von photographischen Selbstabbildungen in einer Kamera, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit mindestens einer dem Gegenstand optisch zugeordneten Seite, die zur Erzeugung von Selbstabbildungen des Gegenstandes mit periodisch angeordneten Öffnungen versehen ist und durch Mittel zur Beleuchtung des Gegenstandes und der Seite des Gehäuses mit inkohärentem, monochromatischem Licht.

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