DE2413690A1

DE2413690A1 - Optischer diffraktometer

Info

Publication number: DE2413690A1
Application number: DE2413690A
Authority: DE
Inventors: John Jungles; Eric Gordon Nightingale; David John Whitehouse
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Organization Ltd
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1974-03-21
Publication date: 1974-10-17
Also published as: FR2222650A1; US3927253A; ZA741869B; FR2222650B3; GB1411655A; JPS5027554A

Description

9323-74

Brit. Ami. No. 13831 /73

vom 22. März 1973

The Rank Organisation Limited Millbank Tower, Millbank London S.W.1, England

Optischer Diffraktometer

Die Erfindung betrifft einen optischen Diffraktometer mit einem Laser als Lichtquelle, einer Bild-Umsetzungseinheit und einer Bild-Rekonstruktionseinheit.

Bekannte optische Diffraktometer weisen im wesentlichen drei Einheiten auf, nämlich eine Lichtquelle, die normalerweise ein Laser ist, der einen kohärenten Lichtstrahl erzeugt, beispielsweise ein Helium-Neon-Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 6328 Angström erzeugt, eine Umsetzungseinheit, in der eine transparente Bildplatte oder ein anderes Objekt angeordnet ist . und eine Rekonstruktionseinheit, die das erforderliche Bild von dem Objekt rekonstruiert. Die in solchen Dxffraktometersystemen verwendete Lichtquelle wird normalerweise in der TEMqq Schwingungsform betrieben. Das von dem Laser abgegebenenLicht wird von einer Eondensorlinse oder einem Linsensystem auf eine punktförmi-■ge Öffnung konzentriert. Dadurch werden Streulicht und unerwünschte Schwingungsf©ringen . des Lasers ausgeblendet. Die punktförmige Öffnung oder Blende liegt in der vorderen Brennebene einer Linse oder eines Linsensystems, das einen Strahl aufweitet ■ und als Kollimator wirkt. Das Objekt, beispielsweise eine transparente Bildplatte, liegt in einer solchen Position, daß der parallele Strahl auf ausgewählte Flächen des Objektes fällt. Das auf das Objekt auftreffende Licht wird dadurch gebeugt,und das gebeugte Licht wird von einer Umsetzungs-Linse oder -Linseneinheit aufgenommen und bei der Umsetzungsebene fokussiert. Die optische Information, die an dieser Umsetzungsebene zur Verfügung steht, stellt das Fourier-Spektrum der räumlichen Schwankungen

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der optischen Durchlässigkeit über dem Objekt dar. Bestimmte Teile des Spektrums können dadurch modifiziert werden, daß ein Teil des Lichtes in der Umsetzungsebene selektiv übertragen wird. In dieser Weise können periodische oder unregelmäßige Merkmale in dem Objekt ausgeleuchtet oder gegebenenfalls verbessert werden.

Das durch die umsetzungsebene hindurchtretende Licht wird von einer Bildlinse oder -Linseneinheit an einer Bildebene fokussiert, an der das Bild rekonstruiert wird.

Bei solchen optischen Diffraktometersystemen ist es schwierig, die Bedingungen zu optimieren, um sowohl das umgesetzte Bild, d.h. das Bild, welches von dem an der Umsetzungsebene fokussierten Licht erzeugt wird, und das rekonstruierte Bild des Objektes, d.h., das bei der Bildebene fokussierte Licht, ohne Veränderungen an dem Gerät zu betrachten. Es ist auch schwierig, die Position und relative Intensität von Bildern in Bereichen visuell abzuschätzen, wo nur kleine Änderungen zwischen nebeneinanderliegenden, hellen Punkten vorhanden sind. Diese -Probleme ergeben sich aus mehreren Gründen. Die Beschränkung des Strahles auf die TEM^Q-Schwingungsform durch die punktförmige öffnung wird vorgenommen, um sicherzustellen, daß der resultierende Strahl nahezu eine gleichförmige Intensität über seiner gesamten Breite hat, weil die normale Verteilung über einem Strahl in der TEM₀₀-Schwingungsform eine Gauß-Verteilung ist. Die gleichförmige Ausleuchtung ist jedoch erwünscht. Diese Einschränkung bei der einfachen Betriebsweise des Lasers hat jedoch den tiachteil, daß die Kohärenzlänge der Lichtquelle groß wird. Dies bedeutet, daß die Erzeugung von Interferenzrändern zwischen verschiedenen optischen Elementen in dem System wahrscheinlich wird. Solche Bänder beeinträchtigen die Qualität der Bilder, insbesondere, wenn raumsparende Systeme mit nahe beieinanderliegenden Elementen und Strahlumlenkung verwendet werden.

Wegen der guten Kohärenz des Lichtes -in der einen Arbeitsweise, die an dem Laser gewählt ist, besteht ferner die Gefahr, daß Staubteilchen zwischen der punktförmigen öffnung und der Bildebene Interferenzen in der Bildebene erzeugen. Ferner kann das Bild durch ein Phänomen verschlechtert werden, das mit der räumlichen Kohärenz

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und der Beobachtungsöffnung zusammenhängt (Spckle). Bisher wurde versucht, diese nachteiligen Effekte auf das Bild dadurch zu reduzieren, daß die Linsen des Systems gedreht werden, oder daß ein optischer Diffusor in das System eingesetzt wird, wobei man sich auf den späteren Integrationseffekt des Auges oder der Kamera verläßt, wodurch das spezielle Detail "ausgebügelt" wird. Die Erfindung bezweckt, ein optisches System anzugeben, bei dem die genannten Nachteile reduziert werden.

Der erfindungsgemäße optische Diffraktometer ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß der Laser eine Einrichtung mit mehreren Schwingungsformen ist und daß die Bild-Umsetzungseinheit eine Kondensorlinse und eine einstellbare Blende in der hinteren Brenn- · ebene der Koridensorlinse hat, wobei Einstellungen der Größe der Blende die Einstellungen der Bild-Umsetzungsqualität beeinflußen. Der erfindungsgemäße Diffraktometer ist daher einstellbar, um die Auflösung von Bildern zu·' ändern, die an verschiedenen Ebenen in dem Diffraktometersystem liegen, um die Qualität der Interpretation dieser Bilder zu ändern.

In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff "vordere Brennebene" einer Linse die Brennebene, die am nächsten bei der Lichtquelle des Systems liegt, in dem die Linse angeordnet ist. Der Begriff "hintere Brennebene" wird entsprechend dazu verwendet, die Brennebene zu bezeichnen, die am weitesten von der Lichtquelle wegliegt.

Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Einstellung vorgenommen werden, um sowohl, für das umgesetzte Bild (Fourier-Spektrum) als auch für das Bild optimale Ergebnisse in dem System zu erreichen.

Die Bild-Umsetzungseinheit weist vorzugsweise eine Kollimatorlinse oder -Linseneinheit mit einer weiteren, einstellbaren Blende auf, die an deren Eintrittspupille liegt. Einstellungen an der Blende an der Eintrittspupille der Kollimatorlirise ermöglichen ein gewisses Maß an Kontrolle über die Intensitätsverteilung über dem Strahl. Dadurch kann eine gleichförmigere Ausleuchtung des Objektes an verschiedenen Punkten des Objektes erreicht werden, während das

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Licht über die verschiedenen, interessierenden Bereiche bewegt wird. Ferner wird sichergestellt, daß das transformierte Bild weniger von der künstlichen Hervorhebung abhängt, die verschiedenen Bereichen des Transparentbildes durch eine schlechte Ausleuchtung gegeben wird. Eine Verringerung der Größe der punktförmigen öffnung an der Brennebene der Kondensorlinse zusammen mit einer Verkleinerung der Blende an der Eintrittspupille der Kollimatorlinse hat daher die Wirkung, daß die Qualität des transformierten Bildes auf Kosten eines gewissen Helligkeitsverlustes verbessert wird. Andererseits wird durch eine Vergrößerung jeder der Blenden die Bildqualität verbessert. Durch Einstellung der beiden einstellbaren Blenden in dem System ist es daher möglich, die Bedingungen für die Beobachtung der Umsetzungsebene und der Bildebene zu optimieren. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung kann mit einem gegebenen Diffraktometer ein besserer Kompromiß als bisher erzielt werden.

Die Interpretation und Messung von Einzelheiten sowohl in dem umgesetzten Bild als auch in dem Endbild können in einer Einrichtung ebenfalls besser vorgen'ommen werden, die nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ausgestaltet ist, und die einen optischen Diffraktometer der obengenannten Art aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Fernsehkamera so angeordnet ist, daß sie das Licht von der Bild-Rekonstruktionseinheit aufnimmt , daß eine Einrichtung zum Modulieren der Zeilenabtastung der Kamera durch ein Y-Signal proportional zu dem Strahlstrom der Fernsehkameraröhre und mit einem Betrag der Verschiebung proportional zu der Zeilenposition und eine Einrichtung vorgesehen ist, um das Signal von der Kamera anzuzeigen.

Solch eine Fernsehkameraanordnung kann ein Bild, das die transformierte Form des Bildes (umgesetztes Bild) darstellt, je nach der Brennebene der Kamera in einer pseudo-dreidimensionalen Form erzeugen. Bei Verwendung solch einer Anordnung kann die Bestimmung der relativen Intensitäten und der räumlichen Position von Informationen ohne Mikro-Densitometer durchgeführt werden, die bei früheren DiffraktoHeririi^rro'r'äerlich waren. Optimale Ergebnisse können sowohl bei dem transformierten Bild als auch bei dem Endbild durch geeignete Einstellung der Anordnung erzielt werden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung dieses Ausführungsbeispieles ist.

Gemäß der Zeichnung weist ein optischer Diffraktometer eine Laser-Lichtquelle 11 auf, die einen in mehreren Schwingungsformen arbeitenden Laser aufweist, der Licht sowohl in der TEMQQ-Schwingungsform als auch in anderen Schwingungsformen erzeugt. Das Laserlicht wird durch eine Kondensorlinse 12 geschickt, die das Licht auf eine einstellbare punktförmige Blende 13 fokussiert, die in der hinteren Brennebene der Linse 12 liegt. Das Licht wird dann durch eine Kollimatorlinse 14 geschickt, die eine variable Blende 15 an ihrer Eintrittspupille hat. Die Kollimatorlinse 14 weitet den Strahl auf, um einen breiten, parallelen Strahl zu erzeugen, der auf ein Objekt 16, beispielsweise ein Transparentbild gerichtet wird, das das Licht in der bekannten Weise beugt.

Das gebeugte Licht von dem Objekt 16 wird von einer Umsetzungslinse 17 gesammelt und bei einer Umsetzungsebene 18 fokussiert. Die an der Umsetzungsebene zur Verfügung stehende Information ist von Be-deutung da sie das Fourier-Spektrum der räumlichen Änderungen der Transmission über dem Objekt darstellt. Da das Objekt, häufig größer als der Durchmesser des Lichtstrahles von der Kollimatorlinse 14 ist, muß die Position des Objektes 16 in der Objektebene zwischen den Linsen 14 und 17 seitlich auf einzelne interessierende Bereiche eingestellt werden,und die aus einer Beobachtung der Umsetzungsebene erhaltene Information wird zu Vergleichszwecken aufgezeichnet.

Von der Umsetzungsebene tritt Licht durch eine Abbildungslinse 19 hindurch, die das Licht in einer Bildebene 20 fokussiert, um ein rekonstruiertes Bild des Objektes zu er-zeugen. Eine Fernsehkamera 21 ist so angeordnet, daß sie das von dem Diffraktometer kommende Licht beobachtet. Sie kann entweder auf die Bildebene 20 oder auf die Umsetzungsebene 18 dadurch fokussiert werden, daß eine Linse 25 zwischen der Bildlinse 19 und der Bildebene 20 eingesetzt oder abgenommen wird. Die Fernsehkamera 21 weist eine Modulationseinrichtung 22 auf, die die Zeilenabtastung der Fernsehkamera 21 mit einem Y-Signal proportional zu dem Strahlstrom in der Fernsehkameraröhre zusammen mit einem Betrag an Verschiebung proportional

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zu der Zeilenposition moduliert. Das Signal von der Fernsehkamera 21 wird über eine Leitung 23 an einen Monitor-Bildschirm 24 weitergeben. Durch diese Modulation der Kamerazeilenabtastung ist es möglich je nach dem Fokus der Kamera 21 ein Bild, welches das transformierte Bild oder das Endbild in dem Diffraktometer darstellt, in einer pseudo-dreidimensionalen Form zu erzeugen.

Die Einstellungen der beiden variablen Blendenöffnungen, d.h. der punktformxgen Blende 13 und der Blende 15 an der Eintrittspupille können andere Schwingungsformen als die TEMQQ-Schwingungsform von dem Laser in das optische System eingelassen werden. Dies wird erreicht, weil die anderen Schwingungsformen als die rein axiale Schwingsformpder Brennebene der Kond-ensorlinse geometrisch im Raum getrennt sind, und weil geeignete Einstellungen an der Größe und der Position der punktformxgen Blende ein gewisses Maß an Unterscheidung gestatten. Dadurch modifiziert die Einstellung oder der Austausch der punktformxgen Blende im Effekt die .punktförmige Lichtquelle entsprechend der TEM' -Schwingungsform in eine ausgedehnte Lichtwquelle, statt in eine solche Lichtquelle, die durch eine einfache Diffraktion und einen Betrieb in einer einzigen Schwingungsform erzeugt würde. Die effektive Größe der ausgedehnten Lichtquelle wifet dahingehend, Staubränder und Speckle-Effekte auszugleichen.

Einstellungen an der Größe der Blende 15 an der Eintrittspupille der Kollimatorlinse 14 ermöglichen eine gewisse Kontrolle über die Intensitätsverteilung über dem Strahl, ohne daß die räumliche Kohärenz der Quelle wesentlich geändert wird. Die Einstellungen an der Blende 15 der Eintrittspupille und an der Punkt-Blende 13 ermöglichen eine Kontrolle des Lichtstrahles in der Weise, daß eine gleichförmige Intensitätsverteilung über seiner Breite angenähert wird, so daß das Objekt und daher das rekonstruierte Bild gleichförmiger ausgeleuchtet sind. Dadurch wird die Bildauflösung, d.h. die Bildqualität verbessert. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß, wie oben erwähnt wurde, das transformierte Bild weniger von künstlichen Hervorhebungen abhängt, die verschiedenen Bereichen des Transparentbildes durch eine schlechte Ausleuchtung gegeben werden, so daß die Qualität des transformierten Bildes, d.h. die Auflösung des Bildes an der Umsetzungsebene, verbessert wird. Die

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Verwendung einer Fernsehkamera statt des Auges oder einer bekannten, fotografischen Aufzeichnungstechnik ermöglicht eine pseudo-dreidimensionale Anzeige, die die Bestimmung der relativen Intensität und der räumlichen Position der Information erleichtert, ohne daß ein Mikro-Densitometer erforderlich wäre.

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Claims

Patentansprüche

Optischer Diffraktometer mit einem Laser als Lichtquelle, einer Bild-Umsetzungseinheit und einer Bild-Rekonstruktionseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (11) eine Einrichtung mit mehreren Schwingungsformen ist, und daß die Bild-Umsetzungseinheit (12, 13* 14-, 15, 16) eineKondensorlinse (12) und eine einstellbare ^Blende 13 in der hinteren Brennebene der Kondensorlinse (12) aufweist, wobei Einstellungen an der Größe der Blende (13) Einstellungen in der Bild-Umsetzungsqualität beeinflussen.
2. Diffraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bild-Umsetzungseinheit (12, 13, 14·, 15, 16) eine Kollimator-Linse (ΐ4-)/*§ι:ηβ weitere, einstellbare^ABlende (15) aufweist, die an der Eintrittspupille der -Kollimatorlinse (14·) liegt.
3. Diffraktometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fernsehkamera (21) zur Aufnahme des Lichtes von der Bild-Rekonstruktionseinheit (17, 18, 19, 20) angeordnet ist, und daß eine Einrichtung (22) zum Modulieren der Zeilenabtastung der Kamera (21) mit einem Y-Signal proportional zu dem Strahlstrom der Fernsehkamera und zur Durchführung einer X-VerSchiebung in Abhängigkeit von der Zeilenposition vorgesehen ist, wodurch ein pseudo-dreidimensionales Bild des Objektes (16) erzeugt wird, wenn das Ausgangssignal der Fernsehkamera sichtbar angezeigt wird.

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