DE2842696A1 - Verfahren und einrichtungen zur aufnahme eines optischen beugungsspektrums - Google Patents

Verfahren und einrichtungen zur aufnahme eines optischen beugungsspektrums

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DE2842696A1
DE2842696A1 DE19782842696 DE2842696A DE2842696A1 DE 2842696 A1 DE2842696 A1 DE 2842696A1 DE 19782842696 DE19782842696 DE 19782842696 DE 2842696 A DE2842696 A DE 2842696A DE 2842696 A1 DE2842696 A1 DE 2842696A1
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mirror
optical
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detector
spectrum
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DE19782842696
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Erich Haendler
Ulrich Roeder
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STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
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STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
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    • GPHYSICS
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Description

  • Verfahren und Einrichtungen zur Aufnahme
  • eines optischen Beugungsspektrums Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines optischen Beugungsspektrums sowie Einrichtungen zur Durchführung des Ver -fahrens.
  • Ein optisches Beugungsspektrum (Fraunhofer-Beugungsbild, Fourier-Spektrum, Power-Spektrum oder Wiener-Spektrum) entsteht in der Brennebene einer Linse bei Beleuchtung mit parallelem Laserlicht.
  • Dieses Beugungsspektrum kann z. B. zur automatischen Zeichenerkennung, zur automatischen Fehlererkennung bei Massenartikeln oder zur Größenselektion oder Größenbestimmung von Teilchen angewendet werden.
  • Es ist ein System bekannt (The Publishing Co., Cleveland, Ohio 44114, February 22, 1973), welches kommerziell von Recognition Systems, Inc. mit einem Polarkoordinaten-Photodetektor zur Aufnahme der optischen Beugungsspektren ausgerüstet ist. Der Polarkoordinaten-Photodetektor nimmt die Informationen aus dem Spektrum nur in diskreten, durch seine Form festgelegten Stufen auf, er besteht hierzu aus vielen einzelnen Detektoren. Außerdem muß in der Praxis bei den meist vorkommenden lichtschwachen Spektren hinter jedem Sektor-Detektor ein Verstärker geschaltet werden.
  • Die der Erfindung gestellte Aufgabe liegt nunmehr darin, ein Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zu bieten, das möglichst mit einem einzigen Detektor zur kontinuierlichen und schnellen Aufnahme des Beugungsspektrums eines Objektes auskommt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 bis 8 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Beim neuen erfindungsgemäßen Verfahren wird durch ein Interferenzeffekt (optische Rückkopplung) das Beugungsspektrum bis auf einen ringförmigen Ausschnitt unterdrückt. Durch eine piezoelektrische, sehr kleine Verschiebung eines Spiegels im optischen Aufbau wird es dann möglich, das gesamte Raumfrequenzspektrum kontinuierlich und schnell abzuscannen und dessen, über den AzimutwinreR hinter grierte, Intensität als Funktion der Ortsfrequenz (Ringradius) mit einem einzigen einfachen Photomultiplier als Detektor zu erhalten.
  • Bei der Erfindung wird das Objekt mit einer sogenannten 4f-Anordnung verarbeitet. Das Beugungsbild (Fourier-Spektrum) erscheint in der Mitte zwischen den beiden Linsen der 4f-Anordnung.Es wird hierbei von einem Raumfrequenzspektrum des Objektes gesprochen, welches auf einfache Weise (über Wellenlänge des Lichts und Brennweite der Linse) mit der Fourier-Transformierten verknüpft ist.
  • Stellt man die 4f-Anordnung zwischen 2 Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen und geringer Transmission (1-2%), so wird der größte Teil des Bildsignals nach der ersten Abbildung (Vorwärtsschleife) auf den vorderen Spiegel zurückabgebildet (Rückkoppelschleife) und von diesem Spiegel wiederum in die Vorwärts schleife eingekoppelt. Ist der optische Abstand 4f des Systems gleich einem Vielfachen der verwendeten Wellenlänge, so werden sich sämtliche Bilder am Ausgang verstärkt überlagern und es wird maximale llelligkeit erhalten. Vorausgesetzt ist hier immer, daß sich die Bilder kohärent überlagern. Ist der Abstand so gewählt, daß die überlagerten Bilder jeweils um /2 phasenverschoben sind,- so erfolgt im wesentlichen Auslöschung.
  • Mit Hilfe einer piezoelektrischen Verschiebung, die einen der beiden Spiegel bewegt, können die oben aufgeführten Zustände leicht realisiert werden. Das System behandelt alle Raumfrequenzen in gleicher Weise; alle haben den gleichen optischen Weg zurückzulegen.
  • Wird nun in der Fourier-Ebene eine Phasenstruktur bestimmter Gestalt (Axikon mit etwa s/2 Phasenhub) eingebracht, so werden die optischen Wege für die jeweiligen Rauffifrequenzen des Objektes verschieden. Das wirkt sich so aus, daß jetzt nur eine Raumfrequenz verstärkt am Ausgang auftaucht, alle anderen werden unterdrückt. Die Unterdrückung ist umso besser, je geringer die Verluste im Rückkoppelsystem sind. Von diesen Verlusten hängt auch die endliche räumliche Frequenzbreite der durch das System hindurchgelassenen Raumfrequenz zusammen. Durch Verschieben eines Spiegels um Xmit mit Hilfe der piezoelektrischen Translation läßt sich das gesamte Frequenzspektrum abscannen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Eine einfache Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 dargestellt. Sie zeigt die Beleuchtung eines Objektes mit parallelem Laserlicht, welches von dem Laserlichterzeuger 1 über ein Linsensystem 3 auf das Objekt 4 ausgerichtet ist. Das Objekt wird mit den beiden Linsen 5 und 6 (Brennweite 1) auf die Spiegelebene 7 abgebildet. Das optische Rückkopplungssystem besteht aus dem Spiegel 7 und dem Spiegel 11 sowie den beiden Linsen 8 und 10, welche die oben aufgeführte 4f-Anordnung mit der Brennweite f2 bilden. Der Spiegel 11 ist in der optischen Achse 24 des Systems verschiebbar. Die Linse 12 zwischen dem Spiegel 11 und dem Detektor 13 dient lediglich dazu, die durchgelassene Raumfrequenz auf den Photomultiplier bzw. den Detektor abzubilden.
  • Die beiden Spiegel 7 und 11 besitzen ein hohes Reflexionsvermögen von ca. 98t und eine Transmission von ca. 2 t. Zwischen den beiden Linsen 8 und 10 des Rückkopplungssystems ist ein rotationssymmetrisches Axikon 9 angeordnet welches einen Phasenunterschied von >82 zwischen seinem Rand und seiner Mitte aufweist. Zwischen dem Strahlaufweitersystem 3 und dem Laserstrahler n ist ein Polarisator und Faraday-Dreher 2 angeordnet, die als Lichtfalle für die zurückkommenden Reflexe von allen reflektierenden Flächen dienen. Durch einfaches translatorisches Verschieben des Spiegels 11 kann das Beugungsbild des Objektes 4 zonenweise auf den Detektor 13 abgebildet werden. Die Verschiebung des Spiegels 11 kann auf piezoelektrischer Basis erfolgen.
  • In Fig 2 ist eine weitere Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Herzstück dieser Einrichtung ist die mit Hilfe des Strahlteilers 19 und drei Spiegeln 14, 15 und 16 gefaltete 4f-Anordnung mit den Linsen 17 und 18, die sowohl die Funktion der Vorwärts- wie auch der Rückkoppelschleife übernimmt.
  • Zur Beleuchtung des Objekts 4 dient ein mit Hilfe eines Teleskops aufgeweiteter paralleler Strahl eines Helium-Neon-Lasers 1.
  • Das Prisma 27 in der vorderen Brennebene der Linse 17 bewirkt eine schräge Einstrahlung in den Rückkoppelkreis. Dadurch spaltet der Strahlengang im Kreis in zwei Strahlengänge 20, 21 auf, von denen der eine gepunktet (Vorwärtsschleife) der andere schraffiert (Rückkoppelschleife) markiert ist. Nach der Reflexion am Strahlteiler 19 gehen diese Strahlengänge 20 und 21 wechselseitig ineinander über, d.h. bei allen ungeradzahligen Umläufen wird der gepunktete Strahlengang 20 durchlaufen; bei geradzahligen entsprechend der schraffierte 21. Die Eingangslinse 26 und das Linsensystem 17 erzeugen in der Ebene 28 eine Zwischenabbildung des Objektes 4. Das Linsensystem 18 zwischen den beiden Spiegeln 15 und 16 erzeugt dann in der Ebene 30 des Axikon 9 die Fourier-Transformierte der Ebene 28. In der Ebene 30 fallen die Spektren, erzeugt von gerad- und ungeradzahligen Umläufen, übereinander.
  • Hier läßt sich ein Filter einbringen, das dann in allen Umläufen wirkt.
  • Der Strahlteiler 19 dient sowohl als ein- als auch als auskoppelndes Element. Ausgekoppelt wird zwar prinzipiell nach jedem Umlauf, jedoch läßt die Blende 31 nur die ungeradzahligen Umläufe 20 passieren. Die geradzahligen 21 müssen weggeblendet werden, da ihnen der beim Einkoppeln entstehende direkte Reflex 32 am Strahlteiler 19 störend überlagert ist. Die Registrierung der Intensitätsverteilung der Ausgangsebene 23 erfolgt mit Photomultiplier1 Eine überragende Bedeutung in dem optischen Aufbau hat der Spiegel 15, der auf einer pieezoeletrischen Verschiebung montiert ist.
  • Diese piezoeletrische Verschiebung ist schematisch dargestellt.
  • Damit läßt sich aber um kleinste Beträge (Bruchteile von Wellenlängen bis einige wenige Wellenlängen) der Spiegel 15 in Richtung des Einfallotes 33 verschieben. Dadurch wird die Länge der Schleifen (optischer Weg bzw. optischer Strahlengang) definiert minimal verändert. Damit ist die Phase, mit der die Welle nach den Umläufen rückgekoppelt wird von außen durch Variation einer Spannung vorwählbar.
  • Die erforderliche kohärente Uberlagerung der Strahlen im Rückkoppelkreis ist dadurch gewährleistet, daß der optische Weg der Schleife Strahlteiler 19 - Spiegel 14 - Spiegel 15 - Spiegel 16 -Strahlteiler 19 doppelt so lang ist wie die Resonatorlänge des zur Beleuchtung verwendeten Multimodenlasers 1.
  • Alle Spiegel 14 bis 16 im Kreis sind hochreflektierende dielektische Schichten (Reflexionskoeffizient R größer 0,99) auf Duran-Substraten mit einer Ebenheit von B/10 . Der Strahlteiler 19 ist eine Planparallelplatte (#/10) aus Homosil mit dielektrischen Schichten und hat einen Reflexionskoeffizienten R von ungfähr 0,97 und einen Trasrnissionskoeffizienten T von ungefähr 0,03.
  • Die Linsensysteme 17 und 18 sind doppeltschichtentspiegelte Fraunhofer-Achromate mit Brennweiten von f= 900 mm, so daß das 4f-System die Gesamtlänge von 3,60 m hat. (Doppelte Resonatorlänge des verwendeten lielium-Neon-Lasers 125 von Spectra Physics) Das Axikon 9 in der Ebene 30 ist ein rotationssymmetrisches Axikon mit einem Phasenunterschied von k/2 zwischen Rand und seiner Mitte. l)as Prisma 27 besitzt auf #/10 ebene Flächen mit einem Kei 1 winkel von 20.
  • Ziir Feinübereinanderjustierung der Zwischenbilder der Umläufe wi rd mit der einillst-ierullgselement 29 in der Ebene 28 durchgeführt. Es handelt sic]i um eine entspiegelte Planparallelplatte.
  • I)ie Justierplatte 29 kann hierzu um eine horizontale und vertikale Achse gekippt werden. Ein solcher Kippvorgang bewirkt eine Versetzung des Zwischenbildes in der Ebene 28. Die Justierplatte 29 darf allerdings nur in einem der beiden Strahlengänge 20 bzw. 21 stellen.
  • Die Einrichtung gemäß der Figur 2 ist unempfindlicher gegenüber unvermeidlicllen Spiegelbewegungen innerhalb des Systems. Die exakte Überlagerung der einzelnen Umläufe - eine wichtige Voraussetzung zur Erzielung eines Rückkoppeleffektes - bleibt gewährleistet, da die Strahlen für Vorwärts- und Rückkoppelschleife die optischen Komponenten in gleicher Richtung passieren.

Claims (8)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Aufnahme eines optischen Beugungsspektrums, welches von einem Objekt erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsspektrum optisch rückgekoppelt wird, daß eine zDnenweise Abbildung durch Vielstrahlinterferenzen erzeugt wird, und daß der Radius der Zone durch Veränderung der Länge des optischen Weges zwischen Objekt (4) und einem Detektorsystem (13) gewählt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Länge des optischen Weges mittels einer piezoelektrischen Verschiebung eines im optischen Weg angeordneten Spiegels (11 bzw. 15) erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Weg des rückgekoppelten Anteils ein ganzzahliges Vielfaches der Resonatorlänge des beleuchteten Lasers (1) beträgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Raumfrequenzspektrum abgescanned und dessen über den Azimutwinkel integrierte Intensität als Funktion der Ortsfrequenz mit einem einzigen Detektor (13) aufgencmmen wird.
  5. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Bestrahlung des.Objektes (4) mit Laserlicht (1), durch eine 4f-Anordnung mit zwei Linsen (5 und 6) zur Abbildung des Objektes (4) auf eine Spiegelebene (7), durch ein optisches Rückkopplungssystem mit der Spiegelebene (7), zwei weiteren Linsen (8 und 10), einem rotationssymmetrischen Axikon (9) mit dem Phasenunterschied /2 zwischen seinem Rand und seiner Mitte sowie einem weiteren Spiegel (11), der längs der optischen Achse (24) verschiebbar jstr und durch eine Linse (12) zwischen dem Spiegel (11) und einem Detektor (13) zur Abbildung der durchgelassenen Raumfrequenz auf den Detektor (13).
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt (4) und dem Laserlichterzeuger (1) ein Polarisator und Faraday-Dreher (2) als Lichtfalle für den vom Spiegel (7) zurückkommenden Reflex angeordnet ist.
  7. 7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch Bestrahlung eines Objektes (4) mit Laserlicht (1), durch eine mittels drei Spiegeln (14 - 16) gefaltete 4f-Anordnung mit Mnsensystemen (17 u. 18) und Strahlteiler (19) zur Erzeugung sowohl der Vorwärts- als auch der Rückkopplungsschleife, durch ein Prisma (27) vor der 4f-Anordnung zur Erzeugung zweier räumlich getrennter Strahlen (20 u. 21), durch einen in der Ausgangsebene (23) hinter dem Strahlteiler (19) anzuordnenden Detektor (13), durch ein Axikon (9) mit dem Phasenunterschied s/2 zwischen seinem Rand und seiner Mitte im Strahlengang (30), und durch eine Verschiebbarkeit des Spiegels (15) im optischen Strahlengang.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischenbildebene (28) in einem der beiden Strahlengänge (20 oder 21) eine Justierplatte (29) angebracht ist, die eine einfache Übereinanderjustierung der rückgekoppelten Bilder des Objektes (4) erlaubt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1991011745A1 (en) * 1990-02-02 1991-08-08 De Montfort University Optical elements
CN111965837A (zh) * 2020-07-30 2020-11-20 北京应用物理与计算数学研究所 用于光线衍射传输问题的求解方法及系统

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