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Verfahren und Einrichtungen zur Aufnahme
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eines optischen Beugungsspektrums
Beschreibung: Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines optischen Beugungsspektrums
sowie Einrichtungen zur Durchführung des Ver -fahrens.
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Ein optisches Beugungsspektrum (Fraunhofer-Beugungsbild, Fourier-Spektrum,
Power-Spektrum oder Wiener-Spektrum) entsteht in der Brennebene einer Linse bei
Beleuchtung mit parallelem Laserlicht.
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Dieses Beugungsspektrum kann z. B. zur automatischen Zeichenerkennung,
zur automatischen Fehlererkennung bei Massenartikeln oder zur Größenselektion oder
Größenbestimmung von Teilchen angewendet werden.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 bis
8 aufgeführten Merkmale gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur Beleuchtung des Objekts 4 dient ein mit Hilfe eines Teleskops
aufgeweiteter paralleler Strahl eines Helium-Neon-Lasers 1.
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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.
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Hier läßt sich ein Filter einbringen, das dann in allen Umläufen wirkt.
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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.
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Diese piezoeletrische Verschiebung ist schematisch dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.