DE3789363T2

DE3789363T2 - Gerät zur optischen Analyse eines Gegenstandes unter Verwendung der Vierwellen-Mischungstechnik.

Info

Publication number: DE3789363T2
Application number: DE3789363T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Yutaka Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1986-12-11
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2007-12-11
Also published as: EP0271339A2; DE3789363D1; EP0271339B1; EP0271339A3; US4796992A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Analysieren von Wellenfronten von Licht und zum Bilden zweidimensionaler Bilder an einigen Positionen, die in der Tiefenrichtung eines dreidimensionalen Gegenstandes genommen sind, das heißt gleichbeabstandete Bilder auf Realzeit-Basis, wobei phasenkonjugierte Wellen verwendet werden.
In Applied Optics, Vol. 22, Nr. 2, S. 215-232, veröffentlicht am 15. Februar 1983, berichtete Nils Abramson, daß Lichtwellenfronten aufgezeichnet und auf einem Hologramm wiedererzeugt worden sind, wobei kohärente Laserstrahlimpulse ziemlich kurzer Impulsdauer verwendet wurden.
Fig. 1(A) ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Aufzeichnen von Lichtwellenfronten mittels Holographie. Einiges des von einem Laser L ausgesandten Lichtes geht durch ein Raumfilter A zu einem beobachteten Punkt C auf einem Gegenstand O hindurch und wird von ihm zu einem Punkt B auf einer Hologrammplatte H reflektiert, um Gegenstandswellen zu bilden. Ein anderer Teil des Lichtes geht durch das Raumfilter A, die Spiegel E und D zu dem Punkt B, um Bezugswellen zu bilden. Die Gegenstandswellen und die Bezugswellen interferieren miteinander. Als ein Ergebnis werden Interferenzstreifen auf einer Aufzeichnungsoberfläche, das heißt der Hologrammplatte H gebildet, und dann wird sie entwickelt, um das Hologramm fertig zu machen. Wenn der von dem Laser L erzeugte Laserstrahl eine kurze Kohärenzwelle aufweist oder die Form kurze Impulse annimmt, und ein interessierender Gegenstand O eine weiß angemalte Tür mit einem Reflexionsmaterial (M), wie ein Spiegel daraif, ist, wie es in Fig. 1(B) gezeigt ist, ist es möglich, die Lichtwellenfronten selbst aufzuzeichnen und wieder zu erzeugen.
Insbesondere interferieren, wenn die vorgenannte Lichtquelle verwendet wird, nur jene Lichtstrahlen, die durch die Punkte A, E, D, B und durch die Punkte A, C bzw. B hindurchgegangen sind und deren Unterschied ihrer optischen Weglänge innerhalb der Kohärenzlänge oder der Impulsdauer liegt, miteinander auf der Oberfläche H. Jene Lichtstrahlen, die sich in ihrer optischen Weglänge um mehr als die Kohärenzlänge oder die Impulsdauer unterscheiden bilden keine Interferenzstreifen.
Genauer gesagt bilden Objektwellen, die bei e&sub0; auf dem Gegenstand O eintreffen, Interferenzstreifen nur an dem Punkt h&sub0; auf der Oberfläche H. Ähnlich erzeugen Gegenstandswellen, die bei e&sub1; und e&sub2; eintreffen, Interferenzstreifen nur bei h&sub1; bzw. h&sub2;. Das auf diese Weise erzeugte Hologramm wird entwikkelt und nur mit den Bezugswellen beleuchtet, die dann durch die Interferenzstreifen gebeugt werden, die in jedem Teil auf dem Hologramm H aufgezeichnet sind. Somit wird das Licht, das verwendet wurde, die Interferenzstreifen zu bilden, wiedererzeugt. Der Beobachtungspunkt wird längs der Oberfläche H bewegt, um Zeitänderungen der Lichtwellenfronten zu beobachten, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Fotoaufnahmen zeigt, die während der Rekonstruktion einer einzelnen Hologrammplatte genommen worden sind. In Fig. 2 stellen O und W eine Gegenstandstür bzw. Licht dar, das von einem Spiegel auf den Gegenstand reflektiert wird. Wie oben beschrieben worden ist, dann eine Wellenfront beobachtet werden, indem die Interferenzeigenschaft von Laserlicht mit kurzer Kohärenzlänge oder einer kurzen Impulsweite mit einer herkömmlichen holographischen Technik kombiniert wird.
Wenn ferner die Beobachtungstechnik für die Wellenfront, wie es oben beschrieben wurde, auf die Beobachtungstechnik für einen dreidimensionalen Gegenstand zum dreidimersionalen Beobachten eines Gegenstandes angewendet wird, können beispielsweise mehrere, gleichbeabstandete Bilder des dreidimensionalen Gegenstandes beobachtet werden. Eine solche Technik zum Bilden gleichbeabstandeter Bilder, das heißt, dreidimensionale Bilder von einem dreidimensionalen Gegenstand wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4, 5 und 6 beschrieben.
Es ist allgemein bekannt, daß zwei Laserstrahlen, die von einem Laser erzeugt werden, miteinander nur interferieren, wenn ihre optischen Wege im wesentlichen die gleichen sind. Dieses Prinzip wird als nächstes kurz in Zusammenhang mit einem Michelson-Interferometer beschrieben, das in Fig. 3 gezeigt ist.
Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen; ein Laser 50 erzeugt einen Laserstrahl P1, der in einen Laserstrahl P2 und einen zweiten Laserstrahl P3 durch einen halbdurchlässiger Spiegel 51 unterteilt ist. Die Strahlen P2 und P3 laufer zu dem Spiegel 52 bzw. 53. Der Strahl P2 wird von dem Spiegel 52 reflektiert und kehrt zu dem halbdurchlässigen Spiegel 51 zurück. Ähnlich wird der Strahl P3 von dem Spiegel 53 reflektiert und kehrt zu dem halbdurchlässigen Spiegel 51 zurück. Die beiden Laserstrahlen P2 und P3, die zu dem halbdurchlässigen Spiegel 51 zurückkehren, bilden ein zusammengesetztes Licht P4, das dann erfaßt wird. Es sei angenommen, daß die Spiegel 52 und 53 mit dem Abstand L1 bzw. L2 von dem halbdurchlässigen Spiegel 51 beabstandet sind. Der Unterschied der optischen Weglänge zwischen den Laserstrahlen P2 und P3, der erzeugt wird, indem eine Umkehrung vorgenommen wird, ist gegeben durch Δ1 = 2 x L1-L2
Ein Laserstrahl bleibt hinter dem anderen um die Größe zurück, die gegeben ist durch
τ = Δ1/C
mit C der Lichtgeschwindigkeit
Es wird als nächstes auf die Fig. 4 Bezug genommen; der erzeugte Laserstrahl nimmt die Form eines Impulses fit einer gegebenen Dauer von Δt an. Wenn das Zeitintervall τ zwischen zwei Laserstrahlen P2 und P3 größer als die Dauer δt ist, dann erreicht einer von ihnen den halbdurchlässigen Spiegel 51, bevor oder nachdem der andere an dem halbdurchlässigen Spiegel 51 ankommt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Strahl mit dem anderen nicht interferieren und in dem zusammengesetzten Licht P4 wird so keine Interferenz gefunden. Um eine Interferenz zu erzeugen, muß der optische Weglängenunterschied Δ1 zwischen den Laserstrahlen P2 und P3 kleiner als CΔt sein. Wo der Laserstrahl die Form kurzer Impulse annimmt, ist die Dauer Δt sehr kurz und deshalb findet eine Interferenz nur statt, wenn der optische Weglängenunterschied Δ1 sehr klein ist. Der maximal mögliche Wert von Δ1, das heißt CΔt, bei dem Interferenz auftritt, ist als die Kohärenzlänge bekannt. Mit anderen Worten weisen kürzere Laserstrahlimpulse kürzere Kohärenzlängen auf.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zum Bilden gleichbeabstandeter Bilder von einem dreidimensionalen Gegenstand, beispielsweise einem Propeller, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, wobei die kürzeren Laserstrahlimpulse verwendet werden, wie es oben beschrieben wurde. Diese Vorrichtung enthält einen Laser 61 zum Erzeugen eines Gegenstandsstrahls in Richtung zu einem dreidimensionalen Gegenstand, beispielsweise dem Propeller 60 eines Ventilators, sowie eines Bezugsstrahles, eine fotographische, trockene Platte 62 zum Aufzeichnen der Interferenz streifen des von dem Propeller 60 reflektierten Gegenstandsstrahls und des Bezugsstrahles, und zwei Spiegel 63 und 64, um den Bezugsstrahl von dem Laser 61 zu dar Platte 62 zu lenken.
Der Laserstrahl von dem Laser 61 wird veranlaßt, sich über einen Winkel θ zu erstrecken. Ein Anteil davon fällt auf den Propeller 60 als ein Gegenstandsstrahl, während der restliche Anteil auf den Spiegel 63 als ein Bezugsstrahl auffällt. Der auf den Propeller 60 auffallende Gegenstandsstrahl wird von dem Propeller reflektiert und erreicht die trockene Platte 62. Der auf den Spiegel 63 auffallende Bezugsstrahl gelangt zu der trockenen Platte 62 über die Spiegel 63 und 64.
Interferenz streifen werden auf der fotographischen Platte 62 auf diese Weise nur erzeugt, wenn der Unterschied dar optischen Weglänge zwischen dem Gegenstandsstrahl und dem Bezugsstrahl kleiner als die Kohärenzlänge ist, die durch die Dauer des Laserstrahles bestimmt wird.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau gelangt der Bezugsstrahl zu einer Aufzeichnungsposition H1 auf der Platte 62, nachdem er die kürzeste, optische Länge zurückgelegt hat. Deshalb ist der Strahl, der mit diesem Bezugsstrahl interferiert, auf den Gegenstandsstrahl begrenzt, der von einer Position S1 in Tiefenrichtung des Propellers genommen herkommt. Ähnlich sind die Strahlen, die mit den Referenzstrahlen, die auf den Aufzeichnungspositionen H2 und H3 auf der fotographischen, trockenen Platte 62 ankommen, auf die Gegenstandsstrahlen beschränkt, die von den Positionen S1 und S3 in Tiefenrichtung des Propellers 60 genommen herkommen. Auf diese Weise werden Interferenzstreifen, die durch Interferenz des Bezugsstrahles mit dem von den Positionen S1, S2, S3 herkominenden Gegenstandsstrahlen gebildet werden, an den Positionen H1, H2 bzw. H3 auf der fotographischen P1atte 62 aufgezeichnet.
Die an den Positionen H1, H2, H3 auf der fotographischen Platte 62 aufgezeichneten Interferenz streifen werden entwickelt, um ein Hologramm zu erzeugen. Wenn dieses Hologramm nur mit dem Bezugsstrahl bestrahlt wird, werden nur die Gegenstandsstrahlen, die von den Positionen S1, S2, S3 reflektiert worden sind, von den Aufzeichnungspositionen H1, H2, H3 auf den Interferenzstreifen erzeugt. Infolgedessen ist es an einer Position P1 möglich, ein Bild zu beobachten, das durch das von der Position S1 herkommende Gegenstandslicht gebildet wird. Die Bilder auf der Grundlage der Gegenstandsstrahlen, die von den Positionen S2 und S3 in Tiefenrichtung des Propellers 60 genommen herstammen, können aufeinanderfolgend beobachtet werden, indem die Posiion, an der die Beobachtung gemacht wird, nacheinander zu den Positionen P2 und P3 verschoben wird.
Die Fig. 6(A) und 6(B) zeigen Bilder des Propellers 60, der durch Einrichten einer Kamera (nicht gezeigt) an den jeweiligen Beobachtungspositionen B1 und B2 und Aufnelimen von Bildern wiedererzeugt worden ist. Wie man aus dieser Figuren sehen kann, können gleichbeabstandete Bilder an der Position S1 als wiedererzeugte Bilder an der Beobachtungsposition B1 beobachtet werden. Gleichbeabstandete Bilder an der Position S3 können als rekonstruierte Bilder an der Position B3 beobachtet werden.
Die herkömmliche Vorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, verwendet eine Holographie-Technik, so daß die auf der fotographischen Platte 62 aufgezeichneten Interferenzstreifen entwickelt werden müssen, um Hologramme zu erzeugen. Ferner müssen die Hologramme erneut mit dem Bezugsstrahl beleuchtet werden, um wieder Bilder zu erzeugen. So ist ein beträchtliches Maß an Arbeit erforderlich, um eine Wellenfront und gleichbeabstandete Bilder mit einer Wellenfront-Beobachtungstechnik zu beobachten, und es ist unmöglich, die Wellenfront und die gleichbeabstandeten Bilder auf einer Realzeit-Basis zu beobachten.
Es ist auch bekannt, Wellenfronten zu rekonstruieren, indem das Vermischen von vier Wellen von einem einzelnen Puls eines modenverriegelten Lasers verwendet wird. Dies ist in Optics Communications, Vol. 41 (1982) April, Nr. 3, veröffentlicht am 01. April 1982, geoffenbart.
Gemäß dieser Erfindung umfaßt diese Vorrichtung ziim optischen Analysieren eines Gegenstandes unter Verwendung einer Vierwellen-Vermischungs-Technik:
eine Laserquelle zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls;
ein nichtlineares optisches Element zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Welle in Übereinstimmung mit einem auf es einfallenden Strahls;
eine erste Strahlteilereinrichtung zum Teilen des gepulsten Laserstrahls in einen gepulsten Bezugsstrahl und in einen gepulsten Gegenstandsstrahl;
eine erste Führungseinrichtung zum Leiten des Bezugsstrahls längs eines Bezugsstrahlweges, um in das nichtlineare, optische Element einzutreten;
eine zweite Strahlteilereinrichtung, die in dem Bezugsstrahl angeordnet ist, um den Bezugsstrahl in zwei Strahlen mit im wesentlichen der gleichen optischen Weglänge zu teilen, wobei einer in das nichtlineare Element von einer ersten Richtung und der andere von einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung eintritt;
eine zweite Führungseinrichtung zum Leiten dem Gegenstandsstrahls;
eine dritte Führungseinrichtung zum Projizieren der phasenkonjugierten Gegenstandswelle von dem nichtlinearen optischen Element auf eine Bildbeobachtungseinrichtung; dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Führungseinrichtung eine Strahldehnungseinrichtung zum Beleuchten des Gegenstandes und eine Fokussierungslinse zum Fokussieren des von dem Gegenstand zu dem nichtlinearen, optischen Elenent reflektierten Lichtes enthält; und daß eine veränderbare, optische Verzögerungseinrichtung in wenigstens einem der optischen Wege des Gegenstandsstrahls oder des Bezugsstrahls angeordnet ist, um die optische Weglänge des Bezugsstrahls in Bezug auf den Gegenstandsstrahl zu ändern, um eir Bild zu erhalten, und die von dem Gegenstand reflektierte Wellenfront darzustellen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum optischen Analysieren einer Lichtwellenfront von einem Gegenstand, um eine optische Eigenschaft des Gegenstandes auf Realzeit-Basis zu bestimmen, wobei eine Vierwellen-Vermischungs-Technik verwendet wird. Dies ermöglicht eine Reihe zweidimensionaler Bilder an Positionen in Tiefenrichtung eines dreidimensionalen Gegenstandes, typischerweise gleichbeabstandete Bilder, auf Realzeit-Basis zu erzeugen.
Besondere Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; in denen:
Fig. 1(A) ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Aufzeichnen von Lichtwellenfronten durch Holographie ist und
Fig. 1(B) ein schematisches Diagramm ist, das die Fortpflanzung einer Wellenfront längs der Oberfläche eines Gegenstandes und einer von einem Spiegel an dem Gegenstand reflektierten Wellenfront zeigt;
Fig. 2 eine Ansicht von Lichtwellenfronten ist, die durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung beobachtet worden sind;
Fig. 3 ein Diagramm eines Michelson-Interferometers ist;
Fig. 4 ein Diagramm zum Darstellen der Dauer eines Laserstrahles ist;
Fig. 5 ein Diagramm der herkömmlichen Vorrichtung zum Beobachten gleichbeabstandeter Bilder unter Verwendung einer Holographie-Technik ist;
Fig. 6(A) und 6(B) gleichbeabstandete Bilder zeigen, die durch die herkömmliche Vorrichtung, die in Fig. 5 gezeigt ist, beobachtet worden sind;
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Beobachten von Lichtwellenfronten gemäß dieser Erfindung ist;
Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips einer degenerierten Vierwellen-Vermischung ist;
Fig. 9 eine schematische Ansicht ist, die Querschnittsbilder von Wellenfronten zeigt, die auf einer ebenen Platte zu gewissen Zeitpunkten gebildet wurden;
Fig. 10 eine schematische Ansicht von wiedererzeugten Bildern von Lichtwellenfronten ist;
Fig. 11 ein schematisches Diagramm der Vorrichtung zum Beobachten von Lichtwellenfronten ist, wobei eine Strahldehnungseinrichtung nach der Erfindung verwendet wird;
Fig. 12 eine schematische Ansicht von Bildern von Wellenfronten ist, die durch die in Fig. 11 gezeigte Vorrichtung wiedererzeugt worden sind;
Fig. 13 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, wie sie in Fig. 11 gezeigt ist, gemäß der Erfindung ist, bei der durch eine konkave Linse erzeugte Wellenfronten beobachtet werden;
Fig. 14 eine schematische Ansicht von Bildern von Wellenfronten ist, die durch die in Fig. 13 gezeigte Vorrichtung wiedererzeugt worden sind;
Fig. 15 ein schematisches Diagramm von Hauptabschnitten der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, wobei eine Maske verwendet wird, die zwischen der Strahldehnungseinrichtung und der konkaven Linse angeordnet ist;
Fig. 16 ein Diagramm einer Vorrichtung zum Beobachten gleichbeabstandeter Bilder gemäß dem Erfindung ist,
Fig. 17 gleichbeabstandete Bilder zeigt, die durch die in Fig. 16 gezeigte Vorrichtung auf einen Schirm projiziert sind;
Fig. 18 ein Diagramm eines veränderbaren Verzögerungssystems ist, das in einem geometrischen Weg für einen Gegenstandsstrahl eingerichtet ist;
Fig. 19(A) ein Diagramm ist, das die Anordnung eines veränderbaren Verzögerungssystems und von Spiegeln zeigt, bei der der geometrische Weg vertikal beabstandete Abschnitte hat;
Fig. 19(B) ein Diagramm ist, das die Anordnung eines veränderbaren Verzögerungssystems und von Spiegeln zeigt, bei denen ein Hindernis in einem geometrischen Weg vorhanden ist;
Fig. 20 ein Diagramm einer anderen Vorrichtung zum Beobachten gleichbeabstandeter Bilder gemäß dieser Erfindung ist.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Beobachten einer Wellenfront von Licht gemäß dieser Erfindung. Eine Lichtquelle 1 erzeugt Lichtimpulse sehr kurzem Dauer. Diese Impulse werden durch einen Strahlteiler 2 in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen einer auf einem ersten geometrischen Weg I oder einem zweiten geometrischen Weg II verläuft, wobei sich der andere auf einem geometrischen Weg III für eine beobachtete Wellenfront fortpflanzt. Die Lichtquelle 1 umfaßt eine Laserquelle zum Erzeugen eine; Laserpulsstrahles mit einer Pulsweite in der Größenordnung von einigen Picosekunden oder unterhalb einiger Picosekunden, wie ein CPM-Ring-Farblaser, der optische Pulse von 100 fsec oder ähnlichem erzeugen kann. Die durch den Strahlteller 2 in den ersten Weg I und in den zweiten Weg II reflektierten Pulse werden veranlaßt, auf ein veränderbares Verzögerungssystem 13 aufzutreffen, das den optischen Weg verändern kann. Die über das Verzögerungssystem 13 übertragenen Pulse werden durch einen halbdurchlässigen Spiegel 4 in einem Strahl, der auf dem ersten Weg I verläuft, und den anderen Strahl unterteilt, der sich auf dem zweiten Weg II fortpflanzt.
Der von dem halbdurchlässigen Spiegel 4 reflektierte optische Puls wird durch einen Spiegel 5 reflektiert, der in dem ersten Weg I angeordnet ist, und tritt dann in ein nichtlineares, optisches Element 12 von einer Richtung her ein. Das über den halbdurchlässigen Spiegel 4 übertragene Licht wird von einem Spiegel 6, der in dem zweiten Weg II angeordnet ist, reflektiert und tritt dann in das optische Element 12 von der entgegengesetzten Richtung her ein. Das optische Element 12 ist zwischen den Spiegeln 5 und 6 angeordnet.
Die Laufstrecke des Strahles, der sich von dem halbdurchlässigen Spiegel 4 zu dem nichtlinearen, optischen Element 12 auf dem Weg I fortpflanzt, ist gleich derjenigen des Strahles gemacht, der sich von dem halbdurchlässigen Spiegel 4 zu dem Element 12 auf dem Weg II fortpflanzt. Die von dem halbdurchlässigen Spiegel und den Spiegeln 5, 6 gebildete, dreieckförmige Spiegelkonfiguration kann irgendeine erwünschte Form annehmen, solange die geometrischen Wege I und II mit ihrem optischen Weg identisch sind und die strahlen das nichtlineare, optische Element 12 von zueinander entgegengesetzten Richtungen eintreten.
Das nichtlineare, optische Element 12 umfaßt kristallines Barium-Titanat (BaTiO&sub3;). Es ist auch möglich, das Element aus einer dünnen Schicht eines Farbstoffes herzustellen, wie Eosin Y. Der erste geometrische Weg I ist hier als ein Verlauf festgelegt, der den Strahlteiler 2, das veränderbare Lichtverzögerungssystem 13, den Spiegel 3, den habdurchlässigen Spiegel 4, den Spiegel 5 und das nichtlineare, optische Element 12 enthält und der einem Strahl erlaubt, so zu verlaufen, daß er in dieser Reihenfolge durch diese Elemente verläuft. Der zweite, geometrische Weg II ist als ein Verlauf festgelegt, der den Strahlteiler 2, das veränderbare Lichtverzögerungssystem 13, den Spiegel 3, den halbdurchlässigen Spiegel 4, den Spiegel 6 und das nichtlineare, optische Element 12 enthält und der einem Strahl ermöglicht, so zu verlaufen, daß in dieser Reihenfolge über diese Elemente verläuft.
Die optischen Pulse sehr kurzer Dauer, die durch den Strahlteiler 2 übertragen werden, verlaufen auf einem geometrischen Weg III einer beobachteten Wellenfront und treten in das nichtlineare, optische Element 12 ein. Der Weg III enthält den Spiegel 7, eine konkave Linse 15 (einen Gegenstand), eine ebene Platte 8, den halbdurchlässigen Spiegel 9, eine Linse 11 und das nichtlineare, optische Element 12. Der Weg erlaubt einem Strahl, auf ihm so zu verlaufen, daß er in dieser Reihenfolge über diese Elemente verläuft. Die konkave Linse 15 verändert eine Eingangswellenfront und formt eine zu beobachtende Wellenfront.
Die ebene Platte 8, die in dem Weg III angeordnet ist, bildet eine diffus reflektierende Oberfläche. Der Weg III wird einmal durch die konkave Linse 15 geweitet. Das auf diesem Weg verlaufende Licht wird durch die ebene Platte 8 reflektiert, die unter einem Winkel zu der optischen Achse angeordnet ist. Deshalb enthält der geometrische Weg III verschiedene optische Wege. Nur wenn ein Strahl in das nichtlineare, optische Element 12 eintritt, nachdem er über die gleiche optische Länge wie der erste und der zweite, geometrische Weg I und II gelaufen ist, werden phasenkonjugierte Wellen, die sich in entgegengesetzter Richtung zu dem Einfallsstrahl fortpflanzen, durch Vierwellen-Vermischung erzeugt.
Die phasenkonjugierte Welle wird erhalten, indem in bezug auf die Zeit der Gegenstandsstrahl, der auf das nichtlineare, optische Element 12 auffällt und mit dem Bezugsstrahl interferiert, invertiert wird und längs des geometrischen Einfallsweges reflektiert wird. Dieses Phänomen wirde von Zeldovich u. a. vom P. M. Lebedev Physics Laboratory, Moskau, 1972 bewiesen.
Die Vierwellen-Vermischung bedeutet einen Mechanismus, durch den phasenkonjugierte Wellen des einfallenden Gegenstandsstrahls durch Wechselwirkung unter den vier Strahlen erzeugt werden, das heißt drei einfallenden Strahlen (eir Gegenstandsstrahl und zwei Bezugsstrahlen) und einem Bezugsstrahl in einem nichtlinearen Medium, wobei der reflektierte Strahl sich in die phasenkonjugierten Wellen ändert.
Wie vorhergehend erwähnt worden ist, werden die phasenkonjugierten Wellen nur erzeugt, wenn Licht auf das nichtlineare, optische Element 12 gleichzeitig mit optischen Pulsen auftrifft, die in das nichtlineare, optische Element 12 nach dem Durchlaufen des ersten oder zweiten Weges I oder II eintreten. Die konjugierten Wellen werden von dem halbdurchlässigen Spiegel 9 reflektiert und auf einen Schirm 10 projiziert. Auf diese Weise wird ein Bild einer Lichtwellenfront in Realzeit-Basis auf den Schirm projiziert.
Verschiedene Phasenkonjugatiönsmechanismen sind theoretisch vorgeschlagen worden, und von ihnen werden insbesondere zwei Mechanismen nachfolgend beschrieben.
Es wird auf Fig. 8 Bezug genommen; eine phasenkonjugierte Welle wird durch degeneriertes bzw. entartetes Vierwellen- Vermischen in der unten beschriebenen Weise erzeugt.
Wie oben beschrieben worden ist, haben der erste, geometrische Weg I und der zweite, geometrische Weg II denselben optischen Weg. Von dem gepulsten Laser 1 erzeugte, optische Pulse folgen diesen Wegen und treten gleichzeitig von entgegengesetzten Richtungen in das nichtlineare, optische Element 12 ein. Diejenigen optischen Pulse, die in das Element gleichzeitig mit den vorgenannten, optischen Pulsen eintreten, die von derselben Lichtquelle nach dem Durchlaufen des Weges III herstammen, werden von einem Übergangs- Beugungsgitter reflektiert, das innerhalb des nichtlinearen, optischen Elementes 12 durch das auf dem ersten und dem zweiten Weg eintretende Licht erzeugt wird. Dann wird eine phasenkonjugierte Welle, die sich in der entgegengesetzten Richtung zu dem Weg III fortpflanzt, erzeugt und in einen geometrischen Weg IV gelenkt. Als ein Ergebnis wird ein Bild gewisser Lichtwellen auf dem Schirm 10 erzeugt. Bei diesem Beispiel umfaßt der geometrische Weg IV das nichtlineare, optische Element 12, die Linse 11, den halbdurchlässigen Spiegel 9 und den Schirm 10. Auf diesem Weg verlaufendes Licht gelangt über diese Elemente in dieser Reihenfolge.
Ein anderer Mechanismus des Vierwellen-Vermischens wird kurz im Gegensatz zu der herkömmlichen Holographie beschrieben. Das nichtlineare, optische Element 12 entspricht der fotographischen, trockenen Platte, auf der Interferenzstreifen aufgezeichnet werden. Eine Wechselwirkung zwischen dem Gegenstandsstrahl und einem Bezugsstrahl, beispielsweise dem Bezugsstrahl, der von dem Spiegel 5 reflektiert wird und auf das nichtlineare, optische Element 12 auftrifft, bildet Interferenzstreifen, die eine Reihe von hellen und dunklen Streifen in dem nichtlinearen, optischen Element 12 sind. Die Streifen entsprechen dem Hologramm. Jedoch verlangt das Vierwellen-Vermischen nicht, daß die fotographische Platte entwickelt wird. Bei dem Vierwellen-Mischverfahrer werden das Aufzeichnen und die Entwicklung gleichzeitig durchgeführt und ein einem Hologramm entsprechendes wird in dem nichtlinearen Medium mit einer Realzeit-Basis anders als bei der Holographie nach dem Stand der Technik erzeugt Dieses in dem nichtlinearen Medium mit Realzeit-Basis erzeugte Hologramm wird mit dem anderen Bezugsstrahl, beispielsweise dem Bezugsstrahl, der von dem Spiegel 6 reflektieit wird, beleuchtet. Dieser Bezugsstrahl wird als phasenkonjugierte Wellen durch das mit Real zeit-Basis erzeugte Hologramm reflektiert. Die konjugierten Wellen erzeugen Bilder, die durch das Realzeit-Hologramm wiedererzeugt werden. Nur jene einfallenden Gegenstandswellen, die im wesentlichen den gleichen optischen Weg wie die Bezugswellen haben, tragen zu der Bildung eines Hologrammes bei. Das heißt, jene Gegenstandswellen, die mit den Bezugswellen optische Wegunterschiede von weniger als der Kohärenzlänge aufweisen, die durch die Dauer des Laserstrahles bestimmt ist, tragen zu der Interferenz bei. Man kann auch sagen, daß, da zwei Referenzstrahlen exakt die gleichen sind mit Ausnahme, daß sie sich in entgegengesetzte Richtungen fortpflanzen, der Gegenstandsstrahl mit dem von dem Spiegel 6 fortreflektierten Bezugsstrahl interferiert, um ein Realzeit-Hologramm in dem nichtlinearen Medium zu bilden, und daß phasenkonjugierte Wellen durch den von dem Spiegel 5 reflektierten Bezugsstrahl geliefert werden. Auf jeden Fall werden diese vier Wellen gleichzeitig zusammengemischt und derart, daß der Gegenstandsstrahl, der auf das nichtlineare, optische Element 12 auffällt, im wesentlichen keinen Zeitunterscliied mit seinen phasenkonjugierten Wellen bildet.
Die Arbeitsweise einer Vorrichtung zum Beobachten einer Lichtwellenfront gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird nachfolgend im einzelnen beschrieben. Jene optischen Pulse, die durch den Strahlteiler 2 übertragen werden, werden von der konkaven Linse 15 aufgeweitet und treffen schräg auf die ebene Platte 8 auf. Die Pulse werden auf dem Platte gestreut. Ein einzelner Puls sehr kurzer Dauer tritt zuerst in den Teil der ebenen Platte 8 ein, der der Linse 11 am nächsten ist. Dann werden jene Bereiche, die von der Linse 11 entfernter sind, nacheinander beleuchtet. Deshalb ändert sich der Zeitpunkt, zu dem die ebene Platte 8 beleuchtet wird, von Stelle zu Stelle.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern der Positionen, die zu gewissen Zeitpunkten beleuchtet worden sind. Es wird angenommen, daß die zu der Zeit 0 von dem gepulsten Laser 1 erzeugten, optischen Pulse auf unterschiedlichen Bereichen der ebenen Platte 8 jeweils zu den Zeiten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; eintreffen, wie es in Fig. 9 gezejgt ist. Von der ebenen P1atte 8 aufeinanderfolgend zu den Zeiten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; gestreute Lichtwellen werden durch den halbdurchlässigen Spiegel 9 übertragen. Dann werden die Wellen durch die Linse 11 konvergiert und treten in den nichtlinearen Kristall 12 nacheinander zu den Zeiten t&sub1;', t&sub2;', t&sub3;' ein.
Es sei angenommen, daß Licht, das die Wege I und II durchlaufen hat, den nichtlinearen Kristall 12 zur Zeit t&sub1;' erreicht, so erzeugen von der ebenen Platte zu der Zeit t&sub1; reflektiertes Licht und das auf den Wegen I und II gelaufene Licht das oben beschriebene degenerierte Vierwellen-Mischen. Die konjugierte Welle läuft auf dem Weg IV und trifft auf dem Schirm 10 zu einer Zeit t&sub1;" ein. Unter den vorstehend genannten Bedingungen erscheint ein Bild 1(t&sub1;") einer Wellenfront auf dem Schirm 10, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Die ebene Platte 8 ist in Fig. 10 links angeordnet. Die in Fig. 10 gezeigten Bilder werden erhalten, indem Beobachtungen von der Seite des halbdurchlässigen Spiegels 9 her gemacht werden. Es wird darauf hingewiesen, daß irgendein Bild der Wellenfront anders als 1(t&sub1;") nicht zu dieser Zeit auf dem Schirm 10 erscheint.
Auf den Wegen I und II laufendes Licht erreicht den nichtlinearen Kristall 12 zur Zeit t&sub2;'. Das von dem ebenen Platte zur Zeit t&sub2; reflektierte Licht und das auf den Wegen I und II gelaufene Licht entwickeln eine phasenkonjugierte Welle durch das vorgenannte degenerierte Vierwellen-Mischen. Zu diesem Zeitpunkt ist das veränderbare Lichtverzögerungssystem 13 eingestellt, die optischen Längen der geometrischen Wege I und II stark zu erhöhen. Ähnliche Vorteile können erhalten werden, indem das veränderbare Lichtverzögerungssystem 13 in den Weg III der beobachteten Wellenfront eingebracht wird, beispielsweise zwischen dem Strahlteiler 2 und dem Spiegel 7.
Die phasenkonjugierte Welle folgt dem Weg IV und trifft auf dem Schirm 10 zu dem Zeitpunkt t&sub2;" ein. Als Ergebnis erscheint ein Bild 1(t&sub2;") einer Wellenfront auf dem Schirm 10, wie es in Fig. 9 gezeigt ist.
Ähnlich erscheint, wenn auf den Wegen I und II überbragenes Licht den nichtlinearen Kristall 12 zu der Zeit t&sub3; erreichen, dann ein Bild 1(t&sub3;") einer Wellenfront auf dein Schirm 10 zur Zeit t&sub3;".
Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, ist die ebene Platte unter einem Winkel θ zu der optischen Achse der Mitte dem Lichtstrahles angeordnet, der durch den Strahlteiler 2 übertragen wird. Deshalb ist die wiedererzeugte Wellenfront auf dem Schirm 10, der vertikal zu der optischen Achse der phasenkonjugierten Welle angeordnet ist, die von dem halbdurchlässigen Spiegel 9 reflektiert wird, ein Querschnitt längs einer unter dem Winkel θ geneigten Oberfläche.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform können Wellenfronten mit Realzeit-Basis beobachtet werden. Indem ferner der Strahl abgetastet oder die konkave Linse bewegt wird, können die optischen Eigenschaften des gesamten wellenfrontverändernden, optischen Elementes, beispielsweise der konkaven Linse 15, gemessen werden. Beispiele zum Beobachten einer Wellenfront, die durch beispielsweise die gesamte konkave Linse verändert worden ist, wird als nächstes unter Bezugnahme auf die Fig. 11-15 beschrieben.
Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, ist eine Strahldehnungseinrichtung 16 zwischen dem Spiegel 7 und der ebenen Platte 8 der Vorrichtung eingeführt. Die beobachteten Wellenfronten werden, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, verändert, indem das veränderbare Verzögerungssystem in derselben Weise wie bei dem vorhergehenden Beispiel eingestellt wird.
Nach Abschluß der oben beschriebenen Einstellung wird eine konkave Linse 17, das heißt, ein wellenfrontveränderndes, optisches Element, zwischen die Strahldehnungseinrichtung 16 und die ebene Platte 8 eingeführt, wie es in Fig. 13 gezeigt ist, und das veränderbare Verzögerungssystem wird eingestellt, wodurch es möglich ist, die Lichtwellenfronten zu beobachten, nachdem sie durch die ganze konkave Linse 17 hindurchgegangen sind.
Fig. 14 zeigt Wellenfronten, die auf dem Schirm 10 erscheinen. Einige Bereiche der Wellenfronten, die auf dem Schirm 10 erscheinen, sind nicht durch die konkave Linse hindurchgegangen.
Fig. 15 zeigt schematisch Hauptabschnitte einer anderen Vorrichtung zum Beobachten von Lichtwellenfronten. Diese Vorrichtung ist im Aufbau der in Fig. 13 gezeigten Vorrichtung ähnlich. Eine Maske 18 ist zwischen der Strahldehnungseinrichtung 16 und der konkaven Linse 17 so angeordnet, daß sie mit der Form der Linse 17 übereinstimmt, so daß nur Lichtwellenfronten, die durch die konkave Linse 17 hindurch übertragen worden sind, beobachtet werden.
Bei den oben beschriebenen Beispielen werden Lichtwellenfronten wieder auf dem Schirm 10 erzeugt. Dieser Schirm kann ein Leuchtstoffschirm sein, um Leuchtstoffbilder der Wellenfronten zu beobachten. Wenn ein einzelner, optischer Puls verwendet wird, wird ein Leuchtstoffschirm als dar oben genannte Schirm 10 verwendet und durch eine Fernseheinrichtung zur Verwendung bei einer optischen Messung überwacht, so daß ein Bild der Wellenfront mit einem Auslösebetrieb beobachtet werden kann. Es ist auch möglich, wiederholt einen gepulsten Laser auszulösen, um einen Zug optischer Pulse zu erzeugen. Der Leuchtstoffschirm wird wiederholt angeregt, um helle Bilder zu beobachten. Ferner ist es möglich, die Eintrittseite einer Kameraröhre oder eines Bildverstärkers an der Position des Schirmes anzuordnen. In diesem Fall können Wellenfronten unter Verwendung der Ausgangsbilder oder Ausgangssignale beobachtet werden.
Als nächstes werden im folgenden Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Bilden gleichbeabstandeter Bilder van einem dreidimensionalen Gegenstand beschrieben, wobei eine Technik zum Beobachten von Lichtwellenfronten verwendet wird, wie sie oben beschrieben wurde.
Fig. 16 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Vorrichtung, wie sie in Fig. 16 gezeigt ist, im wesentlichen der Vorrichtung zum Beobachten von Lichtwellenfronten mit der Ausnahme eines Gegenstandes ähnlich ist. Die allgemein mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnete Vorrichtung enthält einen Laser 102, der Laserpulse sehr kurzer Dauer von einigen Picosekunden erzeugt. Ein dreidimensionaler Gegenstand, beispielsweise eine Pyramide 103, von der gleichbeabstandete Bilder genommen werden sollen, ist an einer geneigten Oberfläche 105 einer Halterung 104 angebracht. Bei diesem besonderen Beispiel ist die Halterung 104 fest an einer Bodenoberfläche (nicht gezeigt) befestigt, und so bewegt sich die Pyramide 103 nicht während der Beobachtung gleichbeabstandeter Bilder.
Ein Strahlteiler 106 teilt den Laserstrahl von dem Laser 102 in zwei auf, von denen einer als ein Gegenstandsstrahl verwendet und veranlaßt wird, auf die Pyramide 103 an der Halterung 104 zu treffen, nachdem er durch eine Linse 107 hindurchgegangen ist. Dann wird das Licht von der Pyramide 103 reflektiert, geht durch einen halbdurchlässigen Spiegel 108 und eine Linse 109 hindurch und tritt in ein nichtlineares, optisches Element 110 ein, das aus einem nichtlinearen Medium gemacht ist. Der andere von dem Teiler 106 abgeleitete Strahl wird als ein Bezugsstrahl verwendet und von einem bewegbaren Spiegel 112 reflektiert, der in einem veränderbaren Lichtverzögerungssystem 111 eingegliedert ist. Der Bezugsstrahl tritt dann in einen halbdurchlässigen Spiegel 113 ein, der den Strahl in zwei aufteilt. Diese aufgeteilten Strahlen werden veranlaßt, den Spiegel 114 bzw. 115 zu beaufschlagen.
Die Spiegel 114 und 115 sind so angeordnet, daß die zwei Bezugsstrahlen, die durch den halbdurchlässigen Spiegel 113 geteilt worden sind, sich in entgegengesetzte Richtungen über die gleiche optische Länge zu dem nichtlinearen, optischen Element 110 fortpflanzen. Der bewegbare Spiegel 112 des veränderbaren Lichtverzögerungssystems 111 kann sich um eine Strecke, die größer als ungefähr die Hälfte der Tiefe L der Pyramide 103 ist, die ein dreidimensionaler Gegenstand ist, bewegen. Dies erlaubt, daß der optische Weg der zwei Bezugsstrahlen, die auf das nichtlineare, optische Element 110 auftreffen, von dem optischen Weg des Gegenstandsstrahles verschieden gemacht werden.
Drei Strahlen treffen auf das nichtlineare, optische Element 110 auf, wie es vorhergehend erwähnt wurde. Insbesondere ist ein einfallender Strahl der von der Pyramide 103 reflektierte Gegenstandsstrahl. Die übrigen zwei sind Bezugsstrahlen, die in das Element von entgegengesetzten Richtungen eintreten. Das nichtlineare, optische Element 110 umfaßt ein nichtlineares Medium, das aus kristallinem Bariumtitanat oder einer dünnen Schicht aus Eosin Y oder einem anderen Farbstoff besteht. Der Einfall des Gegenstandsstraitles und der zwei Bezugsstrahlen auf das nichtlineare, optische Element erzeugt phasenkonjugierte Wellen des Gegenstandsstrahles durch Vierwellen-Mischen, wie es oben beschrieben worden ist.
In diesem Fall werden nur jene Gegenstandswellen von der Pyramide 103, die optische Wegdifferenzen von weniger als der Kohärenzlänge mit den Bezugswellen aufweisen, in einer Real zeit-Basis rekonstruiert und als die phasenkonjugierten Wellen erzeugt.
Die durch das nichtlineare, optische Element 110 erzeugten, phasenkonjugierten Wellen gehen durch die Linse 109 hindurch und gelangen zu dem halbdurchlässigen Spiegel 108 längs des geometrischen Einfallsweges für Gegenstandswellen. Dann werden die konjugierten Wellen von dem halbdurchlässigen Spiegel 108 reflektiert und erreichen die Bildaufnahmeeinrichtung, wie einen Schirm 116.
Der Schirm 116 umfaßt einen Leuchtstoffschirm, die photoempfindliche Oberfläche einer Bildröhre oder ähnliches. Der Schirm 116 gestattet, mit dem nackten Auge Bildinformationen, die in den phasenkonjugierten Wellen enthalten sind, als wiedergeschaffene Bilder zu beobachten. Somit werden auf den Schirm 116 projizierte Bilder aus jenen Gegenstandswellen von der Pyramide 103 wiedererzeugt, die im wesentlichen die gleichen optischen Wege wie der Bezugsstrahl haben. Daher werden zweidimensionale Bilder in Stellen, die in Tiefenrichtung der Pyramide 103 genommen worden sind, das heißt, gleichbeabstandete Bilder auf dein Schirm 116 im wesentlichen in der gleichen Weise projiziert, wie es bei der Vorrichtung zum Beobachten einer Lichtwellenfront beschrieben worden ist.
Die wie vorstehend beschrieben ausgestaltete Vorrichtung 101 zum Beobachten gleichbeabstandeter Bilder arbeitet in der unten beschriebenen Weise. Zuerst wird der bewegbare Spiegel 112 des bewegbaren Lichtverzögerungssystems 111 bei der Position A3 eingestellt. Bei dieser Bedingung ist dar optische Weg des Bezugsstrahles gleich dem optischen Weg des Gegenstandsstrahles, der an der Stelle T3 in Tiefenrichtung der Pyramide 103 genommen reflektiert wird. Als ein Ergebnis werden nur die phasenkonjugierten Wellen des Gegenstandsstrahles, die an der Stelle T3 reflektiert worden sind, durch das nichtlineare, optische Element 110 erzeugt. Dann laufen die konjugierten Wellen durch die Linse 109 hindurch, werden von dem halbdurchlässigen Spiegel 108 reflektiert und erreichen den Schirm 116, wo ein zweidimensionales Bild an der Stelle T3, das heißt, ein gleichbeabstandetes Bild C3, projiziert wird, wie es in Fig. 17 gezeigt ist.
Nachfolgend wird der bewegbare Spiegel 112 des veränderbaren Lichtverzögerungssystemes 111 in die Stellung A2 von der Stellung A3 bewegt. In diesem Zustand gleicht der optische Weg des Bezugsstrahles dem optischen Weg des Gegenstandsstrahles, der an der Stelle T2 reflektiert worden ist. Infolgedessen werden nur die phasenkonjugierten Wellen des Gegenstandsstrahles, die von der Position T2 herkommen, durch das nichtlineare, optische Element 110 erzeugt und auf den Schirm 116 projiziert. Wie in Fig. 17 gezeigt ist, wird ein gleichbeabstandetes Bild C2, das an der Position T2 genommen worden ist, auf den Schirm 116 projiziert.
Ähnlich wird, wenn der bewegbare Spiegel 112 des veränderbaren Lichtverzögerungssystems 111 von der Positicn A2 in die Position A1 bewegt wird, der optische Weg des Bezugsstrahles gleich dem optischen Weg des an der Position T1 reflektierten Gegenstandsstrahles. Als ein Ergebnis wird ein gleichbeabstandetes Bild C1, das an der Position T1 genommen worden ist, auf den Schirm 116 projiziert, wie es in Fig. 17 gezeigt ist.
Es wird besonders auf die Fig. 17 Bezug genommen; die zweidimensionalen Bilder an den Positionen T1, T2, T3, die in Tiefenrichtung der Pyramide 103 genommen worden sind, das heißt die gleichbeabstandeten Bilder C1, C2, C3, die auf den Schirm 116 projiziert sind, haben eine helle Linienwite d, die mit der Kohärenzlänge des Laserstrahles in Beziehung steht, der von dem Laser 112 ausgesendet wird. Genauer gesagt, wenn der Unterschied beim optischen Weg zwischen Bezugs- und Gegenstandslaserstrahl kleiner als die Kohärenzlänge ist, findet eine Interferenz statt. Beispielsweise wird für das gleichbeabstandete Bild C2 das Band, dessen Mitte sich an der Position T2 befindet und dessen Weite eine Kohärenzlänge von r ist, auf den Schirm 116 projiziert. Das projizierte Band hat eine helle Linienweite d. Demgemäß wird, wo ein Laser, der einen Laserstrahl mit einer langen Kohärenzlänge erzeugt, verwendet wird, die Linienweite d vergrößert. Dies macht es möglich, die gleichbeabstandeten Bilder, die an einer gewissen Position genommen sind, genau zu beobachten. In dieser Vorrichtung erzeugt der Laser 102 einen Laserstrahl mit einer Dauer in der Größenordnung von einigen Picosekunden, das heißt, er hat eine sehr kurze Kohärenzlänge, und so ist die Linienweite d sehr schmal. Somit können gleichbeabstandete Bilder genau beobachtet werden.
Wenn als Beispiel ein CPM-Ring-Farblaser als die Lichtquelle verwendet wird, haben die erzeugten, optischen Pulse eine Dauer in der Größenordnung von 0,1 Picosekunden. Somit ist es möglich, die Änderung in der Abmessung, die in Tiefenrichtung genommen wird, bis zu ungefähr 30 um zu beobachten.
Bei dem ersten, oben beschriebenen Beispiel können gleich beabstandete Bilder auf den Schirm 116 nach dem Verstreichen eines sehr kurzen Intervalles projiziert werden, da der Gegenstandsstrahl von der Pyramide 103 in das nichtlineare, optische Element 110 eintritt. Auch ist es nur notwendig, den bewegbaren Spiegel 112 des veränderbaren Lichtierzögerungssystemes 111 zu bewegen, um gleichbeabstandete Bilder an Positionen, die in Richtung der Tiefe genommen worden sind, zu erhalten. Deshalb können diese gleichbeabstandeten Bilder mit Realzeit-Basis genau beobachtet werden, indem sehr einfache Vorgänge durchgeführt werden.
Es ist auch möglich, das veränderbare Lichtverzögerungssystem in dem geometrischen Weg für den Gegenstandsstrahl einzubauen, beispielsweise zwischen dem Strahlteilez 116 und der Linse 107, wie es in Fig. 18 gezeigt ist, statt in dem geometrischen Weg für den Bezugsstrahl, um nach und nach den optischen Weg des Bezugsstrahls zu verändern. In Fig. 18 ist es möglich, wenn der bewegbare Spiegel 121 des veränderbaren Lichtverzögerungssystems 120 bei den Positionen F1, F2, F3 eingestellt wird, jeweils gleichbeabstandete Bilder C1, C2, C3 an den in Tiefenrichtung der Pyramide 103 genommenen Positionen T1, T2, T3 auf dem Schirm 116 in genau der gleichen Weise wie in Fig. 1 zu beobachten. Ferner können das veränderbare Lichtverzögerungssystem 111 und ein zweites, veränderbares Lichtverzögerungssystem 120 in dem geometrischen Weg für den Bezugsstrahl bzw. den Gegenstandsstrahl eingebaut werden, um ihre optischen Wege veränderbar zu machen.
Wenn die veränderbaren Lichtverzögerungssysteme 111 und 120 auf diese Weise in dem geometrischen Weg eingesetzt werden, können ihre optischen Wege verändert werden. Wenn zusätzlich der Abstand zwischen dem Laser 102 und dem dreidimensionalen Gegenstand groß ist und es schwierig ist, die Lage des Gegenstandes zu steuern,oder wenn der Gegenstand schwer und schwierig zu bewegen ist, sind die veränderbaren Lichtverzögerungssysteme zweckmäßig. Insbesondere kann die Position des dreidimensionalen Gegenstandes einfach dadurch gesteuert werdend daß der optische Weg des Bezugs- oder Gegenstandsstrahles oder beide optische Wege verändert werden, ohne die Notwendigkeit den Gegenstand selbst zu bewegen. Wenn ein Abschnitt des geometrischen Weges für den Bezugs- oder Gegenstandsstrahl mit einem Abstand n von dem übrigen Teil, wie es in Fig. 19(A) gezeigt ist, beabstandet ist, oder wenn ein Hindernis 125 in einem der geometrischen Wege vorhanden ist, wie es in Fig. 19(B) gezeigt ist, kann der Laserstrahl von dem Laser 102 richtig zu einem Zielpunkt durch Bereitstellen der veränderbaren Lichtverzögerungssysteme 111 und 120 in den geometrischen Wegen gelenkt werden. In dem in Fig. 19(A) gezeigten System reflektieren bewegbare Spiegel 123 und 124 den Laserstrahl, der entweder zu den veränderbaren Lichtverzögerungssystemen 111 und 120 gelerkt wird oder durch diese Lichtverzögerungssysteme übertragen wird. Die Spiegel 123 und 124 sind vertikal voneinander beabstandet, um dadurch leicht und sicher den Laserstrahl von dem Laser zu einem Zielpunkt zu lenken. In dem in Fig. 19(B) gezeigten System werden Spiegel 126 und 127 so verwendet, daß der geometrische Weg das Hindernis 125 umlaufen kann. Daher kann der Laserstrahl zu einem Zielpunkt gelenkt werden, ohne durch das Hindernis 125 blockiert zu werden.
Fig. 20 zeigt die Struktur einer anderen Vorrichtung gemäß der Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, daß ihnliche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen in beiden Fig. 16 und 20 dargestellt sind und daß diejenigen Bauteile, die bereits beschrieben worden sind, unten nicht erneut beschrieben werden.
Bei dem zweiten, in Fig. 20 gezeigten Beispiel ist die Vorrichtung zum Beobachten gleichbeabstandeter Bilder allgemein durch das Bezugszeichen 130 bezeichnet. Ein durch einen Strahlteiler 106 abgetrennter Bezugsstrahl wird durch einen ortsfesten Spiegel 131 reflektiert und dann in ein nichtlineares, optisches Element 110 entweder über einen halbdurchlässigen Spiegel 113 und einen Spiegel 114 oder über einen Spiegel 115 gelenkt. Da der ortsfeste Spiegel 131 verwendet wird, wird der optische Weg des Bezugsstrahles konstant gehalten.
Eine Pyramide 103, die ein dreidimensionaler Gegenstand ist, ist auf einer geneigten Oberfläche 133 eine Halterung 132 angebracht die so angeordnet ist, daß sie in Richtung der X-Achse auf Schienen 135 verschiebbar ist, wobei die Schienen 135 auf einem Grundrahmen 134 angebracht sind. Wenn die Halterung 132 längs der Schienen 135 verschoben wird, verschiebt sich die Pyramide 103 in Richtung der X-Achse, um dadurch den optischen Weg des Gegenstandsstrahles zu verändern. Der Grundrahmen 134 ist so ausgelegt, daß er um die Y-Achse und die Z-Achse drehbar ist. Deshalb kann der Winkel der Pyramide 103 zu dem auf die Pyramide 103 auftreffenden Laserstrahl verändert werden.
Bei der auf diese Weise konstruierten Vorrichtung 130 wird die Halterung 132 in eine gewisse Position auf den Schienen 135 bewegt und in dieser Position gehalten. Wenn die Halterung 132 in einer Position E3 gehalten wird, ist der optische Weg des Gegenstandsstrahles, der an der Position T3 reflektiert wird, gleich dem optischen Weg des Bezugsstrahles. Als Ergebnis werden phasenkonjugierte Wellen des Gegenstandsstrahles von der Position T3 von dem nichtlinearen, optischen Element 110 geliefert, und ein gleichbeabstandetes Bild ähnlich dem Bild C3 in Fig. 17 wird auf einer Schirm 116 projiziert.
Wenn die Halterung in den Positionen E2 und E1 aufeinanderfolgend gehalten wird, sind die optischen Wege dem. Gegenstandsstrahlen, die an den Positionen T2 bzw. T1 reflektiert werden, gleich dem optischen Weg des Bezugsstrahles. Somit werden gleichbeabstandete Bilder ähnlich dem Bild C2 bzw. C1, die in Fig. 17 gezeigt sind, nacheinander auf dein Schirm 116 projiziert. Dies gestattet einem, die Bilder zu beobachten.
Die vorgenannten Vorgänge werden durchgeführt, um gleichbeabstandete Bilder der Pyramide 103 zu beobachten, die in einer gewissen Richtung genommen worden sind. In einigen Fällen ist es wünschenswert, gleichbeabstandete Bilder der Pyramide 103, die in anderen Richtungen genommen sind, zu beobachten. Zu diesem Zweck wird das Grundgestell 134 um die Y-Achse oder Z-Achse oder um beide Achsen gedreht, um die Pyramide 103 unter einem erwünschten Winkel zu neigen. Dann wird die Halterung 132 aufeinanderfolgend auf den Schienen 135 in andere Positionen verschoben, um gleichbeabstandete Bilder bei in Tiefenrichtung genommenen Positioner zu beobachten.
Bei dem zweiten, oben beschriebenen Beispiel wird der dreidimensionale Gegenstand ohne Verschieben der Bauteile des optischen Systems bewegt, das heißt der bewegbaren Spiegel 112 und 121 der veränderbaren Lichtverzögerungssysteme 111 und 120. Deshalb verschlechtert sich die Genauigkeit des optischen Systems nicht, selbst wenn die Vorrichtung während einer langen Zeitdauer betrieben wird. Diese Vorrichtung ermöglicht einem, ohne weitere gleichbeabstandete Bilder stabil und mit verbesserter Genauigkeit auf einer Real zeit-Basis zu beobachten. Ferner können nicht nur gleichbeabstandete Bilder eines dreidimensionalen Gegenstandes, die in einer gewissen Richtung genommen worden sind, sondern auch gleichbeabstandete Bilder, die in irgendeiner anderen Richtung genommen worden sind, einfach durch Drehen des Grundgestells 134 beobachtet werden.
Wie es oben in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, wird nur der Gegenstandsstrahl, der mit dem Bezugsstrahl in dem nichtlinearen, optischen Element interferiert, in der Form von phasenkonjugierten Wellen geliefert. Das Lichtverzögerungssystem ermöglicht, daß der Unterschied des optischen Weges zwischen dem Gegenstandsstrahl und dem Bezugsstrahl, der auf das nichtlineare, optische Element auffällt, aufeinanderfolgend geändert wird, so daß Lichtwellenfronten mit Realzeit-Basis beobachtet werden um eine optische Eigenschaft zu messen, wie eine Aberration oder ähnliches eines Gegenstandes auf Realzeit- Basis, und so daß unter Verwendung der Lichtwellenfront- Beobachtungstechnik zweidimensionale Bilder an in Tiefenrichtung eines dreidimensionalen Gegenstandes genommenen Positionen, das heißt gleichbeabstandete Bilder, auf Realzeit-Basis beobachtet werden können, indem sehr einfache Vorgänge durchgeführt werden.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Analysieren der Wellenfront von Licht, das von einem diffusreflektierenden Gegenstand (15) reflektiert wird, wobei eine Vier-Wellen-Mischtechnik verwendet wird und die Vorrichtung umfaßt:

eine Laserquelle (1) zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls;

ein nichtlineares optisches Element (12) zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Welle in Übereinstimmung mit einem auf es einfallenden Strahls;

eine erste Strahlteilereinrichtung (2) zum Teilen des gepulsten Laserstrahls in einen gepulsten Bezugsstrahl (I,II) und in einen gepulsten Gegenstardsstrahl (III);

eine erste Führungseinrichtung (3, 4, 5, 6) zum Leiten des Bezugsstrahls (I,II) längs eines Bezugsstrahlweges, um in das nichtlineare, optische Element (12) einzutreten;

eine zweite strahlteilereinrichtung (4) die in dem Bezugsstrahl (I,II) angeordnet ist, um der Bezugsstrahl in zwei Strahlen mit im wesentlichen der gleichen optischen Weglänge zu teilen, wobei einer (I) in das nichtlineare Element von einer ersten Richtung und der andere (II) von einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung eintritt;

eine zweite Führungseinrichtung (7) zum Leiten des Gegenstandsstrahls (III);

eine dritte Führungseinrichtung (9) zum Projizieren der phasenkonjugierten Gegenstandswelle von dem nichtlinearen optischen Element (12) auf eine Bildbeobachtungseinrichtung (10); dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Führungseinrichtung (7) eine Strahldehnungseinrichtung zum Beleuchten des Gegenstandes und eine Fokussierungslinse (11) zum Fokussieren des von dem Gegenstand zu dem nichtlinearen, optischen Element (12) reflektierten Lichtes enthält; und daß eine veränderbare, optische Verzögerungseinrichtung (13) in wenigstens einem der optischen Wege des Gegenstandsstrahls (I,II) oder des Bezugsstrahls (III) angeordnet ist, um die optische Weglänge des Bezugsstrahls (I,II) in Bezug auf den Gegenstandsstrahl (III) zu ändern, um ein Bild zu erhalten, und die von dem Gegenstand reflektierte Wellenfront darzustellen.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die optische Verzögerungseinrichtung (13) einen bewegbaren Spiegel umfaßt.

3. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, worin die erste Führungseinrichtung einen halbdurchlässigen Spiegel (4) zum Teilen des Bezugsstrahls in zwei Strahlen (I und II) und zwei reflektierende Spiegel (5, 6) zum Empfangen und Lenken der zwei Strahlen (I und II) zu dem nichtlinearen, optischen Element (12) von entgegengesetzten Richtungen aus umfaßt.

4. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, worin die dritte Führungseinrichtung einen halbdurchlässigen Spiegel (9) zum Hindurhlassen des Gegenstandsstrahls von dem Gegenstand zu dem nichtlinearen, optischen Element (12) und Reflektieren der phasenkonjugierten Welle von dem nichtlinearen, optischen Element zu der Bildbeobachtungseinrichtung um faßt.

5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, worin eine Maske (18) zum Hindurchlassen nur des Gegenstandsstrahls, der durch den Gegenstand hindurchgegangen ist, in dem optischen Weg zwischen dem Gegenstand und dem nichtlinearen, optischen Element (12) angeordnet ist.

6. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, worin die Bildbeobachtungseinrichtung (10) eine Bildaufnehmereinrichtung, einen Leuchtstoffschirm oder die photoempfindliche Oberfläche einer Bildröhre umfaßt.

7. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, worin der gepulste Strahl von der Laserguelle (1) eine Dauer in der Größenordrung von Piko-Sekunden aufweist.

8. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Befestigungsplatte (132) umfaßt, an der der Gegenstand befestigt ist und die mit zwei Achsen von rechtwinkligen, dreidimensionalen Koordinaten drehbar und längs der verbleibenden Achse verschiebbar ist.