DE3876435T2

DE3876435T2 - Wellenlaengenunabhaengiges interferometer zur behandlung optischer signale.

Info

Publication number: DE3876435T2
Application number: DE8888902896T
Authority: DE
Inventors: Philip Sutton
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2008-04-01
Also published as: WO1988008121A1; DE3876435D1; JPH02502939A; EP0356443A1; US4991963A; EP0356443B1; JP2596998B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Nachweissysteme und insbesondere auf Systeme zur Verarbeitung von optischen Signalen vor deren Umwandlung.
Das generelle Problem für die meisten elektrooptischen Sensoren ist es, eine möglichst hohe Nachweisempfindlichkeit bei geringer Fehlerrate zu erzielen. Es konnte gezeigt werden, daß die Verarbeitung von optischen Signalen vor deren Umwandlung Informationen über Größe, spektrales Profil, Kohärenz und Klassifikation von Objekten geben kann. UK-A-1 595 587 offenbart Modulationstechniken für die optische Bildtransformation, die eine Verbesserung in der Signalverarbeitung bewirken. Die räumliche Kohärenz eines Objektes im Sichtfeld kann beispielsweise herangezogen werden, um das Objekt vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden. UK-A-8 321 752 offenbart ein schnelles optisches Spektrometer, das die Verwendung von Spektralprofilen zur Unterscheidung von Objekten ermöglicht. Weiterhin wird die Signalverarbeitung vor der Signalumwandlung in UK-A-8 301 403 beschrieben, wobei die zeitliche Kohärenz des aufgenommenen Lichtes gemessen wird. Die Berücksichtigung der zeitlichen Kohärenz des aufgenommenen Lichtes einer Bildszene vor der Umwandlung hat sich als sehr effektiv bei der Unterscheidung von Objekt und Hintergrund erwiesen. Dies trifft auch zu für die Objektgröße und dessen spektrales Profil.
Die bekannten Techniken der Signalverarbeitung vor der Umwandlung sind wellenlängenabhängig und der Erfinder erkannte den Wunsch nach optischer wellenlängenunabhängiger Verarbeitung auf den Gebieten der Holographie, der Geschwindigkeitsmessung, der berührungslosen Untersuchungen, der analytischen Chemie etc.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein wellenlängenunabhängiges Interferometer zu schaffen.
Die Erfindung weist auf:
a) eine Empfängereinrichtung, die elektromagnetische Strahlung, im folgenden Licht genannt, von einem Sichtfeld empfängt;
b) eine Strahlteilereinrichtung, die das Licht in zwei Strahlen aufteilt;
c) eine Überlagerungseinrichtung, welche die beiden Strahlen überlagert und
d) eine Beugungseinrichtung, die im Strahlengang nur eines der beiden Strahlen ist und eine wellenlängenabhängige Ablenkung bewirkt.
In einem Aufbau kann die Beugungseinrichtung ein Transmissions-Beugungsgitter sein.
In einem zweiten Aufbau kann die Beugungseinrichtung ein Reflexionsgitter sein.
Vorzugsweise bilden die Strahlteilereinrichtung b) und die Überlagerungseinrichtung c) ein Mach-Zehnder-Interferometer. Bei kohärentem Licht sind in einem konventionellen Mach-Zehnder-Interferometer die Abstände der Interferenzstreifen in der Interferenzebene umgekehrt proportionall zur Wellenlänge. Bei Verwendung eines solchen Interferometers zum Nachweis von kohärentem Licht einer beliebigen Wellenlänge ist ein "breitbandiger" Detektor nötig, der einen großen Bereich von Streifenabständen erfaßt. Die vorliegende Erfindung erlaubt jedoch die Verwendung eines auf einen vorgegebenen Streifenabstand eingestellten Detektors. Daher kann eine bewegliche Strichplatte vor dem Detektor aufgebaut werden, um ihn damit auf ein bestimmtes Streifenmuster einzustellen.
Vorzugsweise ist die Beugungseinrichtung so beschaffen, daß das Licht in einer einzelnen Beugungsordnung maximal wird und somit der Verlust an optischer Energie minimiert wird.
Die Erfindung wird im folgenden in Beispielen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, von welchen:
Fig. 1 ein konventionelles Mach-Zehnder-Interferometer darstellt;
Fig. 2 die wellenlängenabhängige Ablenkung durch ein Transmissions-Beugungsgitter darstellt;
Fig. 3 ein modifiziertes Mach-Zehnder-Interferometer entsprechend der Erfindung darstellt;
Fig. 4 die überlappenden Wellenfronten auf der Interferenzebene in Fig. 3 darstellt;
Fig. 5 einen experimentellen Aufbau zum Testen der Erfindung darstellt;
Fig. 6 das Auftreten von verschiedenen Beugungsordnungen in der Interferenzebene darstellt und
Fig. 7 ein alternatives Interferometer mit Reflexionsgitter zeigt.
Heutzutage basiert die Verarbeitung zeitlicher Kohärenz auf Zweistrahlinterferometern, wie offenbart in Japanese Journal of Applied Physics, Band 23, Nr. 1, Teil 1, Januar 1984, Tokio, Japan: Y. Kokubun et al. : "Wave aberration testing system for micro-lenses by shearing interference method", S. 101-104, oder in US-A-4 653 921, da solche Aufbauten sehr einfach nach der klassischen Kohärenztheorie aufgebaut werden können. Ein typisches (und nützliches) Interferometer ist das Mach-Zehnder-Interferometer in Fig. 1. Das einfallende Licht 10 wird durch den Strahlteiler BS1 in zwei Strahlen 11 und 12 aufgespalten und durch den Strahlteiler BS2 wieder überlagert. Der Strahlteiler BS2 bildet zwei Interferenzebenen IP1 und IP2 mit jeweils umgedrehter Phase.
Das Interferometer kann so aufgebaut werden (durch Hinzufügen von Komponenten im einen oder anderen Strahlengang oder durch Drehen der Spiegel und Strahlteiler), daß sich unterschiedliche Weglängen ergeben. Wenn die optische Weglänge des Strahlengangs 1 P1 ist und die des Strahlengangs 2 P2, dann ergibt sich die Weglängendifferenz δP
δP= P1 - P2 ..... (1)
Für Licht der Wellenlänge λ ist die Phasendifferenz δ zwischen den beiden Strahlengängen gegeben durch
δ = 2πδP/λ ..... (2)
In der Interferenzebene IP1 in Fig. 1 ist δP (und daher auch nach Gleichung (2) δ ) eine Funktion des Ortes (x, y) in der Ebene.
Sehr oft ergibt sich die Ablenkung nach
δP = K x ..... (3)
wobei K eine Konstante ist, die durch den Ablenkungswinkel beispielsweise des Spiegels M1 oder M2 gegeben ist.
Das Intensitätsprofil von Interferenzstreifen bei monochromatischem Licht ist gegeben durch
I(x) = A [1 + cos(δ )]
wobei A eine Konstante ist, die von der Intensität der Quelle, der optischen Transmission und der Geometrie abhängt.
Aus Gleichungen (2) und (3) erhalten wir
Daher ist die Raumfrequenz des Interferenzmusters (d. h. der Abstand der Streifen) wellenlängenabhängig und die Zahl M der Streifen innerhalb eines Bereiches xo ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (3) zu
M =δ /2π=δP/λ=K xo/λ ..... (5)
Die vorliegende Erfindung nutzt die Wellenlängenabhängkeit der Ablenkung, um zu einem wellenlängenunabhängigen Streifenabstand zu kommen. Die Erfindung wird im folgenden aus Gründen der Übersichtlichkeit mit Bezug auf einen eindimensionalen Aufbau beschrieben. Gleichwohl kann die Erfindung auch bei komplexeren zweidimensionalen Aufbauten Anwendung finden.
Fig. 2 zeigt, wie die wellenlängenabhängige Ablenkung mit einem Transmissionsbeugungsgitter der Gitterkonstante d erreicht werden kann. Der Ablenkungswinkel α wird dabei gegeben durch
sinα = L/d ..... (6)
wobei L die Weglängendifferenz zwischen den benachbarten Strahlen 20 und 21 ist.
Die Bedingung für konstruktive Interferenz erfordert
L = n λ
wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist und n eine ganze Zahl ist, die die Beugungsordnung angibt. Aus Gleichung (6) folgt dann
sin α = n λ/d ..... (7)
Die einfachste Art eine wellenlängenabhängige Ablenkung in einem Interferometer zu erzielen ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei ist der Übersichtlichkeit wegen nur eine Interferenzebene IP1 des modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers gezeigt.
Bei diesem Aufbau ist jedoch ein Transmissionsbeugungsgitter 30 im Strahlengang 12 aufgebaut. Dieses führt zu einer Ablenkung dieses Strahls um den Winkel α.
Fig. 4 zeigt, wie die Wellenfronten 40 und 41 der Strahlen 11 und 12 aus Fig. 3 sich in der Interferenzebene überlappen. Hierbei ist der Vereinfachung der Erläuterung wegen nur eine Beugungsordnung gezeigt. Aus Fig. 4 ergibt sich, daß über die Länge D eines Bereiches die maximale Phasenabweichung m gegeben ist durch
m =2πW/λ ..... (8)
Die Zahl M der Streifen in diesem Bereich ist
M = m/2π = W/λ ..... (9)
Ebenso ergibt sich aus der Figur
W = D sinα ..... (10)
Zusammengefaßt ergibt sich aus den Gleichungen (9), (10) und (7)
Danach ist die Zahl der Streifen pro Einheitslänge vollständig unabhängig von der Wellenlänge.
Ein Laboraufbau ähnlich dem in Fig. 3 für die Verifizierung des Prinzips der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Es wurden zwei Lichtquellen verwendet, ein Helium-NeonLaser 50 (rotes Licht bei 633 nm) und ein Argon-Ionenlaser 51 (blaues Licht bei 488 nm).
Die Strahlen der Laser 52 und 53 wurden aufgeweitet und dann mit einem Strahlteiler 54 überlagert. Eine weitere Aufweitung 55 stellte sicher, daß die Strahlen die ganze Eingangsblende 56 des modifizierten Mach-Zehnder Interferometers 57 gleichmäßig ausleuchteten. Der Ausgangsstrahl 58 des Mach-Zehnder-Interferometers wurde mit der Linse 59 aufgeweitet, um die Streifenstruktur zu vergrößern, welche mit einer TV-Kamera 60 und einem Monitor 61 beobachtet wurden. Fig. 6 zeigt das Auftreten von verschiedenen Beugungsordnungen 62 bis 64 usw. in der Interferenzebene, wie sie mit der TV-Kamera 60 aufgenommen wurden.
Ziel war es, die Streifenabstände für rotes und blaues Licht zu vergleichen. Aus Gleichung (5) ergibt sich, daß für ein nichtwellenlängenkompensiertes Interferometer das Verhältnis der Zahl blauer Streifen (Mb) zu roten Streifen (Mr) über eine bestimmte Länge der TV-Kameraröhre einfach gegeben ist durch
Mb/Mr=λr/λb
wobei λr und λb die Wellenlänge des roten bzw. des blauen Lichtes ist.
Daraus ergibt sich
Mb/Mr=λr/λb=633/488 = 1,30 ..... (12)
Für den wellenlängenkompensierenden Aufbau in Fig. 5 sollte das Verhältnis Mb/Mr eins sein.
Während des Experimentes mußten die roten und blauen Streifen separat beobachtet werden, um Verwirrung beim Zählen zu vermeiden. Dies wurde erreicht durch den Einbau eines blauen Spektralfilters über der TV-Röhre und eines roten Filters unter der TV-Röhre. Somit zeigte der TV-Monitor simultan zwei Gruppen von Streifen.
Das experimentelle Vorgehen war zunächst, das Interferometer ohne das Gitter aufzubauen, um die richtige Justierung aller Komponenten zu ermöglichen.
Bei diesem Aufbau wurden keine Interferenzstreifen beobachtet, da das Licht beider Laser mit parallelen Wellenfronten (d. h. keine Ablenkung) abgebildet wurde. Dann wurde das Gitter eingebaut, so daß ein Beugungsbild ähnlich dem in Fig. 6 für jede Farbe erzeugt wurde. Der Radius der Blende 56 wurde verkleinert, um sicherzustellen, daß verschiedene Beugungsordnungen nicht überlappten (damit wurden Interferenzen zwischen verschiedenen Ordnungen vermieden). Die stärksten Ordnungen waren bei weitem die nullte Ordnung (62) und die erste Ordnung (63). Der Abstand b der Ordnungen ist eine lineare Funktion der Wellenlänge und damit war der Abstand zwischen erster und nullter Ordnung bei rotem Licht größer. Jedoch überlappten die ersten Ordnungen des roten und blauen Lichtes ausreichend, um beide mit der TV-Kamera gleichzeitig beobachten zu können.
Während des Experimentes wurde das Verhältnis Mb/Mr per Auge auf dem TV-Monitor bestimmt zu
Mb/Mr=20±1/19±1=1,05 ± 0,07 ..... (13)
Aus Gleichung (13) ergibt sich, daß innerhalb der Meßgenauigkeit das Verhältnis Mb/Mr eins ist und damit das Prinzip der Erfindung bestätigt ist.
Es ist selbstverständlich wünschenswert, die optische Leistung effizient in eine einzelne Beugungsordnung abzulenken. Dieses kann erreicht werden unter Verwendung eines holographischen Spiegels 70 anstelle eines Beugungsgitters, wie in Fig. 7 gezeigt. Dies hat die folgenden Vorteile:
(i) Durch Verbindung des Gitters und des Spiegels wird die Zahl der Komponenten verringert und damit eine Verringerung der Größe und folglich eine größere Robustheit erreicht.
(ii) Die Verwendung von holographischen optischen Elementen kann dazu führen, daß die Leistung effizient in eine einzelne Beugungsordnung einfließt.
Um das Licht effizient zu nutzen, muß man weiterhin die Art beachten, in welcher sich die Position der gebeugten Strahlen auf der Interferenzebene mit der Wellenlänge ändert, wobei von dem Aufbau in Fig. 5 ausgegangen wird. Das Licht der ungebeugten Strahlen muß die gesamte Interferenzebene beleuchten, auf der gebeugtes Licht auftreffen kann.
Daher muß der ungebeugte Strahl sehr stark aufgeweitet werden. Da die Interferenzstreifen nicht an einen bestimmten Bereich gebunden sind, kann man Transferoptiken verwenden, um unabhängig von der Lage der Interferenzstreifen zu werden.
Augenglicklich laufende Berechnungen zeigen, daß ein konstanter Streifenabstand leicht über einen breiten Bereich von Eingangswinkeln (± 30º) beibehalten werden kann, womit die Beobachtung eines großen Sichtfeldes ermöglicht wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß für eine bekannte Raumfrequenz von Streifen (d. h. für den Fall mit schmalbandiger Raumfrequenz) einfache Streifenerkennungstechniken verwendet werden können, welche die gesamte Signalenergie ausnutzen, was zu einem maximalen Signal/Rausch-Verhältnis führt. Im Vergleich dazu läßt der Stand der Technik, wo Streifenabstände unbekannt sind und folglich das System breitbandig ist, mehr Rauschen zu.
Obwohl diese Beschreibung sich nur auf Licht bezieht, kann die Erfindung auch bei Radiofrequenzen eingesetzt werden.
Wie in bezug auf Fig. 1 angedeutet, gibt es zwei komplementäre Interferenzebenen IP1 und IP2 im Mach-Zehnder-Interferometer. Folglich kann bei dieser Erfindung in Zusammenhang mit diesem Interferometer ein zweiter Kanal zur Erfassung verwendet werden, wodurch sich die Verarbeitungsleistung des Systems verbessern läßt.

Claims

1. Wellenlängenunabhängiges Interferometer zur optischen Signalverarbeitung, das aufweist.

a) eine Empfängereinrichtung, die elektromagnetische Strahlung (10), im folgenden Licht genannt, von einem Sichtfeld empfängt;

b) eine Strahlteileinrichtung (BS1), die das Licht in zwei Strahlen (11, 12) aufspaltet;

c) eine Übertragungseinrichtung (BS2), welche die beiden Strahlen überlagert, und

d) eine Beugungseinrichtung (30, 70), die im Strahlengang nur eines der beiden Strahlen eingeschaltet ist und eine wellenlängenabhängige Ablenkung derart bewirkt, daß der Streifenabstand der Streifen des Interferenzmusters wellenlängenunabhängig ist.

2. Interferometer nach Anspruch 1, bei dem die Beugungseinrichtung ein Transmissionsbeugungsgitter (30) ist.

3. Interferometer nach Anspruch 1, bei dem die Beugungseinrichtung ein Reflexionsgitter (70) ist.

4. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strahlteileinrichtung b) (BS1) und die Überlagerungseinrichtung c) (BS2) ein Mach-Zehnder-Interferometer bilden.

5. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Detektor (59, 60, 61) aufweist, der für einen vorgegebenen Streifenabstand empfindlich gemacht wird.

6. Interferometer nach Anspruch 5, bei dem eine bewegbare Strichplatte vor dem Detektor (59, 60, 61) angeordnet ist, um den Detektor für das Strichmuster empfindlich zu machen.

7. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beugungseinrichtung (30, 70) so ausgebildet ist, daß sie das Licht in einer einzelnen Beugungsordnung maximiert, um damit den Verlust an optischer Energie zu minimieren.