DE4408540C1 - Anordnung zur optischen Autokorrelation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Autokorrelation von Aufnahmen der "Laser-Speckle Photography" (LSP) oder "Particle Image Velocimetry" (PIV) durch Anwendung der optischen Fouriertransformation.

Für die genaue Bestimmung des Verformungszustandes von Oberflächen wird bekannterweise die "Laser-Speckle Photography" (LSP) angewandt. Dabei wird die zu untersuchende Oberfläche mit einem aufgeweiteten Laserstrahl bestrahlt. Mit Hilfe eines Fotoapparates wird die derart beleuchtete Oberfläche auf Filmmaterial abgebildet. Im Ergebnis eines ersten Belichtungsimpulses entsteht auf dem Fotomaterial ein entsprechendes Speckle-Muster. Bewegt oder verformt sich die Oberfläche nach der ersten Belichtung, wird mit Hilfe eines zweiten Laserbelichtungsimpulses das entsprechend veränderte Laser-Speckle-Muster auf den gleichen Film aufgezeichnet. Im Ergebnis dieser Doppelbelichtung ergibt sich auf dem entwickelten Filmmaterial ein Muster von Speckle-Punkten. Dabei geben der Abstand und die Richtung zweier benachbarter Punkte die Größe der Oberflächenveränderung an. Wird die Verschiebung der Speckle schrittweise über die Filmfläche ermittelt, können das zweidimensionale Deformationsprofil oder die Verschiebevektoren der Oberfläche ermittelt werden. Eine genaue Beschreibung der Methode ist von Sirohi (Speckle Merology, Marcel Dekker Inc. New York, Basel, Hong Kong (1993)) oder von Lauterborn (Kohärente Optik: Grundlagen für Physiker und Ingenieure, Berlin, (1993)) dargelegt.

Ähnliche Punktbilder ergeben sich bei der Untersuchung von Strömungsgeschwindigkeiten und ihrer zweidimensionalen Verteilung. Die unter der Bezeichnung "Particle Image Velocimetry" (PIV) bekannte Meßmethode basiert auf folgendem Grundprinzip: Der Strömung werden kleine Partikel zugesetzt, so daß diese Partikel der Strömung folgen können. Belichtet man die zu untersuchende Strömung durch einen Laserlichtschritt, ergeben sich durch Doppelbelichtung Punktbilder auf dem Fotomaterial. Der Abstand und die Richtung benachbarter Punkte charakterisiert den Geschwindigkeitsvektor an der entsprechenden Stelle. Ist der Abstand zwischen den Belichtungsimpulsen des Lasers bekannt, kann die absolute Geschwindigkeit gemessen werden. Bestimmt man die genannten Abstände und Richtungen zwischen den Bildpunkten durch Abrastern des Filmmaterials, ergibt sich ein entsprechendes Netz von zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren. Diese Methode wird von Adrian (Particle-Image Techniques for Experimental Fluid Mechanics, Annu. Rev. Fluid Mech., 23, 261-304 (1991)) oder auch von Kurada et al. (Particle-imaging techniques for quantitative flow visualization: a review, Optics & Laser Technology, 25, 219-232, (1993)) ausführlich beschrieben.

Für die Analyse der genannten fotografischen Vorlagen muß wie beschrieben eine schrittweise Ermittlung der Punktverschiebungen erfolgen. Bei einer maximalen Größe der fotografischen Vorlage von z. B. 10×7 cm ergeben sich bei einem Abstand von ca. 0,5 mm zwischen den Operationseinheiten 28 000 zu untersuchende Bildfelder auf der Fotovorlage. Selbst bei einem Kleinbildfilm mit einem Format 24×36 mm sind es noch 3456 zu analysierende Operationseinheiten. Damit ist eine langwierige Auswertung der Fotomaterialien gegeben. Ziel verschiedener Arbeiten ist es, die Auswertezeiten zu reduzieren.

Die allgemeine Herangehensweise bei der Bestimmung der Abstände von Teilchenbildpaaren basiert auf der Berechnung der Autokorrelationsfunktion. Ein schnelleres Verfahren ergibt sich bei der Nutzung der Fouriertransformation. Im Ergebnis der ersten Fouriertransformation des Teilchenbildes und anschließender Betragsquadratbildung ergeben sich die Young'schen Streifen. Durch eine weitere Fouriertransformation des Young'schen Streifenmusters erhält man die Autokorrelationsfunktion. Diese Funktion ist zweidimensional und besteht im Idealfall aus drei Maxima in der Amplitudenverteilung. Die Koordination der genannten Beugungsordnungen geben Richtung und Betrag der mittleren Verschiebung der Teilchen in der jeweiligen Operationseinheit auf der Filmvorlage an.

Farrell beschreibt in EP 04 22 212 A1 (WO 90/130 36) einen optischen Korrelator zur Analyse von PIV- Aufnahmen. Dabei wird das Young'sche Streifenmuster mit einer CCD-Kamera aufgenommen und in ein elektrisch adressierbaren Spatial Light Modulator (Flüssigkristall-SLM) eingeschrieben. Danach erfolgt die zweite Fouriertransformation auf optischem Wege. Der Flüssigkristall-SLM dient als reversibler Bildspeicher. Er wird mit einem Laserstrahl beleuchtet, so daß mit einer zweiten CCD-Kamera die Autokorrelationsfunktion registriert wird und sich eine Suche der Koordinaten der Beugungsordnungen anschließt. Der Nachteil dieser Anordnung ist der große gerätetechnische Aufwand. So sind zwei Kamerasysteme mit entsprechenden elektronischen Steuereinheiten zur Bildaufnahme und Wiedergabe an den matrixförmigen Spatial Light Modulator bzw. einen Computer zur Detektion der Koordinaten der Beugungsordnungen notwendig. Der Einsatz von Flüssigkristallmatrixdisplays aus handelsüblichen TV's als elektrisch adressierbaren Spatial Light Modulator zwingt wegen der großen Abmessungen der Flüssigkristall-SLM (einige cm Diagonale) zur Verwendung von Objektiven mit großen Aperturen. Diese optischen Systeme sind wegen ihrer großen Abmessungen störanfällig und kostenintensiv. Der durch Kompenhands et al (Eight International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, October 15-20, 1989, Orlando, USA) beschriebene Einsatz eines Faraday-Flüssigkristall-SLM mit einer Pixelauflösung von 48×48 führt zu geringen Genauigkeiten bei der Auswertung der Young'schen Streifen und hat somit die für die digitale Fouriertransformation mit geringer Pixelzahl beschriebenen Nachteile.

Durch Coupland und Halliwell (Automated Optical Analysis of Young's Fringes- Optical Autocorrelator, Opt. & Laser Eng., 14., 351-361, (1991) und Particle imaging velocimetry: rapid transparency analysis using optical correlation, Appl. Opt., 27, 1919-1921, (1988)) wird ein automatischer optischer Korrelator beschrieben, welcher an Stelle des elektrisch adressierbaren Flüssigkristall-SLM einen optisch adressierbaren Flüssigkristall-SLM verwendet. Dieser Flüssigkristall-SLM steht in der bildseitigen Brennebene eines ersten Fouriertransformationsobjektives, so daß die Young'schen Streifen auf den Flüssigkristall-SLM abgebildet werden. Der aus einem BSO-Kristall (bismut silicon oxide) bestehende Flüssigkristall-SLM ändert seine optische Aktivität entsprechend der aufprojizierten Belichtungsintensität. Mit einem zweiten Laser kann diese Änderung der optischen Aktivität rekonstruiert werden. Mit Hilfe einer zweiten Fouriertransformationsanordnung erfolgt die optische Autokorrelation, so daß nur eine CCD-Kamera zur Peakdetektion in der Autokorrelationsebene notwendig ist. Der Nachteil der Anordnung besteht in den großen Schaltzeiten des BSO-Flüssigkristall-SLM. So betragen die Relaxationszeiten der optischen Antwort des Flüssigkristall-SLM ca. 0,5 bis 1 s, was eine wesentliche Verringerung der Auswertezeit der PIV- oder LSP- Aufnahmen nicht ermöglicht. Weiterhin ist ein leistungsstarker Laser für die einschreibseitige Aktivierung des BSO Kristalles, sowie eine Spannungsversorgung des BSO-Flüssigkristall-SLM mit etwa 2 bis 10 kV notwendig, was sich für den praktischen Gebrauch nachteilig auswirkt.

Sharpe und Johnson (Particle image velocimetry fringe processing using an optically addressed spatial light modulator, Appl. Opt., 31, 7399-7402 (1992)) beschreiben den Einsatz eines optisch adressierten Flüssigkristall-SLM mit einer ferroelektrischen Flüssigkristallschicht (FLC). Der verwendete Flüssigkristall- SLM besteht aus einem Sandwichsystem "Fotohalbleiter-FLC". Der Nachteil des verwendeten Flüssigkristall-SLM ist die Modulation des Ausleselichtes mit zwei für ferroelektrische Flüssigkristalle typischen Moleküllagen. Daraus resultiert eine Binarisierung der Young'schen Streifen. Die zweite Fouriertransformation erfolgt mit reduziertem Dateninhalt und führt folglich zu einer ungenaueren Autokorrelationsfunktion. Der daraus resultierende Nachteil ist die Verschlechterung der Meßgenauigkeit der optischen Autokorrelationsanordnung.

Gleiches gilt für die von Mao, Halliwell und Coupland in "Particle imaging velocimetry, high-speed transparency scanning and correlation-peak location in optical processing systems" (Appl. Opt., 32, 5089-5091, (1993)) beschriebenen Anordnung mit einem FLC-Flüssigkristall-SLM.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach herstellbare und genaue elektrooptische Anordnung zur optischen Korrelation von PIV und LSP - Filmmaterialien bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, daß für die genaue und schnelle Peakdetektion von Teilchenbildern, wie sie im Ergebnis einer Doppelbelichtung bei der Laser-Speckle Photography oder der Particle Image Velocimetry entstehen, die optische Realisierung der Autokorrelation sinnvoll ist. Eine derartige Anordnung besteht im wesentlichen aus einem reversiblen Bildspeicher, der zur Aufzeichnung der Young'schen Streifen dient und gleichzeitig eine Transformation der Intensitätsverteilung der Young'schen Streifen in eine zweidimensionale Änderung der optischen Eigenschaften eines Mediums vollzieht, so daß ein zweiter Laserstrahl daran gebeugt werden kann und eine weitere Fouriertransformation optisch realisierbar ist.

Das Erreichen einer hohen Genauigkeit bei der Peakdetektion setzt ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis in der Autokorrelationsebene voraus. Das Signal- Rausch-Verhältnis wird dabei durch die Intensität der +/-1. Beugungsordnungen bestimmt, da diese den Abstand und die Ausrichtung der Young'schen Streifen charakterisieren. Eine hohes Signal-Rausch-Verhältnis muß dabei für verschiedene Bildvorlagen mit unterschiedlichem und wechselndem Kontrast der Teilchenpaare auf der fotografischen Aufnahme gegeben sein. Für die Gewährleistung kleiner Verarbeitungszeiten muß die Zahl der Regelkriterien bzw. ihre Zeitkonstanten gering sein.

Erfindungsgemäß wird das durch die Verwendung eines optisch adressierbaren Flüssigkristall-SLM realisiert. Dabei besteht der Flüssigkristall-SLM aus einem photoempfindlichen Halbleiter, einem dielektrischen Spiegel und einer Flüssigkristallschicht. Die Flüssigkristallschicht stellt gemäß der Erfindung einen einachsigen doppelbrechenden Kristall dar, das Ausleselicht ist linear polarisiert und verläuft zur Achse des außerordentlichen Brechungsindex parallel. Für solche phasenmodulierenden Medien ist die Beugungseffektivität größer als für analoge Amplitudenmodulationen, wie sie mit Hilfe von Polarisatoren in z. B. LC- Displays zur Informationswiedergabe verwendet werden.

Vorteilhaft ist die Verwendung eines nematischen Flüssigkristalls mit positiver dielektrischer Anisotropie mit planarer, unvertwisteter Orientierung. Solche Flüssigkristalle sind allgemein bekannt (vgl. D. Demus, H. Zaschke, Flüssige Kristalle in Tabellen Bd. 1 (1974), Bd. 2 (1984), Leipzig). Bevorzugt sind Mischungen mit einer großen optischen Anisotropie des Brechungsindexes.

Vorteilhaft wird ein Flüssigkristall-SLM verwendet, welcher eine bestimmte Empfindlichkeitsverteilung bezüglich des Einschreibelichtes aufweist. Dabei sollte die Empfindlichkeit im Zentrum des Flüssigkristall-SLM am geringsten sein und nach außen zentralsymmetrisch zunehmen. Von Vorteil ist die Realisierung einer Empfindlichkeitsverteilung mit einem Verlauf, umgekehrt proportional zur Intensitätsverteilung eines Airy-Scheibchens, wie sie sich im Ergebnis der Beugung des Einschreibelaserlichtes an nur einem Teilchen oder Speckle ergibt.

Die vorteilhafte Empfindlichkeitsverteilung des erfindungsgemäß verwendeten Flüssigkristall-SLM wird durch eine reziproke Gaußverteilung charakterisiert. Mit Hilfe des derart gestalteten Flüssigkristall-SLM ergibt sich eine beträchtliche Vergrößerung der Beugungseffektivität bei der Projektion der Young'schen Streifen auf den Flüssigkristall-SLM. Bekannterweise stellen die Young'schen Streifen im einfachsten Falle die Fouriertransformierte eines Paares von Kreisfunktionen dar, welche eine radialsymmetrische kosinusförmige Intensitätsmodulation eines Airy-Scheibchens widerspiegeln.

Würde nun ein Flüssigkristall-SLM mit einer gleichförmigen Empfindlichkeitsverteilung verwendet, ergäbe sich ein zentraler Teil mit einer hinreichend großen Belichtungsintensität. Alle nach außen verlaufenden Teile werden durch eine geringere Belichtungsintensität beaufschlagt, so daß der Flüssigkristall in diesen Teilen nicht oder nur sehr gering aktiviert wird und demzufolge nicht oder nur wenig zur Beugung des ausleseseitigen Lichtes beiträgt. Als Ergebnis ist in der Autokorrelationsebene der Anteil des ungebeugten Lichtes im Vergleich zur Intensität der informationstragenden +/- 1. Beugungsordnungen zu groß.

In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung wird ein Flüssigkristall- SLM mit einer radialsymmetrischen Empfindlichkeitsverteilung beschrieben. Dadurch wird der bestehende Intensitätsabfall des modulierten Airy-Scheibchens durch eine entsprechende Empfindlichkeitsverteilung ausgeglichen. Es ergibt sich eine gleichmäßige Aktivierung des Flüssigkristalles über die gesamte aktive Fläche des Flüssigkristall-SLM und eine beträchtliche Vergrößerung der Beugungseffektivität und einer folglichen Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses.

Bei der Belichtung des Filmmaterials im Ergebnis einer Doppelbelichtung ist mit einer ungleichmäßigen Schwärzung des Filmmaterials in Folge von Reflexen oder anderen objektbezogenen Gegebenheiten zu rechnen. Diese Kontraständerungen dürfen sich nicht störend auf die Genauigkeit der Peakdetektion auswirken.

Erfindungsgemäß wird dieser Sachverhalt durch eine filmabhängige Empfindlichkeitssteuerung des Flüssigkristallbildwandlers realisiert. Für diesen Zweck ist in den ausleseseitigen Strahlengang ein Strahlteiler eingefügt, welcher zur Auskopplung eines Teiles des Auswertelichtes dient. Mit einer entsprechenden Linse wird die zentrale Beugungsordnung auf einen Punktempfänger abgebildet. Dieser dient zur Messung der Intensität der 0-ten Beugungsordnung. Mit Hilfe eines Steuergliedes wird die Ansteuerfrequenz und/oder die Ansteuerspannung des Flüssigkristall-SLM so variiert, daß eine minimale Intensität der 0-ten Beugungsordnung erreicht wird. Für diesen Zweck ist die Steuereinheit mit der Ansteuereinheit des Flüssigkristall-SLM verbunden. Von Vorteil ist die Änderung der Ansteuerfrequenz des Flüssigkristall-SLM, da bei Variation der Frequenz keine Veränderung der Lage des Arbeitspunktes auf der Phasen-Intensitäts-Kennlinie des Flüssigkristall-SLM erfolgt. Im Ergebnis dessen folgt der Flüssigkristall-SLM schnell den veränderten Belichtungsverhältnissen. Die Regulierung der Frequenz erlaubt somit eine schnelle Anpassung der Empfindlichkeit des Flüssigkristall-SLM an die jeweilige, durch die Filmvorlage vorgegebene Intensität der Young'schen Streifen.

Erfindungsgemäß erfolgt das Belichten des Flüssigkristall-SLM mit den Young'schen Streifenmustern und das Auslesen des Flüssigkristall-SLM zur zweiten Fouriertransformation mit kohärentem linear polarisiertem Licht, wobei die Polarisationsrichtung des Ausleselichtes wie erwähnt parallel zum außerordentlichen Brechungsindex des Flüssigkristalls verläuft und die Polarisationsrichtung des Einschreibelichtes senkrecht zu dieser genannten Richtung verläuft. Diese Maßnahme dient in Folge einer teilweisen Transmission des Flüssigkristall-SLM zur Unterdrückung des Einflusses des Einschreibelichtes auf die Peakdetektion. Auf Grund der unterschiedlichen Polarisation der Lichtquellen kann das den Flüssigkristall-SLM durchdringende Restlicht der Einschreibelichtquelle mit Hilfe eines entsprechenden Polarisationsfilters vor der Kameraeinheit abgeblockt werden. Damit ist eine Überlagerung des Einschreiberestlichtes mit der Intensitätsverteilung des Ausleselichtes in der Autokorrelationsebene ausgeschlossen. Ergebnisse von Untersuchungen zeigen, daß diese Maßnahme besonders bei der Analyse von Originalfilmmaterialien, d. h. keinen speziell umkopierten Negativen, eine wichtige Quelle für die Verbesserung der Detektionssicherheit ist. Gleichzeitig kann damit in vielen Fällen das Umkopieren der Aufnahmen entfallen, wodurch eine beträchtliche Zeiteinsparung und Vereinfachung der Analyse von PIV- bzw. LSP-Aufnahmen realisiert wird. Erfindungsgemäß kann zur Unterdrückung des Einflusses des genannten Restlichtes in der Autokorrelationsebene, hervorgerufen durch eine Resttransmission des Flüssigkristall-SLM, mit Laserlichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge gearbeitet werden. Dabei wird zur Unterdrückung des Restlichtes der Einschreibelichtquelle in den Auslesestrahlengang ein optisches Filter eingeführt, welches das Ausleselicht passieren läßt und für das Einschreibelicht dagegen undurchlässig ist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, die Filmaufnahmen von LSP- oder PIV-Mustern genauer als bisher auszuwerten, indem das Signal- Rausch-Verhältnis bei der Verarbeitung der Young'schen Streifenmuster deutlich verbessert wird. Das geschieht ohne Einbußen bei der Verarbeitungsgeschwindigkeit.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen zur optischen Autokorrelation von LSP- und/oder PIV-Fotografien näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschema eines optischen Autokorrelators

Fig. 2 einen Querschnitt eines Flüssigkristall-SLM

Fig. 3 eine Empfindlichkeitsverteilung eines Flüssigkristall-SLM für die Fouriertransformation von Young'schen Streifen mit hohem Signal- Rausch Verhältnis

Beispiel 1

In Fig. 1 ist eine elektrooptische Anordnung zur optischen Autokorrelation von Teilchenbildern gezeigt.

Diese Anordnung weist einen Flüssigkristall-SLM 10 auf, dessen Querschnitt in Fig. 2 und dessen Empfindlichkeitsverteilung in Fig. 3 näher dargestellt ist.

Die Flüssigkristallschicht 14 wird z. B. durch Reiben zweier Orientierungsschichten 18 an den Grenzflächen ausgerichtet. Bevorzugt werden Polyimidschichten. Diese werden durch zentrifugieren aus Lösungsmitteln auf die Substrate aufgebracht und anschließend bei einer Temperatur von ca. 200°C getempert. Als Beispiel sei das Polyimid von Du Pont PI 2734 genannt. Erfolgt das Reiben parallel an den gegenüberliegenden Grenzflächen, ergibt sich nach Füllung eines entsprechenden Spaltes mit einem Flüssigkristall mit einer dielektrischen Anisotropie <0 eine flüssigkristalline Schicht, die wie ein einachsiger doppelbrechender Kristall beschrieben werden kann. Vorzugsweise werden nematische Flüssigkristalle mit einer großen Anisotropie (Brechungsindexunterschied Δn) verwendet. Dazu zählen z. B. die Mischungen TN403 von Hoffmann-La Roche mit einem Δ=0,258 oder die Mischung TN8467 mit Δn=0,2078. Die Richtung des außerordentlichen Brechungsindexes n_e ist durch die Reiberichtung eindeutig definiert. Der außerordentliche Brechungsindex n_e ist bekannterweise spannungsabhängig, so daß eine gesteuerte Phasenmodulation des Ausleselichtes möglich ist. Ist die Polarisationsrichtung des Lichtes parallel zum außerordentlichen Brechungsindex n_e ergeben sich für die genannten Mischungen bei typischen Stärken der Flüssigkristallschicht 14 von ca. 8 µm und einer Wellenlänge von z. B. 550 nm maximal erreichbare Phasenhübe von 6 bis 8 π. Für das Erreichen von großen Beugungseffektivitäten an Phasenstrukturen ist bekannterweise ein Phasensprung von nur ca. 1 bis 2 π notwendig, so daß der Arbeitspunkt bei der Phasenmodulation mit Hilfe eines Flüssigkristalles in den hinteren Teil der Brechungsindex-Spannungskennlinie gelegt werden kann. Dieser Sachverhalt führt zu kleinen Schaltzeiten des Flüssigkristalls und ist Voraussetzung für hohe Verarbeitungsraten. Typischerweise wird der beschriebene Flüssigkristall-SLM 10 mit einer Ansteuerspannung von 3 bis 6 V und Ansteuerfrequenz von etwa 70 bis 200 Hz betrieben, woraus sich eine an der Flüssigkristallschicht 14 anliegende effektive Vorspannung von ca. 2 bis 3 V ergibt. Damit sind die Flüssigkristallmoleküle in einer angekippten Lage und können schnell auftretenden Spannungsänderungen in Folge einer Änderung der Intensität der Young'schen Streifen folgen. In einer derartigen Arbeitsweise beträgt die Bildwiederholrate etwa 25 bis 50 Bilder/Sekunde.

Bei Belichtung mit einer Einschreibeintensität von etwa 20 bis 40 µW/cm² verändert sich die Spannungsaufteilung so, daß eine Phasenmodulation von ca. 1 bis 2 µ erreicht wird.

In einer Sandwich-Struktur aus Photohalbleiter und Flüssigkristall ist es möglich über eine Belichtung des Photohalbleiters eine Änderung des Brechungsindexes als Funktion der Spannung vorzunehmen. Neben einer großen Differenz von außerordentlichen und ordentlichem Brechungsindex n_e zbd n_o spielt die Anpassung der Impedanzen von Flüssigkristall und Photohalbleiter für die belichtungsabhängige Aktivierung des Flüssigkristalles eine entscheidende Rolle. Von Vorteil ist die Verwendung von hochohmigen Photoleitern, wie z. B. amorphem Silizium. Diese Schichten werden in mit einem Plasma-CVD- Verfahren aus Silanverbindungen abgeschieden. Vorteilhafte Parameter der Schichten bezüglich ihrer Impedanzanpassung ergeben sich bei einem Silanpartialdruck von ca. 20 Pa, einer das Plasma erzeugenden Hochfrequenzspannung von ca. 380 V und einer Gleichspannung von ca. 170 V. Die Substrattemperatur liegt bei ca. 250°C.

In einer Sandwich-Struktur aus Fotohalbleiter und Flüssigkristall - wie sie in Fig. 2 für die erfindungsgemäße Anwendung komplett dargestellt ist - ist folglich über die Belichtung des Fotohalbleiters eine Änderung des Brechungsindexes als Funktion der Spannung gegeben. Der erfindungsgemäße Flüssigkristall-SLM 10 trägt mit seinem speziellen Aufbau dem an sich bekannten Sachverhalt Rechnung, daß er einerseits (in Fig. 2 linksseitig) optisch adressiert (eingeschrieben) und andererseits (in Fig. 2 rechtsseitig) optisch ausgelesen wird. Dementsprechend ist zwischen der bereits erwähnten Flüssigkristallschicht 14 (eingebettet in Orientierungsschichten 18) und der photoempfindlichen Schicht 16 ein dielektrischer Spiegel 12 angeordnet, der im wesentlichen Einschreibe- und Ausleselaserlicht aus den Laserlichtquellen 20 und 80 voneinander trennt und ihre gegenseitige Beeinflussung weitgehend einschränkt.

Eine relativ einfache Herstellung einer vorteilhaften Empfindlichkeitsverteilung entsprechend Fig. 3 wird in einem Flüssigkristall-SLM 10 erreicht, der als photoempfindliche Schicht 16 eine hydrogenisierte amorphe Siliziumschicht enthält, welche unter den obengenannten Bedingungen hergestellt wird. Wird diese Schicht mit einer entsprechenden Intensitätsverteilung über eine hinreichend große Zeit bestrahlt, verändert sich lokal je nach Bestrahlungsintensität die Impedanz der a-S:H Schicht. Dabei handelt es sich um irreversible Veränderungen in der a-Si:H Schicht. Ist die Bestrahlungsintensität vergleichbar mit dem Verlauf der Intensitätsverteilung eines Airy-Scheibchens, erfolgt eine analoge Veränderungen der Impedanz der a-S:H Schicht, woraus eine entsprechende Variation der einschreibeseitigen Empfindlichkeit des Flüssigkristall-SLM 10 resultiert. Diese Formierung der Empfindlichkeitsverteilung kann außerhalb der genannten Anordnung durch ein entsprechendes Bestrahlungssystem erfolgen. Der Einbau in die vorliegende Anordnung setzt eine entsprechende Justage des Flüssigkristall-SLM 10 bezüglich der Young'schen Streifen voraus, welche durch entsprechende Justierelemente realisiert werden kann.

Am genauesten läßt sich die rotationssymmetrische Empfindlichkeitsverteilung direkt innerhalb der in Fig. 1 beschriebenen Anordnung herstellen. Dazu wird die a-Si:H Schicht mit dem Laserstrahl, des zum Einschreiben der Bildinformation dienenden Lasers 80, direkt bestrahlt. Bei Verwendung eines He-Ne-Lasers mit einer Wellenlänge von 633 nm, einer Leistung von 5 mW mit einem Strahlquerschnitt von ca. 0,8 mm, wird zur Herstellung des stabilen Empfindlichkeitsprofiles eine Bestrahlungszeit von etwa 2,5 Stunden benötigt. Im Ergebnis der Bestrahlung ergibt sich eine Impedanzveränderung in der a-Si:H Schicht, welche in etwa einer reziproken (gemäß Fig. 3) Gaußverteilung entspricht.

Wird nun in den erwähnten Einschreibestrahlengang die fotografische Vorlage mit entsprechenden Teilchenbildern eingebracht, erfolgt eine Aktivierung des Flüssigkristalls. Dabei überlagert sich die Intensitätsverteilung der Young'schen Streifen mit der reziproken Gaußverteilung der Empfindlichkeit des Flüssigkristall-SLM 10. Im Ergebnis dessen erfolgt eine Aktivierung der Flüssigkristallschicht 14 über den gesamten Bereich der Ausleseoperationseinheit. Damit wird eine hohe Beugungseffektivität und folglich ein hohes Signal-Rausch- Verhältnis erreicht. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die sich aus der genannten Empfindlichkeitsverteilung ergebende Möglichkeit der Nutzung großer Operationseinheiten, womit sich die Anzahl der Streifen im Young'schen Streifenmuster, die der zweiten Fouriertransformation unterzogen werden, erhöht und somit zu einer Verbesserung der Genauigkeit der Peakdetektion führt. Die direkte Formierung der Empfindlichkeitsverteilung innerhalb der optischen Anordnung verlangt kein nachträgliches Justieren des Flüssigkristall-SLM 10 bezüglich der Einschreiblaserlichtquelle 80. Damit vereinfacht sich die technische Ausstattung mit feinfühligen Justierelementen.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 besteht aus einer Ausleselaserlichtquelle 20, einem Polarisator 22, der so orientiert ist, daß die Polarisationsrichtung in der Teilerebene 32 des Strahlteilers 30 liegt und mit der Richtung des außerordentlichen Brechungsindexes 18 des Flüssigkristall-SLM 10 übereinstimmt. Diese Orientierung wird durch entsprechende Ausrichtung des Flüssigkristall-SLM 10 bezüglich der Polarisationsrichtung des Polarisators 22 erreicht. Mit Hilfe eines Fouriertransformationsobjektives 50 wird die optische Fouriertransformation des Young'schen Streifen erzeugt. In der Autokorrelationsebene ist ein zweidimensionaler Sensor, wie z. B. eine CCD- Matrixkamera 60 angeordnet. Dieser dient der Aufnahme der Intensitätsverteilung in der Autokorrelationsebene. In Fig. 1 wird eine konjugierte Ebene zur Autokorrelationsebene mittels einer zusätzlichen Abbildungsoptik 54 auf die CCD-Matrixkamera 60 vermittelt, um eine unkomplizierte Fokussierung zu ermöglichen. Unmittelbar vor der CCD-Matrixkamera 60 befindet sich ein weiteres Polarisationsfilter 24, das parallel zum Polarisator 22 ausgerichtet ist. Mit Hilfe eines zweiten Teilerwürfels 40 erfolgt die Ausblendung eines Teiles des Ausleselichtes auf einen Punktdetektor 70, so daß damit die Intensität des ungebeugten Lichtes gemessen werden kann. Mit Hilfe einer Meßeinheit 72 wird ein Steuersignal ermittelt und an die Ansteuereinheit 74 des Flüssigkristall-SLM 10 weitergegeben. Dabei wird eine solche Ansteuerfrequenz bzw. -spannung eingestellt, welche zur Minimierung der Intensität des ungebeugten Lichtes führt. In der beschriebenen Anordnung wird weiterhin eine Einschreibelaserlichtquelle 80 zur Erzeugung der Young'schen Streifen von einer Filmvorlage 90 mit Hilfe eines zweiten Fouriertransformationsobjektives 52 verwendet. Dabei wird mit Hilfe eines Polarisators 26, der senkrecht zum Polarisationsfilter 24 ausgerichtet ist, eine Trennung der Einschreibe- und Auslesestrahlgänge erreicht.

Beispiel 2

In einer weiteren Ausführungsform der elektrooptischen Anordnung sind die Wellenlänge der Laserlichtquellen 20 und 80 voneinander unterschiedlich, so daß mit einem geeigneten optischen Filter vor der CCD-Matrixkamera 60 das Restlicht, welches, von der Einschreibelaserlichtquelle 80 kommend, den Flüssigkristall-SLM 10 durchdringt, abgeblockt wird. Das optische Filter (in Fig. 1 nicht dargestellt) ist dabei vorzugsweise als Interferenzfilter ausgestaltet.

Beispiel 3

Die Erzeugung einer radialsymmetrischen Empfindlichkeitsverteilung des Flüssigkristall-SLM 10 wird durch Einführung eines entsprechenden Verlaufsfilters (das in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellt ist) in den Einschreibestrahlengang realisiert. Von Vorteil ist dabei die Beschichtung der photoempfindlichen Schicht 16 direkt mit einem das Einschreibelicht absorbierenden Verlaufsfilter, dessen Transmissionsverlauf umgekehrt proportional der Intensitätsverteilung eines Airy-Scheibchens ist.

Claims (6)

1. Anordnung zur optischen Autokorrelation von Filmaufnahmen der Laser- Speckle Photography oder Particle Image Velocimetry, bestehend aus einer Laserlichtquelle, deren Licht die fotografische Aufnahme durchdringt, so daß in der bildseitigen Brennebene eines Fouriertransformationsobjektivs Young'sche Streifenmuster entstehen, einem optisch adressierbaren Flüssigkristall-SLM, auf den das Streifenmuster abgebildet wird, einer zweiten Laserlichtquelle, die den Flüssigkristall-SLM ausliest und mit Hilfe eines zweiten Fouriertransformationsobjektives ein Beugungsmuster erzeugt, welches der Fouriertransformierten der Young'schen Streifen entspricht, und einer Kamera zur Aufnahme des Beugungsmusters, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall-SLM (10) eine Flüssigkristallschicht (14) enthält, welche einen einachsigen doppelbrechenden Kristall darstellt und mit linear polarisiertem Licht von der ausleseseitigen zweiten Laserlichtquelle (20) ausgelesen wird, wobei die Polarisationsrichtung der zweiten Laserlichtquelle (20) mit der außerordentlichen Halbachse des Brechungsindex-Ellipsoiden der Flüssigkristallschicht (14) übereinstimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (14) des Flüssigkristall-SLM (10) nematische, vorzugsweise unverdrillte Flüssigkristalle mit positiver dielektrischer Anisotropie enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeitsverteilung des Flüssigkristall-SLM (10) radialsymmetrisch und vom Verlauf umgekehrt proportional der Intensitätsverteilung eines Airy-Scheibchens ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der 0-ten Ordnung des Beugungsmusters ein Punktempfänger (70) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal mittels einer Ansteuereinheit (74) die Frequenz der SLM-Ansteuerspannung so regelt, daß die Intensität des (ungebeugten) Lichts der 0-ten Ordnung ein Minimum erreicht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen des Ein- und Ausleselichtes des Flüssigkristall-SLM (10) senkrecht zueinander verlaufen und ein Polarisationsfilter (24) vor der Kamera (60) in der Autokorrelationsebene zur Blockierung des Einschreiberestlichtes angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen der Laserlichtquellen (20; 80) unterschiedlich sind, so daß mit einem optischen Filter vor der Kamera (60) in der Autokorrelationsebene das Einschreiberestlicht blockiert werden kann.