WO2012136238A1 - Verfahren und anordnung zur kurz-kohärenz-holografie - Google Patents

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Giancarlo Pedrini
Christof Pruss
Wolfgang Osten
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Definitions

  • the short-coherence holography also represents an absolute measuring method whose potential and its advantages were already clearly recognized several years ago, sa technical essay "Applications of short-coherence digital holography in microscopy” by Lluis Martinez-Leon, Giancarlo Pedrini and Wolfgang Osten in Applied Optics of July 1, 2005, Vol. 44, No. 19, pages 3977 to 3984. [2]
  • the object of the invention is to be able to measure objects in three spatial dimensions as quickly as possible with a resolution that can be adjusted by a wide scale. This object is achieved by a method and a device having the features specified in the independent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
  • the invention provides a method for short coherence holography of an at least partially light scattering object
  • a holographic interferometer for generating a reference and an object light bundle
  • a planar hologram detection area HDB in which at least one at least in spectral subranges spectrally integrally detecting, rasterized detector is arranged, and
  • a holographic interferometer for generating a reference and an object light bundle, in which there is a mean, non-zero optical retardation Xm, and
  • a planar hologram detection area HDB in which at least one at least in spectral subranges spectrally integrally detecting, rasterized detector is arranged, and
  • the device preferably comprises an evaluation module which is designed to detect at least one short coherence hologram in the recording process by means of the spectrally integrally detecting, screened detector,
  • the invention achieves in particular, measuring systems for the distance or distance measurement or for the extraction of 3D point clouds with a - depending on the needs - whskalig customizable resolution and thus generally wide-scale customizable measuring or sampling accuracy of economic use to supply.
  • the inventive approach includes the possibility of depth resolution from the sub-micrometer to the centimeter range depending on the object distance and object depth extent and training of the components used and is thus learnskalig applicable.
  • the invention makes it possible to obtain depth information from the depth of the object space by means of short-coherence holography.
  • the depth resolution is very flexible adaptable.
  • a particular advantage consists in being able to simultaneously obtain information about an at least partially light-scattering object from different depths of the object space.
  • the registered short coherence holograms which are simultaneously formed by spherical waves from different depths of the object space, can be processed to a 3D point cloud by means of digitally performed hologram reconstructions.
  • the present invention provides the advantage of scanning an object with a rung ladder having a plurality of ladder rungs that are gradually shifted over the object in depth, and thus optically scan that object, so that information can be obtained simultaneously from a plurality of depth regions of the object in the form of short coherence holograms, that is to say from the depth regions which are each optically cut by a ladder rungs region.
  • Another particular advantage is to allow both the absolute detection of the object position and the determination of the object shape - even at a greater distance, for example, at an object distance of 10 meters, with relatively high resolution in the three spatial coordinates.
  • the invention thus offers in particular a method for short coherence holography, in particular for a technical or biological, at least partially light-scattering object or for at least partially light-scattering object elements for obtaining a 2D or 3D point cloud in the microscopic, the mesoscopic, especially for the In vivo 3D detection of the shape of a tooth or even several teeth in the mouth of a human, or on the macroscopic scale or for endoscopic 2D or 3D metrology of technical or biological, at least partially light scattering objects with obtaining a 2D or 3D Point cloud or even only for distance measurement or depth determination of an at least partially light-scattering object.
  • the method is carried out with a holographic interferometer for generating reference and object light - in which case light in the sense of electromagnetic radiation of terahertz, via IR, VIS, UV or EUV radiation is understood in particular.
  • At the output of the holographic interferometer there is a planar Hologram detection area HDB. Furthermore, at least one short-coherence light source or at least one quasi-short coherence light source is arranged for illumination.
  • an optical retardation X_k which is always clearly different from zero, in which case the holographic interferometer in its area hologram detection area HDB at a point DP of the hologram detection area HDB for an optically detected object point OP_k always has a clearly different from zero optical - object point-related - path difference x_OP_k_DP.
  • At least one spectrally integrally detecting rasterized detector is arranged in this hologram detection area HDB, at least in spectral subranges.
  • short-coherence holography is procedurally combined with the short-coherence frequency comb holography (SCFC-holography) frequency-comb technique by using a short-coherent or quasi-short-coherent holographic interferometer
  • the inequality is the inequality
  • x_OP_k_DP - n1 ⁇ Y1
  • ⁇ Ic for at least one integer n1 with n1 1, 2, 3, ... and for at least one optically detected, at least partially light scattering object point OP_k fulfilled and thus creates a hologram in at least a portion of the screened detector with Ic as the coherence length of short-coherent or quasi-short coherent frequency comb light, which returns from the light scattering object point OP and contributes to hologram formation.
  • x_OP_k_DP is the optical path difference at a point DP of the areal hologram detection area HDB for the optically detected, light-scattering object point OP_k.
  • At least one short coherence hologram is digitally reconstructed and at least one intensity amplitude of a light scattering object point OP_k is determined from the reconstructed hologram above a threshold value IS.
  • This is the criterion for the presence of a light-scattering object point OP_k of the object space, so that a plurality of light-scattering object points in the object space and thus a 3D point cloud can be determined by means of digital hologram reconstruction and application of the threshold criterion IS.
  • the short-coherence light source may preferably have a coherence length Ic of the single-digit micrometer range down to the single-digit millimeter range.
  • a quasi-short coherence light source may preferably have a coherence length Ic of the single-digit millimeter range down to the one or two-digit centimeter range.
  • the inequality (1) can be satisfied if the mean optical path difference Xm in the holographic arrangement is set accordingly, for example also by means of a displaceable reference reflector .
  • the coherence length Ic of the short-coherent light can be made comparatively large, for example in the range of a single-digit millimeter range, if it is all about checking or detecting the presence of an object point or an object at a greater distance, for example the presence of power cables or Also fine wires in a very confusing situation, in which the depth information in comparison to the high-resolution image acquisition is very useful.
  • the delay length Y1 in generating frequency comb light is only a few millimeters, it is not necessary to know the integer number n1 in the inequality (1).
  • the integer number n1 describes the integer number of delay lengths Y1, which fit into the optical path difference and x_OP_k_DP, thus derives from a quotient.
  • an approximate knowledge of the number n1 suffices to be able to assign the recorded and reconstructed data.
  • the knowledge of the number n1 is rather minor if the profile depth is significantly smaller than the delay length Y1.
  • n1 is the number rounded to an integer number, the delay lengths Y1, which fits into the optical path difference of the holographic device.
  • n1 is the number rounded to an integer number, the delay lengths Y1, which fits into the optical path difference of the holographic device.
  • a generally invariable n1 is assumed for all touched object points, since this is a flat object - in relation to the existing delay length Y1 in the generation of frequency comb light.
  • a frequency comb light source is superfluous, as this provides rather no apparent advantage.
  • the exact location of this particular (zeroth) ladder rung depends, of course, on the position and design of the reference reflector in the reference arm of the Michelson interferometer as adopted herein. A shift of the reference reflector then also pushes the position of this zeroth rung with the sprouts ordinal number assigned by definition to zero.
  • the light coming back from an object point OP_k which here is supposed to be modeled on the heavy beam of the illumination beam, is to propagate in the model as a beam parallel to the above-mentioned heavy beam.
  • the ladder model quite well approximates the optical path length issue when the associated reference beam at the Michelson interferometer output coincides with the object beam returning from OP_k. It is clear that a spherical wave propagates from the light scattering object point OP_k and interference with the reference light occurs in the hologram detection plane.
  • This reference light may preferably also be embodied as a spherical wave, wherein the center of the reference spherical wave should be modeled on the heavy beam of the beam propagating in the reference arm, so that here the case of Fourier holography is given.
  • the interference of two spherical waves then occurs.
  • the ladder model approximates the conditions particularly well if the reference wave is a spherical wave whose source point is optically conjugate to the object point OP_k, the latter - here in the model - lying on the heavy beam of the beam in the reference arm. In this case, the variation of the optical path difference in the hologram in the entire hologram detection area HDB approaches zero.
  • the representation of the reference wave as a spherical wave with the object point OP_k optically conjugate spherical wave source point can be done by a correspondingly arranged paraboloid of revolution in the reference arm of a Michelson interferometer for performing the holography.
  • the focal point of the paraboloid of revolution lies on the heavy beam of the incoming beam and the heavy beam coincides with the axis of symmetry of this paraboloid of revolution.
  • the ladder rungs can be numbered up to the ordinal number n1_max.
  • the thickness of these ladder rungs, ie their depth extent - here in the direction of light propagation - here in the model is then at least approximately equal to half the coherence length lc of the frequency comb light, ie lc / 2.
  • the coherence length Ic is preferably adjustable within wide limits, whereby the thickness of these model ladder rungs is also variable within wide limits.
  • the coherence length Ic of the short-coherent light may preferably be in the two-digit micron range.
  • the coherence length Ic of the short-coherent light may even be in the single-digit micrometer range, ie the short-coherent light may then also be "white” in the visible spectral range.
  • the screened detector can be designed as a monochrome matrix CCD or matrix CMOS camera or as a color matrix CCD or color CMOS camera, in a single-chip or multi-chip arrangement.
  • a plurality of camera chips or a plurality of camera chips are arranged in matrix form.
  • the rastered detector can preferably be formed by a multiplicity of camera chips in matrix form, it also being possible to arrange a plurality of chip arrays, for example one chip matrix each for a particular one Spectral range.
  • a plurality of holograms in the form of a hologram stack, are preferably generated step by step and recorded by means of a rastered detector.
  • ⁇ Ic (1) is satisfied.
  • at least one hologram is formed - with Ic as the coherence length of the hologram forming frequency comb light, which comes back from at least one light scattering object point OP_k.
  • x_OP_k_DP is the optical path difference at a point DP of the area hologram detection area HDB for an optically detected object point OP_k.
  • the predetermined, as well as measured, multiple variation of the mean optical path difference Xm enables the person skilled in the art to obtain data from recorded holograms in order to determine the integer number nT exactly.
  • several inequalities according to the inequality (1) are set up with immutable object position, but with variation of the mean optical path difference Xm.
  • each delivering holograms preferably the mean optical path difference Xm must be changed stepwise or continuously, at least one hologram being recorded after each step.
  • the phase shifting technique preferably three, four, or five - possibly even more - mutually phase-shifted holograms are recorded after each step.
  • the change in the mean optical path difference Xm at each step may preferably be one-tenth of the frequency comb light forming the coherence length lc of the hologram, so that the "rungs areas" gradually overlap on the object in the depth direction an object point OP_k in the digitally reconstructed holograms multiple intensity amplitude values that may be on a Gaussian curve, whereby the skilled person skilled in the execution of well-known gravity evaluation for each object point OP_k is possible, which the Measurement uncertainty (accuracy) in the depth measurement usually improved significantly.
  • the delay length Y1 of the delay line is changed, but this is considered technically more complex - compared to changing the mean optical path difference Xm in the holographic arrangement, for example in the reference arm of the holographic interferometer by pushing a final reflector.
  • the frequency combs must therefore have very sharp "needles" and equidistant needles, ie have a low half-width with respect to the frequency spacing of the individual maxima (frequency comb needles) .
  • This requirement increases with the quotient of the mean optical path difference Xm and the delay length Y1 of some kind This is best achieved in the prior art and best knowledge with frequency comb lasers and best for optically to be touched objects in the near range, where the above quotient is comparatively small.
  • the number n1 can also be expressed by the multiple variation of
  • Xm be determined from a hologram stack.
  • the mean optical path difference Xm is preferably changed gradually, thus addressing different depth ranges in the storage volume, and thus dots in the volume of the holographic memory or a three-dimensional signature carrying the digital information are present (L situation) or absent (O situation) detected.
  • a multiplicity of holograms j in the form of a hologram stack, that is to say gradually generated in j situations, are recorded by means of a rastered detector.
  • a multiplicity of holograms j in the form of a hologram stack, that is to say gradually generated in j situations, are recorded by means of a rastered detector.
  • the first inequality (2) describes the case of changing the mean optical path difference Xm in the holographic interferometer in j steps and the second inequality (3) the case of changing the delay length Y1 of the delay path for frequency comb generation in holographic interferometer in j steps.
  • Ic is the coherence length of the hologram forming frequency comb light returning from at least one light scattering object point OP_k.
  • x_OP_kJ_DPJ and x_OP_k_DP respectively represent the optical path difference at a point DP of the area hologram detection area HDB for an optically detected object point OP_k and a situation j.
  • the value x_OP_k_j_DPJ is to be assumed when the average optical path difference is predeterminedly varied.
  • the value x_OP_k_DP is to be assumed when the optical delay length Y1 of the delay line for frequency comb generation is changed.
  • Y1 or Y1J - the latter in the case of varying the delay length - represent the respective optical delay length of the frequency comb light source.
  • the image of the rung ladder clarifies the facts quite clearly here as well, in that in a first phase with a rung ladder the individual ladder rungs (with their center lines) have half the distance of the delay length Y1, ie Y1 / 2, of the frequency comb light source from one another second phase, the half distance of the delay length Y2, so Y2 / 2, the frequency comb light source from each other.
  • the rung ladder in the model is displaced in depth, preferably in equal steps, well below the coherence length lc of the frequency comb light for hologram formation. This should be done here in the model - starting in each of the two phases, each in the same starting position (O position) - down.
  • the response of a point in the form of a hologram in different step positions j of the ladder assumed here in the model is generally carried out. From this, the depth position within a beat region Ys can be reliably determined for the person skilled in the art, for example also in analogy to the ladder model also used in the two-wavelength technique, which is determined by the two frequency comb light sources with the respective delay lengths Y1 and Y2 and on the basis thereof Difference delta_Y is given here.
  • the difference (j1 - j2) gives the number 2, and thus also the information that the 10 "answering" object point OP_k in the depth of 2.2 Length units - based on half the delay length Y1 / 2 - seen from the zero position - is located.
  • This "fractional method”, shown here in a simplified manner, is well-known to experts in the field of two-wavelength technology or, generally, in the two-period technique.
  • the beat approach is based here on the basis of measurement information based on the calculation of stretched or compressed reference lengths, here the delay lengths Y1 and Y2, and preferably further delay lengths Yi.
  • At least one second short-coherent or quasi-short-coherent light with frequency-comb characteristic with the frequency spacing Af2 c / Y2 in a spectral range delta_sigma2, which is completely separated from the spectral range delta_sigma1, preferably also occurs for the same object depth range of the object space with the same light scattering object points OP_k generating and detecting holograms with the number j2.
  • the reference spherical wave source point is preferably carried out in the Fourier holography with reference spherical wave, so that the reference spherical wave source is located as close as possible in the environment of the object points to be measured, in which case the optical conjugation of reference space and object space applies.
  • the reference spherical wave source point is thus positioned, for example, by precise sliding of optical components such as rooftops, triple mirrors or even curved individual mirror or mirror systems so that the reference spherical wave source point coincides with an object point, the large one Interest is, for example, an object point in the immediate vicinity of a real or suspected crack of a container, a tub or a tank.
  • a holographic deformation measurement with this holographic arrangement or with optical components thereof can be performed to get more information about a defective component.
  • light of other laser light sources for example double-pulse laser
  • other cameras such as high-speed cameras can be used as well as optical components exchanged, removed or added.
  • means are preferably also arranged which enable a predetermined movement of optical components, such as roof-edge, triple-mirror or even curved mirror components.
  • means for measuring this movement of components are preferably also arranged in a preferably comparatively large volume.
  • the method of short coherence holography employs in-line holography. This usually significantly reduces the pixel pitch size requirements for rasterized detectors.
  • the short-coherence holography method employs phase-shifting holography.
  • phase-shifting holography This can usually improve the signal-to-noise ratio significantly.
  • the phase shift can preferably also be effected by means of micro-scanning on a low-mass mirror in a frequency comb light source. This works - taking into account the resonator geometry of the frequency comb light source - like a Phase shift in the reference arm of a holographic interferometer.
  • At least one short coherence light source or one quasi-short coherence light source is arranged upstream of the arrangement for short coherence holography.
  • light is understood in particular in terms of electromagnetic radiation of terahertz, via IR, VIS to UV and EUV radiation.
  • the holographic interferometer In its planar hologram detection area HDB, the holographic interferometer always has an optical path difference x_OP_k_DP which differs in particular clearly from zero at a point DP of the HDB for an optically detected object point OP_k.
  • At least one spectrally integrally detecting rasterized detector is arranged in this hologram detection area HDB, at least in spectral subregions.
  • the screened detector can be designed as a monochrome matrix CCD or matrix CMOS camera or as a color matrix CCD or color CMOS camera, in a single-chip or multi-chip arrangement.
  • a plurality of camera chips or a plurality of camera chips are arranged in matrix form.
  • the rasterized detector may preferably be implemented by a variety of camera chips Matrix form may be formed, wherein also preferably the arrangement of a plurality of chip matrices is possible, for example one for a particular spectral range.
  • At least one short coherence light source or / and at least one quasi-short coherence light source with a frequency comb characteristic are formed and assigned to the holographic interferometer. If several short coherence light sources with frequency comb characteristics are used, which supply light to the holographic arrangement, in particular in separate spectral regions, each spectral region can be assigned its own rastered detector or a matrix of rastered detectors. In this case, the individual short-coherence light sources with frequency-comb characteristics preferably each have a different optical delay length, so that a different frequency spacing results in the frequency domain for each short-coherence light source with frequency-comb characteristics. These short coherence light sources with frequency comb characteristics and in each case different spectral range can be operated simultaneously.
  • a frequency comb laser which can be used in particular for holography in the microscopic and possibly also in the mesoscopic scale, is a monolithic torodial microresonator with an optical retardation length Y1 of about 400 micrometers and a coherence length Ic in the middle This is described in the paper "Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator" by P.
  • two monolithic torodial microresonators for example, having a first optical retardation length Y1 of about 500 microns in size and a second optical retardation length Y2 of about 555 microns in size and one coherence length Ic in the mid single-digit micrometer range, respectively Central wavelength of about 1550 nm and a spectral range of about 400 nm, a two-frequency comb technique, ie as a frequency comb technique with two frequency combs, for micro-profile detection or 3D miniature form detection can be performed.
  • the two monolithic, torodial microresonators can be switched on alternately.
  • centroid wavelengths 1350 nm for the first microresonator and 1650 nm for the first microresonator have, for example, the centroid wavelengths 1350 nm for the first microresonator and 1650 nm for the first microresonator.
  • the uniquely addressable object depth range Ys / 2 results in analogy to the two-wavelength technique from the beat delay length Ys
  • Ys Y1 * Y2 / (delta_Y), so that the uniquely addressable object depth range Ys / 2 is about 2.52 millimeters.
  • a very compact arrangement for single-shot testing of three-dimensional optical micro-signatures can be constructed, which can ensure a high safety standard.
  • an arrangement (device) for short coherence holography means for varying the delay length Y1, Y2 or Yi at least one frequency comb light source are arranged.
  • the delay length is comparatively easily feasible in the case of frequency comb lasers having a significantly longer delay length than microresonators, for example with delay lengths Y1 of around 300 mm or 1000 mm.
  • phase shift which are very advantageous or even absolutely indispensable in inline holography.
  • means for varying the mean optical path difference Xm of the holographic interferometer are arranged in order to generate holograms.
  • This is particularly preferred in order to be able to detect holographically completely also objects with comparatively great depth extent, in particular when the coherence length Ic is comparatively small in the interest of a better depth resolution, for example only 10 micrometers for holography in the microscopic scale.
  • the holographic interferometer is designed as a Michelson interferometer. This is object lighting light and the returning and for the hologram formation used light at least approximately coaxial, which can be a very big advantage in the inspection of holes and craters narrow.
  • a spherical mirror or a rotation paraboloid mirror is arranged with its focal plane in the reference beam space.
  • the focal plane of the spherical mirror or a rotational paraboloid mirror is preferably at least approximately parallel to the input wavefronts, which are preferably planar.
  • means for lateral displacement of the spherical mirror or the rotational paraboloid mirror are arranged.
  • This is advantageous, in particular for the near range and for a comparatively large object field.
  • the paraboloid of revolution is displaced laterally in the Michelson interferometer so that the Fourier case can be approximated well even for object points far out in the field.
  • the object spherical waves of external object points in the field assigned to a reference ball wave which is well adapted to the position of its source point, so even with a small coherence length Ic still a rasterized detector fully hiding over the hologram - then always with only a few stripes.
  • a spherical mirror or an off-axis rotational paraboloid mirror is arranged with a miniaturized end mirror, which is arranged at least approximately in the focus of the mirror. This is a Cat's eye arrangement that can be very beneficial.
  • the miniaturized end mirror is assigned means for highly dynamic phase shifting. This is due to the low mass of the miniaturized end mirror a significant advantage in terms of achievable dynamics in the phase position.
  • These means are preferably designed as a piezoelectric actuator.
  • the holographic interferometer is formed as an interferometer with a location for the beam splitting and with a location for the beam combination, these locations being spatially completely separated from one another.
  • the holographic interferometer with U-arrangement in the reference beam path and V-arrangement in the object beam path is formed.
  • this is arranged at the end of a U-ray path in the reference arm of the holographic arrangement.
  • there may be a cat's-eye arrangement, which can be a significant advantage.
  • the holographic interferometer for object light in the propagation direction is for detection associated with a beam cross-section reducing optical system.
  • This bundle cross-section-reducing optical system in the object beam path can be adapted to the size of the rastered pixelated pixel detector with a very small pixel pitch in order to adapt a laterally extended object beam coming from a far-reaching, light-scattering object point.
  • the depth resolution with a correspondingly short coherence length can also be in the single-digit millimeter range.
  • the rasterized detector can have 100 million pixels. By contrast, these parameters are in no way achievable in the prior art with commercially available runtime cameras.
  • the holographic arrangement is formed as an in-line arrangement with a beam cross-sectional reduction optical system for returning object light.
  • This beam cross-section shrinking optical system in the return light beam path may also be adapted to match a laterally extended backward object beam of a far-flung, light-scattering object point to the size of the very high pixel pitch rastered pixelated detector.
  • each individual mirror of a mirror array can also be assigned its "own" camera chip
  • a wavefront-forming optical system can preferably also be arranged in front of the input to the holographic arrangement, which can preferably also serve the optimal illumination of the object field.
  • wavefront shaping in the reference arm can also preferably be carried out.
  • the Fourier holography and the short-coherence technique with the frequency comb light source technology fit together particularly well, because in this combination, the rasterized detector with a well-modulated hologram at Application of a short-coherence light source - at least for relatively small object fields - can be filled.
  • This hologram tends not to have extremely high densities of the interference fringes, which is a significant technical advantage.
  • the invention provides a teaching of methods and arrangements which can in particular also make a contribution to increasing the security in space, in particular also to identify on the basis of the profile or the shape of moving objects, which for others Space objects, for inhabited areas or for the natural environment on the earth's surface can pose a threat.
  • the invention also makes it possible, in this preferred embodiment, to generate optical signals in the form of short-coherence holographic holograms from fast-moving or oscillating objects, which may also be located at greater distances, which are suitable for being picked up by available screened detectors become.
  • optical signals in the form of short-coherence holographic holograms from fast-moving or oscillating objects, which may also be located at greater distances, which are suitable for being picked up by available screened detectors become.
  • the profile or the shape of the moving or oscillating object should be at least partially displayed.
  • a holographic method by means of a holographic measuring arrangement, which can be used in particular for optical sectioning (optical cutting) on moving objects, in particular also in outer space.
  • the term light is used in particular as a synonym for electromagnetic radiation from the terahertz, over the infrared to the deep UV spectrum.
  • the holographic measuring arrangement contains in particular at least one frequency comb light source with comparatively short coherence length Ic in relation to the object extent and with controllable frequency comb light by predetermined change of the optical path length L1 in its integrated or in at least one of these frequency comb light source associated cavity.
  • at least one short-coherence light source and / or quasi-short coherence light source already described above can be used, wherein the latter can now be controlled to increase the frequency comb light by changing the optical path length according to the procedure described here Taxes.
  • the measuring arrangement also contains an unbaianciertes two-beam interferometer with a reference and an object arm, which acts on the moving object with measuring light from the frequency comb light source, with a detection channel for returning measuring light.
  • an unbalanced two-beam interferometer is understood in particular to be an interferometer for generating a reference light beam and an object light beam in the manner described above, in which there is an average optical path difference Xm different from zero.
  • the measurement arrangement also includes at least one rastered detector for recording holograms and having a computer or computer system for highly dynamic control of the frequency comb light source and synchronization of the hologram recording with respect to the controllable frequency comb light source and numerical hologram reconstruction algorithms.
  • this is the detector already described above, which is arranged in particular in the areal hologram detection area HDB at the output of the interferometer.
  • the measuring arrangement in this preferred embodiment comprises means for at least approximate determination of the distance and the speed of an object to be measured and an interface for data transfer.
  • a planar hologram detection area HDB in which at least one at least in spectral Partial areas spectrally integrally detecting, rasterized detector is arranged, and
  • the frequency comb light source may be a femtosecond frequency comb laser system, a microresonator frequency comb laser, a microresonator frequency comb laser system, or a frequency comb light source based on a Fabry-Perot cavity powered by a superluminescent diode be.
  • the use of the last-mentioned frequency comb light source for frequency comb interferometry has already been described by I. Härder, G. Leuchs, K. Mantel and J. Schwider in the article: "Adaptive frequency comb illumination for interferometry", in the journal Applied Optics 50, no. 25, pages 4942-4956 (201 1).
  • At least one measurement for determining the distance and the speed - or a multiple measurement of the distance also by means of time measurement performed suitable for determining the speed of an object to be measured, which at least with a component of its movement in the direction of propagation of the Measuring light moves, performed.
  • the size of the distance and the speed is therefore at least approximately present as information in measuring real-time and is provided for the measuring method for shape detection by means of optical cutting.
  • the spatial pulse spacing Y1 (optical delay length) of the emitted short pulses of a pulse train of the frequency comb light source is determined by predetermined change of the optical path length of at least one integrated cavity or cavity assigned to the frequency comb light source on the basis of the information provided in measurement real time changed to speed and distance of the object.
  • the cavity affects the frequency comb light in its frequency comb distance.
  • optical path length of this cavity is changed in the form of a long scan-either reduced or enlarged, so that the ordinal number q of object-sensing short pulses is kept constant for at least the recording time delta_t_Hol of a hologram.
  • the ordinal number q results from the quotient of optical path length Lopt, calculated from the position of zero optical path difference at the interferometer in the object beam path up to a probed object point OP, and the spatial pulse distance Y1.
  • the atomic number q is kept constant by virtue of the fact that the first derivative over the time of the spatial pulse spacing, which results from the delay length of the frequency comb-forming cavity, is at least approximately equal to a value of the 2 / q-value. times (ie 2 divided by q) of the component of the velocity of the object in the direction of movement or the difference in speed between the holographic recording device and the object.
  • the phase in the hologram should change by at least a part of the same by less than 2 pi.
  • the optical path length Lopt always exceeds the spatial pulse distance Y1.
  • At least one hologram is recorded by means of a screened detector and a numerical reconstruction of the same is carried out, whereby at least one sectional plane or a sectional area is calculated by the object being probed.
  • the cut surface can also be curved. Due to the multiplication effect given here by the FC light source (frequency comb light source) with the ordinal number q, the cavity only has to be shortened or lengthened by a fraction of the optical path difference, which is given by the object position, per unit of time. The higher the atomic number q for a given velocity v and the object distance, the slower, but also the more precise, eg in the single-digit nanometer range or sub-nanometer range, the optical path of the integrated or associated cavity must be adjusted.
  • Such an object-controlled controlled frequency comb light source may also be referred to as an adaptive Jojo frequency comb light source.
  • the measurement of the moving or vibrating object to determine the required absolute object distance - at least one object point - can be done with double-frequency comb laser technology or with optical time of flight measurement technique.
  • the spatial pulse spacing Y1 can be made small relative to the wave-optical depth of field D in the detection channel of the holographic measuring arrangement. This can be done in order to achieve a simultaneous detection of the object in a plurality of comparatively closely adjacent (Y1 / 2) sectional planes (multi-sectioning), if the detection time for a hologram is made sufficiently small.
  • the respective current simple optical delay length L1 of the cavity is determined.
  • the recording period delta_t_Hol for a hologram the movement time duration delta_t_depth for the passage of the wave-optical depth of field D of the holographic detection by the moving object should not be significantly exceeded in order to achieve a sufficiently large modulation possible in the entire hologram, the wave-optical depth of field D through the effective numerical aperture and the centroid wavelength of the detecting radiation is given.
  • At least two frequency comb light sources each with one controlled by the distance and the speed measurement optical length of the cavity can be used, each of which determines only one of the current spatial pulse spacing Y1 at a time, and in each case a short-pulse frequency comb light source with the active variable cavity, the object optically in at least one sectional plane E or a weakly curved surface touches, so that the object is alternately, but always holographically detected by at least partially by one of the two frequency comb light sources and the rasterized detector and so at least two, id R.
  • a variety of holograms are recorded sequentially.
  • At least one short scan for varying the optical length of the frequency comb generating cavity can also be carried out, resulting in an at least approximately staircase-like progression of the optical path length of the cavity over time.
  • the cutting plane E or a curved cut surface thus moves slightly over the object. Successive short scans can thus screen the object in depth.
  • a scan of the reference mirror between one or more hologram recordings can be performed to have a further degree of freedom for matching the optical paths in the holographic interferometer. This may be done to pre-determined to capture another depth range of the object in a temporally ongoing scan.
  • a highly dynamic fine control can be performed, especially when the reference mirror, wherein the reference mirror is located directly on a piezo actuator, is made very small in a focused beam path. This means that even the smallest vibrations in the measuring system can be almost completely compensated. For this purpose, however, suitable reference signals are required, which will not be further elaborated here.
  • point-wise measuring high-speed photodetectors can be acted upon by at least a part of the hologram formed by means of an object. This serves to obtain a control signal for fine regulation of the optical path length of the cavity with the aim of "freezing" a hologram on the screened detector in the time of hologram detection.
  • high-speed image recordings of the holograms formed by means of an object can preferably each take place. This makes sense if regulation of the optical path length of the cavity does not take place perfectly or if unexpected vibrations or shocks occur.
  • the coherence length Ic is at least approximately 200 pm.
  • the spatially highly coherent light beam emerging from the frequency comb laser 1a which is intended to have plane wave fronts in the wave-optical model, is widened by a mirror widening optics 2 and impinges on the beam splitter 3 of a Michelson interferometer, forming a reference beam and an object beam become.
  • the portion of the incident light beam passing through the beam splitter 3 is reflected in the reference arm R by a paraboloid of revolution 4 at time j whose focal point F is on the heavy beam SWT of the lies on the paraboloid of revolution 4 incident light beam.
  • the focus point F thus represents the origin of a spherical wave, in this case the reference spherical wave, for the focused light beam.
  • the beam reflected at the beam splitter 3 strikes the object 5, which here should have a control geometry in the form of a rotationally symmetric cone.
  • an object point OP_k is shown here, a spherical wave Kk emitted by light scattering.
  • the circular arc section KBA from the focal point F into the object space O, on which at least approximately also the object point OP_k lies, makes it clear that the radii of curvature of the reference spherical wave and the object spherical wave k are at least approximately equal, so that the case of the Fourier holography is very is well approximated.
  • a part of the reference spherical wave is reflected at the beam splitter 3 in the direction of the rastered detector 6.
  • Part of the object spherical wave Kk also passes the beam splitter 3 in the direction of the rastered detector 6.
  • a Fourier hologram kj is formed from the object point OP_k.
  • the paraboloid of revolution 4 now undergoes a scan to the left, wherein the scan step should be 50 micrometers, so that the optical path difference delta_Xm changes by 100 micrometers. It is clear that in the hologram the optical retardation is usually not a constant.
  • the focal point Fj + 1, where j + 1 defines the time, is at the time tj + 1 on the dashed arc.
  • the slightly deeper object points in the area Bj + 1 can form holograms, since the difference of optical path difference in the area Bj + 1 to simple delay length Y1 here is made smaller than the coherence length Ic of 200 microns.
  • the Fourier case is given for the region near the cone apex. For example, the addressed depth range ATB can be scanned over time t by registering holograms.
  • FIG. 2 relates to the detection of an object having a control geometry in the form of a rotationally symmetric cone with a height extension of approximately 200 mm with a base surface diameter of 30 mm made of a metallic material which is half matt, ie also at least somewhat light-scattering. by means of a holographic arrangement.
  • the object is located in the vicinity of this holographic arrangement.
  • the task is to carry out a measurement of the circular deviation with a measurement uncertainty of 50 microns at height intervals of 25 mm on the conical surface.
  • the coherence length Ic is 50 ⁇ .
  • the spatially highly coherent light beam emerging from the frequency comb laser 1b and intended to have plane wavefronts here in the wave-optical model is enlarged in its cross-section by a mirror expansion optics 2 and impinges on the beam splitter 3 of a Michelson interferometer, a reference beam and a reference beam Object bundles are formed.
  • the portion of the incident light beam passing through the beam splitter 3 is reflected in the reference arm R by a paraboloid of revolution 4 whose focal point F on the heavy beam SWT of incident on the paraboloid of revolution light beam is located.
  • the focus point F thus represents the origin of a spherical wave, in this case the reference spherical wave, for the focused light beam.
  • the beam reflected at the beam splitter 3 strikes the object 5, which here is to have a control geometry in the form of a rotationally symmetric cone. Represented here is an object point OP_k shown, which emits a spherical wave Kk by light scattering.
  • the circular arc section KBA from the focal point F into the object space O, on which at least approximately the object point OP_k lies, makes it clear that the radii of curvature of the reference spherical wave and the object spherical wave k are at least approximately the same, so that the case of the Fourier Holography at the apex is quite well approximated.
  • a part of the reference spherical wave is reflected at the beam splitter 3 in the direction of the rastered detector 6.
  • Part of the object spherical wave Kk also passes the beam splitter 3 in the direction of the rastered detector 6.
  • a Fourier hologram FH_kj is formed on the rastered detector 6 from the object point OP_k.
  • the rasterized detector used for this purpose should have a camera chip with a diagonal of 90 mm (medium format camera) and a camera pixel pitch of less than 10 micrometres, in order to achieve a lateral resolution of 0.1 mm in the process, the object points located in the detected measuring field can be evaluated by means of associated holograms. Again, the digital reconstruction of the registered holograms a demanding for the expert, but in the knowledge of the hologram reconstruction algorithm and the state of computer technology quite solvable Task dar.
  • FIG. 3 shows, by means of a holographic arrangement, the localization and also 3D detection of a component to be removed, for example, in a nuclear power plant in the event of an accident by means of robots and 3D sensors without any availability of reliable a-priori information via the 3D sensor. Scene around the component as well as its current 3D shape.
  • the object 51 in this case a severely destroyed, long-extended power plant component, is not located in the immediate vicinity of the holographic arrangement, but at a distance of the order of one meter.
  • the task is to carry out an investigation with regard to the destruction of this component, whereby it should also be measured in comparatively wells with a comparatively large aspect ratio.
  • the current 3D shape can be determined with a measurement uncertainty of 0.1 millimeters in all three spatial coordinates. There is virtually no secure a-priori information about the object to the current state.
  • a first frequency comb laser 1.1 and a second frequency comb laser 1.2 are arranged, each having a delay length Y1 of 300 mm and a delay length Y2 of 333.3 mm.
  • the centroid wavelength here is 840 nm in each case and the coherence length Ic is in each case 50 ⁇ m.
  • the spatially highly coherent light beam emerging from the first frequency comb laser 1.1 at a time t1 which is made possible by an opened micro diaphragm 11.1, has plane wavefronts here and is enlarged in its cross section by a mirror expansion optics 2.
  • the downstream micro-aperture 11.2 is closed.
  • the frequency comb light of the first frequency comb laser 1.1 impinges on the beam splitter 3 of a Michelson interferometer, forming a reference beam and an object beam.
  • the portion of the incident light beam which passes through the beam splitter 3 is detected in the reference arm R by a spherical mirror 41 whose focal point F lies on the heavy beam SWT of the spherical mirror 41 on the incident light beam.
  • the focal point F thus represents the origin of a spherical wave, here the reference spherical wave, for the focused light beam.
  • the bundle reflected at the beam splitter 3 strikes the object 51.
  • an object point OP_k Represented here.
  • the case of Fourier holography is not very well approximated here. Therefore, if the spatial situation permits, the distance to the object 51 should, for obvious reasons, be reduced in the further investigation.
  • a part of the reference spherical wave is reflected at the beam splitter 3 in the direction of the rastered detector 6.
  • a part of the object spherical wave passes through the beam splitter 3 in the direction of the rastered detector 6.
  • an H_kj is formed from the object point OP_k. Due to the coherence length Ic of approximately 50 microns, only a smaller part of the object points of the object 51 form holograms on the rasterized detector 6.
  • the rastered detector 6 used should have a camera chip with a diagonal of 85 mm and a camera pixel pitch of less than 10 micrometres, in order to reliably achieve a lateral resolution of 0.1 mm and thereby detect those detected Field of view also external object points holographically evaluate.
  • FIG. 4 shows the situation when the coherence length is approximately 30 millimeters in each case and the scanning step size at the spherical mirror 41, here by 10 millimeters, is selected. Then, this scene can be described with about 100 holograms, the achievable depth resolution is now in the order of 10 millimeters, but the high lateral resolution of at least 0.1 millimeters remains. Depending on need, knowledge about damage to the object (51), the measurement process can be focused on individual details.
  • FIG. 5 shows a holographic arrangement for measuring objects with dimensions in the single-digit millimeter range.
  • the Frequenzkamm- laser with a ring-shaped microresonator 7.1 in the single-mode fiber 7.1 Frequenzkamm- light with the centroid wavelength Lambda_S of 840 nm and a shorter coherence length than 100 ⁇ leaves after passing the end of the single-mode fiber 7.1 and forms after the Exit a spherical wave.
  • the delay length Y1 between two successive pulses is 400 ⁇ .
  • the light impinges on a coupling-beam splitter 31 and is collimated at the collimator 81, where subsequently at the beam splitter 3 of a Michelson interferometer Reference bundle arises.
  • This reference beam reaches the spherical mirror 4 which focuses the bundle into its focal point F4, which at the same time also represents the focal point of the collimator 81.
  • a collimated beam which passes as a reference beam after passing the coupling-beam splitter 31 on the camera 6, where it forms the reference wave for a hologram.
  • the object 5 has an extension in the single-digit millimeter range.
  • the resulting spherical waves are detected by the collimator after passing through the beam splitter 3 and reach the camera 6 after wavefront formation via the coupling-beam splitter 31, where a Fourier hologram is formed, since a multiplicity of object points are at least approximately in the vicinity the focal plane of the collimator is located.
  • the spherical mirror 4 is moved in each case in a fraction of the delay length Y1 between two successive pulses by means of a scanner, not shown here, to holographically scan the object in depth.
  • 3 steps are carried out by one-eighth of the centroid wavelength Lambda_S by means of a piezoelectric actuator, not shown here, and a hologram is recorded in each setting position in order to be able to use the phase-shift method in the known manner.
  • the image of the object 5 in this case the intensity, is reconstructed numerically by means of digital computer technology in the manner well known to the person skilled in the art.
  • the image information is provided numerically in layers and assembled into an overall image of the object 5.
  • FIG. 6 shows a holographic arrangement for measuring objects with dimensions in the sub-millimeter range. That of a frequency comb laser 101 Frequency comb light with the centroid wavelength Lambda_S of 840 nm and a coherence length less than 20 ⁇ m leaving the monomode fiber 7.1 after passing through it leaves the end of the monomode fiber 7.1 with ring-shaped microresonator in the monomode fiber 7.1 and forms a spherical wave after emerging. The delay length Y1 between two consecutive pulses in air is 100 pm.
  • a subordinate focusing system 82 maps the end of the single-mode fiber 7.1 into the focal point F82.
  • the focused in focus point F82 spherical wave reaches the beam splitter 3 of a Linnik interferometer, where a reference beam is formed.
  • This reference beam reaches a scannable mirror lens 41 whose focal point at least approximately coincides with the focal point F82 and thus collimates the beam, which subsequently passes the beam splitter 3 in the direction of an afocal transfer stage 85 and camera 6, where it passes through the transfer stage forms the reference bundle in a hologram.
  • the light which is reflected at the beam splitter 3 and collimated by means of high-aperture microscope objective 801, forms the object beam, which forms many spherical waves at the light-scattering object points of the object 55.
  • the microscopically small object 55 has an extension in the sub-millimeter range and is located with a plurality of its object points in, in the immediate vicinity or in the immediate vicinity of the focal plane of the microscope objective 801.
  • the resulting spherical waves become again from the microscope objective 801 after passing through the beam splitter 3 detected, collimated and arrive via the beam splitter 3 in transmission via the afocal transfer stage 85 to the camera 6, where these spherical waves generate the hologram together with the reference beam.
  • the mirror lens 41 is moved in each case in a fraction of the delay length Y1 between two successive pulses by means of a scanner, not shown here, to holographically scan the object 55 in depth.
  • 3 steps of one eighth of the centroid wavelength Lambda_S will not be made by one here Piezo plate shown performed and in each position a hologram is recorded in order to apply the phase shift method in the known manner.
  • the image of the microscopically small object 55 in this case the intensity, is numerically reconstructed numerically by means of digital computer technology in a manner which is well known to the person skilled in the art.
  • the image information is provided numerically in layers and assembled into an overall image of the object 55.
  • FIG. 7 shows a very simple holographic arrangement for measuring objects with dimensions in the single-digit or two-digit millimeter range.
  • the delay length Y1 between two consecutive pulses in air is 400 pm.
  • the light passes onto a beam splitter 3.
  • the transmitted there light passes as a reference light for the hologram formation on the camera 6.
  • the light reflected at the beam splitter 3 passes as an object bundle via a rotatable mirror staircase consisting of the plane mirrors 32a and 32b, with the fulcrum RP on the object 5, which is at least approximately in the focal plane of a microscope objective 801.
  • the spherical waves produced by light scattering on the object 5 are detected by the microscope objective 801 and form in the rear focal plane of the microscope objective 801, where the camera 6 is arranged, the hologram H with the reference light.
  • the rotatable mirrored staircase consisting of the plane mirrors 32a and 32b, shown in two different rotational positions, each corresponding to a different optical path difference.
  • the rotatable mirror staircase is arranged in the reference beam path. By means of a rotatable mirror staircase, the optical path difference in the measuring process is varied by at least one delay length Y1.
  • the optical path difference to the phase position is set by means of a piezoelectric actuator, not shown here, which is associated with the plane mirror 32a in steps of well one eighth of the centroid wavelength in each rotational position of the mirror staircase at least three times, each one hologram is recorded.
  • a set of 4 holograms with different phases is generated for the phase evaluation in order to be able to use the phase-shift method in the known manner.
  • the image of the object 5 is reconstructed numerically in the manner well-known to the skilled person by means of digital computer technology by providing the image information numerically in layers and composing it into an overall image of the object 5.
  • FIG. 8 shows a holographic arrangement for measuring objects with a Schwarzschild objective 84, which is dispersion-free as a mirror objective, whereby the dispersion effects in the holographic arrangement can be kept very low overall. Again, this involves the detection of an object 5 with dimensions in the single-digit millimeter range.
  • the coming of a frequency comb laser 102 light with frequency comb characteristic with a delay length of the short pulses Y1 of 500 pm and a coherence length of less than 30 ⁇ reaches a beam splitter 3, where the reference beam is formed in transmission and on the roof edge arrangement, which consists of the plane mirrors 33 and 34, and the Einkoppelstrahlteiler 31 in transmission to the Camera 6 arrives.
  • the roof edge arrangement with the plane mirrors 33 and 34 serves by displacement in the direction shown to produce the change in the optical path difference in the holographic arrangement in the order of the delay length Y1.
  • the beam reflected at the beam splitter 3 passes to the object 5, which is located at least approximately in the focal plane of a Schwarzschild objective 84.
  • the spherical waves produced on the object 5 by light scattering are detected by the Schwarzschild objective 84 and, after passing through the beam splitter 3 in reflection with the reference light, form the hologram H on the camera 6.
  • a piezoelectric actuator (not shown here) associated with the plane mirror 34 is used the required phase position, so that in the manner already described a hologram stack is generated, which is used for the numerical reconstruction of the intensity of the image.
  • the image information is provided numerically in layers and assembled into an overall image of the object 5.
  • FIG. 9 shows a holographic arrangement in a Linnik configuration for measuring objects with a particularly high lateral resolution.
  • the frequency comb light with the centroid wavelength Lambda_S of 840 nm going from one frequency comb laser 101 with an annular microresonator into the single mode fiber 7.1 and a coherence length less than 20 m passes through a Y-coupler 7.2 and enters the single-mode fiber 7.3A.
  • the spherical wave emerging at the end of the single-mode fiber 7.3A passes the beam splitter 3 partially in transmission and reaches the mirror lens 41, where an at least approximately plane wave or a wave with a large radius of curvature is formed from the spherical wave, which now reflects the beam splitter 3 in reflection in the direction of an afocal transfer stage 85 with the diaphragm 36 passes, where this on the downstream Camera 6 represents the reference wave for the hologram H.
  • the frequency comb light coupled into the single-mode fiber 7.3B receives a reflection at the beam splitter 3 and passes via the microscope objective 81 as a plane wave B also on the object 55, where a spatially high-frequency interference fringe pattern IFM arises.
  • the object 5 is located at least approximately in the focal plane of the microscope objective 81.
  • the interference fringe pattern IFM can be changed in its phase by at least 360 ° by a stretcher 42 in a predetermined manner.
  • the spherical waves produced on the object 55 are detected by the microscope objective 81, pass through the afocal imaging stage 85 onto the camera 6, where a hologram H is formed with the reference light.
  • a scan is performed, which can change the optical path difference by at least the size of the delay length Y1.
  • a piezo plate (not shown here) on the mirror lens 41 also allows a phase position in the size of 90 ° - steps to use the phase-shifting method can.
  • the light from the single-mode fiber 7.3B is not permitted as a reference light by the shadowing effect of the diaphragm 36, so that there is only a single reference wave in the arrangement, which comes from the single-mode fiber 7.3A and is collimated via the mirror lens 41.
  • hologram stacks are recorded in a plurality of phase positions of the interference fringe pattern IFM and serve the skilled person in a well-known manner for the numerical reconstruction of the image of the object 55, here the intensity, by means of digital computing.
  • the image information is numerically also provided in layers and assembled into an overall image of the object 5.
  • the term light is always synonymous with electromagnetic radiation from Terahertz, across the infrared to the deep UV spectrum used.
  • a not shown here dual-frequency comb measuring system with time base for determining the distance and the speed of the object to be measured 51 is arranged, which provides the information about distance and the speed of the Passing measuring system in real-time measurement by means of an interface, not shown here.
  • the coherence length Ic is at least approximately 1200 ym.
  • the spatially highly coherent light beam emerging from the frequency comb laser 1c and intended to have plane wavefronts here is widened by a mirror widening optics (not shown here) and impinges on the beam splitter 3 of a Michelson interferometer, a reference beam and an object bundle being formed.
  • the reflected at the beam splitter 3 portion of the incident light beam is reflected in the reference arm R of a mirror 4a.
  • a part of the light beam is transmitted at the beam splitter 3 in the direction of the rastered detector 6.
  • the beam passing through the beam splitter 3 impinges on the object 51, which is to represent space-moving space junk in space with a maximum lateral extent of 2 m here.
  • a spherical wave Kk is created, which also propagates with a part of its wavefront in the direction of the interferometer.
  • a part of the object spherical wave Kk passes after collecting and reflecting by means of large-level detection optics 100 and not shown here wave shaping the beam splitter 3 by reflection in the direction of the rasterized detector 6.
  • the diameter of the focusing main mirror in the large-mirror detection optics 100th This is 2 m and the focal length of the same is 10 m.
  • On the Rasterized detector 6 forms from the object point OP a Fourier hologram H1 at time t1.
  • the cavity 1 d of the frequency comb laser 1 c is permanently scanned on the basis of the information of distance and velocity of the moving object, which are available in real-time measurement.
  • the optical delay length of 2L11 at time t1 has changed to that of 2L12 at time t2.
  • the spatial pulse spacing Y1 1 or Y12 results respectively from 2L11 and 2L12.
  • a short scan is performed in order to be able to touch another part of the object 51 in another sectional plane E2 for shape recognition thereof.
  • a Fourier hologram H2 is detected in a time interval delta_t_Hol2, which contains the time t2.
  • the section plane E on the moving object in the depth fine shifted here in the single-digit millimeter range, in order to additionally scan the object in its movement in its object depth in order to obtain its shape by optical multiple optical cutting.
  • the cavity After taking in a third hologram H3, in a time interval delta_t_Hol3 containing time t3, the cavity becomes 1d in the time period reset delta t_R, so that at time t4 a new hologram H4 can be recorded.
  • the ordinal number q is reduced by the meanwhile approximation of the object 51, here reduced by the value 16 with respect to the time t1.
  • the object 51 has thus approximated by 16 delay lengths Y1 (ie spatial pulse intervals) of the holographic measuring device.
  • the cavity 1 d of the frequency comb laser 1 c is controlled on the basis of the extremely precise information available in real-time measuring distance and the speed of the object 51 in a control system.
  • the holograms on the screened detector 6 can thus be regarded as "frozen", at least in the period of their detection Part of the same changes by less than 2 Pi and thus the hologram is digitally evaluated.
  • the phase in the hologram can be kept constant even for the best control quality only for a single atomic number.
  • the phases of other cutting planes e.g. the section plane E_q-1 or E_q + 1 belonging to the ordinal number q-1 or q + 1 also slightly displaces when changing the optical path length of the cavity.
  • time delta_t_Hol all cutting planes-except those belonging to q-can be rendered "invisible" in the detected hologram by time averaging, since the phase change in the time interval of the detection can exceed clearly more than 2 pi in all other cutting planes.
  • the mirror 4a is associated with an extremely fast scanner, not shown here, to be able to readjust the optical path difference in the holographic interferometer highly dynamically, if this is not exactly possible or not fast enough by means of cavity 1d. This gives the possibility of additional intervention in the holographic measuring device in order to be able to keep the phase in the hologram during the hologram detection time delta_t_Hol sufficiently constant by means of rastered detector 6 or to be able to change it in a desired manner.
  • the computer-based control system for highly complex and highly dynamic control of the frequency comb laser 1c with the cavity 1d and the control systems for synchronizing the recording of holograms by means of rasterized detector 6 are not shown here.
  • the holographic arrangement according to FIG. 10 can be used for objects 51 having the following features: distance of the object 51: 10 km, relative velocity v thereof with component in the direction of the measurement light: 100 m per second, lateral object extent: 2 m.
  • the biide integration time in the exemplary embodiment, with sufficiently good control is in the single-digit millisecond range.
  • the scan frequency of the cavity 1 d in this embodiment is a few hertz up to a few 10 Hz, so that this "reset" several times per second (yo-yo effect).
  • FIG. 11 shows the temporal relationships for the delay lengths (spatial pulse intervals) Y1j.
  • the facts are presented for the ordinal number q and for the ordinal number q-16 for two long scans, each with the duration delta_t_LS.
  • the duration delta_t_LS In a long scan with the duration delta_t_LS, several short scans with the duration delta_t_KS each take place, which alone apply to the depth scanning of the object 51 for shape detection.
  • the recording time for one Hologram by means of rastered detector 6 is delta_t_Hol.
  • FIG. 12 relates to the detection of a light-scattering object 52 made of a metallic material by means of a holographic arrangement.
  • the task is to perform a measurement of the shape deviation. It is known that the object 52 has no major deviations from the desired geometry.
  • the spatially highly coherent light beam emerging from the fiber 7-R passes as a reference beam onto the screened detector 6.
  • the spatially highly coherent object light beam emerging from the fiber 7-0 passes via an off-axis mirror 8, which slightly focuses the light at the location of a small aperture of an off-axis mirror 10, as a result of which in the bundle cross-section again significantly enlarged on the object 52, where it is also scattered back.
  • the maximum lateral extent of the aperture in the off-axis mirror 10 is about 40% of the lateral extent of the off-axis mirror 10, which has a maximum lateral extent of 120 mm. The comparatively large breakdown is needed to produce a well-collimated light beam for probing the object 52 at a greater distance.
  • the light returning from the object 52 is focused by the off-axis mirror 10 and impinges on the rasterized detector 6, where it forms with the reference beam a Fourier hologram which is detected.
  • the optical arrangement shown in FIG. 12 can also form the basis for the detailed design of the optical arrangement according to FIG.
  • the digital reconstruction of the registered holograms for FIG. 13 shows the mechanical oscillation of the object 52 in the form of the oscillation path s and FIG. 14 the optical path length Y1j for compensating for this oscillation the time that is generated by control using the information about the current displacement of the object 52 in real-time measurement.
  • the recording of the hologram takes place.
  • delta_t_KS the short scan for depth scanning of the object 52 takes place.
  • the duration delta_tR serves to return the cavity to its initial position.

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Abstract

Verfahren und Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie zur Abstandsmessung, zur Profilerfassung und/oder zur 3D-Erfassung eines oder mehrerer Objektelemente und/oder Objektbereiche und/oder Objekte oder zur Auslesung holografischer Volumenspeicher mit einem holografischen Interferometer und mit mindestens einer kurz-kohärenten Lichtquelle. Das holografische Interferometer weist für jedes optisch erfasste Objektelement im Hologramm einen optischen Gangunterschied deutlich ungleich null auf. Zur optischen Erfassung des Objekts in Form von Hologrammen ist mindestens ein spektral integral detektierender, gerasterter Detektor angeordnet. Erfindungsgemäß ist die kurz-kohärente Lichtquelle mit Frequenzkamm mit der optischen Verzögerungslänge Y1 ausgebildet. Detektierte Hologramme werden numerisch rekonstruiert. Aus den Hologramm-Rekonstruktionen werden relative Abstände von Objektelementen zueinander oder auch absolute Abstände zu einer Referenz in der Anordnung zur holografischen Interferometrie digital errechnet, so dass schließlich eine 3D-Punktwolke von Objektelementen und/oder Objektbereichen und/oder Objekten vorliegt. Mit dem erfindungsgemäßen Ansatz ist es auch möglich, Daten aus holografischen Volumenspeichern oder dreidimensional strukturierte Signaturen parallelisiert optisch auszulesen.

Description

Anmelder: Universität Stuttgart
"Verfahren und Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie"
Unser Zeichen: S11048WO - ds / hb
Beschreibung
Hintergrund
Die Fourier-Holografie, auch in Mehr-Wellenlängen-Technik, stellt bei Bestimmung der Objektform aus digital registrierten Hologrammen einen guten Ansatz dar, um die digitale Rekonstruktion mit vergleichsweise einfachen Algorithmen durchführen zu können. Dies wurde u.a. im Fachaufsatz „Digital recording and numerical reconstruction of lensless Fourier-Hologramms in optical metrology" von den Autoren Christoph Wagner, Sönke Seebacher, Wolfgang Osten und Werner Jüptner in Applied Optics vom 1. August 1999, Vol. 38, No. 22, Seiten 4812 bis 4820 [1] dargestellt. Es wird hier deutlich darauf hingewiesen, dass die Fourier-Holografie vergleichsweise gut als holografisches Verfahren mit digitaler Registrierung implementiert werden kann, da bei entsprechender Wahl der Geometrieparameter der holografischen Anordnung, die im Hologramm auftretenden Interferenz-Streifen- Dichten noch technisch vergleichsweise gut mittels verfügbarer Digital-Kameras beherrschbar sind.
Die Kurz-Kohärenz-Holografie stellt darüber hinaus eine absolut messende Messmethode dar, deren Potenzial und deren Vorteile schon vor mehreren Jahren klar erkannt wurde, s.a. Fachaufsatz „Applications of short-coherence digital holography in microscopy" von Lluis Martinez-Leon, Giancarlo Pedrini und Wolfgang Osten in Applied Optics vom 1. Juli 2005, Vol. 44, No. 19, Seiten 3977 bis 3984 [2]. Hier werden insbesondere die Möglichkeiten und Limitationen zum Erreichen einer hohen lateralen Auflösung - wie auch in [1] - bei der Erfassung der Objektform diskutiert, während hier in [2] auch die Möglichkeit der Tiefendiskriminierung bei insbesondere biologischen Objekten im Vordergrund steht. Eine Anwendung der Kurzkohärenz-Holografie auf der Basis des Fourier-Ansatzes zeigt der Fachaufsatz [3] „Lensless digital holography with Short coherence light source for three-dimensional surface contouring of reflecting micro objects" von Caojin Yuan, Hongehen Zhai, Xiaolei Wang und Lan Wu in Optics Communications 270 (2007) 176-179. Es wird dort über ein Verfahren zur digitalen Kurzkohärenz- Holografie nach dem Fourier-Ansatz für reflektierende Mikroobjekte mit einem mechanischen Tiefen-Scan des Objekts berichtet. Auch hierbei werden zur Objektabbildung keine Linsen eingesetzt und dieses Verfahren ermöglicht ebenfalls ein optisches Schneiden („optical sectioning") wie auch in [2] dargestellt. Hier wird berichtet, dass durch den Kurz-Kohärenz-Ansatz vor allem der Einfluss des Specklings am reflektierenden rauen Objekt reduziert werden kann. Darüber hinaus wird in [3] das Potenzial der Kurzkohärenz-Holografie bei der Messung von rauen Oberflächen mit einer starken Neigung, hier am Beispiel konischer Vertiefungen mit großem Aspektverhältnis, überzeugend demonstriert.
Wie in [3] dargestellt, kann bei dem Verfahren zur Kurzkohärenz-Holografie jedoch jeweils nur ein einziger, in seiner Tiefenausdehnung - je nach Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle -vergleichsweise schmaler Bereich holografisch adressiert werden. Dessen Tiefenausdehnung ist durch die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts bestimmt, so dass ein Objekt mit großer Tiefenausdehnung und geringer Kohärenzlänge nur in einem vergleichsweise langwierigen mechanischen Objekt- Scan mit der Aufnahme einer Vielzahl von Hologrammen erfasst werden kann. Es kann bei Anwendung einer kurz-kohärenten Quelle also jeweils nur der Objektbereich holografisch erfasst werden, der beim Aufnahmevorgang in der Ebene der Hologramm-Detektion einen optischen Gangunterschied kleiner als die Kohärenzlänge des Hologramm bildenden Lichts aufweist.
Im einem modellhaften Bild bedeutet dies hier für den Ansatz nach [3], dass ein Objekt mit einer Sprossenleiter in der Tiefe abgetastet wird, die nur eine einzige Leitersprosse aufweist und die zur Objektabtastung nach und nach in der Tiefe verschoben wird. In jeder Tiefenposition der Leitersprosse werden ein oder mehrere Hologramme von einem oder mehreren Objektpunken des Objekts detektiert. Dieses in [3] dargestellte Kurzkohärenz-Holografie-Verfahren kann deshalb zeitaufwendig sein und ist somit eher auf kleine Objekte begrenzt.
Darüber hinaus können weiter entfernte Objekte, beispielsweise in der Entfernung von einigen Metern, mittels Kurz-Kohärenz-Holografie beim Stand der Technik, dargestellt in [2] und [3], nicht erfasst werden.
Beschreibung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, Objekte in drei Raumdimensionen aufgelöst mit einer weitskalig anpassbaren Auflösung möglichst schnell vermessen zu können. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüche angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
So bietet die Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie eines zumindest teilweise lichtstreuenden Objekts
mittels mindestens einer Kurz-Kohärenz-Lichtquelle und/oder mindestens einer Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle, und
- mittels eines holografischen Interferometers zur Erzeugung eines Referenz- und eines Objektlichtbündels,
in welchem ein mittlerer, von null verschiedener optischer Gangunterschied Xm besteht, und
welches an seinem Ausgang einen flächenhaften Hologramm- Detektionsbereich HDB aufweist, in dem mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen spektral integral detektierender, gerasterter Detektor angeordnet ist, und
welches in seinem flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB an einem Punkt DP des HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP stets einen von null verschiedenen optischen Objektpunkt-bezogenen Gangunterschied x_OP_DP aufweist,
wobei im holografischen Interferometer kurz-kohärentes oder quasi-kurz- kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand ΔΠ = c/Y1 im Frequenzraum zur Hologramm-Erzeugung verwendet wird (c ist dabei die Lichtgeschwindigkeit), wobei Y1 die Verzögerungslänge der Verzögerungsstrecke bei der Frequenzkamm-Erzeugung darstellt, und mindestens ein Kurz-Kohärenz-Hologramm im Aufnahmevorgang mittels spektral integral detektierenden, gerasterten Detektors detektiert wird
und dabei die Ungleichung
| (x_OP_DP - n1 ■ Y1) | < Ic für mindestens ein ganzzahliges n1 mit n1 = 1 , 2, 3, und für mindestens einen optisch erfassten, zumindest teilweise lichtstreuenden Objektpunkt OP_k erfüllt ist - und somit ein Hologramm in mindestens einem Teilbereich des gerasterten Detektors entsteht - mit Ic als der Kohärenzlänge des kurz-kohärenten oder quasi- kurz-kohärenten Frequenzkamm-Lichts, welches vom lichtstreuenden Objektpunkt OP zurückkommt und zur Hologrammbildung beiträgt, und mit x_OP_DP als optischem Gangunterschied an einem Punkt DP des flächenhaften Hologramm- Detektionsbereichs HDB für den optisch erfassten, lichtstreuenden Objektpunkt OP, und mindestens ein Kurz-Kohärenz-Hologramm digital rekonstruiert wird und mindestens eine Intensitäts-Amplitude eines lichtstreuenden Objektpunkts OP aus dem rekonstruierten Hologramm oberhalb eines Schwellwert IS als Kennzeichen für das Vorhandensein eines lichtstreuenden Objektpunkts OP des Objektraumes ausgewertet wird. In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung eine Vorrichtung (Anordnung) zur Kurz-Kohärenz-Holografie eines zumindest teilweise lichtstreuenden Objekts
mit mindestens einer Kurz-Kohärenz-Lichtquelle und/oder mindestens einer Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle - wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz-, über IR-, VIS- bis UV- und EUV-Strahlung verstanden wird, und
mit einem holografischen Interferometer zur Erzeugung eines Referenz- und eines Objektlichtbündels, in welchem ein mittlerer, von null verschiedener optischer Gangunterschied Xm besteht, und
welches an seinem Ausgang einen flächenhaften Hologramm- Detektionsbereich HDB aufweist, in dem mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen spektral integral detektierender, gerasterter Detektor angeordnet ist, und
welches in seinem flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB an einem Punkt DP des HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP stets einen deutlich von null verschiedenen optischen Objektpunkt-bezogenen Gangunterschied x_OP_DP aufweist,
wobei mindestens eine Kurz-Kohärenz-Lichtquelle oder/und mindestens eine Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle mit Frequenzkamm-Charakteristik ausgebildet ist und dem holografischen Interferometer zugeordnet ist. In einem besonderen Aspekt umfasst die Vorrichtung vorzugsweise ein Auswertungsmodul, welches ausgelegt ist, mindestens ein Kurz-Kohärenz- Hologramm im Aufnahmevorgang mittels des spektral integral detektierenden, gerasterten Detektors zu detektieren,
wobei die Ungleichung
| (x_OP_DP - n1■ Y1 ) | < Ic für mindestens ein ganzzahliges n1 mit n1 = 1 , 2, 3, und für mindestens einen optisch erfassten, zumindest teilweise lichtstreuenden Objektpunkt OP_k erfüllt ist - und somit ein Hologramm in mindestens einem Teilbereich des gerasterten Detektors entsteht - mit Ic als der Kohärenzlänge des kurz-kohärenten oder quasikurz-kohärenten Frequenzkamm-Lichts, welches vom lichtstreuenden Objektpunkt OP zurückkommt und zur Hologrammbildung beiträgt, und mit x_OP_DP als optischem Gangunterschied an einem Punkt DP des flächenhaften Hologramm- Detektionsbereichs HDB für den optisch erfassten, lichtstreuenden Objektpunkt OP, und mindestens ein Kurz-Kohärenz-Hologramm digital rekonstruiert wird und mindestens eine Intensitäts-Amplitude eines lichtstreuenden Objektpunkts OP aus dem rekonstruierten Hologramm oberhalb eines Schwellwert IS als Kennzeichen für das Vorhandensein eines lichtstreuenden Objektpunkts OP des Objektraumes ausgewertet wird. Insbesondere ist die Vorrichtung ausgelegt, ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere gemäß einer der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen.
Damit erreicht die Erfindung insbesondere, Messsysteme für die Entfernungs- oder Abstandsmessung oder für die Gewinnung von 3D-Punktwolken mit einer - je nach Bedarf - weitskalig anpassbaren Auflösung und damit in der Regel auch weitskalig anpassbaren Mess- oder Abtastgenauigkeit der wirtschaftlichen Nutzung zuzuführen.
Dabei schließt der erfinderische Ansatz die Möglichkeit der Tiefen-Auflösung vom Sub-Mikrometer- bis in den Zentimeterbereich je nach Objektentfernung und Objekttiefenausdehnung und Ausbildung der eingesetzten Komponenten ein und ist damit weitskalig anwendbar.
Insbesondere wird damit erreicht, bei Bedarf eine vergleichsweise hohe Auflösung in allen drei Raumkoordinaten bei der optischen Antastung mittels Kurz-Kohärenz- Holografie auch bei einem großen Abstand von Objekten im Vergleich zur erreichbaren Tiefenauflösung zu ermöglichen. Dabei ist letztlich jedoch immer der von einem lichtstreuenden Objektpunkt erfasste Aperturwinkel, also der detektierte Ausschnitt der von einem Objektpunkt ausgehenden Kugelwelle, für die erreichbare Auflösung maßgebend. Bei der optischen Erfassung mittels Kurz-Kohärenz-Holografie sollen in einem Aspekt vorzugsweise weder das Objekt noch die holografische Anordnung im Ganzen bewegt werden müssen. Das ist beispielsweise bei der optischen 3D- Antastung von Großkomponenten bei einer Havarie in einem Kraftwerk von besonderem Vorteil. Auf einen weiteren Aspekt, bei dem hingegen bewegte Objekte untersucht werden, wird später noch beschrieben. Auch dafür ist die vorliegende Erfindung sehr effizient nutzbar. Insbesondere erreicht die Erfindung, dass Objekte vergleichsweise schnell optisch vermessen werden können.
Insbesondere ermöglicht die Erfindung, aus der Tiefe des Objektraumes mittels Kurzkohärenz-Holografie Tiefeninformationen zu gewinnen. Dabei ist die Tiefenauflösung sehr flexibel anpassbar.
Ein besonderer Vorteil bestehet darin, aus unterschiedlichen Tiefen des Objektraumes simultan Informationen über ein zumindest teilweise lichtstreuendes Objekt gewinnen zu können. Die registrierten Kurz-Kohärenz-Hologramme, die gleichzeitig von Kugelwellen aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes gebildet werden, können mittels digital durchgeführten Hologramm-Rekonstruktionen zu einer 3D-Punktwolke verarbeitet werden. Hier besteht der Vorteil, durch ein parallelisiertes, also gleichzeitiges Antasten verschieden tief liegender Objektbereiche, eine deutlich höheren Messproduktivität im Vergleich zum Stand der Technik bei der Kurz- Kohärenz-Holografie erreichen zu können.
Um mit einem modellhaften Bild zu argumentieren, bedeutet dies, dass die vorliegende Erfindung den Vorteil bietet, ein Objekt mit einer Sprossenleiter abzutasten, die mehrere Leitersprossen aufweist, die nach und nach über das Objekt in der Tiefe verschoben werden und somit dieses Objekt optisch abtasten, so dass simultan aus mehreren Tiefenbereichen des Objekts Informationen in Form von Kurz-Kohärenz-Hologrammen gewonnen werden können, also von den Tiefenbereichen, die jeweils gerade von einem Leitersprossenbereich optisch geschnitten werden.
Ein weiterer besonderer Vorteil besteht darin, sowohl die absolute Erfassung der Objektposition als auch die Bestimmung der Objektform - auch bei einer größeren Entfernung, beispielsweise bei einer Objektentfernung von 10 Metern, mit vergleichsweise hoher Auflösung in den drei Raumkoordinaten zu ermöglichen.
Bei dem hier verwendeten Begriff des Gangunterschieds kommt es insbesondere nicht auf ein Vorzeichen an. Deshalb ist in allen in dieser Schrift verwendeten Ungleichungen für einen optischen Gangunterschied - unabhängig von der Position eines Objekts oder Objektpunktes - immer ein positiver numerischer Wert anzunehmen und einzusetzen. Die Verwendung eines stets positiven Wertes gilt auch uneingeschränkt für die Verzögerungslänge Y1. Insbesondere kann die Unterschied in der optischen Weglänge zwischen einem Referenz- und einem Objektlichtbündel je nach Anwendung unterschiedlich gewählt werden. Während beispielsweise für Anwendungen mit weit entfernten Objekten (insbesondere bewegten Objekten) vorzugsweise ein Gangunterschied gewählt wird, bei dem die optischen Weglänge des Objektstrahls größer ist als die optische Weglänge des Referenzstrahls, können diese Verhältnisse beispielsweise bei Untersuchungen auf mikroskopischer Skala genau umgekehrt wünschenswert sein, d.h. es kann in diesem Fall gewünscht sein, die optische Weglänge im Referenzstrahl größer zu wählen als im Objektstrahl.
Die Erfindung bietet somit insbesondere ein Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie insbesondere für ein technisches oder biologisches, zumindest teilweise lichtstreuendes Objekt oder für zumindest teilweise lichtstreuende Objektelemente zur Gewinnung einer 2D- oder 3D-Punktwolke in der mikroskopischen, der mesoskopischen, insbesondere auch für die ln-vivo-3D-Erfassung der Form eines Zahns oder auch mehrerer Zähne im Mund eines Menschens, oder in der makroskopischen Skala oder auch zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik technischer oder biologischer, zumindest teilweise lichtstreuender Objekte mit Gewinnung einer 2D- oder 3D-Punktwolke oder auch nur zur Abstandsmessung oder Tiefenbestimmung eines zumindest teilweise lichtstreuenden Objekts.
Das Verfahren wird mit einem holografischen Interferometer zur Erzeugung von Referenz- und Objektlicht - wobei hier insbesondere Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz-, über IR-, VIS-, UV- bis EUV- Strahlung verstanden wird - durchgeführt.
Am Ausgang des holografischen Interferometers besteht ein flächenhafter Hologramm-Detektionsbereich HDB. Weiterhin ist mindestens eine Kurz-Kohärenz- Lichtquelle oder mindestens eine Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle zur Beleuchtung angeordnet. Im hoiografischen Interferometer besteht für die detektierten Objektpunkte OP_k ein optischer Gangunterschied X_k, der stets deutlich von null verschieden ist, wobei hier das holografische Interferometer in seinem flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB an einem Punkt DP des Hologramm- Detektionsbereichs HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP_k stets einen deutlich von null verschiedenen optischen - Objektpunkt-bezogenen - Gangunterschied x_OP_k_DP aufweist. Es ist mindestens ein, zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor in diesem Hologramm-Detektionsbereich HDB angeordnet.
Erfindungsgemäß wird die Kurz-Kohärenz-Holografie mit der Frequenzkamm- Technik zur Kurz-Kohärenz-Frequenzkamm-Holografie (short-coherence frequency- comb holography = SCFC-Holography) verfahrensmäßig verbunden, indem im hoiografischen Interferometer kurz-kohärentes oder quasi-kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Af1 = c/Y1 im Frequenzraum zur Hologramm-Erzeugung verwendet wird, wobei Y1 die Verzögerungslänge der Verzögerungsstrecke bei der Frequenzkamm-Erzeugung darstellt, und mindestens ein Kurz-Kohärenz-Hologramm im Aufnahmevorgang mittels spektral integral detektierenden, gerasterten Detektors detektiert wird. Es können vorzugsweise mehrere Verzögerungsstrecken zur Frequenzkamm- Erzeugung angeordnet sein. Dabei ist die Ungleichung
| (x_OP_k_DP - n1 · Y1) | < Ic für mindestens ein ganzzahliges n1 mit n1 = 1 , 2, 3, ... und für mindestens einen optisch erfassten, zumindest teilweise lichtstreuenden Objektpunkt OP_k erfüllt und somit entsteht ein Hologramm in mindestens einem Teilbereich des gerasterten Detektors mit Ic als der Kohärenzlänge des kurz-kohärenten oder quasi-kurz- kohärenten Frequenzkamm-Lichts, welches vom lichtstreuenden Objektpunkt OP zurückkommt und zur Hologrammbildung beiträgt. x_OP_k_DP ist der optische Gangunterschied an einem Punkt DP des flächenhaften Hologramm- Detektionsbereichs HDB für den optisch erfassten, lichtstreuenden Objektpunkt OP_k. Es wird mindestens ein Kurz-Kohärenz-Hologramm digital rekonstruiert und mindestens eine Intensitäts-Amplitude eines lichtstreuenden Objektpunkts OP_k wird aus dem rekonstruierten Hologramm oberhalb eines Schwellwert IS bestimmt. Das ist das Kriterium für das Vorhandensein eines lichtstreuenden Objektpunkts OP_k des Objektraumes, so dass mittels digitaler Hologramm-Rekonstruktion und bei Anwendung des Schwellwertkriteriums IS eine Vielzahl von lichtstreuenden Objektpunkten im Objektraum und somit eine 3D-Punktwolke bestimmbar ist.
Die Kurz-Kohärenz-Lichtquelle kann vorzugsweise eine Kohärenzlänge Ic vom einstelligen Mikrometerbereich bis in den einstelligen Millimeterbereich aufweisen. Eine Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle kann vorzugsweise eine Kohärenzlänge Ic vom einstelligen Millimeterbereich bis in den ein- oder zweistelligen Zentimeterbereich aufweisen.
Dies gestattet, auch weit entfernte Objekte optisch anzutasten, beispielsweise in einem havarierten Kraftwerk, da für ein ganzzahliges n1 die Ungleichung (1) erfüllt werden kann, wenn der mittlere optische Gangunterschied Xm in der holografischen Anordnung entsprechend eingestellt ist, beispielsweise auch mittels eines verschiebbaren Referenzreflektors. Dabei kann die Kohärenzlänge Ic des kurzkohärenten Lichts vergleichsweise gemacht groß sein, beispielsweise im Bereich eines einstelligen Millimeterbereichs, wenn es allein und nur darum geht, das Vorhandensein eines Objektpunkts oder eines Objekts auf eine größere Entfernung zu prüfen oder festzustellen, beispielsweise das Vorhandensein von Starkstromkabeln oder auch feinen Drähten in einer sehr unübersichtlichen Situation, in der die Tiefeninformation im Vergleich zur hochauflösenden Bildaufnahme sehr nutzbringend ist. In diesem Fall ist es nicht einmal notwendig, wenn beispielsweise die Verzögerungslänge Y1 bei der Erzeugung von Frequenzkamm-Licht nur wenige Millimeter beträgt, die ganzzahlige Zahl n1 in der Ungleichung (1 ) zu kennen. Die ganzzahlige Zahl n1 beschreibt die ganzzahlige Anzahl der Verzögerungslängen Y1 , die in den optischen Gangunterschied und x_OP_k_DP passen, leitet sich also aus einem Quotienten ab. Oft genügt eine näherungsweise Kenntnis der Zahl n1 , um die aufgenommenen und rekonstruierten Daten zuordnen zu können. Bei der Formmessung flacher Objekte ist die Kenntnis der Zahl n1 eher nebensächlich, wenn die Profiltiefe deutlich kleiner als die Verzögerungslänge Y1 ist. Um die Kohärenzlänge Ic an die Messsituation anpassen zu können, ist es möglich, vorzugsweise spektral steuerbare Filter einzusetzen. Ein anderes Einsatzgebiet kann die Erkennung der Unversehrtheit von vergleichsweise flach ausgebildeten Siegeln an Behältern mit hochradioaktivem Inhalt sein. In diesem Fall ist die Kenntnis von n1 eher nebensächlich, wobei n1 die Anzahl, gerundet auf eine ganzzahlige Zahl, der Verzögerungslängen Y1 ist, die sich in den optischen Gangunterschied der holografischen Anordnung einpasst. Hier wird von einem in der Regel unveränderlichen n1 für alle angetasteten Objektpunkte ausgegangen, da es sich hierbei um ein flaches Objekt - in Relation zur bestehenden Verzögerungslänge Y1 bei der Erzeugung von Frequenzkamm-Licht - handelt.
Gibt es jedoch a-priori-lnformationen über ein Objekt mit einer Regelgeometrie, beispielsweise über einen zumindest näherungsweise rotationssymmetrischen Kegel mit großem Aspektverhältnis und mit seiner Symmetrieachse zumindest näherungsweise parallel zur Ausbreitungsrichtung des Frequenzkamm-Lichts angeordnet, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Informationen über dessen 3D-Form, auch Abweichungen von dessen Sollform, ermittelt werden. In diesem Fall und bei Anwendung eines Michelson-Interferometers als holografische Anordnung bilden sich bei Beleuchtung des Objekts mit Frequenzkamm-Licht mit zumindest näherungsweise planen Wellenfronten parallel liegende Bereiche im Objektraum in Form von parallel angeordneten Leitersprossen - wie bei einer schmalen Sprossenleiter aus. Dabei liegen die einzelnen Leitersprossen parallel zu den Wellenfronten bei der Objektbeleuchtung. Es werden also ebene Wellenfronten angenommen Dabei definiert hier im Modell die Mitte der obersten Leitersprosse, welche den Fall n1 = 0 darstellen soll, den optischen Gangunterschied null im holografischen Interferometer. Für diesen Fall ist jedoch eine Frequenzkamm- Lichtquelle überflüssig, da diese hierbei eher keinen erkennbaren Vorteil liefert. Der genaue Ort dieser speziellen (nullten) Leitersprosse hängt natürlich von der Position und Ausbildung des Referenzreflektors im Referenzarm des hier angenommenen Michelson-Interferometers ab. Eine Schiebung des Referenzreflektors schiebt dann auch die Position dieser nullten Sprosse mit der per Definition zugewiesenen Sprossen-Ordnungszahl null.
Dieses Bild von der Sprossenleiter verdeutlicht hier den Sachverhalt recht anschaulich, wenn man den Schwerstrahl des räumlich hochkohärenten und sich zum Objekt hin ausbreitenden Beieuchtungsstrahlenbündels betrachtet, welches hier als paralleles Bündel angenommen ist, und die sich eher schmale Sprossenleiter im Modell zur Veranschaulichung nur in unmittelbarer Nähe des Schwerstrahls des Beleuchtungsbündels befinden soll. Bei wellenoptischer Betrachtung liegen die Leitersprossen parallel zu den Wellenfronten des räumlich hochkohärenten Lichts zur Objektbeleuchtung.
Das von einem Objektpunkt OP_k, welcher hier modellhaft auf dem Schwerstrahl des Beieuchtungsstrahlenbündels liegen soll, zurückkommende Licht soll sich im Modell auch als ein zum o.g. Schwerstrahl paralleler Strahl ausbreiten. In diesem Fall approximiert das Leiter-Modell recht gut den Sachverhalt mit den optischen Weglängen, wenn der zugehörige Referenzstrahl am Ausgang des Michelson- Interferometers mit dem von OP_k zurückkommenden Objektstrahl zusammenfällt. Es ist klar, dass sich vom lichtstreuenden Objektpunkt OP_k eine Kugelwelle ausbreitet und in der Hologramm-Detektionsebene zur Interferenz mit dem Referenzlicht kommt. Dieses Referenzlicht kann vorzugsweise ebenfalls als Kugelwelle ausgebildet sein, wobei sich das Zentrum der Referenzkugelwelle modellhaft auf dem Schwerstrahl des sich im Referenzarm ausbreitenden Strahlenbündels befinden soll, so dass hier der Fall der Fourier-Holografie gegeben ist. Im flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB tritt dann die Interferenz von zwei Kugelwellen auf. Das Leiter-Modell approximiert die Verhältnisse besonders gut, wenn die Referenzwelle eine Kugelwelle ist, deren Quellpunkt optisch konjugiert zum Objektpunkt OP_k ist, wobei letzterer - hier im Modell - auf dem Schwerstrahl des Strahlenbündels im Referenzarm liegen soll. In diesem Fall geht die Variation des optischen Gangunterschieds im Hologramm im gesamten Hologramm- Detektionsbereich HDB gegen null.
Die Darstellung der Referenzwelle als Kugelwelle mit dem zum Objektpunkt OP_k optisch konjugierten Kugelwellen-Quellpunkt kann durch einen entsprechend angeordneten Rotationsparaboloiden im Referenzarm eines Michelson- Interferometers zur Durchführung der Holografie erfolgen. Dabei liegt - hier im Modell - der Fokuspunkt des Rotationsparaboloiden auf dem Schwerstrahl des eingehenden Strahlenbündels und der Schwerstrahl fällt mit der Symmetrieachse dieses Rotationsparaboloiden zusammen.
Dabei weisen im Modell im Objektraum die einzelnen Sprossen dieser Sprossenleiter - mit ihren Mittellinien - den halben Abstand der Verzögerungslänge Y1 , also Y1/2, der Frequenzkamm-Lichtquelle voneinander auf. Die Leitersprossen können bis zur Ordnungszahl n1_max durchnumeriert werden. Die Dicke dieser Leitersprossen, also deren Tiefenausdehnung - hier in Lichtausbreitungsrichtung - ist hier im Modell dann zumindest näherungsweise gleich der halben Kohärenzlänge Ic des Frequenzkamm-Lichts, also lc/2.
Die Kohärenzlänge Ic ist vorzugsweise in weiten Grenzen einstellbar, wodurch die Dicke dieser modellhaften Leitersprossen ebenfalls in weiten Grenzen veränderlich ist. Je kleiner also die Kohärenzlänge Ic ist, d.h. je dünner diese Leitersprossen hier im Modell sind, desto höher ist in der Tendenz die erreichbare Tiefenauflösung, da so die Diskriminierung von Objektpunkten strenger wird. Denn nur die Bereiche am Objekt, in denen ein Leitersprossen-Bereich das Objekt - hier in der Betrachtung wieder der rotationssymmetrische Kegel - schneidet, können überhaupt Hologramme im flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB ausbilden. So kann ein rotationssymmetrischer Kegel in einigen, eher dünnen Bereichen holografisch abgetastet werden und aufgrund der a-priori-lnformation über die Objektform aufgrund der Regelgeometrie können die aus einzelnen Hologrammen durch Rekonstruktion der Intensitätsamplitude bestimmten Tiefenwerte - in der Regel dann eher widerspruchsfrei - zu einer 3D-Punktwolke kombiniert werden. Es wird im einfachsten Fall nur ermittelt, ob aus dem Hologramm überhaupt eine Intensitätsamplitude rekonstruiert werden kann, die über einem, für den Fachmann technisch sinnvollen Schwellwert liegt. Das ist das einfachste Kriterium. Die Tiefenposition eines so ermittelten Objektpunkts OP_k wird im einfachsten Fall der Mitte der jeweiligen Leitersprosse zugeordnet, was einen erheblichen Fehler beinhalten kann, der in der Größenordnung der halben Kohärenzlänge liegen kann. Damit ist klar, dass die Nutzung kurz-kohärenten Lichts mit einer eher kleinen Kohärenzlänge Ic in der Tendenz mit einer geringeren Antast-Unsicherheit bei der Bestimmung der Tiefenposition eines so ermittelten Objektpunkts OP_k einhergehen muss.
Wenn es darum geht, eine vergleichsweise hoch auflösende Formmessung an einem Objekt, beispielsweise die In-vivo-Formerfassung an einem Zahn im Mund eines Menschen, durchzuführen, kann die Kohärenzlänge Ic des kurz-kohärenten Lichts vorzugsweise und mit Vorteil im zweistelligen Mikrometerbereich liegen.
Bei der hochaufgelösten Erfassung des Mikroprofils eines vergleichsweise kleinen Objektbereichs kann die Kohärenzlänge Ic des kurz-kohärenten Lichts sogar im einstelligen Mikrometerbereich liegen, also das kurzkohärente Licht kann dann im sichtbaren Spektralbereich auch„weiß" sein.
Der gerasterte Detektor kann als monochrome Matrix-CCD- oder Matrix-CMOS- Kamera oder auch als Farb-Matrix-CCD- oder Farb-CMOS-Kamera, in Ein-Chip- oder Mehr-Chip-Anordnung ausgebildet sein. Vorzugsweise werden mehrere Kamera-Chips oder eine Vielzahl von Kamera-Chips in Matrix-Form angeordnet. Der gerasterte Detektor kann vorzugsweise durch eine Vielzahl von Kamera-Chips in Matrix-Form gebildet sein, wobei auch vorzugsweise die Anordnung mehrerer Chip- Matrizen möglich ist, beispielsweise je eine Chip-Matrix für einen bestimmten Spektralbereich.
Bei dem Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie wird vorzugsweise eine Vielzahl von Hologrammen, in Form eines Hologrammstapels, nach und nach erzeugt und mittels gerastertem Detektor aufgenommen. Bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz-Hologrammen wird nach und nach
- entweder der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer im Referenzarm oder/und im Objektarm verändert
- oder/und nach und nach wird die Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke zur Frequenzkamm-Erzeugung verändert bis zumindest für einen lichtstreuenden Objektpunkt OP_k des Objektraumes in einem Bereich am Punkt DP im Hologramm-Detektionsbereich HDB für Frequenzkamm-Licht, das von mindestens einer Lichtquelle mit der optischen Verzögerungslänge Y1 stammt, die Ungleichung (1 ) für mindestens ein ganzzahliges n1 mit n1 = 1 , 2, 3, ... | (x_OP_k_DP - n1 · Y1 ) | < Ic (1 ) erfüllt ist. Dann entsteht somit mindestens ein Hologramm - mit Ic als der Kohärenzlänge des Hologramm bildenden Frequenzkamm-Lichts, welches von mindestens einem lichtstreuenden Objektpunkt OP_k zurückkommt. x_OP_k_DP ist der optische Gangunterschied an einem Punkt DP des flächenhaften Hologramm- Detektionsbereichs HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP_k. Von technischem Vorteil ist es jedoch vorzugsweise den mittleren optischen Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer im Referenzarm zu verändern. Dies kann durch das Verschieben eines Endreflektors im Referenzarm erfolgen.
Die aufgenommenen Kurz-Kohärenz-Hologramme werden digital rekonstruiert und mindestens eine Intensitäts-Amplitude eines lichtstreuenden Objektpunkts OP_k aus mindestens einem rekonstruierten Hologramm oberhalb eines Schwellwert IS wird als Kennzeichen für das Vorhandensein eines lichtstreuenden Objektpunkts OP_k des Objektraumes ausgewertet, so dass mittels digitaler Hologramm- Rekonstruktionen und Anwendung des Schwellwertkriteriums IS eine Vielzahl von lichtstreuenden Objektpunkten OP_k, mit k = 2, 3, 4, im Objektraum und somit eine 3D-Punktwolke bestimmbar ist.
Durch die vorbestimmte, als auch gemessene mehrfache Variation des mittleren optischen Gangunterschieds Xm ist es dem Fachmann jedoch gut möglich, Daten aus aufgenommenen Hologrammen zu gewinnen, um die ganzzahlige Zahl nT exakt zu ermitteln. Dazu werden mehrere Ungleichungen gemäß der Ungleichung (1 ) bei unveränderlicher Objektlage, jedoch bei Variation des mittleren optischen Gangunterschieds Xm aufgestellt.
Soll ein rotationssymmetrischer Kegel in seiner Höhenausdehnung holografisch durch eine Vielzahl dünner Bereiche, die jeweils Hologramme liefern, lückenlos über der Zeit abgetastet werden, muss vorzugsweise der mittlere optische Gangunterschied Xm schrittweise oder kontinuierlich verändert werden, wobei nach jedem Schritt mindestens ein Hologramm aufgenommen wird. Bei Anwendung der Phasenschiebe-Technik werden vorzugsweise drei, vier, oder fünf - gegebenenfalls auch mehr - jeweils zueinander phasenverschobene Hologramme nach jedem Schritt aufgenommen. Dabei kann die Veränderung des mittleren optischen Gangunterschied Xm bei jedem Schritt vorzugsweise ein Zehntel der der Kohärenzlänge Ic des Hologramm bildenden Frequenzkamm-Lichts betragen, so dass sich nach und nach eine Überdeckung der„Sprossenbereiche" auf dem Objekt in Tiefenrichtung ergibt. So ergeben sich für einen Objektpunkt OP_k in den digital rekonstruierten Hologrammen mehrere Intensitäts-Amplituden-Werte, die auf einer Gaußkurve liegen können, wodurch dem kundigen Fachmann das Ausführen der gut bekannten Schwerpunktauswertung für jeden Objektpunkt OP_k möglich ist, welche die Messunsicherheit (Genauigkeit) bei der Tiefen-Messung in der Regel signifikant verbessert.
Dabei ist es auch möglich, mit dem erfindungsgemäßen Ansatz holografische Volumenspeicher auszulesen. Es ist auch möglich mit diesem Ansatz dreidimensionale, mikroskopisch kleine Signaturen in einem Schuss zu erfassen.
Vorzugsweise ist es auch möglich, dass die Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke verändert wird, was aber als technisch aufwendiger angesehen wird - im Vergleich zum Verändern des mittleren optischen Gangunterschieds Xm in der holografischen Anordnung, beispielsweise im Referenzarm des holografischen Interferometers durch Schieben eines Endreflektors.
Insbesondere bei vergleichsweise großen Objektentfernungen und einer vergleichsweise kurzen Verzögerungslänge Y1 einer wie auch immer gearteten Frequenzkamm-Lichtquelle werden an die Güte des Frequenzkamms hohe Anforderungen gestellt. Die Frequenzkämme müssen also sehr scharfe„Nadeln" und äquidistante Nadeln aufweisen, also eine geringe Halbwertsbreite in Bezug zum Frequenzabstand der einzelnen Maxima (Frequenzkammnadeln) aufweisen. Diese Forderung steigt mit dem Quotienten aus mittlerem optischen Gangunterschied Xm und der Verzögerungslänge Y1 einer wie auch immer gearteten Frequenzkamm- Lichtquelle. Dies wird beim Stand der Technik und bestem Wissen am Besten mit Frequenzkamm-Lasern und am Besten für optisch anzutastende Objekte im Nahbereich erreicht, wo der o.g. Quotient vergleichsweise klein ist. Der gerundete ganzzahlige Teil dieses Quotienten stellt die oben bereits eingeführte Zahl n1 , mit n1 = 1 , 2, 3 50,..., dar. Die Zahl n1 kann auch über die mehrfache Variation von
Xm aus einem Hologramm-Stapel bestimmt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Ansatz ist es auch möglich, holografische Volumenspeicher oder eine dreidimensionalen Signatur parallelisiert, also gleichzeitig in stark unterschiedlichen Tiefen des Volumens mittels Hologramm- Erzeugung auszulesen beziehungsweise zu erkennen. Hierbei wird vorzugsweise der mittlere optische Gangunterschied Xm nach und nach verändert und so verschiedene Tiefenbereiche im Speichervolumen adressiert und so werden Dots im Volumen des holografischen Speichers oder einer dreidimensionalen Signatur, welche die digitalen Informationen tragen, als vorhanden (L-Situation) oder als nicht vorhanden (O-Situation) erkannt.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie eine Vielzahl von Hologrammen j, in Form eines Hologrammstapels, also nach und nach in j Situationen erzeugt und mittels gerastertem Detektor aufgenommen. Bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz- Hologrammen j wird nach und nach
- entweder der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer im Referenzarm oder/und im Objektarm verändert
- oder/und es wird nach und nach die Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke zur Frequenzkamm-Erzeugung verändert bis zumindest für einen lichtstreuenden Objektpunkt OP_k des Objektraumes in einem Bereich am Punkt DP im Hologramm-Detektionsbereich HDB für Frequenzkamm-Licht, das von einer Lichtquelle mit der optischen Verzögerungslänge Y1 beziehungsweise Y1 J stammt, mindestens eine der beiden Ungleichungen (2) und (3) für mindestens ein ganzzahliges n1 mit n1 = 1 , 2, 3, ...
| (x_OP_kJ_DPJ - n1 ■ Y1 ) | < Ic (2)
| (x_OP_k_DP - n1 · Y1 J) | < Ic (3) erfüllt ist und somit mindestens ein Hologramm entsteht.
Dabei beschreibt die hier erste Ungleichung (2) den Fall des Veränderns des mittleren optischen Gangunterschieds Xm im holografischen Interferometer in j Schritten und die hier zweite Ungleichung (3) den Fall des Veränderns der Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke zur Frequenzkamm-Erzeugung im holografischen Interferometer in j Schritten.
Hier ist Ic die Kohärenzlänge des Hologramm bildenden Frequenzkamm-Lichts, welches von mindestens einem lichtstreuenden Objektpunkt OP_k zurückkommt. x_OP_kJ_DPJ und x_OP_k_DP stellen jeweils den optischen Gangunterschied an einem Punkt DP des flächenhaften Hologramm-Detektionsbereichs HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP_k und zu einer Situation j dar. Der Wert x_OP_k_j_DPJ ist anzunehmen, wenn der mittlere optische Gangunterschied vorbestimmt variiert wird,. Dagegen ist der Wert x_OP_k_DP anzunehmen, wenn die optische Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke zur Frequenzkamm- Erzeugung verändert wird. Y1 oder Y1J - letztere im Fall der Variation der Verzögerungslänge - stellen die jeweilige optische Verzögerungslänge der Frequenzkamm-Lichtquelle dar.
Die aufgenommenen Kurz-Kohärenz-Hologramme mit der Anzahl j werden digital rekonstruiert und mindestens eine Intensitäts-Amplitude eines lichtstreuenden Objektpunkts OP_k aus mindestens einem rekonstruierten Hologramm j wird oberhalb eines Schwellwerts IS als Kennzeichen für das Vorhandensein eines lichtstreuenden Objektpunkts OP des Objektraumes ausgewertet, so dass mittels digitaler Hologramm-Rekonstruktionen und Anwendung eines Schwellwertkriteriums IS eine Vielzahl von räumlich verteilten lichtstreuenden Objektpunkten OP_k, mit k = 2, 3, 4, ... im Objektraum und somit eine 3D-Punktwolke bestimmbar ist.
Vorzugsweise ist es bei dem Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie auch möglich, dass in einer ersten Phase für einen adressierten Objekttiefenbereich des Objektraumes mit lichtstreuenden Objektpunkten OP_k für ein erstes kurz- kohärentes oder quasi-kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Af1 = c/Y1 für ein ganzzahliges n1 , mit n1 = 1 , 2, 3, ... in einem Zeitbereich Δί1 ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j1 erfolgt und bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz-Hologrammen nach und nach der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer - im Referenzarm
- oder/und im Objektarm verändert wird.
Anschließend erfolgt ein Ausschalten, Ausblenden oder Aussperren des ersten Lichts mit Frequenzkamm-Charakteristik.
Vorzugsweise erfolgt in einer zweiten Phase in einem Zeitbereich At2 für denselben Objekttiefenbereich des Objektraumes mit denselben lichtstreuenden Objektpunkten OPj für ein zweites kurz-kohärentes oder quasi-kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Af2 = c/Y2 ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j2 und bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz-Hologrammen wird nach und nach der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer
- im Referenzarm
- oder/und im Objektarm in gleicher Weise wie im Zeitbereich At1 verändert.
Dabei ist entweder nur die Quelle 1 oder nur die Quelle 2 oder auch nur eine einzige weitere Quelle i jeweils eingeschaltet. Somit kann ein großer Eindeutigkeitsbereich bei der Tiefenerfassung von Objekten mittels Multi-order- oder Multi-Ievel- Kurzkohärenz-Frequenzkamm-Holografie erreicht werden.
Es sind analog zum vorher Dargestellten auch Verfahren mit mehr als zwei kurz- kohärenten Lichtquellen mit Frequenzkamm-Charakteristik - also dann auch in mehr als zwei Zeitfenstern - möglich. So ist mit mehr als zwei Quellen von kurzkohärentem Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik zu unterschiedlichen Zeiten auch die Gewinnung eines absoluten Referenzpunkts im Objektraum in einer gewissen Analogie zur Multi-Wellenlängen-Technik der Interferometrie möglich.
Das Bild von der Sprossenleiter verdeutlicht auch hier den Sachverhalt recht anschaulich, indem in einer ersten Phase bei einer Sprossenleiter die einzelnen Leitersprossen (mit ihren Mittellinien) den halben Abstand der Verzögerungslänge Y1 , also Y1/2, der Frequenzkamm-Lichtquelle voneinander aufweisen und in einer zweiten Phase den halben Abstand der Verzögerungslänge Y2, also Y2/2, der Frequenzkamm-Lichtquelle voneinander aufweisen. In jeder der beiden Phasen wird dabei im Modell die Sprossenleiter in vorzugsweise jeweils gleichen Schritten deutlich unterhalb der Kohärenzlänge Ic des zur Hologrammbildung kommenden Frequenzkamm-Lichts in der Tiefe verschoben. Das soll hier im Modell - in jeder der beiden Phasen jeweils in der gleichen Ausgangsposition (O-Position) beginnend - nach unten erfolgen. Je nach Tiefenlage eines hier betrachteten Objektpunkts OP_k erfolgt in den beiden Phasen im Allgemeinen die Antwort eines Punktes in Form eines Hologramms in unterschiedlichen Schrittpositionen j der hier modellhaft angenommenen Leiter. Daraus lässt sich für den Fachmann - beispielsweise auch in Analogie zum in der Zwei-Wellenlängen-Technik auch verwendeten Leitermodell - die Tiefenposition innerhalb eines Schwebungsbereichen Ys sicher bestimmen, welcher durch die zwei Frequenzkamm-Lichtquellen mit den jeweiligen Verzögerungslängen Y1 und Y2 und aufgrund von deren Differenz delta_Y hier gegeben ist. Die eindeutige Zuordnung eines Objektpunktes OP_k, der„hier zweimal - also in der Phase 1 und in der Phase 2 - optisch in Form eines Hologramms geantwortet hat" stellt für den kundigen Fachmann eine gut lösbare Aufgabe dar.
Es soll hier der Fall im Modell betrachtet werden, dass die halbe Verzögerungslänge Y1/2 genau 1 Längeneinheit und die halbe Verzögerungslänge Y2/2 genau 10/9 Längeneinheiten betragen. Dann beträgt die halbe Schwebungsperiode Ys/2 genau 10 Längeneinheiten. So ergibt sich hier für einen Objektpunkt OP_k in Phase 1 (Lichtquelle 1 ist eingeschaltet) der Bruchteil innerhalb der halben Verzögerungslänge Y1/2 aus der Anzahl der Schrittpositionen j1 bis die Intensität für den Objektpunkt OP_k aus dem Hologramm oberhalb der Schwelle IS liegt. Beispielsweise hier für die Schrittposition j1 = 2. Anschließend wird in Phase 2 die 5 zweite Frequenzkamm-Lichtquelle mit der Verzögerungslänge Y2 in Funktion gesetzt und derselbe Objektpunkt OP_k „meldet" sich bei nach der Hologramm- Rekonstruktion nun bereits bei der Startposition, also bei j2 = 0 mit einer Intensität aus dem rekonstruierten Hologramm oberhalb der Schwelle IS. Dann liefert die Differenz (j1 - j2) hier die Zahl 2, und somit auch die Information, dass sich der 10 „Antwort gebende" Objektpunkt OP_k in der Tiefe 2,2 Längeneinheiten - bezogen auf die halbe Verzögerungslänge Y1/2 - von der Nullposition aus gesehen - befindet. Diese„Bruchteil-Methode", hier vereinfacht dargestellt, ist der Fachwelt aus der Zwei-Wellenlängen-Technik oder allgemein aus der Zwei-Perioden-Technik sehr gut bekannt.
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Es soll noch einmal klar herausgestellt werden, dass es sich hierbei nicht um einen Schwebungs-Ansatz handelt, der eine Interaktion oder Interferenz elektromagnetischer Wellen zur Grundlage hat. Der Schwebungs-Ansatz beruht hier auf der Basis von Messinformationen, die auf dem Verrechnen von gedehnten oder 0 gestauchten Referenzlängen, hier die Verzögerungslängen Y1 und Y2 sowie vorzugsweise weiteren Verzögerungslängen Yi, beruhen.
Vorzugsweise ist es bei dem Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie auch möglich, dass für einen adressierten Objekttiefenbereich des Objektraumes mit 5 lichtstreuenden Objektpunkten OP_k für ein erstes kurz-kohärentes oder quasi-kurz- kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Af1 = c/Y1 in einem Spektralbereich delta_sigma1 ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j1 erfolgt und bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz-Hologrammen nach und nach der 0 mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer
- im Referenzarm - oder/und im Objektarm verändert wird.
Vorzugsweise erfolgt außerdem zeitgleich für mindestens ein zweites kurz- kohärentes oder quasi-kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Af2 = c/Y2 in einem Spektralbereich delta_sigma2, der vollständig vom Spektralbereich delta_sigma1 getrennt ist, für denselben Objekttiefenbereich des Objektraumes mit denselben lichtstreuenden Objektpunkten OP_k ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j2.
Damit ist ein simultanes gleichzeitiges Messen in mehreren Spektralbereichen, vorzugsweise mit einer Mehr-Chip-Farbkamera möglich, so dass eine simultane Multi-order- oder Multi-Ievel Kurz-Kohärenz-Frequenzkamm-Holografie durchführbar wird.
Es sind analog zum vorher Dargestellten auch Verfahren mit mehr als zwei Frequenzkamm-Lichtquellen in mehr als zwei Spektralfenstern möglich. So ist mit mehr als zwei Frequenzkamm-Lichtquellen eine absolute Referenzpunkt-Gewinnung im Objektraum möglich.
Vorzugsweise ist es bei dem Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie auch möglich, dass die Fourier-Holografie zur Anwendung kommt. Dies reduziert die Anforderungen an die gerasterten Detektoren und den Rekonstruktionsaufwand erheblich. Dabei wird vorzugsweise bei der Fourier-Holografie mit Referenz- Kugelwelle eine vorbestimmte Positionierung des Referenz-Kugelwellen- Quellpunktes durchgeführt, so dass der Referenz-Kugelwellen-Quellpunkt möglichst dicht im Umfeld der zu vermessenden Objektpunkte lokalisiert ist, wobei hier ja die optische Konjugation von Referenzraum und Objektraum gilt. Der Referenz- Kugelwellen-Quellpunkt wird also beispielsweise durch präzisen Schieben von Optikkomponenten wie Dachkant-, Tripel-Spiegel oder auch gekrümmte Einzelspiegel- oder auch Spiegelsysteme so positioniert, das der Referenz- Kugelwellen-Quellpunkt mit einem Objektpunkte zusammenfällt, dem großes Interesse gilt, beispielsweise ein Objektpunkt in der unmittelbaren Umgebung eines realen oder vermuteten Risses eines Behälters, einer Wanne oder eines Tanks.
Dabei soll hier festgehalten werden, dass es vorzugsweise auch möglich ist, dass weitgehend unabhängig von der speziellen Ausbildung der holografischen Anordnung zusätzlich zu der Formbestimmung mit dieser holografischen Anordnung auch noch eine holografische Verformungsmessung mit dieser holografischen Anordnung oder mit optischen Komponenten derselben durchgeführt werden kann, um weitere Informationen über eine defekte Komponente zu erhalten. Dazu kann Licht weiterer Laser-Licht-Quellen, beispielsweise Doppel-Puls-Laser, eingekoppelt werden, um zeitnah zur 3D-Formerfassung auch eine Deformations- oder Vibrationsanalyse durchführen zu können. Dies ist insbesondere bei der Risserkennung an Behältern sehr nutzbringend. Hier können auch weitere Kameras, beispielsweise Hochgeschwindigkeits-Kameras eingesetzt werden sowie Optikkomponenten ausgetauscht, entfernt oder hinzugefügt werden.
Vorzugsweise sind also hierbei auch Mittel angeordnet, die eine vorbestimmte Bewegung von Optikkomponenten, wie Dachkant-, Tripel-Spiegel oder auch gekrümmte Spiegelkomponenten, ermöglichen. Dabei sind vorzugsweise auch Mittel zum Messen dieser Bewegung von Komponenten in einem vorzugsweise auch vergleichsweise großen Volumen angeordnet.
Vorzugsweise kommt bei dem Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie die ln-line- Holografie zur Anwendung. Dies reduziert die Anforderungen hinsichtlich der Größe des Pixel-Pitches bei gerasterten Detektoren in der Regel ganz erheblich.
Vorzugsweise kommt bei dem Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie die Holografie mit Phasenschiebe-Technik zur Anwendung. Dies kann das Signal- Rausch-Verhältnis in der Regel erheblich verbessern. Dabei kann die Phasenschiebung vorzugsweise auch mittels Mikro-Scan an einem massearmen Spiegel in einer Frequenzkamm-Lichtquelle erfolgen. Dies wirkt - unter Berücksichtigung der Resonatorgeometrie der Frequenzkamm-Lichtquelle - wie eine Phasenschiebung im Referenzarm eines holografischen Interferometers.
In einem Aspekt besteht bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie für ein technisches oder biologisches, zumindest teilweise lichtstreuendes Objekt oder für zumindest teilweise lichtstreuende Objektelemente zur Gewinnung einer 2D- oder 3D-Punktwolke in der mikroskopischen, der mesoskopischen, insbesondere auch für die ln-vivo-3D-Erfassung der Form eines Zahns oder auch mehrerer Zähne im Mund eines Menschens, oder in der makroskopischen Skale oder auch zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik technischer oder biologischer, zumindest teilweise lichtstreuender Objekte mit Gewinnung einer 2D- oder 3D-Punktwolke oder auch zur Abstandsmessung oder Tiefenbestimmung eines zumindest teilweise lichtstreuenden Objekts mit einem holografischen Interferometer zur Erzeugung von Referenz- und Objektlicht am Ausgang des holografischen Interferometers ein flächenhafter Hologramm-Detektionsbereich HDB.
Es ist mindestens eine Kurz-Kohärenz-Lichtquelle oder eine Quasi-Kurz-Kohärenz- Lichtquelle der Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie vorgeordnet. Hierbei wird Licht insbesondere im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz-, über IR-, VIS- bis UV- und EUV-Strahlung verstanden.
Das holografische Interferometer weist in seinem flächenhaften Hologramm- Detektionsbereich HDB an einem Punkt DP des HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP_k stets einen insbesondere deutlich von null verschiedenen optischen Gangunterschied x_OP_k_DP auf.
Es ist in diesem Hologramm-Detektionsbereich HDB mindestens ein, zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor angeordnet. Der gerasterte Detektor kann als monochrome Matrix-CCD- oder Matrix- CMOS-Kamera oder auch als Farb-Matrix-CCD- oder Farb-CMOS-Kamera, in Ein- Chip- oder Mehr-Chip-Anordnung ausgebildet sein. Vorzugsweise werden mehrere Kamera-Chips oder eine Vielzahl von Kamera-Chips in Matrix-Form angeordnet. Der gerasterte Detektor kann vorzugsweise durch eine Vielzahl von Kamera-Chips in Matrix-Form gebildet sein, wobei auch vorzugsweise die Anordnung mehrerer Chip- Matrizen möglich ist, beispielsweise je eine für einen bestimmten Spektralbereich.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine Kurz-Kohärenz-Lichtquelle oder/und mindestens eine Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle mit Frequenzkamm-Charakteristik ausgebildet und dem holografischen Interferometer zugeordnet. Werden mehrere Kurz-Kohärenz-Lichtquellen mit Frequenzkamm-Charakteristik verwendet, die insbesondere in getrennten Spektralbereichen Licht der holografischen Anordnung zuführen, kann jedem Spektralbereich ein eigener gerasterte Detektor oder eine Matrix gerasterter Detektoren zugeordnet sein. Dabei weisen die einzelnen Kurz- Kohärenz-Lichtquellen mit Frequenzkamm-Charakteristik vorzugsweise jeweils eine andere optische Verzögerungslänge auf, so dass sich für jede Kurz-Kohärenz- Lichtquellen mit Frequenzkamm-Charakteristik ein anderer Frequenzabstand im Frequenzraum ergibt. Diese Kurz-Kohärenz-Lichtquellen mit Frequenzkamm- Charakteristik und jeweils anderem Spektralbereich können gleichzeitig betrieben werden. So besteht die Möglichkeit, analog zur Zwei- oder Multi-Wellenlängen- Technik der Interferometrie, eine Quasi-Schwebetechnik mit unterschiedlichen Verzögerungslängen von Frequenzkamm-Lichtquellen zu betreiben, beispielsweise mit zwei Frequenzkamm-Lichtquellen. Auch hierbei ergibt sich - analog zur bekannten Zwei-Wellenlängen-Technik - ein vergrößerter Eindeutigkeitsbereich, der sich als Schwebungs- Verzögerungslänge Y12 aus der Verzögerungslänge Y1 und der Verzögerungslänge Y2 der beiden eingesetzten kurzkohärenten Frequenzkamm- Lichtquellen ergibt. Es ist aber auch möglich, Licht - hier stets in Form von holografischen Interferenzen - von zwei kurzkohärenten Frequenzkamm-Lichtquellen, die unterschiedliche Verzögerungslängen Y1 und Y2 aufweisen und auch in jeweils verschiedenen Spektralbereichen arbeiten, mit einer Ein-Chip-Farb-Kamera oder mehreren Ein- Chip-Farb-Kameras zu detektieren.
Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie die Kurz- Kohärenz-Lichtquelle oder Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle mit Frequenzkamm- Charakteristik als mindestens ein einziger Frequenzkamm-Laser mit einer Verzögerungslänge Y1 ausgebildet. Mit der Frequenzkammtechnik lassen sich sehr hohe Güten bei Frequenzkämmen erreichen. Ein Beispiel für einen Frequenzkamm-Laser, der insbesondere für die Holografie in der mikroskopischen und gegebenenfalls auch in der mesoskopischen Skala eingesetzt werden kann, ist ein monolithischer torodialer Mikroresonator mit einer optischen Verzögerungslänge Y1 in der Größe von etwa 400 Mikrometern und einer Kohärenzlänge Ic im mittleren einstelligen Mikrometerbereich bei einer Mittenwellenlänge von etwa 1550 nm und einem Spektralbereich von etwa 400 nm. Dies ist im Fachaufsatz „Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator" von P. Del'Haye, A. Schließer, O. Arcizet, T. Wilken, R. Holzwarth und T. J. Kippenberg in nature, Vol. 450, 20, 27. Dez. 2007 (doi:10.1038/nature06401 ) [4] darstellt. Dieser monolithische torodiale Mikroresonator weist auch eine sehr hohe Resonatorgüte und eine außerordentlich präzise Äquidistanz des Frequenzabstands auf. Es ist auch bereits - wie dort berichtet - eine optische Verzögerungslänge Y1 von beispielsweise Y1 = 800 Mikrometern realisiert worden, was sich jeweils aus dem dort berichteten Frequenzabstand delta_f, hier von delta_f = 375 GHz, mit Y1 = c / delta_f errechnet.
Mit zwei monolithischen, torodialen Mikroresonatoren, s.a. [4], beispielsweise mit einer ersten optischen Verzögerungslänge Y1 in der Größe von etwa 500 Mikrometern und einer zweiten optischen Verzögerungslänge Y2 in der Größe von etwa 555 Mikrometern und jeweils einer Kohärenzlänge Ic im mittleren einstelligen Mikrometerbereich bei einer Mittenwellenlänge von etwa 1550 nm und einem Spektralbereich von etwa 400 nm kann eine Zwei-Frequenzkamm-Technik, also als Frequenzkamm-Technik mit zwei Frequenzkämmen, zur Mikroprofil-Erfassung oder 3D-Miniaturform-Erfassung durchgeführt werden. Dabei können die beiden monolithischen, torodialen Mikroresonatoren wechselseitig eingeschaltet sein. Diese weisen dann beispielsweise die Schwerpunktwellenlängen 1350 nm für den ersten und 1650 nm für den ersten Mikroresonator auf. Der eindeutig adressierbare Objektiefenbereich Ys/2 ergibt sich in Analogie zur Zwei- Wellenlängentechnik aus der Schwebungs-Verzögerungslänge Ys mit
Ys = Y1 · Y2 / (delta_Y) , so dass der eindeutig adressierbare Objektiefenbereich Ys/2 hierbei etwa 2,52 Millimeter beträgt.
Dabei ist es auch möglich, dass durch optische Filterung der erste monolithische, torodiale Mikroresonator im Spektralbereich etwas unter 1550 nm und der zweite monolitische, torodiale Mikroresonator im Spektralbereich etwas oberhalb 1550 nm Frequenzkamm-Licht aussenden und simultan in den beiden genannten Spektral- Bereichen eine Anzahl j1 und eine Anzahl j2 von Hologrammen mittels Zwei- Bereichs-Spektral-Kamera aufgenommen werden. So ist insbesondere eine sehr schnelle 3D-Miniaturform-Erfassung möglich. Dabei kann eine holografische Anordnung nach dem Fourier-Ansatz mit Vorteil verwendet werden.
Dieser Ansatz mit zwei Mikroresonatoren mit einem datenbasierten Schwebungs- Bereich, die das Objekt in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen beleuchten und die dabei simultane Aufnahme von zwei Hologramm-Stapeln in zwei getrennten Spektralbereichen ermöglichen, ist ein sehr aussichtsreicher Ansatz für die Messung der Zahnform. Dies gilt zum einen für metallische Getriebezähne. Es gilt aber insbesondere auch für die In-vivo-Messung der Zahnform im Mund eines Menschen, einschließlich von Zahnbereichen mit glänzenden Metallkronen. Der Vorteil nimmt bei der In-vivo-Messung mit kürzerwelligem Licht noch eher zu, da dann Zähne als Messobjekte in der Regel kooperativer werden.
Darüber hinaus kann mit dem in [4] dargestellten monolithischen Mikroresonator eine sehr kompakte Anordnung zur Single-shot-Prüfung dreidimensionaler optischer Mikro-Signaturen aufgebaut werden, die einen hohen Sicherheitsstandard gewährleisten kann. Vorzugsweise sind bei einer Anordnung (Vorrichtung) zur Kurz-Kohärenz-Holografie Mittel zum Verändern der Verzögerungslänge Y1 , Y2 oder auch Yi mindestens einer Frequenzkamm-Lichtquelle angeordnet. Damit kann das Entstehen holografischer Interferenzen auch bei Anwendung einer Kurzkohärenz-Lichtquelle möglich gemacht werden. Das Verändern der Verzögerungslänge ist bei Frequenzkamm-Lasern mit einer deutlich größeren Verzögerungslänge als bei Mikroresonatoren, beispielsweise dann mit Verzögerungslängen Y1 um 300 mm oder 1000 mm, vergleichsweise gut machbar. Bei der Nutzung von Frequenzkamm-Lasern mit einer Verzögerungslänge Y1 von 1000 mm lassen sich mit geeigneten Mitteln aber auch deutlich kleinere effektive Verzögerungslängen Y1_eff von beispielsweise Y1_eff =100 mm erreichen, was dann einem entsprechend größerem Frequenzabstand delta_f im Frequenzraum entspricht. Diese geeigneten Mittel ermöglichen auch eine vorbestimmte Variation der effektiven Verzögerungslängen Y1 _eff .
Diese Mittel können bei Bedarf auch zur Phasenschiebung genutzt werden, die bei der In-Iine-Holografie sehr von Vorteil, beziehungsweise sogar völlig unverzichtbar sind.
Vorzugsweise sind bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie Mittel zum Verändern des mittleren optischen Gangunterschieds Xm des holografischen Interferometers angeordnet sind, um Hologramme generieren zu können. Das ist besonders bevorzugt, um auch Objekte mit vergleichsweise großer Tiefenausdehnung holografisch vollständig erfassen zu können, insbesondere dann, wenn die Kohärenzlänge Ic im Interesse einer besseren Tiefenauflösung vergleichsweise klein gewählt ist, beispielsweise nur 10 Mikrometer für Holografie in der mikroskopischen Skale beträgt. Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie das holografische Interferometer als Michelson-Interferometer ausgebildet. Damit sind Objekt-Beleuchtungs-Licht und das zurückkommende und für die Hologrammbildung genutzte Licht zumindest näherungsweise koaxial, was bei der Inspektion von Bohrungen und engen Kratern ein sehr großer Vorteil sein kann.
Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie im Referenzarm des Michelson-Interferometers ein Kugelspiegel oder ein Rotations-Paraboloid- Spiegel mit seiner Brennebene im Referenz-Strahlenraum angeordnet ist. Damit kann zumindest für flache Objekte mit vergleichsweise geringer lateraler Ausdehnung bei deren entsprechender Ausrichtung der Fall der Fourier-Holografie gut angenähert werden, wenn die Brennebene des Kugelspiegels oder eines Rotations-Paraboloid-Spiegels zur mittleren Objektebene „aus der Sicht der Hologramm-Ebene" zumindest näherungsweise optisch konjugiert ist, was für die Hologramm-Auswertung - aus dem Fachmann gut bekannten Gründen - ein erheblicher Vorteil ist. Die Brennebene des Kugelspiegels oder eines Rotations- Paraboloid-Spiegels steht vorzugsweise zumindest näherungsweise zu den Eingangswellenfronten parallel, die vorzugsweise plan sind.
Vorzugsweise sind bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie Mittel zur lateralen Verschiebung des Kugelspiegel oder des Rotations-Paraboloid-Spiegels angeordnet. Dies ist von Vorteil, insbesondere für den Nahbereich und bei einem vergleichsweise großem Objektfeld. Es wird dazu der Rotationsparaboloid lateral im Michelson-Interferometer verschoben, damit auch für weit außen im Feld liegende Objektpunkte der Fourier-Fall gut angenähert werden kann. So bekommen auch die Objekt-Kugelwellen von im Feld außen liegenden Objektpunkten eine Referenzkugelwelle zugeordnet, die gut hinsichtlich der Lage ihres Quellpunktes angepasst ist, damit auch bei geringer Kohärenzlänge Ic noch ein den gerasterten Detektor voll überdeckendes Hologramm - dann stets mit nur wenigen Streifenentstehen kann. Für die im Feld innen liegenden Objektpunkte müssen sich dann nach dieser Lateral-Verschiebung die Bedingungen entsprechend veschlechtern. Vorzugsweise sind bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie im Referenzarm des Michelson-Interferometers ein Kugelspiegel oder ein Off-axis- Rotations-Paraboloid-Spiegel mit einem miniaturisierten Endspiegel angeordnet ist, der zumindest näherungsweise im Fokus des Spiegels angeordnet ist. Damit besteht eine Cat's-eye-Anordnung, die sehr von Vorteil sein kann.
Vorzugsweise sind bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie dem miniaturisierten Endspiegel Mittel zur hochdynamischen Phasenschiebung zugeordnet. Dies ist aufgrund der geringen Masse des miniaturisierten Endspiegels ein erheblicher Vorteil bezüglich der erreichbaren Dynamik bei der Phasenstellung. Diese Mittel sind vorzugsweise als Piezosteller ausgebildet. Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie das holografische Interferometer als ein Interferometer mit einem Ort für die Strahlteilung und mit einem Ort für die Strahlvereinigung ausgebildet, wobei diese Orte räumlich voneinander vollständig getrennt sind. Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie das holografische Interferometer mit U-Anordnung im Referenzstrahlengang und V- Anordnung im Objektstrahlengang ausgebildet. So können für das vom Objekt zurückkommende Licht Mittel zur Bündelquerschnitts-Anpassung - meist zur Bündelquerschnitts-Verkleinerung - angeordnet werden. Die U-Anordnung im Referenzstrahlengang ermöglicht das Anpassen des mittleren optischen Gangunterschieds durch einen dort schiebbaren Endreflektor, der vorzugsweise als Dachkantspiegel ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie ein Endreflektor mit Lateral-Shear und vorzugsweise zumindest teilweise retro-reflektierend und vorzugsweise auch als Dachkanten-Spiegel im Referenzstrahlengang angeordnet. Vorzugsweise ist dieser am Ende eines U-Strahlengangs im Referenzarm der holografischen Anordnung angeordnet. Auch hier kann eine Cat's-eye-Anordnung bestehen, was ein erheblicher Vorteil sein kann.
Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie dem holografischen Interferometer für Objektlicht in Ausbreitungsrichtung zur Detektion ein Bündelquerschnitts-verkleinerndes optisches System zugeordnet. Dieses Bündelquerschnitts-verkleinernde optische System im Objektstrahlengang kann zur Anpassung eines lateral weit ausgedehnten Objektstrahlenbündels, von einem weit entfernten, lichtstreuenden Objektpunkt kommend, an die Größe des gerasterten hochpixligen Detektors mit sehr kleinem Pixel-Pitch erfolgen. Dabei kann das Bündelquerschnitts-verkleinernde optische System, vorzugsweise in der Art eines Spiegelteleskops, objektseitig einen Aperturdurchmesser von 2r = 200 mm aufweisen, um bei 100 m Objektentfernung noch eine laterale Objektauflösung im einstelligen Millimeterbereich zu erreichen, was bei der Inspektion und Sensor geführten Reparatur havarierter Kraftwerkskomponenten von großem Vorteil sein kann. Gleichzeitig kann die Tiefenauflösung bei einer entsprechend geringen Kohärenzlänge auch im einstelligen Millimeterbereich sein. Der gerasterte Detektor kann dabei durchaus 100 Millionen Pixel aufweisen. Diese Parameter sind dagegen beim Stand der Technik mit kommerziell verfügbaren Laufzeitkameras in keiner Weise erreichbar.
Vorzugsweise ist bei einer Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie die holografische Anordnung als eine in-line-Anordnung mit einem Bündelquerschnitts- verkleinemden optischen System für zurückkommendes Objektlicht ausgebildet. Dieses Bündelquerschnitts-verkleinernde optische System im Objektstrahlengang für zurückkommendes Licht kann ebenfalls zur Anpassung eines lateral weit ausgedehnten zurück laufenden Objektstrahlenbündels eines weit entfernten, lichtstreuenden Objektpunkts an die Größe des gerasterten hochpixligen Detektors mit sehr kleinem Pixel-Pitch erfolgen. Dabei kann das Bündelquerschnitts- verkleinernde optische System, vorzugsweise in der Art eines Spiegelteleskops, einen Aperturdurchmesser des objektseitigen Spiegels von 2r = 300 mm aufweisen, um bei 20 m Objektentfernung noch eine laterale Objektauflösung im Bereich von 0,1 mm sicher für ein Objektfeld von 300 mm Durchmesser zu erreichen, was bei der Sensor geführten Inspektion und Sensor geführten Reparatur havarierter Kraftwerkskomponenten von großem Vorteil sein kann.
Weiterhin können beim Einsatz hochaperturiger Spiegel-Komponenten und höchstauflösender gerasterter Detektoren zu entsorgende Kraftwerkskomponenten im Abstand von 10 m mit einer Auflösung von 0,1 mm in allen drei Raumkoordinaten untersucht werden, beispielsweise, um schwach klaffende Risse in Behältern auffinden oder Kabelabrisse bei elektrischen Komponenten entdecken zu können.
Hierbei geht es also um 3D-Sensorik, die auch mit Vorteil beim Rückbau von Kernkraftwerken eingesetzt werden kann.
Grundsätzlich sind hierbei auch Multi-Apertur-Techniken - vorzugsweise mit Spiegel- Arrays anwendbar; um so eine höhere effektive Numerische Apertur bei der Objekterfassung mittels Hologramm zu erreichen, was dadurch auch eine bessere laterale Auflösung ermöglicht. Dabei kann jedem Einzel-Spiegel eines Spiegel-Arrays auch sein „eigener" Kamera-Chip zugeordnet sein. Weiterhin kann vorzugsweise auch eine Wellenfront formende Optik vor dem Eingang zur holografischen Anordnung angeordnet sein, die vorzugsweise auch noch der optimalen Objektfeld- Ausleuchtung dienen kann.
Weiterhin kann auch vorzugsweise eine Wellenfrontformung im Referenzarm durchgeführt werden.
Es soll hier auch noch einmal explizit festgestellt werden, dass die Fourier-Holografie und die Kurz-Kohärenz-Technik mit der Frequenzkamm-Lichtquellen-Technik besonders gut zusammenpassen, da bei dieser Kombination der gerasterte Detektor mit einem in der Regel gut moduliertem Hologramm auch bei Anwendung von einer Kurz-Kohärenz-Lichtquelle - zumindest für vergleichsweise kleine Objektfelder - ausgefüllt werden kann. Dieses Hologramm weist in der Tendenz keine extrem hohen Dichten der Interferenzstreifen auf, was ein erheblicher technischer Vorteil ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bietet die Erfindung eine Lehre zu Verfahren und Anordnungen, welche insbesondere auch einen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit im Weltraum, insbesondere auch zum Identifizieren anhand des Profils oder der Form von bewegten Objekten leisten können, welche für andere Weltraumobjekte, für bewohnte Bereiche oder für die natürliche Umwelt auf der Erdoberfläche eine Gefahr darstellen können.
Des Weiteren können auch bewegte Automobile und/oder Flugzeuge optisch angetastet werden, um deren Profil oder Form bestimmen zu können. Des Weiteren können auch schwingende Maschinen- und/oder Karftfahrzeugkomponenten hinsichtlich ihrer 2D- oder 3D-Form erfasst werden.
Die Erfindung ermöglicht in dieser bevorzugten Ausführungsform, optische Signale in Form von Hologrammen auf der Basis Kurzkohärenz-Holografie auch von schnell bewegten oder schwingenden Objekten, die sich auch in größerer Entfernung befinden können, zu generieren, welche geeignet sind, durch verfügbare gerasterte Detektoren aufgenommen zu werden. Durch numerische Rekonstruktion der detektierten Hologramme soll das Profil oder die Form des bewegten oder schwingenden Objekts zumindest teilweise dargestellt werden.
Es handelt sich in einer bevorzugten Ausführungsform insbesondere um ein holografisches Verfahren mittels einer holografischen Messanordnung, das insbesondere für optisches Sectioning (optisches Schneiden) an bewegten Objekten, insbesondere auch im Weltraum, genutzt werden kann. Hier wird der Begriff Licht insbesondere als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über das Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.
Die holografische Messanordnung enthält insbesondere mindestens eine Frequenzkamm-Lichtquelle mit vergleichsweise geringer Kohärenzlänge Ic in Bezug zur Objektausdehnung und mit steuerbarem Frequenzkamm-Licht durch vorbestimmtes Ändern der optischen Weglänge L1 in deren integrierter oder in mindestens einer dieser Frequenzkamm-Lichtquelle zugeordneten Kavität. Insbesondere kann dabei zumindest eine bereits oben beschriebene Kurz-Kohärenz- Lichtquelle und/oder Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle eingesetzt werden, wobei diese nunmehr steuerbar ist, um das Frequenzkamm-Licht durch Ändern der optischen Weglänge entsprechend der hier beschriebenen Vorgehensweise zu steuern.
Vorzugsweise enthält die Messanordnung außerdem ein unbaianciertes Zweistrahlinterferometer mit einem Referenz- und einem Objektarm, welches das bewegte Objekt mit Messlicht von der Frequenzkamm-Lichtquelle beaufschlagt, mit einem Detektionskanal für zurückkommendes Messlicht. Als unbaianciertes Zweistrahlinterferometer wird dabei insbesondere ein Interferometer zur Erzeugung eines Referenz- und eines Objektlichtbündels in der oben beschriebene Weise verstanden, in welchem ein mittlerer, von null verschiedener optischer Gangunterschied Xm besteht.
Vorzugsweise enthält die Messanordnung außerdem mindestens einen gerasterten Detektor zur Aufnahme von Hologrammen und mit einem Computer oder Computer- System zur hochdynamischen Regelung der Frequenzkamm-Lichtquelle und Synchronisation der Hologramm-Aufnahme in Bezug auf die steuerbare Frequenzkamm-Lichtquelle und Algorithmen zur numerischen Hologramm- Rekonstruktion. Insbesondere handelt es sich hierbei um den bereits oben beschriebenen Detektor, welches insbesondere im flächenhaften Hologramm- Detektionsbereich HDB am Ausgang des Interferometers angeordnet ist.
Außerdem umfasst die Messanordnung in dieser bevorzugten Ausführungsform Mittel zur zumindest näherungsweisen Bestimmung des Abstandes und der Geschwindigkeit eines anzumessenden Objekts und ein Interface zur Datenübergabe.
Als unbaianciertes Zweistrahlinterferometer in Verbindung mit dem gerasterten Detektor wird dabei also insbesondere ein Interferometer zur Erzeugung eines Referenz- und eines Objektlichtbündels in der oben beschriebene Weise verstanden, in welchem ein mittlerer, von null verschiedener optischer Gangunterschied Xm besteht, und
welches an seinem Ausgang einen flächenhaften Hologramm- Detektionsbereich HDB aufweist, in dem mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen spektral integral detektierender, gerasterter Detektor angeordnet ist, und
welches in seinem flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB an einem Punkt DP des HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP stets einen deutlich von null verschiedenen optischen Objektpunkt-bezogenen Gangunterschied x_OP_DP aufweist.
Die Frequenzkamm-Lichtquelle kann ein Femtosekunden-Frequenzkamm-Laser- System, ein Mikroresonator-Frequenzkamm-Laser, ein Mikroresonator- Frequenzkamm-Laser-System oder auch eine Frequenzkamm-Lichtquelle auf der Basis einer durch eine Superlumineszenz-Diode gespeistes Fabry-Perot-Kavität sein. Der Einsatz der letztgenannten Frequenzkamm-Lichtquelle zur Frequenzkamm- Interferometrie wurde bereits von I. Härder, G. Leuchs, K. Mantel und J. Schwider im Fachartikel: „Adaptive frequency comb Illumination for interferometry", in der Fachzeitschrift Applied Optics 50, No. 25, Seiten 4942-4956 (201 1 ) beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens eine Messung zur Bestimmung des Abstandes und der Geschwindigkeit - oder eine mehrfache Messung des Abstandes, auch mittels durchgeführter Zeitmessung geeignet zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines anzumessenden Objekts, welches sich mindestens mit einer Komponente seiner Bewegung auch in Richtung der Ausbreitung des Messlichts bewegt, durchgeführt. Die Größe des Abstandes und der Geschwindigkeit liegt somit als Information in Mess-Echtzeit zumindest näherungsweise vor und wird für das Messverfahren zur Formerfassung mittels optischem Schneiden bereitgestellt.
Im holografischen Antastvorgang wird der räumliche Pulsabstand Y1 (optische Verzögerungslänge) der ausgesendeten Kurzpulse eines Pulszuges der Frequenzkamm-Lichtquelle durch vorbestimmtes Verändern der optischen Weglänge mindestens einer integrierten Kavität oder einer der Frequenzkamm-Lichtquelle zugeordneten Kavität auf der Basis der in Mess-Echtzeit bereit gestellten Informationen zu Geschwindigkeit und Abstand des Objekts verändert. Die Kavität beeinflusst das Frequenzkamm-Licht in seinem Frequenzkamm-Abstand.
Die optische Weglänge dieser Kavität wird in Form eines Lang-Scans verändert - entweder verkleinert oder vergrößert, so dass die Ordnungszahl q von objektantastenden Kurzpulsen für mindestens der Aufnahmezeit delta_t_Hol eines Hologramm konstant gehalten wird.
Dabei ergibt sich die Ordnungszahl q aus dem Quotienten von optischer Weglänge Lopt, gerechnet von der Position optischer Gangunterschieds null am Interferometer im Objektstrahlengang bis zu einem angetasteten Objektpunkt OP, und dem räumlichen Pulsabstand Y1. Es gilt für die Ordnungszahl q = l_opt / Y1 Das Konstanthalten der Ordnungszahl q erfolgt, indem die erste Ableitung über der Zeit des räumlichen Pulsabstandes, der sich aus der Verzögerungslänge der Frequenzkamm-bildenden Kavität ergibt, zumindest näherungsweise gleich einem Wert des 2/q-fachen (also 2 dividiert durch q) der Komponente der Geschwindigkeit des Objekts in Bewegungsrichtung oder der Differenzgeschwindigkeit zwischen holografischer Aufnahmevorrichtung und Objekt gemacht ist. In Bezug auf die oben bereits beschriebene Ordnungszahl „n1 ", gilt vorzugsweise zumindest näherungsweise 2q = n1.
So soll sich die Phase im Hologramm wenigstens in einem Teilbereich desselben um weniger als 2 Pi ändern. Die optische Weglänge Lopt übersteigt dabei stets den räumlichen Pulsabstand Y1.
Es wird mindestens ein Hologramm mittels gerastertem Detektor aufgenommen und eine numerische Rekonstruktion desselben durchgeführt, wodurch mindestens eine Schnittebene oder eine Schnittfläche durch das angetastete Objekt errechnet wird. Die Schnittfläche kann dabei auch gekrümmt sein. Durch den hier durch die FC-Lichtquelle (Frequenzkamm-Lichtquelle) gegebenen Multiplikationseffekt mit der Ordnungszahl q muss die Kavität nur um einen Bruchteil des optischen Gangunterschiedes, der durch die Objektposition gegeben ist, pro Zeiteinheit gestellt - verkürzt oder verlängert - werden. Je höher bei gegebener Geschwindigkeit v und Objektabstand die Ordnungszahl q ist, umso langsamer, jedoch auch umso präziser, z.B. im einstelligen Nanometer-Bereich oder Sub- Nanometer-Bereich, muss die integrierte oder zugeordnete Kavität in ihrer optischen Weglänge verstellt werden. Eine derartig objektgesteuerte gesteuerte Frequenzkamm-Lichtquelle kann auch als adaptive Jojo- Frequenzkamm-Lichtquelle bezeichnet werden.
Das Anmessen des bewegten oder schwingenden Objekts zur Bestimmung des benötigten absoluten Objektabstands - wenigstens eines Objektpunktes - kann mit Doppel-Frequenzkamm-Laser-Technik oder mit optischer Laufzeitmesstechnik (time of flight) erfolgen.
Weiterhin kann der räumliche Pulsabstand Y1 klein zum wellenoptischen Schärfentiefebereich D im Detektionskanal der holografischen Messanordnung gemacht sein. Das kann erfolgen, um ein gleichzeitiges Erfassen des Objekts in mehreren, vergleichsweise dicht benachbarten (Y1/2) Schnittebenen (Multi- Sectioning) zu erreichen, wenn dabei die Detektionszeit für ein Hologramm hinreichend klein gemacht wird. Dazu wird vorzugsweise auch die jeweils aktuelle einfache optische Verzögerungslänge L1 der Kavität bestimmt.
Weiterhin soll vorzugsweise die Aufnahmezeitdauer delta_t_Hol für ein Hologramm die Bewegungszeitdauer delta_t_depth für das Passieren des wellenoptischen Schärfentiefebereiches D der holografischen Detektion durch das sich bewegende Objekt nicht wesentlich überschritten werden, um eine hinreichend große Modulation möglichst im gesamten Hologramm zu erreichen, wobei der wellenoptische Schärfentiefebereich D durch die effektive numerischen Apertur und die Schwerpunktwellenlänge der detektierenden Strahlung vorgegeben ist. Weiterhin können vorzugsweise mindestens zwei Frequenzkamm-Lichtquellen mit je einer durch die Abstands- und die Geschwindigkeitsmessung gesteuerten optischen Länge der Kavität eingesetzt werden, von denen jeweils zu einem Zeitpunkt nur eine jeweils den aktuellen räumlichen Pulsabstand Y1 bestimmt, und jeweils eine Kurzpuls-Frequenzkamm-Lichtquelle mit der aktiven veränderlichen Kavität das Objekt optisch in mindestens einer Schnittebene E oder einer schwach gekrümmten Fläche antastet, so dass das Objekt abwechselnd, jedoch stets durch eine der beiden Frequenzkamm-Lichtquellen und den gerasterten Detektor holografisch zumindest teilweise erfasst wird und so mindestens zwei, i. d. R. jedoch eine Vielzahl von Hologrammen sequenziell aufgenommenen werden.
Weiterhin kann mindestens auch ein Kurz-Scan zur Variation der optischen Länge der Frequenzkamm-generierenden Kavität durchgeführt werden, wodurch sich ein zumindest näherungsweise Treppen-ähnlicher Verlauf der optischen Weglänge der Kavität über der Zeit ergibt. Hier geschieht dies mit einem Multiplikations-Effekt. Das kann erfolgen, um vorbestimmt einen etwas anderen Tiefenbereich des Objekts zu erfassen. Die Schnittebene E oder auch eine gekrümmte Schnittfläche wandert also etwas über das Objekt. Nacheinander erfolgende Kurz-Scans können das Objekt somit in der Tiefe durchmustern.
Weiterhin kann ein Scan des Referenzspiegels zwischen einer oder mehreren Hologramm-Aufnahmen durchgeführt werden, um einen weiteren Freiheitsgrad zum Abgleichen der optischen Wege im holografischen Interferometer zu haben. Das kann erfolgen, um vorbestimmt einen anderen Tiefenbereich des Objekts in einem zeitlich andauernden Scan zu erfassen. Andererseits kann auch eine hochdynamische Feinregelung durchgeführt werden, insbesondere dann, wenn der Referenzspiegel, wobei sich der Referenzspiegel direkt auf einem Piezo-Steller befindet, in einem fokussierten Strahlengang sehr klein gemacht ist. So können auch kleinste Schwingungen im Messsystem nahezu vollständig kompensiert werden. Dazu sind jedoch geeignete Referenzsignale erforderlich, was hier nicht weiter vertieft wird. Weiterhin können vorzugsweise punktweise messende Hochgeschwindigkeits- Fotodetektoren mit mindestens einem Teil des mittels Objekt gebildeten Hologramms beaufschlagt werden. Das dient der Gewinnung eines Regelsignals zur Feinregelung der optischen Weglänge der Kavität mit dem Ziel des„Einfrierens" eines Hologramms auf dem gerasterten Detektor in der Zeit der Hologramm- Detektion.
Weiterhin können vorzugsweise jeweils Hochgeschwindigkeits-Bildaufnahmen der mittels eines Objekts gebildeten Hologramme erfolgen. Das ist sinnvoll, wenn Regelung der optischen Weglänge der Kavität nicht perfekt erfolgt oder, wenn unerwartet Schwingungen oder Stöße auftreten.
Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der in den Figuren 1 bis 14 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Dabei wird hier der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über das Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.
In der Figur 1 geht um das Erfassen mittels holografischer Anordnung - Dazu ist ein Frequenzkamm-Laser 1 a mit einer Wellenlänge um 800 nm angeordnet, der geeignete Mittel aufweist, um Frequenzkamm-Licht mit dem Frequenzabstand delta_f1 = c / Y1 zu erzeugen, wobei Y1 hier die Verzögerungslänge darstellt, die 300 mm betragen soll. Die Kohärenzlänge Ic beträgt zumindest näherungsweise 200 pm. Das aus dem Frequenzkamm-Laser 1 a austretende, räumlich hochkohärente Lichtbündel, das im wellenoptischen Modell hier plane Wellenfronten aufweisen soll, wird durch eine Spiegel-Aufweitungsoptik 2 aufgeweitet und trifft auf den Strahlteiler 3 eines Michelson-Interferometers, wobei ein Referenzbündel und ein Objektbündel gebildet werden. Der am Strahlteiler 3 hindurchgehende Anteil des auftreffenden Lichtbündels wird im Referenzarm R von einem Rotationsparaboloiden 4 zum Zeitpunkt j reflektiert, dessen Fokuspunkt F auf dem Schwerstrahl SWT des auf den Rotationsparaboloiden 4 einfallenden Lichtbündels liegt. Der Fokuspunkt F stellt somit für das fokussierte Lichtbündel den Ursprung einer Kugelwelle, hier der Referenz-Kugelwelle, dar. Das am Strahlteiler 3 reflektierte Bündel trifft auf das Objekt 5, das hier eine Regelgeometrie in Form eines rotationssymmetrischen Kegels aufweisen soll. Stellvertretend ist hier ein Objektpunkt OP_k dargestellt, durch Lichtstreuung eine Kugelwelle Kk aussendet. Der Kreisbogenausschnitt KBA vom Brennpunkt F in den Objektraum O, auf dem zumindest näherungsweise auch der Objektpunkt OP_k liegt, macht deutlich, dass die Krümmungsradien von Referenz-Kugelwelle und Objekt-Kugelwelle k zumindest näherungsweise gleich sind, so dass der Fall der Fourier-Holografie sehr gut angenähert ist. Ein Teil der Referenz-Kugelwelle wird am Strahlteiler 3 in Richtung des gerasterten Detektors 6 reflektiert. Auch ein Teil der Objekt-Kugelwelle Kk passiert den Strahlteiler 3 in Richtung des gerasterten Detektors 6. Auf dem gerasterten Detektor 6 bildet sich vom Objektpunkt OP_k ein Fourier-Hologramm kj aus. Aufgrund der geringen Kohärenzlänge Ic von nur näherungsweise 200 Mikrometer bildet nur ein kleiner Teil der Objektpunkte des Objekts 5 Fourier-Hologramme auf dem gerasterten Detektor 6 aus, nämlich die, welche um den Bereich Bj liegen. Die Ursache dafür ist, dass der optische Gangunterschied im Bereich Bj zumindest näherungsweise der einfachen Verzögerungslänge Y1 entspricht. Die Differenz von optischem Gangunterschied im Bereich der Kegelspitze zur einfachen Verzögerungslänge Y1 soll hier kleiner als die Kohärenzlänge Ic von 200 Mikrometer sein. Wo dies gilt, können Objektpunkte des Kegels Hologramme liefern, welche registriert werden.
Der Rotationsparaboloid 4 erfährt nun einen Scan nach links, wobei der Scan-Schritt hierbei 50 Mikrometer betragen soll, so dass sich der optische Gangunterschied delta_Xm um 100 Mikrometer ändert. Es ist klar, das im Hologramm der optische Gangunterschied in der Regel keine konstante ist. Der Fokuspunkt Fj+1 , wobei j+1 den Zeitpunkt definiert, liegt zum Zeitpunkt tj+1 auf dem gestrichelten Kreisbogen. Nun können die etwas tiefer liegenden Objektpunkte im Bereich Bj+1 Hologramme bilden, da die Differenz von optischem Gangunterschied im Bereich Bj+1 zur einfachen Verzögerungslänge Y1 hier kleiner als die Kohärenzlänge Ic von 200 Mikrometer gemacht ist. Auch für den Bereich Bj+1 ist der Fourier-Fall für den Bereich nahe der Kegelspitze gegeben. So kann nach und nach der adressierte Tiefenbereich ATB über der Zeit t abgetastet werden, indem Hologramme registriert werden.
Die digitale Rekonstruktion dieser registrierten Hologramme stellt eine für den Fachmann anspruchsvolle, aber beim Kenntnisstand zur Hologramm- Rekonstruktions-Algorithmik und beim Stand der Rechentechnik durchaus lösbare Aufgabe dar.
In der Figur 2 geht es um die Erfassung eines Objekts mit einer Regelgeometrie in Form eines rotationssymmetrischen Kegels mit einer Höhenausdehnung von etwa 200 mm mit einem Basisflächen-Durchmesser von 30 mm aus einem metallischen Werkstoff, der sich halbmatt, also auch zumindest etwas lichtstreuend darstellt, mittels einer holografischen Anordnung. Das Objekt befindet sich dabei im Nahbereich dieser holografischen Anordnung. Aufgabe ist es, eine Messung der Kreisformabweichung mit einer Messunsicherheit von 50 Mikrometern in Höhenabständen von 25 mm am Kegelmantel durchzuführen. Es gibt also a-priori- Informationen über das Objekt und es ist bekannt, dass es keine sichtbaren Schäden oder größere Abweichungen von der Sollgeometrie aufweist. Zur Beleuchtung der holografischen Anordnung ist eine Frequenzkamm-Laser- Baugruppe 1 b mit einer Wellenlänge um 840 nm angeordnet, die geeignete Mittel aufweist, um Frequenzkamm-Licht mit dem Frequenzabstand delta_f = c / Y = 6 GHz zu erzeugen, wobei hier Y1 die Verzögerungslänge darstellt, die 50 mm betragen soll. Die Kohärenzlänge Ic beträgt 50 μηη. Das aus dem Frequenzkamm-Laser 1b austretende, räumlich hochkohärente Lichtbündel, das im wellenoptischen Modell hier plane Wellenfronten aufweisen soll, wird durch eine Spiegel-Aufweitungsoptik 2 in seinem Querschnitt vergrößert und trifft auf den Strahlteiler 3 eines Michelson- Interferometers, wobei ein Referenzbündel und ein Objektbündel gebildet werden. Der am Strahlteiler 3 hindurchgehende Anteil des auftreffenden Lichtbündels wird im Referenzarm R von einem Rotationsparaboloiden 4 reflektiert, dessen Fokuspunkt F auf dem Schwerstrahl SWT des auf den Rotationsparaboloiden einfallenden Lichtbündels liegt. Der Fokuspunkt F stellt somit für das fokussierte Lichtbündel den Ursprung einer Kugelwelle, hier der Referenz-Kugelwelle, dar. Das am Strahlteiler 3 reflektierte Bündel trifft auf das Objekt 5, das hier eine Regelgeometrie in Form eines rotationssymmetrischen Kegels aufweisen soll. Stellvertretend ist hier ein Objektpunkt OP_k dargestellt, der durch Lichtstreuung eine Kugelwelle Kk aussendet. Der Kreisbogen-Ausschnitt KBA vom Brennpunkt F in den Objektraum O, auf dem zumindest näherungsweise auch der Objektpunkt OP_k liegt, macht deutlich, dass die Krümmungsradien von Referenz-Kugelwelle und Objekt-Kugelwelle k zumindest näherungsweise gleich sind, so dass der Fall der Fourier-Holografie an der Kegelspitze recht gut angenähert ist. Ein Teil der Referenz- Kugelwelle wird am Strahlteiler 3 in Richtung des gerasterten Detektors 6 reflektiert. Auch ein Teil der Objekt-Kugelwelle Kk passiert den Strahlteiler 3 in Richtung des gerasterten Detektors 6. Auf dem gerasterten Detektor 6 bildet sich vom Objektpunkt OP_k ein Fourier-Hologramm FH_kj aus. Aufgrund der Kohärenzlänge Ic von näherungsweise 50 Mikrometer bildet nur ein kleinerer Teil der Objektpunkte des Objekts 5 Fourier-Hologramme auf dem gerasterten Detektor 6 aus, nämlich die, welche um den Bereich Bj liegen. Durch die die Verzögerungslänge Y1 hier mit 50 mm bilden sich im Abstand Y1/2, also hier alle 25 mm, Bereiche auf dem Objekt aus, die Hologramme liefern können. So ist die Vermessung eines derartigen Körpers durch Aufnahme (Registrierung) und digitale Auswertung (Rekonstruktion) von drei phasenverschobenen Hologrammen möglich. Der eingesetzte gerasterte Detektor sollte dazu einen Kamera-Chip mit einer Diagonale um 90 mm (Mittelformat-Kamera) und einen Kamera-Pixel-Pitch von eher weniger als 10 Mikrometer aufweisen, um hierbei auch eine laterale Auflösung von 0,1 mm sicher erreichen und dabei die im erfassten Messfeld auch außen liegenden Objektpunkte mittels zugehöriger Hologramme auswerten zu können. Auch hierbei stellt die digitale Rekonstruktion der registrierten Hologramme eine für den Fachmann anspruchsvolle, aber beim Kenntnisstand zur Hologramm- Rekonstruktions-Algorithmik und beim Stand der Rechentechnik durchaus lösbare Aufgabe dar.
In der Figur 3 geht es - mittels holografischer Anordnung - um das Lokalisieren und auch 3D-Erfassen einer beispielsweise zu entfernenden Komponente in einem Kernkraftwerk im Havariefall mittels Roboter und 3D-Sensorik ohne jede Verfügbarkeit von belastbaren a-priori-lnformationen sowohl über die 3D-Szene in der Umgebung der Komponente als auch von deren aktueller 3D-Form.
Das Objekt 51 , hier also eine stark zerstörte lang ausgedehnte Kraftwerkskomponente, befindet sich dabei nicht im unmittelbaren Nahbereich der holografischen Anordnung, sondern in einer Entfernung in der Größenordnung von einem Meter. Aufgabe ist es, eine Untersuchung hinsichtlich der Zerstörung dieser Komponente durchzuführen, wobei auch in vergleichsweise Vertiefungen mit vergleichsweise großem Aspektverhältnis hinein gemessen werden soll. Die aktuelle 3D-Form mit einer Messunsicherheit von 0,1 Millimeter in allen drei Raumkoordinaten bestimmt werden. Es gibt also so gut wie keine sicheren a-priori- lnformationen über das Objekt zum aktuellen Zustand. Zur Beleuchtung der holografischen Anordnung sind ein erster Frequenzkamm-Laser 1.1 und ein zweiter Frequenzkamm-Laser 1.2 angeordnet, die jeweils eine Verzögerungslänge Y1 von 300 mm und eine Verzögerungslänge Y2 von 333,3 mm aufweisen. Die Schwerpunkt-Wellenlänge beträgt hier jeweils 840 nm und die Kohärenzlänge Ic beträgt jeweils um 50 μιη. Das aus dem ersten Frequenzkamm-Laser 1.1 zu einem Zeitpunkt t1 austretende, räumlich hochkohärente Lichtbündel, welches durch eine geöffnete Mikroblende 11.1 ermöglicht wird, weist hier plane Wellenfronten auf und wird durch eine Spiegel-Aufweitungsoptik 2 in seinem Querschnitt vergrößert. Bei dem zweiten Frequenzkamm-Laser 1.2 ist die nachgeordnete Mikroblende 11.2 geschlossen.
Das Frequenzkamm-Licht des ersten Frequenzkamm-Lasers 1.1 trifft auf den Strahlteiler 3 eines Michelson-Interferometers, wobei ein Referenzbündel und ein Objektbündel gebildet werden. Der am Strahlteiler 3 hindurchgehende Anteil des auftreffenden Lichtbündels wird im Referenzarm R von einem Kugelspiegel 41 reflektiert, dessen Fokuspunkt F auf dem Schwerstrahl SWT des Kugelspiegels 41 auf den einfallenden Lichtbündels liegt. Der Fokuspunkt F stellt somit für das fokussierte Lichtbündel den Ursprung einer Kugelwelle, hier der Referenz- Kugelwelle, dar.
Das am Strahlteiler 3 reflektierte Bündel trifft auf das Objekt 51. Stellvertretend ist hier ein Objektpunkt OP_k dargestellt. Der Fall der Fourier-Holografie ist hier nicht sehr gut angenähert. Wenn es die räumliche Situation zulässt, sollte hier deshalb die Entfernung zum Objekt 51 aus naheliegenden Gründen bei der weiteren Untersuchung verkleinert werden.
Ein Teil der Referenz-Kugelwelle wird am Strahlteiler 3 in Richtung des gerasterten Detektors 6 reflektiert. Auch ein Teil der Objekt-Kugelwelle passiert den Strahlteiler 3 in Richtung des gerasterten Detektors 6. Auf dem gerasterten Detektor 6 bildet sich vom Objektpunkt OP_k ein H_kj aus. Aufgrund der Kohärenzlänge Ic von näherungsweise 50 Mikrometer bildet nur ein kleinerer Teil der Objektpunkte des Objekts 51 Hologramme auf dem gerasterten Detektor 6 aus. Der eingesetzte gerasterte Detektor 6 sollte dazu einen Kamera-Chip mit einer Diagonale um 85 mm und einen Kamera-Pixel-Pitch von eher weniger als 10 Mikrometer aufweisen, um hierbei auch eine laterale Auflösung von 0,1 mm sicher erreichen und dabei die im erfassten Messfeld auch außen liegenden Objektpunkte holografisch auswerten zu können.
In gleicher erfolgt dies mittels Frequenzkamm-Licht des zweiten Frequenzkamm- Lasers 1.2 bei geöffneter Mikroblende 11.2 und geschlossener Mikroblende 11.1. Die Abtast-Situation ist hierbei im Detail A dargestellt. Die Schwebungsperiode Ys ist zu erkennen. Die unterschiedliche Position der einzelnen Hologramm-gebenden Bereiche ist deutlich erkennbar. Der Messvorgang erfolgt so, dass jeweils zuerst der erste Frequenzkamm-Laser 1.1 (Phase 1 ) und dann der zweite Frequenzkamm-Laser 1.2 (Phase 2) das Objekt 51 beleuchtet. Es werden in beiden Phasen mehre phasenverschobene Hologramme registriert. Anschließend erfolgt jeweils ein kleiner Scan-Schritt am Kugelspiegel 41 , hier um 10 Mikrometer, und der Vorgang der Hologramm-Registrierung beginnt erneut. Dies führt bei einer vollen Abtastung der Verzögerungslänge Y1 von 150 mm in der Größenordnung von 100.000 Hologrammen, was sich aus der Registrierung von je drei phasenverschobenen Hologrammen pro Scan-Position des Kugelspiegels 41 und pro Frequenzkamm-Laser ergibt. Diese liefern jedoch nach Rekonstruktion die hochaufgelöste 3D-lnformation über einen Objekt-Tiefenbereich von hier mehr als einem Meter bei einer lateralen Auflösung von mindestens 0,1 Millimeter und einer Tiefenauflösung von 0,01 Millimeter.
Auch in diesem Fall stellt die digitale Rekonstruktion von registrierten Hologrammen eine für den Fachmann anspruchsvolle, aber beim Kenntnisstand zur Hologramm- Rekonstruktions-Algorithmik und beim Stand der Rechentechnik durchaus lösbare Aufgabe dar.
Figur 4 zeigt die Situation, wenn die Kohärenzlänge hier etwa jeweils 30 Millimeter beträgt und die Scan-Schrittweite am Kugelspiegel 41 , hier um 10 Millimeter gewählt ist. Dann kann diese Szene mit etwa 100 Hologrammen beschrieben werden, wobei die erreichbare Tiefenauflösung jetzt in der Größenordnung um 10 Millimeter liegt, jedoch die hohe laterale Auflösung von mindestens 0,1 Millimeter bestehen bleibt. Je nach Bedarf Erkenntnis über Schäden am Objekt (51 ) kann der Messvorgang auf einzelne Details fokussiert werden.
Die Figur 5 zeigt eine holografische Anordnung zur Vermessung von Objekten mit Abmessungen im einstelligen Millimeterbereich. Das von einem Frequenzkamm- Laser 101 mit ringförmigen Mikroresonator in die Monomode-Faser 7.1 gehende Frequenzkamm- Licht mit der Schwerpunktwellenlänge Lambda_S von 840 nm und einer geringeren Kohärenzlänge als 100 μιτι verlässt nach dem Passieren derselben das Ende der Monomode-Faser 7.1 und bildet nach dem Austritt eine Kugelwelle. Die Verzögerungslänge Y1 zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen beträgt 400 μητι. Das Licht trifft auf einen Einkoppel-Strahlteiler 31 und wird am Kollimator 81 kollimiert, wo anschließend am Strahlteiler 3 eines Michelson-Interferometers ein Referenzbündel entsteht. Dieses Referenzbündel gelangt auf den Kugelspiegel 4, der das Bündel in seinen Brennpunkt F4 fokussiert, der gleichzeitig auch den Brennpunkt des Kollimators 81 darstellt. So entsteht nach dem erneuten Passieren des Strahlteilers 3 wieder ein kollimiertes Strahlenbündel, welches als Referenzbündel nach dem Passieren des Einkoppel-Strahlteilers 31 auf die Kamera 6 gelangt, wo es die Referenzwelle für ein Hologramm bildet.
Das Licht, welches nach dem Austritt aus der Faser 7.1 den Strahlteiler 3 in Transmission passiert und mittels Kollimator 81 kollimiert wird, bildet das Objektbündel, welches an den lichtstreuenden Objektpunkten des Objekts 5 viele Kugelwellen bildet. Das Objekt 5 besitzt eine Ausdehnung im einstelligen Millimeterbereich. Die entstehenden Kugelwellen werden nach dem Passieren des Strahlteilers 3 vom Kollimator erfasst und gelangen nach der Wellenfrontformung über den Einkoppel-Strahlteilers 31 auf die Kamera 6, wo es zur Bildung eines Fourier-Hologramms kommt, da sich eine Vielzahl von Objektpunkten zumindest näherungsweise in der Nähe der Brennebene des Kollimators befindet. Der Abstand der Ebenen im Objektraum, die aufgrund der geringen Kohärenzlänge zum Hologramm beitragen, beträgt hier Υ1/2=200μιη. Der Kugelspiegel 4 wird jeweils in einem Bruchteil der Verzögerungslänge Y1 zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen mittels eines hier nicht dargestellten Scanners verschoben, um das Objekt in der Tiefe holografisch abzutasten. In jeder Stellposition werden außerdem 3 Schritte von einem Achtel der Schwerpunktwellenlänge Lambda_S mittels eines hier nicht dargestellten Piezostellers durchgeführt sowie es wird in jeder Stellposition ein Hologramm aufgenommen, um in der bekannten Art und Weise das Phase-Shift- Verfahren anwenden zu können. Aus dem so gewonnenen Hologramm-Stapel wird in der dem Fachmann gut bekannten Art und Weise das Bild des Objekts 5, hier die Intensität, numerisch mittels digitaler Rechentechnik rekonstruiert. So wird die Bildinformation numerisch schichtenweise bereitgestellt und zu einem Gesamtbild des Objekts 5 zusammengesetzt.
Die Figur 6 zeigt eine holografische Anordnung zur Vermessung von Objekten mit Abmessungen im Sub-Millimeterbereich. Das von einem Frequenzkamm-Laser 101 mit ringförmigen Mikroresonator in die Monomode-Faser 7.1 gehende Frequenzkamm- Licht mit der Schwerpunktwellenlänge Lambda_S von 840 nm und einer geringeren Kohärenzlänge als 20 μηη verlässt nach dem Passieren derselben das Ende der Monomode-Faser 7.1 und bildet nach dem Austritt eine Kugelwelle. Die Verzögerungslänge Y1 zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen in Luft beträgt 100 pm. Ein nachgeordnetes Fokussiersystem 82 bildet das Ende der Monomode-Faser 7.1 in den Fokuspunkt F82 ab. Die im Fokuspunkt F82 fokussierte Kugelwelle gelangt auf den Strahlteiler 3 eines Linnik-Interferometers, wo ein Referenzbündel entsteht. Dieses Referenzbündel gelangt auf eine scanbare Spiegellinse 41 , dessen Brennpunkt mit dem Fokuspunkt F82 zumindest näherungsweise zusammenfällt und der das Bündel somit kollimiert, welches anschließend den Strahlteiler 3 erneut in Richtung einer afokalen Transferstufe 85 und Kamera 6 passiert, wo es nach dem Durchgang durch die Transferstufe das Referenzbündel in einem Hologramm bildet. Das Licht, welches am Strahlteiler 3 reflektiert wird und mittels hochaperturigem Mikroskopobjektiv 801 kollimiert wird, bildet das Objektbündel, welches an den lichtstreuenden Objektpunkten des Objekts 55 viele Kugelwellen bildet.
Das mikroskopisch kleine Objekt 55 besitzt eine Ausdehnung im Sub- Millimeterbereich und befindet sich mit einer Vielzahl seiner Objektpunkte in, in der unmittelbaren oder in der näheren Umgebung der Brennebene des Mikroskopobjektivs 801. Die entstehenden Kugelwellen werden nach dem Passieren des Strahlteilers 3 wieder vom Mikroskopobjektiv 801 erfasst, kollimiert und gelangen über den Strahlteiler 3 in Transmission über die afokale Transferstufe 85 auf die Kamera 6, wo diese Kugelwellen gemeinsam mit dem Referenzbündel das Hologramm generieren. Der Abstand der Ebenen im Objektraum in Luft, die aufgrund der geringen Kohärenzlänge jeweils zum Hologramm beitragen beträgt hier Υ1/2=50μηΊ. Die Spiegellinse 41 wird jeweils in einem Bruchteil der Verzögerungslänge Y1 zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen mittels eines hier nicht dargestellten Scanners verschoben, um das Objekt 55 in der Tiefe holografisch abzutasten. In jeder Stellposition werden außerdem 3 Schritte von einem Achtel der Schwerpunktwellenlänge Lambda_S mittels eines hier nicht dargestellten Piezostellers durchgeführt sowie in jeder Stellposition wird ein Hologramm aufgenommen, um in der bekannten Art und Weise das Phase-Shift- Verfahren anwenden zu können. Aus dem so gewonnenen Hologramm-Stapel wird das Bild des mikroskopisch kleinen Objekts 55, also hier die Intensität, in der dem Fachmann gut bekannten Art und Weise numerisch mittels digitaler Rechentechnik rekonstruiert. So wird die Bildinformation numerisch schichtenweise bereitgestellt und zu einem Gesamtbild des Objekts 55 zusammengesetzt.
Die Figur 7 zeigt eine sehr einfache holografische Anordnung zur Vermessung von Objekten mit Abmessungen im einstelligen oder zweistelligen Miltimeterbereich. Das von einem Frequenzkamm-Laser 101 mit ringförmigem Mikroresonator in die Monomode-Faser 7.1 gehende Frequenzkamm- Licht mit der Schwerpunktwellenlänge Lambda_S von 840 nm und einer geringeren Kohärenzlänge als 100 μιη verlässt nach dem Passieren derselben das Ende der Monomode-Faser 7.1 und bildet nach dem Austritt eine Kugelwelle. Die Verzögerungslänge Y1 zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen in Luft beträgt 400 pm. Das Licht gelangt auf einen Strahlteiler 3. Das dort transmittierte Licht gelangt als Referenzlicht für die Hologramm-Entstehung auf die Kamera 6. Das am Strahlteiler 3 reflektierte Licht gelangt als Objektbündel über eine drehbare Spiegeltreppe, bestehend aus den Planspiegeln 32a und 32b, mit dem Drehpunkt RP auf das Objekt 5, das sich zumindest näherungsweise in der Brennebene eines Mikroskopobjektivs 801 befindet.
Die am Objekt 5 durch Lichtstreuung entstehenden Kugelwellen werden durch das Mikroskopobjektiv 801 erfasst und bilden in der rückseitigen Brennebene des Mikroskopobjektivs 801 , wo die Kamera 6 angeordnet ist, mit dem Referenzlicht das Hologramm H. Im Detail A und im Detail B ist die drehbare Spiegeltreppe, bestehend aus den Planspiegeln 32a und 32b, in zwei unterschiedlichen Drehstellungen dargestellt, die jeweils einem anderen optischen Gangunterschied entsprechen. Durch Anwendung der Spiegeltreppe bleibt der Ablenkwinkel für das Objektbündel trotz Rotation unverändert. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die drehbare Spiegeltreppe im Referenzstrahlengang angeordnet. Mittels drehbarer Spiegeltreppe wird der optische Gangunterschied im Messvorgang jeweils um mindestens eine Verzögerungslänge Y1 variiert. Der optische Gangunterschied zur Phasenstellung wird mittels eines hier nicht dargestellten Piezostellers, der dem Planspiegel 32a zugeordnet ist, in Schritten von gut einem Achtel der Schwerpunktwellenlänge in jeder Drehposition der Spiegeltreppe mindestens dreimal gestellt, wobei jeweils ein Hologramm aufgenommen wird. So wird ein Satz von 4 Hologrammen mit unterschiedlichen Phasen für die Phasenauswertung generiert, um in der bekannten Art und Weise das Phase-Shift- Verfahren anwenden zu können. Aus dem so im Messvorgang erzeugten Hologramm-Stapel wird das Bild des Objekts 5 in der dem Fachmann gut bekannten Art und Weise numerisch mittels digitaler Rechentechnik rekonstruiert, indem die Bildinformation numerisch schichtenweise bereitgestellt und zu einem Gesamtbild des Objekts 5 zusammengesetzt wird.
Ein anderes Ausführungsbeispiel auf der Basis der Anordnung nach Figur 7 verzichtet völlig auf die Phasenstellung am Planspiegel 32a und rekonstruiert numerisch die Intensitätsverteilung in einem Bild oder Bildpunkt aus jeweils nur einem einzigen, mittels Kamera 6 registrierten Hologramm, das sich aufgrund der geneigten Referenzwellenfront hier als Offline-Hologramm auf der Kamera 6 ergibt. So können bei Anwendung einer Kamera 6 mit hoher Bildrate auch Veränderungen über der Zeit an einem Objekt 5 mit einer hohen zeitlichen Auflösung durch numerische Rekonstruktion eines Hologramm-Stapels erfasst werden, der im Extremfall aus nur zwei Hologrammen bestehen kann, die nacheinander aufgenommen werden.
Die Figur 8 stellt eine holografische Anordnung zur Vermessung von Objekten mit einem Schwarzschild-Objektiv 84 dar, welches als Spiegelobjektiv dispersionsfrei ist, wodurch in der holografischen Anordnung die Dispersionseffekte insgesamt sehr gering gehalten werden können. Auch hierbei geht es um die Erfassung eines Objekts 5 mit Abmessungen im einstelligen Millimeterbereich. Das von einem Frequenzkamm-Laser 102 kommende Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit einer Verzögerungslänge der Kurzpulse Y1 von 500 pm und einer Kohärenzlänge von weniger 30 μηι gelangt auf einen Strahlteiler 3, wo das Referenzbündel in Transmission entsteht und über die Dachkantanordnung, die aus den Planspiegeln 33 und 34 besteht, und über den Einkoppelstrahlteiler 31 in Transmission auf die Kamera 6 gelangt. Die Dachkantanordnung mit den Planspiegeln 33 und 34 dient durch Verschiebung in der dargestellten Richtung zur Erzeugung der Änderung des optischen Gangunterschieds in der holografischen Anordnung in der Größenordnung der Verzögerungslänge Y1.
Das am Strahlteiler 3 reflektierte Bündel gelangt auf das das Objekt 5, das sich zumindest näherungsweise in der Brennebene eines Schwarzschild-Objektivs 84 befindet. Die am Objekt 5 durch Lichtstreuung entstehenden Kugelwellen werden durch das Schwarzschild-Objektiv 84 erfasst und bilden nach Passieren des Strahlteilers 3 in Reflexion mit dem Referenzlicht das Hologramm H auf der Kamera 6. Ein hier nicht dargestellter Piezosteller, der dem Planspiegel 34 zugeordnet ist, dient der benötigten Phasenstellung, so dass in der bereits beschriebenen Art und Weise ein Hologrammstapel erzeugt wird, der zur numerischen Rekonstruktion der Intensität des Bildes genutzt wird. So wird die Bildinformation numerisch schichtenweise bereitgestellt und zu einem Gesamtbild des Objekts 5 zusammengesetzt.
Die Figur 9 stellt eine holografische Anordnung in einer Linnik-Konfiguration zur Vermessung von Objekten mit besonders hoher lateraler Auflösung dar. Das von einem Frequenzkamm-Laser 101 mit ringförmigen Mikroresonator in die Monomode- Faser 7.1 gehende Frequenzkamm- Licht mit der Schwerpunktwellenlänge Lambda_S von 840 nm und einer geringeren Kohärenzlänge als 20 m passiert einen Y-Koppler 7.2 und gelangt in die Monomode-Faser 7.3A. Die am Ende der Monomode-Faser 7.3A austretende Kugelwelle passiert den Strahlteiler 3 zum Teil in Transmission und gelangt auf die Spiegellinse 41 , wo aus der Kugelwelle eine zumindest näherungsweise Planwelle oder eine Welle mit großem Krümmungsradius gebildet wird, die den Strahlteiler 3 nun in Reflexion in Richtung einer afokalen Transferstufe 85 mit der Blende 36 passiert, wo diese auf der nachgeordneten Kamera 6 die Referenzwelle für das Hologramm H darstellt.
Das Licht aus der Monomode-Faser 7.3A, welches am Strahlteiler 3 reflektiert wird, gelangt als Planwelle A über das Mikroskopobjektiv 81 auf das Objekt 55. Das in die Monomode-Faser 7.3B eingekoppelte Frequenzkamm-Licht erfährt am Strahlteiler 3 eine Reflexion und gelangt über das Mikroskopobjektiv 81 als Planwelle B ebenfalls auf das Objekt 55, wo ein räumlich hochfrequentes Interferenzstreifenmuster IFM entsteht. Das Objekt 5 befindet sich zumindest näherungsweise in der Brennebene des Mikroskopobjektivs 81. Das Interferenzstreifenmuster IFM kann in seiner Phase um mindestens 360° durch einen Stretcher 42 vorbestimmt verändert werden.
Die am Objekt 55 entstehenden Kugelwellen werden vom Mikroskopobjektiv 81 erfasst, gelangen über die afokale Abbildungsstufe 85 auf die Kamera 6, wo mit dem Referenzlicht ein Hologramm H gebildet wird. An der Spiegellinse 41 wird ein Scan durchgeführt, der den optischen Gangunterschied um mindestens in der Größe der Verzögerungslänge Y1 verändern kann. Ein hier nicht dargestellter Piezosteller an der Spiegellinse 41 ermöglicht außerdem eine Phasenstellung in der Größe von 90°- Schritten, um das Phase-Shifting-Verfahren einsetzen zu können. Das Licht aus der Monomode-Faser 7.3B wird als Referenzlicht durch die abschattende Wirkung der Blende 36 nicht zugelassen, so dass in der Anordnung nur eine einzige Referenzwelle besteht, welche aus der Monomode-Faser 7.3A kommt und über die Spiegellinse 41 kollimiert wird.
Um die laterale Auflösung bei der Erfassung des Objekts 55 zu erhöhen, werden Hologrammstapel in mehreren Phasenlagen des Interferenzstreifenmusters IFM aufgenommen und dienen dem Fachmann in gut bekannten Art und Weise zur numerischen Rekonstruktion des Bildes des Objekts 55, hier die Intensität, mittels digitaler Rechentechnik. So wird die Bildinformation numerisch auch schichtenweise bereitgestellt und zu einem Gesamtbild des Objekts 5 zusammengesetzt.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figuren 10 bis 14 beschrieben. Dabei wird hier der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über das Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.
In der Figur 10 geht um das Erfassen von Weltraumschrott mittels holografischer Anordnung - Dazu ist ein hier nicht dargestelltes Dual-Frequenzkamm-Messsystem mit Zeitbasis zur Bestimmung des Abstandes und der Geschwindigkeit des anzumessenden Objekts 51 angeordnet, welches die Informationen über Abstand und der Geschwindigkeit an das Messsystem in Mess-Echtzeit mittels eines hier nicht dargestellten Interfaces übergibt. Weiterhin ist ein Frequenzkamm-Laser 1c angeordnet, der geeignete Mittel aufweist, um Frequenzkamm-Licht mit dem Frequenzabstand delta_f 11 = c / 2L1 zu erzeugen, wobei 2L1 hier die Verzögerungslänge zum Zeitpunkt t1 darstellt, die 1200 mm betragen soll, wodurch sich ein räumlicher Pulsabstand von Y1=1200 mm ergibt. Die Kohärenzlänge Ic beträgt zumindest näherungsweise 1200 ym. Das aus dem Frequenzkamm-Laser 1c austretende, räumlich hochkohärente Lichtbündel, das hier plane Wellenfronten aufweisen soll, wird durch eine hier nicht dargestellte Spiegel- Aufweitungsoptik aufgeweitet und trifft auf den Strahlteiler 3 eines Michelson- Interferometers, wobei ein Referenzbündel und ein Objektbündel gebildet werden. Der am Strahlteiler 3 reflektierte Anteil des auftreffenden Lichtbündels wird im Referenzarm R von einem Spiegel 4a reflektiert. Ein Teil des Lichtbündels wird am Strahlteiler 3 in Richtung des gerasterten Detektors 6 hindurchgelassen. Das am Strahlteiler 3 hindurchgehende Bündel trifft auf das Objekt 51 , das hier im Weltraum sich bewegender Weltraumschrott mit einer maximalen Lateral-Ausdehnung von 2 m darstellen soll. Es entsteht am Objektpunkt OP_k des Objekts 51 eine Kugelwelle Kk, die sich mit einem Teil ihrer Wellenfront auch in Richtung Interferometer ausbreitet.
Ein Teil der Objekt-Kugelwelle Kk passiert nach dem Auffangen und Reflektierens mittels Großspiegel-Detektions-Optik 100 und hier nicht dargestellter Wellenformung den Strahlteiler 3 durch Reflexion in Richtung des gerasterten Detektors 6. Der Durchmesser des fokussierenden Hauptspiegels in der Großspiegel-Detektions- Optik 100 beträgt hierbei 2 m und die Brennweite desselben ist 10 m. Auf dem gerasterten Detektor 6 bildet sich vom Objektpunkt OP ein Fourier-Hologramm H1 zum Zeitpunkt t1 aus. Aufgrund der vergleichsweise geringen Kohärenzlänge Ic von etwa 1200 μιτι bildet nur ein kleiner Teil der Objektpunkte des ausgedehnten Objekts 51 Fourier-Hologramme auf dem gerasterten Detektor 6 aus, nämlich, welche im Bereich B1 liegen, welcher hier der halben Kohärenzlänge Ic des verwendeten Lichts entspricht. Es wird ein Fourier-Hologramm H1 in der Zeitdauer delta_t_Hol1 detektiert, welche den Zeitpunkt t1 enthält.
Die Kavität 1 d des Frequenzkamm-Laser 1c wird permanent auf der Basis der Informationen von Abstand und Geschwindigkeit des bewegten Objekts, die in Mess- Echtzeit vorliegen, gescannt. Die optische Verzögerungslänge von 2L11 zum Zeitpunkt t1 hat sich in die von 2L12 zum Zeitpunkt t2 geändert. Der räumliche Pulsabstand Y1 1 beziehungsweise Y12 ergibt sich jeweils aus 2L11 beziehungsweise 2L12. Die Ordnungszahl q wird dabei stets durch ein hier nicht dargestelltes Stell- und Regelungssystem konstant gehalten. Da das Objekt 51 hier zum Zeitpunkt t1 10 km entfernt ist, also l_opt_1 = 10 km bis zum Objekt 51 beträgt, liegt die Ordnungszahl q mit q = l_opt_1/Y11 und Y11 = 1 ,2 m dabei deutlich über 8000. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird ein Kurz-Scan durchgeführt, um einen anderen Teil des Objekts 51 in einer anderen Schnittebene E2 zur Formerkennung desselben antasten zu können. Es wird ein Fourier-Hologramm H2 in einem Zeitintervall delta_t_Hol2 detektiert, welches den Zeitpunkt t2 enthält.
Durch einen zusätzlich stattfindenden „Treppen-Scan" nach jeder einzelnen Hologramm-Aufnahme und vor der nächsten, also ein Kurz-Scan in der Zeitdauer delta_t_KS, also zeitlich eingeschachtelt in einen Lang-Scan, wird die Schnittebene E am bewegten Objekt in der Tiefe fein verschoben, hier im einstelligen Millimeterbereich, um das Objekt auch in seiner Bewegung noch zusätzlich in seiner Objekttiefe abzutasten, um die Form desselben durch optisches mehrfaches optisches Schneiden zu gewinnen.
Nach dem Aufnehmen eines dritten Hologramms H3, in einem Zeitintervall delta_t_Hol3, welches den Zeitpunkt t3 enthält, wird die Kavität 1d in der Zeitspanne delta t_R zurückgestellt, so dass zum Zeitpunkt t4 ein neues Hologramm H4 aufgenommen werden kann. Die Ordnungszahl q ist durch die inzwischen erfolgte Annäherung des Objekts 51 reduziert, hier um den Wert 16 verkleinert gegenüber dem Zeitpunkt t1. Zwischen t1 und t4 hat sich das Objekt 51 also um 16 Verzögerungslängen Y1 (also räumliche Pulsabstände) der holografischen Messeinrichtung angenähert.
Die Kavität 1 d des Frequenzkamm-Laser 1c wird auf der Basis der extrem präzise vorliegenden Informationen in Mess-Echtzeit über Abstand und der Geschwindigkeit des Objekts 51 in einem Regelsystem geregelt. In einer hinreichend geringen Aufnahmezeit delta_t_Hol und einem hochdynamisch funktionierenden Regelsystem für die Kavität 1d können die Hologramme auf dem gerasterten Detektor 6 somit - zumindest in der Zeitdauer ihrer Detektion - als„eingefroren" betrachtet werden. Dies bedeutet, dass sich die Phase im Hologramm zumindest in Teilbereichen desselben um weniger al 2 Pi ändert und somit das Hologramm digital auswertbar ist.
Die Phase im Hologramm kann jedoch auch bei bester Regelgüte nur für eine einzige Ordnungszahl konstant gehalten werden. Denn da sich der räumliche Pulsabstand Y1 durch die Änderung der Kavität (L1 ) laufend ändert, müssen die Phasen anderer Schnittebenen, z.B. die zur Ordnungszahl q-1 oder q+1 gehörende Schnittebene E_q-1 oder E_q+1 beim Verändern der optischen Weglänge der Kavität auch etwas verschieben. Durch eine entsprechend lange Hologramm- Aufnahmezeit delta_t_Hol können somit alle Schnittebenen - außer die zu q gehörende - im detektierten Hologramm durch Zeitmittelung„unsichtbar" gemacht werden, da die Phasenänderung im Zeitintervall der Detektion bei allen anderen Schnittebenen über deutlich mehr als 2 Pi gehen kann. Jedoch ist bei einer sehr kurzen Hologramm-Aufnahmezeit delta_t_Hol oder bei Kurzzeitbelichtung - hier mit einer Dauer im einstelligen Mikrosekunden-Bereich oder im Sub-Millisekunden- Bereich - es gegebenenfalls möglich, mehrere Schnittebenen gleichzeitig zu erfassen, so dass auch ein optisches Multi-Sectioning erfolgen kann.
Dem Spiegel 4a ist ein hier nicht dargestellter, extrem schneller Scanner zugeordnet, um hochdynamisch den optischen Gangunterschied im holografischen Interferometer nachregeln zu können, wenn dies mittels Kavität 1d nicht genau oder nicht schnell genug möglich ist. Dies gibt die Möglichkeit eines zusätzlichen Eingriffs in die holografische Messeinrichtung, um die Phase im Hologramm während der Hologramm-Detektionszeit delta_t_Hol mittels gerastertem Detektor 6 hinreichend konstant halten oder in einer gewünschten Weise verändern zu können.
Das Computer-basierte Regelsystem zur hochkomplexen und hochdynamischen Regelung des Frequenzkamm-Lasers 1c mit der Kavität 1d und die Steuerungssysteme zur Synchronisation der Aufnahme von Hologrammen mittels gerasterten Detektors 6 sind hier nicht dargestellt.
Die digitale Rekonstruktion dieser registrierten Hologramme stellt eine für den Fachmann anspruchsvolle, aber beim Kenntnisstand zur digitalen Hologramm- Rekonstruktions-Algorithmik und beim Stand der Rechentechnik lösbare Aufgabe dar.
Die holografische Anordnung nach Figur 10 kann dabei für Objekte 51 mit folgenden Merkmalen eingesetzt werden: Entfernung des Objekts 51 : 10 km, Relativgeschwindigkeit v desselben mit Komponente in Richtung des Messlichts: 100 m pro Sekunde, laterale Objektausdehnung: 2 m. Beim gerasterten Detektor 6 liegt die Biid-Integrationszeit im Ausführungsbeispiel bei hinreichend guter Regelung im einstelligen Millisekunden-Bereich. Die Scan-Frequenz der Kavität 1 d beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel einige Hertz bis zu wenigen 10 Hz, so dass diese mehrmals pro Sekunde„zurückgestellt" wird (Jojo-Effekt).
In der Figur 11 sind die zeitlichen Zusammenhänge für die Verzögerungslängen (räumliche Pulsabstände) Y1j dargestellt. Der Sachverhalt wird für die Ordnungszahl q und für die Ordnungszahl q-16 für zwei Lang-Scans jeweils mit der Zeitdauer delta_t_LS präsentiert. Es finden in einem Lang-Scan mit der Zeitdauer delta_t_LS jeweils mehrere Kurz-Scans mit der Zeitdauer delta_t_KS statt, die allein dem Tiefenabtasten des Objekts 51 zur Formerfassung gelten. Die Aufnahmezeit für ein Hologramm mittels gerasterten Detektors 6 beträgt delta_t_Hol.
In der Figur 12 geht es um die Erfassung eines lichtstreuenden Objekts 52 aus einem metallischen Werkstoff mittels einer holografischen Anordnung. Die Aufgabe ist, eine Messung der Formabweichung durchzuführen. Es ist bekannt, dass das Objekt 52 keine größeren Abweichungen von der Sollgeometrie aufweist.
Das aus dem Frequenzkamm-Laser 1c über eine Faser 7.1 in einen Y-Teiler 7.2 gelangende gepulste Licht, passiert die Fasern 7-R und 7-O. Das aus der Faser 7-R austretende, räumlich hochkohärente Lichtbündel gelangt als Referenzbündel auf den gerasterten Detektor 6.
Das aus der Faser 7-0 austretende, räumlich hochkohärente Objekt-Lichtbündel gelangt über einen Off-axis-Spiegel 8, der das Licht am Ort eines kleinen Durchbruchs eines Off-axis-Spiegels 10 etwas fokussiert, wodurch es sich im weiteren Verlauf im Bündelquerschnitt wieder deutlich vergrößert auf das Objekt 52, wo es auch zurückgestreut wird.
In einem weiteren, hier nicht durch eine Figur dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die maximale laterale Ausdehnung des Durchbruchs im Off-axis-Spiegel 10 etwa 40% der lateralen Ausdehnung des Off-axis-Spiegels 10, der eine maximale laterale Ausdehnung von 120 mm aufweist. Der vergleichs->weise große Durchbruch wird benötigt, um ein gut kollimiertes Lichtbündel zur Antastung des Objekts 52 in einer größeren Entfernung zu erzeugen.
Das vom Objekt 52 zurückkommende Licht wird durch den Off-axis-Spiegel 10 fokussiert und trifft auf den gerasterten Detektor 6, wo es mit dem Referenzbündel ein Fourier-Hologramm bildet, welches detektiert wird. Die in der Figur 12 dargestellte optische Anordnung kann auch die Basis für die detaillierte Ausbildung der optischen Anordnung nach Figur 10 darstellen.
Auch hierbei stellt die digitale Rekonstruktion der registrierten Hologramme eine für den Fachmann anspruchsvolle, aber beim Kenntnisstand zur Hologramm- Rekonstruktions-Algorithmik und beim Stand der Rechentechnik lösbare Aufgabe dar. Die Figur 13 zeigt die mechanische Schwingung des Objekts 52 in Form des Schwingweges s und die Figur 14 die optische Weglänge Y1j zur Kompensation dieser Schwingung über der Zeit, die durch Regelung unter Nutzung der Information über die jeweils aktuelle Auslenkung des Objekts 52 in Mess-Echtzeit erzeugt wird. In der Zeitdauer delta_t_Hol findet die Aufnahme des Hologramms statt. In der Zeitdauer delta_t_KS findet der Kurz-Scan zum Tiefenabtasten des Objekts 52 statt. Die Zeitdauer delta_tR dient der Rückstellung der Kavität in deren Ausgangsposition.
Bezugszeichenliste
1a, 1 b Frequenzkamm-Laser
1.1 erster Frequenzkamm-Laser
1.2 zweiter Frequenzkamm-Laser
10 Off-axis-Spiegel
100 Großspiegel-Detektionsoptik
101 , 102 Frequenzkamm-Laser
3, 31 Strahlteiler
4, 41 Spiegel
F4 Brennpunkt
5, 51 , 55 Objekt
6 Detektor (Kamera)
7.1 Faser
7.3A, 7.3B Faser
7-R, 7-0 Faser
.2 Y-Koppler
Off-axis-Spiegel
1 Kollimator (Mikroskopobjektiv) 82 Fokussiersystem
F82 Fokuspunkt
84 Schwarzschild-Objektiv
85 afokale Transferstufe (afokale Abbildungsstufe) 801 Mikroskopobjektiv
H, H1 , H2, H3, H4 Hologramm

Claims

Anmelder: Universität Stuttgart "Verfahren und Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie" Unser Zeichen: S11048WO - ds / hb Patentansprüche
1. Verfahren zur Kurz-Kohärenz-Holografie eines zumindest teilweise lichtstreuenden Objekts
mittels mindestens einer Kurz-Kohärenz-Lichtquelle (1 a, 1 b, 1.1 , 1.2) und/oder mindestens einer Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle, und
- mittels eines holografischen Interferometers zur Erzeugung eines Referenz- und eines Objektlichtbündels,
in welchem ein mittlerer, von null verschiedener optischer Gangunterschied Xm besteht, und
welches an seinem Ausgang einen flächenhaften Hologramm- Detektionsbereich HDB aufweist, in dem mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen spektral integral detektierender, gerasterter Detektor (6) angeordnet ist, und
welches in seinem flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB an einem Punkt DP des HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP stets einen von null verschiedenen optischen Objektpunkt-bezogenen Gangunterschied x_OP_DP aufweist,
wobei im holografischen Interferometer kurz-kohärentes oder quasi-kurz- kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Äf1 = c/Y1 im Frequenzraum zur Hologramm-Erzeugung verwendet wird, wobei Y1 die Verzögerungslänge der Verzögerungsstrecke bei der Frequenzkamm- Erzeugung darstellt, und mindestens ein Kurz-Kohärenz-Hologramm im Aufnahmevorgang mittels spektral integral detektierenden, gerasterten Detektors (1 a, 1 b, 1.1 , 1.2) detektiert wird
und dabei die Ungleichung
| (x_OP_DP - n1 Y1) | < Ic für mindestens ein ganzzahliges n1 mit n1 = 1 , 2, 3 und für mindestens einen optisch erfassten, zumindest teilweise lichtstreuenden Objektpunkt OP_k erfüllt ist - und somit ein Hologramm in mindestens einem Teilbereich des gerasterten Detektors (6) entsteht - mit Ic als der Kohärenzlänge des kurz-kohärenten oder quasi-kurz-kohärenten Frequenzkamm-Lichts, welches vom lichtstreuenden Objektpunkt OP zurückkommt und zur Hologrammbildung beiträgt, und mit x_OP_DP als optischem Gangunterschied an einem Punkt DP des flächenhaften Hologramm-Detektionsbereichs HDB für den optisch erfassten, lichtstreuenden Objektpunkt OP,
und mindestens ein Kurz-Kohärenz-Hologramm digital rekonstruiert wird und mindestens eine Intensitäts-Amplitude eines lichtstreuenden Objektpunkts OP aus dem rekonstruierten Hologramm oberhalb eines Schwellwert IS als Kennzeichen für das Vorhandensein eines lichtstreuenden Objektpunkts OP des Objektraumes ausgewertet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine Vielzahl von Hologrammen j, in Form eines Hologrammstapels, nach und nach in j Situationen erzeugt und mittels gerastertem Detektor (6) aufgenommen wird
und bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz- Kohärenz-Hologrammen j nach und nach
- der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer im Referenzarm und/oder im Objektarm, und/oder
die Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke zur Frequenzkamm- Erzeugung
verändert wird bis zumindest für einen lichtstreuenden Objektpunkt OP_k des Objektraumes in einem Bereich am Punkt DP im Hologramm-Detektionsbereich HDB für Frequenzkamm-Licht, das von einer Lichtquelle mit der optischen Verzögerungslänge Y1 stammt, mindestens eine der beiden Ungleichungen (1 ) und (2) für mindestens ein ganzzahliges n1 mit n1 = 1 ,
2, 3, ... | (x_OP_kJ_DPJ - n1 · Y1) | < Ic (1)
| (x_OP_k_DP - n1 ■ Y1J) | < Ic (2) erfüllt ist und somit mindestens ein Hologramm entsteht, wobei die erste Ungleichung (1 ) den Fall des Veränderns des mittleren optischen Gangunterschieds Xm im holografischen Interferometer und die zweite Ungleichung (2) den Fall des Veränderns der Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke zur Frequenzkamm-Erzeugung im holografischen Interferometer beschreibt,
mit Ic als der Kohärenzlänge des Hologramm bildenden Frequenzkamm- Lichts, welches von mindestens einem lichtstreuenden Objektpunkt OP zurückkommt, und x_OP_kJ_DPJ oder x_OP_k_DP als der optische Gangunterschied an einem Punkt DP des flächenhaften Hologramm- Detektionsbereichs HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP_k und zu einer Situation j und Y1 oder Y1 J als die jeweilige Verzögerungslänge Y1 der Verzögerungsstrecke der Frequenzkamm-Lichtquelle (1 a, 1 b)
und die aufgenommenen Kurz-Kohärenz-Hologramme mit der Anzahl j digital rekonstruiert werden und mindestens eine Intensitäts-Amplitude eines lichtstreuenden Objektpunkts OP_k aus mindestens einem rekonstruierten Hologramm j oberhalb eines Schwellwert IS als Kennzeichen für das Vorhandensein eines lichtstreuenden Objektpunkts OP_k des Objektraumes ausgewertet wird, so dass mittels digitaler Hologramm-Rekonstruktionen und Anwendung eines Schwellwertkriteriums IS eine Vielzahl von räumlich verteilten lichtstreuenden Objektpunkten OP_k, mit k = 2, 3, 4, ... im Objektraum und somit eine 3D-Punktwolke bestimmbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in einer ersten Phase für einen adressierten Objekttiefenbereich des Objektraumes mit lichtstreuenden Objektpunkten OP_k für ein erstes kurz-kohärentes oder quasi-kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Äf1 = c/Y1 für ein ganzzahliges n1 , mit n1 = 1 , 2, 3, ... in einem Zeitbereich Δί1 ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j1 erfolgt und bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz-Hologrammen nach und nach der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer
im Referenzarm und/oder
im Objektarm verändert wird
und anschließend ein Ausschalten, Ausblenden oder Aussperren des ersten Lichts mit Frequenzkamm-Charakteristik erfolgt und
in einer zweiten Phase in einem Zeitbereich At2 für denselben Objekttiefenbereich des Objektraumes mit denselben lichtstreuenden Objektpunkten OPj für ein zweites kurz-kohärentes oder quasi-kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Af2 = c/Y2 ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j2 erfolgt und bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz- Hologrammen nach und nach der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer
- im Referenzarm und/oder
im Objektarm
in gleicher Weise wie im Zeitbereich At1 verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für einen adressierten Objekttiefenbereich des Objektraumes mit lichtstreuenden Objektpunkten OP_k für ein erstes kurz-kohärentes oder quasi-kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Af1 = c/Y1 in einem Spektralbereich delta_sigma1 ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j1 erfolgt und bei der Aufnahme oder zwischen den Aufnahmen von einzelnen Kurz-Kohärenz-Hologrammen nach und nach der mittlere optische Gangunterschied Xm im holografischen Interferometer
im Referenzarm und/oder
im Objektarm verändert wird
und außerdem zeitgleich für mindestens ein zweites kurz-kohärentes oder quasi- kurz-kohärentes Licht mit Frequenzkamm-Charakteristik mit dem Frequenzabstand Äf2 = c/Y2 in einem Spektralbereich delta_sigma2, der vollständig vom Spektralbereich delta_sigma1 getrennt ist, für denselben Objekttiefenbereich des Objektraumes mit denselben lichtstreuenden Objektpunkten OP_k ein Generieren und Detektieren von Hologrammen mit der Anzahl j2 erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fourier-Holografie zur Anwendung kommt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die In-Iine-Holografie zur Anwendung kommt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Holografie mit Phasenschiebe-Technik zur Anwendung kommt.
8. Verfahren insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche mittels einer holografischen Messanordnung, die insbesondere folgende Bestandteile enthält:
- mindestens eine Frequenzkamm-Lichtquelle (1c) mit vergleichsweise geringer Kohärenzlänge in Bezug zur Objektausdehnung und mit steuerbarem Frequenzkamm-Licht durch vorbestimmtes Ändern der optischen Weglänge L1 in deren integrierter oder in mindestens einer dieser Frequenzkamm-Lichtquelle zugeordneten Kavität (1 d),
- ein unbalanciertes Zweistrahl-Interferometer mit einem Referenz (R)- und einem Objektarm (O), welches das bewegte Objekt (51 , 52) mit Messlicht von der Frequenzkamm-Lichtquelle (1c) beaufschlagt, mit einem Detektionskanal für zurückkommendes Messlicht,
mindestens einen gerasterten Detektor (6) zur Aufnahme von Hologrammen und mit einem Computer oder Computer-System zur hochdynamischen Regelung der Frequenzkamm-Lichtquelle (1 c) und Synchronisation der Hologramm-Aufnahme in Bezug auf die steuerbare Frequenzkamm-Lichtquelle (1c) und Algorithmen zur numerischen Hologramm- Rekonstruktion,
- Mittel zur zumindest näherungsweisen Bestimmung des Abstandes und der Geschwindigkeit eines anzumessenden Objekts und Interface zur Daten übergäbe, wobei
mindestens eine Messung zur Bestimmung des Abstandes und der Geschwindigkeit - oder eine mehrfache Messung des Abstandes, auch mittels durchgeführter Zeitmessung geeignet zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines anzumessenden Objekts (51 , 52), welches sich mindestens mit einer Komponente seiner Bewegung auch in Richtung der Ausbreitung des Messlichts bewegt, durchgeführt wird
und die Größe des Abstandes und der Geschwindigkeit als Information in Mess-Echtzeit zumindest näherungsweise vorliegt und für das Messverfahren zur Formerfassung mittels optischem Schneiden bereitgestellt werden
und im holografischen Antastvorgang der räumliche Pulsabstand Y1 der ausgesendeten Kurzpulse eines Pulszuges der Frequenzkamm-Lichtquelle (1c) durch vorbestimmtes Verändern der optischen Weglänge (L1 ) mindestens einer integrierten Kavität (1 d) oder einer der Frequenzkamm-Lichtquelle (1c) zugeordneten Kavität (1d) , die das Frequenzkamm-Licht im Frequenzkamm- Abstand beeinflusst,
auf der Basis der in Mess-Echtzeit bereit gestellten Informationen zu Geschwindigkeit und Abstand des Objekts (51 , 52) und
die optische Weglänge dieser Kavität (1d) in Form eines Lang-Scans verändert - entweder verkleinert oder vergrößert - wird,
so dass die Ordnungszahl q von objektantastenden Kurzpulsen für mindestens die Aufnahmezeit delta_t_Hol eines Hologramm konstant gehalten wird,
indem die erste Ableitung über der Zeit des räumlichen Pulsabstandes, der sich aus der Verzögerungslänge der Frequenzkamm-bildenden Kavität ergibt, zumindest näherungsweise gleich einem Wert des 2/q-fachen der Komponente der Geschwindigkeit des Objekts in Bewegungsrichtung oder der Differenzgeschwindigkeit zwischen holografischer Aufnahmevorrichtung und Objekt gemacht ist, wobei sich die Ordnungszahl q aus dem Quotienten von optischer Weglänge Lopt, gerechnet von der Position optischer Gangunterschieds null am Interferometer im Objektstrahlengang bis zu einem angetasteten Objektpunkt OP, und dem räumlichen Pulsabstand Y1 ergibt,
so dass sich die Phase im Hologramm wenigstens in Teilbereiches desselben um weniger als 2 Pi ändert
und mindestens ein Hologramm mittels gerastertem Detektor (6) aufgenommen und eine numerische Rekonstruktion desselben durchgeführt wird, wodurch mindestens eine Schnittebene E oder eine Schnittfläche errechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der räumliche Pulsabstand Y1 klein zum wellenoptischen Schärfentiefebereich im Detektionskanal der holografischen Messanordnung gemacht ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Aufnahmezeitdauer delta_t_Hol für ein Hologramm die Bewegungszeitdauer delta_t_depth für das Passieren des wellenoptischen Schärfentiefebereiches D der holografischen Detektion durch das sich bewegende Objekt (51 , 52) nicht wesentlich überschritten wird, wobei der wellenoptische Schärfentiefebereich D durch die effektive numerischen Apertur und die Schwerpunktwellenlänge der detektierenden Strahlung vorgegeben ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens zwei Frequenzkamm-Lichtquellen mit je einer variablen optischen Länge der Kavität
(1 d) eingesetzt werden, von denen jeweils zu einem Zeitpunkt nur eine jeweils den aktuellen räumlichen Pulsabstand bestimmt, und jeweils eine Kurzpuls- Frequenzkamm-Lichtquelle mit der aktiven veränderlichen Kavität das Objekt (51 , 52) optisch in mindestens einer Schnittebene E oder einer schwach gekrümmten Fläche antastet, so dass das Objekt (51 , 52) abwechselnd, jedoch stets durch eine der beiden Frequenzkamm-Lichtquellen und den gerasterten Detektor (6) holografisch zumindest teilweise erfasst wird und so mindestens zwei Hologramme sequenziell aufgenommenen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei mindestens auch ein Kurz-Scan zur Variation der optischen Länge der Frequenzkamm-generierenden Kavität (1 d) durchgeführt wird, wodurch sich ein zumindest Treppen-ähnlicher Verlauf der optischen Weglänge der Kavität (1d) über der Zeit ergibt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei ein Scan des Referenzspiegels (4a) zwischen einer oder mehreren Hologramm-Aufnahmen durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei punkweise messende Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren mit mindestens einem Teil des mittels
Objekt (51 , 52) gebildeten Hologramms beaufschlagt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei jeweils Hochgeschwindigkeits-Bildauf nahmen der mittels eines Objekts (51 , 52) gebildeten Hologramme
16. Vorrichtung zur Kurz-Kohärenz-Holografie eines zumindest teilweise lichtstreuenden Objekts
- mit mindestens einer Kurz-Kohärenz-Lichtquelle (1 a, 1 b, 1.1 , 1.2) und/oder mindestens einer Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle - wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz-, über IR-, VIS- bis UV- und EUV- Strahlung verstanden wird, und
mit einem holografischen Interferometer zur Erzeugung eines Referenz- und eines Objektlichtbündels,
in welchem ein mittlerer, von null verschiedener optischer Gangunterschied Xm besteht, und
welches an seinem Ausgang einen flächenhaften Hologramm- Detektionsbereich HDB aufweist, in dem mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen spektral integral detektierender, gerasterter Detektor (6) angeordnet ist, und
welches in seinem flächenhaften Hologramm-Detektionsbereich HDB an einem Punkt DP des HDB für einen optisch erfassten Objektpunkt OP stets einen deutlich von null verschiedenen optischen Objektpunkt-bezogenen Gangunterschied x_OP_DP aufweist,
wobei mindestens eine Kurz-Kohärenz-Lichtquelle oder/und mindestens eine Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle mit Frequenzkamm-Charakteristik ausgebildet ist und dem holografischen Interferometer zugeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Kurz-Kohärenz-Lichtquelle oder Quasi-Kurz-Kohärenz-Lichtquelle mit Frequenzkamm-Charakteristik als mindestens ein einziger Frequenzkamm-Laser (1 a, 1 b) mit einer Verzögerungslänge Y1 ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei Mittel zum Verändern der Verzögerungslänge Y1 mindestens einer Frequenzkamm-Lichtquelle (1 a, 1 b) angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei Mittel zum Verändern des mittleren optischen Gangunterschieds Xm des holografischen Interferometers angeordnet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das holografische Interferometer als Michelson-Interferometer ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei im Referenzarm des Michelson- Interferometers ein Kugelspiegel (41 ) oder ein Rotations-Paraboloid-Spiegel (4) mit seiner Brennebene im Referenz-Strahlenraum angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , wobei Mittel zur lateralen Verschiebung des Kugelspiegels (41 ) oder des Rotations-Paraboloid-Spiegels (4) angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei im Referenzarm des Michelson- Interferometers ein Kugelspiegel oder ein Off-axis-Rotations-Paraboloid-Spiegel mit einem miniaturisierten Endspiegel angeordnet ist, der zumindest näherungsweise im Fokus des Spiegels angeordnet ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei dem miniaturisierten Endspiegel Mittel zur hochdynamischen Phasenschiebung zugeordnet sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das holografische Interferometer als ein Interferometer mit einem Ort für die Strahlteilung und mit einem Ort für die Strahlvereinigung ausgebildet ist, die räumlich voneinander vollständig getrennt sind.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das holografische Interferometer mit U-Anordnung im Referenzstrahlengang und V-Anordnung im Objektstrahlengang ausgebildet ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei ein Endreflektor mit Lateral-Shear und zumindest teilweise retro-reflektierend im Referenzstrahlengang angeordnet ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, wobei dem holografischen Interferometer für Objektlicht in Ausbreitungsrichtung zur Detektion ein Bündelquerschnitts-verkleinerndes optisches System zugeordnet ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, wobei die holografischen Anordnung als eine in-line-Anordnung mit einem Bündelquerschnitts- verkleinernden optischen System für zurückkommendes Objektlicht ausgebildet ist.
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