DE2016815A1

DE2016815A1 - Holographisches Justierverfahren und Anordnungen hierzu

Info

Publication number: DE2016815A1
Application number: DE19702016815
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl Phys Dr rer nat 8000 München Osf Joachim Dipl Phys 8033 Martinsried MP Storck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-08
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1971-10-21
Also published as: DE2016815C3; US3723012A; DE2016815B2

Description

Holographisches""Justierverfahren und Anordnungen hierzu

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wiedereinjustieren eines Körpers nach einer erfolgten Dejustierung in seine frühere räumliche Lage mit Hilfe eines holographisch belichteten Hologrammträgers unter Verwendung von kohärenter Strahlung.

Experimentator.und Techniker stehen bei Gelegenheiten verschiedenster Art vor der Aufgabe, die relative räumliche Lage eines Körpers zu anderen Gegenständen exakt wieder so einzujustieren, wie sie zu irgendeinem vorhergehenden Zeitpunkt bestanden hat. So muß z.B. in der Präzisionsholographie, wie etwa der holographischen Interferometrie und der Herstellung granulationsfreier Bilder mit diffusen Gegenstandswellen,- das Hologramm nach seiner fotografischen Entwicklung zur Rekonstruktion genau in seine Aufnahmeposition zurückjustiert werden. Als weiteres Beispiel sei der Fall genannt, daß irgendwelche Teile aus einem Präzisionsaufbau heraus - etwa zur Be- oder Verarbeitung - entfernt und anschließend wieder einjustiert werden müssen, wie es bei der Herstellung vonMikroschal tkreisen durch Mehrfachmaskierung oder bei der Feinver-· arbeitung optischer Bauelemente der Fall ist. In all diesen fällen ist man bisher auf mühevolle und langwierige manuelle Justierung angewiesen.

Beispielsweise ist in der Literaturstelle "Applied Physics Letters", 1965, Vol. 7, No. 9, Seite 248 und 249, ein holographisch interferometrisches Verfahren angegeben, welches es gestattet, die Dejustierung eines transparenten Körpers

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aus seiner Lage, die er während der Belichtung des HoIogramnrfcrägers einnimmt, festzustellen. Der dejustierte Körper - in diesem Fall ein Prisma - ist durch die überlagerung der von ihm ausgehenden und der aus dem Hologramm rekonstruierten Wellen seines virtuellen vor der Dejustierung aufgenommenen Bildes von mehr oder weniger dicht liegenden Interferenzstreifen durchzogen. Durch Vergrößern des Abstandes der Interferenzstreifen kann eine genaue Justierung des Körpers in seine Lage während der Aufnahme des Hologramms herbeigeführt werden.

Ein derartiges Verfahren läßt jedoch die Justierung nur von Körpern mit bestimmten optischen Eigenschaften, beispielsweise transparenten und lichtablenkenden Körpern zu. Außerdem ist eine derartige Justierung, bei der ein Muster von Interferenzstreifen möglichst ganz zum Vershwinden gebracht werden muß, für den Beobachter äußerst mühsam, da die Justierung des Körpers in allen sechs Freiheitsgraden erfolgen muß und eine Verschiebung in einer Richtung oft mit einer Abnahme von Interferenzstreifen an seiner Stelle und einer Zunahme an anderer Stelle verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein holographisches Justierverfahren anzugeben, welches es ermöglicht, das Wiedereinjustieren eines beliebigen Körpers in eine bestimmte Lage lediglich über die Beobachtung einer einzigen Größe, beispielsweise eines Meßsignales, auf Bruchteile von Wellenlängen der verwendeten kohärenten Strahlung vorzunehmen.

Ausgehend von einem Verfahren zum Wiedereinjustieren eines Körpers nach einer erfolgten Dejustierung in seine frühere räumliche Lage mit Hilfe eines holographisch belichteten Hologrammträgers unter Verwendung von kohärenter Strahlung, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Justierung des Körpers auf die Justierung des belichteten HoIo-

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grammträgers und eines Diffusors dadurch zurückgeführt wird, daß der Körper mit dem Diffusor oder dem Hologrammträger vor der Dejustierung starr verbunden wird, daß im noch justierten Zustand in dem Hologrammträger eine holographische Aufnahme des als Objekt dienenden Diffusors hergestellt wird, daß nach der anschließend erfolgten Dejustierung mit Hilfe einer der bei der Aufnahme verwendeten Objekt- bzw. Referenzwelle entsprechenden, auf den Diffusor bzw, das Hologramm gerichteten Welle das Wiedereinjustieren des Körpers dadurch erfolgt, daß dieser in die Lage gebracht wird, in der die vom Diffusor gestreute und anschließend durch das Hologramm tretende Strahlung bzw. die durch das Hologramm tretende und anschließend den Diffusor verlassende, gerichtete oder diffuse Strahlung ein Extremum der Intensität erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der beispielsweise in-der Literaturstelle "Journal of the Optical Society of America«, 1966, VoI 56, No. 4, Seite 523, beschriebenen Erscheinung, daß stets dann, wenn einer der beiden kohärenten Wellenzüge, die auf einem Hologramm zur Überlagerung und Aufzeichnung gelangen, zuvor einen Diffusor durchquert aus diesem Hologramm durch denselben Diffusor hindurch eine gerichtete, also nichtdiffuse, Wellenfront rekonstruiert wird, wenn die geometrische Beziehung zwischen Hologramm und Diffusor bei der Rekonstruktion genau dieselbe ist, wie bei der Aufnahme. Ist das nicht gewährleistet, so ist die rekonstruierte Welle ηjiht mehr gerichtet, sondern läuft diffus in alle Richtungen auseinander.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde» daß die Intensität der gerichteten Welle oder der diffus gestreuten Welle bei gleichbleibender Intensität der Wiedergabewelle ein Maß für die Dejustierung, gleichgültig in welcher Raum

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richtung die DeJustierung erfolgte, darstellt. Bei bestmöglicher Justierung ist die Intensität der gerichteten Strahlung maximal und gleichzeitig die Intensität der gestreuten Strahlung minimal. Durch Ausnutzung dieses Effektes gelingt es auf überraschend einfache Weise durch Optimieren einer einzigen Größe, nämlich der Intensität einer bestimmten Strahlung, eine auf Bruchteile der Wellenlänge der verwendeten Strahlung genaue Justierung vorzunehmen. Durch die bereits genannte starre Verbindung eines beliebigen zu justierenden Körpers mit dem Diffusor oder dem Hologramm, kann dieses Verfahren zur gegenseitigen Justierung von Diffusor und Hologramm auf beliebige Körper erweitert werden.

Eine einfache Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß der mit dem Diffusor oder dem Hologramm starr verbundene Körper in einer im Raum beweglichen Haltevorrichtung gelagert ist, und daß im Bereich der vom Diffusor gestreuten und anschließend durch das Hologramm tretenden bzw. der vom Hologramm beeinflußten und anschließend vom Diffusor gestreuten diffusen oder nichtdiffuBen Strahlung ein Fotodetektor mit einer an diesen elektrisch angeschlossenen Anzeigevorrichtung angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung ist dadurch gegeben, daß als Diffusor unmittelbar eine diffus streuende Fläche des Körpers vorgesehen ist.

Eine Erhöhung der mit dem Fotodetektor erzielten Meßgenauigkeit kann dadurch erreicht werden, daß vor dem in der nichtdiffusen Strahlung angeordneten Fotodetektor eine Richtungsblende angeordnet ist.

Durch den in dem erfindungsgemäßen Verfahren gegebenen Vorteil, die Justierung eines Körpers in einem oder mehreren räumlichen Freiheitsgraden auf die Optimierung einer einzi-

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gen meßbaren Größe zurückzuführen, läßt sich in äußerst einfacher Weise eine automatische Steuerung der Justierung durchführen. Dies geschieht vorteilhafterweise dadurch, daß an den elektrischen Ausgang des Fotodetektors eine geeignete elektrische Schaltung angeschlosser, ist, die eine die Haltevorrichtung bewegende Nachstelleinrichtung automatisch steuert.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert we: den. Es zeigen

Fig. .,1 die schematische Darstellung der holographischen Aufnahme einer diffusen Welle, Fig. 2 und 3 eine schematische Darstellung der

Rekonstruktion der gerichteten Welle, Fig. 4 ein Diagramm der Intensität der gerichteten bzw. diffusen Welle in Abhängigkeit ■ von der Dejustierung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine automatische Justierung.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung enthält einen Hologrammträger 1 und den mit dem Diffusor 2 fest verbundenen Körper 3. Zur Belichtung des Hologrammträgers wird dieser mit der Referenzwelle 4 und der Diffusor ? mit der Ob^ktwelle 5 aus einem nicht näher dargestellten Lasergerät bestrahlt. Die durch den Diffusor 2 modulierte Ob^ektwelle 5 interferiert im Bereich des Hologrammträgers 1 mit der Referenzwelle 4. Das sich in der .^bone des Hologrammträgers 1 bildende Muster von Interferenzstreifen wird in diesem aufgezeichnet. Durch die fotografische Entwicklung des Hologrammträgers entsteht das in Figur 2 gezeigte Hologramm 1'. Der Körper 3 befindet sich während der Aufnahme in der nach der nun folgenden Dejustierung wieder einzujustierenden räumlichen Lage.

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Bei. der in Figur 2 dargestellten Rekonstruktion de? gerichteten Welle 4' wird der Diffusor 2 wiederum mit der bei der Aufnahme verwendeten Objektwelle 5 bestrahlt. Die den Diffusor verlassende modulierte Welle wird durch die :ln dem Hologramm 1» aufgezeichnete Interferenzstruktur wiederum moduliert und verläßt das Hologramm bei noch dejustierter Lage des Diffusors 2 bzw. des Körpers 3 relativ zuo Hologramm teils in gestreuter und teils in gerichteter Form. Sowohl die Intensität der gestielten als auch der gerichteten Strahlung stellt bei gleichbleibender Intensität der Objektwelle 5 ein Maß für die Dejustierung des Diffusors 2 bzw. des Körpers 3 dar. Die Justierung des Körpers 3 in diejenige Lage, die er während der Belichtung des llologrammträgers einnahm, erfolgt nun dermaßen, daß ein Maximum der gerichteten bzw. eixi Minimum der diffusen Strahlung eingestellt wird. Sowohl die gerichtete als auch die diffuse Strahlung kann mit einem Fotodetektor 6 gemessen und mit einer Anzeigevorrichtung dargestellt werden.

Die in Figur 3 schematisch dargestellte Anordnung zur Rekonstruktion der gerichteten Welle unterscheidet sich von der in Figur 2 dargestellten im wesentlichen durch die ver wendete Wiedergabewelle. Tn diesen: Beispiel wi^d nicht,wie in Figur 2, die Objektwelle 5 zur Wiedergabe sondern die auf das Hologramm 1' gerichtete invertierte Referenzwelle 4¹ benutzt. In diesem Fall wird die Wiedergabewelle· zuerst durch das Hologramm 1· moduliert. Die so modulierte Welle erfährt in dem Diffusor 2 eine weitere Modulation und tritt bei noch dejustierter Lage des Diffusors relativ zum Hologramm teils als gerichtete, teils als gestreute Strahlung aus. Die Justierung erfolgt hier wie in obm in Figur 2 beschriebenen Fall. Zur Steigerung der Anzeigegenauigkeit des die Intensität der gerichteten Strahlung messenden Fotodetektors 6 ist vor diesem eine Richtungsblende angeordnet.

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Sie bestehi in dem hier gezeichneten Fall aus zwei Sammellinsen 7 und 7', in deren gemeinsamen Brennpunkt die Öffnung einer Lochblende 8 angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die sonst vom Fotodetektor 6 zu einem geringen Teil auch registrierte Streustrahlung nahezu völlig ausgebildet wird.

Als Diffusor kann sowohl eine Mattscheibe als auch eine rauhe Oberfläche verwendet werden, die die einfallende Strahlung diffus streut. Für den Fall der Justierung, indem der Körper 3, wie in den Figuren 1 bis 3, mit dem Diffusor ? und nicht mit dem Hologramm 1' verbunden wird, kann die diffus streuende, rauhe Oberfläche von einer Oberfläche des Körpers selbst gebildet werden.

In Figur 4 ist der typische Verlauf der Intensität I der gerichteten Strahlung (durchgezogene Linie) und der diffusen Strahlung (unterbrochene Linie) als Funktion der Dejustierung-ix dargestellt. Die gerichtete Strahlung nimmt bei optimaler Justierung ein Maximum und die diffu.?e Strahlung ein Minimum an. Die Form der Kurve kann durch die Wahl des Diffusonaaterials in weitem Bereich variiert und dadurch den verschiedensten Aufgaben angepaßt werden.

Das in Figur 5 dargestellte Blockschaltbild zeigt eine Möglichkeit, die beschriebene Justierung automatisch durchzuführen. Es enthält den Fotodetektor 6, das Differenzierglied 9, den Signalgeber 10, den Umschalter 11, den Zeitgeber 12, die Stellmotoren 13a bis 13f und den zu justierenden Körper 3 in seiner Haltevorrichtung. Die den Körper 3 in seinen sechs Freiheitsgraden einzeln bewegenden Stellmotoren 13a bis 131 verursachen bei der Bewegung des Körpers 3 in einem seiner Freiheitsgrade eine IntensitätEänderung der als Maß für die Justierung verwendeten gerichteten bzw. gestreuten Strahlung. Die Intensität dieser Strahlung wird in

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dem Fotodetektor 6 gemessen und das elektrische Ausgangssignal des Fotodetektors 6 dem Differenzierglied 9 zugeführt. Eine Justierung des Körpers 3 in einem seiner Freiheitsgrade ist dann erreicht, wenn das Ausgangssignal des Fotodetektors 6 ein Maximum, das Ausgangssignal des Differenziergliedes 9 eine Nullstelle durchläuft. Der dem Differaizierglied nachgeschaltete Signalgeber 10 verursacht eine entsprechende Bewegung des gerade arbeitenden Stellmotors, der über den Umschalter 11 angeschaltet wird. Über den Zeitgeber 12 wird der Umschalter 11 so betätigt, daß alle Stellmotoren 13a bis 13f der Reihe nach zur Wirkung kommen.

5 Figuren

5 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

QJ Verfahren zum Wjaiereinjustieren eines Körpers nach einer erfolgten Dejustierung in seine frühere räumliche Lage mit Hilfe eines holographisch belichteten Hologrammträgers unter Verwendung von kohärenter Strahlung, dadurch gekennzeichnet , daß die Justierung des Körpers (5) auf die Justierung des belichteten Hologrammträgers

(1) und eines Diffusors (2) dadurch zurückgeführt wird, daß der Körper (3) mit dem Diffusor (2) oder dem Hologrammträger (1) vor der Dejustierung starr verbunden wird, daß im noch justierten Zustand in dem Hologrammträger (1) eine holographische Aufnahme des als Objekt dienenden Diffusors

(2) hergestellt wird, daß nach der anschließend erfolgten DeJustierung mit Hilfe einer der bei der Aufnahme verwendeten Objekt- bzw. Referenzwelle (5 bzw. 4) entsprechenden, auf den Diffusor bzw. das Hologramm gerichteten Welle das Wiedereinjustieren des Körpers (3) dadurch erfolgt, daß dieser in die Lage gebracht wird, in der die vom Diffusor (2) gestreute und anschließend durch das Hologramm (1¹) tretende Strahlung bzw. die durch das Hologramm (1¹) tretende und anschließend den Diffusor (?) verlassende, gerichtete oder diffuse Strahlung ein Extremum der Intensität erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nls Diffusor (?) unmittelbar eine diffus strahlende Fläche des Körpers (3) verwendet wird.

^v;. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 1', dadurch gekennzeichnet , daß der mit dem Diffusor (i) starr verbundene Körper (3) in einer im Raum beweglichen Haitevorrichtung gelagert ist und daß im Bereich der vom Diffusor (?) gestreuten und anschließend durch das. Hologramm (1¹) tretenden bzw. der vom Hologramm beeinflußten und anschließend vom Diffusor (?) gestreuten diffusen oder nichtdiffusen Strahlung ein Fotodetektor (6) mit einer an diesen elektrisch ingeschlossenen Aizeige-VPA 9/502/251 109.843/0851 _₁₀-

-10-vorrichtung angeordnet ist.

A. Anordnung nach Anbruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem in der nichtdiffusen Strahlung angeordneten Fotodetektor (6) eine Richtungsblende (7, .7' ,8) angeordnet ist.

5.-Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß an dem elektrischen Ausgang des Fotodiektors (6) eine geeignete elektrische Schaltung angeschlossen ist, die eine die Haltevorrichtung bewegende Nachstelleinrichtunf?· automatisch steuert.

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