DE2324380B2 - Optischer Korrelator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Korrelator zum Vergleich eines Prüflings mit einem Standardobjekt bei dem mittels kohärenten Lichtes ein Beugungsbild des Prüflings auf einem holografischen Filter erzeugt wird, in welchem ein Hologramm eines Beugungsbildes des Standardobjektes aufgezeichnet ist, und dann das Licht über eine Lochblende einem Lichtmeßgeräf zugeführt wird, das ein elektrisches Ausgangssignal liefert

Derartige optische Korrelate». Jn sind aus den Zeitschriften »Elektronik«. 1969, Heft 11, S. 331-335, und »Applied Optics« 4, (1965), S. 387—392, bekannt. Eine Erläuterung der mathematischen Zusammenhänge findet sich in der »Introduction to Fourier Optics«, McGraw-Hill, 1968, Kapitel 7, und »Optical and Acoustical Holography«, Plenum Press 1972.

Bei einem idealen holografischen Korrelator ist die Intensität des Kreuzkorrelationssignals dann maximal, wenn der Prüfling identisch ist mit dem zur Aufnahme des Hologramms (holografisches Filter) verwendeten Standardobjekts. Dies ist aber nicht mehr der Fall bei einem realen holografischen Korrelator, weil die räumliche Ausdehnung der optischen Elemente nicht unendlich ist wie es für den idealfall und dessen mathematische Erklärung angenommen wird. Dadurch werden mathematisch die Grenzen des Kreuzkorrelationsintegrals endliche Größen. Je nach Größe dieser IntegratioRsgrenzen und der Form des Standardobjekts wird dann das Maximum des Kreuzkorrelationssignals, d. h. das Maximum der Intensität des Lichts, das über die Lochblende gemessen wird, nicht mehr bei völliger Obereinstimmung des Prüflings mit dem Standardobjekt erreicht, sondern bei einer gewissen Abweichung. Dies kann auch mathematisch gezeigt werden. Das Kreuzkorrelationssignal mit endlichen Grenzen kann nämlich in eine Reihe entwickelt werden. Diese Reihe enthält Glieder, die bei kleinen Abweichungen zwischen Standardobjekt und Prüfling linear von den Abweichungen abhängen und sich gegenseitig nicht aufheben. Dadurch kann das Signal bei gewissen Abweichungen zunehmen. Somit ist ein maximales Signal nicht mehr identisch mit einer völligen Übereinstimmung.

Herkömmliche, ideale holografische Korrelatoren erlauben also eine qualitative Aussage über Überein

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^v) stimmen und eine sehr grobe quantitative Aussage über eine eventuelle Abweichung, aber ohne Angabe der Art (z, B, des Vorzeichens) der Abweichung, Besonders bei sehr kleinen Prüflingen kann es deshalb zu falschen Resultaten kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, optische KorrelatPren der eingangs erwähnten Art in der Weise zu verbessern, daß sie eine genaue Angabe Ob„r Größe und Art von Abweichungen zwischen Standardobjekt und Prüfling liefern, und zwar auch bei sehr kleinen Prüflingen. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch gekennzeichnet

Die Erfindung benutzt also den oben geschilderten Mangel eines realen Korrelators, um eine viel bessere qualitative Aussage über die eventuelle Abweichung des Prüflings vom Standardobjekt zu machen. Die nur unvollständige Kompensation der linearen Glieder wird dabei durch das Zusatzfilter völlig unterdrückt welches z. B. alle negativen Anteile auslöscht und nur die positiven Anteile durchläßt; es kann aber auch die unvollständige Kompensation in ihr Gegenteil verwandelt werden, und zwar dadurch, daß die negativen Teile im Vorzeichen umgekehrt und die positiven Teile belassen werden (Phasenumkehr-Zusatzfilter).

Dieses Zusatzfilter ermöglicht den für die Praxis enorm wichtigen Schritt von einer qualitativen Aussage (Übereinstimmung oder Nicht-Übereinstimmung) mit einem idealen holografischen Korrelator, zu einer vorzeichenbehafteten quantitativen Aussage über die Abweichung.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert Auf der Zeichnung zeigen:

F i g. 1 eine Schemaskizze des optischen Korrelators, und

F i g. 2 und 3 den Aufbau des Zusatzfilters erläuternde Skizzen.

Gemäß F i g. 1 liegt in der Eingangsebene des optischen Korrelators ein Prüfline 1, der von einem monochromatischen ParallelstrahlenDündel 2 beleuchtet wird. Der Prüfling 1 weist eine kreisrunde öffnung 3 von z. B. 10 μπι Durchmesser auf. Die durch die Öffnung 3 hindurchgehenden, wegen der Beugung divergierenden Strahlen treffen auf eine erste Linse 4, durch welche sie parallel gerichtet werden. Die Strahlen fallen dann auf ein holographisches Filter 5, in dem das Beugungsbild eines Standardobjektes gespeichert ist. In bekannter Weise wird ein solches Filter durch Beleuchtung einer photographiichen Platte mit dem Beugungsbild des Standardobjektes und einem schief einfallenden Parallelstrahlenbündel hergestellt. Das am holographischen Filter gebeugte Licht wird durch eine zweite Linse 6 auf die öffnung 7 einer Lochblende 8 fokussiert und von einem Lichtmeßgerät 9 aufgefangen, das ein der Lichtleistung proportionales, elektrisches Signal liefert. Soweit wie bis jetzt beschrieben, ist der optische Korrelator bekannt; es wurde bisher erwartet daß das elektrische Ausgangssignal ein Maximum aufweist, wenn der Prüfling mit dem Standardobjekt genau übereinstimmt. Eingehende Untersuchungen haben aber gezeigt, daß dies nicht unbedingt zutrifft, indem das Ausgangssignal oft keine eindeutige Aussage über die Abweichungen des Prüflings vom Standardobjekt zuläßt. Es kann sogar vorkommen, daß das Ausgangssignal bei einem nicht genau mit dem Standardobjekt übereinstimmenden Prüfling größer wird als bei genauer Übereinstimmung, was auf die endlichen Dimensionen des Korrelators bzw. des holographischen Fillers zurückzuführen ist. Die Ungenauigkeilen werden

umso größer, je kleiner der Prüfling ist. Um diesen Nachteil zu beseitigen, weist der vorliegende Korrelator ein Zusatzfilter 10 auf, das in Fig. t unter dem holographischen Filter 5 gezeichnet ist, aber in Wirklichkeit unmittelbar vor oder hinter demselben liegt; man muß es sich also in Fig. 1 in Richtung des Pfeiles 11 nach oben geschoben denken.

Das Zusatzfilter 10 weist entweder die nachfolgend anhand von Fig.2 näher erläuterte Schwarz-Weiß-Transmission oder die Phasenumkehr-Transmission nach F ig. 3 auf.

In F i g. 2 stellt die Kurve Η(ξ) das Beugungsbild der kreisrunden öffnung des Standardobjektes in der |-Achse der f—ij-Ebene des Filters 5 dar, das qualitativ auch für andere öffnungsformen repräsentativ ist Das !■> Schwarz-Weiß-Filter 10 ist so ausgelegt, daß von der 0-ten Beugungsordnung Ob nichts, und von den folgenden Beugungsordnungen O₁, O₂, O3... usw. jeweils die linke Hälfte durchgelassen wird. Das Phaser.umkehrfilter 10 kann aber auch nach F i g. 3 so ausgelegt sein, daß in den rechten Hälften der Beugungsordnungen O1.O2.O3... usw. die Transmission t nicht null, sondern gleich — 1 ist. α. h. eine Phasenumkehr von α bei voller Transmission stattfindet. 2i

In beiden Fällen ist der Effekt derselbe, und zwar wird ein linearer Zusammenhang zwischen dem Ausgangs.-signal und der Abweichung des Durchmessers des Loches 3 des Prüflings vom Durchmesser des Standardobjektes erzielt Dies wurde theoretisch und experimentell nachgewiesen. Durch das Zusatzfilter wird der Korrelator zu einem sehr zuverlässigen Meßinstrument, indem aus der Größe des Ausgangssignals unmittelbar die Durchmesserabweichung festgestellt werden kann, und zwar bei dem angenommenen Durchmesser von z. B. 10 μπι mit einer Genauigkeit von 1%. Dies ist z. B. bei der Serieprüfung von Lagern, insbesondere Uhrensteinen, oder von Spinndüsen von großem Vorteil.

Statt den linken Hälften der Beugungsordnungen O_u Oi. O3 ... usw. die Transmission t = +1 zuzuordnen, könnte man die Transmission f= + l den rechten Hälften der Beugungsordnungen Ob. O\, O₂ ... usw. zuordnen, womit ebenfalls die gewünschte Linearisierung erzielt würde, aber mit umgekehrter Neigung der das Ausgangssignal in Funktion der Abweichung darstellenden Geraden.

Die Anzahl der Beugungsordnungen, die im Zusatzfilter 10 zu berücksichtigen sind, hängt von dem Meßbereich und der geforderten Genauigkeit ab.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Optischer Korrelator zum Vergleich eines Prüflings mit einem Standardobjektiv,, bei dem mittels kohärenten Uehtes ein Beugungsbild des Prüflings auf einem holografischen Filter erzeugt wird, in welchem ein Hologramm eines Beugungsbildes des Standardobjektes aufgezeichnet ist, und dann das Licht über eine Lochblende einem Lichtmeßgerät Ki zugeführt wird, das ein elektrisches Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß dem holografischen Filter (5) ein Schwarz-Weiß-Zusatzfilter oder ein Phasenumkehr-Zusatzfilter (10) unmittelbar vor- oder nachgeschaltet ist, und daß dieses Zusatzfilter (10) jeweils in Flächenteilen, die einer Hälfte der ersten, zweiten, dritten, usw. Beugungsordnung entsprechen, die Transmission 4-1 und in Flächsnteilen, die der anderen Hälfte dieser Beugungsordnung entsprecht;*!·, die Transmission 0 oder — 1 bat.