Optische Systeme (13. Vorlesung) - KIT - LTI · Hologramm eines beliebigen Objektes • Da Objekt...

Universität Karlsruhe (TH)

Optische Systeme (13. Vorlesung)

Martina Gerken29.01.2007

13.2

Nachtrag: Triangulation

• Lichtschnittsensor

– Laserlinie bzw. LED-Linie in definiertem Winkel über Tastobjekt gelegt

– Laserlinie wird auf Empfänger-Kamera als Kontur abgebildet, die dem Höhenprofil entspricht

Quelle: http:// www.machinevisiononline.org; http://www.sick.de

13.3

Farbcodierte Triangulation

• Pressemeldung 01/2007: Mit Hilfe eines farbcodierten Triangulations-Verfahrens lassen sich dreidimensionale Abbilder von teilweise sogar bewegten Objekten aller Art erfassen.

– 3D-Machine Vision erweitert von Siemens

– Projektor beleuchtet Objekt mit parallelen Lichtstreifen

– Kamera zeichnet Muster auf, das eine Art Höhenprofil ergibt

– Computerprogramm berechnet im Bruchteil einer Sekunde das 3D-Abbild

– Lichtstreifen sind farblich oder zeitlich redundant codiert

– Je nach Kodierung wird 3D-Datensatz aus einem Videobild bestimmt und somit auch bewegtes Objekt dreidimensional erfasst.

Quelle: http:// www.pro-physik.de; http://www.siemens.de

13.4

Inhalte der Vorlesung

1. Grundlagen der Wellenoptik

2. Abbildende optische Systeme

3. Optische Messtechnik

4. Biomedizinische optische Systeme

5. Optische Materialbearbeitung

6. Optische Datenspeicherung -> Optik in der Datenspeicherung

6.1 Kopierer und Laserdrucker

6.2 CD-/DVD-Spieler

6.3 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD)

6.4 Holographische Datenspeicher

7. Optische Informationstechnik

8. Mikro- und Nanooptische Systeme

13.5

Magneto-Optical Discs (MOD), MiniDisc (MD)

• Daten in kleinen ferro-magnetischen Domänen abgelegt, die erzeugt und gelöscht werden können

– Ferro-magnetischen Domänen sind Volumenbereiche mit homogener Ausrichtung der Magnetisierung.

• Erzeugung der Domänen erfolgt in der Kombination von Licht mit einem Magnetfeld. Licht erwärmt Material lokal.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“Quelle: Imlau

– Prinzipien der MOD in den 70ern erforscht

– Mit CD 1982 angekündigt

– Erste kommerzielle MOD 1988 erschienen

13.6

MOD: Lesen

• Magneto-optischer Kerreffekt (MOKE) bewirkt, dass Polarisationszustand des reflektierten Laserlichtes verglichen zum einfallenden linear polarisierten Laserlichtes um einen geringen Winkelbetrag gedreht ist (ca. 0.5°).

– Vorzeichen der Verkippung hängt von Orientierung der ferro-magnetischen Domänen ab.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

• Polarisator wandelt Polarisationsmodulation in Intensitätsmodulation um.

• Polarisationszustand:

13.7

MOD: Schreiben

• Angelegtes Magnetfeld größer als Koerzitivmagnetfeld Hc bewirkt Änderung in der Ausrichtung der Domänenmagnetisierung.

www.twysted-pair.com/hyster1.htm

Hc

Hc

Neukurve

Hysteresisschleife

Magnetisierung -Ms

• In MODs benutzt man Materialien, deren Hc stark von der Temperatur abhängt.

– Bei Raumtemperatur und bei Erwärmung durch schwachen Lese-Laserstrahl sollte Hcmöglichst groß sein, damit geschriebene MODs ihren Zustand beibehalten.

– Bei Erhitzung durch intensiven Laserstrahl soll Hc klein werden, damit MOD mit angelegten Magnetfeld geschrieben werden kann.

Magnetisierung Ms

13.8

Formanisotropie und Orthogonalanisotropie

• Nur eine Magnetisierung senkrecht zur Schichtebene kann in der typischen senkrechten Lese-Konfiguration ausgelesen werden.

– Die meisten Materialien haben jedoch eine Ausrichtung der Domänen in Richtung der Schichtebene (Formanisotropie FA)

• Nur Materialien, bei denen Orthogonalanisotropie Ku größer als Formanisotropie FA ist: Ku>FAkommen für MODs in Frage.

– Dies ist z.B. bei Co der Fall. Co hat allerdings eine kleine Magnetisierung.

– Besser ist ein Kombination mehrerer Materialien.

13.9

MOD: Materialien

• Bessere Eigenschaften erhält man durch Kombination von Materialien, bei denen Magnetisierungen der beiden Elemente entgegengesetzt orientiert ist (antiferromagnetische Kopplung).

• Kombination Seltene-Erd-Elemente (rare-earth, RE, z.B. Tb, Gd, Dy) und Übergangsmetalle (transitionmetal, TM, z.B. Fe, Co, Ni).

– Gesamtmagnetisierung ist sehr klein Ms≈0.

– Bei Tcomp ist Hc sehr groß.

– Näher bei Tc ist Hcwesentlich kleiner.

– Das TM sorgt für eine große Kerr-Rotation.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

13.10

TbFeCo-Kombinationen

• Kombination mit ca. 25% Tb liefert ein günstiges Tcomp≈25°C und Tc ≈200°C.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

13.11

Schichtenfolge einer MOD

• Al-Schicht reflektiert Licht. Es passiert die TbFeCo-Schicht zweimal.

• Si3N4-Schichten verhindern, dass Wasser an TbFeCo-Schicht gelangt, und dienen als Antireflexschichten.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

13.12

Vergleich MO-Disk und DVD-RAM

• 3,5" MO-Disk– hat maximal 2,3 GB, – 20 EUR– Betriebssystem erkennt MOD

als Festplatte– höhere physikalische

Datensicherheit• MOD lichtunempfindlich• MOD bis ca. 100 °C

temperaturunempfindlich

• DVD-RAM – 4,7 GB– 6 EUR– Bessere Transferleistung– DVD-RAM-Brenner billiger– DVD-RAM teilweise als DVD-

Brenner eingebunden

Quelle: http://de.wikipedia.org

13.13

Inhalte der Vorlesung

1. Grundlagen der Wellenoptik

2. Abbildende optische Systeme

3. Optische Messtechnik

4. Biomedizinische optische Systeme

5. Optische Materialbearbeitung

6. Optische Datenspeicherung -> Optik in der Datenspeicherung

6.1 Kopierer und Laserdrucker

6.2 CD-/DVD-Spieler

6.3 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD)

6.4 Holographische Datenspeicher

7. Optische Informationstechnik

8. Mikro- und Nanooptische Systeme

13.14

Holographische Aufnahme

• Interferenzmuster belichtet Glasplatte oder Film mit lichtempfindlicher Schicht

– Schicht reagiert nur auf Intensität des Lichtes

• Durch die Interferenz der Wellenfronten wird relative Phase (zwischen Objekt-und Referenzwelle) ebenfalls aufgezeichnet.

Quelle: http://de.wikipedia.org

13.15

Aufgabe: Beispielhologramme

• Skizzieren Sie das Hologramm einer spiegelnden Fläche!

– Berechnen Sie die charakteristischen Abstände!

• Skizzieren Sie das Hologramm einer kleinen streuenden Kugel!

13.16

Hologramm einer ebenen Welle

• Holographische Aufnahme eines Interferenzmusters von zwei ebenen Wellenfronten (Referenzwelle und Objektwelle)

Obj

ekts

trah

l

Ref

eren

zstr

ahl

– Amplitude der Objektwelle im Kontrast des Interferenzmusters gespeichert

– Winkel zwischen Objekt- und Referenzstrahl in der Gitterkonstanten gespeichert

Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc

22 ˆˆ

ˆˆ 2

minmax

minmax

RO

RO

EE

EE

II

IIM

+=

+−

=

Amplituden :ˆ ,ˆ

Intensität :

n Modulatio:

RO EE

I

M

13.17

Bragg-Bedingung

• Beispiel für Zusammenhang zwischen Gitterperiode und Winkel

.

Abb. 2b

ε2

ε2

ε

2g

λ

ε2

2sin2

22

sin ελλε

=⇒= gg

tanteGitterkons :

elle Referenzwund -Objekt zw. inkelTrennungsw :

Lichtsen verwendetdes eWellenläng :

g

ελ

Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc

13.18

Hologramm eines einzelnen Punktes

• Interferenz ebener Referenzwelle mit Kugelwelle aus Punkt G

– Fresnel‘sche Zonenplatte

Objektstrahl

ReferenzstrahlFresnel'sche Zonenplatte

Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc

13.19

Hologramm eines beliebigen Objektes

• Da Objekt aus vielen räumlichen Punkten zusammengesetzt, besteht Hologramm aus Überlagerungen vieler Fresnel'scher Zonenplatten

– Hologramm speichert im Kontrast die Amplitude und im Abstand derInterferenzmaxima die Phase (Richtung und Form) der Objektwelle

– Farbinformation fehlt (im einfachen Fall)

– Hologramm stellt Codierung von Lichtwellen dar, nicht direkt ein Objektbild

Resultierendes

Interferenzmuster

13.20

Bedingungen für holographische Aufnahmen

• Feste Phasenbeziehung zwischen Objekt- und Referenzstrahl notwendig, um Interferenzmuster aufzunehmen

– Zeitliche und räumliche Kohärenz der Lichtquelle während Belichtungsdauer notwendig

– Stabilität aller Komponenten des optischen Aufbaus einschließlich des aufzunehmenden Gegenstandes während Belichtungsdauer notwendig (Bewegungen im 100 nm Bereich zerstören Interferenzmuster)

– Typischerweise werden gepulste, linear polarisierte Laser verwendet

• Hochauflösender Film notwendig, um Interferenzmuster aufnehmen zu können (Auflösung 1000-10000 mm-1)

13.21

Amplitudenhologramm und Phasenhologramm

• Bei Amplitudenhologrammen ist Interferenzmuster in Form von unterschiedlichen Schwärzungen gespeichert,

– Transparenter Film wird in belichteten Bereichen geschwärzt und bleibt an den dunklen transparent.

– Schwarze Bereiche absorbieren Licht bei der Wiedergabe.

• Bei Phasenhologrammen ist Interferenzmuster als Oberflächenrelief ausgebildet

– In belichteten Bereichen ist Schichtdicke dünner

– Oberflächenrelief erzeugt Phasendifferenz bei Wiedergabe

– Helles Bild, da keine Absorption

13.22

Filmmaterialien

Quelle: Lecture Holography and optical phase conjugation held at ETH Zürich by Prof. G. Montemezzani in 2002

13.23

Rekonstruktion eines Hologramms

• Rekonstruktion des Objektbündels durch Lichtbeugung (Diffraktion)

Quelle: http://de.wikipedia.org

– Holografische Fotoplatte mit Welle beleuchtet, die mit Referenzwelle identisch ist

– Licht wird am Interferenzmuster gebeugt und es entsteht die exakte Wellenfront der Objektwelle

– Bei Transmissions- (Durchlicht-) hologramm abgebildeter Gegenstand hinter Hologramm sichtbar

13.24

Warum wirkt Hologramm dreidimensional?

• Warum sehen wir überhaupt dreidimensional?

– Durch Augenabstand sehen unsere Augen Objekt aus leicht verschiedenen Richtungen. Gehirn kann dadurch räumlichen Eindruck herstellen.

• Ganzes Wellenfeld vor und hinter dem aufgezeichneten Objekt wirdrekonstruiert

• Abbild kann ebenfalls durch Augenabstand aus leicht verschiedenen Richtungen betrachtet werden.

• Räumlicher Eindruck dadurch verstärkt, dass man sich im Wellenfeld hin- und herbewegen und so den Gegenstand aus verschiedenen Richtungen und, in begrenztem Ausmaß, auch um ihn herum sehen kann.

Quelle: http://de.wikipedia.org

13.25

Was passiert bei Beleuchtung mit anderer Wellenlänge?

• Einfluss der Wellenlänge auf Rekonstruktion kann an Bragg Bedingung gesehen werden

– Gitterkonstante g ist durch Hologramm gegeben

– Wellenlänge λ wird variiert

– Somit ergibt sich anderer relativer Winkel zwischen Objekt- und Referenz- bzw. Rekonstruktionsstrahl

– Daher Lage des rekonstruierten Bildes verändert

• Problem bei Beleuchtung mit weißem Licht: Jede Wellenlänge erzeugt anderes Bild und Bilder überlagern sich zu verschwommenem Gesamtbild

• Daher lassen sich die bisher besprochenen Flächentransmissionshologramme nur in monochromatischem Licht betrachten.

13.26

Volumenhologramme (Weißlichthologramme)

• Aufnahme mit verhältnismäßig dicker Emulsion, so dass Überlagerungsmuster nicht nur in einer Ebene, sondern in Volumen gespeichert.

– Nur sinnvoll, wenn Interferenzstreifen nicht senkrecht zur Holoplattestehen (sonst hätte man sehr dickes Flächenhologramm)

– Daher Aufnahmeanordnung mit Objekt- und Referenzstrahl aus entgegen gesetzten Richtungen

Abb. 9Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc

13.27

Rekonstruktion Weißlichthologramm

• Betrachtung des Hologramms in Reflektion

– Weißlichthologramme werden auch Reflektionshologramme genannt

• Jede Fotoschicht wirkt wie einzelnes Hologramm

• Konstruktive Interferenz in Reflektion nur für die richtige Wellenlänge

– Volumenhologramm verhält sich wie Bragg-Spiegel

– Falsche Wellenlängen werden transmittiert und somit "herausgefiltert„

• Bei Wiedergabe gewisse räumliche Kohärenz für scharfes Bild notwendig

– Z.B. punktförmige Lichtquelle wie Sonne

• Auf Volumenhologramm können mehrere Bilder gespeichert werden, da Wiedergabe unter einem bestimmten Winkel nur mit einer Wellenlänge

– Hologramme mit Bewegung: Andere Bilder bei anderen Winkeln

– Hologramme in Echtfarben: Aufnahme von drei Volumenhologrammen mit rotem, grünem und blauem Licht bei gleichem Einfallswinkel

• Leider teuer, da keine kostengünstige Vervielfältigung möglich

13.28

Regenbogenhologramm - Aufnahme

• Kopie eines bereits vorhanden Masterhologramms mit Spalt (bzw. streifenförmig geformtem Laserstrahl) auf zweiter Holoplatte aufgenommen

• Kostengünstige Vervielfältigung durch Prägen

Quelle: http://de.wikipedia.org

13.29

Regenbogenhologramm - Rekonstruktion

• Wiedergegebene Objektfront ist vor den Augen des Betrachters nur noch eine Linie, dadurch überlagern sich Bilder verschiedener Wellenlängen nicht

– Rekonstruktion mit weißem Licht möglich

– Kein dreidimensionales Bild, da vertikale Parallaxe fehlt

• Farbigkeit des Hologramms durch Rekonstruktion verschiedener Wellenlängen in verschiedenen Winkeln

• Multiplexhologramme (Stereogramme) möglich

Quelle: http://de.wikipedia.org

– Fotos, die Objekt aus verschiedenen Perspektiven zeigen, werden in Hologramm gespeichert

– Jedes Auge sieht eine solche 2-dimensionale Perspektive und Bild wird räumlich wahrgenommen

13.30

Holografische Speicher

• Holographische Speicher versprechen:

– Hohe Datendichte durch Volumenspeicherung

– Hohe Datenübertragungsrate durch parallele Informationsverarbeitung

• Hologramme können theoretisch ein Bit in einem Würfel mit der Kantenlänge der Wellenlänge des Lichts, das zum Schreiben benutzt wurde, speichern.

– z.B. Helium-Neon-Lasers mit Wellenlänge: 632,8 nm

– 1 Quadratzoll von perfektem holografischen Speicher enthält 1,61×1013 Bits, was ungefähr 2.014 Terabyte entspricht (2,5×1012 Bit pro cm²)

– 1 Kubikzoll von solchem Speicher hätte Speicherkapazität von 8.083.729.105 Terabyte (493.299.416 TB pro cm³).

– Speicherdichte ist in der Praxis um Größenordnungen niedriger, da Bits für Fehlerkorrektur benötigt, und Mangelhaftigkeit des optischen Systems ausgeglichen werden muss.

Quelle: http://de.wikipedia.org

13.31

Holografische Speicher

• Ablauf:– Digitalisierung der Daten– Konvertierung in 2D-Bitmuster

(Datei wird in gleichgroße Datenpakete aufgeteilt, meist mehrere)

– Bitmuster wird mit „PageComposer“ (z.B. Flüssigkristall 1024 x 1024 Bildpunkten) auf den Laserstrahl aufgeprägt.

– Im Brennpunkt der optischen Anordnung wird das Speichermedium platziert, das photosensitiv sein muss, d.h. es verändert seinen Brechwert (photorefraktiv) oder seine Absorption (photochrom) bei Lichtbestrahlung.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

13.32

Zwischenbild

• Problem: PageComposer wirkt aufgrund seiner Gitterstruktur mit einer Periodizität von wenigen Mikrometern als Beugungsgitter auf die einfallendeLichtwelle und die Information wird im weiteren Verlauf gestört.

• Lösung: Es wird zunächst ein „Zwischenbild“ erzeugt, bei dem die höheren Beugungsordnungen mit einer Blende im Brennpunkt heraus gefiltert werden („Fourierfilterung“).

– 4f Optik

Quelle: Imlau

13.33

Holografische Disc

• Ein holographischer Speicher könnte wie bei CD/DVD/MOD auf einer Disc aufgebracht werden. Dies erlaubt die Nutzung der bekannten Player-Technologie.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

13.34

Beugungswirkungsgrad

• Wellenlänge und Winkel der Referenzwelle beim Auslesen müssen mit den Bedingungen beim Einschreiben übereinstimmen.

• Für sehr kleine Abweichungen kann die Rekonstruktion noch erfolgen, dann nimmt der Beugungswirkungsgrad schnell ab.

• z.B. Beugungswirkungsgrad mit Winkelabweichung:

Quelle: Imlau

13.35

Multiplexing

• Die Empfindlichkeit gegenüber Wellenlänge und Winkel der Referenzwelle kann benutzt werden, um mehrere Hologramme in dasselbe Speichermedium zu schreiben (Multiplexing).

• Liegt das zweite Hologramm beim Beugungsminimum des ersten Hologramms, so können beide Hologramme ohne Übersprechen ausgelesen werden.

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

– Mit diesem Verfahren können bei ∆θ=0.01° in einen Winkelbereich von 10° 1000 Hologramme eingeschrieben werden!

13.36

Winkelmultiplexing

• Verschiedene Drehachsen sind für das Winkelmultiplexing möglich:

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

13.37

Winkel- und Wellenlängenmultiplexing

• Benötigter Winkel- bzw. Wellenlängenabstand für zwei Hologramme ohne Übersprechen (θB ist der halbe Winkel zwischen Signal- und Referenzwelle):

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ Quelle: Imlau

13.38

Ortsmultiplexing

• Zusätzlich zum Winkel- und Wellenlängenmultiplexing wird noch Ortsmultiplexing eingesetzt.

– Speichermedium räumlich verschoben

Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“

13.39

Holographic Versatile Disc (HVD)

• Zur Zeit in Entwicklung durch die „HVD Alliance“

– Kapazität von bis zu 3,9 Terabyte (Blu-ray Disc 200 GB )

– Transferrate von 1 Gbit/s bei einfacher Rotationsgeschwindigkeit (Vergleich: Blu-ray Disc 36 MBit/s, DVD 10.8 MBit/s, CD 1.4 MBit/s)

– Laufwerke mit höherer Rotationsgeschwindigkeit (z.B. 8x) sind denkbar

Quelle: www.hvd-alliance.org

13.40

Vergleich CD/DVD und HVD

Quelle: www.howstuffworks.com

13.41

Simulation eines HVD-Hologramms

Quelle: www.howstuffworks.com

13.42

HVD: Struktur

Quelle: www.hvd-alliance.org

13.43

HVD: Optisches System

Quelle: www.hvd-alliance.org

13.44

HVD: Speichern in überlagerten Hologrammen

Quelle: www.hvd-alliance.org

13.45

Vergleich optischer Datenträger

Quelle: http://de.wikipedia.org

13.46

Fragensammlung

• Worauf basiert die Datenspeicherung in einer MOD?

• Wie ist ein MOD-Spieler aufgebaut?

• Nennen Sie einen Vorteil einer MOD gegenüber einer DVD-RAM!

• Was ist ein Hologramm?

• Wie wird ein Hologramm aufgenommen?

• Welche Bedingungen müssen bei der Aufnahme erfüllt sein?

• Wie wird das Hologramm rekonstruiert?

• Was sehe ich, wenn ich ein Flächenhologramm in Weißlicht betrachte?

• Warum kann ich ein Volumenhologramm in Weißlicht sehen?

• Warum sind holographische Datenspeicher interessant?

• Wie ist ein System zur holographischen Datenspeicherung aufgebaut?

• Was ist Wellenlängenmultiplexing?

• Was ist Winkelmultiplexing?

• Wie sieht eine HVD im Querschnitt aus und warum so?