Digitale Einstrahl-Holographie atmosphärischer Eiskristalle
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Abstract
Es wurde ein für bodengebundene Feldmessungen geeignetes System zur digital-holographischen Abbildung
luftgetragener Objekte entwickelt und konstruiert. Es ist, abhängig von der Tiefenposition,
geeignet zur direkten Bestimmung der Größe luftgetragener Objekte oberhalb von ca. 20 µm, sowie
ihrer Form bei Größen oberhalb von ca. 100µm bis in den Millimeterbereich. Die Entwicklung umfaßte
zusätzlich einen Algorithmus zur automatisierten Verbesserung der Hologrammqualität und zur semiautomatischen
Entfernungsbestimmung großer Objekte entwickelt. Eine Möglichkeit zur intrinsischen
Effizienzsteigerung der Bestimmung der Tiefenposition durch die Berechnung winkelgemittelter Profile
wurde
vorgestellt. Es wurde weiterhin ein Verfahren entwickelt, das mithilfe eines iterativen Ansatzes
für isolierte Objekte die Rückgewinnung der Phaseninformation und damit die Beseitigung des
Zwillingsbildes erlaubt. Weiterhin wurden mithilfe von Simulationen die Auswirkungen verschiedener
Beschränkungen der digitalen Holographie wie der endlichen Pixelgröße untersucht und diskutiert.
Die geeignete Darstellung der dreidimensionalen Ortsinformation stellt in der digitalen Holographie
ein besonderes Problem dar, da das dreidimensionale Lichtfeld nicht physikalisch rekonstruiert wird.
Es wurde ein Verfahren entwickelt und implementiert, das durch Konstruktion einer stereoskopischen
Repräsentation des numerisch rekonstruierten Meßvolumens eine quasi-dreidimensionale, vergrößerte
Betrachtung erlaubt.
Es wurden ausgewählte, während Feldversuchen auf dem Jungfraujoch aufgenommene digitale Hologramme
rekonstruiert. Dabei ergab sich teilweise ein sehr hoher Anteil an irregulären
Kristallformen,
insbesondere infolge massiver Bereifung. Es wurden auch in Zeiträumen mit formal eisuntersättigten
Bedingungen Objekte bis hinunter in den Bereich ≤20µm beobachtet. Weiterhin konnte in Anwendung
der hier entwickelten Theorie des ”Phasenrandeffektes“ ein Objekt von nur ca. 40µm Größe als
Eisplättchen identifiziert werden.
Größter Nachteil digitaler Holographie gegenüber herkömmlichen photographisch abbildenden Verfahren
ist die Notwendigkeit der aufwendigen numerischen Rekonstruktion. Es ergibt sich ein hoher
rechnerischer Aufwand zum Erreichen eines einer Photographie vergleichbaren Ergebnisses. Andererseits
weist die digitale Holographie Alleinstellungsmerkmale auf. Der Zugang zur dreidimensionalen
Ortsinformation kann der lokalen Untersuchung der relativen Objektabstände dienen. Allerdings zeigte
sich, dass die Gegebenheiten der digitalen Holographie die Beobachtung hinreichend großer Mengen
von Objekten auf der Grundlage einzelner Hologramm gegenwärtig
erschweren. Es wurde demonstriert,
dass vollständige Objektgrenzen auch dann rekonstruiert werden konnten, wenn ein Objekt sich teilweise
oder ganz außerhalb des geometrischen Meßvolumens befand. Weiterhin wurde die zunächst
in Simulationen demonstrierte Sub-Bildelementrekonstruktion auf reale Hologramme angewandt. Dabei
konnte gezeigt werden, dass z.T. quasi-punktförmige Objekte mit Sub-Pixelgenauigkeit lokalisiert,
aber auch bei ausgedehnten Objekten zusätzliche Informationen gewonnen werden konnten. Schließlich
wurden auf rekonstruierten Eiskristallen Interferenzmuster beobachtet und teilweise zeitlich verfolgt.
Gegenwärtig erscheinen sowohl kristallinterne Reflexion als auch die Existenz einer (quasi-)flüssigen
Schicht als Erklärung möglich, wobei teilweise in Richtung der letztgenannten Möglichkeit argumentiert
werden konnte. Als Ergebnis der Arbeit steht jetzt ein System zur Verfügung,
das ein neues Meßinstrument und umfangreiche Algorithmen umfaßt.
S. M. F. Raupach, H.-
J. Vössing, J. Curtius und S. Borrmann: Digital crossed-beam holography for
in-situ imaging of atmospheric particles, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8, 796-806 (2006)
S. M. F. Raupach: A cascaded adaptive mask algorithm for twin image removal and its application to
digital holograms of ice crystals, Appl. Opt. 48, 287-301 (2009)
S. M. F. Raupach: Stereoscopic 3D visualization of particle fields reconstructed from digital inline holograms,
(zur Veröffentlichung angenommen, Optik - Int. J. Light El. Optics, 2009)