Digitale Einstrahl-Holographie atmosphärischer Eiskristalle

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)

A portable, ground-based digital-holographic system for imaging airborne particles has been developed and deployed in field campaigns. It can be used to determine the sizes of individual particles from the 20µm to the millimetre-range, and to determine particle shapes for sizes larger than about 100 microns. The resolution depends on the particles’ position within the sample volume, in particular their depth position. An algorithm improving the raw holograms’ quality was developed, that can also be used for a semi-automated determination of the depth position of large objects. A technique for improving the efficiency of determining an object’s depth position was presented. Furthermore an iterative algorithm was developed, that for isolated objects allows for a retrieval of the phase information and thus for a removal of the twin image. Using simulations, the effects of certain constraints of digital holography, s.a. the finite pixel size, were investigated and discussed. A particular challenge in digital holography is the appropriate visualization of the 3D spatial information contained in a digital hologram. A technique was developed and implemented, that allows for constructing a ”quasi-3D“, enlarged stereoscopic representation of the reconstructed sample volume. A number of digital holograms recorded during field tests on the Jungfraujoch were reconstructed as examples. In one case, a large fraction of irregularly shaped crystals were observed, where the shape mostly could be attributed to intense riming. Even in periods that were supposed to be subsaturated with respect to ice, objects down to the range ≤ 20µm were found. Applying the idea of a ”phase edge contrast“ developed within the scope of the present work, a 40µm-sized object could be identified as an ice plate. The main disadvantage of digital holography when compared to conventional photographic techniques is the computationally intense numerical reconstruction. This leads to a significant overhead while yielding results, that are comparable to photos. On the other hand, the (digital) holographic technique has some unique features. The access to the 3D spatial information can be used for a local investigation of the objects’ relative distances. However, an exemplary application of this idea demosntrated, that due to the current constraints it is not straightforward to sample a large enough number of particles per hologram. It was demonstrated, that the complete boundaries of of objects could be reconstructed, even if part of the object or the entire object was located outside the geometrical sample volume. Furthermore, the reconstruction on a sub-pixel grid was simulated and applied to actual holograms. It was demonstrated, that ”point-“like objects could be localized with sub-pixel accuracy and that additional information could be extracted from extended objects. Finally, interference patterns were observed on the surface of reconstructed ice crystals. At this point, their origin could not be determined conclusively, it can be attributed either to internal reflections inside the crystal or to multiple reflections inside a (quasi-)liquid layer covering the crystal, where some arguments were put forward in favour of the latter.