DE10050630A1

DE10050630A1 - Spatial modulation of an object beam for use with an object holographic imaging arrangement, whereby a modulator is used to split an incident beam into partial beams of varying frequency, amplitude or phase

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Publication number: DE10050630A1
Application number: DE2000150630
Authority: DE
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2003-07-17
Also published as: DE10050630A8

Abstract

Method for presentation of surface structures of 3-D objects, whereby a hologram of the object is produced. Accordingly the object is illuminated with a beam of coherent radiation on which a reference beam is superimposed. The image is recorded on an optical medium, such as a film, so that an optical reconstruction of the object in space is made possible. Accordingly a modulator (9) is placed in the beam path of the object serves to spilt the beam, whereby adjoining partial beams have differing amplitudes, frequencies or phases. The invention also relates to a corresponding system for implementation of the inventive method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von Oberflächenstrukturen dreidimensionaler Objekte, wobei zunächst ein Hologramm dadurch erstellt wird, daß das Objekt von einem Objektstrahl kohärenter Strahlung beleuchtet wird und die vom Objekt reflektierte Strahlung in Überlagerung mit einem geeigneten Referenzstrahl auf einem optischen Medium, insbesondere einem photographischen Film, aufgezeichnet wird, und wobei das optische Medium eine Rekonstruktion des Objektes im Raum ermöglicht. Die Erfindung betrifft gleichfalls ein System zur Durchführung des Verfahrens. The present invention relates to a method for the preparation of Surface structures of three-dimensional objects, whereby first a hologram thereby is created, that illuminates the object of an object beam of coherent radiation and the radiation reflected by the object is superposed with a suitable one Reference beam on an optical medium, in particular a photographic Film, is recorded, and wherein the optical medium is a reconstruction of the Object in the room allows. The invention also relates to a system for Implementation of the procedure.

Es ist bekannt, holographische Aufnahmen zur Reproduktion dreidimensionaler Objekte zu nutzen. Dabei läßt sich die von der Oberfläche des Objektes reflektierte Strahlung durch Speicherung der Phase respektive der Phasenverschiebung beispielsweise auf einem photographischen Film aufzeichnen. Wird der belichtete Film mit komplex konjugierter Strahlung beleuchtet, so wird das Objekt in seinen Konturen im Raum reproduziert. Insbesondere im Bereich der Forschung sind Holographien schon für die quantitative dreidimensionale Vermessung einfacher Objekte wie Nebelblasen eingesetzt worden (G. Haussmann, W. Lauterborn: "Determination of size and position of fast moving gas bubbles in liquids by digital 3- D imaging processing of hologram reconstructions", Applied Optics 19 (20), 1980). It is known to use holographic images for the reproduction of three-dimensional objects. In this case, the radiation reflected by the surface of the object can be recorded by storing the phase or the phase shift, for example on a photographic film. If the exposed film is illuminated with complex conjugate radiation, the object is reproduced in its contours in space. Especially in the field of research, holography has already been used for the quantitative three-dimensional measurement of simple objects such as mist bubbles (Haussmann, W. Lauterborn: "Determination of size and position of fast moving gas bubbles in liquids by digital 3-D imaging processing of hologram reconstructions ", Applied Optics 19 ( 20 ), 1980).

Die Verwendung von Hologrammen zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten wird allerdings durch homogene Flächen, also durch Flächen ohne Helligkeitsunterschiede, erschwert, wenn nicht sogar unmöglich. So läßt sich aus einem Hologramm einer homogenen ebenen Fläche, die parallel zur Ebene des Hologrammes ausgerichtet ist, keine Informationen über den Abstand der Fläche zum Hologramm ablesen. In der Praxis verhindert dieser Nachteil die Verwendung von Hologrammen zur Vermessung von Objekten mit größeren homogenen Flächen. So ist es beispielsweise nahezu unmöglich, die Konturen eines Gesichts mit seinen homogen reflektierenden Flächen sauber darzustellen. Diese Tatsache verhindert bislang den Einsatz dieses Darstellungsverfahrens in der Medizin, wo der Arzt vor einer Operation am Verlauf der Kontur bestimmter Körperpartien interessiert ist. The use of holograms for the three-dimensional measurement of Objects, however, by homogeneous surfaces, ie by areas without Brightness differences, difficult, if not impossible. That's how it turns out a hologram of a homogeneous plane surface parallel to the plane of the Hologram is aligned, no information about the distance of the surface to read the hologram. In practice, this disadvantage prevents the use of holograms for surveying objects with larger homogeneous surfaces. For example, it is almost impossible to match the contours of a face with his homogeneously reflecting surfaces. This fact prevents So far, the use of this imaging method in medicine, where the doctor before an operation on the course of the contour of certain parts of the body is interested.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein holographisches Verfahren zur schaffen, mit dem auf einfache Weise die Vermessung der Oberfläche von Objekten möglich wird. Gleichzeitig ist es Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges und zuverlässiges System insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, das eine Vermessung von Objekten mittels holographischer Aufnahmen ermöglicht. The object of the invention is to provide a holographic method, with which In a simple way, the measurement of the surface of objects is possible. At the same time it is an object of the invention, a cost-effective and reliable System in particular to carry out the procedure to create a Measurement of objects using holographic recordings allows.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das System nach Anspruch 7 gelöst. These objects are achieved by the method of claim 1 and the system solved according to claim 7.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung liegt darin, die das Objekt beleuchtende Strahlung zu modulieren und damit die homogen erscheinende Oberfläche mit inhomogener Strahlung, insbesondere Laserlicht zu beleuchten. Im einfachsten Fall wird der beleuchtende Referenzstrahl durch ein Gitter geschickt und so Teile des Strahls ausblendet, die auf der Oberfläche des Objektes als dunkle Schattenlinien erscheinen. Aus der Anordnung der Schattenlinien lassen sich Rückschlüsse auf die Topographie des Objektes ziehen. Die Inhomogenitäten der Strahlung müssen jedoch nicht unbedingt in der Amplitude (Intensität) liegen, die Strahlung kann sich von Teilstrahl zu Teilstrahl in jeder anderen Eigenschaft, also auch in der Frequenz und/oder im Phasenwinkel, unterscheiden. Während die Modulation des Referenzstrahls in Amplitude oder Frequenz einen sichtbaren Effekt auf der Oberfläche des Objektes und damit auf dem Hologramm bewirkt, muß die Modulation im Phasenwinkel mit geeigneten Sensoren untersucht werden. The essential idea of the invention lies in lighting the object To modulate radiation and thus the homogeneous appearing surface with inhomogeneous radiation, in particular to illuminate laser light. In the simplest case The lighting reference beam is sent through a grid and so parts of the Beam fades out on the surface of the object as dark shadow lines appear. From the arrangement of the shadow lines can be inferences on the Pull topography of the object. The inhomogeneity of the radiation must However, not necessarily in the amplitude (intensity), the radiation can be from sub-beam to sub-beam in every other property, including frequency and / or in phase angle. While the modulation of the Reference beam in amplitude or frequency has a visible effect on the Surface of the object and thus causes on the hologram, the Modulation in phase angle can be studied with suitable sensors.

Ein räumlich modulierter Objektstrahl projiziert somit ein geeignetes Muster auf die Objektoberfläche, das in einer holographischen Aufnahme aufgezeichnet wird. Das Hologramm speichert die räumlichen Lage des projizierten Musters, so daß die Objektoberfläche anhand der Hologrammwiedergabe dreidimensional vermessen werden kann. A spatially modulated object beam thus projects a suitable pattern onto the Object surface recorded in a holographic image. The Hologram stores the spatial position of the projected pattern, so that the Measure the object surface three-dimensionally based on the hologram reproduction can be.

Die Erfindung kann generell so realisiert werden, daß in den Strahlengang des Objektstrahles vor dem Objekt ein Modulator, also beispielsweise eine Maske, eingebracht wird, der die das Objekt beaufschlagende Strahlung in parallele Teilstrahlen aufteilt, wobei sich benachbarte Teilstrahlen in der Amplitude, der Frequenz und/oder dem Phasenwinkel ihrer Strahlung unterscheiden. Die parallelen Teilstrahlen projizieren damit auf der Oberfläche eine systematische Struktur, die eine Vermessung der Topographie ermöglicht. Die Vermessung kann dadurch erfolgen, daß ein Schirm durch das rekonstruierte reelle Bild hindurch verschoben wird, auf dem die durch das Objekt verlaufenden Schnittebenen dargestellt werden. Die im Bild befindlichen Modulationen (Schattenstrukturen) bilden auf dem Schirm Punkte gleicher Höhe aus, die zu Isolinien (Isohypsen) verbunden werden können. The invention can generally be realized so that in the beam path of the Object beam in front of the object a modulator, so for example a mask, is introduced, the radiation acting on the object in parallel Sub-beams divides, with adjacent sub-beams in the amplitude, the Distinguish frequency and / or the phase angle of their radiation. The parallel Partial beams thus project a systematic structure on the surface allows a survey of the topography. The survey can thereby for a screen to pass through the reconstructed real image becomes, on which the cut planes running through the object are represented. The modulations (shadow structures) in the picture form on the screen Points of equal height, which can be connected to isolines (Isohypsen).

Mit der Erfindung ist es auf besonders einfache und kostengünstige Art möglich, Informationen über die genaue Gestaltung der Oberfläche des Körpers zu erhalten. Dabei liefert das Verfahren zuverlässige Ergebnisse und ist wegen seiner einfachen Realisierung im Praxisalltag, beispielsweise im rauhen Klinikbetrieb, einsetzbar. Im Gegensatz zur herkömmlichen Hologrammaufzeichnung ist es bei Aufzeichnung mit dem erfindungsgemäß räumlich modulierten Objektstrahl möglich, auch homogene Oberflächen eindeutig zu rekonstruieren. Die erzielbare Auflösung wird dabei durch die Feinheit der Objektstrahlmodulation gegeben, deren untere Schranke in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge liegt. Somit wird eine präzise Vermessung der Oberfläche ermöglicht. With the invention, it is possible in a particularly simple and cost-effective manner, To get information about the exact design of the surface of the body. The process provides reliable results and is because of its simple Realization in everyday practice, for example in rough hospital operation, can be used. in the Contrary to the conventional hologram recording it is with recording with the spatially modulated object beam according to the invention possible, even homogeneous Clearly reconstruct surfaces. The achievable resolution is thereby Given the fineness of the object beam modulation, whose lower bound in the Magnitude of the wavelength used. Thus, a precise Surveying the surface allows.

Eine vollautomatische Oberflächenrekonstruktion kann durch den Einsatz herkömmlicher Geräte, wie CCD-Kamera oder Personalcomputer stattfinden. Durch die Aufzeichnung des Objektes im Hologramm können bei Einsatz eines gepulsten Aufnahmelasers auch sehr komplexe und/oder schnell bewegte Oberflächen vermessen werden. A fully automatic surface reconstruction can be through the use conventional devices, such as a CCD camera or personal computer. By The recording of the object in the hologram can be done using a pulsed Recording laser also very complex and / or fast moving surfaces be measured.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: An embodiment of the invention is shown in FIGS. 1 and 2 and will be described in more detail below. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Aufnahmeanordnung mit moduliertem Objektstrahl und Fig. 1 is a schematic representation of the recording arrangement with modulated object beam and

Fig. 2 eine Anordnung zur Detektion der abgebildeten Oberfläche durch Verschiebung eines Projektionsschirmes im reellen Bild. Fig. 2 shows an arrangement for detecting the imaged surface by displacement of a projection screen in the real picture.

Die in Fig. 1 dargestellte System zur Erstellung eines gepulsten Holographie- Portraits weist einen gepulsten frequenzverdoppelten ND:Ylf-Laser 1 auf, dessen Strahl 2 durch einen Strahlteiler 3 in einen Referenzstrahl 4 und einen das Objekt 5 beaufschlagenden Objektstrahl 6 aufgeteilt wird. Der Referenzstrahl 4 wird über einen den Strahl 4 aufweitenden Spiegel 7 unmittelbar auf ein holographisches Medium 8 reflektiert. In dem Medium 8a, einer holographischen Platte, wird das Hologramm aufgezeichnet. Fig. 1 zeigt somit eine Aufnahmeeinheit, mit der ein Hologramm 8a des Objektes 5 erstellbar ist. The illustrated in Fig. 1 system for creating a pulsed holography portrait has a pulsed frequency doubled ND: Ylf laser 1 , the beam 2 is divided by a beam splitter 3 in a reference beam 4 and the object 5 acting on the object beam 6 . The reference beam 4 is reflected by a beam 4 expanding mirror 7 directly on a holographic medium. 8 In the medium 8 a, a holographic plate, the hologram is recorded. Fig. 1 thus shows a recording unit with which a hologram 8 a of the object 5 can be created.

Der Objektstrahl 6 beleuchtet nach Reflexion an einem aufweitenden Spiegel 9 das abzubildende Objekt 5. Zur Erzeugung von Kontrastkanten auf dem Objekt 5 wird in den Strahlengang des Objektstrahls 6 eine Maske 9 mit einem geeigneten Muster als Modulator eingebracht. Die Maske 9 moduliert den Objektstrahl 6 räumlich. Im vorliegenden vorteilhaften Ausführungsbeispiel bildet die Maske ein "Schachbrett"- Muster aus, das eine Vielzahl regelmäßig angeordneter transparenter 10 und lichtundurchlässiger 11 quadratischer Felder aufweist (Detailzeichnung 1a). Die durch die Maske erzeugten Teilstrahlen rufen eine Rasterung auf der Oberfläche des beleuchteten Objektes 5 und damit auf seiner optischen Rekonstruktion 13 hervor. The object beam 6 illuminates the object 5 to be imaged after reflection on an expanding mirror 9 . To generate contrast edges on the object 5 , a mask 9 with a suitable pattern as a modulator is introduced into the beam path of the object beam 6 . The mask 9 spatially modulates the object beam 6 . In the present advantageous embodiment, the mask forms a "checkerboard" pattern comprising a plurality of regularly arranged transparent 10 and opaque 11 square panels (detail drawing 1 a). The partial beams produced by the mask cause rastering on the surface of the illuminated object 5 and thus on its optical reconstruction 13 .

Zur Rekonstruktion des Objektes 5 wird das entwickelte Hologramm 8b in bekannter Weise mit der komplex konjugierten Referenzwelle 12 derart bestrahlt, daß sich das reelle Bild 13 am Ort des ursprünglichen Objektes ausbildet. Dabei ist es vorteilhaft, einen kontinuierlichen Laser 14 mit der gleichen Wellenlänge wie der gepulste Aufzeichnungslaser 1 zu verwenden. Durch Verschieben eines Projektionsschirmes 15 (Pfeil A) können Projektionen des reellen Bildes 13 erzeugt werden. Die Projektionen werden mit einer Kamera 16 aufgezeichnet und stehen anschließend als Folge digitaler Bilder in einem nicht dargestellten Personalcomputer zur Verfügung. Zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objektes werden diese Schnittprojektionen nach Regionen mit besonders hohem Kontrast untersucht. Das Vorliegen eines hohen Kontrastwertes zeigt an, daß der Schirm in dieser Position eine zur Oberfläche gehörenden Kante abbildet. Dieser durch ihre beiden transversalen Koordinaten beschriebenen Region kann daher die der Schirmposition entsprechende dritte longitudinale Koordinate zugeordnet werden. Auf diese Weise kann aus der durch die Kanten gegebenen Rasterung topographische Information, insbesondere Orts- und Höheninformation, gewonnen werden. Die Hell-Dunkel- Kanten auf dem Objekt können durch Digitalisierung der Projektionen und durch die Berechnung der Gradientenstärke in der Projektionsschirmebene detektiert werden. For the reconstruction of the object 5 , the developed hologram 8 b is irradiated in a known manner with the complex conjugate reference wave 12 such that the real image 13 is formed at the location of the original object. In this case, it is advantageous to use a continuous laser 14 with the same wavelength as the pulsed recording laser 1 . By moving a projection screen 15 (arrow A), projections of the real image 13 can be generated. The projections are recorded with a camera 16 and are then available as a sequence of digital images in a personal computer, not shown. To reconstruct the surface of the object, these sectional projections are examined for regions with a particularly high contrast. The presence of a high contrast value indicates that the screen in this position depicts an edge associated with the surface. Therefore, this region described by its two transverse coordinates can be assigned to the third longitudinal coordinate corresponding to the screen position. In this way, topographical information, in particular location and height information, can be obtained from the screening provided by the edges. The light-dark edges on the object can be detected by digitizing the projections and by calculating the gradient strength in the projection screen plane.

Beim Abweichen der Schirmposition (Pfeil A) von der Position, die dieser Objektposition entspricht, verschwimmt die scharfe Hell-Dunkel-Kante auf der Schirmprojektion, so daß der Kontrastwert für die gleiche Region hinter bzw. vor der Objektoberfläche abnimmt. Fig. 2 zeigt somit eine Rekonstruktionseinheit, mit der eine Rekonstruktion 13 des Objektes 5 anhand des Hologrammes 8b möglich ist, When the screen position (arrow A) deviates from the position corresponding to this object position, the sharp chiaroscuro edge blurs on the screen projection, so that the contrast value for the same region behind or in front of the object surface decreases. Fig. 2 thus shows a reconstruction unit, with a reconstruction of the object 5 13 b on the basis of the hologram 8 is possible,

Claims

1. A method for displaying surface structures of three-dimensional objects, wherein a hologram is first created by the object being illuminated by an object beam of coherent radiation and the radiation reflected by the object being recorded in superposition with a reference beam on an optical medium, in particular a film, and wherein the optical medium makes a visual reconstruction of the object in space, characterized in that a modulator (9) is in the beam path of the object beam (6) in front of the object (5) introduced, the said object (5) acting on radiation in Partial beams divides, wherein adjacent partial beams differ in the amplitude, the frequency and / or the phase angle of their radiation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the partial beams generate a screening on the surface of the illuminated object ( 5 ) and thus on its optical reconstruction ( 13 ).

3. The method according to claim 2, characterized in that from the screening topographic information, in particular location and altitude information is won.

4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that by the modulation visible pattern is projected onto the surface of the object.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that generated by the modulation of the object beam light-dark edges on the surface of the object ( 5 ) in the reproduction of the object ( 13 ) on a movable screen ( 15 ) represented and / or recorded.

6. The method according to claim 5, characterized in that the light-dark edges on the surface of the object ( 5 ) by digitizing the sectional projections and the calculation of the gradient strength in the projection screen plane is detected.

7. System for creating holography, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 5, comprising a recording unit, with which a hologram of an object can be created, and comprising a reconstruction unit, with which a reconstruction of the object based on the hologram is possible , characterized in that the recording unit has a in the the ( 5 ) illuminating object beam arranged mask ( 9 ), which divides the object beam ( 6 ) into sub-beams and modulates the radiation in the amplitude, the frequency and / or the phase angle.

8. System according to claim 7, characterized in that the mask ( 9 ) has a systematic pattern of the radiation more or less transparent zones ( 10 , 11 ).

9. System according to claim 7 or 8, characterized in that the mask ( 9 ) has a checkerboard-like pattern of transparent ( 10 ) and opaque zones ( 11 ).

10. System according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the reconstruction unit has a particular digital Kammera ( 16 ) which receives the appearing on a movable in holography screen ( 15 ) images of the object ( 6 ).