DE10137719B4

DE10137719B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Einstellung der Phasenbeziehung zwischen kohärenten Lichtwellen in einem endoskopischen Speckle-Interferometer

Info

Publication number: DE10137719B4
Application number: DE10137719A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Kemper; Dieter Dirksen; Gert Von Bally
Original assignee: Bally Gert von Prof hc
Current assignee: Bally Gert von Prof hc
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: DE10137719A1

Abstract

Vorrichtung zur Einstellung der Phasenbeziehung zwischen zwei zueinander kohärenten Lichtwellen in einem endoskopischen Speckle-Interferometer, von denen eine erste Lichtwelle durch die endoskopische Abbildungsoptik geführt wird, mit einem flächenhaften Rasterbildsensor, einer Linsenanordnung, einer Strahlteilervorrichtung und einer verschiebbaren zweiten Punktlichtquelle zur Erzeugung einer zweiten Lichtwelle sowie mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder eine Kontrolle der durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle eingestellten Phasenbeziehung zwischen der ersten Lichtwelle und der zweiten Lichtwelle erlaubt, da durch gekennzeichnet, dass das von der Endoskopoptik erzeugte virtuelle Bild durch die Strahlteilervorrichtung und die Linsenanordnung als reelles Bild auf den flächenhaften Rasterbildsensor abgebildet und die verschiebbare zweite Punktlichtquelle über die Strahlteilervorrichtung in den Abbildungsweg zwischen der Endoskopoptik und der Linsenanordnung eingekoppelt und auf den flächenhaften Rasterbildsensor geführt wird, wobei das virtuelle Bild der zweiten Punktlichtquelle im optischen Strahlengang in der Ebene der Ausgangsblende des Endoskops positioniert ist und die zweite Punktlichtquelle dergestalt positionierbar ist, dass ihr virtuelles Bild senkrecht zur optischen Achse des Interferometers verschiebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einstellung der Phasenbeziehung zwischen zwei kohärenten Lichtwellen in einem endoskopischen Speckle-Interferometer, von denen eine erste Lichtwelle durch die endoskopische Abbildungsoptik geführt wird, mit einem flächenhaften Rasterbildsensor, einer Linsenanordnung, einer Strahlteilervorrichtung und einer zweiten verschiebbaren Punktlichtquelle, sowie mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder eine Kontrolle der durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle zur Erzeugung der zweiten Lichtquelle eingestellten Phasenbeziehung zwischen der ersten Lichtwelle und der zweiten Lichtwelle erlaubt.

In der Speckle-Interferometrie besteht ein häufig auftretendes Problem darin, die Phasenbeziehung zwischen einer Signalwelle und einer Referenzwelle präzise einzustellen. Dies betrifft insbesondere die Technik des räumlichen Phasenschiebens, bei der ein räumlich konstanter Phasengradient zwischen Signal- und Referenzwelle zur quantitativen Bestimmung der Phase der Signalwelle erforderlich ist.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten Phasenmessung von Strahlung, insbesondere Lichtstrahlung, für die Durchführung des räumlichen Phasenschiebens sind aus der Schrift H. Steinbichler, J. Gutjahr, „Verfahren und Vorrichtung zur Phasenmessung von Strahlung, insbesondere Lichtstrahlung". Europäisches Patent EP 0 419 936 B1 bekannt. Dabei ist es für eine genaue Phasenmessung von kohärentem Licht erforderlich, dass die Phasenbeziehung zwischen den zwecks Interferenz zusammengeführten Wellen bekannt ist. Dieses Problem wird bei dem in Schrift EP 0 419 936 B1 beschriebenen Verfahren gelöst, indem eine sphärische Lichtwelle für die Referenzwelle gewählt und in der Ebene der Aperturblende des optischen Abbildungssystems positioniert wird. Die Phasenbeziehung der interferierenden Wellen kann, wie in der Literatur beschrieben (T. Bothe J. Burke, H. Helmers, „Spatial phase shifting in electronic speckle pattern interferometry: minimization of phase reconstruction errors". Appl. Opt. 36 5310–5316 (1997)), in dieser Anordnung mittels einer zweidimensionalen digitalen Fouriertransformation anhand der scharfen digitalen Rekonstruktion der Ausgangsblende überprüft werden.

Beim Einsatz von Optiken, die ein virtuelles Bild erzeugen, insbesondere Endoskopoptiken, die als Systeme von Strahlformungsoptiken in einem Rohr oder als bildleitende optische Fasern ausgeführt sein können, ist diese Anordnung zur Messung der Phasenbeziehung in der Praxis aufgrund der Geometrie nicht realisierbar, da zwischen dem Endoskop und der Optik zur Abbildung der Strahlung auf den Bildsensor im allgemeinen keine Zwischenabbildung stattfindet. Dies gilt besonders für endoskopische Standardsysteme, die aufwändige starre und flexible Strahlführungselemente für die Objektbeleuchtung und für die Referenzwelle nutzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellung der Phasenbeziehung zwischen zwei kohärenten Lichtwellen in einem endoskopischen Speckle-Interferometer, von denen die erste Lichtwelle durch das endoskopische Abbildungssystem geführt wird, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung bzw. dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch eine Linsenanordnung, die das von der Endoskopoptik erzeugte virtuelle Bild als reelles Bild auf einen flächenhaften Rasterbildsensor abbildet, sowie durch eine Strahlteilervorrichtung mit der eine zweite Lichtwelle in diesen Abbildungsweg zwischen Endoskopoptik und der Linsenanordnung eingekoppelt und auf den Bild sensor geführt wird, wobei das virtuelle Bild der zweiten punktförmig ausgeführten Quelle der zweiten Lichtwelle im optischen Strahlengang in der Ebene der Ausgangsblende des Endoskopes positioniert ist, und die zweite Punktlichtquelle dergestalt positionierbar ist, dass ihr virtuelles Bild senkrecht zur optischen Achse des Interferometers verschiebbar ist, sowie durch Mittel zur Datenverarbeitung, welche die Rasterdaten des Bildsensors verarbeiten. Anhand des aus dem Betrag des Raumfrequenzspektrums der aufgenommen Rasterdaten berechneten Frequenzbildes kann zum einen die notwendige Positionierung des virtuellen Bildes der zweiten Punktlichtquelle in der Ebene der Ausgangsblende der Endoskopoptik vermittels der Schärfe der in diesem Frequenzbild beobachtbaren Rekonstruktion dieser Ausgangsblende durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle eingestellt werden. Zum anderen kann durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle ebenfalls, vermittels der Kontrolle durch den Abstand der beiden im Frequenzbild rekonstruierten Ausgangsblenden, die gewünschte Phasenbeziehung zwischen den zwei Lichtwellen eingestellt werden.

Die Erfindung erlaubt demnach durch Ausmessung der scharfen digitalen Rekonstruktion der Ausgangsblende des zur Abbildung auf den flächenhaften Rasterbildsensor verwendeten Endoskopes im zweidimensionalen Raumfrequenzspektrum eine genaue Einstellung der Phasenbeziehung der beiden Wellen im Speckle-Interferometer.

Mit der Erfindung kann in jedem Fall die Genauigkeit der Messwerterfassung bei räumlich phasenschiebenden endoskopischen Speckle-Interferometern, die sich insbesondere für die zerstörungsfreie und berührungslose Materialprüfung in Hohlräumen eignen, erhöht werden, da durch eine optimale Einstellung der Phasenbeziehung der statistische Fehler bei der Messwerterfassung minimiert wird. Auf diese Weise wird die Erweiterung des Anwendungsbereiches der räumlich phasenschiebenden Speckle-Interferometrie auf endoskopische Anordnungen ermöglicht. Des Weiteren wird mit einem optimierten endoskopischen räumlich phasenschiebenden Speckle-Interferometer eine quantitative Differenzphasen- bzw. Deformationserfassung auch bei messtechnisch problematischen Oberflächen wie z. B. bei der Inspektion von biologischen Hohlräumen mit feuchten Innenflächen zur Analyse der Gewebeelastizität mit dem Ziel der Tumorfrüherkennung ermöglicht.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines endoskopischen Speckle-Interferometer-Systems mit einer Anordnung zur Erzeugung eines konstanten Phasengradienten zwischen Objekt- (O) und Referenzwelle (R) mit einer endoskopischen Optik. Die Brennweite der abbildenden Linse (L) ist so gewählt, dass die Ausgangsblende der Endoskopoptik ebenfalls in der Brennebene der Linse liegt. Die Einkopplung der Referenzwelle erfolgt über einen Strahlteiler (ST), der zwischen der Ausgangsblende der Endoskopoptik und dem Objektiv der Kamera positioniert ist. Das Objekt wird über die Endoskopoptik (EN), die ein virtuelles Bild erzeugt, mit einem zusätzlichen Objektiv auf einen CCD-Sensor abgebildet. Als Referenzwelle dient eine aus einer optischen Faser (SMF(R)) austretende Lichtwelle (durchgezogene Linien im Strahlengang), die näherungsweise als punktförmige Lichtquelle betrachtet werden kann und nahe der Brennebene des Objektivs mit einem seitlichen Versatz aus der optischen Achse des Systems angeordnet wird. Diese Anordnung bewirkt, dass sowohl die Objektwelle als auch die Referenzwelle nahezu kollimiert auf den CCD-Sensor treffen. Die Anordnung der Lichtquelle nahe der Brennebene des Objektives (L) mit einem geringen Abstand zur optischen Achse des Systems ermöglicht daher die Erzeugung einer definierten Phasenbeziehung zwischen Objekt- und Referenzwelle bzw. die Einstellung eines festen Winkels zwischen den kollimierten Wellenfronten auf dem CCD-Sensor. Die Ausrichtung des Phasengradienten wird durch die relative Position des die Referenzwelle führenden Faserendes zur optischen Achse bestimmt. Die Einstellung der räumlichen Phasen beziehung zwischen den interferierenden Wellen erfolgt mittels einer Verschiebung des Faserendes auf der in x-, y- und z-Richtung verschiebbaren Translationseinheit (V).

Claims

Vorrichtung zur Einstellung der Phasenbeziehung zwischen zwei zueinander kohärenten Lichtwellen in einem endoskopischen Speckle-Interferometer, von denen eine erste Lichtwelle durch die endoskopische Abbildungsoptik geführt wird, mit einem flächenhaften Rasterbildsensor, einer Linsenanordnung, einer Strahlteilervorrichtung und einer verschiebbaren zweiten Punktlichtquelle zur Erzeugung einer zweiten Lichtwelle sowie mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder eine Kontrolle der durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle eingestellten Phasenbeziehung zwischen der ersten Lichtwelle und der zweiten Lichtwelle erlaubt, da durch gekennzeichnet, dass das von der Endoskopoptik erzeugte virtuelle Bild durch die Strahlteilervorrichtung und die Linsenanordnung als reelles Bild auf den flächenhaften Rasterbildsensor abgebildet und die verschiebbare zweite Punktlichtquelle über die Strahlteilervorrichtung in den Abbildungsweg zwischen der Endoskopoptik und der Linsenanordnung eingekoppelt und auf den flächenhaften Rasterbildsensor geführt wird, wobei das virtuelle Bild der zweiten Punktlichtquelle im optischen Strahlengang in der Ebene der Ausgangsblende des Endoskops positioniert ist und die zweite Punktlichtquelle dergestalt positionierbar ist, dass ihr virtuelles Bild senkrecht zur optischen Achse des Interferometers verschiebbar ist.
Verfahren zur Einstellung der Phasenbeziehung zwischen zwei zueinander kohärenten Lichtwellen in einem endoskopischen Speckle-Interferometer, von denen eine erste Lichtwelle durch die endoskopische Abbildungsoptik geführt wird, mit einem flächenhaften Rasterbildsensor, einer Linsenanordnung, einer Strahlteilervorrichtung und einer verschiebbaren zweiten Punktlichtquelle zur Erzeugung einer zweiten Lichtwelle sowie mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder eine Kontrolle der durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle eingestellten Phasenbeziehung zwischen der ersten Lichtwelle und der zweiten Lichtwelle erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des aus dem Betrag des Raumfrequenzspektrums der aufgenommen Rasterbilder berechneten Frequenzbildes zum einen die notwendige Positionierung des virtuellen Bildes der zweiten Punktlichtquelle in die Ebene der Ausgangsblende der Endoskopoptik vermittels der Schärfe der in diesem Frequenzbild beobachtbaren Rekonstruktion dieser Ausgangsblende durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle eingestellt wird und zum anderen durch Verschieben der zweiten Punktlichtquelle ebenfalls, vermittels der Kontrolle durch den Abstand der beiden im Frequenzbild rekonstruierten Ausgangsblenden, die gewünschte Phasenbeziehung zwischen den Lichtwellen eingestellt wird.