DE102005060312A1

DE102005060312A1 - Abtasteinrichtung zur optischen Abtastung von Oberflächen

Info

Publication number: DE102005060312A1
Application number: DE102005060312A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wedel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-28
Also published as: CN1991435A; US20070146719A1; CN1991435B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abtasteinrichtung zur insbesondere optischen Abtastung von insbesondere unebenen Oberflächen. Ein Ausführungsbeispiel ist eine Abtasteinrichtung (1, 2), die eine elektromagnetische Primärstrahlquelle umfasst, eine steuerbare Strahlungumlenkeinrichtung, die zur Umlenkung eines von der Primärstrahlquelle kommenden Primärstrahls eingerichtet ist, und einen Detektor, der zur Detektion eines Sekundärstrahls, der durch Auftreffen des Primärstrahls auf ein Objekt (30) erzeugt wird, eingerichtet ist. Durch Verwendung eines steuerbaren Primärstrahls ist es möglich, genau einen abzubildenden Punkt des Objekts zu beleuchten. Die Abbildungs-Auflösung wird daher im Wesentlichen durch Umfang bzw. Aufweitung des Primärstrahlbündels bestimmt. Gleichzeitig bestimmt das Primärstrahlbündel auch die geometrische Position des abzubildenden Punktes, so dass auf eine Abbildungsoptik und einen pixelierten Sekundärstrahl-Detektor verzichtet werden kann. Der Verzicht auf die Abbildungsoptik erhöht die Tiefenschärfe erheblich, die lediglich noch durch die Aufweitung des Primärstrahls begrenzt ist. Damit kann der Abstand zwischen der Abtasteinrichtung und dem anzutastenden Objekt weitestgehend variabel eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtasteinrichtung zur insbesondere optischen Abtastung von insbesondere unebenen Oberflächen.

Abtasteinrichtungen, die auf der Basis elektromagnetischer Strahlung bzw. sichtbaren Lichts arbeiten, sind bekannt und werden beispielsweise zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten oder Personen verwendet. Beispielsweise werden Verfahren zur biometrischen Erkennung von Gesichtern eingesetzt, bei dem ein optisches Muster, z. B. ein mehrfarbiges Streifenmuster, auf das zu erfassende Gesicht projiziert wird. Eine optische Detektionseinrichtung erfasst das von dem Gesicht reflektierte Muster, und eine Bildverarbeitungseinrichtung rekonstruiert daraus eine dreidimensionale Kontur. In der medizinischen Diagnostik werden Abtasteinrichtungen auf Basis optischen Lichts und Infrarot-Lichts dazu verwendet, menschliches oder tierisches Gewebe zu scannen. Der Scan auf Basis optischen Lichts erlaubt, ein optisches 3D-Bild zu rekonstruieren und visualisieren, während der Scan auf Basis infraroten Lichts z. B. ermöglicht, zuvor mit Markern behandeltes Gewebe auf das Vorhandensein von Erkrankungen, z.B. Krebs, zu untersuchen. Markiertes Gewebe erkranktes Gewebe zeigt dabei Fluoreszenz-Erscheinungen, so dass auch von Fluoreszenz-Scan oder Fluoreszenz-Detektion gesprochen wird.

Herkömmliche Verfahren zur Fluoreszenz-Detektion basieren darauf, dass abwechselnd in schneller Abfolge ein Bild auf Basis sichtbaren Lichts sowie ein Bild auf Basis von Fluoreszenz-Licht aufgenommen wird. Zur Erzeugung beider Bilder wird das zu untersuchende Gewebe großflächig beleuchtet und das reflektierte Licht bzw. das Fluoreszenz-Licht durch eine Optik auf einen Kamerachip abgebildet. Der Kamerachip nimmt demnach abwechselnd ein sichtbares und ein Fluoreszenz-Bild auf.

Nachteilig daran ist, dass durch die Optik die erreichbare Tiefenschärfe gering ist, d.h. der Fluoreszenz-Scanner muss exakt in einem bestimmten Abstand zur Oberfläche gehalten werden. Hinzu kommt, dass jedes Pixel des Kamerasensors ortsaufgelöst einen Punkt der gescannten Oberfläche abbilden muss, so dass von anderen Punkten diffus eingestreutes Licht und auch Abbildungsfehler der Optik die Auflösung verschlechtern. Zudem trägt Licht, das vom jeweiligen Gewebepunkt diffus gestreut wird und daher nicht auf das jeweilige Kamerachip-Pixel fällt, nicht zur Auswertung bei. Dadurch wird der Signal-Rausch-Abstand verschlechtert.

Aufgrund der verhältnismäßig hohen Empfindlichkeit für Streulicht können mit herkömmlichen Verfahren auch nur extrem oberflächennahe Gewebebereiche untersucht werden, da die diffuse Streuung von Reflexions- und Fluoreszenz-Licht in unterhalb der Oberfläche liegenden Gewebeschichten stark zunimmt. Nicht zuletzt weist die für einen Oberflächenpunkt zur Verfügung stehende Detektionsfläche, nämlich gerade ein Kamera-Pixel, eine verhältnismäßig geringe Größe auf und damit auch eine verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit. Die begrenzte Empfindlichkeit verschlechtert den Signal-Rausch-Abstand zusätzlich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Abtastung von Oberflächen auf Basis elektromagnetischer Strahlung anzugeben, die eine höhere Tiefenschärfe, eine größere Auflösung sowie eine höhere Empfindlichkeit aufweist.

Die Erfindung wird gelöst durch eine Abtasteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Abtasteinrichtung anzugeben, die eine elektromagnetische Primärstrahlquelle umfasst, eine steuerbare Strahlumlenkeinrichtung zur Umlenkung eines von der Primärstrahlquelle kommenden Primärstrahls, und einen Detektor, der zur Detektion eines Sekundärstrahls eingerichtet ist, welcher durch Auftreffen eines Primärstrahls auf ein Objekt erzeugt wird. Unter Objekt soll dabei sowohl die Oberfläche eines Körpers als auch jedes andere einen Sekundärstrahl erzeugende Hindernis im Primärstrahlengang verstanden werden. Die steuerbare Strahlumlenkeinrichtung kann beispielsweise einen bewegbaren Mikrospiegel oder ein bewegbares Prisma oder Polygon umfassen.

Durch Verwendung eines steuerbaren Primärstrahls ist es möglich, genau einen abzubildenden Punkt des Objekts zu beleuchten. Die Abbildungs-Auflösung wird daher im wesentlichen durch Umfang bzw. Aufweitung des Primärstrahlbündels bestimmt. Gleichzeitig bestimmt das Primärstrahlbündel auch die geometrische Position des abzubildenden Punktes, so dass auf eine Abbildungsoptik und einen pixelierten Sekundärstrahl-Detektor verzichtet werden kann. Der Verzicht auf die Abbilddungsoptik erhöht die Tiefenschärfe erheblich, die lediglich noch durch die Aufweitung des Primärstrahls begrenzt ist. Damit kann der Abstand zwischen der Abtasteinrichtung und dem abzutastenden Objekt weitestgehend variabel eingestellt werden.

Ein weiterer Vorteil der sich aus dem Verzicht auf einen pixelierten Detektor ergibt, besteht darin, dass die Detektorfläche zur Erfassung jedes einzelnen Bildpunktes wesentlich größer als nur in der Größe eines einzelnen Pixels gewählt werden kann. Dadurch kann auch diffus reflektierte Sekundärstrahlung in die Messung miteinbezogen werden, was die ausbeute (Signal-Rausch-Verhältnis) erhöht und je nach Optik größere Betrachtungsabstände erlaubt.

Nicht zuletzt kann auch Streustrahlung und Fluoreszenzstrahlung Ausschuss unter der Oberfläche liegenden Gewebeschichten als zum Bildpunkt gehörig erfasst werden, so dass beispielsweise die Tiefenverteilung eines Fluoreszenzmarkers oder die Gewebebeschaffenheit tiefer liegender Gewebeschichten erfasst werden kann.

Dadurch, dass lediglich ein isolierter Abbildungspunkt beleuchtet wird, werden Streustrahlungseinflüsse von benachbarten Abbildungspunkten vermieden, was die Bildschärfe erhöht. Zudem werden Reflexionen der Primärstrahlung aus dem Abtastumfeld, z.B. an Werkzeugen im Abtastbereich, vermieden, da sie nicht den gesamten Hauptabtastbereich überstrahlen, sondern lediglich einen jeweiligen Abbildungspunkt, indem sie gerade auftreten, betreffen.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Primärstrahlquelle als Laserstrahlquelle ausgeführt. Ein Laser ermöglicht die Erzeugung eines ausgesprochen gebündelten und wenig auf weiteten Lichtprimärstrahls.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass Energie und bzw. oder Strahlungsleistung der Primärstrahlquelle einstellbar sind. Durch den Parameter Energie kann insbesondere die Anregung von Fluoreszenz-Strahlung gesteuert werden. Der Parameter Strahlungsleistung ermöglicht eine zusätzliche Beeinflussung der Detektionstiefe.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Strahlumformer vorgesehen, der einen Filter umfasst, welcher ausschließlich Sekundärstrahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs passieren lässt. Mit Hilfe eines derartigen Filters kann beispielsweise gezielt sichtbares Licht ausgeblendet und ausschließlich Fluoreszenz-Licht durchgelassen werden. Ein solches Filter ist daher insbesondere zur Fluoreszenz-Detektion verwendbar.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Figurenschreibung. Es zeigen:
1 Abtasteinrichtung mit Bildverarbeitungsrechner und
2 Abtasteinrichtung mit Anzeigevorrichtung.
In 1 ist eine Abtasteinrichtung 1 mit Bildverarbeitungsrechner 12 schematisch dargestellt. Mittels der Abtasteinrichtung 1 an die Oberfläche eines Körpers oder Gewebes 30 abgetastet werden.
Die Abtasteinrichtung 1 umfasst eine als Laserstrahlquelle 3 ausgeführte Primärstrahlquelle, die einen als Pfeil angedeuteten Laserstrahl erzeugt. Der Laserstrahl trifft auf eine als Mikrospiegel 4 ausgeführte Umlenkeinrichtung, die in zwei Achsen verstellbar ist, was in der Abbildung durch mit x und z bezeichnete Doppelpfeile angedeutet sein soll. Soll die Abtasteinrichtung 1 im Rahmen einer medizinischen Untersuchung, z.B. zur Krebs-Diagnose, zum Abtasten einer Fluoreszenz-Eigenschaft eingesetzt werden, so kann die Laserstrahlquelle 3 Laserstrahlung einer dafür geeigneten Wellenlänge erzeugen, je nach verwendetem Marker z.B. in einem Wellenlängenbereich von 690nm bis 850nm Ist der angegebene Wellenlängenbereich sinnvoll? Kennen Sie andere typische, interessante Untersuchungsmethoden und zugehörige Wellenlängenbereiche???.
Durch den Mikrospiegel 4 wird der Laserstrahl so umgelenkt, dass er auf einen abzubildenden Punkt des Objekts 30 auftrifft. Dort wird, z.B. durch Reflexion oder Fluoreszenz, ein Sekundärstrahlbündel erzeugt. Die Wellenlänge (Energie) des Sekundärstrahlbündels hängt bei Reflexion im wesentlichen von der Wellenlänge des Laser-Primärstrahls ab, bei Fluoreszenz zusätzlich auch in besonderem Maße von der Beschaffenheit des Objekts 30. Fluoreszenz tritt leidlich dann auf, wenn eine Anregung eines fluoreszierenden Stoffes in durch Primärstrahlung einer dafür geeigneten Wellenlänge erfolgt, wobei die Wellenlänge der Fluoreszenz-Strahlung dann vor allem von dem fluoreszierenden Stoff vorgegeben ist.
Die Sekundärstrahlung durchläuft eine Linse 5, durch die sie auf eine Detektorfläche 7 gebündelt wird. Vor dem Auftreffen auf die Detektorfläche 7 durchläuft sie ein Filter 6, das die Qualität der zu detektierenden Sekundärstrahlung verbessert.
Z. B. kann das Filter 6 Sekundärstrahlung ausschließlich eines Wellenlängenbereichs passieren lassen, in dem eine zu untersuchende Fluoreszenz-Erscheinung auftritt; das Filter 6 kann jedoch auch Sekundärstrahlung ausschließlich im Wellenlängenbereich der Primärstrahlung passieren lassen, so dass störendes Umgebungslicht ausgeblendet wird.
Auf der Detektorfläche 7 auftreffende Sekundärstrahlung wird durch eine Detektorelektronik 8 erfasst. Eine damit verbundene Steuereinrichtung 11 liest die Detektorelektronik 8 aus. Die Steuereinrichtung 11 ist außerdem mit der Laserstrahlquelle 3 verbunden, sowie mit dem Mikrospiegel 4. Sie steuert die Erzeugung von Laserstrahlung, deren Umlenkung durch den Mikrospiegel 4 sowie das Auslesen der Detektorelektronik 8. Damit liegt in der Steuereinrichtung 11 zu jedem Zeitpunkt sowohl die Ortsinformation des gerade beleuchteten Bildpunktes als auch dessen Detektormesswert vor. Mit anderen Worten liegen der Steuereinrichtung 11 sämtliche Informationen vor, die zur Rekonstruktion eines Abbildes des Objekts 30 erforderlich sind. Sie gibt diese Informationen an einen Bildverarbeitungsrechner 12 aus, in dem ein entsprechend eingerichteter Algorithmus das Abbild des Objekts 30 rekonstruiert. Der Rekonstruktions-Algorithmus kann sowohl in Software als auch in Hardware, Z. B. in Grafikbausteinen, ausgeführt sein. Der Bildverarbeitungsrechner 12 umfasst eine übliche Anzeigevorrichtung, um das abgetastete Abbild optisch darzustellen.
In 2 ist eine Abtasteinrichtung 2 mit eigener Anzeigevorrichtung 14 dargestellt. Als Primärstrahlquelle ist ebenfalls ein Laser 3 vorgesehen, dessen Laserstrahl durch einen Mikrospiegel 4 umgelenkt wird. Sekundärstrahlung wird ebenfalls durch eine Linse 5 gebündelt.
Die gebündelte Sekundärstrahlung trifft auf eine gerasterte Detektorfläche 9 auf, die beispielsweise als CCD- oder Kamera-Chip ausgeführt sein kann. Eine Detektorelektronik 10 liest die gerasterte Detektorfläche 9 aus, und die Messwerte werden von der Steuereinrichtung 11 empfangen. Diese steuert, wie vorangehend beschrieben, außerdem sowohl die Laserstrahlquelle 3 als auch den Mikrospiegel 4 an, so dass sie einen jeweiligen Detektormesswert der Ortsinformation des jeweils gerade beleuchteten Punktes des Objekts 30 zuordnen kann.
Eine Bildverarbeitungseinrichtung 13 empfängt diese Informationen von der Steuereinrichtung 11 und rekonstruiert mittels eines geeigneten Rekonstruktions-Algorithmus ein Bild des Objekts 30. Dieses Bild wird auf der Anzeigevorrichtung 14 zur Anzeige gebracht.

Claims

Abtasteinrichtung (1, 2) umfassend eine elektromagnetische Primärstrahlquelle, eine steuerbare Strahlumlenkeinrichtung, die zur Umlenkung eines von der Primärstrahlquelle kommenden Primärstrahls eingerichtet ist, und einen Detektor, der zur Detektion eines Sekundärstrahls, der durch Auftreffen des Primärstrahls auf ein Objekt (30) erzeugt wird, eingerichtet ist.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstrahlquelle als Laserstrahlquelle (3) ausgeführt ist.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie und/oder Strahlungsleistung der Primärstrahlquelle einstellbar sind.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung einen in seiner Orientierung einstellbaren Mikrospiegel (4) umfasst.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung ein in seiner Orientierung einstellbares Polygon Was ist mit Polygon gemeint? Ein Prisma? umfasst.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlumformer umfasst ist, der derart vor dem Detektor angeordnet ist, dass ein Sekundärstrahl vor Auftreffen auf den Detektor den Strahlumformer durchläuft.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlumformer ein Filter (6) umfasst, das ausschließlich Sekundärstrahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs passieren lässt.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (6) Sekundärstrahlung eines Wellenlängenbereichs zwischen 650nm und 850nm ??? passieren lässt.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlumformer eine Linse (5) umfasst, die ein Sekundärstrahlenbündel auf den Detektor fokussiert.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor als Einzelsensor (7, 8) ausgeführt ist.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor als Kamerachip und/oder CCD-Chip (9, 10) ausgeführt ist.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (11) umfasst ist, die mit der Strahlumlenkeinrichtung und mit dem Detektor verbunden ist.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) die Strahlumlenkeinrichtung derart ansteuert, dass ein Primärstrahl in einem vorbestimmten räumlichen Muster und einem vorbestimmten Zeittakt gerastert wird.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) den Detektor derart ansteuert, dass dieser Einzel-Messwerte in dem vorbestimmten Zeittakt aufzeichnet.
Abtasteinrichtung (1, 2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) die Einzel-Messwerte des Detektors ausliest und einer Bildverarbeitungseinrichtung (13) zuführt, die dazu ausgebildet ist, aus den Einzel-Messwerte in Abhängigkeit von dem vorbestimmten räumlichen Raster-Muster ein Gesamt-Bild zu rekonstruieren.