DE102006051868B4 - Three-dimensional single-shot holography - Google Patents
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Abstract
Holographieverfahren zur hoch aufgelösten dreidimensionalen Abbildung eines Objektes (5), bei welchem das Objekt (5) mit mindestens einer Beleuchtungslichtquelle (1) beleuchtet wird und das transmittierte und/oder reflektierte Licht (6) zur Speicherung von Hologrammen in einem holographischen Speichermedium (7) mit einem Referenzstrahl (8) einer Referenzlichtquelle auf dem Speichermedium (7) überlagert wird, wobei das Auslesen der gespeicherten Hologramme mit einer Ausleselichtquelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs-, Referenz- und Ausleselichtquelle spektral breitbandige Lichtquellen sind, dass als Speichermedium (7) ein optisch dickes holographisches Speichermedium verwendet wird und dass alle dreidimensionalen Informationen des Objekts (5) durch einen Einzelschuss definierter zeitlicher Dauer der Beleuchtungs- und Referenzlichtquelle (1) in dem holographischen Speichermedium (7) gespeichert werden, wobei die gespeicherten Informationen zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Abbildes des Objekts (5) optisch ausgelesen werden und das Auslesen unter Anwendung mindestens einer Transformation erfolgt und wobei die Tiefeninformation über die innere Struktur des Objektes (5) aus der spektral aufgelösten Intensitätsverteilung des im Speichermedium gespeicherten Interferenzmusters rekonstruiert wird.Holographic method for high-resolution three-dimensional imaging of an object (5), in which the object (5) is illuminated with at least one illumination light source (1) and the transmitted and / or reflected light (6) for storing holograms in a holographic storage medium (7) is superimposed on a reference beam (8) of a reference light source on the storage medium (7), wherein the reading of the stored holograms with a read-out light source, characterized in that the illumination, reference and read light source spectrally broadband light sources are that as a storage medium (7 ) an optically thick holographic storage medium is used and that all three-dimensional information of the object (5) by a single shot defined time duration of the illumination and reference light source (1) in the holographic storage medium (7) are stored, the stored information for reconstruction a s three-dimensional image of the object (5) are read out optically and the reading is carried out using at least one transformation and wherein the depth information on the internal structure of the object (5) from the spectrally resolved intensity distribution of the stored in the storage medium interference pattern is reconstructed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Holographieverfahren zur hoch aufgelösten dreidimensionalen Abbildung eines Objektes entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die hoch aufgelöste dreidimensionale Bildgebung in oder durch nichtstreuende und insbesondere streuende Materialien.The invention relates to a holography method for high-resolution three-dimensional imaging of an object according to the preamble of claim 1. The field of application of the invention is the high-resolution three-dimensional imaging in or by non-scattering and in particular scattering materials.
Die Aufnahme von dreidimensionalen Bildern in kurzer Zeit nimmt in der medizinischen Forschung und Diagnostik, aber auch allgemein in der Messtechnik eine immer größere Bedeutung ein. Gerade bei der biomedizinischen Diagnostik bestehen dabei extrem hohe Anforderungen bezüglich einer hohen Auflösung im Mikrometerbereich bei vorzugsweise kurzen Bildaufnahmezeiten, wobei diese möglichst im Millisekundenbereich liegen.The acquisition of three-dimensional images in a short time is becoming increasingly important in medical research and diagnostics as well as in metrology in general. Particularly in biomedical diagnostics, there are extremely high demands with regard to a high resolution in the micrometer range with preferably short image acquisition times, whereby these are as far as possible in the millisecond range.
Denn gerade im medizinischen Bereich ist eine schnelle Datengenerierung, resultierend in einer kurzen Aufnahmezeit, von großer Bedeutung, da es sich um in vivo Bildgebung handelt, also am lebenden Menschen. Lange Aufnahmezeiten bringen einerseits die Gefahr verwackelter Aufnahmen mit sich – maßgeblich ist bei lebenden Objekten die Pulsfrequenz des Patienten – andererseits wird dem Patienten in erhöhtem Maße Unbequemlichkeit zugemutet, was die Akzeptanz des Verfahrens reduziert.Especially in the medical field, a fast data generation, resulting in a short recording time, is of great importance, because it is in vivo imaging, so living people. On the one hand, long recording times entail the risk of shaky pictures - the pulse rate of the patient is decisive for living objects - on the other hand, the patient is expected to be more uncomfortable, which reduces the acceptance of the method.
Neben den klassischen Verfahren wie der Röntgentechnik, Magnetresonanztomographie und Ultraschall existieren optische Verfahren zur hoch aufgelösten dreidimensionalen Abbildung eines Objektes, mit welchen gute Resultate insbesondere hinsichtlich der Auflösung erreichbar sind und dabei ohne Gesundheit gefährdende ionisierende Strahlung, beispielsweise die Röntgenstrahlung, auszukommen ist. Die optische Bildgebung in biologischem Gewebe wird jedoch durch starke Lichtstreuung enorm erschwert. Für die biomedizinische Bildgebung kommen heute verschiedene Verfahren zum Einsatz, die diesen hohen Anforderungen nicht gerecht werden und nachfolgend kurz skizziert sind.In addition to the classical methods such as X-ray technology, magnetic resonance imaging and ultrasound optical methods for high-resolution three-dimensional imaging of an object, with which good results, especially in terms of resolution can be achieved and without health endangering ionizing radiation, for example, the X-rays, get along. However, optical imaging in biological tissue is made extremely difficult by strong light scattering. For biomedical imaging, various methods are currently used that do not meet these high requirements and are briefly outlined below.
Aus dem
Weiterhin ist aus dem wissenschaftlichen Aufsatz ”Volume holographic hyperspectral imaging”, W. Liu, G. Barbastathis, D. Psaltis:, Applied Optics 43, S. 3581–3599, 2004 und der US-Patentanmeldung Nr. US 2004/0 021 871 A1 ein Verfahren bekannt, das Volumenhologramme als spezielle Filter einsetzt und damit aus einem vierdimensionalen Raum, bestehend aus den drei räumlichen Dimensionen und dem Spektrum, eine oder mehrere zweidimensionale Projektionen liefert.Further, from the scientific paper, "Volume holographic hyperspectral imaging", W. Liu, G. Barbastathis, D. Psaltis :, Applied Optics 43, pp. 3581-3599, 2004, and US Patent Application No. US 2004/0 021 871 A1 discloses a method which uses volume holograms as special filters and thus provides one or more two-dimensional projections from a four-dimensional space consisting of the three spatial dimensions and the spectrum.
Die konfokale Mikroskopie und die Filterung mittels Volumenhologrammen sind für streuende Medien ungeeignet. Bei der konfokalen Mikroskopie wird in stark streuenden Medien die Bildinformation durch den starken Streulichtuntergrund massiv gestört, zudem ist sie ein zeitaufwendiges Rasterverfahren. Das Verfahren der Filterung mittels Volumenhologrammen kann zwar ohne Rastern schnell Bilder dreidimensionaler Objekte erzeugen, ist aber zum einen praktisch auf die Darstellung einer geringen Zahl von Bildpunkten limitiert, da im Prinzip für jeden einzelnen Bildpunkt separat ein Volumenhologramm beispielsweise über einen CCD-Chip oder eine Kamera ausgelesen werden muss, so dass in der Praxis die zeitlich parallele Abbildung verschiedener Bildpunkte geometrisch auf eine Zahl von Bildpunkten begrenzt ist, die wesentlich geringer ist als z. B. bei der dreidimensionalen Darstellung einer mehrere Kubikmillimeter großen Gewebeprobe mit Mikrometer-Auflösung erforderlich wäre. Zum anderen funktioniert das Verfahren der Filterung mittels Volumenhologrammen in stark streuenden Medien deshalb nicht, weil sich aufgrund der Vielfachstreuung vom Hologramm abgebeugte Photonen nicht mehr eindeutig einem bestimmten, als Punktquelle fungierenden Punkt im Raum zuordnen lassen. Das Volumenhologramm dient als Filter, indem es nur dann Licht beugt, wenn die Bragg-Bedingung erfüllt ist. Die ist aber für jedes Licht mit der richtigen Wellenlänge und Wellenfrontcharakteristik erfüllt und nicht abhängig von der Eigenschaft der optischen Kohärenz des Lichts. Daher leistet es nicht die notwendige Filterfunktion in Hinsicht auf Streulicht.Confocal microscopy and volume hologram filtering are unsuitable for scattering media. In confocal microscopy, the image information is massively disturbed in strongly scattering media by the strong scattered light background, and it is also a time-consuming screening method. Although the method of filtering by means of volume holograms can rapidly generate images of three-dimensional objects without rastering, it is practically limited to the representation of a small number of pixels since, in principle, for each individual pixel a volume hologram, for example via a CCD chip or a camera, is provided separately must be read so that in practice the temporally parallel mapping of different pixels is geometrically limited to a number of pixels, which is substantially less than z. B. in the three-dimensional representation of a multi-cubic millimeter tissue sample with micrometer resolution would be required. On the other hand, the method of filtering by means of volume holograms in strongly scattering media does not work because due to the multiple scattering of the hologram diffracted photons can no longer be clearly assigned to a specific, acting as a point source point in space. The volume hologram serves as a filter by only diffracting light when the Bragg condition is met. However, this is true for any light having the correct wavelength and wavefront characteristic and is not dependent on the optical coherence property of the light. Therefore, it does not provide the necessary filtering function with respect to stray light.
Es sind demgegenüber Konzepte bekannt, bei denen versucht wird, die starke Lichtstreuung zu unterdrücken und damit hoch aufgelöste dreidimensionale Bildgebung in streuenden Materialien wie z. B. biologischem Gewebe zu verbessern. Die erfolgreichsten Konzepte sind interferometrische oder holographische Verfahren mit Lichtquellen kurzer Kohärenzlängen, auf die nachfolgend kurz eingegangen wird. Wie bei der Vorstellung im Folgenden zu sehen sein wird, ist allen diesen Verfahren jedoch gemein, dass sie bei der Aufnahme der drei örtlichen Objektdimensionen nicht ohne Rückgriff auf die zeitliche Dimension auskommen. Hiermit ist gemeint, dass die Aufnahme der drei örtlichen Dimensionen Vorgänge erfordert, die zeitlich nacheinander oder anders gesagt zeitlich seriell bzw. sequentiell erfolgen müssen. Es sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass nachfolgend unter den Begriffen „gleichzeitig” bzw. „simultan” bzw. „zeitlich parallel” ein Vorgang verstanden wird, der nicht aus weiteren nacheinander abfolgenden Vorgängen besteht. Dabei wird als eine simultane Aufnahme aller drei Objektdimensionen eine Aufnahme in einem Einzelschuss verstanden, d. h., das im wörtlichen Sinne gleichzeitige Aufnehmen aller drei Dimensionen.In contrast, concepts are known in which it is attempted to suppress the strong light scattering and thus high-resolution three-dimensional imaging in scattering materials such. B. to improve biological tissue. The most successful concepts are interferometric or holographic methods with light sources of short coherence lengths, which will be briefly discussed below. However, as will be seen in the presentation below, all of these methods have in common that they do not operate without resorting to the temporal dimension when recording the three spatial object dimensions. By this is meant that the inclusion of the three local dimensions requires operations that must be sequential in time, or in other words temporally serial or sequential. It should already be noted at this point that hereinafter by the terms "simultaneously" or "simultaneously" or "temporally parallel" an operation is understood that does not consist of further successive operations. It is called as a simultaneous recording of all three object dimensions understood a shot in a single shot, ie, in the literal sense simultaneous recording of all three dimensions.
Aus ”Optical Coherence Tomography”, Science 254, S. 1178–1181, Huang et al., 1991, ist die so genannte optische Kohärenztomographie (Optical Coherence Tomography, OCT) bekannt. Sie ist ein leistungsfähiges Verfahren, das eine dreidimensionale Bildgebung von stark diffus-streuenden Objekten mit Hilfe optischer, nicht ionisierender Strahlung leistet. Die Bildgebung in biologischen Geweben wird aufgrund der starken Streuung nicht durch die Lichtabschwächung limitiert sondern dadurch, dass die Bildinformation durch einen starken Streulichtuntergrund zerstört wird. Die zentrale Errungenschaft der OCT, auch Standard- oder 'Time-domain'-OCT (TD-OCT) genannt, und der darauf basierenden interferometrischen und holographischen Verfahren ist es, den Streulichtuntergrund auszublenden und nur die Lichtanteile zu detektieren, die Bildinformationen enthalten. Diese Lichtanteile, die nicht vielfach gestreut sind, sondern direkt transmittiert oder reflektiert werden, werden ballistische Photonen genannt. Dieses Ausblenden der vielfach gestreuten Lichtanteile wird mit so genannter Kohärenzfilterung erzielt, da die vielfach gestreuten Lichtanteile ihre Kohärenz zur Lichtquelle verlieren. Dazu wird das zu untersuchende Objekt in ein Interferometer integriert und mit kurzkohärentem Licht, d. h. spektral breitbandigem Licht beleuchtet, beispielsweise von einer Leuchtdiode.From Optical Coherence Tomography, Science 254, pp. 1178-1181, Huang et al., 1991, the so-called Optical Coherence Tomography (OCT) is known. It is a powerful process that provides three-dimensional imaging of highly diffuse-scattering objects using optical, non-ionizing radiation. The imaging in biological tissues is not limited by the light attenuation due to the strong scattering but by the fact that the image information is destroyed by a strong scattered light background. The central achievement of OCT, also called standard or time-domain OCT (TD-OCT), and the interferometric and holographic techniques based thereon, is to mask out the scattered light background and to detect only the light portions containing image information. These light components, which are not scattered many times, but are directly transmitted or reflected, are called ballistic photons. This suppression of the multiple scattered light components is achieved with so-called coherence filtering, since the multiple scattered light components lose their coherence with the light source. For this purpose, the object to be examined is integrated into an interferometer and equipped with short-coherent light, i. H. spectrally broadband light illuminated, for example, from a light emitting diode.
Das Objekt stellt den ersten Interferometerarm dar, den zweiten bildet ein beweglicher Referenzspiegel. Nur die vom Objekt zurückkommenden Lichtanteile, die eine optische Weglänge zurückgelegt haben, die innerhalb der Kohärenzlänge derjenigen im Referenzarm entspricht, können mit diesem Referenzlicht interferieren und am Ausgang des Interferometers ein Interferenzsignal liefern. Da der Referenzarm beweglich ist, können verschiedene optische Weglängen eingestellt und damit verschiedene Tiefen im Objekt adressiert werden. Die Einstellgenauigkeit für diese Tiefenadressierung wird durch die Kohärenzlänge bestimmt. Je kleiner die Kohärenzlänge, desto besser ist die Tiefenadressierung bzw. Tiefenauflösung.The object represents the first interferometer arm, the second forms a movable reference mirror. Only the light components returning from the object, which have traveled an optical path length which corresponds within the coherence length to that in the reference arm, can interfere with this reference light and deliver an interference signal at the output of the interferometer. Since the reference arm is movable, different optical path lengths can be set and thus different depths in the object can be addressed. The setting accuracy for this depth addressing is determined by the coherence length. The smaller the coherence length, the better the depth addressing or depth resolution.
Verfährt man den Referenzarm kontinuierlich, so entsteht ein Interferogramm, das für den untersuchten Punkt eine tiefenaufgelöste Strukturinformation, den so genannten z-Scan des Objektes liefert. Ein komplett dreidimensionales Bild entsteht, wenn das Objekt in der Ebene senkrecht zum Lichteinfall Punkt für Punkt abgerastert wird, und an jedem Ort ein z-Scan aufgenommen wird. Dieses Verfahren liefert hervorragende hochaufgelöste Bilder von biologischen Objekten und wird z. B. in der Augenheilkunde oder Dermatologie klinisch eingesetzt. Wesentlicher Nachteil der OCT ist jedoch, dass jeder einzelne Bildpunkt des Objektes mechanisch adressiert werden muss. Dies ist äußerst zeitaufwendig und bedingt eine hohe mechanische Fehleranfälligkeit und Störanfälligkeit durch äußere Einflüsse, beispielsweise eine Temperaturabhängigkeit.If the reference arm is moved continuously, an interferogram results which, for the examined point, provides a depth-resolved structural information, the so-called z-scan of the object. A completely three-dimensional image is created when the object in the plane is scanned point by point perpendicular to the incidence of light and a z-scan is taken at each location. This method provides excellent high resolution images of biological objects and is e.g. B. in ophthalmology or dermatology used clinically. The main disadvantage of the OCT, however, is that each individual pixel of the object must be mechanically addressed. This is extremely time consuming and requires a high mechanical susceptibility to failure and susceptibility to interference from external influences, such as a temperature dependence.
Aus dem Europäischen Patent
Auch bei diesem Verfahren werden also zeitlich aufeinander folgende Aufnahmen des zu untersuchenden Objektes in einzelnen Ebenen senkrecht zur Lichteinfallsrichtung aufgenommen, was äußerst zeitaufwendig ist. Durch ein entsprechend schnell arbeitendes holographisches Medium (Schreib- und Löschzeiten) kann hiermit bei geringen Tiefen und geringer Tiefenauflösung zwar eine sogenannte realtime-Bildgebung erreicht werden, wie dies in dem Europäischen Patent
Wie in dem zuletzt genannten Verfahren ist die Notwendigkeit zum zeitlich seriellen Aufnehmen per se auch bei dem zuvor genannten TD-OCT-Verfahren gegeben: eine zeitgleiche Generierung der Information aller drei Objektdimensionen ist nicht möglich, da immer auf eine Möglichkeit gesetzt wird, eine jeweilige Tiefe des Objektes aufgrund von Laufzeitunterschieden und mit kurzkohärentem Licht zu selektieren.As in the latter method, the need for temporal serial recording per se is also given in the aforementioned TD-OCT method: a simultaneous generation of the information of all three object dimensions is not possible, since there is always a possibility, a respective depth of the object due to runtime differences and with short coherent light to select.
Aus ”Optical Coherence Tomography”, Journal of Biomed. Optics 1, S. 157–173, A. F. Fercher, 1996, ist das so genannte Spektralradar bekannt, das zu den OCT-Verfahren gezählt wird, jedoch die Tiefenadressierung auf einem anderen Weg erzielt als die TD-OCT. Dabei wird die Tiefeninformation dadurch gewonnen, dass für einen Punkt des Objekts die spektral-aufgelöste Intensitätsverteilung des rückgestreuten Lichts mit einem Spektrometer registriert wird. Aus diesen Spektraldaten ergibt sich durch eine Fourier-Rücktransformation der registrierten Werte des rückgestreuten Lichts die Tiefenstruktur, insbesondere die Variation des Brechungsindexkontrastes über die Tiefe. Dieses Verfahren gehört zu der Klasse der sogenannten Fourier-Domain OCT oder kurz FD-OCT. Ein bewegter Referenzspiegel ist damit nicht mehr notwendig, jedoch ist ein laterales Scannen der Probe, d. h. in der Ebene senkrecht zum Lichteinfall, nach wie vor notwendig. From Optical Coherence Tomography, Journal of Biomed. Optics 1, pp. 157-173, AF Fercher, 1996, is known as the so-called spectral radar, which is counted among the OCT methods but achieves depth addressing in a different way than the TD-OCT. In this case, the depth information is obtained by registering the spectrally resolved intensity distribution of the backscattered light with a spectrometer for a point of the object. The depth structure, in particular the variation of the refractive index contrast over the depth, results from this spectral data by a Fourier inverse transformation of the registered values of the backscattered light. This method belongs to the class of the so-called Fourier domain OCT or short FD-OCT. A moving reference mirror is thus no longer necessary, however, a lateral scanning of the sample, ie in the plane perpendicular to the light, is still necessary.
Ein alternatives Verfahren der FD-OCT Klasse ist die sogenannte Swept-Source OCT, die beispielsweise aus ”Optical coherence tomography using a frequencytunable optical source”, Optics Letters 22, S. 340–342, 1997, S. R. Chinn, E. A. Swanson, J. G. Fujimoto, bekannt ist. Hierbei wird die spektral aufgelöste Information nicht über eine spektrale Auflösung des vom Objekt reflektierten Signals sondern mittels einer schnellen spektralen Abstimmung der Lichtquelle realisiert, die in Kombination mit einem spektral integrierenden Detektor zum Spektralradar äquivalente Daten liefert. Beide Konzepte, Spektralradar und Swept-Source OCT, reduzieren den Aufwand für einen z-Scan. Bei beiden Verfahren erfolgt dies jeweils für einen Punkt, so dass sie zeitaufwendige Rasterverfahren darstellen.An alternative method of the FD-OCT class is the so-called swept-source OCT, which can be found, for example, in "Optical coherence tomography using a frequency-tunable optical source", Optics Letters 22, pp. 340-342, 1997, SR Chinn, EA Swanson, JG Fujimoto , is known. In this case, the spectrally resolved information is not realized via a spectral resolution of the signal reflected by the object but by means of a fast spectral tuning of the light source, which supplies data equivalent to the spectral radar in combination with a spectrally integrating detector. Both concepts, spectral radar and swept-source OCT, reduce the effort for a z-scan. In both methods, this is done for one point at a time, so that they represent time-consuming raster methods.
Entsprechend ist ein entscheidender Nachteil der angesprochenen bekannten OCT-Verfahren die Notwendigkeit, in lateraler Richtung jeden Punkt einzeln anzufahren, also ein 2-dimensionales Abrastern der Oberfläche vorzunehmen. Eine gleichzeitige, parallele Aufnahme von mehreren lateralen Punkten ist zwar möglich, indem viele Detektoren kombiniert betrieben werden (z. B. als CCD-Array), aber mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden. Folgende Beispiele verdeutlichen einige Ideen der Umsetzung hierzu.Accordingly, a decisive disadvantage of the mentioned known OCT method is the need to approach each point individually in the lateral direction, that is to perform a 2-dimensional scanning of the surface. Simultaneous, parallel recording of several lateral points is possible by operating many detectors in combination (eg as a CCD array), but at great expense and high costs. The following examples illustrate some ideas of implementation.
Aus ”Nonmechanical grating-generated scanning coherence microscopy” Optics Letters 23, S. 1797–1799, 1998, I. Zeylikovich, A. Gilerson, R. R. Alfano ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Detektion ein zweidimensionales CCD-Array verwendet wird, auf dessen erster Dimension das Spektrum aufgetragen wird und auf dessen zweiter Dimension eine örtliche laterale Dimension des Objektes. Eine simultane Aufzeichnung der Daten für alle 3 Dimensionen ist so jedoch nicht möglich.From "Nonmechanical grating-generated scanning coherence microscopy" Optics Letters 23, pp. 1797-1799, 1998, I. Zeylikovich, A. Gilerson, RR Alfano discloses a method in which a two-dimensional CCD array is used for detection whose first dimension the spectrum is plotted and on the second dimension of a local lateral dimension of the object. However, a simultaneous recording of the data for all 3 dimensions is not possible.
Aus der Veröffentlichung ”Parallel Image Acquisition in Frequency Domain OCT”, Proc. Of SPIE-OSA Biomedical Optics, SPIE Vol 5861, 586112-1–586112-3, 2005, B. Povazay et al., ist ein Verfahren bekannt, mit dem auch Daten für drei Dimensionen aufgenommen werden können. Hier wird als Detektor keine einzelne Photodiode, sondern ein zweidimensionales Detektorarray, insbesondere eine CCD-Kamera, verwendet. Die beiden lateralen Dimensionen des Detektors werden für die Registrierung der beiden lateralen Dimensionen des Objektes verwendet. Die Tiefendimension des Objektes, die im Spektrum kodiert ist, wird in die Zeitdimension gelegt, indem die Intensitätsverteilung der verschiedenen Wellenlängen zeitlich nacheinander aufgenommen werden.From the publication "Parallel Image Acquisition in Frequency Domain OCT", Proc. SPIE-OSA Biomedical Optics, SPIE Vol. 5861, 586112-1-586112-3, 2005, B. Povazay et al., Discloses a method that can also accommodate data for three dimensions. Here, the detector used is not a single photodiode, but a two-dimensional detector array, in particular a CCD camera. The two lateral dimensions of the detector are used to register the two lateral dimensions of the object. The depth dimension of the object, which is coded in the spectrum, is placed in the time dimension by taking the intensity distribution of the different wavelengths in succession.
Die wissenschaftlichen Beiträge ”Wavelength-scanning digital interference holography for optical section imaging”, Optics Letters 24, 1693–1695, 1999 und ”Tomographic three-dimensional imaging of a biological specimen using wavelengthscanning digital interference holography”, Optics Express 7, 305–310, 2000, lehren ein ähnliches aber leicht modifiziertes Verfahren, das man als swept-source digitale Holographie bezeichnen könnte. Es werden dabei mit Hilfe einer CCD-Kamera zeitlich nacheinander digitale Hologramme eines Objektes mit verschiedenen Wellenlängen aufgenommen und dann im Nachhinein rechnergestützt kombiniert, um so die Tiefeninformation zu erhalten.The scientific contributions "Wavelength-scanning digital interference holography for optical section imaging", Optics Letters 24, 1693-1695, 1999 and "Tomographic three-dimensional imaging of a biological specimen using wavelength-scanning digital interference holography",
Den Verfahren gemeinsam ist, dass sie die Information der Tiefendimension aus der spektralen Intensitätsverteilung generieren. Um die Intensität spektral aufgelöst zu ermitteln, ist eine Dimension notwendig, entweder eine örtliche, oder eine zeitliche. Die beiden zuletzt genannten Verfahren verwenden die zeitliche Dimension. Solche Verfahren kommen einer sogenannten ”No-Motion” OCT schon recht nahe. Allerdings müssen Aufnahmen für verschiedene spektrale Positionen der Lichtquelle zeitlich nacheinander durchgeführt werden und die Durchstimmung der Lichtquelle beinhaltet unter Umständen noch mechanische Bewegung.Common to the methods is that they generate the information of the depth dimension from the spectral intensity distribution. In order to determine the intensity spectrally resolved, one dimension is required, either local or temporal. The last two methods use the temporal dimension. Such methods come quite close to a so-called "no-motion" OCT. However, recordings for different spectral positions of the light source must be carried out in chronological succession and the tuning of the light source may still involve mechanical movement.
Beim Verfahren ”Spektralradar” wird der zeitliche Aspekt zwar aus der Lichtquelle heraus verlagert, da das die Tiefeninformation tragende Spektrum prinzipiell gleichzeitig zur Verfügung steht. Zu dessen Registrierung ist jedoch wiederum eine Dimension (räumlich oder zeitlich) unumgänglich. Entweder wird das Spektrum bei der Registrierung in eine Raumdimension gelegt, wobei dann jedoch eine Aufnahme-Dimension für die lateralen Objektdimensionen fehlt, so dass hierfür zeitlich gerastert werden muss, oder die Registrierung des Spektrums wird in die zeitliche Dimension gelegt. Dies entspricht den Verfahren swept-source OCT oder swept-source digitale Holographie, bei welchen die Lichtquelle spektral durchgefahren wird, so dass sich die zeitliche Komponente in dem sequentiellen Generieren der zu verwendenden Laserstrahlung ergibt.In the "spectral radar" method, the temporal aspect is indeed shifted out of the light source, since the spectrum carrying the depth information is in principle simultaneously available. For its registration, however, another dimension (spatial or temporal) is inevitable. Either the spectrum is placed in a spatial dimension during registration, but then lacks a recording dimension for the lateral object dimensions, so it must be rasterized for this purpose, or the registration of the spectrum is placed in the temporal dimension. This corresponds to the methods swept-source OCT or swept-source digital holography, in which the light source is spectrally driven through, so that the temporal component in the sequential generation of the laser radiation to be used.
Die genannten Verfahren der FD-OCT verdeutlichen also ein Problem prinzipieller Natur. Obwohl die Tiefeninformation im Spektrum kodiert ist und damit zwar prinzipiell gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden kann, erfordert die spektrale Detektion aber den Einsatz einer örtlichen Dimension (z. B. eine Dimension eines CCD-Arrays) oder der zeitlichen Dimension (serielle Detektion verschiedener Wellenlängen nacheinander). Da es keinen wirklich dreidimensionalen Detektor gibt sondern nur maximal zweidimensionale (z. B. zweidimensionales Photodiodenarray, zweidimensionales CCD-Array), können die drei örtlichen Dimensionen des Objektes, die abgebildet werden sollen, maximal in die zwei örtlichen Dimensionen des Detektors und einmal die zeitliche Dimension abgebildet werden.The above methods of FD-OCT thus illustrate a problem of a fundamental nature. Although the depth information is coded in the spectrum and thus can be made available in principle simultaneously, the spectral detection requires the use of a local dimension (eg a dimension of a CCD array) or the temporal dimension (serial detection of different wavelengths one after the other ). Since there is no truly three-dimensional detector but only a maximum of two-dimensional (eg, two-dimensional photodiode array, two-dimensional CCD array), the three spatial dimensions of the object to be imaged can be in the maximum two spatial dimensions of the detector and once in time Dimension can be mapped.
Ein Aufteilen bzw. Clustern des zweidimensionalen Detektorarrays in quasi ein Array aus vielen zweidimensionalen Detektorarrays ist zwar prinzipiell möglich. Dies birgt aber den Nachteil, dass sich die mögliche laterale Auflösung der Aufnahme entsprechend der dann damit reduzierten Auflösung des Detektorarrays verschlechtert.Although splitting up or clustering the two-dimensional detector array into quasi an array of many two-dimensional detector arrays is possible in principle. However, this has the disadvantage that the possible lateral resolution of the recording deteriorates in accordance with the then reduced resolution of the detector array.
Im Übrigen ist aus der Veröffentlichung Saxba, Graham, Practical Holography, Prentice Hall International 1988, Kapitel 5 und 18 ein Hologrammaufnahmeverfahren bekannt, bei dem ein Objekt in einem optischen Speichermedium mit einer spektral breitbandigen Lichtquelle in Form eines Argon- oder Kryptonionenlasers in einem Belichtungsgang gespeichert wird. Aus der Veröffentlichung Kleen, Müller, Springer Verlag, 1969, Kapitel 6.5.2 ist es bekannt, dass die genannten Lichtquellen im Pulsbetrieb arbeiten können. Schließlich ist aus Hariharan, Cambridge University Press, 1984, Kapitel 9.3 und 9.4 die Aufnahme von Vielfarbenhologrammen unter Verwendung optisch dicker Aufnahmemedien bekannt. Die letztgenannte Veröffentlichung beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens einer Beleuchtungslichtquelle, mindestens einer Referenzlichtquelle und einem holografischen Speichermedium, wobei mit dem Strahl der Beleuchtungslichtquelle das Objekt beleuchtbar ist und der Strahl der Beleuchtungslichtquelle und Referenzlichtquelle derart geführt ist, dass sich das vom Objekt transmittierte und/oder reflektierte Licht mit dem Strahl der Referenzlichtquelle in dem Speichermedium überlagert, wobei die Beleuchtungslichtquelle und Referenzlichtquelle spektral breitbandig sind und das Speichermedium ein optisch dickes holografisches Speichermedium ist, in welches die zu den verschiedenen Spektralanteilen der Lichtquellen gehörigen Hologramme mit einem Einzelschuss der Beleuchtungs- und Referenzlichtquelle einer definierten Dauer schreibbar sind.Incidentally, from the publication Saxba, Graham, Practical Holography, Prentice Hall International 1988,
Die Würdigung des vorstehend beschriebenen Standes der Technik zeigt, dass keines der erläuterten optischen Verfahren geeignet ist, in oder durch streuende Medien die drei örtlichen Dimensionen simultan, also zeitlich parallel in einer Belichtung aufzunehmen, was nachfolgend unter einer sogenannten Einzelschuss-Aufnahme verstanden wird. Dies ist jedoch ein zunehmendes Bedürfnis, insbesondere für die medizinische Anwendung.The assessment of the prior art described above shows that none of the described optical methods is suitable for simultaneously or simultaneously recording the three spatial dimensions in or by scattering media in an exposure, which is understood below as a so-called single-shot recording. However, this is an increasing need, especially for medical use.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hoch auflösendes dreidimensionales Abbildungsverfahren zu realisieren sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die die Nachteile der bisher im Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen überwindet und mit einer Einzelschuss-Aufnahme, also zeitlich parallel, die komplette dreidimensionale Information aufnimmt, wobei insbesondere eine dreidimensionale Einzelschuss-Bildgewinnung in oder durch diffus streuende Materialen realisiert wird.It is therefore an object of the present invention to realize a high-resolution three-dimensional imaging method and to provide a corresponding device which overcomes the disadvantages of the prior art methods and devices and with a single-shot recording, ie temporally parallel, the receives complete three-dimensional information, in particular, a three-dimensional single-shot image acquisition is realized in or by diffusely scattering materials.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines Holographieverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 15 und einer entsprechenden Vorrichtung gemäß der Ansprüche 16 bis 28, bei welchem bzw. bei welcher in einem optisch dicken Speichermedium die gesamte dreidimensionale Bildinformation des Objekts mit einem einzelnen Schuss einer spektral breitbandigen Beleuchtungs- und Referenzlichtquelle definierter zeitlicher Dauer durch Überlagerung der Informationen zwischengespeichert wird, wobei die gespeicherten Informationen optisch auslesbar sind und das Auslesen zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Abbildes des Objektes unter Anwendung mindestens einer Transformation erfolgt.The object is achieved by means of a holography method according to claims 1 to 15 and a corresponding device according to
Entscheidend ist hierbei, dass das holographische Speichermedium für die vollständige Speicherung aller dreidimensionalen Informationen nur einmal, nämlich für die Dauer des Einzelschuss, belichtet bzw. verwendet wird, ohne dass es aufeinander folgender Vorgänge oder gar einer Löschung von gespeicherten Informationen zur Aufnahme weiterer Informationen bedarf. Die Überlagerung der Informationen in dem optischen Speichermedium erfolgt dabei in Form eines Wellenlängen-Multiplexing-Verfahrens.Decisive here is that the holographic storage medium for the complete storage of all three-dimensional information only once, namely for the duration of the single shot, exposed or used, without the need for successive operations or even a deletion of stored information to record more information. The superimposition of the information in the optical storage medium takes place in the form of a wavelength division multiplexing method.
Mit diesem Einzelschuss im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine vollständige Erfassung aller dreidimensionalen Informationen des insbesondere diffus streuenden Objektes durch eine einzige Aufnahme dadurch erfolgen, dass Objekt und holographischer Zwischenspeicher einmalig für eine festgelegte Dauer belichtet werden, wobei ein zwischenzeitliches Löschen der in dem optischen Speichermedium gespeicherten Informationen nicht erforderlich ist.With this single shot in the sense of the present invention, a complete acquisition of all three-dimensional information of the particular diffuse scattering object by a single shot done by exposing the object and holographic buffer once for a fixed duration, with an intermediate deletion stored in the optical storage medium Information is not required.
Vorteilhafterweise ist die Belichtungsdauer nur durch Integrationseigenschaften begrenzt, und liegt damit in einem Bereich zwischen wenigen Mikrosekunden bis wenige Sekunden. Für einzelne Anwendungsfälle kann jedoch auch eine weitaus höhere Belichtungsdauer, beispielsweise von vielen Minuten oder sogar mehreren Stunden vorteilhaft sein. Das erfindungsgemäße Holographieverfahren kann dabei gänzlich ohne bewegliche Teile erfolgen (”no motion” Bildgebung), so dass kein mechanischer Verschleiß, mechanische Ungenauigkeiten oder äußere Einflüsse wie beispielsweise Temperaturschwankungen die Bildgebung beeinflussen oder Wartungs-, Korrektur- oder Justierarbeiten bedingen. Advantageously, the exposure time is limited only by integration properties, and is thus in a range between a few microseconds to a few seconds. For individual applications, however, a much higher exposure time, for example, of many minutes or even several hours may be advantageous. The holography method according to the invention can be carried out entirely without moving parts ("no-motion" imaging), so that no mechanical wear, mechanical inaccuracies or external influences such as temperature fluctuations influence the imaging or require maintenance, correction or adjustment work.
Das erfindungsgemäße Verfahren greift auf Holographie mit vielen verschiedenen Wellenlängen zurück, was als polychromatische Holographie bezeichnet werden kann. Dies ist eine Sonderform der üblicherweise als monochromatisch bekannten Holographie. Durch Holographie kann bekanntermaßen durch Fixierung des bei Strahlüberlagerung kohärenten, also im Allgemeinen monochromen Lichtes im Schnittpunkt entstehenden Interferenzmusters, das allgemein und auch hier als Hologramm bezeichnet wird, und späterer Beugung eines Lichtstrahls an diesem Hologramm die ehemals vom Objekt ausgehende und durch den Schnittbereich der Strahlen treffende Lichtwelle rekonstruiert werden.The method according to the invention makes use of holography with many different wavelengths, which can be termed polychromatic holography. This is a special form of holography commonly known as monochromatic. By holography can be known by fixing the coherent in beam superposition, ie generally monochrome light in the intersection resulting interference pattern, which is referred to as hologram and here and later diffraction of a light beam at this hologram emanating from the object and the intersection of the rays to be reconstructed.
Bei dem erfindungsgemäßen Holographieverfahren und der erfindungsgemäßen holographischen Anordnung wird das Objekt, das in der Regel dreidimensional ist, mit mindestens einer spektral breitbandigen Beleuchtungslichtquelle beleuchtet und das durch das Objekt transmittierte und/oder daran reflektierte Licht zur Speicherung des Objektes kodiert in vielen verschiedenen Hologrammen in einem holographischen Speichermedium mit mindestens einem Referenzstrahl auf dem Speichermedium überlagert. Dabei kann der Referenzstrahl vorzugsweise von der Beleuchtungslichtquelle abgezweigt werden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Referenzlichtquelle vorgesehen werden muss.In the holographic method according to the invention and the holographic arrangement according to the invention, the object, which is generally three-dimensional, is illuminated with at least one spectrally broadband illumination light source and the light transmitted through the object and / or reflected therefrom for storage of the object is encoded in many different holograms in one Holographic storage medium with at least one reference beam superimposed on the storage medium. In this case, the reference beam can preferably be diverted from the illumination light source. This has the advantage that no additional reference light source must be provided.
Das vom Objekt transmittierte oder reflektierte Licht und der Referenzstrahl werden erfindungsgemäß entsprechend derart geführt, dass sie sich im Speichermedium schneiden. Durch die Überlagerung der Lichtstrahlen bilden die einzelnen monochromen Lichtanteile statische Interferenzmuster aus, d. h. das vom Objekt kommende Licht einer bestimmten Wellenlänge bildet ein Interferenzmuster nur mit dem monochromen Teil des Referenzlichtes der die gleiche Wellenlänge aufweist. Dies geschieht für alle monochromen Lichtanteile der beiden Strahlen. Die Struktur der vom Objekt ausgehenden Wellenfront ist dabei dadurch festhaltbar, dass sie mit einer Referenzwelle interferiert und die Interferenzstruktur in dem Speichermedium als Hologramm fixiert wird.According to the invention, the light transmitted and reflected by the object and the reference beam are guided in such a way that they intersect in the storage medium. As a result of the superimposition of the light beams, the individual monochromatic light components form static interference patterns, ie. H. the light of a given wavelength coming from the object forms an interference pattern only with the monochrome part of the reference light which has the same wavelength. This happens for all monochrome light components of the two beams. The structure of the wavefront emanating from the object is thereby retained by interfering with a reference wave and fixing the interference structure in the storage medium as a hologram.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung wird das zu untersuchende Objekt von einer spektral breitbandigen Beleuchtungslichtquelle beleuchtet. Dieses spektral breitbandige Licht kann beispielsweise von einer Lampe, einer Leuchtdiode, einer Superlumineszenzdiode, einer vielmodigen Laserdiode, oder einer Kombination derselben kommen, wobei die Beleuchtungslichtquelle eine kontinuierliche spektrale Verteilung haben kann.In the method according to the invention and the corresponding device, the object to be examined is illuminated by a spectrally broadband illumination light source. This spectrally broadband light may, for example, come from a lamp, a light emitting diode, a superluminescent diode, a multi-mode laser diode, or a combination thereof, wherein the illumination light source may have a continuous spectral distribution.
Alternativ kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung auch eine Lasereinheit oder eine Laserdiodeneinheit verwendet werden, die ein diskretes Spektrum aufweist und kontinuierlich emittiert, wobei die Emission mehrerer einzelner Wellenlängen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander, vorzugsweise ohne Unterbrechung, möglich ist. Gleichzeitig bedeutet im Sinne der Erfindung sowohl eine vollständig simultane Emission aller Wellenlängen als auch eine beliebige zeitliche Abfolge innerhalb der Belichtungszeit, d. h. der Dauer des Einzelschusses. Die spektrale Breite der Lichtquelle wird in diesem Falle durch die kleinste und die größte Wellenlänge festgelegt. Spektral breitbandig ist im Sinne der Erfindung derart zu verstehen, dass die erfindungsgemäß erzielbare Tiefenauflösung genau wie bei der OCT durch die Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes bestimmt wird. Die Kohärenzlänge ist umgekehrt proportional zur Bandbreite der Lichtquelle die erfindungsgemäß vorzugsweise mindestens einige 10 Nanometer beträgt.Alternatively, in a preferred embodiment of the invention, a laser unit or a laser diode unit can be used which has a discrete spectrum and continuously emitted, the emission of several individual wavelengths simultaneously or sequentially, preferably without interruption possible. At the same time means in the context of the invention, both a completely simultaneous emission of all wavelengths as well as any temporal sequence within the exposure time, d. H. the duration of the single shot. The spectral width of the light source is determined in this case by the smallest and the largest wavelength. Spectral broadband in the context of the invention is to be understood in such a way that the depth resolution achievable according to the invention is determined by the coherence length of the light used, as in OCT. The coherence length is inversely proportional to the bandwidth of the light source which according to the invention is preferably at least a few tens of nanometers.
Das Spektrum der Beleuchtungslichtquelle, kontinuierlich oder diskret, kann eine spektrale Breite mindestens 30 nm, vorzugsweise eine spektrale Breite zwischen 30 nm und 120 nm, insbesondere von etwa 100 nm aufweisen.The spectrum of the illumination light source, continuous or discrete, may have a spectral width of at least 30 nm, preferably a spectral width of between 30 nm and 120 nm, in particular of approximately 100 nm.
Das vom Objekt reflektierte oder transmittierte Licht wird mit einem Referenzstrahl auf dem holographischen Speichermedium überlagert, womit in das Speichermedium ein Hologramm geschrieben wird. Dies kann gegebenenfalls unter Rückgriff auf optische Abbildungen und/oder optische Transformationen, beispielsweise durch eine geeignete Linsenanordnung erfolgen. Der Referenzstrahl kann dabei von einer unabhängigen Referenzlichtquelle emittiert werden, wobei sie dabei ebenfalls spektral breitbandig ist und den gleichen Aufbau aufweisen kann, wie die Beleuchtungslichtquelle. Alternativ kann der Referenzstrahl vorzugsweise mittels eines Strahlteilers von dem von der Lichtquelle stammenden Strahl abgezweigt werden. In diesem Fall sind Beleuchtungslichtquelle und Referenzlichtquelle identisch.The reflected or transmitted by the object light is superimposed with a reference beam on the holographic storage medium, which is written in the storage medium, a hologram. If appropriate, this can be done using optical images and / or optical transformations, for example by means of a suitable lens arrangement. The reference beam can be emitted by an independent reference light source, whereby it is also broadband spectrally and may have the same structure as the illumination light source. Alternatively, the reference beam can preferably be branched off from the beam originating from the light source by means of a beam splitter. In this case, the illumination light source and the reference light source are identical.
Wie bereits erwähnt kann die schnelle Bildgebung, d. h. die vollständige Erfassung aller dreidimensionalen Informationen des Objektes durch eine einzige Aufnahme im Sinne eines Einzelschusses, d. h. einer Einzelbelichtung erfolgen. Dabei kann die Beleuchtungslichtquelle respektive die Referenzlichtquelle ein kontinuierliches Spektrum oder ein diskretes Spektrum emittieren, d. h. zumindest mehrere, vorzugsweise eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig emittieren. Die Tiefeninformation über das Objekt, d. h. Informationen über seine innere Struktur, wird dabei in der spektral aufgelösten Intensitätsverteilung des von dem im Speichermedium gespeicherten Interferenzmusters kodiert.As already mentioned, the fast imaging, ie the complete acquisition of all three-dimensional information of the object by a single shot in the sense of a single shot, ie a single exposure done. In this case, the illumination light source or the reference light source can emit a continuous spectrum or a discrete spectrum, ie, at least several, preferably a plurality of different wavelengths emit simultaneously. The depth information about the object, ie information about its internal structure, is thereby encoded in the spectrally resolved intensity distribution of the interference pattern stored in the storage medium.
Um die Möglichkeit zu erhalten, sowohl die lateralen Objektdimensionen als auch die in der spektralen Intensitätsverteilung kodierte Tiefendimension des Objektes in einem Schuss zwischenzuspeichern, ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ein dickes holographisches Speichermedium zu verwenden, das aufgrund seiner wellenlängenselektiven Funktion der für dicke holographische Speichermedien geltenden Bragg-Bedingung geeignet ist. Im zweidimensionalen Fall, d. h. bei der Verwendung dünner holographischer Speichermedien, sind nur monochrome Hologramme möglich, da bei Variation der Wellenlänge kein zeitlich stabiles Interferenzmuster möglich ist. Für die Speicherung der wellenlängenspezifischen Hologramme bzw. Interferenzmuster wird daher erfindungsgemäß ein Speichermedium benutzt, dass in der Holographie als optisch dickes holographisches Medium bekannt ist und mindestens mehrere Wellenlängen dick ist, so dass die spektral verschiedenen Hologramme übereinander gelegt werden können, ohne sich gegenseitig zu stören.In order to be able to buffer both the lateral object dimensions and the depth dimension of the object encoded in the spectral intensity distribution in one shot, it is particularly advantageous according to the invention to use a thick holographic storage medium which, due to its wavelength-selective function, is the Bragg applicable to thick holographic storage media Condition is appropriate. In the two-dimensional case, d. H. When using thin holographic storage media, only monochrome holograms are possible because no time-stable interference pattern is possible with variation of the wavelength. For storing the wavelength-specific holograms or interference patterns, therefore, a storage medium is used according to the invention that is known in holography as optically thick holographic medium and at least several wavelengths thick, so that the spectrally different holograms can be superimposed without disturbing each other ,
Die spektral verschiedenen Hologramme beeinflussen sich dann nicht, wenn für die Beugung die schon erwähnte Bragg-Bedingung gilt. Das ist nur dann der Fall, wenn man das Interferenzmuster des Hologramms auch über die dritte örtliche Dimension ausprägt und nutzt, wobei dann so genannte dicke Hologramme entstehen. Dies ist nur in einem optisch dicken Speichermedium möglich. Diese so gegebene Möglichkeit, spektral unterschiedliche Hologramme sich nicht beeinflussend übereinander zu legen, was hier als „Wavelength Multiplexing” bezeichnet wird, ist ein grundlegender Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die erfindungsgemäße Anwendung dieses Wavelength Multiplexing ermöglicht zum einen, die Information über die drei Objektdimensionen, kodiert in den vielen spektral unterschiedlichen Interferenzmustern, gleichzeitig festzuhalten. Zum anderen, ist die Möglichkeit gegeben, sie im Ausleseschritt wieder auf die erfindungsgemäße Art und Weise selektiv auszulesen, nämlich spektral selektiv, so dass aus der Information die drei Objektdimensionen rekonstruiert werden können.The spectrally different holograms do not influence each other if the already mentioned Bragg condition applies to the diffraction. This is only the case if one also expresses the interference pattern of the hologram on the third spatial dimension and uses, in which case so-called thick holograms arise. This is only possible in a visually thick storage medium. This way given way spectrally different holograms do not affect one another superimposed, which is referred to here as "Wavelength Multiplexing", is a fundamental part of the device and the inventive method. On the one hand, the use according to the invention of this wavelength multiplexing makes it possible to simultaneously record the information about the three object dimensions coded in the many spectrally different interference patterns. On the other hand, there is the possibility of selectively reading them out in the read-out step in the manner according to the invention, namely spectrally selective, so that the three object dimensions can be reconstructed from the information.
Erfindungsgemäß kann daher in dem holographischen Speichermedium eine Vielzahl verschiedenfarbiger Hologramme überlagert werden, die beim Auslesen einzeln selektierbar sind.According to the invention, therefore, a plurality of differently colored holograms can be superimposed in the holographic storage medium, which are individually selectable during readout.
Außerdem ist auf diese Weise nur eine geringe örtliche Ausdehnung für die Datenregistrierung notwendig. Erfindungsgemäß kann das Speichermedium eine Dicke von etwa mindestens 10 μm, vorzugsweise zwischen 50 μm und etwa 200 μm aufweisen. Dabei ist anzumerken, dass die beim Auslesen notwendige Selektierung der Hologramme umso besser ist, je dicker das Speichermedium ist. Außerdem spielt hierbei der Winkel der Schreibstrahlen zueinander eine Rolle. Je größer der Winkel, desto bessere spektrale Selektivität herrscht beim Beugungsvorgang vor. Der Winkel kann erfindungsgemäß zwischen 20° und 180°, vorzugsweise 150° betragen.In addition, in this way only a small local extent for the data registration is necessary. According to the invention, the storage medium may have a thickness of approximately at least 10 μm, preferably between 50 μm and approximately 200 μm. It should be noted that the selection of the holograms necessary for readout is all the better, the thicker the storage medium is. In addition, the angle of the writing beams to each other plays a role here. The larger the angle, the better spectral selectivity prevails during the diffraction process. The angle can be according to the invention between 20 ° and 180 °, preferably 150 °.
Durch die erfindungsgemäße Anwendung des Wavelength Multiplexing-Verfahrens und eines optisch dicken Mediums ist es möglich, die für die Generierung der Tiefeninformation notwendigen spektral verschiedenen Hologramme zeitlich parallel bzw. gleichzeitig, d. h. in einem einzigen Belichtungsprozess bzw. einem Einzelschuss aufzunehmen, ohne dass ein zwischenzeitliches Löschen des Speichermediums notwendig ist. Das Speichermedium wird nur ein Mal, d. h. während des Einzelschusses beschrieben. Maßgebliche Zeitkonstante bei diesem Einzelschuss ist die Belichtungszeit des holographischen Speichers, die je nach Speichermedium zwischen einer Mikrosekunde und einer Sekunde liegen kann. In speziellen Anwendungen können auch längere Belichtungszeiten eingesetzt werden. Anstelle einer dauerhaften gleichzeitigen Bestrahlung mit allen Wellenlängen während der Belichtungszeit können erfindungsgemäß auch beliebige zeitliche Abfolgen der Wellenlängen während der Einzelschuss-Belichtung erfolgen.By the use according to the invention of the wavelength multiplexing method and an optically thick medium, it is possible for the spectrally different holograms necessary for the generation of the depth information to be parallel in time or simultaneously, ie. H. take in a single exposure process or a single shot, without an intermediate deletion of the storage medium is necessary. The storage medium is only once, i. H. described during the single shot. The decisive time constant for this single shot is the exposure time of the holographic memory, which can be between one microsecond and one second depending on the storage medium. In special applications, longer exposure times can be used. Instead of a permanent simultaneous irradiation with all wavelengths during the exposure time, according to the invention it is also possible to carry out arbitrary temporal sequences of the wavelengths during the single-shot exposure.
Die zweidimensionale Ausdehnung der Hologramme birgt die laterale Bildinformation des Objektes in sich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, zeitgleich alle drei Dimensionen des Objektes mit einem Schuss bzw. mit nur einer Belichtung aufzunehmen.The two-dimensional extent of the holograms entails the lateral image information of the object. With the method according to the invention, it is therefore possible to simultaneously record all three dimensions of the object with one shot or with only one exposure.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Beleuchtungslichtquelle respektive Referenzlichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum werden eine Vielzahl monochromer Hologramme gleichzeitig in das optisch dicke Speichermedium geschrieben und überlagern sich entsprechend. Hierdurch kann ein Effekt entstehen, der als so genannter Crosstalk bekannt ist. Hierunter wird verstanden, dass bei Beleuchtung des holographischen Mediums mit einer diskreten Wellenlänge, in dem mehrere durch Wavelength Multiplexing übereinander gelegte monochrome Hologramme (unter anderem ein mit der Auslesewellenlänge geschriebenes Hologramm) gespeichert sind, nicht nur Beugung an dem mit der Auslesewellenlänge geschriebenen Hologramm erfolgt, wie es idealisiert nach der Bragg-Bedingung der Fall wäre. Stattdessen wird das Licht auch an monochromen Hologrammen gebeugt, die mit einer leicht anderen Wellenlänge geschrieben wurden. Bei welcher spektralen Abweichung von der Schreibwellenlänge eine solche Beugung noch erfolgt, hat mit der Wellenlänge des Lichtes, dem Winkel zwischen den Schreibstrahlen und der Dicke des Speichermediums zu tun. Zu den letztgenannten Parametern wurden bereits vorteilhafte Werte angegeben.By using the method according to the invention with an illumination light source or reference light source with a continuous spectrum, a large number of monochrome holograms are simultaneously written into the optically thick storage medium and superimposed accordingly. This can create an effect known as crosstalk. This is understood to mean that when the holographic medium is illuminated with a discrete wavelength in which a plurality of monochrome holograms superimposed by wavelength multiplexing are stored (inter alia a hologram written with the read-out wavelength), not only Diffraction occurs at the readout wavelength written hologram, as would be idealized by the Bragg condition. Instead, the light is also diffracted by monochrome holograms written at a slightly different wavelength. At which spectral deviation from the write wavelength such diffraction still occurs has to do with the wavelength of the light, the angle between the writing beams and the thickness of the storage medium. Advantageous values have already been indicated for the latter parameters.
Um den störenden Crosstalk zwischen den monochromen Hologrammen zu unterbinden, ist die Verwendung einer Beleuchtungslichtquelle mit einem diskreten Spektrum empfehlenswert, wobei die einzelnen Wellenlängen Stützwellenlängen bilden. Hier ist es technisch umso besser, je mehr Wellenlängen als Stützstellen verwendet werden, und je breiter der spektrale Bereich ist, über den sich die Wellenlängen erstrecken. Schließlich ist noch anzumerken, dass je dicker das optische Speichermedium ist, desto enger die spektralen Stützstellen liegen dürfen, ohne dass sich der Crosstalk störend auswirkt. Es kann folglich vorzugsweise ein besonders dickes optisches Speichermedium verwendet werden.In order to prevent the disturbing crosstalk between the monochrome holograms, the use of an illumination light source with a discrete spectrum is recommended, with the individual wavelengths forming support wavelengths. Here, it is technically better the more wavelengths are used as nodes and the wider the spectral range over which the wavelengths extend. Finally, it should be noted that the thicker the optical storage medium is, the tighter the spectral support points may be, without the crosstalk interfering. Thus, it is possible to preferably use a particularly thick optical storage medium.
Zum Auslesen des gesamten gespeicherten Hologramms, wird das Speichermedium von einem Auslesestrahl einer Ausleselichtquelle belichtet, welche den gleichen Aufbau wie die Beleuchtungslichtquelle aufweisen kann, wobei die Ausleselichtquelle das gleiche zeitlich gemittelte Spektrum aufweisen kann. Für die dreidimensionale Rekonstruktion der Objektstruktur ist es notwendig, die vielen spektral unterschiedlichen bzw. gemultiplexten Hologramme wieder selektiv und unabhängig voneinander auslesen zu können. Dies gelingt, indem man die vielen Hologramme mit jeweils nur einer der zum Schreiben verwendeten Wellenlängen ausliest. Das Licht wird dann, wenn man den Crosstalk ausreichend unterbindet, selektiv nur an demjenigen Hologramm gebeugt, das mit der entsprechenden Wellenlänge geschrieben worden ist. Erfindungsgemäß erfolgt das Auslesen daher vorzugsweise mit den gleichen diskreten, unterschiedlichen, möglichst über den gesamten Spektralbereich der zum Schreiben verwendeten Beleuchtungslichtquelle verteilten Wellenlängen. Die Emission der verschiedenen Wellenlängen erfolgt günstigenfalls zeitlich nacheinander. Der Auslesevorgang erfolgt zur Zeitersparnis beim Aufnahmevorgang in der Regel erst nach der Einzelschussaufnahme.For reading the entire stored hologram, the storage medium is exposed by a readout beam of a readout light source, which may have the same structure as the illumination light source, wherein the readout light source may have the same time-averaged spectrum. For the three-dimensional reconstruction of the object structure, it is necessary to be able to read out the many spectrally different or multiplexed holograms again selectively and independently of one another. This is achieved by reading out the many holograms with only one of the wavelengths used for writing. When the crosstalk is sufficiently suppressed, the light is selectively diffracted only at the hologram that has been written at the appropriate wavelength. According to the invention, therefore, the read-out is preferably carried out with the same discrete, different wavelengths, possibly distributed over the entire spectral range of the illumination light source used for writing. The emission of the different wavelengths takes place in good time successively. The readout is done to save time during the recording process usually after the single shot.
Alternativ kann in speziellen Anwendungen z. B. mit langen Belichtungszeiten aber auch ein Start des Auslesevorgangs bereits während der Aufnahme günstig sein. Dies hat den Vorteil, dass mit diesem Verfahren so auch Anwendungen möglich sind, die Veränderungen des Objekts registrieren. Diese Möglichkeit des Auslesens während des Speicherns ist gegeben, da zeitlich unabhängig vom Schreibprozess ausgelesen werden kann. Hierzu wird günstigerweise die Polarisation des Ausleselichtes orthogonal zu der Polarisation des Lichtes der Schreibstrahlen gewählt. Damit wird eine Beeinflussung des Speichervorgangs durch das Auslesen weitestgehend vermieden.Alternatively, in special applications, for. B. with long exposure times but also a start of the readout already be favorable during the recording. This has the advantage that with this method also applications are possible that register changes in the object. This possibility of reading during the saving is given because it can be read independently of the writing process. For this purpose, the polarization of the readout light is chosen to be orthogonal to the polarization of the light of the write beams. Thus, an influence on the storage process by the reading is largely avoided.
Das vom Hologramm abgebeugte Licht einer bestimmten Wellenlänge kann, gegebenenfalls unter Rückgriff auf optische Abbildungen und/oder optische Transformationen, beispielsweise durch eine Linsenanordnung, mit einem Sensor, vorzugsweise mit einem zweidimensionalen CCD-Array, aufgenommen und unmittelbar weiterverarbeitet oder zunächst abgespeichert und später weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise kann die laterale Strukturinformation des Objektes, d. h. diejenige Information des Objekts, die innerhalb einer zum Beleuchtungsstrahl senkrechten Ebene liegt, auf den beiden Dimensionen des CCD-Arrays, welches aus einzelnen Pixeln besteht, festgehalten werden. Vorzugsweise erfolgt dies für alle verwendeten Wellenlängen nacheinander, so dass für die Rekonstruktion der im holographischen Medium zwischengespeicherten Bildinformation ein iteratives Verfahren besonders vorteilhaft ist, bei dem die Wellenlängen beim Auslesen nacheinander durchgefahren werden.The diffracted light from the hologram of a certain wavelength can, optionally with reference to optical images and / or optical transformations, for example, by a lens arrangement, with a sensor, preferably with a two-dimensional CCD array, taken and processed immediately or initially stored and later processed , In this way, the lateral structure information of the object, i. H. that information of the object which lies within a plane perpendicular to the illumination beam is recorded on the two dimensions of the CCD array, which consists of individual pixels. Preferably, this is done successively for all wavelengths used, so that an iterative method is particularly advantageous for the reconstruction of the image information buffered in the holographic medium, in which the wavelengths are passed through successively during readout.
Die dreidimensionale Rekonstruktion des Objektes kann erfindungsgemäß durch Anwendung einer mathematischen Transformationsvorschrift auf das Sensorsignal erfolgen. Hierbei können aus dem Sensorsignal, insbesondere aus dem Signal des zweidimensionalen CCD-Arrays, die Bilddaten zu einer Objektdimension durch die mit der mathematischen Transformation der mit dem Auslesestrahl ausgelesenen Intensität als Funktion der Wellenlänge errechnet werden. Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinheit, beispielsweise einen Computer, aufweisen, mit der auf das Sensorsignal die mathematische Transformation anwendbar ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Einbeziehung einer Fourier-Rücktransformation.The three-dimensional reconstruction of the object can be carried out according to the invention by applying a mathematical transformation rule to the sensor signal. In this case, the image data for an object dimension can be calculated from the sensor signal, in particular from the signal of the two-dimensional CCD array, by the intensity read out with the mathematical transformation of the readout beam as a function of the wavelength. For this purpose, the device according to the invention can have a computing unit, for example a computer, with which the mathematical transformation can be applied to the sensor signal. Particularly advantageous here is the inclusion of a Fourier inverse transformation.
Auf das gesamte zweidimensionale CCD-Array fällt eine laterale Lichtverteilung, die eine zweidimensionale Projektion bzw. Abbildung der vom Objekt kommenden und durch das holographische Medium fallenden und davon rekonstruierten Wellenfront darstellt. Damit sind die zwei lateralen Objektdimensionen rekonstruiert. Die Rekonstruktion der Tiefendimension ergibt sich aus der Tatsache, dass das Interferenzsignal zweier sich an einer Stelle überlagernder kohärenter Lichtwellen in seiner Intensität von der Wellenlänge des Lichtes abhängt: ob konstruktive oder destruktive Interferenz sich ergibt, hängt von dem Laufzeitunterschied bzw. gleichbedeutend von der Wegdifferenz ab, und ist abhängig von der Wellenlänge. Örtlich gesehen ergibt sich z. B. konstruktive Interferenz für jede unterschiedliche Wellenlänge an einem anderen Ort, d. h. an einem festen Ort innerhalb des beleuchteten Bereichs des holographischen Speichermediums ergibt sich für unterschiedliche Wellenlängen eine unterschiedliche Intensität. Per Fourier-Rücktransformation und gegebenenfalls unter Rückgriff auf weitere mathematische und/oder optische Transformationen lässt sich aus diesen an einem Ort unterschiedlichen, von der Wellenlänge abhängigen Intensitäten die Tiefenstruktur des Objektes ermitteln. Dadurch, dass es aufgrund der Bragg-Bedingung realisierbar ist, selektiv nur Licht einer spezifischen Wellenlänge zu beugen, ist es möglich, die als Interferenzmuster gespeicherte Intensitätsverteilung wieder spektral selektiv auszulesen. Zusammen mit der zuvor beschriebenen Möglichkeit der Objektrekonstruktion in lateraler Hinsicht ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren so möglich, die Information über die drei örtlichen Objektdimensionen zuordnungsfähig auszulesen.The entire two-dimensional CCD array is subject to a lateral light distribution which represents a two-dimensional projection or image of the wave front coming from the object and falling through the holographic medium and reconstructed therefrom. This reconstructs the two lateral object dimensions. The reconstruction of the depth dimension results from the fact that the interference signal of two coherent light waves superimposed at one point depends on the wavelength of the light in its intensity: whether constructive or destructive interference results depends on the transit time difference or is equivalent to the path difference, and is dependent on the wavelength. Locally, z. For example, constructive interference for each different wavelength at a different location, ie at a fixed location within the illuminated area of the holographic storage medium results in a different intensity for different wavelengths. By inverse Fourier transformation and optionally by resorting to further mathematical and / or optical transformations, the depth structure of the object can be determined from these at a location of different intensities depending on the wavelength. Because it is feasible due to the Bragg condition to selectively diffract only light of a specific wavelength, it is possible to read out the spectral intensity spectrally selectively stored as interference pattern again. Together with the above-described possibility of object reconstruction in a lateral respect, it is thus possible with the device according to the invention or the method according to the invention to read out the information about the three local object dimensions in an assignable manner.
Alternativ zu dem vorgeschriebenen iterativen Ausleseverfahren kann auch ein so genanntes Einzelschuss-Auslesen angewendet werden. Dabei kann das Hologramm mit allen Auslesewellenlängen gleichzeitig beleuchtet werden. Die abgebeugten Hologramme der einzelnen Wellenlängen werden dann räumlich getrennt und parallel mit vielen Sensoren insbesondere CCD-Arrays aufgenommen, wobei für jede Auslesewellenlänge ein zweidimensionales CCD-Array vorgesehen werden kann. Zur Trennung der von den Hologrammen gebeugten Lichtstrahlen können beispielsweise spektral selektive Optiken, insbesondere dichroische Spiegel und/oder Strahlteiler, oder Prismen oder optische Gitter eingesetzt werden.As an alternative to the prescribed iterative readout method, a so-called single-shot readout can also be used. The hologram can be illuminated simultaneously with all readout wavelengths. The diffracted holograms of the individual wavelengths are then spatially separated and recorded in parallel with many sensors, in particular CCD arrays, wherein a two-dimensional CCD array can be provided for each readout wavelength. To separate the light beams diffracted by the holograms, it is possible, for example, to use spectrally selective optics, in particular dichroic mirrors and / or beam splitters, or prisms or optical gratings.
Alternativ kann auch ein zweidimensionales CCD-Array eingesetzt werden, in der Art und Weise, dass auf verschiedene zweidimensionale Bereiche des CCD-Arrays die spektral verschiedenen Anteile des Lichts fallen, also jede Wellenlänge auf einen anderen Unterbereich des CCD-Arrays.Alternatively, it is also possible to use a two-dimensional CCD array in such a way that the spectrally different portions of the light fall onto different two-dimensional areas of the CCD array, ie each wavelength onto a different subarea of the CCD array.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung kann als optisch dickes Speichermedium ein Medium verwendet werden, dass einen so genannten photorefraktiven Effekt aufweist, insbesondere ein photorefraktiver Kristall, mit welchem aufgrund seiner Eigenschaft, nur Lichtintensitätsänderungen zu verzeichnen, ein gleichmäßig heller Hintergrund ausgeblendet werden kann, der beispielsweise durch die unnützen mehrfach gestreuten Photonen erzeugt wird, die die Kohärenzeigenschaft verloren haben. In alternativen Ausführungsvarianten kann auch ein photorefraktives Polymer oder ein holographischer Film verwendet werden.In a particularly advantageous embodiment of the present invention can be used as an optically thick storage medium, a medium having a so-called photorefractive effect, in particular a photorefractive crystal, with which due to its property to record only changes in light intensity, a uniformly bright background can be hidden which is generated for example by the useless multiply scattered photons, which have lost the coherence property. In alternative embodiments, a photorefractive polymer or a holographic film may also be used.
Als besonders vorteilhafte Anwendung für die vorliegende Erfindung kann der Einsatz in der biomedizinischen in-vivo Bildgebung genannt werden, da aufgrund der sehr kurzen Aufnahmezeiten die Gefahr eines Verwackelns des Bildes reduziert wird (kritische Zeitdauer ergibt sich aus Herzfrequenz des Patienten), dem Patienten damit darüber hinaus Unannehmlichkeiten wie beispielsweise langes Stillhalten erspart werden, und da das Verfahren unbedenklich bei Anwendungen am Menschen ist, weil nicht-ionisierende Strahlung verwendet wird. Demgegenüber birgt ionisierende Strahlung wie z. B. Röntgenstrahlung bekanntlich Krebsgefahr. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Objekt durch ein stark Licht streuendes Medium beleuchtet werden. Ferner kann auch das vom Objekt transmittierte oder reflektierte Licht durch ein stark Licht streuendes Medium geleitet werden. In der biomedizinischen Forschung und/oder Diagnostik kann das Objekt zudem beispielsweise durch ein Mikroskop oder Endoskop beleuchtet und/oder das vom Objekt transmittierte und/oder reflektierte Licht durch ein Mikroskop oder Endoskop geleitet werden.As a particularly advantageous application of the present invention, the use in the biomedical in-vivo imaging can be called because the risk of camera shake is reduced due to the very short recording times (critical time results from the patient's heart rate), the patient with it in addition to avoiding inconveniences such as long silence, and because the method is safe for human applications because non-ionizing radiation is used. In contrast, ionizing radiation such. B. X-rays, as is known, cancer. For the application of the method according to the invention, the object can be illuminated by a strongly light-scattering medium. Furthermore, the light transmitted or reflected by the object can also be conducted through a medium that scatters strongly light. In biomedical research and / or diagnostics, the object may also be illuminated, for example, by a microscope or endoscope, and / or the light transmitted and / or reflected by the object may be passed through a microscope or endoscope.
Ein alternatives vorteilhaftes Anwendungsbeispiel ergibt sich aus dem erfindungsgemäßen und weiter oben bereits erwähnten alternativen Verfahren, bei dem die Belichtungszeit länger gewählt wird, und während andauernder Belichtung und unabhängig davon selektiv einzelne Informationen ausgelesen werden, beispielsweise spektral selektierte Hologramme. Eine solche vorteilhafte Anwendung ist zum Beispiel ein Monitoring von länger andauernden Prozessen. Beispielhaft genannt werden soll hier die Analyse langfristiger Veränderungsprozesse von Zellkulturen.An alternative advantageous application example results from the alternative method according to the invention already mentioned above, in which the exposure time is selected to be longer, and during individual exposure and independently of which selectively individual information is read out, for example spectrally selected holograms. Such an advantageous application is, for example, a monitoring of longer-lasting processes. As an example, the analysis of long-term change processes of cell cultures should be mentioned.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren zu entnehmen.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in FIGS. Further features and advantages of the invention can be found in the description of the embodiments and the figures.
Es zeigen:Show it:
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in der schematischen Darstellung gemäß
Hierfür wird ein Halbleiterlaser
Eine derartige Ausführung der Lasereinheit ist aus dem Deutschen Patent mit Aktenzeichen
Wie in
Der Winkel θO zwischen Objektstrahl
Der Auslesevorgang beginnt bei der vorgestellten beispielhaften Ausführungsvariante nach Ende der Einzelschussbelichtung. Zum Auslesen der Bildinformation wird der Objektstrahl
Der Referenzstrahl
Ein zuvor vom Auslesestrahl
Eine günstige Variante der Verfahrensschritte der dreidimensionalen Einzelschussholographie ist in dem Flussdiagramm gemäß
Für die Schreibprozedur der vielfarbigen Hologramme wird die Lasereinheit
In einem nachfolgenden Schritt S2 wird das erzeugte Licht kollimiert und in die beiden Schreibstrahlen Referenzstrahl
Bei der Leseprozedur wird nunmehr ein Auslesestrahl
Für jedes Pixel des CCD-Array werden die bei den verschiedenen Wellenlängen sich ergebenden Intensitätswerte mittels einer Fourier-Rücktransformation in eine Tiefeninformation für diese Stelle, die das Pixel repräsentiert, umgerechnet, so dass sich für alle Pixel des CCD-Arrays ein repräsentatives Tiefenprofil ergibt, Schritt S9: Ermittlung der Tiefeninformationen durch Anwendung einer Fourier-Rücktransformation pro CCD-Array-Pixel. Die Tiefenprofile der einzelnen Pixel werden in einem weiteren Schritt S10 derart kombiniert, dass sich eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Abbildung des Objektes ergibt.For each pixel of the CCD array, the intensity values resulting at the different wavelengths are converted by means of a Fourier inverse transformation into a depth information for that location representing the pixel, so that a representative depth profile results for all the pixels of the CCD array. Step S9: Determine the depth information by applying a Fourier inverse transformation per CCD array pixel. The depth profiles of the individual pixels are combined in a further step S10 such that a reconstruction of the three-dimensional image of the object results.
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