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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Tiefenbestimmung eines Objektes.
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Zur Tiefenbestimmung eines Objektes, das heißt zur topographischen Erfassung wenigstens eines Teilbereiches des Objektes, kann ein optisches Muster auf eine Oberfläche des Objektes projiziert werden. Auf Basis des von der Oberfläche des Objektes reflektierten und aufgenommenen projizierten Musters kann eine Triangulation, das heißt eine Tiefenbestimmung des Objektes erfolgen.
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Ein bisher nach dem Stand der Technik nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist, dass das von der Oberfläche des Objektes reflektierte und aufgenommene projizierte Muster durch ein am Ort des Objektes vorherrschendes Umgebungslicht an Kontrast und Schärfe verliert. Dadurch wird die Tiefenbestimmung des Objektes erschwert oder gar unmöglich.
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Zur Verbesserung des oben genannten Problems wird versucht das Umgebungslicht mittels schmalbandiger optischer Filter wenigstens teilweise zu unterdrücken. Hieraus resultiert jedoch der Nachteil, dass annähernd die gesamte Leistung des für die Projektion vorgesehenen Lichtes in einem schmalen Frequenzintervall konzentriert ist. Gegebenenfalls sind dadurch entsprechende Sicherheitsmaßnahmen für einen Benutzer zu treffen.
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Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei einer Tiefenbestimmung von teiltransparenten Objekten, beispielsweise bei einer Tiefenbestimmung von organischem Gewebe. Organisches Gewebe weist typischerweise eine Volumenstreuung auf, die einen unerwünschten Untergrund ausbildet. Dadurch kann eine Verschmierung des optischen Musters erfolgen, sodass charakteristische Merkmale des projizierten optischen Musters derart verlaufen, dass ihre ursprünglichen Positionen in Bezug auf das projizierte Muster nur schwer erkannt werden können. Insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie, beispielsweise in der laparoskopischen Chirurgie, ist das Problem der Volumenstreuung von Bedeutung und nicht zu vernachlässigen.
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Zur Lösung dieses Problems schlägt der Stand der Technik vor, die Wellenlänge des für die Tiefenbestimmung vorgesehenen Lichtes auf das Objekt derart abzustimmen, dass die wellenlängenabhängige Volumenstreuung möglichst gering wird. Beispielsweise ist blaues Licht für eine Tiefenbestimmung der Leber von besonderem Vorteil. Hieraus resultiert jedoch der Nachteil, dass eine zur Tiefenbestimmung vorgesehene Lichtquelle an das Objekt angepasst werden muss und folglich die Wellenlänge nicht mehr frei wählbar ist. Weiterhin bleibt das Problem der Volumenstreuung bei farbcodierten Tiefenbestimmungen, aufgrund der Mehrzahl der verwendeten Wellenlängen, bestehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Tiefenbestimmung eines Objektes zu verbessern und insbesondere den Einfluss von Umgebungslicht auf die Tiefenbestimmung des Objektes zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Objektes umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen einer Erfassungsvorrichtung, einer Rechenvorrichtung und einer Projektionsvorrichtung, die wenigstens eine erste kohärente Lichtquelle umfasst;
- – Erzeugung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls mittels der Projektionsvorrichtung und der ersten kohärenten Lichtquelle;
- – Projektion eines aus dem Messstrahl erzeugten optischen Musters auf eine Oberfläche des Objektes mittels der Projektionsvorrichtung;
- – Überlagerung des von der Oberfläche reflektierten Messstrahls mit dem Referenzstrahl;
- – Aufnahme eines durch die Überlagerung erzeugten ersten Abbildes mittels der Erfassungsvorrichtung;
- – Aufnahme eines zweiten Abbildes mittels der Erfassungsvorrichtung; und
- – Tiefenbestimmung des Objektes mittels einer Auswertung des ersten und zweiten Abbildes durch die Rechenvorrichtung, wobei für die Aufnahme des zweiten Abbildes:
- – anstatt der ersten kohärenten Lichtquelle eine zu dieser inkohärente zweite kohärente Lichtquelle zur Erzeugung des Messstrahls und des Referenzstrahls verwendet wird; oder
- – die Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl der ersten kohärenten Lichtquelle mittels eines Phasenschiebers geändert wird.
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Hierbei werden Lichtstrahlen, insbesondere der Messstrahl und der Referenzstrahl, als eine dem Fachmann bekannte beschreibende Modellvorstellung eines realen räumlich ausgedehnten Lichtbündels angesehen.
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Als eine kohärente Lichtquelle wird hier eine Lichtquelle angesehen, die ein kohärentes Licht mit einer derartigen Kohärenzlänge erzeugt, dass dieses interferenzfähig ist. Insbesondere erzeugen die erste und zweite kohärente Lichtquelle ein kohärentes Licht mit einer derartigen Kohärenzlänge, dass eine Überlagerung, das heißt eine Interferenz, zwischen dem vom Objekt reflektierten Messstrahl und dem Referenzstrahl ermöglicht wird.
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Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor der Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes eine Überlagerung des von der Oberfläche des Objektes reflektierten Messstrahls mit dem Referenzstrahl. Dadurch wird vorteilhafterweise für jede Aufnahme ein Interferenzmuster erzeugt, welches aus der wellenoptischen Überlagerung des reflektierten Messstrahls und des Referenzstrahls gebildet wird. Vorteilhafterweise ermöglicht das kohärente Licht der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle die Überlagerung, das heißt die Interferenz zwischen dem von der Oberfläche des Objektes reflektierten Messstrahl und dem Referenzstrahl.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Aufnahme des zweiten Abbildes mittels der zweiten kohärenten Lichtquelle oder mittels der ersten kohärenten Lichtquelle, wobei dann mittels des Phasenschiebers die Phasendifferenz zwischen dem mittels der ersten kohärenten Lichtquelle erzeugten Messstrahl und dem Referenzstrahl verändert wird. Mit anderen Worten erfolgt vor der Aufnahme des ersten Abbildes zur Aufnahme des zweiten Abbildes stets eine Änderung der Überlagerung, wobei die Änderungen mittels des Phasenschiebers oder mittels der Verwendung einer zur ersten kohärenten Lichtquelle verschiedenen kohärenten Lichtquelle (zweite kohärente Lichtquelle) erfolgt.
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Aufgrund der Reflexion des Messstrahls an der Oberfläche des Objektes weist der reflektierte Messstrahl kohärente sowie inkohärente Anteile auf. Allein der kohärente Anteil des reflektierten Messstrahls trägt maßgeblich zur Interferenz bei. Dadurch ändern sich vom ersten Abbild zum zweiten Abbild hauptsächlich die Bereiche innerhalb der Abbilder, die jeweils durch kohärente Überlagerung gebildet wurden. Die inkohärenten Anteile, beispielsweise das inkohärente Umgebungslicht, welches auch auf den Abbildern durch Aufnahme gebildet wird, und/oder das innerhalb eines Volumens des Objektes gestreute Licht des Messstrahls (Volumenstreuung), ändern sich hingegen vom ersten zum zweiten Abbild im Mittel nicht. Hierbei ist das volumengestreute Licht des Messstrahls deshalb inkohärent, da es aufgrund der mehrfachen Streuung innerhalb des Volumens des Objektes keinen festen Bezug mehr zu seiner ursprünglichen Phase aufweist.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, die kohärenten Anteile von den inkohärenten Anteilen, beispielsweise vom Umgebungslicht und/oder vom Anteil des innerhalb des Volumen des Objektes gestreuten Lichtes (Volumenstreuung), durch die Auswertung des ersten und zweiten Abbildes, die mittels der Rechenvorrichtung erfolgt, zu trennen. Die kohärenten Anteile sind jedoch hauptsächlich durch das projizierte optische Muster bestimmt, sodass insgesamt eine bessere Erkennung des optischen Musters und folglich eine verbesserte Tiefenbestimmung des Objektes erfolgen kann.
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Zusammenfassend interferieren das Umgebungslicht und das volumengestreute Licht des Messstrahls nicht mit dem Referenzstrahl. Dadurch bleibt der inkohärente Anteil des Lichtes bei der Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes im Mittel annähernd konstant. Der kohärente Anteil hingegen ändert sich aufgrund der Überlagerung zwischen dem ersten und dem zweiten Abbild, sodass dieser durch eben diese genannte Änderung bei der Auswertung erkannt werden kann. Folglich wird die Tiefenbestimmung bei Umgebungslicht und/oder bei halbtransparenten Objekten, insbesondere bei organischem Gewebe, verbessert. Insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie, beispielsweise in der Laparoskopie, ist dies von besonderem Vorteil.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst:
- – eine Erfassungsvorrichtung, eine Rechenvorrichtung und eine Projektionsvorrichtung, die wenigstens eine erste kohärente Lichtquelle umfasst;
- – wobei die Projektionsvorrichtung einen ersten Strahlteiler umfasst, der mittels der ersten kohärenten Lichtquelle zur Erzeugung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls ausgebildet ist;
- – wobei die Projektionsvorrichtung weiterhin zur Projektion eines mittels des Messstrahls erzeugten optischen Musters auf eine Oberfläche eines Objektes ausgebildet ist;
- – wobei ein zweiter Strahlteiler vorgesehen ist, der eine Überlagerung des von der Oberfläche des Objektes reflektierten Messstrahls und des Referenzstrahls ermöglicht;
- – wobei die Erfassungsvorrichtung zur Aufnahme eines durch die Überlagerung erzeugten ersten Abbildes und eines zweiten Abbildes ausgebildet ist;
- – wobei die Rechenvorrichtung zur Auswertung des ersten und zweiten Abbildes zur Tiefenbestimmung des Objektes ausgebildet ist;
und die Vorrichtung eine zur ersten kohärenten Lichtquelle inkohärente zweite kohärente Lichtquelle oder einen Phasenschieber umfasst, - – wobei die zweite kohärente Lichtquelle für die Aufnahme des zweiten Abbildes vorgesehen ist; oder
- – wobei der Phasenschieber zur Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl der ersten kohärenten Lichtquelle ausgebildet ist.
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Es ergeben sich zum bereits genannten Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei der Auswertung des ersten und zweiten Abbildes eine Subtraktion des ersten und zweiten Abbildes.
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Als Subtraktion des ersten und zweiten Abbildes wird die Erzeugung eines Differenzabbildes bezeichnet, das sich beispielsweise durch Bildung des Betrages der Differenz der beiden Abbilder ergibt. Hierbei liegen die Abbilder beispielsweise als Intensitätsabbilder in der Rechenvorrichtung vor. Mit anderen Worten können das erste und zweite Abbild als eine Matrix von Intensitätswerten vorliegen. Die genannten Intensitätswerte werden dann mittels der Rechenvorrichtung voneinander subtrahiert. Da diejenigen Intensitätswerte, die dem inkohärenten Anteil des Lichtes entsprechen, annähernd im Mittel konstant bleiben, fallen diese bei der Bildung der Subtraktion heraus oder werden wenigstens deutlich reduziert. Die Intensitätswerte, die dem kohärenter Anteil des Lichtes und somit im Wesentlichen dem optischen Muster entsprechen, verbleiben dagegen im Differenzabbild und können sogar aufgrund der Interferenz verstärkt werden. Mit anderen Worten bildet das durch die Subtraktion gebildete Differenzabbild ein vom Umgebungslicht und vom volumengestreuten Anteil des projizierten Lichtes (inkohärenter Anteil) bereinigtes Abbild des projizierten optischen Musters aus, welches eine verbesserte Tiefenbestimmung des Objektes ermöglicht.
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Eine Änderung des kohärenten Anteils kann sich zudem durch eine Bewegung und/oder Vibration des Objektes ergeben. Hierbei sind/ist eine Bewegung und/oder eine Vibration des Objektes im Bereich der Wellenlänge des von der ersten oder zweiten Lichtquelle erzeugten Lichtes von besonderem Vorteil. Beispielsweise liegt die Bewegung und/oder Vibration des Objektes im Bereich von Mikrometern. Eine solche vorteilhafte natürliche Bewegung und/oder Vibration und eine dadurch verbundene Änderung des kohärenten Anteils ist beispielsweise bei organischem Gewebe, insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie, gegeben. Vorteilhafterweise erfolgt durch die Bewegung und/oder Vibration des Objektes eine Phasenverschiebung und folglich eine Änderung der Überlagerung des Messstrahls und des Referenzstrahls. Der Änderung der Überlagerung entsprechend erfolgt einer Änderung von dem ersten zum zweiten Abbild, welche wiederum bei der Auswertung der Abbilder berücksichtigt wird, beispielsweise durch Bildung des Differenzabbildes. Mit anderen Worten bildet das Objekt selbst den Phasenschieber oder einen weiteren Phasenschieber aus.
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Generell können die für die Auswertung und der Tiefenbestimmung des Objektes relevanten Bereiche des Abbildes, insbesondere des Differenzabbildes, sich durch die konstruktive oder destruktive Interferenz in ihrer Intensität verstärken oder reduzieren. Es ist daher zweckmäßig die Überlagerung zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl derart anzupassen, dass für die genannten relevanten Bereiche des Differenzabbildes eine maximale konstruktive oder destruktive Interferenz der beiden genannten Strahlen vorliegt. Dadurch wird die Erkennbarkeit der Änderung zwischen dem ersten und zweiten Abbild und folglich die Erkennbarkeit des optischen Muster verbessert. Für die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses kann zudem die Aufnahme einer Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Abbildern sowie deren Auswertung vorgesehen sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein zufälliges oder codiertes optisches Punktmuster als optisches Muster verwendet.
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Vorteilhafterweise ermöglicht ein optisches Punktmuster eine bevorzugte Überlagerung des Messstrahls mit dem Referenzstrahl. Das ist deshalb der Fall, da sich die Position eines Punktes des Punktmusters innerhalb des optischen Punktmusters bei der Reflexion am Objekt nur geringfügig ändert. Dadurch ergeben sich nur geringe optische Weglängenunterschiede, sodass eine annähernd konstruktive Überlagerung der Punkte innerhalb des ersten und zweiten Abbildes erfolgt. Dadurch wird vorteilhafterweise die Tiefenbestimmung des Objektes weiter verbessert. Überdies ermöglicht es die Zufälligkeit oder die Codierung des optischen Punktmusters, die Lage der einzelnen Punkte innerhalb des reflektierten Punktmusters relativ zum projizierten Punktmuster zu bestimmen und folglich das Zuordnungsproblem bei der Tiefenbestimmung des Objektes zu lösen oder wenigstens zu verbessern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein farbcodiertes optisches Muster als optisches Muster verwendet.
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Mit anderen Worten erfolgt vorteilhafterweise eine farbcodierte Triangulation des Objektes. Besonders bevorzugt ist es hierbei, einen Laserprojektor zu verwenden, der wenigstens die Farben Rot, Grün und Blau aufweist (RGB-Laserprojektor). Zur Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes kann hierbei eine Drei-Chip-Kamera vorgesehen sein. Mit anderen Worten umfasst die Erfassungsvorrichtung eine Drei-Chip-Kamera.
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Es ist besonders bevorzugt das erste und zweite Abbild in zeitlichem Abstand zueinander aufzunehmen.
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Dadurch kann vorteilhafterweise eine Anpassung der Phasendifferenz innerhalb des Zeitintervalls zwischen der Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes erfolgen. Zudem wird ein Umschalten zwischen der ersten und zweiten kohärenten Lichtquelle ermöglicht. Besonders bevorzugt kann der zeitliche Abstand auf die Bewegung und/oder Vibration des Objektes angepasst sein. Mit anderen Worten werden das erste und das zweite Abbild in einem derart großen zeitlichen Abstand zueinander aufgenommen, dass die Änderung der Position des Objektes im Bereich halb- oder ganzzahliger Vielfache der Wellenlänge des projizierten Lichtes liegt. Dadurch bildet sich eine vorteilhafte Überlagerung zwischen dem reflektierten Messstrahl und dem Referenzstrahl aus, die sich zwischen der Aufnahme des ersten Abbildes und der Aufnahme des zweiten Abbildes merklich ändert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes mit der Verwendung der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle mittels einer Steuervorrichtung synchronisiert.
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Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise ein Ein- oder Ausschalten der ersten und/oder zweiten kohärenten Lichtquelle mit der Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes synchronisiert. Beispielsweise wird die erste kohärente Lichtquelle eingeschaltet und das erste Abbild aufgenommen. Anschließend wird mittels der Steuervorrichtung die erste kohärente Lichtquelle ausgeschaltet und die zweite kohärente Lichtquelle eingeschaltet und das zweite Abbild mittels der Erfassungsvorrichtung aufgenommen. Mit anderen Worten ermöglicht die Steuervorrichtung eine vorteilhafte Steuerung der ersten und/oder zweiten kohärenten Lichtquelle und der Erfassungsvorrichtung.
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Weiterhin kann bevorzugt die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes mit der Änderung der Phasendifferenz mittels einer Steuervorrichtung synchronisiert werden.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes an die Änderungen der Phasendifferenz angepasst. Beispielsweise ermöglicht die Steuervorrichtung eine Steuerung des Phasenschiebers, sodass eine gewünschte und vorteilhafte Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl erfolgt. Hierbei kann die Änderung der Phasendifferenz sowie ein Aufnahme einer Mehrzahl von entsprechenden Abbildern im Wesentlichen kontinuierlich erfolgen (Abbilderfolge). Dadurch wird es möglich die Änderung der Interferenz von der destruktiven bis hin zur konstruktiven Interferenz annähernd kontinuierlich zu erfassen. Beispielsweise kann hierzu die Phasendifferenz periodisch mit einer Referenzfrequenz moduliert werden, sodass mittels der Auswertung einer Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Abbildern, insbesondere einer Sequenz von ersten und/oder zweiten Abbildern (Abbilderfolge), und mittels eines Lock-In-Verfahrens besonders schwache Signale innerhalb der Abbilder erkannt werden können. Das ist deshalb der Fall, da die Abbilderfolge mittels eines Filters, dessen Durchlassbereich hauptsächlich im Bereich der Referenzfrequenz liegt, gefiltert werden kann, sodass Anteile, die von der genannten Referenzfrequenz abweichen, beispielsweise Rauschanteile, unterdrückt werden können.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein erster Laser als erste kohärente Lichtquelle und/oder ein zweiter Laser als zweite kohärente Lichtquelle verwendet.
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Vorteilhafterweise weist das Licht eines Lasers, insbesondere des ersten und zweiten Lasers, eine zeitlich große Kohärenz auf. Typischerweise liegt die Kohärenzlänge des Lichtes eines Lasers im Bereich von mehreren Metern. Zudem weist das Licht eines Lasers eine sehr hohe räumliche Kohärenz auf. Aufgrund der hohen zeitlichen und räumlichen Kohärenz des Lichtes eines Lasers sind Laser als erste und/oder zweite kohärente Lichtquelle besonders bevorzugt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Piezotranslator oder eine Pockels-Zelle als Phasenschieber verwendet.
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Vorteilhafterweise ermöglicht ein Piezotranslator oder eine Pockels-Zelle eine Anpassung und Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl. Hierbei durchläuft bevorzugt der Referenzstrahl den Piezotranslator oder die Pockels-Zelle. Ein Vorteil der Pockels-Zelle ist, dass das Licht der ersten kohärenten Lichtquelle in seiner Phase kontinuierlich angepasst oder moduliert werden kann. Insbesondere ist zudem eine Anpassung oder Modulation der Polarisation und/oder Intensität möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste und/oder zweite Strahlteiler als Teilerspiegel ausgebildet.
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Vorteilhafterweise ermöglicht der Teilerspiegel eine einfache und kostengünstige Aufspaltung des von der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle ausgehenden Lichtes in den Messstrahl und den Referenzstrahl. Ein Anteil des von der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle ausgehenden Lichtes wird durch den Teilerspiegel reflektiert. Ein weiterer Anteil wird transmittiert. Beispielsweise bildet der reflektierte Anteil den Messstrahl und der transmittierte Anteil den Referenzstrahl aus. Weitere optische Strahlteiler zur Aufteilung des von der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle ausgehenden Lichtes in den Messstrahl und den Referenzstrahl können vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
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1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die einen Phasenschieber umfasst;
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2 eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine erste und zweite kohärente Lichtquelle umfasst; und
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3 eine exemplarische Verdeutlichung der Auswertung eines ersten und zweiten Abbildes.
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Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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Die in den Figuren dargestellten Strahlenverläufe von Lichtstrahlen sind exemplarisch und entsprechend nicht zwingend den physikalisch realen Gegebenheiten.
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1 zeigt die Vorrichtung 1, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Projektionsvorrichtung 4, eine Erfassungsvorrichtung 2 und eine Rechenvorrichtung 3. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Steuervorrichtung 12.
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Die Projektionsvorrichtung 4 umfasst eine erste kohärente Lichtquelle 41, einen ersten Strahlteiler 44, eine Fokussierlinse 46, weitere Linsen 48 und ein diffraktives optisches Element 49 (DOE).
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Zudem umfasst die Vorrichtung 1 eine optische Faser 6, insbesondere eine Einzelmodenfaser (engl. Single-Mode Optical Fiber), und einen Phasenschieber 8.
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Ein kohärentes Licht der ersten kohärenten Lichtquelle 41 wird mittels des ersten Strahlteilers 44 in einen Messstrahl 101 sowie einen Referenzstrahl 102 aufgeteilt. Hierbei ist die erste kohärente Lichtquelle 41 als ein erster Laser ausgebildet. Der erzeugte Messstrahl 101 wird mittels der weiteren Linsen 48 und mittels des diffraktiven optischen Elementes 49 zu einem optischen Punktmuster 104 geformt. Hierbei erfolgt die Formung oder Bildung des optischen Punktmusters 104 diffraktiv, das heißt durch Beugung des Messstrahls 101 am diffraktiven optischen Element 49. Das durch das diffraktive optische Element 49 erzeugte Punktmuster 104 wird anschließend auf eine Oberfläche eines für die Tiefenbestimmung vorgesehenen Objektes 10 mittels der Projektionsvorrichtung 4 projiziert.
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Zur Aufnahme des von der Oberfläche des Objektes 10 reflektierten Messstrahls 105 (reflektiertes Punktmuster) weist die Erfassungsvorrichtung 2 wenigstens eine Linse 26 sowie einen zweiten Strahlteiler 24 und eine Kamera 22 auf.
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Mittels des ersten Strahlteilers 44 wird der Referenzstrahl 102 aus dem Licht der ersten kohärenten Lichtquelle 41 gebildet. Der Referenzstrahl 102 wird nach dem ersten Strahlteiler 44 mittels der Fokussierlinse 46 auf den Eingang der optischen Faser 6 fokussiert. Mittels der optischen Faser 6 wird der Referenzstrahl 102 zum Phasenschieber 8 geführt. Der Phasenschieber 8 ist am Ausgang der optischen Faser 6 angeordnet. Der Referenzstrahl 102 durchläuft den Phasenschieber 8. Mittels des Phasenschiebers 8 wird die Phase des Referenzstrahl 102 geändert oder verschoben, sodass sich die Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101 und dem Referenzstrahl 102 und/oder zwischen dem reflektierten Messstrahl 105 und dem Referenzstrahl 102 ändert.
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Vor einer Aufnahme eines ersten und zweiten Abbildes mittels der Kamera 22 wird der nach dem Phasenschieber 8 in seiner Phase verschobene Referenzstrahl 102 mit dem von der Oberfläche des Objektes 10 reflektierten Messstrahl 105 in einem Bereich 110 zur Überlagerung 111 gebracht. Mit anderen Worten erfolgt die Überlagerung 111 des reflektierten Messstrahls 105 und des Referenzstrahls 102 vor der Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes. Hierzu wird der Referenzstrahl 102 am zweiten Strahlteiler 24 der Erfassungsvorrichtung 2 reflektiert. Der vom Objekt 10 reflektierte Messstrahl 105 wird am zweiten Strahlteiler 24 der Erfassungsvorrichtung 2 dagegen hauptsächlich transmittiert.
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Zur Aufnahme des ersten Abbildes wird mittels des Phasenschiebers 8 eine Phase, das heißt eine Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 festgelegt. Zur Aufnahme des zweiten Abbildes wird die Phase des Referenzstrahls 102 gegenüber der Phase des Messstrahls 101, 105 mittels des Phasenschiebers 8 verändert. Mit anderen Worten wird die Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 geändert. Da die genannte Änderung der Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Abbild für den inkohärenten Anteil nicht relevant ist, ist dieser im Mittel im ersten und zweiten Abbild gleich. Der kohärente Anteil im ersten und zweiten Abbild ist dagegen auf die Veränderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 empfindlich, sodass eine merkliche Änderung zwischen dem ersten und zweiten Abbild erfolgt. Folglich ändert sich durch die Änderung der Phasendifferenz annähernd ausschließlich der kohärente Anteil innerhalb des ersten und zweiten Abbildes merklich. Dadurch kann vorteilhafterweise der kohärente Anteil, der im Wesentlichen dem projizierten optischen Punktmuster 104 entspricht, durch seine Änderung vom ersten zum zweiten Abbild erkannt werden, wodurch die Tiefenbestimmung des Objektes 10 verbessert wird.
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Für eine Synchronisation der Aufnahmen des ersten und/oder zweiten Abbildes und der Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 mittels des Phasenschiebers 8 ist die Steuervorrichtung 12 vorgesehen. Die Steuervorrichtung 12 kann elektronisch mit dem Phasenschieber 8, der Kamera 22 sowie der Rechenvorrichtung 3 verbunden sein. Weiterhin kann die Kamera 22 mit der Rechenvorrichtung 3, die eine Auswertung des ersten und zweiten Abbildes, insbesondere eine Subtraktion des ersten und zweiten Abbildes, ermöglicht, elektronisch verbunden sein.
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2 zeigt exemplarisch die weitere Vorrichtung 1, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Die weitere Vorrichtung 1 umfasst eine Projektionsvorrichtung 4, eine Erfassungsvorrichtung 2, eine Rechenvorrichtung 3 sowie eine Steuervorrichtung 12. Die Projektionsvorrichtung 4 umfasst im Unterschied zur 1 eine erste und zweite kohärente Lichtquelle 41, 42.
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Grundsätzlich ist das Verfahren bezüglich der ersten oder zweiten Lichtquelle 41, 42 vergleichbar mit dem bereits in 1 beschriebenen Verfahren. Im Unterschied zu 1 wird anstatt einer mittels des Phasenschiebers 8 erzeugten Phasendifferenz zwischen einem Messstrahl 101, 105 und einem Referenzstrahl 102 eine hierzu vergleichbare Phasendifferenz durch die Verwendung der zweiten kohärenten Lichtquelle 42 ermöglicht.
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Hierbei ist das von der ersten kohärenten Lichtquelle 41 erzeugte Licht inkohärent zu dem Licht der zweiten kohärenten Lichtquelle 42. Das ist deshalb der Fall, da zwischen der ersten und zweiten kohärenten Lichtquelle 41, 42 keine feste Phasenbeziehung vorliegt. Mit anderen Worten werden zwei bezüglich ihrer Phase voneinander unabhängige kohärente Lichtquellen 41, 42 verwendet. Insbesondere sind die kohärenten Lichtquelle 41, 42 als Laser ausgebildet. Jede der kohärenten Lichtquellen 41, 42 erzeugt für die Aufnahme eines Abbildes mittels eines ersten Strahlteilers 44 einen Messstrahl 101 und einen Referenzstrahl 102. Mit anderen Worten wird ein von den kohärenten Lichtquellen 41, 42 erzeugtes kohärentes Licht in jeweils einen Messstrahl 101 und einen Referenzstrahl 102 aufgeteilt.
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Der Messstrahl 101 der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle 41, 42 wird jeweils mittels Linsen 48 sowie mittels eines diffraktiven optischen Elementes 49 (DOE) in ein optisches Punktmuster 104 gewandelt. Das optische Punktmuster 104 wird mittels der Projektionsvorrichtung 4 auf die Oberfläche des Objektes 10 projiziert. Das von der Oberfläche des Objektes 10 reflektierte Punktmuster beziehungsweise der von der Oberfläche des Objektes 10 reflektierte Messstrahl 105 wird über eine Linse 26 sowie einen zweiten Strahlteiler 24 der Erfassungsvorrichtung 2 mittels einer Kamera 22 erfasst.
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Für die Aufnahme des ersten Abbildes ist die erste kohärente Lichtquelle 41 vorgesehen, sodass für die Aufnahme des ersten Abbildes der Messstrahl 101, 105 und der Referenzstrahl 102 mittels der ersten kohärenten Lichtquelle 41 erzeugt werden. Für die Aufnahme des zweiten Abbildes ist hingegen die zweite kohärente Lichtquelle 42 vorgesehen, sodass für die Aufnahme des zweiten Abbildes der Messstrahl 101, 105 und der Referenzstrahl 102 nun mittels der zweiten kohärenten Lichtquelle 42 erzeugt werden. Insbesondere wird für das erste Abbild die erste kohärente Lichtquelle 41 eingeschaltet und die zweite kohärente Lichtquelle 42 ausgeschaltet. Für die Aufnahme des zweiten Abbildes wird die erste kohärente Lichtquelle 41 ausgeschaltet und die zweite kohärente Lichtquelle 42 eingeschaltet.
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Der Referenzstrahl 102 wird mittels einer Fokussierlinse 46 auf einen Eingang einer optischen Faser 6, insbesondere einer optischen Einzelmodenfaser, fokussiert. Hierbei führt die optische Faser 6 den Referenzstrahl 102 in einen Bereich 110, der vor der Kamera 22 angeordnet und für eine Überlagerung 111 des reflektierten Messstrahls 105 mit dem Referenzstrahls 102 vorgesehen ist. Mit anderen Worten erfolgt vor und für die Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes mittels der Kamera 22 jeweils eine Überlagerung 111, das heißt eine Interferenz zwischen dem reflektierten Messstrahl 105 und dem Referenzstrahl 102.
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Da die kohärenten Lichtquellen 41, 42 keine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen, ergibt sich zwischen der Aufnahme des ersten Abbildes und der Aufnahme des zweiten Abbildes eine Phasendifferenz. Durch die genannte Phasendifferenz ändern sich zwischen dem ersten Abbild und dem zweiten Abbild die Anteile der Abbilder, die mittels eines kohärenten Anteils des reflektierten Messstrahls 105 gebildet wurden. Der kohärente Anteil entspricht aber im Wesentlichen dem projizierten Punktmuster 104, sodass dieses durch die Änderung zwischen dem ersten und zweiten Abbild bevorzugt erkannt werden kann. Ein inkohärente Anteil des reflektierten Messstrahls 105, der beispielsweise durch Umgebungslicht oder einer Volumenstreuung innerhalb des Objektes 10 gebildet ist, bleibt im Mittel zwischen dem ersten und zweiten Abbild gleich. Dadurch kann der inkohärente Anteil, beispielsweise durch Bildung eines Differenzabbildes (Subtraktion des ersten und zweiten Abbildes), bei einer Auswertung durch die Rechenvorrichtung 12 herausfallen oder deutlich reduziert werden. Vorteilhafterweise wird somit der für die Auswertung relevante kohärente Anteil aus einem Untergrund (inkohärenter Anteil) herausgefiltert.
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Für eine Synchronisation, insbesondere für das Ein- und/oder Ausschalten der ersten und zweiten kohärenten Lichtquelle 41, 42, ist die Steuervorrichtung 12 vorgesehen. Die Steuervorrichtung 12 kann mit der Rechenvorrichtung 3 sowie der Kamera 22 elektronisch verbunden sein. Ferner ist die Kamera 22 zur Auswertung des ersten und zweiten Abbildes mit der Rechenvorrichtung 3 elektronisch verbunden. Die Steuervorrichtung 12 ermöglicht, beispielsweise in Verbindung mit der Rechenvorrichtung 3, ein Umschalten zwischen der ersten kohärenten Lichtquelle 41 und der zweiten kohärenten Lichtquelle 42.
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In 3 ist eine Auswertung mittels einer Subtraktion 642 exemplarisch dargestellt. Hierbei wird die Subtraktion 642 mittels eines ersten Abbildes 610 und eines zweiten Abbildes 620 ausgebildet, wodurch ein Differenzabbild 630 gebildet wird.
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Das erste Abbild 610 sowie das zweite Abbild 620 können als Matrizen von Intensitätswerten in einem Speicher der Rechenvorrichtung 3 vorliegen. Mit anderen Worten wird das erste und zweite Abbild 610, 620 durch eine Mehrzahl von Pixel ausgebildet, wobei jedem Pixel wenigstens ein Intensitätswert zugeordnet ist. Der Intensitätswert korrespondiert zur Intensität des mittels der Kamera 22 aufgenommen Lichtes.
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Beispielsweise erfolgt die Reflexion des Messstrahls 101 an einem organischen Gewebe, sodass eine Volumenstreuung des Messstrahls 101 auftritt. Dadurch weist der reflektierte Messstrahl 105 insbesondere einen inkohärenten Anteil 612 auf. Ein kohärenter Anteil 611 des reflektierten Messstrahls 105, der im Wesentlichen hier einem Teilbereich eines Punktemusters entspricht, ist durch zwei benachbarte ellipsenförmige Bereiche gebildet.
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Aufgrund der Änderung der Phasendifferenz zwischen der Aufnahme des ersten Abbildes 610 und der Aufnahme des zweiten Abbildes 620, weisen die jeweiligen kohärenten Anteile 611, 621 verschiedene Werte bezüglich ihrer Intensitäten auf. Die jeweiligen inkohärenten Anteile 612, 622 sind hingegen in den Abbildern 610, 620 annähernd gleich.
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Mittels der Subtraktion 642 des ersten und zweiten Abbildes 610, 620, die mittels der Rechenvorrichtung 3 erfolgt, fällt der annähernd gleichbleibende inkohärente Anteil 612, 622 aus dem Differenzabbild 630 heraus. Mit anderen Worten ist ein inkohärenter Anteil 632 des Differenzabbildes 630 annähernd gleich Null. Kohärente Anteile 631 des Differenzabbildes 630, die aus den kohärenten Anteilen 611, 621 gebildet sind, können hingegen deutlich verstärkt werden. Mit anderen Worten wachsen die kohärenten Anteile 631 des Differenzabbildes 630, die dem projizierten Punktmuster 104 im Wesentlichen entsprechen, aus dem inkohärenten Anteil 632, das heißt aus dem Untergrund heraus. Dadurch wird vorteilhafterweise die Tiefenbestimmung des Objektes 10 verbessert und das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
