DE102018004078A1 - Verfahren zur strukturierten Beleuchtung - Google Patents

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Andreas Stark
Richard Kowarschik
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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, kohärente Muster wiederholbar und in schneller Folge zu produzieren. Durch Vorwissen über die konkrete Struktur der zu erzeugenden Muster lassen sich bereits bestehende Verfahren, wie z.B. in der 3D-Objektvermessung oder in der Mikroskopie, vereinfachen.Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung von wiederholbaren, kohärenten Mustern gelöst, bei dem das von wenigstens einer Lichtquelle stammende Licht durch wenigstens ein weiteres Element wiederholt dieselbe Phasenänderung der Wellenfront erfahren kann. Durch die Verwendung mehrerer wellenfrontverändernder Elemente, kann eine beliebige Zahl verschiedener, kohärenter Muster erzeugt werden. Durch geeignete optische Schalter und/oder Spiegelsysteme und/oder andere Komponenten können diese Elemente angesteuert werden. Die entstehenden Muster sind somit mehrfach wiederholbar. Dabei wird erfindungsgemäß das, die kohärenten Muster erzeugende, Lichtbündel durch ein oder mehrere bestimmte phasenverändernde Elemente geleitet, um so eine bestimmte und wiederholbare Phasenveränderung entlang der Wellenfront des Lichtbündels zu erreichen. Diese Phasenveränderung führt zur Ausbildung wiederholbarer, kohärenter Muster, ggf. objektiver Speckles.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung wiederholbarer, kohärenter Muster zur Beleuchtung von Objekten und Objektstrukturen bei der 3D-Vermessung. Dies kann makroskopisch bis zu einigen Quadratmetern im Messvolumen oder mikroskopisch im Bereich von Quadratmikrometern erfolgen.
  • In vielen Bereichen von Technik und Wissenschaft sind optische 3D-Messsysteme erforderlich. Sie werden beispielsweise für die Qualitätskontrolle in Fließbandanwendungen, biometrischen Aufzeichnungen sowie bei architektonischen und kunsthistorischen Bestandsaufnahmen, Archivierung, Rekonstruktion und Replikation verwendet. Allerdings befinden sich die Messobjekte in vielen Anwendungsfeldern oft in für die 3D-Vermessung ungünstigem Umgebungslicht.
  • Bekannt sind Verfahren zur hochgenauen (relative Messunsicherheit < 10-4) und dichten 3D-Vermessung von Objekten unter Verwendung strukturierter Beleuchtung. Dazu zählen beispielsweise Verfahren der Streifenprojektion (W. Schreiber and G. Notni: Theory and arrangements of self-calibrating whole-body three-dimensional measurement systems using fringe projection technique, Optical Engineering 39, 2000, 159-169; J-Gühring, Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, video-metrics and optical methods for 3D shape measurement 4309, 2011, 220-231) oder Verfahren unter Verwendung statistischer Muster ( DE 196 23 172 C1 ; A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik; Human face measurement by projecting bandlimited random patterns; Optics Express 14, 2006, 7692-7698). Viele der genannten Verfahren verwenden als Leuchtmittel zur Projektion der Muster typischerweise Weißlichtquellen, die ihre gesamte optische Leistung auf einen breiten Spektralbereich verteilen, respektive kurze Kohärenzlängen besitzen. Allerdings ist die Schärfentiefe inkohärenter Verfahren immer durch die Abbildungseigenschaften der abbildenden Optik, hauptsächlich durch die Projektionsoptik, begrenzt. Zudem leidet die Qualität der Messverfahren erheblich unter der Anwesenheit von Streu- und Umgebungslicht, das ohne erheblichen Mehraufwand nicht unterdrückt werden kann.
  • Des Weiteren wurden auch Laser als Leuchtmittel für Verfahren unter Verwendung statistischer Muster eingesetzt (M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik; Highspeed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acustooptical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097-3099). Bei dieser Methode wird die kohärente Beleuchtung durch den Laser genutzt, um die Musterstrukturen schnell (f> 200 kHz) erzeugen zu können. Dabei sind allerdings zwei Kameras nötig bzw. zwei standortunterschiedliche Bildansichten. Eine Reduktion des Aufbaus durch die Bekanntheit der Muster auf nur eine Kamera ist dabei nicht möglich.
  • In diesem Zusammenhang ist bereits vorgeschlagen worden, durch spektrale Filterung das Umgebungslicht vom Signal zu trennen, um insbesondere bei ungünstigen Lichtverhältnissen beispielsweise durch grelle Sonneneinstrahlung bei Außenvermessungen bessere Ergebnisse zu erzielen ( DE 10 2012 001 307 A1 ). Hierbei geht es allerdings nicht um wiederholbare Muster, was die Möglichkeit, bei dem Messverfahren nur mit einer Kamera auszukommen, ausschließt.
  • Weiterhin sind Verfahren des Laserscannens bekannt ( DE 10 2006 060 108 A1 , DE 198 06 288 A1 ), die im Außenbereich und damit ebenfalls in Szenarien, welche potentiell durch starkes Umgebungslicht geprägt sind, eingesetzt werden. Jedoch weisen diese im Vergleich zu Verfahren mit flächiger, strukturierter Beleuchtung eine längere Messzeit, geringere Punktdichte und höhere Messunsicherheit auf und sind damit für eine sehr schnelle und hochgenaue 3D-Rekonstruktion nicht geeignet. Da diese Verfahren sequentiell Messpunkte erfassen, repräsentiert die Messung keinen exakten Zeitpunkt, und sich verändernde Messobjekte/-szenarien werden fehlerhaft erfasst. Außerdem werden diese Verfahren oftmals für größere Entfernungen verwendet und besitzen ein Eindeutigkeitsintervall, welches die räumliche Tiefenausdehnung nachteilig beschränkt und eine Adaption an Nahbereichsanwendungen nicht zulässt.
  • Es sind ferner Verfahren zur 3D-Vermessung bekannt, bei denen durch die Verwendung vorher bekannter Muster nur eine Kamera zur Erfassung der 3D-Information verwendet wird ( EP 2 437 026 A1 ). Hierbei wird ausgenutzt, dass die verwendeten Muster streng wiederholbar sind und so auch wiederholbar dieselben Raumbereiche innerhalb des Messvolumens mit denselben Grauwertverteilungen füllen. Durch eine Bestimmung dieser im Volumen verteilten Grauwerte können Korrelationswerte zwischen den so aufgenommenen Daten und den von Messobjekten aufgenommenen Grauwerten berechnet werden, sodass eine 3D-Rekonstruktion der Messobjekte mit nur einer Kamera möglich wird. Bei diesen Verfahren handelt es sich allerdings ausnahmslos um inkohärente Mustererzeugungsverfahren, bzw. es muss eine Abbildungsoptik verwendet werden, um die Muster auf die Messobjekte zu projizieren. Die Schärfentiefe der so erzeugten Muster ist dabei stets auf wenige Dezimeter begrenzt (R. J. Pieper, J. Park, T-C. Poon; „Resolutiondependent depth of focus for an incoherent imaging system"; Appl Opt. 1988 May 15;27(10):2040-7. doi: 10.1364/AO.27.002040).
  • Die Speckle-Interferometrie verwendet ferner kohärente Beleuchtung zur Objektvermessung. Oberflächenveränderungen oder laterale Verschiebungen ändern dabei die aufgebrachten (kohärenten) Interferenzmuster, sodass die Veränderungen im Bruchteil der verwendeten Wellenlänge beobachtet werden können (D. L. Fried, „Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures“, 1966, bibcode:19660SAJ...56.1372F). Die wiederholbare Erzeugung der gleichen Muster ist hier allerdings nicht möglich. Die Beobachtung von relativen Veränderungen im Sub-Wellenlängenbereich sind durch diese Technik zwar möglich und lassen sich auch dreidimensional visualisieren, allerdings ist eine grundsätzliche vollständige 3D-Formerfassung nicht möglich.
  • Kohärente Beleuchtungsverfahren werden auch in der Mikroskopie angewendet. So wird bei der sogenannten SOFI-Mikroskopie die Probe mit zufälligen, statistischen Mustern beleuchtet und über Rekonstruktionsalgorithmen ein hochaufgelöstes Bild erstellt ( US8552402 ; T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein; „Fast, background-free, 3D super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI)"; Proceedings of the National Academy of Science USA (2009) 106 (52): 22287-22292). Eine alternative Erzeugung der kohärenten Beleuchtungsstrukturen wurde durch Jiang et al. (Shi-Hong Jiang and John G Walker 2009 Meas. Sci. Technol. 20 065501) vorgeschlagen, bei der durch einen digitalen Mikro-Spiegel Speckles bzw. speckle-artige Strukturen in der Objektebene erzeugt werden. Die verwendeten Muster sind allerdings nicht wiederholbar, und weiterführende Auswertemethoden, die auf der Bekanntheit der konkreten Beleuchtungsverteilung fußen, sind deshalb ausgeschlossen.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass bisher kein Verfahren bekannt ist, das flächige, dichte, genaue (relative Messgenauigkeit < 10-4 der 3D-Punkte) 3D-Messungen mittels kohärenter Mustererzeugungsverfahren realisiert und dabei wiederholbare Muster einsetzt.
  • Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde, kohärente Muster wiederholbar und in schneller Folge zu produzieren. Durch Vorwissen über die konkrete Struktur der zu erzeugenden Muster lassen sich bereits bestehende Verfahren, wie z.B. in der 3D-Objektvermessung oder in der Mikroskopie, vereinfachen. Insbesondere für Anwendungen bei ungünstigen Lichtverhältnissen kann diese schmalbandig arbeitende Technik vorteilhaft verwendet werden. Jedoch kann auch breitbandiges, aber kohärentes Licht verwendet werden.
  • Dabei sollen bei hohen Messgenauigkeiten (relative Messunsicherheit < 10-4) 3D-Aufnahmeraten von etwa 10 Hz, d.h. 10 3D-Aufnahmen pro Sekunde, oder mehr erzielbar sein. Ebenso sollen vergleichbare Projektionsraten (>100 Hz) für die Beleuchtung in der Mikroskopie realisierbar sein.
  • Unter kohärenten Mustern werden im Folgenden all jene Muster verstanden, die unter Verwendung kohärenten oder partiell-kohärenten Lichtes entstehen und dabei nicht notwendiger Weise abgebildet werden müssen.
  • Unter optischen Komponenten und Bauteilen werden ferner alle optischen, elektro-optischen, magneto-optischen, opto-mechanischen und akusto-optischen Komponenten verstanden, also auch Komponenten und Geräte zur Beeinflussung aller Parameter von Lichtfeldern, insbesondere optische Schalter, Blenden, Fasern und Schaltvorrichtungen.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung von wiederholbaren, kohärenten Mustern gelöst, bei dem das von wenigstens einer Lichtquelle stammende Licht durch wenigstens ein weiteres Element wiederholt dieselbe Phasenänderung der Wellenfront erfahren kann. Durch die Verwendung mehrerer wellenfrontverändernder Elemente, kann eine beliebige Zahl verschiedener, kohärenter Muster erzeugt werden. Durch geeignete optische Schalter und/oder Spiegelsysteme und/oder andere Komponenten können diese Elemente angesteuert werden. Die entstehenden Muster sind somit mehrfach wiederholbar. Dabei wird erfindungsgemäß das, die kohärenten Muster erzeugende, Lichtbündel durch ein oder mehrere bestimmte phasenverändernde Elemente geleitet, um so eine bestimmte und wiederholbare Phasenveränderung entlang der Wellenfront des Lichtbündels zu erreichen. Diese Phasenveränderung führt zur Ausbildung wiederholbarer, kohärenter Muster, ggf. objektiver Speckles.
  • Die Entstehung objektiver Speckles ist eine Folge der Kohärenz des verwendeten Lichtes in Verbindung mit räumlich statistischen Variationen der Wellenfront des Lichtes. Die Kohärenz drückt die Interferenzfähigkeit aus und damit die Fähigkeit, bei der Überlagerung verschiedener Lichtbündel derselben Quelle einen Kontrast zwischen sich konstruktiv überlagernden Wellenfrontteilen und sich destruktiv überlagernden Teilen der Wellenfront auszubilden.
  • In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungsmerkmale aufgeführt.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels zur schnellen Erzeugung wiederholbarer Muster und deren Anwendung in der 3D-Messung näher erläutert werden.
  • Erfindungsgemäß wird eine spektral schmalbandige Lichtquelle (1) verwendet. Die erzeugte Wellenfront wird durch eine oder mehrere optische Komponenten (2) gelenkt und/oder geformt und erfährt durch geeignete Elemente (3) an verschiedenen Punkten entlang ihrer Ausbreitungsrichtung einen Phasenversatz. Erfindungsgemäß ist dieser Phasenversatz wiederholbar derselbe, was zur Ausbildung von eindeutig gleichen oder beinahe gleichen kohärenten Mustern führt, die entweder als wechselbare Muster ohne weitere Komponenten benutzt oder durch solche optischen, mechanischen oder elektro-optischen Komponenten wiederholbar beeinflusst werden können.
  • Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem spektral schmalbandigen Projektor und einem Detektor.
  • Das von einem Laser (1) erzeugte Licht wird durch Galvanometerspiegel in verschiedene Monomodenglasfaserkabel (2) eingekoppelt. Diese sind an den Ausgängen fest mit einer Streuscheibe (3) verbunden. Das Galvanometerspiegelsystem dient dabei als optisches Schalt- und Einkopplungsgerät. Bei Verwendung eines Faserlasers, hätte dafür auch ein optischer Schalter eingesetzt werden können. Da Monomodenfasern verwendet werden, besitzt das Licht beim Austritt aus der Faser eine typische, gaußartige Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Mögliche fehlerhafte Einkopplungen oder starke Krümmungen oder Verbiegungen der Faser führen so nur zu einem Intensitätsverlust und nicht zu einer Änderung des Strahlprofils beim Austritt. Durch die Fixierung an der Streuscheibe wird die Phasenfront des auftreffenden Lichtbündels stets auf die gleiche Weise durch die Streuscheibe variiert, und es entsteht wiederholbar das gleiche Muster, wenn der gleiche Fasereingang benutzt wird. Alternativ kann auch nur ein Faserende zur Ausleuchtung der Streuscheibe genutzt werden. Das entstandene Muster muss dann allerdings wiederholbar durch wenigstens eine weitere Komponente, zum Beispiel einen sehr fein einstellbaren Umlenkspiegel, in seiner Ausbreitung wiederholbar beeinflusst werden. Das sich aus den Komponenten (1) bis (4) ergebende Projektionssystem (5) wird benutzt, um durch wenigstens eine Kamera (6) Aufnahmen eines Objektes (7) anzufertigen. Diese werden zur 3D-Rekonstruktion des Objektes verwendet.
  • Zu diesem Zweck werden Muster von einem Projektor (5) mit einer Rate von wenigstens einigen Hz auf die zu vermessende Oberfläche des Objektes projiziert. Die Kameras (6) sind bezüglich der inneren und äußeren Parameter des Aufbaus kalibriert und fertigen Aufnahmen/Bilder, typischerweise wenigsten 6 bis etwa 30 Aufnahmen, der entstehenden Muster auf dem Objekt an.
  • Dabei ermöglicht die Wiederholbarkeit der Muster eine genaue Kenntnis darüber, zu welcher Zeit welcher Raumbereich mit welcher Grauwertverteilung ausgeleuchtet wird. Ziel ist es damit, wiederholbar bezüuglich ihrer Reihenfolge und ihres Aussehens genau bekannte Muster, auf einem Objekt erscheinen zu lassen.
  • Die Sequenz der genannten Bilder wird zur dreidimensionalen Rekonstruktion der Oberfläche des Objektes (7) an einen Rechner (in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) übertragen. Bei der rechentechnischen Auswertung der besagten Bildsequenzen werden z. B. unter Verwendung der Methode der Zeitkorrelation homologe Punkte einander zugeordnet und aus diesen mit Hilfe der Kalibrierungsparameter 3D-Punkte im Raum bestimmt, welche nun je nach Anwendung weiterverarbeitet werden können.
  • Die Zeitkorrelation beschreibt hier ein Verfahren, bei dem für jedes Pixel der Führungskamera die Sequenzen der in den einzelnen Aufnahmen gefundenen Grauwerte mit den Sequenzen verglichen wird, die von der zweiten Kamera für verschiedene Pixel aufgezeichnet worden sind. Der Kreuzkorrelationskoeffizient bewertet dabei die Ähnlichkeit der Grauwertsequenzen. So wird festgestellt, welches Pixelpaar (homologe Punkte) aus einem Pixel der Führungskamera und einem Pixel der zweiten Kamera für die triangulatorische Bestimmung der Raumkoordinaten des rekonstruierten Punktes verwendet wird.
  • Ein großer Vorteil besteht darin, dass nur noch eine Kamera für die 3D-Vermessung benötigt wird. So kann das Gesamtsystem wesentlich kompakter gestaltet werden und die Kosten für eine zweite Kamera entfallen. Durch die gewährleistete Wiederholbarkeit der Muster kann deren Struktur vor dem Messvorgang eindeutig bestimmt werden. Ein Ein-Kamera-System, wäre somit leicht implementierbar, analog zu EP 2 437 026 A1 .
  • Als Muster können an sich bekannte, zur 3D-Rekonstruktion geeignete, Muster projiziert werden. Insbesondere können objektive Speckle-Muster verwendet werden. Aber auch andere kohärente Muster sind vorstellbar, die sich aus einer entsprechenden Gestaltung der Austrittsfläche der Fasern oder des sich anschließenden phasenbeeinflussenden Elementes ergeben können. Auch sind phasenverändernde Kristalle zur Änderung der Wellenfront denkbar. Ebenfalls sind räumliche Phasenmodulatoren (SLM) oder Mikro-Spiegel-Arrays (MEMS Spiegel) zur Erzeugung der Phasenänderungen vorstellbar.
  • Beispielhaft sei weiterhin die Projektion von Mustern mit diffraktiv-optischen Elementen genannt. Ferner können auch verschiedene Mustertypen, wie statistische Muster, pseudostatistische Muster und/oder Streifenmuster verwendet werden.
  • Ein derartiges Projektionssystem könnte auch dadurch realisiert werden, dass eine einzelne Faser oder mehrere Fasern zur Einkopplung des Lichtes benutzt und deren optische Ausgänge dann durch einen oder mehrere optische Schalter auf eine oder mehrere weitere Fasern aufgeteilt werden. Des Weiteren kann auch der Ausgang der Faser selbst durch geeignete Techniken, wie zum Beispiel Ätzen oder durch das Aufbringen von mikrooptischen Elementen (z. B. geeigneten Polymerstrukturen) so verändert werden, dass das austretende Licht einen räumlich variierenden, aber zeitlich konstanten Phasenversatz erfährt. Der Einsatz eines Faserlasers ist hier sehr gut vorstellbar.
  • Das System ist auch mit dickeren Fasern (Multimodenfasern mit einem Kerndurchmesser > 6 µm, für eine Lichtwellenlänge von 532 nm) vorstellbar, deren Ende bearbeitet wurde, z.B. durch Ätzen, um so einen eindeutigen und definierten Phasenversatz zu erreichen. Ferner ist es durch eine geeignete Bearbeitung derartiger Multimodenfasern möglich, den Phasenversatz zwischen den einzelnen Fasermoden gezielt, oder auch zufällig, so zu verändern, dass das die Faser verlassende Licht einen räumlich variierenden, aber zeitlich konstanten Phasenversatz aufweist.
  • Auch sind Implementierungen mit nur einer Faser vorstellbar. Diese kann durch ein mechanisches System wiederholbar in die gleichen Positionen in Bezug auf den Messaufbau gebracht werden, um das gleiche Muster wiederholt zu erzeugen.
  • Eine Implementierung über ein mechanisches System zur genauen Verrückung oder Drehung von Beleuchtungsquelle, fokussierender Optik oder phasenveränderndem Element ist ebenfalls vorstellbar. Die Ortsveränderung muss dabei äußerst präzise einstellbar sein, um wieder das gleiche Muster zu erzeugen.
  • Auch eine Freiformoptik kann benutzt werden, um ein oder mehrere kohärente Muster zu erzeugen. Durch die rückstellbare Ortsveränderung der Beleuchtungsquelle und/oder der Freiformoptik und/oder die Veränderung des Lichtweges durch Spiegel, akusto-optische Deflektoren, können ebenfalls wiederholbare Muster, nach der hier vorgestellten Idee erzeugt werden.
  • Ebenso ist die Umsetzung durch die Verwendung mehrerer kohärenter oder teilkohärenter Lichtquellen vorstellbar, wie z. B. Lasern, LED oder LD. Diese werden dabei z. B. als Array, also als Feld, angeordnet und beleuchten durch einen mechanisch fixierten Aufbau so beim Einschalten stets denselben Teil des phasenverändernden Elementes.
  • Die Mustererzeugungsquelle kann auch als Musterverschiebungsgerät oder Musterwechselgerät ausgeführt werden.
  • Auch lässt sich die Methode miniaturisiert umsetzen, um so z.B. einen endoskopischen oder endoskop-ähnlichen Aufbau zu ermöglichen. Dabei ist insbesondere die Ausführung mittels Faser und/oder Faserbündel zweckmäßig.
  • Der Einsatz von Leuchtmitteln bei verschiedenen Wellenlängen auch außerhalb des sichtbaren Bereiches des Lichtes ist vorstellbar. So kann auch z.B. infrarotes oder ultraviolettes Licht verwendet werden.
  • Es ist ferner denkbar, dass zur Mehrfachprojektion spektral unterschiedlicher Muster mehrere Projektoren eingesetzt werden. Diese können unterschiedliche Wellenlängen verwenden und so eine Multiprojektion ermöglichen.
  • Ferner können auch andere Korrelationsmethoden wie die räumliche, die raum-zeitliche Korrelation und/oder Korrelationsmethoden, die Grauwertdifferenzen bzw. Gradientenverfahren zur Anwendung bringen, verwendet werden.
  • Die Erzeugung wiederholbarer, kohärenter Muster kann auch für den Einsatz in der Mikroskopie adaptiert werden. So kann eine Korrelationssuche, wie sie z.B. in der sogenannten „SOFI“-Mikroskopie verwendet wird, deutlich von der Vorkenntnis über die erzeugten Muster profitieren.
  • Die entstehenden Muster können auch über Zwischenabbildungen, z.B. auf eine sich schnell drehende Streuscheibe verwendet werden. Die Muster sind dadurch noch wiederholbar, solange das gesamte optische System in seiner geometrischen Zusammensetzung unverändert bleibt. Das kohärente Rauschen kann so allerdings unterdrückt werden.
  • Wird die räumliche Variation des Phasenversatzes durch Streuung, Beugung oder Brechung des Lichtes erzeugt, kann die Zahl der reproduzierbaren kohärenten Muster in der Regel dadurch erhöht werden, dass die Eigenschaften des verwendeten Lichtes in hinreichend reproduzierbarer Art und Weise verändert werden. Hierzu zählen beispielsweise die Wellenlänge oder der Polarisation des Lichtes.
  • Zur genauen, wiederholbaren Beeinflussung der Muster können auch Phasenmasken, Blenden, elektro-optische Komponenten und Schalter, Spiegel (insbesondere Kipp- und Wobbelspiegelsysteme) und Glaskeile verwendet werden. Eine mögliche Implementierung wäre ein System, in dem die Streuscheibe wesentlicher breiter mit kohärentem Licht ausgeleuchtet wird, als es für die Speckle-Erzeugung selbst sinnvoll wäre, und im Lichtweg hinter der Streuscheibe eine Apertur eingesetzt wird, deren Position variabel aber wiederholbar ist. So würde ein Teil des Lichtes geblockt und wiederholt dieselben Speckle-Muster erzeugt werden können.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Laser/Lichtquelle
    2
    Übertragungsmedium
    3
    Streuscheibe
    4
    nachbearbeitende Elemente
    5
    Projektionssystem
    6
    Kamera
    7
    Objekt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19623172 C1 [0003]
    • DE 102012001307 A1 [0005]
    • DE 102006060108 A1 [0006]
    • DE 19806288 A1 [0006]
    • EP 2437026 A1 [0007, 0026]
    • US 8552402 [0009]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik; Human face measurement by projecting bandlimited random patterns; Optics Express 14, 2006, 7692-7698 [0003]
    • M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik; Highspeed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acustooptical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097-3099 [0004]
    • R. J. Pieper, J. Park, T-C. Poon; „Resolutiondependent depth of focus for an incoherent imaging system“; Appl Opt. 1988 May 15;27(10):2040-7. doi: 10.1364/AO.27.002040 [0007]
    • T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein; „Fast, background-free, 3D super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI)“; Proceedings of the National Academy of Science USA (2009) 106 (52): 22287-22292 [0009]

Claims (12)

  1. Verfahren zur strukturierten Beleuchtung, bei dem mindestens zwei verschiedene, kohärente, statistische oder pseudostatistische Muster auf ein Objekt (7) in schneller Folge wiederholbar projiziert werden, in dem eine Lichtquelle (1) wiederholt einunddieselbe Stelle oder dieselben Stellen auf einem oder mehreren mustererzeugenden Objekten (3) ausleuchtet, wobei eine wiederholbare Änderung des Lichtweges durch eine oder mehrere Komponenten (2 bzw. 4) vor und/oder nach dem oder den mustererzeugenden Objekten (3) oder durch das oder die mustererzeugenden Objekte (3) selbst realisiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen, kohärenten Muster dadurch generiert werden, dass ein kohärentes, statistisches oder pseudostatistisches Muster erzeugt wird, dass relativ zum beleuchteten Volumen an die wiederholbar gleichen räumlichen Positionen gebracht und/oder relativ zum beleuchteten Volumen aus den wiederholbar gleichen Richtungen generiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente oder die Komponenten (2) vor dem oder den mustererzeugenden Objekten (3) die wiederholbare Änderung des Lichtweges durch mechanische oder optische Elemente, insbesondere durch Lichtleitfasern, die durch optische Schalter und/oder Koppler angesteuert werden, realisiert.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente oder die Komponenten (4) nach dem oder den mustererzeugenden Objekten (3) die wiederholbare Änderung des Lichtweges durch mechanische, optische oder elektrische Elemente, insbesondere durch Blenden, Glaskeile, Spiegel und Spiegelsysteme sowie durch optische Schaltvorrichtungen, realisiert und damit das oder die entstandenen Muster wiederholbar beeinflusst werden.
  5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (1) mindestens ein Laser oder eine andere hinreichend kohärente Quelle, insbesondere eine Diode oder Laserdiode, verwendet wird und die Lichtquelle (1) die Strahlung kontinuierlich oder gepulst abgibt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wiederholbaren Muster in Reflexion und/oder Transmission entstehen und/oder durch Bearbeitung und/oder Berechnung bekannt sind und/oder die sie erzeugenden Elemente strahlformende Eigenschaften besitzen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass statistische und/oder pseudostatistische Muster mit deterministischen und/oder mit anderen Mustern überlagerte Muster zur Beleuchtung eingesetzt werden, wie z.B. Streifenmustern.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, spektral unterschiedliche Wellenlängen zur Musterzeugung verwendet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Speckle-Strukturen zur Objektbeleuchtung benutzt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente oder die Komponenten (2), insbesondere Lichtleitfasern, selbst, z.B. durch Ätzen, zur Generierung von Mustern verwendet werden und/oder auf die Enden der Komponente oder der Komponenten (2) mikrooptische Elemente zur Generierung von Mustern aufgebracht werden und diese Komponente oder diese Komponenten (2) damit gleichzeitig das oder die mustererzeugenden Objekte (3) sind.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 zur Anwendung in der Mikroskopie, wobei die wiederholbaren Muster auf eine Fläche von wenigen Quadratmikrometern übertragen werden.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 zur 3D-Vermessung von Objekten mit mindestens einer Kamera (6).
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