DE102021109153B4

DE102021109153B4 - Verfahren zur verbesserten optischen Auflösung in großen Messvolumina bei der telezentrischen Shadowgraphie und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102021109153B4
Application number: DE102021109153.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Taucher; Veit Dausmann; Anton Theileis
Original assignee: GEOMAR HELMHOLTZ-ZENTRUM fur OZEANFORSCHUNG KIEL; GEOMAR Helmholtz Zentrum fur Ozeanforschung Kiel
Current assignee: GEOMAR HELMHOLTZ-ZENTRUM fur OZEANFORSCHUNG KIEL; GEOMAR Helmholtz Zentrum fur Ozeanforschung Kiel
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2041-04-14
Also published as: DE102021109153A1

Abstract

Beschrieben wird ein Shadowgraphie-Verfahren zur schnellen Untersuchung großer Messvolumina enthaltend bewegte Schattenwurfobjekte sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Mit dem Verfahren werden eine Messlichtquelle mit einem ersten Durchmesser bereitgestellt, das Messlicht mit einer Kollimierlinse mit einer vorbestimmten eintrittsseitigen Brennweite und einem zweiten Durchmesser größer als der erste Durchmesser kollimiert, das kollimierte Messlicht auf eine objektseitig telezentrische Kamera umfassend ein objektseitig telezentrisches Objektiv und einen elektronischen Kamerachip mit Pixelabstand P eingestrahlt und der Schattenwurf von Schattenwurfobjekten im mit Messlicht durchsetzten Messvolumen zwischen Kollimierlinse und Objektiv erfasst.Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass ein varifokales, objektseitig telezentrisches Objektiv durch Anordnen einer tunable acoustic gradient index of refraction (TAG) Linse im Objektiv erzeugt wird, eine native virtuelle Schirmebene im Messvolumen bei inaktiver TAG Linse eingerichtet, ein Abbildungsmaßstab M ausgewählt und eingerichtet, die maximale Quergeschwindigkeit v von Schattenwurfobjekten im Messvolumen erfasst, eine Belichtungszeit τ, die der Bedingung P/M > v*τ genügt, bestimmt, die TAG Linse mit einem elektrischen HF-Signal mit einer Periodendauer, die höchstens der doppelten Belichtungszeit τ entspricht, angesteuert und der erste Durchmesser zur konkurrierenden Optimierung von Auflösung und Kontrast der erfassten Bilder variiert und fixiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Shadowgraphie-Verfahren zur schnellen und simultanen Bilderfassung des Schattenwurfs einer Mehrzahl von bewegten Objekten in einem durchleuchteten Messvolumen und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Shadowgraphie-Verfahren befassen sich mit der Erfassung und ggf. Auswertung des Schattenwurfs von Objekten unter Durchleuchtung und sind sowohl in der wissenschaftlichen Beobachtung als auch in der Qualitätskontrolle industrieller Produktion gängige Prozesse. Beispielsweise lassen sich Durchmesserverteilungen von Gasblasen in Flüssigkeiten oder Partikelgrößen in Schüttgütern schnell mittels elektronischer Lichtdetektoren - insbesondere zweidimensionale Detektorarrays, auch als Kamerachips bezeichnet - anhand ihres Schattenwurfs erfassen, wenn die Blasen oder Partikel - i. F. Schattenwurfobjekte genannt - ein mit Licht durchsetztes Messvolumen durchqueren. Die optische Vermessung kann dabei kontinuierlich und während der Bewegung der Schattenwurfobjekte erfolgen, liefert also fortlaufend Momentaufnahmen.
Das Lehrbuch von Settles, G. S. (2001). Schlieren and shadowgraph techniques: Visualizing phenomena in transparent media. Berlin: Springer, befasst sich ausführlich mit Shadowgraphie und erläutert insbesondere in Abschnitt 6.3 die sogenannte „fokussierte“ Shadowgraphie (vgl. dort 6.11). Mit Hilfe einer kameraseitigen Fokussierlinse (oder eines Objektivs) wird dabei eine virtuelle Schirmebene - zusammenfallend mit der vorderen Brennebene der Fokussierlinse - in das Messvolumen eingeführt. Dadurch kann der Nutzer den Arbeitsabstand der Shadowgraphie justieren. Schatten von Schattenwurfobjekten aus der unmittelbaren Umgebung dieser virtuellen Schirmebene werden dann scharf auf den Kamerachip abgebildet, aber man bezahlt dafür mit einem deutlichen Defokus aller Schatten der weiter von der virtuellen Schirmebene entfernt liegenden Schattenwurfobjekte. Dies ist ohne weiteres akzeptabel, wenn man den Abstand der interessierenden Schattenwurfobjekte von der Kamera von vornherein kennt und wenn dieser konstant bleibt. Beispielsweise kann dies bei der Kontrolle von Schrauben oder dergleichen auf einem von unten durchleuchteten Fließband nützlich sein.
Weiterhin ist die objektseitig telezentrische Shadowgraphie bekannt, bei der das Messvolumen von parallelen Lichtstrahlen durchsetzt wird, so dass die Größe des Schattens nur von der Größe des Objekts und nicht von seinem Abstand zur Kamera abhängt. Die Kamera weist dafür ein entsprechendes (objektseitig) telezentrisches Objektiv auf, das - im Idealfall - nur Licht parallel zur vorbestimmten optischen Achse auf den Kamerachip durchlässt. Da der Durchmesser des telezentrischen Objektivs zugleich den maximalen Durchmesser des Messvolumens bestimmt, welches üblicherweise möglichst groß zur Durchsatzmaximierung gewünscht wird, sind kommerzielle telezentrische Objektive zumeist von großem Durchmesser und bilden verkleinernd auf einen Kamerachip ab. Die Pixelauflösung des Kamerachips begrenzt dabei die kleinste auflösbare Strukturbreite der Schatten entsprechend dem Abbildungsmaßstab.
Gewöhnlich wird das parallele Licht zum Durchsetzen des Messvolumens durch Kollimieren des Lichts einer Punktlichtquelle erzeugt, während das Objektiv das Licht auf eine Telezentrie-Blende mit entsprechend kleiner Apertur fokussiert, um dadurch die telezentrische Abbildung zu ermöglichen. Da Punktlichtquelle und Telezentrie-Blende aber endliche Durchmesser aufweisen müssen, gelangen auch leicht von der optischen Achse abweichende Lichtstrahlen auf den Kamerachip und führen dort zu einem Verwischen der Schattenstrukturen („geometric blur“). Eine weitere Ursache der Verwischung und damit der Verringerung der Auflösung liegt in der Beugung des kollimierten Messlichts an den Kanten der Schattenwurfobjekte („diffraction blur“) oder auch in Brechung, sofern die Schattenwurfobjekte semi-transparent sind.
Ein Beispiel für die wissenschaftliche Anwendung der telezentrischen Shadowgraphie ist der Druckschrift WO 2008/103697 A2 zu entnehmen. Die Shadowgraphie-Vorrichtung ist hierbei zweigeteilt in einen druckstabilen Schleppfisch eingebaut, der in verschiedenen Wassertiefen von einem Schiff geschleppt den Ozean auf Planktonvorkommen untersuchen soll. Das Messvolumen ist dabei der von Messlicht durchleuchtete und zugleich für Wasser und Kleinorganismen zugängliche Bereich der Messapparatur zwischen den transparenten Fenstern 46, 46' in der dortigen 2. Kollimiertes Licht tritt dabei aus einem runden Eintrittsfenster (46) in das Messvolumen ein und durch ein rundes Austrittsfenster (46') wieder aus. Das Messvolumen ist insofern zylindrisch mit einer Zylinderhöhe von ca. 50 Zentimetern, also mit einer erheblichen Tiefe des Messfeldes im Verhältnis zur typischen Größe der zu beobachtenden Schattenwurfobjekte, deren Position beim Eintreten in das Messvolumen sich auch nicht vorhersagen lässt. Die optische Auflösung bei diesem Verfahren ist, wie bei der telezentrischen Shadowgraphie im Allgemeinen, begrenzt durch „geometric blur“ und „diffraction blur“ (wie oben beschrieben). Beide Faktoren werden zunehmend limitierend, wenn die Tiefe des Messvolumens zunimmt. In der Vorrichtung der WO 2008/103697 A2 beträgt die Mindestgröße der Objekte daher mehrere Millimeter.
Die Schärfentiefe nimmt bei der optischen Bildgebung im Allgemeinen mit der Größe der Zielobjekte ab. Für Objekte ab einer Größe von wenigen hundert Mikrometern (wie z.B. Zooplankton) ist der scharf auflösbare Objektbereich daher meist nur einige Millimeter oder wenige Zentimeter tief. Für den Fall, dass die Tiefenlage der Objekte innerhalb des Messvolumens (Abstand zum Objektiv) variabel ist, kennt der Stand der Technik auch telezentrische Varioobjektive, die eine Verschiebung der vorderen Brennebene bzw. virtuellen Schirmebene binnen weniger Millisekunden mittels fluider Linsen ermöglichen (s. https://www.stemmer-imaging.com/de-de/grundlagen/telezentrische-objektive/). Dadurch können die Objekte refokussiert werden und somit eine konstante optische Auflösung im Messvolumen erreicht werden. Solch eine Anwendung ist bei statischen Proben sinnvoll, also wenn mehrere Aufnahmen desselben Messvolumens gemacht werden ohne dass sich die Position der Objekte zwischen den Aufnahmen verändert. Solche Verfahren werden z.B. im „image stacking“ in der Mikroskopie angewandt, wobei mehrere Aufnahmen einer Probe mit verschiedenen Fokuslagen erzeugt und nachträglich per Software miteinander fusioniert werden.
Allerdings sind solche Verfahren nur möglich, wenn es sich um statische Proben handelt, z.B. fixierte Organismen in einem geschlossenen Probebehälter. Bei dynamischen Proben ist der Nutzen solcher Verfahren limitiert. Wenn sich die Position der Objekte im Messvolumen schnell verändert und/oder auch Austausch mit dem Raum außerhalb des optisch erfassten Bereichs besteht - wodurch sich die Anzahlt der Objekte im Messvolumen zeitlich verändert -, ist die Refokussierung in den meisten Fällen nicht ausreichend schnell, um alle Objekte im Messvolumen scharf abzubilden.
Für die Planktonanalyse ist es besonders wichtig, schnell und einfach hochaufgelöste Shadowgraphien zu gewinnen. Die Planktonanalyse umfasst die Zählung, taxonomische Bestimmung und Vermessung von Planktonorganismen. Viele Zooplankton-Arten sehen sich recht ähnlich und lassen sich nur anhand von Details unterscheiden, die sehr leicht durch Biurring auf der Kamera verwischt werden können. Zudem handelt es sich um Lebewesen, die einerseits während der Aufnahme nicht stillhalten, sondern vielmehr der Messapparatur ausweichen und andererseits durch das Messlicht keinen Schaden erleiden bzw. zur Flucht vor der Messapparatur getrieben werden sollen. Die optische Messung muss also sehr schnell erfolgen - das Schiff und/oder das Messsystem ist üblicherweise in Bewegung (typische Geschwindigkeiten relativ zum Wasser mindestens 0,5 bis 1 m/s) -, so dass ein spezifischer Organismus nur für Bruchteile einer Sekunde im Messvolumen verbleibt - und es soll nur moderate Lichtleistung eingesetzt werden. Aufgrund des stochastischen Auftretens der Organismen in einer zufälligen Tiefe des Messvolumens kommt ein gängiges telezentrisches Varioobjektiv nicht als verwendbar in Betracht. Die Refokussierung wäre viel zu langsam und auch kaum gezielt ansteuerbar. Somit könnten nicht alle Schatten der sich zu einem gegebenen Zeitpunkt im Messvolumen befindlichen Organismen scharf abgebildet werden.
Aus der Arbeit von Zelenka, Claudius & Koch, Reinhard. (2019). Single Image Plankton 3D Reconstruction from Extended Depth of Field Shadowgraph: ICPR 2018 International Workshops, CVAUI, IWCF, and MIPPSNA, Beijing, China, August 20-24, 2018, Revised Selected Papers. 10.1007/978-3-030-05792-3_8, ist ein Fixfokus-Lösungsansatz zu entnehmen, bei dem die virtuelle Schirmebene in die Mitte des Messvolumens gelegt ist. Der Defokus außerhalb der Schirmebene wird hierbei ausgenutzt, um eine numerische Tiefenrekonstruktion der erfassten Szene vorzunehmen, aus der sich durch nachträgliches numerisches Fokussieren scharfe Bilder aus der Umgebung der virtuellen Schirmebene errechnen lassen. Das Verfahren ist analog zur digitalen Holographie, nur das in diesem Fall keine kohärente Lichtquelle (Laser) genutzt wird. Es stehen keine Phaseninformationen zur Verfügung, sondern es wird lediglich der Defokus zur Rekonstruktion genutzt. Das Verfahren ist daher apparativ einfacher als ein holographisches System und interessant, weil sich 3D-Informationen gewinnen lassen, und das effektive Depth-of-Field, welches durch das Einführen der virtuellen Schirmebene auf 2-3 Zentimeter eingeschränkt wird, kann unter Idealbedingungen - d.h. nur wenige Objekte im Wasser - auf etwa 20 Zentimeter vergrößert werden. Der numerische Aufwand für die Zielsetzung der großvolumigen Bestimmung von Planktonarten in ganzen Seegebieten ist jedoch schlichtweg prohibitiv.
Aus der Druckschrift US 2014 / 0 211 299 A1 ist eine „tunable acoustic gradient index of refraction lens“ (kurz als TAG Linse bezeichnet) bekannt, deren Brechkraft durch das Einrichten einer stehenden akustischen Welle in einem z.B. viskosen flüssigen oder festen refraktiven Medium bestimmt ist. In Abwesenheit der akustischen Welle ist die Brechkraft des dann homogenen Mediums null, doch durch das Einprägen der stehenden akustischen Welle wird der Brechungsindex lokal kontrolliert verändert, beispielsweise zu einem parabolischen Verlauf gegenüber dem Abstand zur optischen Achse. Die Brechkraft einer solchen TAG Linse kann mit einer Frequenz im hohen Kilohertzbereich verändert werden. Eine Hauptanwendung von TAG Linsen liegt in der Manipulation von Laserlicht für die Lasermaterialbearbeitung, doch sind auch bildgebende Anwendungen im Bereich der Qualitätsprüfung bereits vorgeschlagen worden.
Weiterhin ist aus „Kang, S., Dotsenko, E., Amrhein, D., Theriault, C., & Arnold, C. B. (2018). Ultra-high-speed variable focus optics for novel applications in advanced imaging. In C. Olson, & Y. G. Soskind (Eds.), Photonic Instrumentation Engineering V [1053902] (Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering; Vol. 10539). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2294487“ die Verwendung eines optischen Elements mit variablem Fokus, des TAG-Objektivs, zur Erfassung von 3D-Informationen von einem Objekt bekannt. Die TAG-Linse nutzt Schall zur Anpassung des Brechungsindexprofils in einer Flüssigkeit und kann dadurch Fokusabtastraten von mehr als 100 kHz erreichen. In Kombination mit einer gepulsten Hochgeschwindigkeits-LED und einer Hochgeschwindigkeitskamera wird dieses Phänomen genutzt, um hochauflösende Bilder aus großen Tiefen zu erhalten. Durch die Kombination der Bilderfassung mit digitaler Bildverarbeitung lassen sich relevante Parameter wie Neigungs- und Winkelinformationen von Objekten im Bild extrahieren.
Ferner ist aus der WO 2017/ 013 054 A1 ein Lichtblattmikroskop mit einer Einrichtung zum gleichzeitigen Abbilden mehrerer Objektebenen, die mittels eines Lichtblatts mit einer Detektionsoptik und einer Kamera beleuchtet werden, bekannt, bei dem die Objektebenen um die Fokusebene der Detektionsoptik herum angeordnet sind. Zur gleichzeitigen Abbildung mehrerer mittels eines Lichtblatts beleuchteter Objektebenen weist das Mikroskop gemäß einer beschriebenen besonderen Ausführungsform im Strahlengang zwischen der Detektionsoptik und einer integrierten Kamera ein Mikrolinsenarray auf..
Aus der WO 2019/ 075 575 A1 ist ein System zum Abbilden einer Szene bekannt. Hierbei erfolgt das Erfassen mehrerer Frame-Chip-Bilder der Szene mit einer Frame-Chip-Akquisitionsrate, während die Szene wiederholt über einen Bereich von Fokuspositionen hinweg abgetastet wird. Auf diese Weise kann auch das Erzeugen einer Folge von verschmolzenen Rahmenbildern aus der Vielzahl von Rahmenchipbildern realisiert werden.
Im Weiteren ist aus der DE 10 2016 213 122 A1 eine technische Lösung bekannt, bei der Vorgänge zum Erfassen eines mehrfach belichteten Bildes eines Werkstücks, das erste und zweite Interessenbereiche auf verschiedenen Z-Höhen umfasst, definiert werden. Das mehrfach belichtete Bild wird von einem maschinellen Sichtinspektionssystem erfasst, das eine stroboskopische Beleuchtung und eine Linse mit variabler Brennweite aufweist, welche zum periodischen Modulieren einer Fokusposition verwendet wird. In einem Lernmodus werden erste und zweite Mehrfachbelichtungszeitwerte für Instanzen stroboskopischer Beleuchtung bestimmt, die den ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, die eine ausreichende Bildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche ergeben. Daten, welche die Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, werden aufgezeichnet und anschließend verwendet, um Vorgänge zum Erfassen eines mehrfach belichteten Bildes von ersten und zweiten Interessenbereichen an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, zu definieren.
Schließlich ist aus der DE 10 2017 220 104 A1 ein Bildgebungssystem bekannt, das eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten (TAG) umfasst und mit einer Benutzeroberfläche assoziiert ist, die eine Live-Anzeige eines Bilds mit erweiterter Tiefenschärfe (EDOF) umfasst. Die TAG-Linse wird verwendet, um ein Roh-EDOF-Bild zu erzeugen, das eine Defokussierungsunschärfe umfassen kann, das zumindest teilweise durch die periodisch modulierte Brechwertänderung der TAG-Linse verursacht wird. Das Live-EDOF-Bild wird auf der Benutzeroberfläche auf Basis eines Verschiebungsstatussignals zu einem aktuellen Zeitpunkt wiederholt aktualisiert. In Reaktion auf einen aktuellen Status des Verschiebungsstatussignals wird ein entsprechender Typ von Live-EDOF-Bild des Werkstücks auf der Benutzeroberfläche angezeigt, das einem EDOF-Bilddatensatz entspricht, der auf einer entsprechenden Bildverarbeitungshöhe zum Entfernen einer Defokussierungsunschärfe basiert.
Vor diesem Hintergrund wird ein Shadowgraphie-Verfahren benötigt, das schon bei der optischen Bilderfassung ein größeres Depth-of-Field mit ausreichend hoher Auflösung als der Stand der Technik bereitstellt und zur schnellen Untersuchung großer Messvolumina mit darin enthaltenen bewegten Schattenwurfobjekten geeignet ist. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein solches Verfahren vorzuschlagen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Shadowgraphie-Verfahren zur schnellen Untersuchung großer Messvolumina enthaltend bewegte Schattenwurfobjekte, umfassend die Schritte

a. Bereitstellen einer Messlichtquelle mit einem ersten Durchmesser;
b. Kollimieren des Messlichts mit einer Kollimierlinse mit einer vorbestimmten eintrittsseitigen Brennweite und einem zweiten Durchmesser größer als der erste Durchmesser;
c. Einstrahlen des kollimierten Messlichts auf eine objektseitig telezentrische Kamera umfassend ein objektseitig telezentrisches Objektiv und einen elektronischen Kamerachip mit Pixelabstand P;
d. Erfassen des Schattenwurfs von Schattenwurfobjekten im mit Messlicht durchsetzten Messvolumen zwischen Kollimierlinse und Objektiv; gekennzeichnet durch die Schritte
e. Erzeugen eines varifokalen, objektseitig telezentrischen Objektivs durch Anordnen einer tunable acoustic gradient index of refraction (TAG) Linse im Objektiv;
f. Einrichten einer nativen virtuellen Schirmebene im Messvolumen bei inaktiver TAG Linse;
g. Auswählen und Einrichten eines Abbildungsmaßstabes M;
h. Ermitteln der maximalen Quergeschwindigkeit v von Schattenwurfobjekten im Messvolumen;
i. Bestimmen einer Belichtungszeit τ, die der Bedingung P/M > v*τ genügt;
j. Ansteuern der TAG Linse mit einem elektrischen HF-Signal mit einer Periodendauer, die höchstens der doppelten Belichtungszeit τ entspricht;
k. Variieren und Fixieren des ersten Durchmessers zur konkurrierenden Optimierung von Auflösung und Kontrast der erfassten Bilder.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens an. Ein Nebenanspruch ist auf eine Vorrichtung gerichtet. Es ist zunächst klar, dass man aufgrund der vorbeschriebenen Problematik der Bewegungen von Messsystem (und/oder Schiff) und Schattenwurfobjekten auf eine sehr kurze Belichtungszeit angewiesen ist, um Verwackelung (Bewegungsunschärfe) zu vermeiden. Grundsätzlich sollte die Belichtungszeit τ so kurz gewählt sein, dass sich ein Objektpunkt im Objektraum der Kamera während der Belichtung höchstens so weit bewegt, dass sich sein Abbild auf dem Kamerachip um maximal einen Pixel verschiebt. Anders gesagt, es sollte $P / M > v * τ$
gelten, wobei P der vorbekannte Pixelabstand des Kamerachips, M der gewählte Abbildungsmaßstab und v die maximale Geschwindigkeitskomponente des Objekts senkrecht zur optischen Achse - i. F. als Quergeschwindigkeit bezeichnet - ist.
Geht man nun von heute gängigen Kamerachips, z.B. mit 1 Mikrometer < P < 10 Mikrometer, und einem verkleinernden Abbildungsmaßstab, etwa 0,1 < M < 1, aus, dann ist P/M < 100 Mikrometer. Bei einer Quergeschwindigkeit von beispielsweise 1 m/s sind somit Belichtungszeiten unter 100 Mikrosekunden erforderlich.
Die Grundidee der Erfindung ist nun, während einer Belichtung des Kamerachips eine virtuelle Schirmebene wenigstens einmal, bevorzugt zweimal durch das Messvolumen zu verschieben, so dass jedes Schattenwurfobjekt im Messvolumen zumindest kurzzeitig zu einem scharfen Schattenwurf auf der Kamera Gelegenheit hat. Für das hinreichend schnelle Refokussieren des Objektivs stehen die oben genannten TAG Linsen kommerziell zur Verfügung. Diese lassen sich ohne weiteres mit elektrischen Hochfrequenz (HF)-Signalen mit Frequenzen von etlichen 10 kHz ansteuern, d.h. die TAG Linse vollführt dann eine periodische Brechkraftoszillation mit Periodendauern im Bereich kleiner als 100 Mikrosekunden. Mit einer solchen Periodendauer kann die virtuelle Schirmebene durch das Messvolumen verschoben werden innerhalb einer einzigen Belichtungszeit.
Die Brechkraft der TAG Linse ist 0, wenn Sie nicht elektrisch zu akustischen Oszillationen angeregt wird. In diesem Fall ruht die virtuelle Schirmebene vorzugsweise in der Mittenebene des Messvolumens, wie dies bei der fokussierten Shadowgraphie nach Belieben eingerichtet werden kann; in dieser Ruheposition wird im Folgenden von der nativen virtuellen Schirmebene gesprochen. Bevorzugt wird die Amplitude des HF-Signals zur Ansteuerung der TAG Linse so eingerichtet, dass das Verschieben der virtuellen Schirmebene bis an die Grenzen des Messvolumens erfolgt. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, wenn man z.B. Vorkenntnisse über die wahrscheinlichen Positionen der Schattenwurfobjekte im Messvolumen hat und diesen Positionen erhöhte Aufmerksamkeit widmen will.
Es ist anzumerken, dass für den Fall, dass die Periodendauer des HF-Signals genau auf die doppelte Belichtungszeit eingerichtet wird, eine Kopplung der Phasenlage des HF-Signals an den Auslöser der Kamera vorzusehen ist, um die Verschiebung der virtuellen Ebene durch das gesamte, von der Oszillation erfasste Messvolumen zu garantieren. Wird die Periodendauer hingegen der Belichtungszeit genau angeglichen, erübrigt sich diese Kopplung.
Die genaue Auswahl und Ansteuerung der TAG Linse hinsichtlich Frequenz und Amplitude hängt von der konkreten Messaufgabe und der konstruktiv festgelegten Größe des Messvolumens ab und kann nicht allgemeingültig benannt werden. Lediglich exemplarisch sollen hier einige vorteilhafte Größen vorgeschlagen werden, die in einem Testaufbau und in einer in situ Unterwasser-Messvorrichtung für Zooplankton realisiert worden sind.
Um eine ausreichend große Anzahl an Zooplankton (wenige Hundert Mikrometer bis mehrere Millimeter groß) zu detektieren ist es für die Unterwasser-Anwendung von Bedeutung, dass das Messvolumen einen Rauminhalt von mindestens einem Liter aufweist, bevorzugt sogar erheblich größer ist. Der zweite Durchmesser der Kollimierlinse und der Durchmesser des telezentrischen Objektivs sollen daher aus dem Intervall von 5 bis 10 Zentimeter, bevorzugt von 7,5 bis 8 Zentimeter, ausgewählt und eingerichtet sein. Der Abstand der Kollimierlinse vom Objektiv - die Zylinderhöhe des Messvolumens - beträgt wenigstens 50 Zentimeter, wie angeregt in der WO 2008/103697 A2 . Das Messvolumen weist dann vorzugsweise einen Rauminhalt zwischen etwa 2200 und 2500 cm³ auf. Die Zylinderhöhe und der Rauminhalt des Messvolumens im hier beschriebenen Verfahren sind um ein Vielfaches größer als bei Systemen ohne erweiterten Fokusbereich. Normalerweise beträgt die Zylinderhöhe (entsprechend der Schärfentiefe) einige Millimeter oder wenige Zentimeter, je nach Abbildungsmaßstab.
Der Kamerachip ist üblich von deutlich kleinerem Durchmesser als jener des Messvolumens (APS-C: 23,7 x 15,6mm; Vollformat: 36,0 x 24,0 mm; im hier beschriebenen Beispiel: 25 x 25 mm), so dass der Abbildungsmaßstab auf einen Wert zwischen 0,1 und 1 und bevorzugt auf einen Wert kleiner als 0,5 eingerichtet wird. Dies wird bei Auswahl und Voreinstellung des objektseitig telezentrischen, varifokalen Objektivs bereits berücksichtigt, das auch eine native virtuelle Schirmebene in der Mittenebene des Messvolumens - also hier bei je 25 Zentimeter Abstand zur Kollimierlinse mit dem zweiten Durchmesser und zum Objektiv - einrichtet. Das telezentrische Objektiv hält den Abbildungsmaßstab auch während der Fokusvariation in guter Näherung konstant.
Nach der reinen Lehre der Shadowgraphie sollte der erste Durchmesser der Messlichtquelle möglichst klein sein, so dass das Messlicht idealerweise von einer Punktlichtquelle ausgeht und durch die Kollimierlinse strikt kollimiert wird. Es erscheint zweckmäßig, eine kleine Leuchtdiode (LED) als Messlichtquelle verwenden. In der Praxis ist die Kollimierung, wie bereits angesprochen, nicht perfekt zu erreichen. Man kann einen Beleuchtungsaufbau mit einem Raumfilter vor einer Austrittspupille einrichten, um eine Punktlichtquelle zu realisieren, aber wenn der Durchmesser der Pupille zu klein ist, reicht die Beleuchtungsstärke eventuell nicht aus, um ein größeres Volumen eines getrübten Mediums wie Meerwasser effektiv zu durchleuchten. Zudem nehmen unerwünschte Beeinträchtigungen der Abbildungsqualität durch Fringing („diffraction blur“) zu, wenn der Durchmesser der LED abnimmt. Dies ist ein bekannter limitierender Faktor der Shadowgraphie, welcher insbesondere bei kleinen Objekten relevant ist (da die störenden Diffraktionsmuster im Wellenlängenbereich relativ zur Objektgröße größer werden). Um dies zu vermeiden bieten sich besonders breitbandig emittierende Superlumineszenzdioden (SLD) an, da deren Licht nur kurze Kohärenzlänge aufweist, so dass unerwünschtes Fringing vermieden wird. Entsprechende LED oder SLD lassen sich in verschiedenen Größen kaufen, und man kann zur weiteren Unterdrückung von Kohärenz auch noch Diffusoren vorsehen, bevor das emittierte und diffus gemischte Licht auf eine Austrittspupille gelangt, die beispielsweise als eine Blende mit veränderbarer Apertur derart ausgebildet ist, dass der erste Durchmesser bevorzugt aus dem Intervall von 1 bis 5 Millimeter ausgewählt und eingerichtet werden kann. Alternativ kann die LED oder SLD auch direkt in der richtigen Größe an die Stelle der Austrittspupille gesetzt werden, wenn der Aufbau vereinfacht werden soll.
Experimentell wurde gefunden, dass sich eine deutliche Steigerung der Schärfentiefe durch die Verwendung der varifokalen, telezentrischen Kamera mit TAG Linse nicht ohne Weiteres ergibt. Vielmehr ist es erfindungsgemäß notwendig, nach dem Anordnen der optischen Komponenten und der Festlegung des Messvolumens auch noch den Durchmesser der Messlichtquelle anzupassen. Dieser Durchmesser beeinflusst in konkurrierender Weise sowohl Auflösung als auch Kontrast aller erfassten Schattenbilder und kann durch einfache Testmessungen optimiert werden. Die Optimierung ist dabei für jeden Aufbau und jede konkrete Messaufgabe lediglich einmal durchzuführen. Hiernach soll der Durchmesser der Messlichtquelle fixiert werden; insbesondere kann die Messlichtquelle auch durch eine andere in entsprechender Größe ersetzt werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung und insbesondere der Rolle des ersten Durchmessers werden nachfolgend Figuren herangezogen. Dabei zeigen:

1 eine Skizze des Messaufbaus zur Shadowgraphie zur Erläuterung der Funktion der TAG Linse;
2 Aufnahmen eines Testtargets, das in verschiedenen Abständen zur nativen virtuellen Schirmebene angeordnet wird. Links: Aufnahmen ohne TAG Linse, Rechts: Aufnahmen mit aktivierter TAG Linse; der LED Durchmesser beträgt 1 Millimeter;
3 Aufnahmen wie in 2, wobei das Messlicht von der LED zunächst durch einen Diffusor geschickt wird, bevor es in das Messvolumen eintritt;
4 Aufnahmen wie in 2 und 3 mit einem LED Durchmesser von 4 Millimeter.

Die 1 zeigt den Messaufbau für das hier beschriebene Verfahren, umfassend eine Messlichtquelle (1), eine Kollimierlinse (2), ein objektseitig telezentrisches Objektiv gebildet aus einer Fokussierlinse (3), einer hinter einer Telezentrie-Blende (nicht dargestellt) angeordneten TAG Linse (4) und einer Tubuslinse (5) sowie einen Kamerachip (6). Hervorzuheben ist, dass sich die TAG Linse (4) im gemeinsamen Brennpunkt von Fokussierlinse (3) und Tubuslinse (5) befindet, um eine telezentrische Abbildung zu ermöglichen. Der gepunktete Bereich markiert den durch die Messlichtquelle (1) erzeugten Lichtstrahl, der das Messvolumen durchleuchtet. Beispielhaft sind zwei Schattenwurfobjekte (7, 8) dargestellt, die sich an verschiedenen Positionen des Messvolumens befinden, sowie die dazugehörigen Strahlengänge, wenn die Schatten der Objekte (7, 8) an ihren jeweiligen Positionen durch die periodische Oszillation der TAG Linse (4) erfasst und abgebildet werden (gestrichelte und gepunktete Linien). In einer Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren im Unterwassereinsatz zur in situ Untersuchung von Zooplankton verwendet. Die kleinsten Schattenwurfobjekte weisen eine Größe von ca. 200 Mikrometer und eine tolerierbare Bewegungsunschärfe (P/M) von maximal 10 µm auf. Bei Quergeschwindigkeiten entsprechend der typischen Schiffsgeschwindigkeit zwischen 0,5 und 1 m/s ergeben sich maximal zweckdienliche Belichtungszeiten von 10-20 Mikrosekunden. Hierfür wird die TAG Linse (4) mit einem HF-Signal der Frequenz 70 kHz angesteuert und eine Belichtungszeit von 7 oder 14 Mikrosekunden (entsprechend einer halben oder vollständigen Periode der TAG Linse (4)) eingerichtet. Dabei ist verstanden, dass die Belichtungszeit mit der Periodendauer der TAG Linsen-Oszillation synchronisiert sein soll. Zwischen den Belichtungen der einzelnen Aufnahmen kann jeweils eine zeitliche Pause zum Auslesen der Bilddaten aus dem Kamerachip (6) und zum Abspeichern in einem nichtflüchtigen Datenspeicher vorgesehen sein.
Es ist als ein Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens herauszuheben, dass die Schattenwurfobjekte mehr als eine Größenordnung kleiner als der zweite Durchmesser des Messvolumens sein können.
Während der Belichtungszeit wird die virtuelle Schirmebene genau ein- oder zweimal durch jeden Punkt des Messvolumens verschoben. Alles Licht, das während dieser Verschiebung auf die Pixel des Kamerachips (6) fällt, wird zeitlich integriert. Man kann mit einem ähnlichen Effekt wie beim „image stacking“ in der Mikroskopie rechnen, bei dem sich ein virtuell erweitertes depth-of-field ergeben kann, wenn man mehrere Aufnahmen einer Probe mit verschiedenen Fokuslagen erzeugt und miteinander fusioniert. Die Fusion soll hier aber nicht numerisch im Nachhinein durchgeführt werden, sondern sich bereits bei der Bilderfassung physikalisch von selbst einstellen.
Die Aufnahmen in 2 veranschaulichen das Prinzip der integrierten Bildgebung und zeigen, dass die Erwartung einer physikalisch realisierten Analogie zum „image stacking“ nicht unberechtigt ist, sich aber gleichwohl nicht ohne Weiteres erfüllt. Ein planares Testtarget, welches ein herkömmliches Mikroskopie-Target (USAF-1951 target) und einige aufgeklebte Beispiele für zu untersuchende Plankton-Spezies aufweist, wird an verschiedenen Orten des Messvolumens in den Strahl gestellt und mit dem Aufbau nach 1 abgelichtet. Der Ort z = 0 entspricht dabei der Lage der nativen virtuellen Schirmebene, die durch das Objektiv (3, 4, 5) fest eingerichtet ist. Durch Ansteuern mit einem HF-Signal kann die TAG Linse (4) zu einer sinusförmigen Oszillation ihrer Brechkraft zwischen -1 und +1 Dioptrien angeregt werden, was die virtuelle Schirmebene zwischen z = - 25 cm und z = + 25 cm oszillierend bewegt. Die Zahlen neben den Bildern in 2 geben an, an welcher z-Koordinate das Testtarget angeordnet ist, während das jeweilige Bild entsteht.
In der linken Spalte sind die Bilder zu sehen, die sich ohne TAG Linse (TAG OFF = TAG Linse Brechkraft 0) mit einem bekannten fokussierten Shadowgraphen ergeben, der eine LED mit 1 Millimeter Durchmesser als Messlichtquelle (1) aufweist. Befindet sich das Testtarget nahe der nativen virtuellen Schirmebene, so sind alle Schatten erwartungsgemäß scharf. Mit wachsendem Abstand des Testtargets zur nativen virtuellen Schirmebene verwischen die feinen Strukturen zusehends („geometric blur“ + „diffraction blur“ + Defokus) und sind kaum noch als Strukturen erkennbar am Rand des Messvolumens.
Die Bilder der rechten Spalte zeigen dasselbe Testtarget an denselben Orten bei zugeschalteter TAG Linse (4). Nun ist das Target sehr gut zu erkennen, und bei seiner Positionierung an den Rändern des Messvolumens werden erfreulich scharfe Bilder erzeugt. Allerdings verliert man erheblich Bildschärfe im Zentrum des Messvolumen, wo zuvor die schärfste Abbildung vorlag. Da der Anspruch bestehen muss, eine einheitliche Mindestauflösung im gesamten Messvolumen zu erzielen, kann man allenfalls das 2-1 Symbol (rechteckig eingerahmt) des Mikroskopier-Targets mit einer Linienbreite von 111 Mikrometern noch als Maß für die durchgängig erzielbare Auflösung anführen. Das ist für die zuverlässige Klassifizierung von Meeresorganismen nicht ausreichend.
Bei der fokussierten Shadowgraphie verwischen die Schattenstrukturen mit wachsendem Abstand des Schattenwurfobjektes zur virtuellen Schirmebene zwar, aber das grobe Bild bleibt auch für große Abstände - z.B. bis zu 50 Zentimeter - erhalten, wie man in der linken Spalte von 2 klar sieht. Man kann also sagen, der Schattenwurf hat eine große Reichweite.
Das Verschieben der virtuellen Schirmebene während einer Belichtungszeit durch das Messvolumen integriert verschiedene Schattenwürfe eines Schattenwurfobjektes auf und generiert einen optisch erzeugten Mittelwert, der grundsätzlich eine Rekonstruktion der Feinstrukturen mit sich bringt (siehe 2). Dies entspricht verschiedenen Positionen des Testtargets im Messvolumen in der linken Spalte von 3.
In 3 wird der Frage nachgegangen, welchen Effekt eine deutlich verringerte Reichweite des Schattenwurfs hat. Dazu wird das Messlicht eingangsseitig durch einen Diffusor geführt oder alternativ eine sehr große Lichtquelle, z.B. eine LED mit 10 mm Durchmesser, verwendet. Das in das Messvolumen eintretende Licht ist dann nicht mehr gut kollimiert, sondern es umfasst Strahlenbündel mit einem Kontinuum kleiner, aber von null verschiedener, Winkel gegen die optische Achse. D.h. dieser Ansatz entspricht nicht mehr den Vorgaben der Shadowgraphie, sondern kann als konventionelle Durchlicht-Beleuchtung bezeichnet werden. Nach wie vor ergibt sich dadurch ein scharfer Schatten eines Schattenwurfobjekts auf einem Schirm, wenn dieser Schirm sehr nahe an der Position des Schattenwurfobjektes vorliegt. Befindet sich der Schirm - oder die virtuelle Schirmebene - indes in einem größeren Abstand zum Schattenwurfobjekt, z.B. etwa 25 Zentimeter, dann sind vom Schatten auch die groben Umrisse kaum noch zu erkennen. Eben dies ist in der linken Spalte der 3 zu sehen. Die rechte Spalte zeigt denselben Messaufbau mit zugeschalteter TAG Linse (4), und die optische Mittelwertbildung rekonstruiert nicht nur die groben Umrisse des Testtargets, sondern sogar durchgängig feine Strukturbreiten des 2-2 Symbols des Mikroskopier-Targets mit Linienbreite 99 Mikrometer (rechteckig eingerahmt). Die Auflösung ist prinzipiell verbessert, wird aber vor allem durch den erheblich verschlechterten Kontrast begrenzt, weil bei der Integration ganz überwiegend Schattenwürfe beitragen, die nur stark verwischte oder gar keine Konturen mehr zeigen, also eigentlich eher dem Hintergrund zuzurechnen sind. Der zu geringe Kontrast macht es teilweise unmöglich, kleine Schattenwurfobjekte noch in allen erforderlichen Details auszumachen (s. die eingekreiste Region als Beispiel).
Dadurch wird jedoch eine mögliche „Stellschraube“ zur Optimierung erkennbar: Man variiere den ersten Durchmesser der Messlichtquelle (1) derart, dass ein zweckmäßiger Kompromiss aus Auflösung und Kontrast in allen Schattenbildern des von der virtuellen Schirmebene durchlaufenen Messvolumens eingerichtet wird. Dies mag zwar mit der reinen Lehre der telezentrischen Shadowgraphie brechen, allerdings sieht diese in ihrer ursprünglichen Form auch weder extrem große Messvolumina noch den Einsatz varifokaler Linsen zur integrierten Bildgewinnung vor, um solche großen Messvolumina zu realisieren.
In 4 ist das beste erzielte Resultat gezeigt. Der Messaufbau entspricht der 1 mit der wichtigen Ausnahme, dass die Messlichtquelle (1) nun einen Durchmesser von 4 Millimeter besitzt und nur noch annähernd als Punktlichtquelle bezeichnet werden kann. In der linken Spalte sind die erfassten Schatten des Testtargets ohne TAG Linse (4) zu sehen. Erkennbar laufen die Schatten bei großem Abstand des Testtargets zur virtuellen Schirmebene weit auseinander und weisen selbst nur noch allenfalls die Grobstruktur des Targets auf. Zudem werden mehrere lateral verschobene Dubletten des Schattens produziert. Schaltet man nun die TAG Linse (4) zu, führt die optische Mittelwertbildung allerdings zu einer sehr scharfen Rekonstruktion des Targets, wobei sich Strukturbreiten des 3-1 Symbols des Mikroskopier-Targets mit einer Linienbreite von nominell 62 Mikrometer durchgängig ausmachen lassen. Es ist somit nachweislich möglich, den ersten Durchmesser der Messlichtquelle (1) so zu adaptieren, dass innerhalb des Messvolumen unabhängig vom Abstand zur Kamera (3, 4, 5, 6) Strukturen mit einer Strukturbreite größer als 60 Mikrometer von der Kamera (3, 4, 5, 6) erfasst und aufgelöst werden.
Ein Shadowgraph mit einer Belichtungszeit von weniger als 20 Mikrosekunden und einer Auflösung von ca. 60-100 Mikrometern für alle Schattenwurfobjekte, die sich in einem Messvolumen mit einem depth-of-field von 50 Zentimetern befinden, ist sehr geeignet für die Messaufgabe, individuelle Plankton-Organismen mittels sich bewegender Messsysteme im Ozean zu bestimmen. Die erzielbaren Shadowgraphien lassen das anschließende Identifizieren und Zählen der Mikroorganismen nun ohne Weiteres zu. Eine Shadowgraphie-Vorrichtung geeignet zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens umfasst eine Messlichtquelle (1) mit einem ersten Durchmesser, eine Kollimierlinse (2) mit einem zweiten Durchmesser größer als der erste Durchmesser, ein objektseitig telezentrisches, varifokales Objektiv (3, 4, 5) und einen elektronischen Kamerachip (6), mit dem hier erstmals angeregten Merkmal, dass das Objektiv (3, 4, 5) zur periodischen Verschiebung seiner vorderen Brennebene durch Ansteuerung einer TAG Linse (4) mit einem elektrischen HF-Signal ausgebildet ist. Nach Kenntnis der Erfinder wurden TAG Linsen noch nie zur Shadowgraphie eingesetzt. Es ist auch nicht als gängig bekannt, TAG Linsen in objektseitig telezentrischen Objektiven vorzusehen, wobei dies in Analogie zu den bekannten Flüssiglinsen unproblematisch möglich ist. Erfindungsgemäß ist der Durchmesser der Messlichtquelle (1) ein Optimierungsparameter. Daraus folgt, dass es bei einer vorab unbekannten Messaufgabe mit vorab unbekannten Abmessungen des Messvolumens zweckmäßig ist, eine Messlichtquelle (1) mit einem veränderbaren Durchmesser gebildet aus wenigstens einer Leuchtdiode und einer Blende mit veränderbarer Apertur bereitzustellen. Die Messlichtquelle (1) kann auch ein LED-Array und/oder einen Diffusor umfassen.

Claims

Shadowgraphie-Verfahren zur schnellen Untersuchung großer Messvolumina enthaltend bewegte Schattenwurfobjekte, umfassend die Schritte a. Bereitstellen einer Messlichtquelle mit einem ersten Durchmesser; b. Kollimieren des Messlichts mit einer Kollimierlinse mit einer vorbestimmten eintrittsseitigen Brennweite und einem zweiten Durchmesser größer als der erste Durchmesser; c. Einstrahlen des kollimierten Messlichts auf eine objektseitig telezentrische Kamera umfassend ein objektseitig telezentrisches Objektiv und einen elektronischen Kamerachip mit Pixelabstand P; d. Erfassen des Schattenwurfs von Schattenwurfobjekten im mit Messlicht durchsetzten Messvolumen zwischen Kollimierlinse und Objektiv; gekennzeichnet durch die Schritte e. Erzeugen eines varifokalen, objektseitig telezentrischen Objektivs durch Anordnen einer tunable acoustic gradient index of refraction (TAG) Linse im Objektiv; f. Einrichten einer nativen virtuellen Schirmebene im Messvolumen bei inaktiver TAG Linse; g. Auswählen und Einrichten eines Abbildungsmaßstabes M; h. Ermitteln der maximalen Quergeschwindigkeit v von Schattenwurfobjekten im Messvolumen; i. Bestimmen einer Belichtungszeit τ, die der Bedingung P/M > v*τ genügt; j. Ansteuern der TAG Linse mit einem elektrischen HF-Signal mit einer Periodendauer, die höchstens der doppelten Belichtungszeit τ entspricht; k. Variieren und Fixieren des ersten Durchmessers zur konkurrierenden Optimierung von Auflösung und Kontrast der erfassten Bilder.
Shadowgraphie-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die native virtuelle Schirmebene mit der Mittenebene des Messvolumens zusammenfallend eingerichtet wird.
Shadowgraphie-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des HF-Signals zur Ansteuerung der TAG Linse so eingerichtet wird, dass das Verschieben der virtuellen Schirmebene bis an die Grenzen des Messvolumens erfolgt.
Shadowgraphie-Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungsmaßstab auf einen Wert zwischen 0,1 und 1, bevorzugt auf einen Wert kleiner als 0,5, eingerichtet wird.
Shadowgraphie-Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kollimierlinse und telezentrischem Objektiv ein Abstand von wenigstens 50 Zentimeter eingerichtet wird.
Shadowgraphie-Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Durchmesser aus dem Intervall von 5 bis 10 Zentimeter, bevorzugt von 7,5 bis 8 Zentimeter, ausgewählt und eingerichtet wird.
Shadowgraphie-Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenwurfobjekte mehr als eine Größenordnung kleiner als der zweite Durchmesser sind.
Shadowgraphie-Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser auf einen Wert aus dem Intervall von 1 bis 5 Millimeter ausgewählt und eingerichtet wird.
Shadowgraphie-Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Messlichtquelle (1) mit einem ersten Durchmesser, eine Kollimierlinse (2) mit einem zweiten Durchmesser größer als der erste Durchmesser, ein objektseitig telezentrisches, varifokales Objektiv (3, 4, 5) und einen elektronischen Kamerachip (6), wobei das Objektiv (3, 4, 5) zur periodischen Verschiebung seiner vorderen Brennebene durch Ansteuerung einer TAG Linse (4) mit einem elektrischen HF-Signal ausgebildet ist.
Shadowgraphie-Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Messlichtquelle mit einem veränderbaren Durchmesser, gebildet aus wenigstens einer Leuchtdiode und einer Blende mit veränderbarer Apertur.