DE4102404C2 - Optische Abtasteinrichtung zur Erzeugung einer zweidimensionalen Abbildung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine optische Einrichtung, insbesondere eine Einrichtung zur Erzeugung einer zweidimensionalen Abbildung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes.

Aus dem Stand der Technik auf dem Gebiet der optischen Einrichtungen ist es bekannt, eine abzubildende Oberfläche mit einer punktförmigen Lichtquelle abzutasten und das von dem jeweils beleuchteten Punkt reflektierte Licht aufzufangen und auf einen Detektor zu richten, welcher ein Ausgangssignal liefert, das sich zeitlich in Korrelation mit dem Abtastvorgang des beleuchteten Punktes auf der Oberfläche ändert. Die Ausgangssignale des Detektors können in einem Permanent-Speichermedium gespeichert werden oder direkt einer Abtastungs- Anzeigeeinheit, wie einem Video-Monitor oder einem Kathodenstrahlröhrenbildschirm, zugeführt werden. Durch Synchronisation des Abtastvorganges der Lichtquelle mit der Abtastung des Anzeigesignals wird eine zweidimensionale Abbildung erzeugt.

Eine entsprechende Vorrichtung ist z. B. ein Abtast-Ophthalmoskop (Scanning- Ophthalmoscope), welches eine Abbildung des Augenhintergrundes erzeugt. In einer solchen Einrichtung kann ein Laser als Lichtquelle verwendet werden. Laser- Abtast-Ophthalmoskope sind in den Literaturstellen 1 bis 7 (vgl. Anhang) beschrieben. Ein Abtast-Ophthalmoskop für die Vermessung dreidimensionaler Formen ist in der Literaturstelle 8 beschrieben. In einem Laser-Ophthalmoskop mit konfokaler Abtastung (vgl. Literaturstelle 5) wird die Abtastoptik zugleich für die Führung des beleuchtenden Strahles als auch für die Erfassung von rückgestreutem Licht verwendet, was eine örtlich fixierte Abbildung des beleuchteten Punktes ergibt. In diesem System können die Reflexionen von der Hornhaut und Streulicht vor der Erfassung wirksam ausgeschaltet werden, was den Kontrast der Ausgangs- Abbildung wesentlich verbessert. Die laterale Auflösung des Abtast- Ophthalmoskops ist durch die Größe des beleuchteten Punktes auf dem Augenhintergrund begrenzt. Diese Punktgröße hängt ab von Aberrationen des optischen Systems des Auges selbst.

Die meist verbreitete Aberration ist der Fokussierfehler. Der Fokussierfehler erhöht die Größe des beleuchteten Punktes und vermindert dadurch die Auflösung wesentlich über die Beugungsbegrenzung. Eine Fokussierkompensation mit klassischen optischen Methoden ist in der Abtast-Ophthalmoskopie kaum möglich, weil die Aberrationen von Auge zu Auge unterschiedlich sind.

Andererseits ist es aus dem Stand der Technik auf dem Gebiet der Holographie bekannt, eine abzubildende Oberfläche mit einer quasi-monochromatischen, räumlich inkohärenten oder partiell kohärenten Lichtquelle zu beleuchten, das von der Oberfläche kommende Licht durch ein Rotations-Shearing-Interferometer zu führen, das resultierende holographische Muster mittels eines holographischen Aufzeichnungsmediums aufzunehmen und dann die Abbildung der Oberfläche aus dem holographischen Muster optisch zu rekonstruieren (vgl. Literaturstelle 9). Ein auf diese Weise erzeugtes partiell kohärentes Fourier-Hologramm hat eine einzigartige Eigenschaft: Abbildungen aller Punkte eines dreidimensionalen Objekts, die aus dem Hologramm rekonstruiert werden, fokussieren scharf in einer einzigen Ebene, unabhängig von ihrer Tiefenlage am Objekt, d. h. es wird ein "planarer Fokussiereffekt" hervorgerufen. Dieser besondere Effekt hat keine Analogie in der klassischen Optik und in der klassischen Holographie mit einer kohärenten Objektbeleuchtung und einer Referenzwelle. Diese besondere Methode liefert also ohne irgendwelche Nachfokussierelemente eine zweidimensionale Darstellung einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts unabhängig von der Tiefenlage und Krümmung der Oberfläche. Die laterale Auflösung ist dabei nur beugungsbegrenzt.

Ein technisches Problem dieser Methode ist, daß diese in der Praxis nicht für Objektoberflächen genutzt werden kann, die eine nicht unerheblich große Zahl (10⁵- 10⁶) von aufzulösenden Objektpunkten erfordert, da für diesen Fall partiellkohärente Fourier-Hologramme einen verschwindend geringen Beugungswirkungsgrad und ein verschwindend geringes Signal/Rausch-Verhältnis haben.

Darüber hinaus wäre für die Realisation dieser Methode in Echtzeit die Verwendung einer Echtzeit-Detektor-Anordnung mit ca. 10⁷ Detektoren erforderlich, welches technisch schwierig und kostenintensiv wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue optische Einrichtung zu schaffen, mittels welcher hochaufgelöste, zweidimensionale Bilder in Echtzeit, die eine große Zahl von aufgelösten Objektpunkten einer dreidimensionalen Oberfläche beinhalten, unter Verwendung einer Detektor-Anordnung mit einer relativ kleinen Anzahl von Detektoren, erzeugbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch eine optische Abtasteinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Einzelheiten, Funktionsweise und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen der Abtasteinrichtung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Abtasteinrichtung in einer ersten Ausführung in Diagrammdarstellung,

Fig. 2 die Abtasteinrichtung in einer zweiten Ausführung, ebenfalls in Diagrammdarstellung,

Fig. 3 die Abtasteinrichtung in einer dritten Ausführung, ebenfalls in Diagrammdarstellung,

Fig. 4 ein optisches System zur Erzeugung von partiell-kohärenten Fourier- Hologrammen in schematischer Darstellung und

Fig. 5 eine Strahlformeinrichtung in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine quasi­ monochromatische, räumlich inkohärente oder partiell kohärente Lichtquelle, z. B. eine Laserdiode oder eine Gasentladungslampe. Ein von dieser Quelle erzeugter Lichtstrahl wird durch eine Strahlformeinrichtung 2 geführt, mittels welcher der einfallende Lichtstrahl zu einem ausgehenden Lichtstrahl mit einem Verhältnis zwischen seinem räumlichen Kohärenzradius und seinem Strahlradius kleiner als 1 umgeformt wird. Der ausgehende Lichtstrahl, der einige inkohärente Zonen aufweist (die Anzahl von räumlich-inkohärenten Zonen in einem Strahl ist definiert als Verhältnis des Strahldurchmessers (Strahlradius) zu dem räumlichen Kohärenzradius), wird nach Fokussierung (Fokussiereinrichtung nicht dargestellt in Fig. 1) mittels einer X-Y-Abtasteinrichtung 3 zur zweidimensionalen Abtastung einer Oberfläche 4 eines Objektes abgelenkt. Unterschiedliche Bereiche der mit unterschiedlichen räumlich inkohärenten Zonen des einfallenden Lichtstrahls beleuchteten Oberfläche 4 senden ihrerseits räumlich inkohärente Lichtwellen aus. Diese Lichtwellen werden durch ein optisches System 5 zur Erzeugung von Fourier- Hologrammen geführt. Beispielsweise kann ein Rotations-Shearing-Interferometer gemäß Fig. 4 zur Erzeugung solcher Fourier-Hologramme verwendet werden. Die Hologramme werden von einer zweidimensionalen Detektor-Anordnung 6 aufgenommen. Eine solche Detektor-Anordnung 6 kann z. B. eine CCD-Kamera sein. Die Verwendung von dynamischen Aufzeichnungsmedien, wie photorefraktive Kristalle, Polymere oder geeignete Gase etc., ist ebenfalls möglich; in diesen Fällen kann eine Bildrekonstruktion auf optischem Wege (optische Fourier-Rekonstruktion) erfolgen. Die mit der Detektor-Anordnung 6 aufgenommene Intensitätsverteilung des Hologramms wird mittels eines Prozessors 7 in Korrelation mit der Abtastung in Echtzeit digital zum Bild rekonstruiert. Die erzeugten Bilder bestehen aus einer Anzahl von Bildpunkten, wobei deren Anzahl mit der Zahl der räumlich inkohärenten Zonen im Lichtstrahl übereinstimmt. Die Bilder können in einem Speicher 8 gespeichert und in Übereinstimmung mit der Abtastposition auf einer Anzeigeeinheit 9 wiedergegeben werden. Die Grenze der lateralen Auflösung in den rekonstruierten Bildern ist durch den Radius der räumlich kohärenten Lichtstrahlzone auf der Objekt- Oberfläche definiert.

Fig. 2 der Zeichnung illustriert eine Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung als Abtast-Ophthalmoskop, d. h. als Einrichtung zur Untersuchung eines Auges. Mit der Bezugsziffer 3 ist hier ein bekannter zweidimensionaler Scanner bezeichnet, wie er üblicherweise in der Abtast-Ophthalmoskopie mittels Laser verwendet wird. Die Abtasteinrichtung arbeitet hier im wesentlichen wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel; zusätzlich sind noch ein Strahlteiler 10 und eine Fokussiereinrichtung 11 vorgesehen. Der Strahlteiler 10, z. B. ein kleiner Drehspiegel oder ein Prisma oder ein halbdurchlässiger Spiegel, lenkt den von der Lichtquelle 1 kommenden Lichtstrahl durch die Pupille des Auges auf den hier die abzubildende Objektoberfläche bildenden Augenhintergrund 4 und trennt den von dort reflektierten Lichtstrahl vom einfallenden Strahl. Die Fokussiereinrichtung 11 erzeugt ein reelles Zwischenbild des beleuchteten Punktes auf dem Augenhintergrund 4.

Fig. 3 illustriert eine Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung als konfokales Abtast-Ophthalmoskop. Der vom Augenhintergrund 4 reflektierte Lichtstrahl wird hier durch den Scanner geführt, wodurch das Bild des beleuchteten Punktes räumlich stabil wird und mittels einer Blende 12 aus Reflexionen und Streulicht ausgefiltert werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Abtasteinrichtung mit einem Rotations-Shearing- Interferometer, in welchem die Amplitude eines einfallenden Strahls durch einen Strahlteilerwürfel geteilt wird. Die beiden resultierenden Wellen bzw. Strahlen werden mittels rechtwinkliger Prismen reflektiert, wobei die Prismen zueinander unter einem Winkel Ψ ungleich 0 angeordnet sind. Die ausfallenden, gegeneinander um einen Winkel ϕ = 2 Ψ um die optische Achse verdrehten Strahlen werden wieder zusammengeführt, was eine partiell-kohärente Fourier-Hologramm-Aufzeichnung ergibt. Der Winkel dieser Verdrehung definiert den Hologramm-Verstärkungsfaktor V = (2sinΨ)^-1. Jede räumlich kohärente Zone auf der Objektoberfläche 4 liefert mittels des Rotations-Shearing-Interferometers einen sinusgitterartigen Beitrag zur Intensitätsverteilung des Fourier-Hologramms. Jeder Gitterbeitrag enthält nur noch eine Information bezüglich der Richtung zur Lage der jeweiligen Zone auf der Objektoberfläche; die Information bezüglich der Tiefenlage der Zone ist ausgelöscht. Dies beruht darauf, daß der erwähnte Beitrag das Ergebnis einer in dem Interferometer erzeugten Interferenz zwischen zwei Wellen mit der gleichen Krümmung ist.

Wie Fig. 5 zeigt, die schematisch eine Strahlformeinrichtung 5 darstellt, wird hier eine Maske 13 zur Begrenzung der Zahl der räumlich inkohärenten Zonen im Lichtstrahl verwendet. Hierdurch wird auch die Zahl der Bildpunkte des aus einem einzelnen Hologramm rekonstruierten Bildes begrenzt, was die an den Prozessor 7 zu stellenden Anforderungen vermindert.

Liste der Literaturstellen

1. R. H. Webb, G. W. Hughes, and D. Pomerantzeff, "Flying Spot TV Ophtahlmoscope", Appl. Opt., V. 19, 2991 (1980); entspricht US-Patent No. 4 213678 und japanischer Offenlegungsschrift No. 62-117524,
2. M. A. Mainster, G. T. Timberlake, R. H. Webb, and G. W. Hughes, "Scanning laser ophthalmoscopy", Ophthalmology, V.89, 852 (1982),
3. A. Plesch, V. Chaspers, J. Bille, M. L. Goetz, and W. Jaeger, "Laser Scanning Ophthalmoscope", Fortschr. Ophthalmol., V.83, 530 (1986),
4. D. P. Wornson, G. W. Hughes, and R. H. Webb, "Fundus tracking with the scanning laser ophthalmoscope", Appl. Opt., V.26, 1500-1504 (1987),
5. R. H. Webb, G. W. Hughes, and F.C. Delors, "Confocal scanning laser ophthalmoscope", Appl. Opt., V. 26, 1492-1499 (1987),
6. A. Plesch, U. Kingbeil, and J. Bille, "Digital laser scanning fundus camera", Appl. Opt., V.26, 1480-1486 (1987),
7. Veröffentlichte europäische Patentanmeldung Nr. 0 307 185 A2,
8. Veröffentlichte europäische Patentanmeldung Nr. 0 314471 A1,
9. Yu. A. Bykovskii, A. M. Zarubin, and A. I. Larkin, "Partially-coherent holography. Its properties and applications", Sov. J. Quantum. Elektronics, V.16, 1165-1174 (1986).

Claims (6)

1. Eine optische Abtasteinrichtung zur Erzeugung einer zweidimensionalen Abbildung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes mit einer quasimonochromatischen, räumlich-inkohärenten oder partiell-kohärenten Lichtquelle zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahles, einem optischen System zur Erzeugung von partiell-kohärenten Fourier-Hologrammen, einer X-Y-Abtasteinrichtung zum Abtasten der Oberfläche mit dem Beleuchtungsstrahl, einer Detektor-Anordnung und einem Prozessor zur Verarbeitung eines Detektor-Ausganssignales, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Abtasteinrichtung eine Strahlformeinrichtung (2) enthält zur Umformung des Beleuchtungsstrahles in einen Lichtstrahl mit einem vorgebbaren Verhältnis zwischen seinem räumlichen Kohärenzradius und dem Strahlradius, das die Anzahl von räumlich-inkohärenten Zonen in dem ausgehenden Strahl größer als 1 bestimmt;
• - das optische System (5) in Übereinstimmung mit der Abtastung eine Sequenz von partiell-kohärenten Fourier-Hologrammen erzeugt, wobei jedes Hologramm eine Anzahl von Bildpunkten der abzubildenden Oberfläche (4) speichert, die durch die Anzahl von räumlich-inkohärenten Zonen bestimmt ist;
• - die Detektor-Anordnung (6) die Aufnahme der Hologrammsequenz in Korrelation mit der Abtastung durchführt;
• - der Prozessor (7) die digitale Rekonstruktion der Hologrammsequenz ausführt, um eine Sequenz von zweidimensionalen Bildern mit der oben erwähnten Anzahl von Bildpunkten zu erzeugen, und diese Bilder in Übereinstimmung mit der Abtastposition so anordnet, daß die gesamte zweidimensionale Darstellung der dreidimensionalen Oberfläche (4) entsteht.

2. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (10), welcher im Licht-Strahlengang so angeordnet ist, daß er den einfallenden Lichtstrahl auf das Objekt und den reflektierten Strahl zum optischen System (5) lenkt.

3. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Fokussiereinrichtung (11) zur Erzeugung eines reellen Zwischenbildes des von dem Lichtstrahl beleuchteten Bereiches der Oberfläche (4).

4. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die X-Y-Abtasteinrichtung (3) zwischen dem Strahlteiler (10) und dem Objekt angeordnet ist, so daß der vom Objekt reflektierte Strahl ebenfalls durch die X-Y-Abtasteinrichtung (3) und den Strahlteiler (10) geführt wird und damit das Zwischenbild örtlich fixiert wird.

5. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine um das örtlich fixierte Zwischenbild herum angeordnete Blende (12).

6. Optische Abtasteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Anordnung (6) eine Anordnung von ladungsgekoppelten Detektoren (CCD-Array) ist.