DE4309056A1 - Verfahren zur Ermittlung der Entfernung und Streuintensität von streuenden Punkten - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der Entfernung und Streuintensität von streuenden PunktenInfo
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Description
Gegenstand der Patentanmeldung ist ein optisches Verfahren, mit
dem die Entfernung zu einem oder mehreren beleuchteten streuenden
Objektpunkten mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Solche
Verfahren sind wichtig für die automatisierte Vermessung von Objektoberflächen
(Form-Messung). Das Verfahren kann aber auch eingesetzt
werden, um Volumenstreuer zu vermessen, wenn Licht in das
zu vermessende Objekt eindringen kann. Dies ist z. B. in der medizinischen
Gewebediagnostik wichtig.
Es sind in der Literatur viele Abstandssensoren beschrieben (z. B. zusammenfassend
bei T. Strand, "Optics for Machine Vision", Proc, SPIE
456 (1984). Die meisten beruhen auf Triangulation mit strukturierter
Beleuchtung entweder inkohärent oder kohärent. Diese Methoden haben
den Nachteil, daß abgeschattete Bereiche auftreten, durch den
Triangulationswinkel. Von kohärenten Verfahren ist bekannt, daß die
Tiefengenauigkeit durch die Beobachtungsapertur begrenzt ist (G.
Häusler, "Physical Limits of 3D-Sensing" Proc. SPIE 1822 (1992)). Es
sind auch einige Verfahren bekannt, die diese Beschränkung nicht
haben (A. Fercher, et al "Rough surface interferometry with a
tow-wavelength heterodyne speckle interferometer" Appl. Opt. 24
(1985) p. 2181. T. Dresel, G. Häusler, "Three dimensional sensing of
rough surfaces by coherence radar", Appl. Opt. 31 (1992) p. 919).
Eine medizinische Anwendung zur Gewebediagnostik im Volumen
wurde beschrieben von D. Huang et al. "Micron resolution ranging
of cornea Anterieor chamber by optical reflectometry" Lasers in Surgery
and medicine Vol 11. (1991) p. 419. Diese Methoden arbeiten
nicht mit kohärentem Licht, erfordern aber komplizierte Heterodyn-Technologie
oder mechanische Bewegung, um das Objekt in der
Tiefe abzutasten.
Gegenstand der Anmeldung ist ein Verfahren, das ohne mechanische
Abtastung und ohne Heterodyn-Technologie auskommt. Es beruht auf
der Weißlichtinterferometrie, wie in der Deutschen Patentschrift von
G. Häusler "Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen Erfassung
der Oberflächengestalt von diffus streuenden Objekten" 4108994
(1991) beschrieben. Die Anordnung ist ein Interferometer. Zur Erklärung
wird ein Michelson-Interferometer benutzt, aber auch andere
Interferometer sind geeignet. Die Anordnung ist in Fig. 1 skizziert.
Das Objekt 1 steht in einem Interferometerarm. Es wird über den
Teilerspiegel 2 und Linsen 7, 8 mit einer breitbandigen Lichtquelle 3,
z. B. einer Glühlampe oder einer Superlumineszenzdiode beleuchtet.
Gleichzeitig wird der Referenzarm 4 über den Teilerspiegel 2 beleuchtet.
Über den Referenzspiegel 5 und den Teilerspiegel 2 kommt
das Referenzlicht zurück und vereinigt sich mit dem vom Objekt 1
rückgestreuten Licht am Ausgang 6 des Interferometers. Dort wird
das Licht mit Hilfe eines Spektralapparates 9, 10 in Farben zerlegt.
Das Spektrum wird mit Hilfe eines ortsempfindlichen Photoempfängers
11, z. B. einer Photodiodenzeile aufgefangen und in einer Auswerteeinheit
12, z. B. einem Computer, ausgewertet.
Aus dem Spektrum läßt sich nun die Entfernung eines oder mehrerer
streuender Punkte ermitteln. Es läßt sich sogar die Intensitätsverteilung
der Rückstreuung in einem Volumenstreuer ermitteln.
Hierzu werden die sog. Müller'schen Streifen ausgewertet.
Zunächst wird die Auswertung für einen Objektpunkt, der in der
Entfernung z gegenüber der Referenzebene 13 mit einerr Intensität
i(z) streut, erklärt.
Das Spektrum für diesen Punkt hat eine Intensitätsverteilung
I(k,z) = 1+i(z)cos(2kz+ϕ).
Dabei ist k die Wellenzahl im Spektrum, ϕ ist eine Zufallsphase, die
darauf beruht, daß man Speckle beobachtet, ϕ hängt aber nur
schwach von k ab und kann deshalb hier vernachlässigt werden.
Das Spektrum ist also mit der Ortsfrequenz "z" moduliert. Die
entstehenden hellen und dunklen Streifen bezeichnet man als Müller'sche
Streifen. Man braucht also nur die Ortsfrequenz zu bestimmen,
um die Entfernung des streuenden Punktes zu bestimmen. Dies
ist aber bei rauhen Objekten nur möglich, wenn bestimmte Bedingungen
eingehalten werden, die in der Deutschen Patentschrift
4108944 von G. Häusler beschrieben werden:
es handelt sich hier
nicht um ein konventionelles Interferometer mit spiegelnden Oberflächen,
sondern in einem Arm befindet sich ein diffus streuendes Objekt.
Daraus folgt:
die Lichtquelle muß räumlich so kohärent sein,
daß im rückgestreuten Licht Speckle entstehen. Denn nur dann ist
Interferenz möglich. Denn nur innerhalb eines Speckles ist die Phase
annähernd konstant. Weiterhin darf jede Photodiode des Empfängerarrays
nicht größer als der Speckledurchmesser sein, da sonst kein
oder nur geringer Interferenzkontrast sichtbar ist.
Die Ermittlung der Frequenz "z" der Müller-Streifen erfolgt zweckmäßig
durch Fourier-Transformation des Farbspektrums nach der
Variablen k. Aber es ist auch eine direkte Bestimmung der Periodenlänge
im Photodiodensignal möglich. Dies ist einfacher und schneller,
wenn nur wenige Objektpunkte streuen.
Ein enormer Vorteil des Verfahrens ist, daß die Genauigkeit der Abstandsbestimmung
unabhängig von der Beobachtungsapertur ist. Dies
ist nicht der Fall bei rein kohärenten Methoden und bei fast allen
kommerziellen Sensoren.
Das Verfahren kann auch die Entfernung vieler im Volumen liegender
Punkte, in verschiedenen Abständen z, bestimmen, die jeweils mit
der Intensität i(z) streuen. Auf der Photodiodenzeile in der Spektralebene
überlagern sich die Signale aus der gesamten Tiefe. Deshalb
sieht die Zeile das Signal
I(k) = ∫ (1+i(z) cos(2kz)) dz
Die "1" im Integranden belastet die Dynamik des Empfängers, ist jedoch
für die Messung unwesentlich. Im wesentlichen ist das Spektrum
I(k) die Fouriertransformierte von i(z). Durch Fourier-Rück-Transformation
des Signals nach k läßt sich i(z) rückgewinnen.
Damit ist diese Methode eine echte tomographische Methode.
Das Signal-Rausch-Verhältnis ist günstig, weil das gesamte Signal
der Photodiodenzeile nur nach einzelnen Frequenzen durchsucht
wird, mit der Fourier-Transformation. Es sind keine mechanisch bewegten
Teile nötig. Die Belichtungszeit kann kurz sein und damit
biologische Aktivität oder Bewegung ausblenden.
Sie ist anwendbar auf industrielle Objekte, z. B. Blick in durchscheinende
Keramik, ebenso wie für biologische Objekte, z. B. Untersuchung
auf subkutane Hautveränderungen, Brusttumore, etc.
Das Verfahren ist auch erweiterbar, durch "Lichtquellen" in anderen
Spektralbereichen, die das zu untersuchende Material durchdringen
können. Zum Beispiel Röntgenquellen, UV-Quellen, Infrarotquellen, Ultraschallquellen.
Das Verfahren läßt sich nicht nur entlang einer Achse 14 anwenden,
sondern man kann auch einen Schnitt senkrecht zur Zeichenebene
und der Achse 14 der Fig. 1 parallel vermessen. Dazu ist
nur notwendig, nicht nur einen Punkt des Objektes zu beleuchten,
sondern gleichzeitig eine Linie senkrecht zur Zeichenebene. Dann
muß als Empfänger statt eines linienhaften Photodiodenarrays ein
flächenhaftes Array verwendet werden.
Eine weitere Modifikation ist in Fig. 2 beschrieben. Die Fig. 2 ist
ähnlich wie Fig. 1. Aber es ist zusätzlich in einem Interferometerarm
(hier als Beispiel der Referenzarm) ein Dispersion einführendes Element,
hier beispielsweise eine Planplatte 15, eingefügt. Diese Platte 15
bewirkt, daß das Spektrum am Ausgang des Interferometers eine
charakteristische Intensitätsverteilung erhält, die vom Abstand z des
Streupunktes abhängt. Die Auswertung der Intensitätsverteilung ergibt
mit hoher Genauigkeit den Abstand.
Die Dispersion bewirkt, daß das Interferometer nur für eine bestimmte
Wellenzahl k₀ abgeglichen ist, nämlich für die Wellenzahl,
bei der die optische Weglänge im Referenzarm und im Objektarm
gleich ist. Das Spektrum I(k) hat folgenden Verlauf:
I(k,k₀) = 1+cos(2da(k²-k × k₀)).
Der Verlauf des Spektrums I(k,k₀) ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die
Wellenzahl, zu der das Spektrum symmetrisch ist, hängt vom Abstand
z des Streupunktes ab. Die Symmetrie kann auf einfache Weise,
z. B. durch Korrelation mit der gespiegelten Funktion, ermittelt
werden.
Claims (4)
1. Interferometrisches Verfahren zur Ermittlung der Entfernung und
der Streuintensität von streuenden Punkten, die von einer breitbandigen,
räumlich partiell kohärenten Lichtquelle beleuchtet werden, und
die sich in einem Arm eines Interferometers befinden,
dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Interferometers das
Licht in ein Spektrum zerlegt wird und aus der Helligkeitsverteilung
im Spektrum die Information über die Entfernung und die Streuintensität
ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung
der Entfernung und der lokalen Streuintensität durch Fouriertransformation
des Spektrums nach der Wellenlänge erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem der beiden Interferometerarme zusätzlich ein Dispersion
erzeugendes Element eingefügt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ermittlung des Abstandes eines Streupunktes dadurch erfolgt,
daß die Symmetrieachse des Spektrums bestimmt wird.
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