EP3259555A1 - Verfahren zur tiefenbestimmung - Google Patents

Verfahren zur tiefenbestimmung

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EP3259555A1
EP3259555A1 EP16700550.3A EP16700550A EP3259555A1 EP 3259555 A1 EP3259555 A1 EP 3259555A1 EP 16700550 A EP16700550 A EP 16700550A EP 3259555 A1 EP3259555 A1 EP 3259555A1
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EP
European Patent Office
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light source
image
coherent light
measuring beam
recording
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16700550.3A
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Anton Schick
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • G01B9/02034—Interferometers characterised by particularly shaped beams or wavefronts
    • G01B9/02038—Shaping the wavefront, e.g. generating a spherical wavefront

Definitions

  • the invention relates to a method for the optical depth determination of an object.
  • an optical pattern can be projected onto a surface of the OBJEK ⁇ tes.
  • a triangulation that is to say a depth determination of the object, can take place.
  • the ambient light is at least partially suppressed by means of narrow-band optical filters. This results in each ⁇ but the drawback is that approximately the entire power of the provided for the projection light is concentrated in a narrow frequency interval.
  • a further disadvantage results from a depth determination of partially transparent objects, for example when determining the depth of organic tissue.
  • Organic tissue typically has a volume of distribution that forms an un ⁇ desired surface.
  • a lubrication of the optical pattern can take place, so that characteristic features of the projected optical pattern are such that their original positions with respect to the projected pattern are difficult to detect.
  • the problem of volume spread is important and should not be neglected.
  • the prior art proposes to tune the wavelength of the light intended for depth determination to the object such that the wavelength-dependent volume scattering becomes as small as possible.
  • ⁇ play is blue light of a depth determining the liver of particular advantage.
  • ⁇ light source must be adapted to the object and thus the wavelength is no longer freely selectable.
  • the problem of volume scattering remains with color-coded depth determinations, due to the majority of the wavelengths used.
  • the present invention is based on the object, the
  • the object is 10 ge ⁇ solve by a method with the features of independent claim 1 and by an apparatus with the features of the independent claim.
  • advantageous refinements and developments of the invention are given.
  • the method according to the invention for depth determination of an object comprises the steps:
  • phase difference between the measuring beam and the reference beam of the first coherent light source is changed by means of a phase shifter.
  • light beams in particular the measuring beam and the reference beam
  • a coherent light source is a light source at ⁇ is seen here that generates a coherent light having such Konos ⁇ rence length that this is capable of interference.
  • ⁇ sondere the first and second coherent light source generating a coherent light having a coherence length such that a superposition, that is, interference is possible between the measuring beam reflected by the object and the reference beam.
  • a superposition of the measurement beam reflected by the surface of the object with the reference beam takes place before the first and second images are recorded.
  • an interference pattern is advantageously generated for each recording, which pattern is selected from the lenoptischen superimposition of the reflected measuring beam and the reference beam is formed.
  • made ⁇ light the coherent light of said first and second coherent light source, the superimposition, that is, the interference be- seen the from the surface of the object reflected measurement ⁇ beam and the reference beam.
  • the second image is recorded by means of the second coherent light source or by means of the first coherent light source, wherein the phase difference between the measuring beam generated by the first coherent light source and the reference beam is then changed by means of the phase ⁇ slider.
  • a change in the superimposition always takes place before the recording of the first image for recording the second image, whereby the changes take place by means of the phase shifter or by using a coherent light source (second coherent light source) different from the first coherent light source.
  • the reflected measuring beam Due to the reflection of the measuring beam on the surface of the object, the reflected measuring beam has coherent and incoherent components. Only the coherent portion of the re fl ected measuring beam contributes significantly to the interference.
  • the inko ⁇ ent proportions for example the incoherent which is formed also on the images by recording ambient ⁇ , light, and / or the overall scattered within a volume of the object light of the measurement beam (bulk scattering), by contrast change from the first to the second image not on average.
  • the volume-scattered light of the measurement beam is incoherent because it has no fixed reference to its original phase due to the multiple scattering within the volume of the object.
  • the coherent components of the incoherent components for example the ambient light and / or the proportion of the light scattered within the volume of the object (volume scattering) to be separated by the evaluation of the first and second image, which takes place by means of the computing device.
  • the coherent components are mainly determined by the projected optical pattern, so that overall better recognition of the optical pattern and consequently improved depth determination of the object can take place.
  • the ambient light and the vo ⁇ lumen scattered light of the measurement beam not interfere with the reference beam ⁇ .
  • the incoherent portion of light when recording the image in the first and second means remains Annae ⁇ hernd constant.
  • the coherent component changes due to the superimposition between the first and the second image, so that it can be recognized by this change in the evaluation. Consequently, the depth determination in ambient light and / or in semitransparent objects, in particular organic tissue, is improved. Especially in minimally invasive surgery, example ⁇ as in laparoscopy, this is of particular advantage.
  • the device according to the invention for carrying out the method comprises:
  • a detection device a computing device and a projection device comprising at least a first coherent light source
  • the projection device comprises a first beam splitter, which is formed by means of the first coherent light source for generating a measuring beam and a reference beam ⁇ ;
  • the projection device is further configured to project an optical pattern generated by means of the measuring beam onto a surface of an object
  • the detection device is adapted to receive a generated by the overlay first image and a second image
  • the computing device for evaluating the first and second image for depth determination of the object is ⁇ out forms
  • the device comprises a second coherent light source incoherent to the first coherent light source or a phase shifter ,
  • the second coherent light source is provided for the recording of the second image
  • phase shifter is designed to change the phase difference between the measuring beam and the reference beam of the first coherent light source.
  • a sub ⁇ traction of the first and second image takes place in the evaluation of the first and second image.
  • the examples themselves example by formation of the amount of the difference of the results in the images at ⁇ .
  • the images are example ⁇ , as intensity images in the computing device before.
  • the first and second images may be present as a matrix of intensity values.
  • the said intensity values are then subtracted from each other by means of the computing device. Since those intensity values which correspond to the incoherent portion of the light remain approximately average on average, they fall out at the formation of the subtraction or are at least significantly reduced.
  • the intensity values corresponding to the coherent portion of the light and thus substantially the optical pattern remain in the difference image and may even be amplified due to the interference.
  • the difference image formed by the subtraction forms an image of the projected optical pattern, which is cleaned by the ambient light and by the volume-scattered proportion of the projected light (incoherent portion), which enables an improved depth determination of the object.
  • a change in the coherent component can also result from a movement and / or vibration of the object.
  • a movement and / or a vibration of the object in the region of the wavelength of the light generated by the first or second light source are / is particularly advantageous.
  • the movement and / or vibration of the Whether ⁇ jektes in the range of micrometers are given, for example, in organic tissue, in particular in minimally invasive surgery.
  • a phase shift ⁇ environment and consequently a change of the superposition of the measuring beam and the reference beam are provided, for example, in organic tissue, in particular in minimally invasive surgery.
  • the change of the overlay ⁇ tion accordingly takes place a change from the first to the second image, which in turn is taken into account in the evaluation of the images, for example by forming the difference image.
  • the object itself forms the phase shifter or another phase shifter.
  • the areas of the image which are relevant for the evaluation and the depth determination of the object, in particular the difference image, can be intensified or reduced in their intensity by the constructive or destructive interference. It is therefore expedient to adapt the superimposition between the measuring beam and the reference beam in such a way that there is a maximum constructive or destructive interference of the two named beams for the mentioned relevant areas of the differential image. This improves the recognizability of the change between the first and second images and consequently the recognizability of the optical pattern. sert.
  • the recording of a plurality of first and / or second images and their evaluation can also be provided.
  • a random or coded optical dot pattern is used as the optical pattern.
  • an optical dot pattern allows a preferred superposition of the measuring beam with the reference ⁇ beam. This is because the position of a dot of the dot pattern within the optical dot pattern changes only slightly as it reflects on the object. This results in only small optical path length, so-that an approximately constructive superposition of points in ⁇ nerrenz the first and second image is carried out. As a result, the depth determination of the object is advantageously further improved. Moreover, the randomness or coding of the optical dot pattern makes it possible to determine the position of the individual dots within the reflected dot pattern relative to the projected dot pattern, and thus to solve or at least improve the allocation problem in the depth determination of the object. According to an advantageous embodiment of the invention, a color-coded optical pattern is an optical pattern ver ⁇ turns.
  • a color-coded triangulation of the object takes place. It is particularly preferred in this case to use a laser projector having at least the colors red, green and blue (RGB Laserproj ector).
  • a three-chip camera can be provided in this case.
  • the detection device comprises a three-chip camera.
  • the first and second images are recorded at a time interval from one another.
  • the time interval can be adapted to the movement and / or vibration of the object.
  • the first and the second Ab ⁇ image are recorded in such a large distance in time to each other that the change of the position of the object in
  • Range is half or integer multiples of the wavelength of the projected light.
  • the recording of the first or second image is synchronized with the use of the first or second coherent light source by means of a control device.
  • an on or off ⁇ will switch the first and / or second coherent light source synchronized with the recording of the first or second image.
  • the first coherent light source is turned on and the first image is taken.
  • the first coherent light source ⁇ is then turned off and the second coherent light source and the second image recorded by the detecting ⁇ device by means of the control device.
  • the control device enables advantageous control of the first and / or second coherent light source and the detection device.
  • the recording of the first or second image may preferably be synchronized with the change of the phase difference by means of a control device.
  • the recording of the first or second image is advantageously adapted to the changes in the phase difference.
  • the control device allows control of the phase shifter, so that a desired and advantageous change in the phase difference between the measuring beam and the reference beam takes place.
  • the change of the phase difference as well as a recording of a plurality of corresponding images can take place substantially continuously (image sequence). This makes it possible to detect the change ⁇ tion of interference from destructive to constructive interference approximately continuously.
  • the phase difference can be periodically modulated with a reference frequency, so that by means of the evaluation of a plurality of first and / or second images, in particular a sequence of first and / or second images (image sequence), and by means of a lock-in process particularly weak signals within the images can be ⁇ he recognized.
  • a reference frequency for example, a plurality of first and / or second images, in particular a sequence of first and / or second images (image sequence), and by means of a lock-in process particularly weak signals within the images can be ⁇ he recognized.
  • the light of a laser in particular of the first and second laser, has a temporally great coherence.
  • the coherence length of the light of a laser is in the range of several meters.
  • the light of a laser has a very high spatial coherence. Due to the high temporal and spatial coherence of the light of a laser, lasers are particularly preferred as the first and / or second coherent light source.
  • a piezotranslator or a Pockels cell is used as a phase shifter.
  • a piezotranslator or a Pockels cell allows adaptation and modification of the phase difference between the measuring beam and the reference beam.
  • the reference beam preferably passes through the piezotranslator or the Pockels cell.
  • An advantage of the Pockels cell is that the light of the first coherent light source can be continuously adjusted or modulated in its phase. In particular, an adaptation or modulation of the polarization and / or intensity is also possible.
  • the first and / or second beam splitter forms as a splitter mirror ⁇ out.
  • the splitter mirror enables a simple and cost-effective splitting of the light emanating from the first or second coherent light source into the measuring beam and the reference beam.
  • a portion of the light emanating from the first or second coherent light source is reflected by the splitter mirror.
  • Another share will be transmitted.
  • the reflected portion forms the measuring beam and the transmitted portion forms the reference beam.
  • Further optical beam splitters for dividing the light emanating from the first or second coherent light source into the measuring beam and the reference beam can be provided.
  • FIG. 1 shows an apparatus for carrying out the method according to the invention, which comprises a phase shifter
  • Figure 2 shows another device for carrying out the method according to the invention, comprising a first and second coherent light source
  • FIG. 3 an exemplary clarification of the evaluation of a first and second image.
  • the ray trajectories of light rays shown in the figures are exemplary and accordingly not necessarily the physically real conditions.
  • Figure 1 shows the device 1, which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the device 1 comprises a projection device 4, a detection device 2 and a computing device 3. Furthermore, the device 1 comprises a control device 12.
  • the projection device 4 comprises a first coherent light source 41, a first beam splitter 44, a
  • DOE diffractive optical ⁇ table element
  • the device 1 comprises an optical fiber 6, and in particular a single mode fiber (engl. Single-Mode Optical Fi ⁇ BER), and a phase shifter 8.
  • a coherent light of the first coherent light source 41 is split by means of the first beam splitter 44 into a measuring beam 101 and a reference beam 102.
  • the first coherent light source 41 is formed as a first laser from ⁇ .
  • the measuring beam 101 is generated by means of the wide ⁇ ren lenses 48 and by means of the diffractive optical elementary 49 is formed into an optical dot pattern 104.
  • the formation or formation of the optical dot pattern 104 is diffractive, that is, by diffraction of the measuring beam 101 at the diffractive optical element 49. The.
  • the detection device 2 For receiving the reflectors ⁇ oriented from the surface of the object 10 the measurement beam 105 (reflected dot pattern), the detection device 2 comprises at least a lens 26 and a second beam splitter 24 and a camera 22nd By means of the first beam splitter 44, the reference beam
  • the reference beam 102 is formed from the light of the first coherent light source 41.
  • the reference beam 102 is focused after the first beam splitter 44 by means of the focusing lens 46 to the input of the optical fiber 6 ⁇ .
  • the reference beam 102 is guided to the phase shifter 8.
  • the phase shifter 8 is arranged at the output of the optical fiber 6.
  • the reference beam 102 passes through the phase shifter 8.
  • the phase shifter 8 the phase of the reference ⁇ beam 102 is changed or shifted so that the phase difference between the measuring beam 101 and the reference beam 102 and / or between the reflected measuring beam 105 and the reference beam 102nd changes.
  • the superimposition 111 of the reflected measurement beam 105 and the reference beam 102 takes place before the first and second images are recorded.
  • the reference beam 102 is reflected at the second beam splitter 24 of the detection device 2.
  • the reflected from the object 10 measuring beam 105 is at second beam splitter 24 of the detection device 2, however, mainly transmitted.
  • phase difference Zvi ⁇ rule For receiving the first image is a phase by means of the phase shifter 8, that is, a phase difference Zvi ⁇ rule the measuring beam 101, 105 and the reference beam 102 fixed.
  • the phase of the reference beam 102 is changed relative to the phase of the measurement beam 101, 105 by means of the phase shifter 8.
  • the phase difference between the measuring beam 101, 105 and the reference beam 102 is changed. Since said ⁇ n ⁇ alteration of the phase difference between the first and second image for the incoherent portion is not relevant, it is equal to an average of the first and second image.
  • the coherent component in the first and second images is sensitive to the change in the phase difference between the measurement beam 101, 105 and the reference beam 102, so that a noticeable change takes place between the first and second images.
  • the change in the phase difference changes almost exclusively the coherent component within the first and second images appreciably.
  • the coherent component which essentially corresponds to the projected optical dot pattern 104, can advantageously be recognized by its change from the first to the second image, as a result of which the depth determination of the object 10 is improved.
  • the control device 12 For a synchronization of the recordings of the first and / or second image and the change in the phase difference between the measuring beam 101, 105 and the reference beam 102 by means of the phase shifter 8, the control device 12 is seen ⁇ before.
  • the control device 12 may be electronically connected to the phase shifter 8, the camera 22 and the computing device 3.
  • the camera 22 can be electronically connected to the computing device 3, which enables an evaluation of the first and second images, in particular a subtraction of the first and second images.
  • FIG. 2 shows by way of example the further device 1 which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the further apparatus 1 includes a projection device 4, a detection device 2, a computing device 3 and a control device 12.
  • the projection device 4 comprises, in contrast to Figure 1, a first and second co ⁇ INHERENT light source 41, 42. Basically, the procedure relating to the first or second light source 41, 42 comparable to the method already described in Figure 1.
  • a phase difference comparable thereto is made possible by the use of the second coherent light source 42.
  • the light generated by the first coherent light source 41 is incoherent with the light of the second coherent light source 42. This is because there is no fixed phase relationship between the first and second coherent light sources 41, 42. In other words, two coherent light sources 41, 42 independent of each other in phase are used. In particular, the coherent ones
  • Light source 41, 42 formed as a laser.
  • Each of the coherent light sources 41, 42 generates a measuring beam 101 and a reference beam 102 for taking an image by means of a first beam splitter 44.
  • a coherent light generated by the coherent light sources 41, 42 becomes a measuring beam 101 and a reference beam 102, respectively divided up .
  • the measuring beam 101 of the first or second coherent light source 41, 42 is respectively converted into an optical dot pattern 104 by means of lenses 48 and by means of a diffractive optical element 49 (DOE).
  • the optical dot pattern 104 is applied to the surface by means of the projection device 4 of the object 10 is projected. From the surface of the OBJEK ⁇ tes 10 reflected dot pattern or the light reflected from the surface of the object 10 the measurement beam 105 is detected by a camera 22 via a lens 26 and a second beam splitter 24 of the detecting device. 2
  • the first coherent light source 41 is provided, so that for the recording of the first image of the measuring beam 101, 105 and the reference beam 102 are generated by means of the first coherent light source 41.
  • the second coherent light source 42 is provided so that for receiving the second image of the measuring beam 101, 105 and the Refe rence ⁇ beam 102 are now generated by means of the second coherent light source 42nd.
  • the first coherent light source 41 is turned on and the second coherent light source 42 is turned off.
  • the first coherent light source is switched from ⁇ 41 and the second coherent light source switched on 42nd
  • the reference beam 102 is focused by means of a focusing lens 46 on an input of an optical fiber 6, in particular a single-mode optical fiber.
  • the optical fiber 6 guides the reference beam 102 into a region 110, which is arranged in front of the camera 22 and provided for an overlay 111 of the reflected measuring beam 105 with the reference beam 102.
  • an overlay 111 that is an inter ⁇ reference between the reflected measuring beam 105 and the reference beam 102.
  • the coherent light sources 41, 42 to one another exhibit no fixed Phasenbe- relationship, arises between the receiving of the first image and the recording of the second Abbil ⁇ of a phase difference. Due to the said phase difference change between the first image and the second image the portions of the images, which were formed by means of a coherent An ⁇ part of the reflected measuring beam 105. But the coherent part substantially corresponds to the proji ⁇ ed dot pattern 104, so that it can be preferentially recognized by the change between the first and second image. An incoherent portion of the reflected measurement beam ⁇ 105 which is formed for example by ambient light or of a volume scattering within the object 10 remains the same in the middle between the first and second image.
  • the incoherent component for example by forming a differential image (subtraction of the first and second image), can fall out or be significantly reduced in an evaluation by the computing device 12.
  • the relevant for the evaluation of te coherent part of a base is filtered out.
  • the control device 12 For a synchronization, in particular for the switching on and / or off of the first and second coherent light source 41, 42, the control device 12 is provided.
  • the control device 12 may be electronically connected to the computing device 3 and the camera 22. Furthermore, the camera 22 is electronically connected to the computing device 3 for evaluating the first and second images.
  • the control device 12 makes it possible, for example in conjunction with the Rechenvor ⁇ direction 3, a switching between the first coherent light source 41 and the second coherent light source 42nd
  • FIG. 3 shows an example of an evaluation by means of a subtraction 642.
  • the subtraction 642 is formed by means of a first image 610 and a second image 620, whereby a difference image 630 is formed.
  • the first image 610 and the second image 620 may be present as matrices of intensity values in a memory of the computing device 3.
  • the first and second images 610, 620 are characterized by a plurality of pixels. formed, wherein each pixel is associated with at least one intensity value.
  • the intensity value corresponds to the intensity of the Inten ⁇ picked up by the camera 22 light.
  • the reflection of the measurement beam 101 takes place on an organic tissue, so that a volume dispersion of the measurement beam 101 occurs.
  • the reflected measuring beam 105 has, in particular, an incoherent component 612.
  • a coherent portion 611 of the reflected measurement beam 105 which here essentially corresponds to a portion of a dot pattern is formed by two adjacent ellipsenförmi ⁇ ge areas.
  • the respective coherent components 611, 621 Due to the change in the phase difference between the recording of the first image 610 and the recording of the second image 620, the respective coherent components 611, 621 have different values with regard to their intensities. In contrast, the respective incoherent portions 612, 622 are approximately equal in the images 610, 620.
  • the approximately constant incoherent component 612, 622 drops out of the difference image 630.
  • an incoherent portion 632 of the difference image 630 is approximately equal to zero.
  • Coherent portions 631 of the difference image 630 which are formed from the coherent portions 611, 621, on the other hand, can be significantly amplified.
  • the coherent portions 631 of the difference image 630 which substantially correspond to the projected dot pattern 104, grow out of the incoherent portion 632, that is, out of the ground. This advantageously improves the depths ⁇ determination of the object 10 and increases the signal-to-noise ratio.

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Abstract

Es wird ein Interferometrisches Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Objektes (10) vorgeschlagen, welches das Bereitstellen einer Erfassungsvorrichtung (2), einer Rechenvorrichtung (3) und einer Projektionsvorrichtung (4), die wenigstens eine erste kohärente Lichtquelle (41) und eine zu dieser inkohärente zweite kohärente Lichtquelle (42) umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Tiefenbestimmung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Tiefenbestimmung eines Objektes.
Zur Tiefenbestimmung eines Objektes, das heißt zur topogra¬ phischen Erfassung wenigstens eines Teilbereiches des Objek- tes, kann ein optisches Muster auf eine Oberfläche des Objek¬ tes projiziert werden. Auf Basis des von der Oberfläche des Objektes reflektierten und aufgenommenen projizierten Musters kann eine Triangulation, das heißt eine Tiefenbestimmung des Objektes erfolgen.
Ein bisher nach dem Stand der Technik nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist, dass das von der Oberfläche des Objek¬ tes reflektierte und aufgenommene projizierte Muster durch ein am Ort des Objektes vorherrschendes Umgebungslicht an Kontrast und Schärfe verliert. Dadurch wird die Tiefenbestim¬ mung des Objektes erschwert oder gar unmöglich.
Zur Verbesserung des oben genannten Problems wird versucht das Umgebungslicht mittels schmalbandiger optischer Filter wenigstens teilweise zu unterdrücken. Hieraus resultiert je¬ doch der Nachteil, dass annähernd die gesamte Leistung des für die Projektion vorgesehenen Lichtes in einem schmalen Frequenzintervall konzentriert ist. Gegebenenfalls sind da¬ durch entsprechende Sicherheitsmaßnahmen für einen Benutzer zu treffen.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei einer Tiefenbestimmung von teiltransparenten Objekten, beispielsweise bei einer Tiefenbestimmung von organischem Gewebe. Organisches Gewebe weist typischerweise eine Volumenstreuung auf, die einen un¬ erwünschten Untergrund ausbildet. Dadurch kann eine Ver- schmierung des optischen Musters erfolgen, sodass charakteristische Merkmale des projizierten optischen Musters derart verlaufen, dass ihre ursprünglichen Positionen in Bezug auf das projizierte Muster nur schwer erkannt werden können. Insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie, beispielsweise in der laparoskopischen Chirurgie, ist das Problem der Volu- menstreuung von Bedeutung und nicht zu vernachlässigen.
Zur Lösung dieses Problems schlägt der Stand der Technik vor, die Wellenlänge des für die Tiefenbestimmung vorgesehenen Lichtes auf das Objekt derart abzustimmen, dass die wellen- längenabhängige Volumenstreuung möglichst gering wird. Bei¬ spielsweise ist blaues Licht für eine Tiefenbestimmung der Leber von besonderem Vorteil. Hieraus resultiert jedoch der Nachteil, dass eine zur Tiefenbestimmung vorgesehene Licht¬ quelle an das Objekt angepasst werden muss und folglich die Wellenlänge nicht mehr frei wählbar ist. Weiterhin bleibt das Problem der Volumenstreuung bei farbcodierten Tiefenbestimmungen, aufgrund der Mehrzahl der verwendeten Wellenlängen, bestehen . Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Tiefenbestimmung eines Objektes zu verbessern und insbesonde¬ re den Einfluss von Umgebungslicht auf die Tiefenbestimmung des Objektes zu reduzieren. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 ge¬ löst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Objektes umfasst die Schritte:
- Bereitstellen einer Erfassungsvorrichtung, einer Rechenvorrichtung und einer Projektionsvorrichtung, die wenigstens eine erste kohärente Lichtquelle umfasst;
- Erzeugung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls mit¬ tels der Projektionsvorrichtung und der ersten kohärenten Lichtquelle ; - Projektion eines aus dem Messstrahl erzeugten optischen Musters auf eine Oberfläche des Objektes mittels der Pro¬ jektions orrichtung;
- Überlagerung des von der Oberfläche reflektierten Mess- Strahls mit dem Referenzstrahl;
- Aufnahme eines durch die Überlagerung erzeugten ersten Abbildes mittels der Erfassungsvorrichtung;
- Aufnahme eines zweiten Abbildes mittels der Erfassungsvor¬ richtung; und
- Tiefenbestimmung des Objektes mittels einer Auswertung des ersten und zweiten Abbildes durch die Rechenvorrichtung, wobei für die Aufnahme des zweiten Abbildes:
- anstatt der ersten kohärenten Lichtquelle eine zu dieser inkohärente zweite kohärente Lichtquelle zur Erzeugung des Messstrahls und des Referenzstrahls verwendet wird; oder
- die Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl der ersten kohärenten Lichtquelle mittels eines Phasenschiebers geändert wird. Hierbei werden Lichtstrahlen, insbesondere der Messstrahl und der Referenzstrahl, als eine dem Fachmann bekannte beschreibende Modellvorstellung eines realen räumlich ausgedehnten Lichtbündels angesehen. Als eine kohärente Lichtquelle wird hier eine Lichtquelle an¬ gesehen, die ein kohärentes Licht mit einer derartigen Kohä¬ renzlänge erzeugt, dass dieses interferenzfähig ist. Insbe¬ sondere erzeugen die erste und zweite kohärente Lichtquelle ein kohärentes Licht mit einer derartigen Kohärenzlänge, dass eine Überlagerung, das heißt eine Interferenz, zwischen dem vom Objekt reflektierten Messstrahl und dem Referenzstrahl ermöglicht wird.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor der Auf- nähme des ersten und zweiten Abbildes eine Überlagerung des von der Oberfläche des Objektes reflektierten Messstrahls mit dem Referenzstrahl. Dadurch wird vorteilhafterweise für jede Aufnahme ein Interferenzmuster erzeugt, welches aus der wel- lenoptischen Überlagerung des reflektierten Messstrahls und des Referenzstrahls gebildet wird. Vorteilhafterweise ermög¬ licht das kohärente Licht der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle die Überlagerung, das heißt die Interferenz zwi- sehen dem von der Oberfläche des Objektes reflektierten Mess¬ strahl und dem Referenzstrahl.
Erfindungsgemäß erfolgt die Aufnahme des zweiten Abbildes mittels der zweiten kohärenten Lichtquelle oder mittels der ersten kohärenten Lichtquelle, wobei dann mittels des Phasen¬ schiebers die Phasendifferenz zwischen dem mittels der ersten kohärenten Lichtquelle erzeugten Messstrahl und dem Referenzstrahl verändert wird. Mit anderen Worten erfolgt vor der Aufnahme des ersten Abbildes zur Aufnahme des zweiten Abbil- des stets eine Änderung der Überlagerung, wobei die Änderungen mittels des Phasenschiebers oder mittels der Verwendung einer zur ersten kohärenten Lichtquelle verschiedenen kohärenten Lichtquelle (zweite kohärente Lichtquelle) erfolgt. Aufgrund der Reflexion des Messstrahls an der Oberfläche des Objektes weist der reflektierte Messstrahl kohärente sowie inkohärente Anteile auf. Allein der kohärente Anteil des re¬ flektierten Messstrahls trägt maßgeblich zur Interferenz bei. Dadurch ändern sich vom ersten Abbild zum zweiten Abbild hauptsächlich die Bereiche innerhalb der Abbilder, die je¬ weils durch kohärente Überlagerung gebildet wurden. Die inko¬ härenten Anteile, beispielsweise das inkohärente Umgebungs¬ licht, welches auch auf den Abbildern durch Aufnahme gebildet wird, und/oder das innerhalb eines Volumens des Objektes ge- streute Licht des Messstrahls (Volumenstreuung) , ändern sich hingegen vom ersten zum zweiten Abbild im Mittel nicht. Hierbei ist das volumengestreute Licht des Messstrahls deshalb inkohärent, da es aufgrund der mehrfachen Streuung innerhalb des Volumens des Objektes keinen festen Bezug mehr zu seiner ursprünglichen Phase aufweist.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die kohärenten Anteile von den inkohärenten Anteilen, beispielsweise vom Umgebungslicht und/oder vom Anteil des innerhalb des Volumen des Objektes gestreuten Lichtes (Volumenstreuung) , durch die Auswertung des ersten und zweiten Abbildes, die mittels der Rechenvorrichtung erfolgt, zu trennen. Die kohärenten Anteile sind je- doch hauptsächlich durch das projizierte optische Muster bestimmt, sodass insgesamt eine bessere Erkennung des optischen Musters und folglich eine verbesserte Tiefenbestimmung des Objektes erfolgen kann. Zusammenfassend interferieren das Umgebungslicht und das vo¬ lumengestreute Licht des Messstrahls nicht mit dem Referenz¬ strahl. Dadurch bleibt der inkohärente Anteil des Lichtes bei der Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes im Mittel annä¬ hernd konstant. Der kohärente Anteil hingegen ändert sich aufgrund der Überlagerung zwischen dem ersten und dem zweiten Abbild, sodass dieser durch eben diese genannte Änderung bei der Auswertung erkannt werden kann. Folglich wird die Tiefenbestimmung bei Umgebungslicht und/oder bei halbtransparenten Objekten, insbesondere bei organischem Gewebe, verbessert. Insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie, beispiels¬ weise in der Laparoskopie, ist dies von besonderem Vorteil.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst:
- eine Erfassungsvorrichtung, eine Rechenvorrichtung und eine Projektionsvorrichtung, die wenigstens eine erste kohärente Lichtquelle umfasst;
- wobei die Projektionsvorrichtung einen ersten Strahlteiler umfasst, der mittels der ersten kohärenten Lichtquelle zur Erzeugung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls aus¬ gebildet ist;
- wobei die Projektionsvorrichtung weiterhin zur Projektion eines mittels des Messstrahls erzeugten optischen Musters auf eine Oberfläche eines Objektes ausgebildet ist;
- wobei ein zweiter Strahlteiler vorgesehen ist, der eine
Überlagerung des von der Oberfläche des Objektes reflektierten Messstrahls und des Referenzstrahls ermöglicht; - wobei die Erfassungsvorrichtung zur Aufnahme eines durch die Überlagerung erzeugten ersten Abbildes und eines zweiten Abbildes ausgebildet ist;
- wobei die Rechenvorrichtung zur Auswertung des ersten und zweiten Abbildes zur Tiefenbestimmung des Objektes ausge¬ bildet ist;
und die Vorrichtung eine zur ersten kohärenten Lichtquelle inkohärente zweite kohärente Lichtquelle oder einen Phasen¬ schieber umfasst,
- wobei die zweite kohärente Lichtquelle für die Aufnahme des zweiten Abbildes vorgesehen ist; oder
- wobei der Phasenschieber zur Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl der ersten kohärenten Lichtquelle ausgebildet ist.
Es ergeben sich zum bereits genannten Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei der Auswertung des ersten und zweiten Abbildes eine Sub¬ traktion des ersten und zweiten Abbildes.
Als Subtraktion des ersten und zweiten Abbildes wird die Erzeugung eines Differenzabbildes bezeichnet, das sich bei- spielsweise durch Bildung des Betrages der Differenz der bei¬ den Abbilder ergibt. Hierbei liegen die Abbilder beispiels¬ weise als Intensitätsabbilder in der Rechenvorrichtung vor. Mit anderen Worten können das erste und zweite Abbild als eine Matrix von Intensitätswerten vorliegen. Die genannten Intensitätswerte werden dann mittels der Rechenvorrichtung voneinander subtrahiert. Da diejenigen Intensitätswerte, die dem inkohärenten Anteil des Lichtes entsprechen, annähernd im Mittel konstant bleiben, fallen diese bei der Bildung der Subtraktion heraus oder werden wenigstens deutlich reduziert. Die Intensitätswerte, die dem kohärenter Anteil des Lichtes und somit im Wesentlichen dem optischen Muster entsprechen, verbleiben dagegen im Differenzabbild und können sogar aufgrund der Interferenz verstärkt werden. Mit anderen Worten bildet das durch die Subtraktion gebildete Differenzabbild ein vom Umgebungslicht und vom volumengestreuten Anteil des projizierten Lichtes (inkohärenter Anteil) bereinigtes Abbild des projizierten optischen Musters aus, welches eine verbes- serte Tiefenbestimmung des Objektes ermöglicht.
Eine Änderung des kohärenten Anteils kann sich zudem durch eine Bewegung und/oder Vibration des Objektes ergeben. Hierbei sind/ist eine Bewegung und/oder eine Vibration des Objek- tes im Bereich der Wellenlänge des von der ersten oder zweiten Lichtquelle erzeugten Lichtes von besonderem Vorteil. Beispielsweise liegt die Bewegung und/oder Vibration des Ob¬ jektes im Bereich von Mikrometern. Eine solche vorteilhafte natürliche Bewegung und/oder Vibration und eine dadurch ver- bundene Änderung des kohärenten Anteils ist beispielsweise bei organischem Gewebe, insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie, gegeben. Vorteilhafterweise erfolgt durch die Be¬ wegung und/oder Vibration des Objektes eine Phasenverschie¬ bung und folglich eine Änderung der Überlagerung des Mess- Strahls und des Referenzstrahls. Der Änderung der Überlage¬ rung entsprechend erfolgt einer Änderung von dem ersten zum zweiten Abbild, welche wiederum bei der Auswertung der Abbilder berücksichtigt wird, beispielsweise durch Bildung des Differenzabbildes. Mit anderen Worten bildet das Objekt selbst den Phasenschieber oder einen weiteren Phasenschieber aus .
Generell können die für die Auswertung und der Tiefenbestimmung des Objektes relevanten Bereiche des Abbildes, insbeson- dere des Differenzabbildes, sich durch die konstruktive oder destruktive Interferenz in ihrer Intensität verstärken oder reduzieren. Es ist daher zweckmäßig die Überlagerung zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl derart anzupassen, dass für die genannten relevanten Bereiche des Differenzabbildes eine maximale konstruktive oder destruktive Interferenz der beiden genannten Strahlen vorliegt. Dadurch wird die Erkennbarkeit der Änderung zwischen dem ersten und zweiten Abbild und folglich die Erkennbarkeit des optischen Muster verbes- sert. Für die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses kann zudem die Aufnahme einer Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Abbildern sowie deren Auswertung vorgesehen sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein zufälliges oder codiertes optisches Punktmuster als optisches Muster verwendet.
Vorteilhafterweise ermöglicht ein optisches Punktmuster eine bevorzugte Überlagerung des Messstrahls mit dem Referenz¬ strahl. Das ist deshalb der Fall, da sich die Position eines Punktes des Punktmusters innerhalb des optischen Punktmusters bei der Reflexion am Objekt nur geringfügig ändert. Dadurch ergeben sich nur geringe optische Weglängenunterschiede, so- dass eine annähernd konstruktive Überlagerung der Punkte in¬ nerhalb des ersten und zweiten Abbildes erfolgt. Dadurch wird vorteilhafterweise die Tiefenbestimmung des Objektes weiter verbessert. Überdies ermöglicht es die Zufälligkeit oder die Codierung des optischen Punktmusters, die Lage der einzelnen Punkte innerhalb des reflektierten Punktmusters relativ zum projizierten Punktmuster zu bestimmen und folglich das Zuordnungsproblem bei der Tiefenbestimmung des Objektes zu lösen oder wenigstens zu verbessern. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein farbcodiertes optisches Muster als optisches Muster ver¬ wendet .
Mit anderen Worten erfolgt vorteilhafterweise eine farbco- dierte Triangulation des Objektes. Besonders bevorzugt ist es hierbei, einen Laserprojektor zu verwenden, der wenigstens die Farben Rot, Grün und Blau aufweist (RGB-Laserproj ektor) . Zur Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes kann hierbei eine Drei-Chip-Kamera vorgesehen sein. Mit anderen Worten um- fasst die Erfassungsvorrichtung eine Drei-Chip-Kamera.
Es ist besonders bevorzugt das erste und zweite Abbild in zeitlichem Abstand zueinander aufzunehmen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Anpassung der Phasendif¬ ferenz innerhalb des Zeitintervalls zwischen der Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes erfolgen. Zudem wird ein Umschal- ten zwischen der ersten und zweiten kohärenten Lichtquelle ermöglicht. Besonders bevorzugt kann der zeitliche Abstand auf die Bewegung und/oder Vibration des Objektes angepasst sein. Mit anderen Worten werden das erste und das zweite Ab¬ bild in einem derart großen zeitlichen Abstand zueinander aufgenommen, dass die Änderung der Position des Objektes im
Bereich halb- oder ganzzahliger Vielfache der Wellenlänge des projizierten Lichtes liegt. Dadurch bildet sich eine vorteil¬ hafte Überlagerung zwischen dem reflektierten Messstrahl und dem Referenzstrahl aus, die sich zwischen der Aufnahme des ersten Abbildes und der Aufnahme des zweiten Abbildes merk¬ lich ändert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes mit der Verwen- dung der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle mittels einer Steuervorrichtung synchronisiert.
Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise ein Ein- oder Aus¬ schalten der ersten und/oder zweiten kohärenten Lichtquelle mit der Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes synchronisiert. Beispielsweise wird die erste kohärente Lichtquelle eingeschaltet und das erste Abbild aufgenommen. Anschließend wird mittels der Steuervorrichtung die erste kohärente Licht¬ quelle ausgeschaltet und die zweite kohärente Lichtquelle eingeschaltet und das zweite Abbild mittels der Erfassungs¬ vorrichtung aufgenommen. Mit anderen Worten ermöglicht die Steuervorrichtung eine vorteilhafte Steuerung der ersten und/oder zweiten kohärenten Lichtquelle und der Erfassungsvorrichtung .
Weiterhin kann bevorzugt die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes mit der Änderung der Phasendifferenz mittels einer Steuervorrichtung synchronisiert werden. Dadurch wird vorteilhafterweise die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes an die Änderungen der Phasendifferenz ange- passt. Beispielsweise ermöglicht die Steuervorrichtung eine Steuerung des Phasenschiebers, sodass eine gewünschte und vorteilhafte Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl erfolgt. Hierbei kann die Änderung der Phasendifferenz sowie ein Aufnahme einer Mehrzahl von entsprechenden Abbildern im Wesentlichen kontinuierlich erfolgen (Abbilderfolge) . Dadurch wird es möglich die Ände¬ rung der Interferenz von der destruktiven bis hin zur konstruktiven Interferenz annähernd kontinuierlich zu erfassen. Beispielsweise kann hierzu die Phasendifferenz periodisch mit einer Referenzfrequenz moduliert werden, sodass mittels der Auswertung einer Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Abbildern, insbesondere einer Sequenz von ersten und/oder zweiten Abbildern (Abbilderfolge) , und mittels eines Lock-In-Verfah- rens besonders schwache Signale innerhalb der Abbilder er¬ kannt werden können. Das ist deshalb der Fall, da die Abbild- erfolge mittels eines Filters, dessen Durchlassbereich haupt¬ sächlich im Bereich der Referenzfrequenz liegt, gefiltert werden kann, sodass Anteile, die von der genannten Referenzfrequenz abweichen, beispielsweise Rauschanteile, unterdrückt werden können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein erster Laser als erste kohärente Lichtquelle
und/oder ein zweiter Laser als zweite kohärente Lichtquelle verwendet .
Vorteilhafterweise weist das Licht eines Lasers, insbesondere des ersten und zweiten Lasers, eine zeitlich große Kohärenz auf. Typischerweise liegt die Kohärenzlänge des Lichtes eines Lasers im Bereich von mehreren Metern. Zudem weist das Licht eines Lasers eine sehr hohe räumliche Kohärenz auf. Aufgrund der hohen zeitlichen und räumlichen Kohärenz des Lichtes eines Lasers sind Laser als erste und/oder zweite kohärente Lichtquelle besonders bevorzugt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Piezotranslator oder eine Pockels-Zelle als Phasenschieber verwendet.
Vorteilhafterweise ermöglicht ein Piezotranslator oder eine Pockels-Zelle eine Anpassung und Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl. Hierbei durchläuft bevorzugt der Referenzstrahl den Piezotranslator oder die Pockels-Zelle. Ein Vorteil der Pockels-Zelle ist, dass das Licht der ersten kohärenten Lichtquelle in seiner Phase kontinuierlich angepasst oder moduliert werden kann. Insbesondere ist zudem eine Anpassung oder Modulation der Polarisation und/oder Intensität möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste und/oder zweite Strahlteiler als Teilerspiegel ausge¬ bildet . Vorteilhafterweise ermöglicht der Teilerspiegel eine einfache und kostengünstige Aufspaltung des von der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle ausgehenden Lichtes in den Messstrahl und den Referenzstrahl. Ein Anteil des von der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle ausgehenden Lichtes wird durch den Teilerspiegel reflektiert. Ein weiterer Anteil wird transmittiert . Beispielsweise bildet der reflektierte Anteil den Messstrahl und der transmittierte Anteil den Referenzstrahl aus. Weitere optische Strahlteiler zur Aufteilung des von der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle ausgehen- den Lichtes in den Messstrahl und den Referenzstrahl können vorgesehen sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert : Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die einen Phasenschieber umfasst;
Figur 2 eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine erste und zweite kohärente Lichtquelle umfasst; und
Figur 3 eine exemplarische Verdeutlichung der Auswertung eines ersten und zweiten Abbildes.
Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Die in den Figuren dargestellten Strahlenverläufe von Licht- strahlen sind exemplarisch und entsprechend nicht zwingend den physikalisch realen Gegebenheiten.
Figur 1 zeigt die Vorrichtung 1, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Projektionsvorrichtung 4, eine Erfassungsvorrichtung 2 und eine Rechenvorrichtung 3. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Steuervorrichtung 12.
Die Projektionsvorrichtung 4 umfasst eine erste kohärente Lichtquelle 41, einen ersten Strahlteiler 44, eine
Fokussierlinse 46, weitere Linsen 48 und ein diffraktives op¬ tisches Element 49 (DOE) .
Zudem umfasst die Vorrichtung 1 eine optische Faser 6, insbe- sondere eine Einzelmodenfaser (engl. Single-Mode Optical Fi¬ ber), und einen Phasenschieber 8.
Ein kohärentes Licht der ersten kohärenten Lichtquelle 41 wird mittels des ersten Strahlteilers 44 in einen Messstrahl 101 sowie einen Referenzstrahl 102 aufgeteilt. Hierbei ist die erste kohärente Lichtquelle 41 als ein erster Laser aus¬ gebildet. Der erzeugte Messstrahl 101 wird mittels der weite¬ ren Linsen 48 und mittels des diffraktiven optischen Elemen- tes 49 zu einem optischen Punktmuster 104 geformt. Hierbei erfolgt die Formung oder Bildung des optischen Punktmusters 104 diffraktiv, das heißt durch Beugung des Messstrahls 101 am diffraktiven optischen Element 49. Das durch das
diffraktive optische Element 49 erzeugte Punktmuster 104 wird anschließend auf eine Oberfläche eines für die Tiefenbestim¬ mung vorgesehenen Objektes 10 mittels der Projektionsvorrichtung 4 projiziert. Zur Aufnahme des von der Oberfläche des Objektes 10 reflek¬ tierten Messstrahls 105 (reflektiertes Punktmuster) weist die Erfassungsvorrichtung 2 wenigstens eine Linse 26 sowie einen zweiten Strahlteiler 24 und eine Kamera 22 auf. Mittels des ersten Strahlteilers 44 wird der Referenzstrahl
102 aus dem Licht der ersten kohärenten Lichtquelle 41 gebildet. Der Referenzstrahl 102 wird nach dem ersten Strahlteiler 44 mittels der Fokussierlinse 46 auf den Eingang der opti¬ schen Faser 6 fokussiert. Mittels der optischen Faser 6 wird der Referenzstrahl 102 zum Phasenschieber 8 geführt. Der Phasenschieber 8 ist am Ausgang der optischen Faser 6 angeordnet. Der Referenzstrahl 102 durchläuft den Phasenschieber 8. Mittels des Phasenschiebers 8 wird die Phase des Referenz¬ strahl 102 geändert oder verschoben, sodass sich die Phasen- differenz zwischen dem Messstrahl 101 und dem Referenzstrahl 102 und/oder zwischen dem reflektierten Messstrahl 105 und dem Referenzstrahl 102 ändert.
Vor einer Aufnahme eines ersten und zweiten Abbildes mittels der Kamera 22 wird der nach dem Phasenschieber 8 in seiner
Phase verschobene Referenzstrahl 102 mit dem von der Oberflä¬ che des Objektes 10 reflektierten Messstrahl 105 in einem Bereich 110 zur Überlagerung 111 gebracht. Mit anderen Worten erfolgt die Überlagerung 111 des reflektierten Messstrahls 105 und des Referenzstrahls 102 vor der Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes. Hierzu wird der Referenzstrahl 102 am zweiten Strahlteiler 24 der Erfassungsvorrichtung 2 reflektiert. Der vom Objekt 10 reflektierte Messstrahl 105 wird am zweiten Strahlteiler 24 der Erfassungsvorrichtung 2 dagegen hauptsächlich transmittiert .
Zur Aufnahme des ersten Abbildes wird mittels des Phasen- Schiebers 8 eine Phase, das heißt eine Phasendifferenz zwi¬ schen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 festgelegt. Zur Aufnahme des zweiten Abbildes wird die Phase des Referenzstrahls 102 gegenüber der Phase des Messstrahls 101, 105 mittels des Phasenschiebers 8 verändert. Mit anderen Worten wird die Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 geändert. Da die genannte Än¬ derung der Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Abbild für den inkohärenten Anteil nicht relevant ist, ist dieser im Mittel im ersten und zweiten Abbild gleich. Der ko- härente Anteil im ersten und zweiten Abbild ist dagegen auf die Veränderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 empfindlich, sodass eine merkliche Änderung zwischen dem ersten und zweiten Abbild erfolgt. Folglich ändert sich durch die Änderung der Phasendif- ferenz annähernd ausschließlich der kohärente Anteil innerhalb des ersten und zweiten Abbildes merklich. Dadurch kann vorteilhafterweise der kohärente Anteil, der im Wesentlichen dem projizierten optischen Punktmuster 104 entspricht, durch seine Änderung vom ersten zum zweiten Abbild erkannt werden, wodurch die Tiefenbestimmung des Objektes 10 verbessert wird.
Für eine Synchronisation der Aufnahmen des ersten und/oder zweiten Abbildes und der Änderung der Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 101, 105 und dem Referenzstrahl 102 mit- tels des Phasenschiebers 8 ist die Steuervorrichtung 12 vor¬ gesehen. Die Steuervorrichtung 12 kann elektronisch mit dem Phasenschieber 8, der Kamera 22 sowie der Rechenvorrichtung 3 verbunden sein. Weiterhin kann die Kamera 22 mit der Rechenvorrichtung 3, die eine Auswertung des ersten und zweiten Ab- bildes, insbesondere eine Subtraktion des ersten und zweiten Abbildes, ermöglicht, elektronisch verbunden sein. Figur 2 zeigt exemplarisch die weitere Vorrichtung 1, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Die weitere Vorrichtung 1 umfasst eine Projektionsvorrichtung 4, eine Erfassungsvorrichtung 2, eine Rechenvorrichtung 3 sowie eine Steuervorrichtung 12. Die Projektionsvorrichtung 4 umfasst im Unterschied zur Figur 1 eine erste und zweite ko¬ härente Lichtquelle 41, 42. Grundsätzlich ist das Verfahren bezüglich der ersten oder zweiten Lichtquelle 41, 42 vergleichbar mit dem bereits in Figur 1 beschriebenen Verfahren. Im Unterschied zu Figur 1 wird anstatt einer mittels des Phasenschiebers 8 erzeugten Phasendifferenz zwischen einem Messstrahl 101, 105 und einem Referenzstrahl 102 eine hierzu vergleichbare Phasendifferenz durch die Verwendung der zweiten kohärenten Lichtquelle 42 ermöglicht .
Hierbei ist das von der ersten kohärenten Lichtquelle 41 er- zeugte Licht inkohärent zu dem Licht der zweiten kohärenten Lichtquelle 42. Das ist deshalb der Fall, da zwischen der ersten und zweiten kohärenten Lichtquelle 41, 42 keine feste Phasenbeziehung vorliegt. Mit anderen Worten werden zwei bezüglich ihrer Phase voneinander unabhängige kohärente Licht- quellen 41, 42 verwendet. Insbesondere sind die kohärenten
Lichtquelle 41, 42 als Laser ausgebildet. Jede der kohärenten Lichtquellen 41, 42 erzeugt für die Aufnahme eines Abbildes mittels eines ersten Strahlteilers 44 einen Messstrahl 101 und einen Referenzstrahl 102. Mit anderen Worten wird ein von den kohärenten Lichtquellen 41, 42 erzeugtes kohärentes Licht in jeweils einen Messstrahl 101 und einen Referenzstrahl 102 aufgeteilt .
Der Messstrahl 101 der ersten oder zweiten kohärenten Licht- quelle 41, 42 wird jeweils mittels Linsen 48 sowie mittels eines diffraktiven optischen Elementes 49 (DOE) in ein optisches Punktmuster 104 gewandelt. Das optische Punktmuster 104 wird mittels der Projektionsvorrichtung 4 auf die Oberfläche des Objektes 10 projiziert. Das von der Oberfläche des Objek¬ tes 10 reflektierte Punktmuster beziehungsweise der von der Oberfläche des Objektes 10 reflektierte Messstrahl 105 wird über eine Linse 26 sowie einen zweiten Strahlteiler 24 der Erfassungsvorrichtung 2 mittels einer Kamera 22 erfasst.
Für die Aufnahme des ersten Abbildes ist die erste kohärente Lichtquelle 41 vorgesehen, sodass für die Aufnahme des ersten Abbildes der Messstrahl 101, 105 und der Referenzstrahl 102 mittels der ersten kohärenten Lichtquelle 41 erzeugt werden. Für die Aufnahme des zweiten Abbildes ist hingegen die zweite kohärente Lichtquelle 42 vorgesehen, sodass für die Aufnahme des zweiten Abbildes der Messstrahl 101, 105 und der Refe¬ renzstrahl 102 nun mittels der zweiten kohärenten Lichtquelle 42 erzeugt werden. Insbesondere wird für das erste Abbild die erste kohärente Lichtquelle 41 eingeschaltet und die zweite kohärente Lichtquelle 42 ausgeschaltet. Für die Aufnahme des zweiten Abbildes wird die erste kohärente Lichtquelle 41 aus¬ geschaltet und die zweite kohärente Lichtquelle 42 einge- schaltet.
Der Referenzstrahl 102 wird mittels einer Fokussierlinse 46 auf einen Eingang einer optischen Faser 6, insbesondere einer optischen Einzelmodenfaser, fokussiert. Hierbei führt die op- tische Faser 6 den Referenzstrahl 102 in einen Bereich 110, der vor der Kamera 22 angeordnet und für eine Überlagerung 111 des reflektierten Messstrahls 105 mit dem Referenzstrahls 102 vorgesehen ist. Mit anderen Worten erfolgt vor und für die Aufnahme des ersten und zweiten Abbildes mittels der Ka- mera 22 jeweils eine Überlagerung 111, das heißt eine Inter¬ ferenz zwischen dem reflektierten Messstrahl 105 und dem Referenzstrahl 102.
Da die kohärenten Lichtquellen 41, 42 keine feste Phasenbe- ziehung zueinander aufweisen, ergibt sich zwischen der Aufnahme des ersten Abbildes und der Aufnahme des zweiten Abbil¬ des eine Phasendifferenz. Durch die genannte Phasendifferenz ändern sich zwischen dem ersten Abbild und dem zweiten Abbild die Anteile der Abbilder, die mittels eines kohärenten An¬ teils des reflektierten Messstrahls 105 gebildet wurden. Der kohärente Anteil entspricht aber im Wesentlichen dem proji¬ zierten Punktmuster 104, sodass dieses durch die Änderung zwischen dem ersten und zweiten Abbild bevorzugt erkannt werden kann. Ein inkohärente Anteil des reflektierten Mess¬ strahls 105, der beispielsweise durch Umgebungslicht oder einer Volumenstreuung innerhalb des Objektes 10 gebildet ist, bleibt im Mittel zwischen dem ersten und zweiten Abbild gleich. Dadurch kann der inkohärente Anteil, beispielsweise durch Bildung eines Differenzabbildes (Subtraktion des ersten und zweiten Abbildes) , bei einer Auswertung durch die Rechenvorrichtung 12 herausfallen oder deutlich reduziert werden. Vorteilhafterweise wird somit der für die Auswertung relevan- te kohärente Anteil aus einem Untergrund (inkohärenter An¬ teil) herausgefiltert.
Für eine Synchronisation, insbesondere für das Ein- und/oder Ausschalten der ersten und zweiten kohärenten Lichtquelle 41, 42, ist die Steuervorrichtung 12 vorgesehen. Die Steuervorrichtung 12 kann mit der Rechenvorrichtung 3 sowie der Kamera 22 elektronisch verbunden sein. Ferner ist die Kamera 22 zur Auswertung des ersten und zweiten Abbildes mit der Rechenvorrichtung 3 elektronisch verbunden. Die Steuervorrichtung 12 ermöglicht, beispielsweise in Verbindung mit der Rechenvor¬ richtung 3, ein Umschalten zwischen der ersten kohärenten Lichtquelle 41 und der zweiten kohärenten Lichtquelle 42.
In Figur 3 ist eine Auswertung mittels einer Subtraktion 642 exemplarisch dargestellt. Hierbei wird die Subtraktion 642 mittels eines ersten Abbildes 610 und eines zweiten Abbildes 620 ausgebildet, wodurch ein Differenzabbild 630 gebildet wird . Das erste Abbild 610 sowie das zweite Abbild 620 können als Matrizen von Intensitätswerten in einem Speicher der Rechenvorrichtung 3 vorliegen. Mit anderen Worten wird das erste und zweite Abbild 610, 620 durch eine Mehrzahl von Pixel aus- gebildet, wobei jedem Pixel wenigstens ein Intensitätswert zugeordnet ist. Der Intensitätswert korrespondiert zur Inten¬ sität des mittels der Kamera 22 aufgenommen Lichtes. Beispielsweise erfolgt die Reflexion des Messstrahls 101 an einem organischen Gewebe, sodass eine Volumenstreuung des Messstrahls 101 auftritt. Dadurch weist der reflektierte Messstrahl 105 insbesondere einen inkohärenten Anteil 612 auf. Ein kohärenter Anteil 611 des reflektierten Messstrahls 105, der im Wesentlichen hier einem Teilbereich eines Punktemusters entspricht, ist durch zwei benachbarte ellipsenförmi¬ ge Bereiche gebildet.
Aufgrund der Änderung der Phasendifferenz zwischen der Auf- nähme des ersten Abbildes 610 und der Aufnahme des zweiten Abbildes 620, weisen die jeweiligen kohärenten Anteile 611, 621 verschiedene Werte bezüglich ihrer Intensitäten auf. Die jeweiligen inkohärenten Anteile 612, 622 sind hingegen in den Abbildern 610, 620 annähernd gleich.
Mittels der Subtraktion 642 des ersten und zweiten Abbildes 610, 620, die mittels der Rechenvorrichtung 3 erfolgt, fällt der annähernd gleichbleibende inkohärente Anteil 612, 622 aus dem Differenzabbild 630 heraus. Mit anderen Worten ist ein inkohärenter Anteil 632 des Differenzabbildes 630 annähernd gleich Null. Kohärente Anteile 631 des Differenzabbildes 630, die aus den kohärenten Anteilen 611, 621 gebildet sind, können hingegen deutlich verstärkt werden. Mit anderen Worten wachsen die kohärenten Anteile 631 des Differenzabbildes 630, die dem projizierten Punktmuster 104 im Wesentlichen entsprechen, aus dem inkohärenten Anteil 632, das heißt aus dem Untergrund heraus. Dadurch wird vorteilhafterweise die Tiefen¬ bestimmung des Objektes 10 verbessert und das Signal-Rausch- Verhältnis erhöht.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein- geschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Objektes (10), umfassend die Schritte:
- Bereitstellen einer Erfassungsvorrichtung (2), einer Rechenvorrichtung (3) und einer Projektionsvorrichtung (4), die wenigstens eine erste kohärente Lichtquelle (41) um- fasst ;
- Erzeugung eines Messstrahls (101) und eines Referenzstrahls (102) mittels der Projektionsvorrichtung (4) und der ersten kohärenten Lichtquelle (41);
- Projektion eines aus dem Messstrahl (101) erzeugten optischen Musters (104) auf eine Oberfläche des Objektes (10) mittels der Projektionsvorrichtung (4);
- Überlagerung (111) des von der Oberfläche reflektierten
Messstrahls (105) mit dem Referenzstrahl (102);
- Aufnahme eines durch die Überlagerung (111) erzeugten ersten Abbildes (610) mittels der Erfassungsvorrichtung (2);
- Aufnahme eines zweiten Abbildes (620) mittels der Erfas- sungsvorrichtung (2); und
- Tiefenbestimmung des Objektes mittels einer Auswertung des ersten und zweiten Abbildes (610, 620) durch die Rechenvorrichtung (3) , wobei für die Aufnahme des zweiten Abbildes (620) :
- anstatt der ersten kohärenten Lichtquelle (41) eine zu dieser inkohärente zweite kohärente Lichtquelle (42) zur Erzeugung des Messstrahls (101) und des Referenzstrahls (102) verwendet wird; oder
- die Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl (101) und dem Referenzstrahl (102) der ersten kohärenten Lichtquelle
(41) mittels eines Phasenschiebers (8) geändert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zur Auswertung des ersten und zweiten Abbildes (610, 620) eine Subtraktion (642) des ersten und zweiten Abbildes (610, 620) erfolgt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein zufälliges oder codiertes optisches Punktmuster als optisches Muster (104) verwendet wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein farbcodiertes optisches Muster als optisches Muster (104) verwendet wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste und zweite Abbild (610, 620) im zeitlichen Ab¬ stand zueinander aufgenommen werden.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes (610, 620) mit der Verwendung der ersten oder zweiten kohärenten Lichtquelle (41, 42) mittels einer Steuervorrichtung (12) synchronisiert wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aufnahme des ersten oder zweiten Abbildes (610, 620) mit der Änderung der Phasendifferenz mittels einer Steuervorrichtung (12) synchronisiert wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein erster Laser als erste kohärente Lichtquelle (41) und/oder ein zweiter Laser als zweite kohärente Lichtquelle (42) verwendet wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Piezotranslator oder eine Pockels-Zelle als Phasenschieber (8) verwendet wird.
10. Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- eine Erfassungsvorrichtung (2), eine Rechenvorrichtung (3) und eine Projektionsvorrichtung (4), die wenigstens eine erste kohärente Lichtquelle (41) umfasst; - wobei die Projektionsvorrichtung (4) einen ersten Strahlteiler (44) umfasst, der mittels der ersten kohärenten Lichtquelle (41) zur Erzeugung eines Messstrahls (101) und eines Referenzstrahls (102) ausgebildet ist;
- wobei die Projektionsvorrichtung (4) weiterhin zur Projektion eines mittels des Messstrahls (101) erzeugten opti¬ schen Musters (104) auf eine Oberfläche eines Objektes (10) ausgebildet ist;
- wobei ein zweiter Strahlteiler (24) vorgesehen ist, der ei- ne Überlagerung (111) des von der Oberfläche des Objektes
(10) reflektierten Messstrahls (105) und des Referenz¬ strahls (102) ermöglicht;
- wobei die Erfassungsvorrichtung (2) zur Aufnahme eines durch die Überlagerung (111) erzeugten ersten Abbildes (610) und eines zweiten Abbildes (620) ausgebildet ist;
- wobei die Rechenvorrichtung (3) zur Auswertung des ersten und zweiten Abbildes (610, 620) zur Tiefenbestimmung des Objektes (10) ausgebildet ist;
und die Vorrichtung (1) eine zur ersten kohärenten Lichtquel- le (41) inkohärente zweite kohärente Lichtquelle (42) oder einen Phasenschieber (8) umfasst,
- wobei die zweite kohärente Lichtquelle (42) für die Aufnah¬ me des zweiten Abbildes (620) vorgesehen ist; oder
- wobei der Phasenschieber (8) zur Änderung der Phasendiffe- renz zwischen dem Messstrahl (101) und dem Referenzstrahl
(102) der ersten kohärenten Lichtquelle (41) ausgebildet ist .
11. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeich- net, dass die erste und/oder zweite kohärente Lichtquelle
(41, 42) als Laser ausgebildet sind/ist.
12. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (8) als Piezo- translator oder Pockels-Zelle ausgebildet ist.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Strahlteiler (44, 24) als Teilerspiegel ausgebildet sind/ist.
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