WO2015011201A1 - Vorrichtung und verfahren zur aufnahme und auswertung von mikroskopischen und/oder speckle-bildern von proben oder oberflächen einer probenebene mit einem auflichtaufbau sowie deren verwendung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur aufnahme und auswertung von mikroskopischen und/oder speckle-bildern von proben oder oberflächen einer probenebene mit einem auflichtaufbau sowie deren verwendung Download PDF

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WO2015011201A1
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Jürgen Schreiber
Beatrice Bendjus
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G03H2226/11—Electro-optic recording means, e.g. CCD, pyroelectric sensors

Definitions

  • the invention relates to a device with a preferably lensless, holographic inline Auflichtopathic for receiving microscopic and / or Speckle images and their use. If necessary, a calculation of material parameters or parameters can also be carried out.
  • the invention further relates to the use of the incident light structure for the detection of extended and / or mobile, in particular biological samples with high lateral and depth resolution. It can also be used for non-destructive testing of objects.
  • the proposed arrangement of incident light for use as Auflichtmikroskop is particularly suitable for three-dimensional incident light image of a sample of individual measurements (3D snapshot), whereby the arrangement for the reconstruction of relatively fast
  • Resolution limit of about 550 nm (so-called diffraction limit or Abbelimit).
  • LAMBDA wavelength 633 nm
  • LAMBDA / NA 552 nm
  • NA numerical aperture
  • the field of view is then typically only 0.48 mm by 0.48 mm. If one wants to observe larger samples as a whole, ie to increase the field of view, then one uses lenses with a lower magnification, which are always combined with a lower numerical aperture. With the enlargement of the field of view but also reduces the spatial resolution. For example, to record the typical field of view with the maximum resolution limited by the lenses, a CCD having a pixel number of about 1.3 million pixels is enough.
  • the interference image (hologram) created behind the sample is recorded with a digital image sensor (CCD, CMOS) and transferred to a computer for imaging.
  • a digital image sensor CCD, CMOS
  • Reference wave the part of the illumination unaffected by the sample.
  • Image sensor was 0.0035 mm. For this, it was necessary to position the sample within a few hundred micrometers of the pinhole and to realize a half-opening angle of 53 ° defined by the size and spacing of the image sensor. This angle corresponds to a numerical aperture of 0.8, which, according to Abbe, determines the optical resolution of an imaging system.
  • the numerical reconstruction takes place with the aid of a so-called contrast hologram (contrast image), the difference between the hologram and the illumination (a measurement without a sample). From Latychevskaia, T. et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS 98, pp.
  • inline holographic microscopy is restricted in principle to samples with slight disturbance of the illumination, ie accumulations of microscopic individual objects (particles) or not too large isolated objects (samples diluted with a solution).
  • WO 2011/153973 A1 discloses a method for non-contact, non-destructive determination of hardness, porosity and / or mechanical stress on materials or composite materials by means of speckle photometry, in which coherent electromagnetic radiation having a defined angle of incidence onto a surface region of a component or a sample is directed and illuminated by the irradiation surface area on an at least two-dimensional array arrangement of optical detectors and a thermal and / or mechanical activation of the component or the sample is performed at a distance to the irradiated surface area on a surface; with the array arrangement, the intensity of speckle of electromagnetic radiation emitted as a result of the irradiation from the surface is detected time-resolved and spatially resolved and from this the speckle diffusivity is determined and then with the determined speckle diffusivity and in advance with another measuring method for the respective material or
  • Material composite determined reference values the respective hardness, porosity and / or mechanical stress can be determined.
  • the disadvantage is that the structure used in WO 2011/153973 Al is not suitable for miniaturization due to the lenses used, so that the method described and the device can not be used in handheld devices.
  • the invention has for its object to provide possibilities for the formation of a device in which an arrangement for an inline
  • Optics (lens, lens) can be dispensed with, so that at the same time relatively large-area samples or surface areas can be examined in comparison to the prior art and still a small size can be maintained. Due to the structure proposed by the invention, it is particularly advantageous possible in the
  • Sample plane is a Tarlichtescent in which the coherent light from a point-like illumination source is directed perpendicular to a sample plane exists. Light reflected from the sample plane and / or a sample arranged on the sample plane strikes an effective one without an imaging optical element arranged in the beam path therebetween
  • a detector array aligned parallel to the sample plane.
  • the detector array is connected to a data processing unit, in which a calculation of microscopic images and / or speckle images; which have been recorded at intervals .DELTA. ⁇ and / or after the occurrence of at least one event, and further derived therefrom sizes.
  • a light-transmitting mirror of its surface pointing in the direction of the detector array should be arranged at a distance h 2 from the effective area of the detector array and at a distance h 1 from the sample plane.
  • a distance h exists between the effective area of the detector array and the surface of the sample plane.
  • the distances h1 and h2 should be approximately the same or the distance h1 should be less than the distance h2.
  • the distance h and / or the distance h2 should be changeable.
  • FIG. 1 shows an example of a device according to the invention with a pinhole formed in a detector array / a through-hole as the illumination source;
  • Figure 2 shows an example of a device according to the invention with a
  • Optical fiber as an illumination source passed through a pinhole formed in a detector array
  • Figure 3 shows an example of a device according to the invention with a
  • FIG. 4 shows an example of a device according to the invention with an optical fiber as the illumination source, which is supplied from one side and the exiting light is directed via a mirror to a sample ; wherein the optical fiber inserted from one side into a housing and the mirror is disposed within the housing between the sample and the detector array, and
  • Figure 5 in schematic form a structure of an inventive
  • Figure 1 shows an embodiment of a lensless, holographic inline Auflicht elaborates 6 with the essential individual components in the lateral section.
  • the punctiform illumination source 11 is preferably located in the center of the active area of the detector array 1, the punctiform illumination source 11 being a through hole illuminated with coherent light.
  • Figure 2 shows an embodiment of a lensless, holographic inline Auflicht arrangements 6 of Figure 1, but wherein the punctiform
  • Illumination source 11 is an end face (end) of a coherent-light-supplied optical fiber (optical waveguide) which transmits coherent light emitted from a light source (not shown) through a through-hole / pinhole 13 in the detector array 1 partially transmissive mirror 3 emits.
  • a coherent-light-supplied optical fiber optical waveguide
  • FIG. 3 shows an embodiment of a lensless holographic in-line incident-light structure 6 according to FIG. 2, wherein, however, the longitudinal axis of the optical fiber 14 is preferably aligned perpendicular to the normal of one of the surfaces of the detector array 1 and the emitting one
  • FIG. 4 shows an embodiment of the lensless, holographic inline Auflicht inconveniences 6 with the individual components in the lateral section.
  • the punctiform illumination source 11 is arranged in the volume bounded by the active area of the detector array 12 and the partially transmissive mirror 3.
  • a mirror 15 is disposed and formed so that the light emitted from the optical fiber 14 is reflected toward the partially transmissive mirror 3.
  • This example can also be embodied such that the optical fiber 14 has been dispensed with and the light is directed from the side as a free jet onto the mirror 15 and is reflected by it in the direction of the sample or sample plane 2.
  • FIG. 5 shows a possible construction of the device according to the invention in which the signals measured by the detector array 1 are transmitted to a data processing unit 7 which processes the image data as well as material parameters.
  • FIGS. 1 to 5 also show the respective sample 21 and the sample plane 2.
  • an electronic digital detector array 1 which is formed, for example, by a conventional commercially available CCD or CMOS array as an image-sensitive sensor element for registration resulting interference and / or speckle images
  • sample plane 2 in which one or more sample (s) 21 can be arranged and
  • a plane-parallel semitransparent mirror 3 is not absolutely necessary in the detection of speckle images, since no reference light is required.
  • all the aforementioned essential components (1, 2, 3) are substantially plane-parallel to one another and in the form of an example. arranged axially symmetrically (to the axis XX), wherein the distance between the active surface 12 of the digital detector array 1 and this facing surface 31 of the partially transparent, preferably semitransparent, mirror 3 the distance between this surface 31 and the sample plane 2 with the sample to be imaged 21 substantially corresponds.
  • the ratio of the distance h between the active surface 12 of the detector array 1 to the sample plane 2 h and the edge length b of the active surface 12 of the detector array 1 defines the numerical aperture (NA) and the optical resolution of the system.
  • a ratio in the order of 8: 3 should be chosen.
  • a detector array 1 with an edge length b of 10 mm results in a distance h of at most 3.75 mm.
  • the distance h2 between the detector array 1 and the surface 31 of the partially transmissive mirror 3 is then about 1.9 mm.
  • a lesser distance hl of the sample plane 2 to the reflective surface 31 of the partially transparent mirror 3 is to be selected.
  • the ratio of the distance h and the edge length b of the active surface 12 of the detector array 1 is greater than one and less than ten.
  • a punctiform illumination source 11 provided according to the invention in the middle in the detector array 1, for the emission of coherent radiation, different embodiments are possible.
  • a through bore may be provided, which is optionally conical, so that the sample 21 facing the aperture diameter of the through hole of about 500 nm results.
  • a coherent light source for example a semiconductor laser
  • a coherent light source passes through a pinhole in accordance with a thick arrow L shown in FIG
  • Fiber optic used.
  • the use of other sources of illumination directly at said location is expressly within the scope of the invention, as long as coherent radiation emanates from these punctiform.
  • the light-emitting end of the optical fiber 14 in the through-hole / pinhole opening in the detector array 1 is preferably fixed in such a way that the light is emitted in the direction of the partially transmissive mirror 3 , Preferably, the radiating end face of the optical fiber 14 is guided into the space between the detector array 1 and the partially transmissive mirror 3.
  • the through hole in the Detector array 1 can be introduced by laser drilling or etching in this.
  • the optical fiber 14 is brought parallel to one of the surfaces of the detector array 1 to the through hole / pinhole 13 and reflected by a mirror 15, the light emitted from the fiber light on the through hole / pinhole opening 11 and through this in the Interspace, which is limited by the detector array 1 and the partially transmissive mirror 3, reflected.
  • the mirror 15 may preferably be manufactured by lithographic methods and / or deposition methods.
  • the optical fiber 14 is guided in particular perpendicular to the surface normal of one of the surfaces of the detector array 1 into the intermediate space bounded by the detector array 1 and the partially transparent mirror 3.
  • a mirror 15 which is also arranged in the intermediate space, the light emitted by the optical fiber 15 is reflected in the direction of the partially transmissive mirror 3.
  • the light-emitting end face of the optical fiber 14 may be provided with a pinhole.
  • a lens may be provided in the vicinity of or on the radiating end face of the optical fiber 14 from which the light exits.
  • the lens is a gradient index lens
  • Embodiment of Figure 1 further proposed to bring the detector arrays 1 and the partially transmissive mirror 3 together in a rigid connection by means of a piezoelectric assembly 4.
  • Such actuators are designed for other uses and available on the market.
  • PI Physics Instruments
  • Festoresaktoren provided, preferably between the partially transparent mirror 3 and the sample plane 2 to adjust the distance hl between partially transparent mirror 3 and the sample plane 2 or change.
  • the complex-valued reference wave v is the wavefront emanating from the illumination source 11.
  • the complex-valued object wave u is the wavefront emanating from the illuminated sample 21.
  • the hologram measured in the detector plane corresponds to the magnitude square (intensity) of the sum of both wavefronts
  • 2 uv '+ vu' + uu '+ vv'.
  • the first term is the searched complex valued object wave multiplied by the complex conjugate reference wave.
  • the second term is called twin-image, the third term
  • ⁇ u + v ⁇ 6 ⁇ ' ⁇ ⁇ 2 ⁇
  • 2 already satisfy two measurements (eg, ⁇ ⁇ 0, ⁇ / 2 ⁇ ) for determining the complex valued object wave.
  • the object wave will not be negligibly small compared to the reference wave, so that a phase shift method can be performed only with errors without knowledge of the average intensity.
  • at least three measurements are required (eg 9e ⁇ 0, n / 2, ⁇ ).
  • the Data processing unit 7 calculates a microscopic image and a speckle image of sample 21 from data.
  • data processing unit 7 can calculate material characteristics from the speckle image, such as mechanical stresses, surface hardness, and deformations and strains.
  • material characteristics from the speckle image such as mechanical stresses, surface hardness, and deformations and strains.
  • changes to biological samples, which may be caused by metabolism can also be detected.
  • the interference pattern imaged on the detector array 1 is already a speckle image, which is preprocessed by the data processing unit 7, if necessary. For example, it may be useful to make comparisons between different samples 21 by adjusting the contrast, brightness, or filtering, etc. (normalization).
  • the device according to the invention in a mobile communication system, such as a mobile phone, a smartphone, a tablet computer or a laptop computer embedded / integrated, so that a comfortable user interface can be provided while sufficient computing capacity for the calculation of microscopic images and / or speckle images and / or derived quantities.
  • the method according to the invention can thus be carried out completely in the mobile communication system.
  • the device according to the invention and / or the method according to the invention for on-line monitoring can be used particularly advantageously.
  • the device according to the invention is preferably mounted together with a communication interface and an electrical power supply in a housing on the object to be monitored so that measurements can be made continuously or at intervals or on command by the device.
  • the measurement results, the microscopic image and / or the speckle image and / or variables derived therefrom can be transmitted to the user via the communication interface.
  • the surface or a surface section of the object to be monitored corresponds to the sample 21 in the figures.
  • at the objects to be tested may preferably be major components of heavy industry, eg power plants, extraction of raw materials, structures that are subject to fatigue and corrosion, for example. In general, it can be made of organic and inorganic compounds objects.
  • the communication interface is a
  • Radio interface to a possible wireless data transmission Radio interface to a possible wireless data transmission.
  • the device according to the invention and / or of the method according to the invention for measuring microscopic images and / or speckle images and / or variables derived therefrom in biological samples, in particular human or animal skin, tissue but also on plants.
  • Measurements may preferably be made without sampling, i. be carried out in vivo. This allows the measurement to be non-destructive.
  • the sample plane 2 is then formed by the surface of the respective object, for example the skin of a living being or the surface of a component which is to be examined or monitored.
  • the surface of the respective object for example the skin of a living being or the surface of a component which is to be examined or monitored.
  • it is also advantageous to take a sample since such a
  • Sample preparation is easily possible, i. an in-vitro measurement can also be carried out.
  • the data processing unit 7 may perform a fractal analysis from the speckle image.
  • the parameter fractal dimension D F is calculated by the data processing unit 7, and material characteristics such as hardness, porosity and / or mechanical stress, structure quality and crack formation can be derived from the result.
  • the data processing unit 7 is set up to carry out the data processing and the data evaluation (see FIG. 1 from WO 2011/153973 A1 and the corresponding description thereto).
  • the data processing unit 7 in particular the way the Calculation with the equations given in WO 2011/153973 Al and the boundary conditions are used to determine desired parameters from the captured images.
  • an energy input is indicated as a condition.
  • at least one suitable sensor can be used, which is preferably arranged on the sample plane 2 or attached thereto. If at least one corresponding event is detected with such a sensor, the detection of at least one image can be triggered, which can then be used with images acquired in advance for the respective determination.
  • an event may be detected with an acceleration, temperature, or force sensor (e.g., strain gauges), with the required energy input possibly being made by the particular event.
  • an acceleration, temperature, or force sensor e.g., strain gauges
  • a triggering event can be detected, for example, by an optical sensor, a C0 2 sensor or an oxygen sensor.
  • a color change can be recognized as an event and used to trigger the capture of at least one image.
  • An event can be the exceeding or, if necessary, also falling below a predetermined threshold, with which a detection of at least one image can be triggered. However, the achievement of a predetermined number of such events can also trigger the detection of at least one image.
  • a device for tempering the sample 21 may be present.
  • a possibility for measuring the sample temperature may be present.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme mikroskopischer und/oder Speckle-Bildern von Proben oder Oberflächen einer Probenebene sowie deren Verwendung. Dabei ist ein Auflichtaufbau, bei dem kohärentes Licht von einer punktförmigen Beleuchtungsquelle senkrecht auf eine Probenebene gerichtet ist, vorhanden. Von der Probenebene und/oder einer auf der Probenebene angeordneten Probe reflektiertes Licht ist ohne ein im Strahlengang dazwischen angeordnetes abbildendes optisches Element auf eine effektive Fläche eines Detektor-Arrays, die parallel zur Probenebene ausgerichtet ist, gerichtet. Dabei ist das Detektor-Array an eine Datenverarbeitungseinheit angeschlossen, in der eine Berechnung mikroskopischer Abbildungen und/oder von Speckle-Bildern; die in Zeitabständen M und/oder nach dem Eintreten mindestens eines Ereignisses erfasst worden sind, und weiteren daraus ableitbaren Größen erfolgt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme und Auswertun von mikroskopischen und/oder Speckle-Bildern von Proben oder Oberflächen einer Probenebene mit einem Auflichtaufbau sowie deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem bevorzugt linsenlosen, holografischen Inline-Auflichtaufbau zur Aufnahme von mikroskopischen und/oder Speckle-Bildern sowie deren Verwendung. Es kann ggf. auch eine Berechnung von Materialkenngrößen oder Parametern durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Auflichtaufbaus zur Detektion von ausgedehnten und/oder beweglichen, insbesondere biologischen Proben mit hoher lateraler und Tiefenauflösung. Sie kann auch zur zerstörungsfreien Prüfung von Objekten genutzt werden.
Die vorgeschlagene Anordnung des Auflichtaufbaus zur Nutzung als Auflichtmikroskop eignet sich insbesondere zur dreidimensionalen Auflicht-Abbildung einer Probe aus einzelnen Messungen (3D-Snapshot), womit sich die Anordnung auch für die Rekonstruktion von relativ schnellen
dreidimensionalen Bewegungsabläufen mikroskopischer Objekte, z.B. in der Mikrofluidik, eignet.
Weitere Anwendung kann die vorgeschlagene Anordnung z.B. in der Unterwassermikroskopie und der Mikroskopie biologischer Proben, sowie der quantitativen Phasenmikroskopie finden. Der besonders hervorzuhebende Vorteil dieser Anordnung ergibt sich in deren Einsatz zur zerstörungsfreien online-Untersuchung von ausgedehnten Oberflächen in der Werkstoffuntersuchung, Medizin etc. Mit einem klassischen optischen Mikroskop für das sichtbare Licht erreicht man die bekannte laterale
Auflösungsgrenze von etwa 550 nm (sogenannte Beugungsgrenze oder auch Abbelimit). Sie beträgt für eine Wellenlänge LAMBDA von 633 nm ca. 0,61*LAMBDA/NA = 552 nm, wenn man ein Objektiv mit einer numerischen Apertur NA von 0,7 nutzt. Das Gesichtsfeld beträgt dann typischerweise nur 0,48 mm mal 0,48 mm. Will man größere Proben als Ganzes beobachten, also das Gesichtsfeld vergrößern, so verwendet man Objektive mit einer geringeren Vergrößerung, die immer mit geringerer numerischer Apertur kombiniert sind. Mit der Vergrößerung des Gesichtsfeldes vermindert sich aber auch die Ortsauflösung. Um das typische, vorstehend genannte Gesichtsfeld mit der maximalen, von den Objektiven begrenzten Auflösung, aufzuzeichnen, reicht bspw. eine CCD mit einer Pixelzahl von etwa 1,3 Millionen Pixel. Für eine solche Lösung wäre es eine denkbare Möglichkeit, zwecks Erzielung einer hohen Auflösung bei gleichzeitig stark erweitertem Gesichtsfeld, sehr große Objektive zu bauen, wie sie von der Photolithographie her bekannt sind. Das wäre aber technisch und ökonomisch mit einem zu hohen Aufwand verbunden und würde im Ergebnis nicht zu einem Handheld-Gerät führen können.
Aus Kreuzer, HJ. et al. "Digital inline holography with photons and electrons"; J. Phys. Condens. Matter 13, S. 10729-10741 (2001) ist weiterhin die sogenannte Gaborsche Inlineholografie bekannt, die ein einziges kohärent beleuchtetes Pinhole nutzt, in dessen Beleuchtungskegel eine Probe angeordnet ist. Aus den aufgezeichneten Interferenzen können Phase und Amplitude des Objektes rekonstruiert werden. Dieses Mikroskop arbeitet ohne Objektiv. Die Apertur bestimmt sich aus der Pinholegröße. Zur Lösung vorstehenden Problems wurde in DE 10 2005 023 137 AI bereits eine Anordnung zur hochauflösenden digitalen Inline-Holografie vorgeschlagen, die allerdings im Durchlicht arbeitet, wobei dort die abzubildende Probe einer Beleuchtung aus mehreren Pinholes ausgesetzt wird, ehe ein Interferenzmuster auf einem Detektorarray auswertbar ist. Um dort überhaupt ein auswertbares und auf die Probe rückschließbares
Interferenzmuster zu erhalten, muss gewährleistet sein, dass der wesentliche Teil der kohärenten Beleuchtungsstrahlung von der Probe unbeeinflusst ist. Dazu wird in dieser Schrift vorgeschlagen, wenn mit vorgegebenen CCDs gearbeitet werden soll, in Abhängigkeit von variabel zu untersuchenden Probengrößen einen Satz austauschbarer und unterschiedlich strukturierter
Pinhole Arrays vorzuhalten, was unter Routineeinsatzbedingungen allerdings nicht sonderlich praktikabel ist.
Bei der vorstehend umrissenen digitalen Inline-holografischen Mikroskopie (D1HM) wird das hinter der Probe erzeugte Interferenzbild (Hologramm) mit einem digitalen Bildsensor (CCD, CMOS) aufgezeichnet und für die Bildgebung in einen Computer übertragen.
Mit zum Stand der Technik gehöriger Computerprogramme erfolgt nun die Bildgebung, ausgehend vom gemessenen Hologramm und mit Hilfe der
Referenzwelle, dem von der Probe unbeeinflussten Teil der Beleuchtung. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der klassischen Lichtmikroskopie besteht in der Bildgebung der Probe in Intensität und Phase, was ein von der Messung unabhängiges nachträgliches Fokussieren ermöglicht.
In Kanka, M. et al. OPTICS LETTERS, Vol. 36, No. 18, September 15, 2011. S. 3651-3653 wurde bereits eine linsenlose Durchlichtabbildung mikroskopischer Proben gezeigt. Mit einem Pinhole mit einem Durchmesser von 0,0006 mm wurden bei der linsenlosen Durchlicht-Abbildung mikroskopischer Proben Objektdetails von 0,0004 mm erreicht, wobei die Pixel-Periode des
Bildsensors 0,0035 mm betrug. Hierzu war es nötig, die Probe bis auf wenige hundert Mikrometer zum Pinhole zu positionieren und einen über Größe und Abstand des Bildsensors definierten halben Öffnungswinkel von 53° zu realisieren. Dieser Winkel entspricht einer numerischen Apertur von 0,8, die nach Abbe das optische Auflösungsvermögen eines abbildenden Systems bestimmt. Die numerische Rekonstruktion erfolgt mit Hilfe eines sogenannten Kontrast- Hologramms (Contrast-Image), der Differenz zwischen dem Hologramm und der Beleuchtung (einer Messung ohne Probe). Aus Latychevskaia, T. et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS 98, S. 233901-01 bis -04 (2007) ist der sich daraus ergebende weitere Nachteil der Inline-Holografie bekannt, der darin besteht, dass bei der Rekonstruktion zusätzlich zum eigentlichen Bild zwei Sekundärbilder (Twin-Image und Zero-Order-Image) entstehen, die das gewünschte Bild der Probe stören. Aus diesem Grund besteht für die inline- holografische Mikroskopie eine prinzipielle Einschränkung auf Proben mit geringfügiger Störung der Beleuchtung, d.h. Ansammlungen mikroskopischer Einzelobjekte (Partikel) oder nicht zu große vereinzelte Objekte (mit einer Lösung verdünnte Proben).
Mit einem klassischen Licht-Mikroskop und kohärenter Beleuchtung können mehrere Hologramme mit variierendem Abstand zur Probe (unterschiedliche Fokusebenen, z-Stack) verwendet werden, um die störenden Sekundärbilder iterativ zu entfernen. Aus Fienup, J. R. APPLIED OPTICS, Vol. 21, No. 15, S. 2758-2769 (1982) ist bekannt, dass hierfür mindestens eine Messung mit möglichst großem Abstand zur Probe (Fourier-Bild) und eine Messung möglichst nahe der Probenebene (Objekt-Bild) benötigt bzw. zusätzliche Bedingungen für die Probe, z.B. betreffend ihrer Ausdehnung, gestellt werden, wie dies aus Fienup. J . R. OPTICS LETTERS, Vol. 3, No. 1, (1978) S. 27- 29, oder Zhang, F. PHYSICAL REVIEW A 75, 043805-1 bis 043805-4 (2007) bekannt ist. Mit dem Objektiv eines klassischen Lichtmikroskops ist dies aufgrund des gegebenen Arbeitsabstands von einigen Millimetern durchführbar. In der linsenlosen Inline-Holografie jedoch kann ein Bild nahe der Probenebene nur mit der durch den Pixelabstand des Bildsensors definierten Auflösung von mehreren Mikrometern oder mit dementsprechend erhöhtem Aufwand einer Mehrfachmessung für eine Sub-Pixel-Abtastung aufgenommen werden. Dies ist aus Bishara, W. et al. OPTICS EXPRESS Vol. 18, No. 11, S. 11181-11191 (2010) und Greenbaum A. et al. OPTICS EXPRESS Vol. 20, No. 3. S. 3129-3143 (2012) bekannt.
Hierbei kommt es jedoch zu Problemen bei der Rekonstruktion sich schnell bewegender Proben, wie dies zum Beispiel in der Mikrofluidik häufig der Fall ist. Für die Inline-Holografie mit Pinhole anstelle eines Objektivs, mussten daher andere Methoden zur Beseitigung der Sekundärbilder gefunden werden. Auch das in der Interferometrie häufig eingesetzte Verändern der Phasenbeziehung, bekannt aus Zhang, T. et al. OPTICS LETTERS Val. 23, No. 15 S. 1221-1223 (1998) / Colomb, T. et al. J. Opt. Soc. Am. A Val. 23, No. 12, S. 3177-3190, (2006) / Stenner, M.D. et al. OPTICS EXPRESS Vol. 14. No. 10, S.
4286-4299 (2006) / Mico, V. et al. OPTICS LETTERS VoL 34, No. 10, S. 1492- 1494 (2009), zwischen der zu bestimmenden Wellenfront (Objektwelle) und einer Referenzwellenfront (Pinhole Welle) kann hier nicht angewendet werden, da die Referenzwellenfront selbst die Probe beleuchtet und damit eine unveränderbare Phasenbeziehung zwischen beiden Wellenfronten besteht. Für die linsenlose Inline-Holografie haben sich Verfahren zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften für spezielle Proben etabliert. Zum Beispiel ist dies die Einschränkung auf "flache" Proben (zweidimensional), so dass ausgehend von einer Anfangsschätzung mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes, wie aus Latychevskaia, T. et al. PHYSICAL
REVIEW LETTERS 98, S. 233901-01 bis 233901-04 (2007) bekannt, oder mit einem sogenannten Object-Supporting, wie aus Koren, G. et al. OPTICS LETTERS Vol. 16, No. 24, S.1979-1982 (1991) bekannt, (d.h. das Unterdrücken aller Sekundärbildanteile, die sich nicht mit dem Objektbild räumlich überlagern) können die Sekundärbilder iterativ abgeschwächt bzw. entfernt werden. Die digitale inline-holografische Durchlicht-Mikroskopie mit Pinhole anstelle eines Objektivs, eignet sich, aufgrund der gleichzeitig als Referenz genutzten Beleuchtung, nur für die Abbildung von vereinzelten, kleinen (Partikeln) bzw. flachen Proben (2-dimensional).
Zur Vermeidung vorstehend aufgeführter Probleme sind bereits Methoden einer holografischen Auflichtmikroskopie mit Hilfe von Michelson- Interferometern oder auch mit Mach-Zehnder-Interferometern zum Beispiel aus Kim, M.K. SPIE Reviews Vol. 1. S. 018005-1-50 (2010) bekannt. In beiden Fällen sind Beleuchtungs- und Referenzwellenfelder getrennt, so dass
Phasenschiebeverfahren durchgeführt und damit ein Probenbild in Intensität und Phase ohne störende Sekundärbilder (Twin-Image, Zero-Order-Image) rekonstruiert werden können. Vergleichend mit der klassischen Licht- Mikroskopie besteht bei der digitalen holografischen Bildgebung stets der Vorteil, dass die Rekonstruktion von Probenbildern ausgehend vom gemessenen Hologramm wiederholt für verschiedene Fokuspositionen mit Hilfe geeigneter, bekannter Computerprogramme möglich ist (3D-Snapshot), Xu, W. et al. OPTICS LETTERS, Vol. 28, No. 3, S. 164-166 (2003). In Charriere, F. et al. OPTICS EXPRESS Vol. 15, No. 14, S. 8818-8831 (2007) I Kemper, B. et al. SPIE-OSA Vol. 6633 663300-1-9 (2007) wird gezeigt, dass darüber hinaus mit dem quantitativen Phasenbild ein Höhenprofil mit Nanometer-Auflösung erstellt werden kann. Diese vorstehend beschriebene Art der holografischen Auflicht-Mikroskopie ermöglicht eine Abbildung einer Probe ohne störende Sekundärbilder, ist jedoch, durch den dazu notwendigen Interferometeraufbau, der durch die dazu erforderlichen optischen Komponenten (wie Strahlteilerwürfel, Umlenkspiegel und/oder Mikroskop- Objektive), nicht miniaturisierbar und somit für ein kompaktes Handheld- Gerät ungeeignet ist. Darüber hinaus existieren bei diesen vorgeschlagenen Lösungen auch funktionelle Probleme, die darin bestehen, dass bei der Abbildung mit solchen Interferometern der Strahlengang des Lichts mit Hilfe der um 45° gekippten halbdurchlässigen Spiegel in den Strahlteiler-Würfeln um 90° umgelenkt wird. Damit ist der halbe Öffnungswinkel für das von der Probe kommenden Lichts auf deutlich weniger als 45° begrenzt. Aus Lee, M. et al., BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS Vol. 2, No. 9, S.2721-2730 (2011) ist bekannt, dass es im Falle eines Aufbaus ohne abbildende Optik (Objektiv, Linse) zu einer Begrenzung der optischen Auflösung kommt.
Aus diesem Grund wird für die mikroskopische Bildgebung eine auf Mehrfachmessung basierende Sub-Pixel-Abtastung (d.h. erhöhter Aufwand), vgl. Bishara, W. et al., OPTICS EXPRESS Vol. 18, No. 11, S. 11181-11191 (2010), oder gar ein vergrößerndes Objektiv eingesetzt, vgl. Zhang, T. et al., OPTICS LETTERS Vol. 23, No. 15 S. 1221-1223 (1998) / Colomb, T. et al. J. Opt. Soc. Am. A Vol. 23, No. 12, S. 3177-3190, (2006) / Kim, M.K. SPIE Reviews Vol. 1, S. 018005-1-50 (2010)].
Der Aufbau nach Schumann, I. Diplomarbeit Friedrich-Schiller-Universität, S. 43, 2010, der eine neuartige holografische Auflicht-Mikroskopie realisiert, kommt der vorliegender Erfindung am nächsten. Hierbei befindet sich eine seitlich schräg angeordnete Pinhole-Blende über einem als Probenhalter dienenden Spiegel. Der Sensor-Chip befindet sich ebenfalls über dem Spiegel, neben der Pinhole-Blende und ist derart gekippt, dass das Spiegelbild des Pinholes die aktive Sensorfläche mittig trifft. Dieser Aufbau ermöglicht eine holografische Auflicht-Mikroskopie ohne abbildende Optik (Objektiv, Linse), hat jedoch, wie vergleichbare Anordnungen des Standes der Technik, ebenso den Nachteil, dass es, aufgrund der erforderlichen Stahlumlenkung, auch hier zu einer Auflösungsbeschränkung kommt. Weiter erschwert die zur Detektionsebene (Sensorfläche) gekippte Probenebene die
Bildrekonstruktion. Weiterhin ist auch bei diesem Vorschlag eine partielle Beeinflussung der Referenzwellenanteile durch die Probe selbst gegeben. Auch dieser Aufbau ermöglicht konstruktionsbedingt allerdings keine kompakte Anordnung.
Aus WO 2011/153973 AI ist ein Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Bestimmung der Härte, Porosität und/oder mechanischer Spannungen an Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen mittels Speckle- Photometrie bekannt, bei dem kohärente elektromagnetische Strahlung mit einem definierten Einfallswinkel auf einen Oberflächenbereich eines Bauteils oder einer Probe gerichtet ist und der durch die Bestrahlung beleuchtete Oberflächenbereich auf einer mindestens zweidimensionalen Arrayanordnung optischer Detektoren abgebildet wird und eine thermische und/oder mechanische Aktivierung am Bauteil oder der Probe in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich an einer Fläche durchgeführt wird; wobei mit der Arrayanordnung die Intensität von Speckle elektromagnetischer Strahlung, die in Folge der Bestrahlung von der Oberfläche emittiert wird, zeit- und ortsaufgelöst detektiert wird und daraus die Speckle-Diffusivität bestimmt wird und dann mit der bestimmten Speckle-Diffusivität und vorab mit einem anderen Messverfahren für den jeweiligen Werkstoff oder
Werkstoffverbund bestimmten Referenzwerten die jeweilige Härte, Porosität und/oder mechanische Spannung bestimmt werden.
Nachteilig ist, dass der in WO 2011/153973 AI genutzte Aufbau aufgrund der verwendeten Linsen nicht zur Miniaturisierung geeignet ist, womit das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung nicht in Handheld-Geräte zum Einsatz kommen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten für die Ausbildung einer Vorrichtung anzugeben, bei der eine Anordnung für einen Inline-
Auflichtaufbau eingesetzt werden kann, der durch den Verzicht auf abbildende Optiken (wie Linsen, Objektive etc) eine kompakte chipbasierte kleinformatige Bauweise ermöglicht, wobei auch große Proben, respektive Probenausschnitte mikroskopisch oder als Speckle-Bild abbildbar sein sollen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der
Anspruch gibt Verwendungen für eine solche Vorrichtung an. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
Bei der Erfindung ist es vorteilhaft, dass, aufgrund der eineindeutigen Trennung von Referenz- und Beleuchtungswellenfeldern, keine zusätzlichen
Bedingungen an die Probe gestellt werden müssen und durch die in vorgeschlagener Anordnung zum Einsatz gelangenden, parallel hintereinander angeordneten, flachen Komponenten (Beleuchtung, Sensor-Chip, teildurchlässiger Spiegel etc.) ein äußerst kompakter Aufbau der Gesamtanordnung ermöglicht wird, wobei auf jede Art von abbildenden
Optiken (Objektiv, Linse) verzichtet werden kann, so dass im Vergleich zum Stand der Technik gleichzeitig relativ großflächige Proben oder Flächenbereiche untersucht werden können und trotzdem eine geringe Baugröße eingehalten werden kann. Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau ist es besonders vorteilhaft möglich, die in der
Interferometrie an sich übliche Phasenschiebeverfahren und die ansonsten in der Inline Holografie typischen Sekundärbilder (Twin-Image) zu vermeiden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme mikroskopischer (holografischer) und/oder Speckle-Bildern von Proben oder Oberflächen einer
Probenebene ist ein Auflichtaufbau, bei der kohärentes Licht von einer punktförmigen Beleuchtungsquelle senkrecht auf eine Probenebene gerichtet ist vorhanden. Von der Probenebene und/oder einer auf der Probenebene angeordneten Probe reflektiertes Licht trifft ohne ein im Strahlengang dazwischen angeordnetes abbildendes optisches Element auf eine effektive
Fläche eines Detektor-Arrays, die parallel zur Probenebene ausgerichtet ist, auf. Dabei ist das Detektor-Array an eine Datenverarbeitungseinheit angeschlossen, in der eine Berechnung mikroskopischer Abbildungen und/oder von Speckle-Bildern; die in Zeitabständen Δΐ und/oder nach dem Eintreten mindestens eines Ereignisses erfasst worden sind, und weiteren daraus ableitbaren Größen erfolgt. Zwischen dem Detektor-Array und der Oberfläche der Probenebene sollte ein für das Licht teildurchlässiger Spiegel dessen in Richtung Detektor-Array weisende Oberfläche in einem Abstand h2 zur effektiven Fläche des Detektror-Arrays und in einem Abstand hl zur Probenebene angeordnet sein sollte, angeordnet.
Ein Abstand h ist zwischen der effektiven Fläche des Detektor-Arrays und der Oberfläche der Probenebene vorhanden.
Die Abstände hl und h2 sollten etwa gleich groß oder der Abstand hl kleiner als der Abstand h2 sein. Der Abstand h und/oder der Abstand h2 sollten veränderbar sein. Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischer, nicht maßstäblicher Zeichnung näher erläutert werden. Dabei können die jeweiligen technischen Merkmale unabhängig voneinander und vom jeweiligen Beispiel miteinander kombiniert werden. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem in einem Detektor-Array ausgebildeten Pinhole/ einer Durchgangsbohrung als Beleuchtungsquelle;
Figur 2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer
Lichtleitfaser als Beleuchtungsquelle, die durch ein in einem Detektor-Array ausgebildetes Pinhole/ einerDurchgangsbohrung hindurch geführt ist;
Figur 3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer
Lichtleitfaser als Beleuchtungsquelle, die von einer Seite zugeführt und das austretende Licht über einen Spiegel auf eine Probe gerichtet ist; Figur 4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Lichtleitfaser als Beleuchtungsquelle, die von einer Seite zugeführt und das austretende Licht über einen Spiegel auf eine Probe gerichtet ist; wobei die Lichtleitfaser von einer Seite in ein Gehäuse eingeführt und der Spiegel innerhalb des Gehäuses zwischen Probe und Detektor-Array angeordnet ist und
Figur 5 in schematischer Form einen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei dem die vom Detektor-Array erfassten Signale an eine Datenverarbeitungseinheit übertragen werden.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit eines linsenlosen, holografischen Inline-Auflichtaufbaus 6 mit den wesentlichen Einzelkomponenten im seitlichen Schnitt. Die punktförmige Beleuchtungsquelle 11 befindet sich vorzugsweise im Zentrum der aktiven Fläche des Detektor-Arrays 1, wobei die punktförmige Beleuchtungsquelle 11 eine mit kohärentem Licht beleuchtete Durchgangsbohrung ist.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit eines linsenlosen, holografischen Inline Auflichtaufbaus 6 nach Figur 1, wobei jedoch die punktförmige
Beleuchtungsquelle 11 eine Stirnfläche (Ende) einer mit kohärentem Licht versorgten optischen Faser ist (Lichtwellenleiter) ist, die durch eine Durchgangsbohrung/Pinhole 13 im Detektor-Array 1 kohärentes Licht, das von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) emittiert worden ist, in Richtung des teildurchlässigen Spiegels 3 ausstrahlt.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit eines linsenlosen, holografischen Inline Auflichtaufbaus 6 nach Figur 2, wobei jedoch die Längsachse der optische Faser 14 vorzugsweise senkrecht zur Normalen einer der Oberflächen des Detektor-Arrays 1 ausgerichtet und die abstrahlende
Stirnfläche (Ende) der Faser 14 an die Durchgangsbohrung/Pinhole 13 herangeführt ist. Ein Spiegel 15 so angeordnet und ausgereichtet ist, dass das abgestrahlte Licht der optischen Faser 14 durch die Durchgangsbohrung/Pinhole 13 hindurch in Richtung des teildurchlässigen Spiegels 3 reflektiert wird. Figur 4 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit des linsenlosen, holografischen Inline Auflichtaufbaus 6 mit den Einzelkomponenten im seitlichen Schnitt. Die punktförmige Beleuchtungsquelle 11 ist im Volumen, das durch die aktive Fläche des Detektor-Arrays 12 und den teildurchlässigen Spiegel 3 begrenzt ist, angeordnet. Ein Spiegel 15 ist so angeordnet und ausgebildet, dass das von der optischen Faser 14 abgestrahlte Licht in Richtung des teildurchlässigen Spiegels 3 reflektiert wird. Dieses Beispiel kann auch so ausgebildet werden, dass auf die optische Faser 14 verzichtet worden ist und das Licht koHimiert von der Seite als Freistrahl auf den Spiegel 15 gerichtet und von diesem in Richtung Probe bzw. Probenebene 2 reflektiert wird.
Die Figur 5 zeigt einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dem die vom Detektor-Array 1 gemessenen Signale an eine Datenverarbeitungseinheit 7 übertragen werden, die die Bilddaten sowie Materialkenngrößen verarbeitet.
In den Figuren 1 bis 5 sind außerdem die jeweilige Probe 21 und die Probenebene 2 dargestellt.
In den Figuren 1 bis 4 sind zunächst die Hauptkomponenten der vorgeschlagenen Anordnung im seitlichen Schnitt dargestellt, die:
- ein elektronisches digitales Detektor-Array 1, das bspw. durch ein an sich handelsübliches CCD- oder CMOS-Array als bildempfindliches Sensorelement zur Registrierung entstehender Interferenz- und/oder Speckle-Bilder gebildet ist
- eine mittig angeordnete punktförmige Beleuchtungsquelle 11 zur Aussendung kohärenter Strahlung
- eine Probenebene 2, in der eine oder mehrere Probe(n) 21 angeordnet werden können und
- ggf. ein planparalleler teildurchlässiger Spiegel 3 sind. Ein planparalleler teildurchlässiger Spiegel 3 ist bei der Erfassung von Speckle- Bildern nicht zwingend erforderlich, da dabei kein Referenzlicht erforderlich ist.
Gemäß vorliegender Erfindung sind alle vorgenannten wesentlichen Baugruppen (1, 2, 3) zueinander im Wesentlichen planparallel und in Beispie! axialsymmetrisch (zur Achse X-X) angeordnet, wobei der Abstand zwischen der aktiven Fläche 12 des digitalen Detektor-Arrays 1 und der dieser zugewandten Oberfläche 31 des teildurchlässigen, bevorzugt halbdurchlässigen, Spiegels 3 dem Abstand zwischen dieser Oberfläche 31 und der Probenebene 2 mit der abzubildenden Probe 21 im Wesentlichen entspricht. Das Verhältnis des Abstandes h zwischen der aktiven Fläche 12 des Detektor-Arrays 1 zur Probenebene 2 h und der Kantenlänge b der aktiven Fläche 12 des Detektor Arrays 1 definiert die numerische Apertur (NA) und das optische Auflösungsvermögen des Systems. Um eine hohe Auflösung entsprechend einer NA von 0,8 (an Luft) zu erreichen, sollte ein Verhältnis in der Größenordnung von 8:3 gewählt werden. Für ein Detektor-Array 1 mit einer Kantenlänge b von 10 mm ergibt sich ein Abstand h von höchstens 3,75 mm. Der Abstand h2 zwischen dem Detektor Array 1 und der Oberfläche 31 des teildurchlässigen Spiegels 3 beträgt dann etwa 1,9 mm. Bevorzugt ist ein geringerer Abstand hl der Probenebene 2 zur reflektiven Fläche 31 des teildurchlässigen Spiegels 3 zu wählen. Aus vorstehenden beispielhaften Maßangaben ist, trotz eingedenk zusätzlicher geringfügiger Bauhöhenvergrößerungen durch nicht dargestellte Detektor-Array- Einfassungen und dessen Elektronikeinheiten als auch integrierter Beleuchtungseinheiten, leicht ersichtlich, dass die Gesamtbauhöhe des Systems um Größenordnungen unter denen vergleichbarer Interferometeranordnungen gemäß des Standes der Technik liegt. Womit ein erster Teil der Aufgabe der Erfindung erfüllt ist.
Reicht dem Anwender der erfindungsgemäßen Anordnung, bspw. zur Bildgebung von biologischen Zellen hingegen eine Auflösung, die einer numerischen Apertur von 0,6 entspricht, kann besagtes Verhältnis in der Größenordnung von 3 : 2 gewählt werden. Damit ist immer noch eine kompakte Anordnung im Sinne der Erfindung gewährleistet, die die Toleranzanforderungen an die Gesamtanordnung verringern. Wählt man bspw. für Proben, die eine höhere Auflösung erfordern, wie z.B. zur Bildgebung von Zellbestandteilen, kann bei Erhöhung der Toleranzanforderungen ein Verhältnis von 4 : 1 gewählt werden, womit man in den Bereich der Bildgebung klassischer Mikroskopie gelangt.
Vorteilhaft ist das Verhältnis von Abstand h und der Kantenlänge b der aktiven Fläche 12 des Detektor Arrays 1 größer Eins und kleiner Zehn.
In Bezug auf eine erfindungsgemäß mittig im Detektor-Array 1 vorgesehene punktförmige Beleuchtungsquelle 11, zur Aussendung kohärenter Strahlung, sind unterschiedliche Ausführungen möglich. So kann in einer ersten Realisierungsform in einer nicht beschalteten Zelle des Detektor-Arrays 1 eine durchgehende Bohrung vorgesehen sein, die ggf. konisch ausgeführt ist, so dass sich der Probe 21 zugewandt ein Öffnungsdurchmesser der Durchgangsbohrung von ca. 500 nm ergibt. Ebenso kann, bei größerem
Bohrungsdurchmesser, an besagter Stelle eine separat gefertigte Pinhole- Blende mit besagtem Durchmesser im Bereich von minimal 500 nm bis maximal 1000 nm angebracht sein. Eine separat, hier nicht näher dargestellte kohärente Lichtquelle (bspw. ein Halbleiterlaser) durchstrahlt dann entsprechend eines in Figur 1 dargestellten dicken Pfeils L genannte Pinhole
Öffnung. In gleicher Weise ist aber auch der Einsatz einer kommerziell verfügbaren GRIN-Stab-Linse, ggf. versehen mit einer Lochblende mit einem Öffnungsdurchmesser von ca. 500 nm, direkt in die Durchgangsbohrung des Detektor-Arrays 1 möglich. In gleicher Wiese kann bspw. eine mit einer nichttransparenten Ummantelung und mit einer Lochblende versehene
Lichtleitfaser zum Einsatz gelangen. Der Einsatz anderer Beleuchtungsquellen direkt an besagter Stelle liegt ausdrücklich im Rahmen der Erfindung, solange von diesen punktförmig eine kohärente Strahlung ausgeht. Kommt für die punktförmige Beleuchtungsquelle 11 eine lichtführende optische Faser 14 zum Einsatz, so ist vorzugsweise das lichtabstrahlende Ende der optischen Faser 14 in der Durchgangsbohrung/Pinhole-Öffnung im Detektor-Array 1 so fixiert, dass das Licht in Richtung des teildurchlässigen Spiegel 3 abgestrahlt wird. Vorzugsweise wird die abstrahlende Stirnfläche der optischen Faser 14 bis in den Zwischenraum zwischen dem Detektor-Array 1 und dem teildurchlässigen Spiegel 3 hineingeführt. Die Durchgangsbohrung im Detektor-Array 1 kann durch Laserbohren oder Ätzen in dieses eingebracht werden.
Besonders vorteilhaft wird die optische Faser 14 parallel zu einer der Oberflächen des Detektor-Arrays 1 an die Durchgangsbohrung/das Pinhole 13 herangeführt und durch einen Spiegel 15 das aus der Faser abgestrahlte Licht auf die Durchgangsbohrung/Pinhole-Öffnung 11 reflektiert und durch diese in den Zwischenraum, der begrenzt wird durch das Detektor-Array 1 und den teildurchlässigen Spiegel 3, reflektiert. Der Spiegel 15 kann vorzugsweise durch lithografische Verfahren und/oder Abscheideverfahren hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die optische Faser 14 insbesondere senkrecht zu der Flächennormalen einer der Oberflächen des Detektor-Arrays 1 in den Zwischenraum, der durch das Detektor-Array 1 und den teildurchlässigen Spiegel 3 begrenzt wird, hineingeführt. Durch einen Spiegel 15, der ebenfalls im Zwischenraum angeordnet ist, wird das von der optischen Faser 15 abgestrahlte Licht in Richtung des teildurchlässigen Spiegels 3 reflektiert.
Die lichtabstrahlende Stirnfläche der optischen Faser 14 kann mit einer Lochblende versehen sein. Auch kann zum Erreichen der gewünschten Abstrahlcharakteristik eine Linse in der Nähe oder auf der abstrahlenden Stirnfläche der optischen Faser 14, aus der das Licht austritt, vorgesehen sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Linse um eine Gradienten-Index Linse
(GRIN).
Um ein in der Interferometrie ansonsten übliches Phasenschiebeverfahren auch bei vorliegender Erfindung realisieren zu können, ohne die Kompaktheit der bisher geschaffenen Bauform zu beeinträchtigen, wird in einer
Ausführung nach Figur 1 weiterhin vorgeschlagen, das Detektor Arrays 1 und den teildurchlässigen Spiegel 3 miteinander in eine starre Verbindung vermittels einer piezoelektrischen Baugruppe 4 zu bringen. Solche Aktoren sind, für andere Verwendungszwecke konzipiert und am Markt verfügbar. Die im Beispiel eingesetzten PICMA Chip Aktoren, der Fa. Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, weisen in Auslenkungsrichtung (vgl. Doppelpfeil in der Baugruppe 4 in Fig. 1) eine Höhe von 2 mm auf und ermöglichen einen Auslenkungshub von 0,0022 mm bei einer Resonanzfrequenz von 300 kHz (angepasst an die zeitliche Begrenzung des digitalen Detektor-Arrays) auf. Bei entsprechender Ansteuerung der piezoelektrischen Baugruppe 4 können durch die damit erreichbare Veränderung des Abstands h2 zwischen der zugewandten Oberfläche 31 des teildurchlässigen Spiegels 3 und der aktiven Fläche 12 des Detektor-Arrays 1 die für die Inline Holografie typischen Sekundärbilder (Twin-Images) vermieden werden.
Neben piezoelektrischen Aktoren lassen sich auch andere Festkörperaktoren einsetzen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind weitere
Festkörperaktoren vorgesehen, vorzugsweise zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 3 und der Probenebene 2, um den Abstand hl zwischen teildurchlässigem Spiegel 3 und der Probenebene 2 einzustellen bzw. zu verändern.
Zum besseren Verständnis dieser Maßnahmen soll Nachstehendes vorsorglich ausgeführt werden:
Die komplexwertige Referenzwelle v ist die von der Beleuchtungsquelle 11 ausgehende Wellenfront. Die komplexwertige Objektwelle u ist die von der beleuchteten Probe 21 ausgehende Wellenfront. Das in der Detektorebene gemessene Hologramm entspricht dem Betragsquadrat (Intensität) der Summe beider Wellenfronten | u+v | 2=uv'+vu'+uu'+vv'. Der erste Term ist die gesuchte komplexwertige Objektwelle multipliziert mit der komplex konjugierten Referenzwelle. Der zweite Term heißt Twin-Image, der dritte
ZeroOrder-lmage und der vierte Summand ist die Intensität der Referenzwelle. Die Intensität der Referenzwelle 1 | v| 2=vv' wird durch eine zweite Messung ohne Probe 21 bestimmt und vom Hologramm subtrahiert. Mit dem sogenannten Kontrasthologramm | u+v | 2- | v | 2=uv'+vu'+uu' wird ein Bild der Probe numerisch rekonstruiert. Damit dieses Kontrasthologramm die
Objektwelle gut approximiert muss die Referenzwelle dem Betrag nach die Objektwelle dominieren (uu' « vv'). In diesem Fall gilt | u+v | 2- | v | 2=uv'+vu', d.h. das Bild der Probe wird in guter Näherung allein durch das Twin Image überlagert. Eine Variation der Phasenbeziehung zwischen Referenz- und Objektwelle (bei Durchlicht Inline Holografie nicht möglich) führt zu einer Kosinus-Modulation der Intensität
I u+ve"i912= I u 12+ 1 v 12+21 u 1 1 v I ΰοε(Δφ-θ) in Abhängigkeit vom Phasenhub Θ. Mit bekannter mittlerer Intensität
\u + v■ 6~'ίθ \2άθ = |u|2 + |ΐ?|2 genügen bereits zwei Messungen (z.B. θβ{0, π/2}) zur Bestimmung der komplexwertigen Objektwelle. Im Allgemeinen jedoch wird die Objektwelle nicht vernachlässigbar klein gegenüber der Referenzwelle sein, so dass ein Phasenschiebeverfahren, ohne Kenntnis der mittleren Intensität nur mit Fehlem durchgeführt werden kann. Vorteilhaft werden mindestens drei Messungen benötigt (z.B. 9e{0, n/2, π}).
Durch die derzeit verfügbaren schnellen piezoelektrischen Bauelemente und schnellen CCDs ist es möglich, innerhalb von bspw. 0,100 ms, oder darunter, eine Verstellung des Abstandes h2 in die jeweils gewünschten Bereiche vorzunehmen und die zugehörigen Bilder aufzunehmen. Dazu werden piezoelektrische Bauelemente eingesetzt, die Hubänderungen bis zur jeweiligen Wellenlänge des Lichts, das von der eingesetzten Beleuchtungsquelle, bspw. einem gepulsten Laser, emittiert wird, ermöglichen. Damit sind auch relativ bewegliche Objekte/Proben 21 abbildbar, wenn sie innerhalb eines vorstehend genannten Zeitfensters einen geringen lokalen Versatz aufweisen. Alle in der Beschreibung, dem Ausführungsbeispiel und der nachfolgenden Zeichnung erkennbaren Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Die Daten des Detektor-Arrays 1, die eine Representation des auf der aktiven Fläche 12 des Detektor-Arrays 2 abgebildeten Interferenzmusters sind, werden einer Datenverarbeitungseinheit 7 zugeführt. Die Datenverarbeitungseinheit 7 berechnet aus den Daten ein mikroskopisches Bild und ein Speckle-Bild der Probe 21. Vorzugsweise kann die Datenverarbeitungseinheit 7 aus dem Speckle-Bild Materialkenngrößen berechnen, wie dies beispielsweise mechanische Spannungen, Oberflächenhärte sowie Verformungen und Dehnungen sein können. Es können aber auch Veränderungen an biologischen Proben, die stoffwechselbedingt sein können, erkannt werden.
Bei dem auf dem Detektor-Array 1 abgebildeten Interferenzmuster handelt es sich bereits um ein Speckle-Bild, das durch die Datenverarbeitungseinheit 7, falls notwendig, vorverarbeitet wird. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, durch Anpassungen von Kontrast, Helligkeit oder Filterung usw., eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Proben 21 herzustellen (Normierung).
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein mobiles Kommunikationssystem, beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Smartphone, einen Tablet-Computer oder ein Laptop-Computer eingebettet/integriert, so dass eine komfortable Benutzerschnittstelle bereitgestellt werden kann und gleichzeitig ausreichend Rechenkapazität für die Berechnung von mikroskopischen Abbildungen und/oder Speckle-Bildern und/oder daraus abgeleiteten Größen zur Verfügung steht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann so vollständig in dem mobilen Kommunikationssystem ausgeführt werden.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Online-Überwachung verwendet werden. Dazu wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zusammen mit einer Kommunikationsschnittstelle und einer elektrischen Stromversorgung vorzugsweise in einem Gehäuse am zu überwachenden Objekt angebracht, sodass kontinuierlich oder in Intervallen oder auf Kommando Messungen durch die Vorrichtung vorgenommen werden können. Die Messergebnisse, die mikroskopische Abbildung und/oder das Speckle-Bild und/oder daraus abgeleitete Größen können über die Kommunikationsschnittstelle an den Nutzer übertragen werden. Die Oberfläche bzw. ein Oberflächenausschnitt des zu überwachenden Objekts entspricht der Probe 21 in den Figuren. Bei den zu prüfenden Objekten kann es sich vorzugsweise um Großkomponenten der Schwerindustrie, z.B. Kraftwerke, Rohstoffförderung, um Tragwerke, die z.B. Ermüdung und Korrosion unterliegen, handeln. Im Allgemeinen kann es sich um aus organischen und anorganischen Verbindungen bestehende Objekte handeln. Vorzugsweise ist die Kommunikationsschnittstelle eine
Funkschnittstelle zu einer möglichen drahtlosen Datenübertragung.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung von mikroskopischen Abbildungen und/oder Speckle-Bildern und/oder daraus abgeleiteten Größen bei biologischen Proben, insbesondere menschlicher oder tierischer Haut, Gewebe aber auch an Pflanzen.
Messungen können vorzugsweise ohne Probenentnahme, d.h. in-vivo durchgeführt werden. Dadurch kann die Messung zerstörungsfrei erfolgen.
Die Probenebene 2 wird dann von der Oberfläche des jeweiligen Objekts, beispielsweise der Haut eines Lebewesens oder der Oberfläche eines Bauteils, das untersucht bzw. überwacht werden soll, gebildet. Vorteilhaft ist jedoch auch eine Probenentnahme, da so eine
Probenvorbereitung einfach möglich ist, d.h. es kann auch eine in-vitro Messung durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Datenverarbeitungseinheit 7 eine fraktale Analyse ausgehend vom Speckle-Bild durchführen. Vorteilhaft wird dabei der Parameter fraktale Dimension DF von der Datenverarbeitungseinheit 7 berechnet und aus dem Ergebnis können Materialkenngrößen, wie Härte, Porosität und/oder mechanischer Spannung, Gefügequalität und Rissbildung abgeleitet werden.
Es wird auf die offengelegte Patentanmeldung WO 2011/153973 AI verwiesen, auf deren Offenbarung hiermit in diese Patentanmeldung Bezug genommen werden soll. Vorteilhaft ist die Datenverarbeitungseinheit 7 eingerichtet, die Datenaufbereitung und die Datenauswertung durchzuführen (siehe Fig.l aus WO 2011/153973 AI und die entsprechende Beschreibung dazu). Dabei können bei der Erfindung insbesondere die Art und Weise der Berechnung mit den in WO 2011/153973 AI angegebenen Gleichungen und den Randbedingungen angewendet werden, um gewünschte Parameter aus den erfassten Bildern zu bestimmen.
Bei einigen darin beschriebenen Arten der Bestimmung ist die Einbringung eines Energieeintrages als Bedingung angegeben. Dies kann aber bei Nutzung der Erfindung nicht aktiv erforderlich sein. Dazu kann mindestens ein geeigneter Sensor genutzt werden, der bevorzugt an der Probenebene 2 angeordnet oder daran befestigt ist. Wird mit einem solchen Sensor mindestens ein entsprechendes Ereignis erfasst, kann die Erfassung mindestens eines Bildes ausgelöst werden, das dann mit zeitlich vorab erfassten Bildern für die jeweilige Bestimmung genutzt werden kann. So kann beispielsweise ein Ereignis mit einem Beschleunigungs-, einem Temperaturoder einem Kraftmesssensor (z.B. Dehnungsmessstreifen) erfasst werden, wobei der erforderliche Energieeintrag ggf. durch das jeweilige Ereignis erfolgen kann. Eine solche Ausbildung ist insbesondere für eine Bauteilüberwachung vorteilhaft.
Bei biologischen Proben kann ein auslösendes Ereignis beispielsweise von einem optischen Sensor, einem C02-Sensor oder Sauerstoffsensor erfasst werden. So kann mit einem optischen Sensor z.B. eine Farbveränderung als ein Ereignis erkannt und genutzt werden, um die Erfassung mindestens eines Bildes auszulösen.
Ein Ereignis kann das Über- oder ggf. auch unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes sein, mit dem eine Erfassung mindestens eines Bildes ausgelöst werden kann. Es kann aber auch das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl solcher Ereignisse die Auslösung der Erfassung mindestens eines Bildes auslösen.
Besonders vorteilhaft kann eine Einrichtung zur Temperierung der Probe 21 vorhanden sein. Dabei kann allein oder zusätzlich auch eine Möglichkeit zur Messung der Probentemperatur vorhanden sein.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Aufnahme mikroskopischer und/oder Speckle-Bildern von Proben oder Oberflächen einer Probenebene mit einem
Auflichtaufbau, bei der kohärentes Licht von einer punktförmigen Beleuchtungsquelle (11, 14) senkrecht auf eine Probenebene (2) gerichtet ist und von der Probenebene (2) und/oder einer auf der Probenebene (2) angeordneten Probe (21) reflektiertes Licht ohne ein im Strahlengang dazwischen angeordnetes abbildendes optisches Element auf eine effek- tive Fläche (12) eines Detektor-Arrays, die parallel zur Probenebene (2) ausgerichtet ist, auftrifft; wobei das Detektor-Array (1) an eine Datenverarbeitungseinheit (7) angeschlossen ist, in der eine Berechnung mikroskopischer Abbildungen und/oder von Speckle-Bildern; die in Zeitabständen Δΐ und/oder nach dem Eintreten mindestens eines Ereignisses erfasst worden sind, und weiteren daraus ableitbaren Größen erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Detektor-Array (1) und der Oberfläche der Probenebene (2) ein für das Licht teildurchlässiger Spiegel (3) dessen in Richtung Detektor- Array (1) weisende Oberfläche in einem Abstand h2 zur effektiven Fläche (12) des Detektror-Arrays (1) und in einem Abstand hl zur Probenebene (2) angeordnet ist und/oder ein Abstand h zwischen der effektiven Fläche (12) des Detektor-Arrays
(I) und der Oberfläche der Probenebene (2) vorhanden ist und/oder die Abstände hl und h2 etwa gleich groß sind oder der Abstand hl kleiner als der Abstand h2 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand h und/oder der Abstand h2 veränderbar ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle eine Durchgangsbohrung
(II) oder eine Lichtleitfaser (14) ist, durch die Licht einer kohärenten Lichtquelle geführt ist, wobei das Licht direkt aus einer Lichtleitfaser (14), nach einer Reflexion an einem Spiegel (15) oder aus einer an die Lichtleitfaser (14) angeschlossene optische Linse, bevorzugt eine GRIN Linse, senkrecht auf die Probenebene (2) gerichtet ist, oder das aus de Beleuchtungsquelle (11, 14) austretende Licht durch eine punktförmige Blende mit kleinerem Durchmesser geführt und senkrecht auf die Probenebene gerichtet ist und/oder die Beleuchtungsquelle (11, 14) oder eine Blende einen Durchmesser in der Größenordnung 500 nm bis 1000 nm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Kantenlänge b der effektiven Fläche (12) des Detektor-Arrays (1) und dem Abstand h im Bereich 3/2 bis 4/1 eingehalten und/oder die Auftreffposition des auf die Probenebene (2) auftreffenden Lichts in der senkrecht durch den Mittelpunkt oder Flächenschwerpunkt der effektiven Fläche (12) geführten Achse angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Array (1) und der teildurchlässige Spiegel (3) oder das Detektor-Array (1) und die Probenebene (2) an ihrem Umfang zumindest an zwei gegenüberliegend angeordneten Rändern mit einem Höhenverstellmittel (4), bevorzugt mit einem piezoe- lektrischen Bauelement, zur definierten Einstellbarkeit des Abstandes h2 zwischen der effektiven Fläche (12) und der in Richtung effektiver Fläche (12) weisenden Oberfläche des teildurchlässigen Spiegels (3) oder des Abstandes h zwischen der effektiven Fläche (12) und der Probenebene (2), verbunden sind, wobei bevorzugt eine Einstellbarkeit bis zur Wellenlänge des eingesetzten kohärenten Lichts erreichbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor oder ein Zeittaktgeber, mit dem eine Erfassung eines mikroskopischen und/oder Speckle-Bildes auslösbar ist, vorhanden ist, wobei ein Sensor bevorzugt ein Beschleunigungs-, ein Temperaturoder ein Kraftmesssensor ist, der bevorzugt an der Probenebene (2) angeordnet oder daran befestigt ist; bei biologischen Proben kann vorteilhaft ein optischer Sensor, ein C02-Sensor oder Sauerstoffsensor genutzt werden.
8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur berührungslosen und zerstörungsfreien Bestimmung oder Überwachung von Bauteilen auf Defekte, der Bestimmung der Härte, Porosität, mechanischer Spannungen, Gefügequalität, Riss- oder Defektbildung oder der Überwachung von Funktionen oder des Stoffwechsels biologischer Proben.
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