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Die Erfindung betrifft ein Holographieverfahren zur hoch aufgelösten dreidimensionalen Abbildung eines Objektes entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die hoch aufgelöste dreidimensionale Bildgebung in oder durch nichtstreuende und insbesondere streuende Materialien.
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Die Aufnahme von dreidimensionalen Bildern in kurzer Zeit nimmt in der medizinischen Forschung und Diagnostik, aber auch allgemein in der Messtechnik eine immer größere Bedeutung ein. Gerade bei der biomedizinischen Diagnostik bestehen dabei extrem hohe Anforderungen bezüglich einer hohen Auflösung im Mikrometerbereich bei vorzugsweise kurzen Bildaufnahmezeiten, wobei diese möglichst im Millisekundenbereich liegen.
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Denn gerade im medizinischen Bereich ist eine schnelle Datengenerierung, resultierend in einer kurzen Aufnahmezeit, von großer Bedeutung, da es sich um in vivo Bildgebung handelt, also am lebenden Menschen. Lange Aufnahmezeiten bringen einerseits die Gefahr verwackelter Aufnahmen mit sich – maßgeblich ist bei lebenden Objekten die Pulsfrequenz des Patienten – andererseits wird dem Patienten in erhöhtem Maße Unbequemlichkeit zugemutet, was die Akzeptanz des Verfahrens reduziert.
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Neben den klassischen Verfahren wie der Röntgentechnik, Magnetresonanztomographie und Ultraschall existieren optische Verfahren zur hoch aufgelösten dreidimensionalen Abbildung eines Objektes, mit welchen gute Resultate insbesondere hinsichtlich der Auflösung erreichbar sind und dabei ohne Gesundheit gefährdende ionisierende Strahlung, beispielsweise die Röntgenstrahlung, auszukommen ist. Die optische Bildgebung in biologischem Gewebe wird jedoch durch starke Lichtstreuung enorm erschwert. Für die biomedizinische Bildgebung kommen heute verschiedene Verfahren zum Einsatz, die diesen hohen Anforderungen nicht gerecht werden und nachfolgend kurz skizziert sind.
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Aus dem
US-Patent US 3 013 467 A ist die sogenannte konfokale Mikroskopie bekannt. Mit diesem speziellen Mikroskopieverfahren können hochaufgelöste Bilder dreidimensionaler Objekte generiert werden, wobei ein Rasterverfahren, d. h. ein räumliches Abrastern, in allen drei Dimensionen durchgeführt wird.
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Weiterhin ist aus dem wissenschaftlichen Aufsatz ”Volume holographic hyperspectral imaging”, W. Liu, G. Barbastathis, D. Psaltis:, Applied Optics 43, S. 3581–3599, 2004 und der US-Patentanmeldung Nr. US 2004/0 021 871 A1 ein Verfahren bekannt, das Volumenhologramme als spezielle Filter einsetzt und damit aus einem vierdimensionalen Raum, bestehend aus den drei räumlichen Dimensionen und dem Spektrum, eine oder mehrere zweidimensionale Projektionen liefert.
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Die konfokale Mikroskopie und die Filterung mittels Volumenhologrammen sind für streuende Medien ungeeignet. Bei der konfokalen Mikroskopie wird in stark streuenden Medien die Bildinformation durch den starken Streulichtuntergrund massiv gestört, zudem ist sie ein zeitaufwendiges Rasterverfahren. Das Verfahren der Filterung mittels Volumenhologrammen kann zwar ohne Rastern schnell Bilder dreidimensionaler Objekte erzeugen, ist aber zum einen praktisch auf die Darstellung einer geringen Zahl von Bildpunkten limitiert, da im Prinzip für jeden einzelnen Bildpunkt separat ein Volumenhologramm beispielsweise über einen CCD-Chip oder eine Kamera ausgelesen werden muss, so dass in der Praxis die zeitlich parallele Abbildung verschiedener Bildpunkte geometrisch auf eine Zahl von Bildpunkten begrenzt ist, die wesentlich geringer ist als z. B. bei der dreidimensionalen Darstellung einer mehrere Kubikmillimeter großen Gewebeprobe mit Mikrometer-Auflösung erforderlich wäre. Zum anderen funktioniert das Verfahren der Filterung mittels Volumenhologrammen in stark streuenden Medien deshalb nicht, weil sich aufgrund der Vielfachstreuung vom Hologramm abgebeugte Photonen nicht mehr eindeutig einem bestimmten, als Punktquelle fungierenden Punkt im Raum zuordnen lassen. Das Volumenhologramm dient als Filter, indem es nur dann Licht beugt, wenn die Bragg-Bedingung erfüllt ist. Die ist aber für jedes Licht mit der richtigen Wellenlänge und Wellenfrontcharakteristik erfüllt und nicht abhängig von der Eigenschaft der optischen Kohärenz des Lichts. Daher leistet es nicht die notwendige Filterfunktion in Hinsicht auf Streulicht.
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Es sind demgegenüber Konzepte bekannt, bei denen versucht wird, die starke Lichtstreuung zu unterdrücken und damit hoch aufgelöste dreidimensionale Bildgebung in streuenden Materialien wie z. B. biologischem Gewebe zu verbessern. Die erfolgreichsten Konzepte sind interferometrische oder holographische Verfahren mit Lichtquellen kurzer Kohärenzlängen, auf die nachfolgend kurz eingegangen wird. Wie bei der Vorstellung im Folgenden zu sehen sein wird, ist allen diesen Verfahren jedoch gemein, dass sie bei der Aufnahme der drei örtlichen Objektdimensionen nicht ohne Rückgriff auf die zeitliche Dimension auskommen. Hiermit ist gemeint, dass die Aufnahme der drei örtlichen Dimensionen Vorgänge erfordert, die zeitlich nacheinander oder anders gesagt zeitlich seriell bzw. sequentiell erfolgen müssen. Es sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass nachfolgend unter den Begriffen „gleichzeitig” bzw. „simultan” bzw. „zeitlich parallel” ein Vorgang verstanden wird, der nicht aus weiteren nacheinander abfolgenden Vorgängen besteht. Dabei wird als eine simultane Aufnahme aller drei Objektdimensionen eine Aufnahme in einem Einzelschuss verstanden, d. h., das im wörtlichen Sinne gleichzeitige Aufnehmen aller drei Dimensionen.
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Aus ”Optical Coherence Tomography”, Science 254, S. 1178–1181, Huang et al., 1991, ist die so genannte optische Kohärenztomographie (Optical Coherence Tomography, OCT) bekannt. Sie ist ein leistungsfähiges Verfahren, das eine dreidimensionale Bildgebung von stark diffus-streuenden Objekten mit Hilfe optischer, nicht ionisierender Strahlung leistet. Die Bildgebung in biologischen Geweben wird aufgrund der starken Streuung nicht durch die Lichtabschwächung limitiert sondern dadurch, dass die Bildinformation durch einen starken Streulichtuntergrund zerstört wird. Die zentrale Errungenschaft der OCT, auch Standard- oder 'Time-domain'-OCT (TD-OCT) genannt, und der darauf basierenden interferometrischen und holographischen Verfahren ist es, den Streulichtuntergrund auszublenden und nur die Lichtanteile zu detektieren, die Bildinformationen enthalten. Diese Lichtanteile, die nicht vielfach gestreut sind, sondern direkt transmittiert oder reflektiert werden, werden ballistische Photonen genannt. Dieses Ausblenden der vielfach gestreuten Lichtanteile wird mit so genannter Kohärenzfilterung erzielt, da die vielfach gestreuten Lichtanteile ihre Kohärenz zur Lichtquelle verlieren. Dazu wird das zu untersuchende Objekt in ein Interferometer integriert und mit kurzkohärentem Licht, d. h. spektral breitbandigem Licht beleuchtet, beispielsweise von einer Leuchtdiode.
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Das Objekt stellt den ersten Interferometerarm dar, den zweiten bildet ein beweglicher Referenzspiegel. Nur die vom Objekt zurückkommenden Lichtanteile, die eine optische Weglänge zurückgelegt haben, die innerhalb der Kohärenzlänge derjenigen im Referenzarm entspricht, können mit diesem Referenzlicht interferieren und am Ausgang des Interferometers ein Interferenzsignal liefern. Da der Referenzarm beweglich ist, können verschiedene optische Weglängen eingestellt und damit verschiedene Tiefen im Objekt adressiert werden. Die Einstellgenauigkeit für diese Tiefenadressierung wird durch die Kohärenzlänge bestimmt. Je kleiner die Kohärenzlänge, desto besser ist die Tiefenadressierung bzw. Tiefenauflösung.
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Verfährt man den Referenzarm kontinuierlich, so entsteht ein Interferogramm, das für den untersuchten Punkt eine tiefenaufgelöste Strukturinformation, den so genannten z-Scan des Objektes liefert. Ein komplett dreidimensionales Bild entsteht, wenn das Objekt in der Ebene senkrecht zum Lichteinfall Punkt für Punkt abgerastert wird, und an jedem Ort ein z-Scan aufgenommen wird. Dieses Verfahren liefert hervorragende hochaufgelöste Bilder von biologischen Objekten und wird z. B. in der Augenheilkunde oder Dermatologie klinisch eingesetzt. Wesentlicher Nachteil der OCT ist jedoch, dass jeder einzelne Bildpunkt des Objektes mechanisch adressiert werden muss. Dies ist äußerst zeitaufwendig und bedingt eine hohe mechanische Fehleranfälligkeit und Störanfälligkeit durch äußere Einflüsse, beispielsweise eine Temperaturabhängigkeit.
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Aus dem Europäischen Patent
EP 0 626 079 B1 und dem wissenschaftlichen Aufsatz ”High resolution depth resolved imaging through scattering media using time resolved holography”, Optics Comm. 122, S. 111–116, 1996, S. C. W. Hyde et al., ist die so genannte zeitaufgelöste Holographie bekannt, die eine zeitlich sequentielle Tiefenadressierung wie bei der TD-OCT realisiert und zur Streulichtunterdrückung ebenfalls eine Kohärenzfilterung vorsieht. Mit Hilfe zeitlich kurzer Lichtpulse wird über einen verfahrbaren Spiegel im Referenzarm zeitlich sequentiell jeweils eine Tiefe im Objekt adressiert. Das sich durch die Überlagerung des vom Objekt kommenden Lichtes und des Lichtes aus dem Referenzarm ergebende Interferenzmuster wird in einem an diesem Ort der Überlagerung platzierten holographischen Medium festgehalten. Per holographischen Verfahren kann aus diesem zweidimensionalen Interferenzmuster dann nach dem Aufnehmen wieder die örtlich lateral aufgelöste Originalstruktur einer bestimmten Tiefe rekonstruiert werden. Mit diesem Verfahren ist es also möglich, zeitgleich jeweils laterale Flächen in einer bestimmten axialen Tiefe aufzunehmen. Nach jedem Aufnehmen muss das holographische Medium aber erst wieder ausgelesen und gelöscht werden, bevor eine andere Tiefe adressiert wird.
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Auch bei diesem Verfahren werden also zeitlich aufeinander folgende Aufnahmen des zu untersuchenden Objektes in einzelnen Ebenen senkrecht zur Lichteinfallsrichtung aufgenommen, was äußerst zeitaufwendig ist. Durch ein entsprechend schnell arbeitendes holographisches Medium (Schreib- und Löschzeiten) kann hiermit bei geringen Tiefen und geringer Tiefenauflösung zwar eine sogenannte realtime-Bildgebung erreicht werden, wie dies in dem Europäischen Patent
EP 0 626 079 B1 erwähnt ist. Nichtsdestotrotz ist zu beachten, dass das Verfahren auf ein zeitlich serielles Aufnehmen der einzelnen Tiefenschichten angewiesen ist. Damit findet die sogenannte realtime-Bildgebung bei entsprechender Objekttiefe und Tiefenauflösung seine Grenzen.
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Wie in dem zuletzt genannten Verfahren ist die Notwendigkeit zum zeitlich seriellen Aufnehmen per se auch bei dem zuvor genannten TD-OCT-Verfahren gegeben: eine zeitgleiche Generierung der Information aller drei Objektdimensionen ist nicht möglich, da immer auf eine Möglichkeit gesetzt wird, eine jeweilige Tiefe des Objektes aufgrund von Laufzeitunterschieden und mit kurzkohärentem Licht zu selektieren.
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Aus ”Optical Coherence Tomography”, Journal of Biomed. Optics 1, S. 157–173, A. F. Fercher, 1996, ist das so genannte Spektralradar bekannt, das zu den OCT-Verfahren gezählt wird, jedoch die Tiefenadressierung auf einem anderen Weg erzielt als die TD-OCT. Dabei wird die Tiefeninformation dadurch gewonnen, dass für einen Punkt des Objekts die spektral-aufgelöste Intensitätsverteilung des rückgestreuten Lichts mit einem Spektrometer registriert wird. Aus diesen Spektraldaten ergibt sich durch eine Fourier-Rücktransformation der registrierten Werte des rückgestreuten Lichts die Tiefenstruktur, insbesondere die Variation des Brechungsindexkontrastes über die Tiefe. Dieses Verfahren gehört zu der Klasse der sogenannten Fourier-Domain OCT oder kurz FD-OCT. Ein bewegter Referenzspiegel ist damit nicht mehr notwendig, jedoch ist ein laterales Scannen der Probe, d. h. in der Ebene senkrecht zum Lichteinfall, nach wie vor notwendig.
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Ein alternatives Verfahren der FD-OCT Klasse ist die sogenannte Swept-Source OCT, die beispielsweise aus ”Optical coherence tomography using a frequencytunable optical source”, Optics Letters 22, S. 340–342, 1997, S. R. Chinn, E. A. Swanson, J. G. Fujimoto, bekannt ist. Hierbei wird die spektral aufgelöste Information nicht über eine spektrale Auflösung des vom Objekt reflektierten Signals sondern mittels einer schnellen spektralen Abstimmung der Lichtquelle realisiert, die in Kombination mit einem spektral integrierenden Detektor zum Spektralradar äquivalente Daten liefert. Beide Konzepte, Spektralradar und Swept-Source OCT, reduzieren den Aufwand für einen z-Scan. Bei beiden Verfahren erfolgt dies jeweils für einen Punkt, so dass sie zeitaufwendige Rasterverfahren darstellen.
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Entsprechend ist ein entscheidender Nachteil der angesprochenen bekannten OCT-Verfahren die Notwendigkeit, in lateraler Richtung jeden Punkt einzeln anzufahren, also ein 2-dimensionales Abrastern der Oberfläche vorzunehmen. Eine gleichzeitige, parallele Aufnahme von mehreren lateralen Punkten ist zwar möglich, indem viele Detektoren kombiniert betrieben werden (z. B. als CCD-Array), aber mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden. Folgende Beispiele verdeutlichen einige Ideen der Umsetzung hierzu.
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Aus ”Nonmechanical grating-generated scanning coherence microscopy” Optics Letters 23, S. 1797–1799, 1998, I. Zeylikovich, A. Gilerson, R. R. Alfano ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Detektion ein zweidimensionales CCD-Array verwendet wird, auf dessen erster Dimension das Spektrum aufgetragen wird und auf dessen zweiter Dimension eine örtliche laterale Dimension des Objektes. Eine simultane Aufzeichnung der Daten für alle 3 Dimensionen ist so jedoch nicht möglich.
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Aus der Veröffentlichung ”Parallel Image Acquisition in Frequency Domain OCT”, Proc. Of SPIE-OSA Biomedical Optics, SPIE Vol 5861, 586112-1–586112-3, 2005, B. Povazay et al., ist ein Verfahren bekannt, mit dem auch Daten für drei Dimensionen aufgenommen werden können. Hier wird als Detektor keine einzelne Photodiode, sondern ein zweidimensionales Detektorarray, insbesondere eine CCD-Kamera, verwendet. Die beiden lateralen Dimensionen des Detektors werden für die Registrierung der beiden lateralen Dimensionen des Objektes verwendet. Die Tiefendimension des Objektes, die im Spektrum kodiert ist, wird in die Zeitdimension gelegt, indem die Intensitätsverteilung der verschiedenen Wellenlängen zeitlich nacheinander aufgenommen werden.
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Die wissenschaftlichen Beiträge ”Wavelength-scanning digital interference holography for optical section imaging”, Optics Letters 24, 1693–1695, 1999 und ”Tomographic three-dimensional imaging of a biological specimen using wavelengthscanning digital interference holography”, Optics Express 7, 305–310, 2000, lehren ein ähnliches aber leicht modifiziertes Verfahren, das man als swept-source digitale Holographie bezeichnen könnte. Es werden dabei mit Hilfe einer CCD-Kamera zeitlich nacheinander digitale Hologramme eines Objektes mit verschiedenen Wellenlängen aufgenommen und dann im Nachhinein rechnergestützt kombiniert, um so die Tiefeninformation zu erhalten.
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Den Verfahren gemeinsam ist, dass sie die Information der Tiefendimension aus der spektralen Intensitätsverteilung generieren. Um die Intensität spektral aufgelöst zu ermitteln, ist eine Dimension notwendig, entweder eine örtliche, oder eine zeitliche. Die beiden zuletzt genannten Verfahren verwenden die zeitliche Dimension. Solche Verfahren kommen einer sogenannten ”No-Motion” OCT schon recht nahe. Allerdings müssen Aufnahmen für verschiedene spektrale Positionen der Lichtquelle zeitlich nacheinander durchgeführt werden und die Durchstimmung der Lichtquelle beinhaltet unter Umständen noch mechanische Bewegung.
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Beim Verfahren ”Spektralradar” wird der zeitliche Aspekt zwar aus der Lichtquelle heraus verlagert, da das die Tiefeninformation tragende Spektrum prinzipiell gleichzeitig zur Verfügung steht. Zu dessen Registrierung ist jedoch wiederum eine Dimension (räumlich oder zeitlich) unumgänglich. Entweder wird das Spektrum bei der Registrierung in eine Raumdimension gelegt, wobei dann jedoch eine Aufnahme-Dimension für die lateralen Objektdimensionen fehlt, so dass hierfür zeitlich gerastert werden muss, oder die Registrierung des Spektrums wird in die zeitliche Dimension gelegt. Dies entspricht den Verfahren swept-source OCT oder swept-source digitale Holographie, bei welchen die Lichtquelle spektral durchgefahren wird, so dass sich die zeitliche Komponente in dem sequentiellen Generieren der zu verwendenden Laserstrahlung ergibt.
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Die genannten Verfahren der FD-OCT verdeutlichen also ein Problem prinzipieller Natur. Obwohl die Tiefeninformation im Spektrum kodiert ist und damit zwar prinzipiell gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden kann, erfordert die spektrale Detektion aber den Einsatz einer örtlichen Dimension (z. B. eine Dimension eines CCD-Arrays) oder der zeitlichen Dimension (serielle Detektion verschiedener Wellenlängen nacheinander). Da es keinen wirklich dreidimensionalen Detektor gibt sondern nur maximal zweidimensionale (z. B. zweidimensionales Photodiodenarray, zweidimensionales CCD-Array), können die drei örtlichen Dimensionen des Objektes, die abgebildet werden sollen, maximal in die zwei örtlichen Dimensionen des Detektors und einmal die zeitliche Dimension abgebildet werden.
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Ein Aufteilen bzw. Clustern des zweidimensionalen Detektorarrays in quasi ein Array aus vielen zweidimensionalen Detektorarrays ist zwar prinzipiell möglich. Dies birgt aber den Nachteil, dass sich die mögliche laterale Auflösung der Aufnahme entsprechend der dann damit reduzierten Auflösung des Detektorarrays verschlechtert.
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Im Übrigen ist aus der Veröffentlichung Saxba, Graham, Practical Holography, Prentice Hall International 1988, Kapitel 5 und 18 ein Hologrammaufnahmeverfahren bekannt, bei dem ein Objekt in einem optischen Speichermedium mit einer spektral breitbandigen Lichtquelle in Form eines Argon- oder Kryptonionenlasers in einem Belichtungsgang gespeichert wird. Aus der Veröffentlichung Kleen, Müller, Springer Verlag, 1969, Kapitel 6.5.2 ist es bekannt, dass die genannten Lichtquellen im Pulsbetrieb arbeiten können. Schließlich ist aus Hariharan, Cambridge University Press, 1984, Kapitel 9.3 und 9.4 die Aufnahme von Vielfarbenhologrammen unter Verwendung optisch dicker Aufnahmemedien bekannt. Die letztgenannte Veröffentlichung beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens einer Beleuchtungslichtquelle, mindestens einer Referenzlichtquelle und einem holografischen Speichermedium, wobei mit dem Strahl der Beleuchtungslichtquelle das Objekt beleuchtbar ist und der Strahl der Beleuchtungslichtquelle und Referenzlichtquelle derart geführt ist, dass sich das vom Objekt transmittierte und/oder reflektierte Licht mit dem Strahl der Referenzlichtquelle in dem Speichermedium überlagert, wobei die Beleuchtungslichtquelle und Referenzlichtquelle spektral breitbandig sind und das Speichermedium ein optisch dickes holografisches Speichermedium ist, in welches die zu den verschiedenen Spektralanteilen der Lichtquellen gehörigen Hologramme mit einem Einzelschuss der Beleuchtungs- und Referenzlichtquelle einer definierten Dauer schreibbar sind.
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Die Würdigung des vorstehend beschriebenen Standes der Technik zeigt, dass keines der erläuterten optischen Verfahren geeignet ist, in oder durch streuende Medien die drei örtlichen Dimensionen simultan, also zeitlich parallel in einer Belichtung aufzunehmen, was nachfolgend unter einer sogenannten Einzelschuss-Aufnahme verstanden wird. Dies ist jedoch ein zunehmendes Bedürfnis, insbesondere für die medizinische Anwendung.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hoch auflösendes dreidimensionales Abbildungsverfahren zu realisieren sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die die Nachteile der bisher im Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen überwindet und mit einer Einzelschuss-Aufnahme, also zeitlich parallel, die komplette dreidimensionale Information aufnimmt, wobei insbesondere eine dreidimensionale Einzelschuss-Bildgewinnung in oder durch diffus streuende Materialen realisiert wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines Holographieverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 15 und einer entsprechenden Vorrichtung gemäß der Ansprüche 16 bis 28, bei welchem bzw. bei welcher in einem optisch dicken Speichermedium die gesamte dreidimensionale Bildinformation des Objekts mit einem einzelnen Schuss einer spektral breitbandigen Beleuchtungs- und Referenzlichtquelle definierter zeitlicher Dauer durch Überlagerung der Informationen zwischengespeichert wird, wobei die gespeicherten Informationen optisch auslesbar sind und das Auslesen zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Abbildes des Objektes unter Anwendung mindestens einer Transformation erfolgt.
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Entscheidend ist hierbei, dass das holographische Speichermedium für die vollständige Speicherung aller dreidimensionalen Informationen nur einmal, nämlich für die Dauer des Einzelschuss, belichtet bzw. verwendet wird, ohne dass es aufeinander folgender Vorgänge oder gar einer Löschung von gespeicherten Informationen zur Aufnahme weiterer Informationen bedarf. Die Überlagerung der Informationen in dem optischen Speichermedium erfolgt dabei in Form eines Wellenlängen-Multiplexing-Verfahrens.
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Mit diesem Einzelschuss im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine vollständige Erfassung aller dreidimensionalen Informationen des insbesondere diffus streuenden Objektes durch eine einzige Aufnahme dadurch erfolgen, dass Objekt und holographischer Zwischenspeicher einmalig für eine festgelegte Dauer belichtet werden, wobei ein zwischenzeitliches Löschen der in dem optischen Speichermedium gespeicherten Informationen nicht erforderlich ist.
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Vorteilhafterweise ist die Belichtungsdauer nur durch Integrationseigenschaften begrenzt, und liegt damit in einem Bereich zwischen wenigen Mikrosekunden bis wenige Sekunden. Für einzelne Anwendungsfälle kann jedoch auch eine weitaus höhere Belichtungsdauer, beispielsweise von vielen Minuten oder sogar mehreren Stunden vorteilhaft sein. Das erfindungsgemäße Holographieverfahren kann dabei gänzlich ohne bewegliche Teile erfolgen (”no motion” Bildgebung), so dass kein mechanischer Verschleiß, mechanische Ungenauigkeiten oder äußere Einflüsse wie beispielsweise Temperaturschwankungen die Bildgebung beeinflussen oder Wartungs-, Korrektur- oder Justierarbeiten bedingen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren greift auf Holographie mit vielen verschiedenen Wellenlängen zurück, was als polychromatische Holographie bezeichnet werden kann. Dies ist eine Sonderform der üblicherweise als monochromatisch bekannten Holographie. Durch Holographie kann bekanntermaßen durch Fixierung des bei Strahlüberlagerung kohärenten, also im Allgemeinen monochromen Lichtes im Schnittpunkt entstehenden Interferenzmusters, das allgemein und auch hier als Hologramm bezeichnet wird, und späterer Beugung eines Lichtstrahls an diesem Hologramm die ehemals vom Objekt ausgehende und durch den Schnittbereich der Strahlen treffende Lichtwelle rekonstruiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Holographieverfahren und der erfindungsgemäßen holographischen Anordnung wird das Objekt, das in der Regel dreidimensional ist, mit mindestens einer spektral breitbandigen Beleuchtungslichtquelle beleuchtet und das durch das Objekt transmittierte und/oder daran reflektierte Licht zur Speicherung des Objektes kodiert in vielen verschiedenen Hologrammen in einem holographischen Speichermedium mit mindestens einem Referenzstrahl auf dem Speichermedium überlagert. Dabei kann der Referenzstrahl vorzugsweise von der Beleuchtungslichtquelle abgezweigt werden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Referenzlichtquelle vorgesehen werden muss.
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Das vom Objekt transmittierte oder reflektierte Licht und der Referenzstrahl werden erfindungsgemäß entsprechend derart geführt, dass sie sich im Speichermedium schneiden. Durch die Überlagerung der Lichtstrahlen bilden die einzelnen monochromen Lichtanteile statische Interferenzmuster aus, d. h. das vom Objekt kommende Licht einer bestimmten Wellenlänge bildet ein Interferenzmuster nur mit dem monochromen Teil des Referenzlichtes der die gleiche Wellenlänge aufweist. Dies geschieht für alle monochromen Lichtanteile der beiden Strahlen. Die Struktur der vom Objekt ausgehenden Wellenfront ist dabei dadurch festhaltbar, dass sie mit einer Referenzwelle interferiert und die Interferenzstruktur in dem Speichermedium als Hologramm fixiert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung wird das zu untersuchende Objekt von einer spektral breitbandigen Beleuchtungslichtquelle beleuchtet. Dieses spektral breitbandige Licht kann beispielsweise von einer Lampe, einer Leuchtdiode, einer Superlumineszenzdiode, einer vielmodigen Laserdiode, oder einer Kombination derselben kommen, wobei die Beleuchtungslichtquelle eine kontinuierliche spektrale Verteilung haben kann.
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Alternativ kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung auch eine Lasereinheit oder eine Laserdiodeneinheit verwendet werden, die ein diskretes Spektrum aufweist und kontinuierlich emittiert, wobei die Emission mehrerer einzelner Wellenlängen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander, vorzugsweise ohne Unterbrechung, möglich ist. Gleichzeitig bedeutet im Sinne der Erfindung sowohl eine vollständig simultane Emission aller Wellenlängen als auch eine beliebige zeitliche Abfolge innerhalb der Belichtungszeit, d. h. der Dauer des Einzelschusses. Die spektrale Breite der Lichtquelle wird in diesem Falle durch die kleinste und die größte Wellenlänge festgelegt. Spektral breitbandig ist im Sinne der Erfindung derart zu verstehen, dass die erfindungsgemäß erzielbare Tiefenauflösung genau wie bei der OCT durch die Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes bestimmt wird. Die Kohärenzlänge ist umgekehrt proportional zur Bandbreite der Lichtquelle die erfindungsgemäß vorzugsweise mindestens einige 10 Nanometer beträgt.
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Das Spektrum der Beleuchtungslichtquelle, kontinuierlich oder diskret, kann eine spektrale Breite mindestens 30 nm, vorzugsweise eine spektrale Breite zwischen 30 nm und 120 nm, insbesondere von etwa 100 nm aufweisen.
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Das vom Objekt reflektierte oder transmittierte Licht wird mit einem Referenzstrahl auf dem holographischen Speichermedium überlagert, womit in das Speichermedium ein Hologramm geschrieben wird. Dies kann gegebenenfalls unter Rückgriff auf optische Abbildungen und/oder optische Transformationen, beispielsweise durch eine geeignete Linsenanordnung erfolgen. Der Referenzstrahl kann dabei von einer unabhängigen Referenzlichtquelle emittiert werden, wobei sie dabei ebenfalls spektral breitbandig ist und den gleichen Aufbau aufweisen kann, wie die Beleuchtungslichtquelle. Alternativ kann der Referenzstrahl vorzugsweise mittels eines Strahlteilers von dem von der Lichtquelle stammenden Strahl abgezweigt werden. In diesem Fall sind Beleuchtungslichtquelle und Referenzlichtquelle identisch.
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Wie bereits erwähnt kann die schnelle Bildgebung, d. h. die vollständige Erfassung aller dreidimensionalen Informationen des Objektes durch eine einzige Aufnahme im Sinne eines Einzelschusses, d. h. einer Einzelbelichtung erfolgen. Dabei kann die Beleuchtungslichtquelle respektive die Referenzlichtquelle ein kontinuierliches Spektrum oder ein diskretes Spektrum emittieren, d. h. zumindest mehrere, vorzugsweise eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig emittieren. Die Tiefeninformation über das Objekt, d. h. Informationen über seine innere Struktur, wird dabei in der spektral aufgelösten Intensitätsverteilung des von dem im Speichermedium gespeicherten Interferenzmusters kodiert.
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Um die Möglichkeit zu erhalten, sowohl die lateralen Objektdimensionen als auch die in der spektralen Intensitätsverteilung kodierte Tiefendimension des Objektes in einem Schuss zwischenzuspeichern, ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ein dickes holographisches Speichermedium zu verwenden, das aufgrund seiner wellenlängenselektiven Funktion der für dicke holographische Speichermedien geltenden Bragg-Bedingung geeignet ist. Im zweidimensionalen Fall, d. h. bei der Verwendung dünner holographischer Speichermedien, sind nur monochrome Hologramme möglich, da bei Variation der Wellenlänge kein zeitlich stabiles Interferenzmuster möglich ist. Für die Speicherung der wellenlängenspezifischen Hologramme bzw. Interferenzmuster wird daher erfindungsgemäß ein Speichermedium benutzt, dass in der Holographie als optisch dickes holographisches Medium bekannt ist und mindestens mehrere Wellenlängen dick ist, so dass die spektral verschiedenen Hologramme übereinander gelegt werden können, ohne sich gegenseitig zu stören.
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Die spektral verschiedenen Hologramme beeinflussen sich dann nicht, wenn für die Beugung die schon erwähnte Bragg-Bedingung gilt. Das ist nur dann der Fall, wenn man das Interferenzmuster des Hologramms auch über die dritte örtliche Dimension ausprägt und nutzt, wobei dann so genannte dicke Hologramme entstehen. Dies ist nur in einem optisch dicken Speichermedium möglich. Diese so gegebene Möglichkeit, spektral unterschiedliche Hologramme sich nicht beeinflussend übereinander zu legen, was hier als „Wavelength Multiplexing” bezeichnet wird, ist ein grundlegender Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die erfindungsgemäße Anwendung dieses Wavelength Multiplexing ermöglicht zum einen, die Information über die drei Objektdimensionen, kodiert in den vielen spektral unterschiedlichen Interferenzmustern, gleichzeitig festzuhalten. Zum anderen, ist die Möglichkeit gegeben, sie im Ausleseschritt wieder auf die erfindungsgemäße Art und Weise selektiv auszulesen, nämlich spektral selektiv, so dass aus der Information die drei Objektdimensionen rekonstruiert werden können.
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Erfindungsgemäß kann daher in dem holographischen Speichermedium eine Vielzahl verschiedenfarbiger Hologramme überlagert werden, die beim Auslesen einzeln selektierbar sind.
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Außerdem ist auf diese Weise nur eine geringe örtliche Ausdehnung für die Datenregistrierung notwendig. Erfindungsgemäß kann das Speichermedium eine Dicke von etwa mindestens 10 μm, vorzugsweise zwischen 50 μm und etwa 200 μm aufweisen. Dabei ist anzumerken, dass die beim Auslesen notwendige Selektierung der Hologramme umso besser ist, je dicker das Speichermedium ist. Außerdem spielt hierbei der Winkel der Schreibstrahlen zueinander eine Rolle. Je größer der Winkel, desto bessere spektrale Selektivität herrscht beim Beugungsvorgang vor. Der Winkel kann erfindungsgemäß zwischen 20° und 180°, vorzugsweise 150° betragen.
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Durch die erfindungsgemäße Anwendung des Wavelength Multiplexing-Verfahrens und eines optisch dicken Mediums ist es möglich, die für die Generierung der Tiefeninformation notwendigen spektral verschiedenen Hologramme zeitlich parallel bzw. gleichzeitig, d. h. in einem einzigen Belichtungsprozess bzw. einem Einzelschuss aufzunehmen, ohne dass ein zwischenzeitliches Löschen des Speichermediums notwendig ist. Das Speichermedium wird nur ein Mal, d. h. während des Einzelschusses beschrieben. Maßgebliche Zeitkonstante bei diesem Einzelschuss ist die Belichtungszeit des holographischen Speichers, die je nach Speichermedium zwischen einer Mikrosekunde und einer Sekunde liegen kann. In speziellen Anwendungen können auch längere Belichtungszeiten eingesetzt werden. Anstelle einer dauerhaften gleichzeitigen Bestrahlung mit allen Wellenlängen während der Belichtungszeit können erfindungsgemäß auch beliebige zeitliche Abfolgen der Wellenlängen während der Einzelschuss-Belichtung erfolgen.
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Die zweidimensionale Ausdehnung der Hologramme birgt die laterale Bildinformation des Objektes in sich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, zeitgleich alle drei Dimensionen des Objektes mit einem Schuss bzw. mit nur einer Belichtung aufzunehmen.
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Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Beleuchtungslichtquelle respektive Referenzlichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum werden eine Vielzahl monochromer Hologramme gleichzeitig in das optisch dicke Speichermedium geschrieben und überlagern sich entsprechend. Hierdurch kann ein Effekt entstehen, der als so genannter Crosstalk bekannt ist. Hierunter wird verstanden, dass bei Beleuchtung des holographischen Mediums mit einer diskreten Wellenlänge, in dem mehrere durch Wavelength Multiplexing übereinander gelegte monochrome Hologramme (unter anderem ein mit der Auslesewellenlänge geschriebenes Hologramm) gespeichert sind, nicht nur Beugung an dem mit der Auslesewellenlänge geschriebenen Hologramm erfolgt, wie es idealisiert nach der Bragg-Bedingung der Fall wäre. Stattdessen wird das Licht auch an monochromen Hologrammen gebeugt, die mit einer leicht anderen Wellenlänge geschrieben wurden. Bei welcher spektralen Abweichung von der Schreibwellenlänge eine solche Beugung noch erfolgt, hat mit der Wellenlänge des Lichtes, dem Winkel zwischen den Schreibstrahlen und der Dicke des Speichermediums zu tun. Zu den letztgenannten Parametern wurden bereits vorteilhafte Werte angegeben.
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Um den störenden Crosstalk zwischen den monochromen Hologrammen zu unterbinden, ist die Verwendung einer Beleuchtungslichtquelle mit einem diskreten Spektrum empfehlenswert, wobei die einzelnen Wellenlängen Stützwellenlängen bilden. Hier ist es technisch umso besser, je mehr Wellenlängen als Stützstellen verwendet werden, und je breiter der spektrale Bereich ist, über den sich die Wellenlängen erstrecken. Schließlich ist noch anzumerken, dass je dicker das optische Speichermedium ist, desto enger die spektralen Stützstellen liegen dürfen, ohne dass sich der Crosstalk störend auswirkt. Es kann folglich vorzugsweise ein besonders dickes optisches Speichermedium verwendet werden.
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Zum Auslesen des gesamten gespeicherten Hologramms, wird das Speichermedium von einem Auslesestrahl einer Ausleselichtquelle belichtet, welche den gleichen Aufbau wie die Beleuchtungslichtquelle aufweisen kann, wobei die Ausleselichtquelle das gleiche zeitlich gemittelte Spektrum aufweisen kann. Für die dreidimensionale Rekonstruktion der Objektstruktur ist es notwendig, die vielen spektral unterschiedlichen bzw. gemultiplexten Hologramme wieder selektiv und unabhängig voneinander auslesen zu können. Dies gelingt, indem man die vielen Hologramme mit jeweils nur einer der zum Schreiben verwendeten Wellenlängen ausliest. Das Licht wird dann, wenn man den Crosstalk ausreichend unterbindet, selektiv nur an demjenigen Hologramm gebeugt, das mit der entsprechenden Wellenlänge geschrieben worden ist. Erfindungsgemäß erfolgt das Auslesen daher vorzugsweise mit den gleichen diskreten, unterschiedlichen, möglichst über den gesamten Spektralbereich der zum Schreiben verwendeten Beleuchtungslichtquelle verteilten Wellenlängen. Die Emission der verschiedenen Wellenlängen erfolgt günstigenfalls zeitlich nacheinander. Der Auslesevorgang erfolgt zur Zeitersparnis beim Aufnahmevorgang in der Regel erst nach der Einzelschussaufnahme.
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Alternativ kann in speziellen Anwendungen z. B. mit langen Belichtungszeiten aber auch ein Start des Auslesevorgangs bereits während der Aufnahme günstig sein. Dies hat den Vorteil, dass mit diesem Verfahren so auch Anwendungen möglich sind, die Veränderungen des Objekts registrieren. Diese Möglichkeit des Auslesens während des Speicherns ist gegeben, da zeitlich unabhängig vom Schreibprozess ausgelesen werden kann. Hierzu wird günstigerweise die Polarisation des Ausleselichtes orthogonal zu der Polarisation des Lichtes der Schreibstrahlen gewählt. Damit wird eine Beeinflussung des Speichervorgangs durch das Auslesen weitestgehend vermieden.
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Das vom Hologramm abgebeugte Licht einer bestimmten Wellenlänge kann, gegebenenfalls unter Rückgriff auf optische Abbildungen und/oder optische Transformationen, beispielsweise durch eine Linsenanordnung, mit einem Sensor, vorzugsweise mit einem zweidimensionalen CCD-Array, aufgenommen und unmittelbar weiterverarbeitet oder zunächst abgespeichert und später weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise kann die laterale Strukturinformation des Objektes, d. h. diejenige Information des Objekts, die innerhalb einer zum Beleuchtungsstrahl senkrechten Ebene liegt, auf den beiden Dimensionen des CCD-Arrays, welches aus einzelnen Pixeln besteht, festgehalten werden. Vorzugsweise erfolgt dies für alle verwendeten Wellenlängen nacheinander, so dass für die Rekonstruktion der im holographischen Medium zwischengespeicherten Bildinformation ein iteratives Verfahren besonders vorteilhaft ist, bei dem die Wellenlängen beim Auslesen nacheinander durchgefahren werden.
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Die dreidimensionale Rekonstruktion des Objektes kann erfindungsgemäß durch Anwendung einer mathematischen Transformationsvorschrift auf das Sensorsignal erfolgen. Hierbei können aus dem Sensorsignal, insbesondere aus dem Signal des zweidimensionalen CCD-Arrays, die Bilddaten zu einer Objektdimension durch die mit der mathematischen Transformation der mit dem Auslesestrahl ausgelesenen Intensität als Funktion der Wellenlänge errechnet werden. Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinheit, beispielsweise einen Computer, aufweisen, mit der auf das Sensorsignal die mathematische Transformation anwendbar ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Einbeziehung einer Fourier-Rücktransformation.
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Auf das gesamte zweidimensionale CCD-Array fällt eine laterale Lichtverteilung, die eine zweidimensionale Projektion bzw. Abbildung der vom Objekt kommenden und durch das holographische Medium fallenden und davon rekonstruierten Wellenfront darstellt. Damit sind die zwei lateralen Objektdimensionen rekonstruiert. Die Rekonstruktion der Tiefendimension ergibt sich aus der Tatsache, dass das Interferenzsignal zweier sich an einer Stelle überlagernder kohärenter Lichtwellen in seiner Intensität von der Wellenlänge des Lichtes abhängt: ob konstruktive oder destruktive Interferenz sich ergibt, hängt von dem Laufzeitunterschied bzw. gleichbedeutend von der Wegdifferenz ab, und ist abhängig von der Wellenlänge. Örtlich gesehen ergibt sich z. B. konstruktive Interferenz für jede unterschiedliche Wellenlänge an einem anderen Ort, d. h. an einem festen Ort innerhalb des beleuchteten Bereichs des holographischen Speichermediums ergibt sich für unterschiedliche Wellenlängen eine unterschiedliche Intensität. Per Fourier-Rücktransformation und gegebenenfalls unter Rückgriff auf weitere mathematische und/oder optische Transformationen lässt sich aus diesen an einem Ort unterschiedlichen, von der Wellenlänge abhängigen Intensitäten die Tiefenstruktur des Objektes ermitteln. Dadurch, dass es aufgrund der Bragg-Bedingung realisierbar ist, selektiv nur Licht einer spezifischen Wellenlänge zu beugen, ist es möglich, die als Interferenzmuster gespeicherte Intensitätsverteilung wieder spektral selektiv auszulesen. Zusammen mit der zuvor beschriebenen Möglichkeit der Objektrekonstruktion in lateraler Hinsicht ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren so möglich, die Information über die drei örtlichen Objektdimensionen zuordnungsfähig auszulesen.
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Alternativ zu dem vorgeschriebenen iterativen Ausleseverfahren kann auch ein so genanntes Einzelschuss-Auslesen angewendet werden. Dabei kann das Hologramm mit allen Auslesewellenlängen gleichzeitig beleuchtet werden. Die abgebeugten Hologramme der einzelnen Wellenlängen werden dann räumlich getrennt und parallel mit vielen Sensoren insbesondere CCD-Arrays aufgenommen, wobei für jede Auslesewellenlänge ein zweidimensionales CCD-Array vorgesehen werden kann. Zur Trennung der von den Hologrammen gebeugten Lichtstrahlen können beispielsweise spektral selektive Optiken, insbesondere dichroische Spiegel und/oder Strahlteiler, oder Prismen oder optische Gitter eingesetzt werden.
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Alternativ kann auch ein zweidimensionales CCD-Array eingesetzt werden, in der Art und Weise, dass auf verschiedene zweidimensionale Bereiche des CCD-Arrays die spektral verschiedenen Anteile des Lichts fallen, also jede Wellenlänge auf einen anderen Unterbereich des CCD-Arrays.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung kann als optisch dickes Speichermedium ein Medium verwendet werden, dass einen so genannten photorefraktiven Effekt aufweist, insbesondere ein photorefraktiver Kristall, mit welchem aufgrund seiner Eigenschaft, nur Lichtintensitätsänderungen zu verzeichnen, ein gleichmäßig heller Hintergrund ausgeblendet werden kann, der beispielsweise durch die unnützen mehrfach gestreuten Photonen erzeugt wird, die die Kohärenzeigenschaft verloren haben. In alternativen Ausführungsvarianten kann auch ein photorefraktives Polymer oder ein holographischer Film verwendet werden.
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Als besonders vorteilhafte Anwendung für die vorliegende Erfindung kann der Einsatz in der biomedizinischen in-vivo Bildgebung genannt werden, da aufgrund der sehr kurzen Aufnahmezeiten die Gefahr eines Verwackelns des Bildes reduziert wird (kritische Zeitdauer ergibt sich aus Herzfrequenz des Patienten), dem Patienten damit darüber hinaus Unannehmlichkeiten wie beispielsweise langes Stillhalten erspart werden, und da das Verfahren unbedenklich bei Anwendungen am Menschen ist, weil nicht-ionisierende Strahlung verwendet wird. Demgegenüber birgt ionisierende Strahlung wie z. B. Röntgenstrahlung bekanntlich Krebsgefahr. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Objekt durch ein stark Licht streuendes Medium beleuchtet werden. Ferner kann auch das vom Objekt transmittierte oder reflektierte Licht durch ein stark Licht streuendes Medium geleitet werden. In der biomedizinischen Forschung und/oder Diagnostik kann das Objekt zudem beispielsweise durch ein Mikroskop oder Endoskop beleuchtet und/oder das vom Objekt transmittierte und/oder reflektierte Licht durch ein Mikroskop oder Endoskop geleitet werden.
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Ein alternatives vorteilhaftes Anwendungsbeispiel ergibt sich aus dem erfindungsgemäßen und weiter oben bereits erwähnten alternativen Verfahren, bei dem die Belichtungszeit länger gewählt wird, und während andauernder Belichtung und unabhängig davon selektiv einzelne Informationen ausgelesen werden, beispielsweise spektral selektierte Hologramme. Eine solche vorteilhafte Anwendung ist zum Beispiel ein Monitoring von länger andauernden Prozessen. Beispielhaft genannt werden soll hier die Analyse langfristiger Veränderungsprozesse von Zellkulturen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren zu entnehmen.
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Es zeigen:
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1: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens der dreidimensionalen Einzelschussabbildung in allgemeiner schematischer Form, bei der das Objekt in Reflexion angesprochen wird.
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2: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens der dreidimensionalen Einzelschussabbildung in detaillierter schematischer Form, bei der das Objekt in Reflexion angesprochen wird.
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3: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens der dreidimensionalen Einzelschussabbildung, bei der das Objekt in Transmission durchlaufen wird.
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4: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens der dreidimensionalen Einzelschussabbildung, bei der Objektstrahl und Referenzstrahl von der gleichen Seite auf das holographische Medium fallen.
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5: Ein Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrens.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in der schematischen Darstellung gemäß 1 gezeigt, sowie in 2 etwas detaillierter Ausführung. Als Beleuchtungslichtquelle 1 dient eine Lasereinheit mit einem Laser, der viele verschiedene Wellenlängen, beispielsweise 1024 verschiedene Wellenlängen über einen Spektralbereich von etwa 70 nm bei einer Zentralwellenlänge von etwa 830 nm sowohl gleichzeitig als auch nacheinander emittieren kann.
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Hierfür wird ein Halbleiterlaser 1a mit externem Resonator verwendet, wie dies in 2 dargestellt ist. Der Resonator umfasst ein Beugungsgitter 1b und eine Linse 1c zur räumlichen Trennung der Spektralkomponenten des Halbleiterlasers 1a sowie ein Schaltelement 1d, um die Reflektion der Spektralkomponenten am Endspiegel 1e individuell zu kontrollieren. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist das Beugungsgitter 1b 800 Linien pro Millimeter auf und die Brennweite der Linse 1c beträgt vorzugsweise etwa 150 mm. Weiterhin ist das Schaltelement 1d als Flüssigkristalldisplay insbesondere als Zeilenarray mit 1024 Pixeln ausgeführt.
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Eine derartige Ausführung der Lasereinheit ist aus dem Deutschen Patent mit Aktenzeichen
DE 199 09 497 C1 bekannt. Der kollimierte Ausgangsstrahl
2 der Beleuchtungslichtquelle
1 wird auf einen Strahlteiler
3 gerichtet und dort in zwei Teile aufgespalten. Der erste Strahl, der Objektstrahl
4 läuft zum abzubildenden Objekt
5. Das vom Objekt reflektierte Licht
6 läuft auf das dicke holographische Speichermedium
7, das als photorefraktives Polymer mit einer Dicke von etwa 200 μm ausgeführt ist. Das Speichermedium
7 ist für den verwendeten Spektralbereich von ca. 830 nm Zentralwellenlänge sensitiv und zeichnet sich durch hohe Effizienz (günstigenfalls über 90%) aus und unterdrückt durch den photorefraktiven Effekt den Streulichtuntergrund.
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Wie in 3 dargestellt ist eine weitere Realisierungsvariante dergestalt, dass der Objektstrahl 4 das Objekt 5 in Transmission durchläuft und danach über einen Umlenkspiegel 15 als transmittierter Lichtstrahl 6 auf das holographische Speichermedium 7 trifft. In beiden genannten Varianten läuft der zweite vom Strahlteiler 3 erzeugte Referenzstrahl 8 über einen weiteren Strahlteiler 9 auf das dicke holographische Speichermedium 7, wo er auf den Objektstrahl 6 trifft. Der Winkel θ zwischen Objektstrahl 6 und Referenzstrahl 8 ist so gewählt, dass sich ein ausgedehntes Interferenzmuster ergibt und eine gute Bedingung für hohe spektrale Selektivität durch die Bragg-Bedingung im Speichermedium 7 gegeben ist. Dies ist der Fall bei möglichst großen Winkeln der Strahlen zueinander und beträgt in den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren etwa θ = 150°.
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Der Winkel θO zwischen Objektstrahl 6 und Oberfläche des Speichermediums 7 wird im Wesentlichen gleich dem Winkel θR zwischen Referenzstrahl 8 und Oberfläche des Speichermediums 7 gewählt und ergibt sich damit aus dem Winkel θ. Es kann zwischen einer so genannten Transmissionsgeometrie, bei der der Objektstrahl 6 und der Referenzstrahl 8 auf derselben Fläche in das Speichermedium 7 eintreten, siehe 4, und einer so genannten Reflexionsgeometrie, bei der der Objektstrahl 6 und der Referenzstrahl 8 auf unterschiedlichen, insbesondere gegenüberliegenden Flächen in das Speichermedium eintreten, siehe 1–3, unterschieden werden. Diese beiden alternativen Geometrien entsprechen der in der klassischen Holographie bekannten Transmissionsholographie und der Reflexionsholographie, die sich namentlich auf die Beugungsrichtung des am Hologramm gebeugten Lichtes beziehen. Das rekonstruierte gebeugte Licht wird durch das holographische Speichermedium transmittiert oder daran reflektiert. Es sei angemerkt, dass dies nicht zu verwechseln ist mit den vorerwähnten alternativen Möglichkeiten, das vom Objekt (im Gegensatz zu dem eben beschriebenen holographischen Speichermedium) transmittierte (3) oder reflektierte Licht (2) für die Aufnahme zu verwenden.
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Der Auslesevorgang beginnt bei der vorgestellten beispielhaften Ausführungsvariante nach Ende der Einzelschussbelichtung. Zum Auslesen der Bildinformation wird der Objektstrahl 4 mit Hilfe eines mechanischen Shutters 11 geblockt. Die Lasereinheit 1 wird dabei auf eine zeitlich nacheinander folgende Emission aller Wellenlängen geschaltet.
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Der Referenzstrahl 8 dient nun als Auslesestrahl und es entsteht ein vom Hologramm abgebeugter Strahl 12, der in die Richtung läuft, die der ungeblockte Objektstrahl als durch das Speichermedium 7 transmittierte Strahl 10 beim Aufnehmen des Hologramms aufwies, und der einem rekonstruierten Objektstrahl entspricht. Dieser gebeugte Auslesestrahl 12 beinhaltet die Bildinformation zu jeder einzelnen Wellenlänge. Er fällt auf einen Detektor 13 mit der Fähigkeit, das auftreffende Licht zweidimensional zu erfassen, vorzugsweise auf ein zweidimensionales CCD-Array 13a, siehe 2. Alternativ kann auch eine CCD-Kamera verwendet werden.
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Ein zuvor vom Auslesestrahl 8 an einem Strahlteiler 9 abgezweigter weiterer Strahl 16, hier als „Interferenzstrahl” bezeichnet, wird über einen Spiegel 17 auf das CCD-Array 13a geleitet und überlagert sich am Ort des CCD-Arrays 13a mit dem gebeugten Auslesestrahl 12. Hierdurch erhält man am Ort des CCD-Arrays für jede jeweils ausgewählte Wellenlänge die Phaseninformation des Auslesestrahls 8, der dem rekonstruierten Objektstrahl entspricht. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die Tiefendimension des Objekts aus der sich bei den verschiedenen Wellenlängen jeweils ergebenden konstruktiven bzw. destruktiven Interferenz mittels mathematischer Transformationen, in dem Ausführungsbeispiel unter Rückgriff auf eine Fourier-Rücktransformation, zu erhalten. Zusammen mit der über die holographische Abbildung gegebenen lateralen Abbildung des Objekts auf dem CCD-Array 13a können mit Hilfe eines Computers 14 die drei Objektdimensionen unter Rückgriff auf mathematische Transformationen wieder rekonstruiert werden.
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Eine günstige Variante der Verfahrensschritte der dreidimensionalen Einzelschussholographie ist in dem Flussdiagramm gemäß 5. dargestellt und wird nachfolgend erläutert.
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Für die Schreibprozedur der vielfarbigen Hologramme wird die Lasereinheit 1 in einen vielmodigen Betriebszustand gebracht, in dem möglichst viele, günstigerweise 1024, diskrete Wellenlängen während der Einzelschussbelichtung emittiert werden, so dass spektral breitbandiges Licht erzeugt wird, Schritt S1: Erzeugung spektral breitbandigen Lichtes 2, bei dem vorzugsweise die Bedingung Δλ/λ > 0.1 gilt. Diese Emission kann exakt gleichzeitig, aber auch in beliebiger zeitlicher Reihenfolge, wie z. B. einem schnellen Wellenlängensweep, innerhalb der Einzelschussbelichtungszeit erfolgen.
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In einem nachfolgenden Schritt S2 wird das erzeugte Licht kollimiert und in die beiden Schreibstrahlen Referenzstrahl 8 und Objektstrahl 4 aufgespalten. Der Objektstrahl 4 trifft auf das Objekt 5, an dem er reflektiert oder durch das er transmittiert wird, wobei das reflektierte bzw. transmittierte Licht weiter in Richtung holographisches Speichermedium läuft 6, Schritt S3: Objektstrahl 4 trifft auf Objekt 5, läuft anschließend weiter 6 in Richtung Speichermedium 7. Der Referenzstrahl 8 läuft demgegenüber über eine gleichlange Strecke wie der Objektstrahl 4 bzw. 6 in Richtung holographisches Speichermedium 7, Schritt S4. In dem holographischen Speichermedium erfolgt die Überlagerung von Objektstrahl 6 und Referenzstrahl 8, wobei für jede gegebene Wellenlänge simultan ein Hologramm erzeugt wird und alle Hologramme in einer Belichtung überlagert werden, Schritt S5.
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Bei der Leseprozedur wird nunmehr ein Auslesestrahl 8 mit gleichem zeitlich gemittelten Spektrum wie das der Schreibstrahlen verwendet und fällt aus der Richtung des Referenzstrahls auf das holographische Speichermedium 7, so dass die Hologramme wieder ausgelesen werden können, siehe Schritt S6: Belichtung des Speichermediums 7 mit Ausleselichtstrahl der gleichen Wellenlängen wie die der Schreibstrahlen. Die verschiedenen Wellenlängen werden dabei zeitlich nacheinander emittiert. Vom Auslesestrahl 8 wird vor seinem Auftreffen auf das Speichermedium ein weiterer Interferenzstrahl 16 abgezweigt, Schritt 57. Der am Hologramm gebeugte Lesestrahl 12 überlagert sich mit dem Interferenzstrahl 16 auf einem Flächendetektor, z. B. einem zweidimensionalen CCD-Array 13, dessen Signal von einem Computer gespeichert wird: siehe Schritt S8: am Hologramm gebeugter Lesestrahl 12 fällt auf CCD-Array 13, überlagert sich dort mit Interferenzstrahl 16; Detektorsignal wird gespeichert. Dies wird zeitlich seriell für alle Wellenlängen wiederholt.
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Für jedes Pixel des CCD-Array werden die bei den verschiedenen Wellenlängen sich ergebenden Intensitätswerte mittels einer Fourier-Rücktransformation in eine Tiefeninformation für diese Stelle, die das Pixel repräsentiert, umgerechnet, so dass sich für alle Pixel des CCD-Arrays ein repräsentatives Tiefenprofil ergibt, Schritt S9: Ermittlung der Tiefeninformationen durch Anwendung einer Fourier-Rücktransformation pro CCD-Array-Pixel. Die Tiefenprofile der einzelnen Pixel werden in einem weiteren Schritt S10 derart kombiniert, dass sich eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Abbildung des Objektes ergibt.