Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Kombination von Methoden der Digitalen Speckle-Photographie (DSP) und der räumlich phasenschiebenden Elektronischen Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI) zur quantitativen Detektion dreidimensionaler Verschiebungen.
Die Elektronische Specklemuster-Interferometrie (ESPI) ist ein etabliertes Verfahren zur zerstörungsfreien Analyse von Oberflächenverformungen mit interferometrischer
Genauigkeit. Der Einsatz räumlich phasenschiebender Verfahren ermöglicht eine quantitative und gegenüber äußeren Störungen weitgehend unempfindliche Bestimmung der Objektverformung. Zur Ausweitung des Messverfahrens auf dreidimensionale Verformungserfassung sind pro Verformungszustandzustand jedoch drei Interferogramme erforderlich, was aus Stabilitätsgründen bei Untersuchung dynamischer Prozesse nicht möglich ist.
In dieser Arbeit wird daher die SPS ESPI nur zur Bestimmung der axialen Deformationskomponente der untersuchten Objektoberfläche verwendet. Die quantitative Bestimmung der lateralen Verschiebungskomponenten erfolgt durch Anwendung von
Methoden der Digitalen Speckle-Photographie (DSP). Bei der DSP werden zwei von der untersuchten Objektoberfläche (rück-)gestreute
Specklefelder vor und nach einer lateralen Verschiebung in einem digitalen Bildverarbeitungssystem gespeichert und nachfolgend ausgewertet. Dabei wird das laterale Verschiebungsfeld unter Anwendung von digitalen Kreuzkorrelationsalgorithmen numerisch bestimmt. Voraussetzung für den Einsatz dieser Methoden der DSP bei der SPS ESPI ist die Rekonstruktion der Objektwellenintensität aus den aufgezeichneten Speckleinterferogrammen. Hierzu können sowohl die Modulationsverteilung als auch die durch eine Fouriertransformationsmethode bestimmte Amplitudenverteilung genutzt werden.
Des Weiteren wird gezeigt, dass die auf diese Weise ermittelten Verschiebungsfelder in der Speckle-Interferometrie zur Kompensation lateraler Dekorrelationseffekte genutzt werden können.
Die in dieser Arbeit entwickelten und charakterisierten Methoden zur Detektion lateraler Verschiebungen und zur Kompensation lateraler Dekorrelationseffekte werden anschließend auf speckleinterferometrische Untersuchungen an technischen
Oberflächen angewandt. Abschließend erfolgt der Einsatz des Verfahrens bei mikroskopischen SPS ESPI-Untersuchungen an biologischen Proben bei Auflicht- und bei Durchlichtbeleuchtung.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Der Speckle-Effekt
2.2 Digitale Speckle-Photographie (DSP)
2.2.1 Prinzip
2.2.2 Digitale Kreuzkorrelation
2.3 Räumlich phasenschiebende Elektronische Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI)
2.3.1 Interferometrische Detektion von Verschiebungen
2.3.2 Räumliches Phasenschiebeverfahren
2.3.3 Phasenrekonstruktion im Ortsraum
2.3.4 Modulationsbestimmung im Ortsraum
2.3.5 Auswertung im Frequenzraum
3 Experimentelle Methoden
3.1 Experimenteller Aufbau
3.2 Digitale Speckle-Photographie (DSP)
3.2.1 Detektion von lateralen Verschiebungen mit Subpixel-Auflösung
3.2.2 Verschiebung von Bilddaten im Subpixelbereich
3.2.3 Quantifizierung des Rauschens bei der Detektion lateraler Verschiebungen
3.3 ESPI
3.3.1 Einstellung des Phasengradienten β
3.3.2 Bestimmung der Specklegröße dSp
3.3.3 Differenzphasenbestimmung im Ortsraum
3.3.4 Modulationsmethode (MOD)
3.3.5 Fouriertransformationsmethode (FTM)
3.3.6 Quantifizierung des Rauschens der Differenzphase
3.4 Kompensation lateraler Dekorrelationseffekte
4 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
4.1 Charakterisierung und Optimierung der Methoden zur Detektion lateraler Specklefeldverschiebungen
4.1.1 Messablauf der Detektion lateraler Verschiebungen
4.1.2 Charakterisierung und Optimierung der DSP-Methoden
4.1.2.1 Unterbildgröße
4.1.2.2 Für die Subpixel-Interpolation genutzter Bereich der Kreuzkorrelationsmatrix
4.1.2.3 Anzahl der berücksichtigten Zeilen und Spalten der Kreuzkorrelationsmatrix
4.1.2.4 Digitalisierungseffekte
4.1.3 Diskussion der experimentellen Ergebnisse zur Detektion lateraler Verschiebungen
4.2 Einsatz von DSP-Methoden an räumlich phasengeschobenen Interferogrammen
4.2.1 Verschiebungsmessung an räumlich phasengeschobenen Interferogrammen
4.2.2 Charakterisierung und Optimierung des Experimentalaufbaus
4.2.2.1 Specklegröße dSp
4.2.2.2 Mittlere Intensität I
4.2.2.3 Intensitätsverhältnis zwischen Referenz- und Objektwelle
4.2.2.4 Defokussierung
4.2.2.5 Einfluss axialer Verschiebungen
4.2.2.6 Detektion nicht einheitlicher Verschiebungen
4.2.3 Diskussion der experimentellen Ergebnisse zur Charakterisierung und Optimierung des Experimentalaufbaus
4.3 Kompensation lateraler Dekorrelationseffekte
4.4 Anwendung
4.4.1 Untersuchungen an Gewebephantomen
4.4.2 Untersuchungen an biologischen Proben durch mikroskopische SPS ESPI/DSP
4.4.2.1 Untersuchungen bei Auflichtbeleuchtung
4.4.2.2 Tumoröse humane Leberzellen in Durchlichtbeleuchtung
5 Ausblick
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung, ob die Kombination der Digitalen Speckle-Photographie (DSP) mit der räumlich phasenschiebenden Elektronischen Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI) die quantitative Erfassung dreidimensionaler Verschiebungen erlaubt. Dabei soll insbesondere die Detektion lateraler Verschiebungskomponenten sowie die Kompensation von Dekorrelationseffekten in der ESPI-Interferometrie realisiert werden.
- Kombination von DSP und räumlich phasenschiebender ESPI zur 3D-Verformungsanalyse.
- Entwicklung und Optimierung von Algorithmen zur Subpixel-genauen Bestimmung lateraler Verschiebungen.
- Rekonstruktion der Objektwellenintensität mittels Modulationsmethode (MOD) und Fouriertransformationsmethode (FTM).
- Kompensation von Dekorrelationseffekten bei der interferometrischen Verformungsmessung.
- Anwendung des Verfahrens an technischen Oberflächen sowie an biologischen Proben unter mikroskopischer Beobachtung.
Auszug aus dem Buch
2.2.2 Digitale Kreuzkorrelation
Die im vorangehenden Abschnitt erläuterte Bestimmung lateraler Verschiebungen unter Anwendung der klassischen Speckle-Photographie erfolgte durch Abbildung des Fourier-Spektrums einer doppelbelichteten Photoplatte. Wird bei der Specklefeldaufnahme ein digitaler Rasterbildsensor verwendet, so erfolgt die Bestimmung der lateralen Verschiebung durch den Einsatz der digitalen Kreuzkorrelation.
Das Prinzip der Detektion lateraler Verschiebungen mit Hilfe eines Kreuzkorrelationsalgorithmus ist in Abb. 2.2 anhand computergenerierter Testbilder veranschaulicht. Auf zwei lateral (hier in x-Richtung) gegeneinander verschobene digitalisierte Bilder (Abb. 2.2 oben) wird ein Kreuzkorrelationsalgorithmus angewendet. Die in Abb. 2.2 (unten) gezeigete resultierende zweidimensionale Kreuzkorrelationsmatrix, welche zur Darstellung in Grauwerte transformiert wurde, ist ein Ähnlichkeitsmaß der beiden Bilder für verschiedene Verschiebungen. Hierbei entsprechen die Bildkoordinaten der Matrix der x- und y-Komponente der Verschiebung und der zugehörige Grauwert dem Grad der Ähnlichkeit der Bilder. Aus der Kreuzkorrelationsmatrix lässt sich durch Bestimmung der Koordinaten des Wertes mit maximaler Ähnlichkeit die zwischen den beiden Bildern erfolgte laterale Verschiebung ermitteln. Aus diesen Koordinaten und unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabs bei der Bildaufnahme kann die mittlere Verschiebung der untersuchten Objektoberfläche errechnet werden. Teilt man die Bilder in Unterbereiche auf, auf die jeweils Kreuzkorrelationsalgorithmen angewendet werden, können auch nicht einheitliche laterale Verschiebungen der Objektoberfläche als Verschiebungsfeld erfasst werden (siehe Kap. 4.2.2.6). Die Teilbereiche der Bilder werden im Folgenden als Unterbilder bezeichnet.
Bei der Unterteilung der zu analysierenden Bilder in Unterbilder muss ein Kompromiss zwischen lateraler Auflösung (kleine Unterbilder) und hoher Präzision bei der Verschiebungsdetektion (große Unterbilder) gefunden werden (siehe Kap. 4.1.2.1). Des Weiteren ist das Nyquist-Theorem zu beachten, welches besagt, dass mit einer Unterbildgröße N die maximale messbare Verschiebung N/2 beträgt [FB02].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Darstellung der Problemstellung und Motivation für die Kombination von SPS ESPI und DSP zur quantitativen Erfassung dreidimensionaler Verschiebungen bei dynamischen Prozessen.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der physikalischen Basis, insbesondere des Speckle-Effekts, der DSP-Methodik sowie der räumlich phasenschiebenden Interferometrie und der Rekonstruktionsverfahren.
3 Experimentelle Methoden: Beschreibung des Versuchsaufbaus und der implementierten Algorithmen zur Subpixel-genauen Detektion lateraler Verschiebungen sowie der Phasenbestimmung.
4 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion: Präsentation der experimentellen Daten zur Charakterisierung der DSP-Parameter, der Rekonstruktionsmethoden und der Anwendung auf technische und biologische Proben.
5 Ausblick: Diskussion potenzieller zukünftiger Entwicklungen, insbesondere hinsichtlich der 3D-Verschiebungsmessung und der Echtzeit-Optimierung der Algorithmen.
6 Zusammenfassung: Zusammenfassende Darstellung der erzielten Ergebnisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der kombinierten Messsysteme und der erreichten Präzision.
Schlüsselwörter
Digitale Speckle-Photographie, DSP, Elektronische Specklemuster-Interferometrie, ESPI, räumlich phasenschiebende Interferometrie, Kreuzkorrelation, Subpixel-Genauigkeit, Objektwellenrekonstruktion, Fouriertransformationsmethode, Modulationsmethode, Dekorrelation, Oberflächenverformung, Mikroskopie, Bildverarbeitung, Messgenauigkeit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der methodischen Zusammenführung von Digitaler Speckle-Photographie (DSP) und der räumlich phasenschiebenden Elektronischen Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI), um eine quantitative Erfassung dreidimensionaler Verformungen zu ermöglichen.
Welches sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Im Fokus stehen die Optimierung von Korrelationsalgorithmen zur Verschiebungsdetektion, die Rekonstruktion von Objektwellen aus interferometrischen Daten und die Korrektur von Messfehlern durch Dekorrelation bei Oberflächenverformungen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, zu untersuchen, ob die Kombination der beiden genannten Verfahren es ermöglicht, laterale Verschiebungskomponenten quantitativ zu detektieren und Dekorrelationseffekte in der ESPI-Messung effizient zu kompensieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Es werden Methoden der digitalen Bildverarbeitung, insbesondere Kreuzkorrelationsalgorithmen mit Subpixel-Interpolation und Fouriertransformationsmethoden, zur Analyse von Speckle-Interferogrammen eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst den experimentellen Aufbau, die Charakterisierung und Optimierung der DSP-Parameter (z.B. Unterbildgröße, Specklegröße) sowie die praktische Anwendung an technischen Objekten und biologischen Proben wie Gewebephantomen und Zellkulturen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Speckle-Interferometrie, Digitale Speckle-Photographie, Subpixel-Genauigkeit, Phasenrekonstruktion, Dekorrelation und mikroskopische Verformungsmessung charakterisiert.
Warum wird die Subpixel-Interpolation benötigt?
Die Subpixel-Interpolation ist notwendig, da die reine Detektion von Verschiebungen in einer diskreten Matrix auf Ganzzahlwerte beschränkt ist, was die Messpräzision limitieren würde. Die Anpassung einer Parabel an den Korrelations-Peak steigert die Genauigkeit signifikant.
Welche Rolle spielt die Modulation der Interferogramme?
Die Modulation ist ein entscheidender Parameter zur Analyse der Objektwellenintensität. Die Bestimmung der Modulation ermöglicht die Rekonstruktion der Intensitätsverteilung, was wiederum für die Anwendung der DSP auf interferometrische Daten erforderlich ist.
Wie wird der Einfluss von Dekorrelationseffekten minimiert?
Durch die Anwendung der in den Teilbildern gemessenen Verschiebungsdaten können die Interferogramme des verformten Zustandes durch Rückschiebung exakt zur Überdeckung gebracht werden, wodurch die Korrelation der Specklefelder wiederhergestellt und das Rauschen in der Differenzphase reduziert wird.
Sind die Methoden auch auf biologische Proben anwendbar?
Ja, die Arbeit demonstriert die Anwendbarkeit der mikroskopischen SPS ESPI/DSP sowohl bei Auflichtbeleuchtung an fixiertem Gewebe als auch in Durchlichtanordnung bei der Beobachtung von lebenden, humanen Leberzellen.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Phys. Patrik Langehanenberg (Autor:in), 2005, Anwendung von Methoden der Digitalen Speckle-Photographie bei der räumlich phasenschiebenden Elektronischen Specklemuster-Interferometrie, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/128308
