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Endoskopische
Untersuchungen gewinnen sowohl im Maschinenbau, der Fein- und
Mikrotechnik als auch in verschiedenen Bereichen der Medizin zunehmend
an Bedeutung. Vielversprechende Anwendungen sind u. a. in der
zerstörungsfreien Prüfung von Innenräumen
technischer
Komponenten zu finden, die sich einer konventionellen Beobachtung
entziehen. Die Ermittlung geometrischer Eigenschaften an schwer
zugänglichen Stellen ist insbesondere im Verkehrsmittelbau von
grosser wirtschaftlicher Bedeutung. Durch die Kombination von
Endoskopie und holografischer Interferometrie lassen sich
zusätzlich festkörpermechanische Daten wie
Dehnungsfelder und
Materialparameter gewinnen, so dass sich das Anwendungsgebiet
klassischer endoskopischer Prinzipien deutlich erweitert.
Prinzip der
digitalen Holografie |
Zur
Aufzeichnung von digitalen Hologrammen wurden verschiedene Prinzipien
und Anordnungen vorgeschlagen. In diesem Beitrag beziehen wir uns auf
einen Aufbau gemäss Bild 1. Es handelt sich um eine Anordnung,
die
zur Aufnahme eines klassischen off-axis Hologramms verwendet wird. Die
Besonderheit liegt darin, dass bei digitaler Holografie ein
Aufzeichnungsmedium in Form eines CCD- oder CMOS-Chips Verwendung
findet. Diese Sensoren verfügen über eine
räumliche
Auflösung, die wesentlich geringer ist als die
photographischer
Filme. Aus diesem Grund wird eine spezielle Geometrie für die
Hologrammaufnahme verwendet, die den Sensor in die Lage versetz, die
Interferenzen zwischen Objekt- und Referenzwelle zu registrieren.
Bezeichnen wir mit r(x,y) die Referenwelle und mit u(x, y) die
Objektwelle, dann gilt für die registrierte
Intensität:
I(x,y)=|r(x,y)|2 + |u(x,y)|2 + r(x,y)u*(x,y) + r*(x,y)u(x,y)
wobei * die komplexe Konjugation bezeichnet. Die Intensität
I(x,y)
(Hologramm) wird im Rechner gespeichert und weiter verarbeitet.
Für unsere Zwecke ist lediglich die Amplitude und Phase der
Objektwellenfront u(x,y) von Interesse. Zusätzlich treten
jedoch
weitere unerwünschte Terme auf, die u(x,y) überlagert
sind.
Um den Term r*(x,y)u(x,y) zu isolieren, wird die
2D-Fouriertransformierte von I(x,y) berechnet. Damit ergibt sich die
Möglichkeit, die 4 Terme in I(x,y) zu separieren. Bild 2 zeigt
schematisch, wie Amplitude und Phase der Objektwellenfront berechnet
werden. Wenn Amplitude und Phase der Objektwellenfront in einer Ebene
bekannt sind, dann lässt sich unter Verwendung von
Beugungsintegralen die Amplitude und Phase in anderen Ebene berechnen.
 | Bild
1.
Aufbau für digitale Holografie mit einer Punktquelle als
Referenz. |
|  | Bild 2:
Auswertung
eines digitalen Hologramms |
Kombination
zwischen Pulsholografie und kommerziell erhältlichen Endoskopen |
|---|
Das
holographische System, wird an ein starres bzw. flexibles Endoskop
angekoppelt. Entsprechende Aufbauten sind in Abbildungen 3a und 3b
dargestellt. Der Strahl eines gepulsten Lasers wird in eine Objekt- und
eine Referenzwelle aufgeteilt. Als Lichtquelle wurde ein Rubin Laser
verwendet (Pulslänge 30 ns, Pulsabstand zwischen 1
µs und
600 µs). Sowohl die Objektbeleuchtung als auch die
Zuführung
der Referenzwelle erfolgen durch optische Fasern. Die
Intensitätsverteilung (Hologramm) wird mit Hilfe einer CCD
Kamera
registriert.  |
Bild 3:
Optischer
Aufbau mit (a) starrem und (b) flexiblem faseroptischen
Endoskop zur endoskopischen Untersuchung mit gepulster digitaler
Holografie |
Um die Fähigkeit des
endoskopischen Systems zu
prüfen, wurden
Messungen an verschiedenen Teilen durchgeführt .In einem
Experiment wurde ein Kompressor im Betriebszustand vermessen. Als
starres Endoskop wurde ein Swing Prism Borescope (Karl Storz) mit einer
Länge von 0.5 m und einem Durchmesser von 6 mm verwendet. An
einer
Seite des Geräts liegen schlitzförmige
Eintrittsöffnungen vor, in die das Endoskop
eingeführt werden
konnte (s. Bild 4a). Ein Bild der untersuchten Fläche
innerhalb
der Pumpe ist in 4b gezeigt. Auf der rechten Seite von Bild 4b ist ein
Teil des Kolbens zu sehen. Während des Pumpbetriebes bewegt
sich
der Kolben mit einer Frequenz von 50 Hz vorwärts und
rückwärts. Bei Verwendung der gepulsten digitalen
holographischen Interferometrie können die dynamischen
Verformungen sichtbar gemacht werden. Zwei digitale Hologramme des
Innenraums der Pumpe wurden registriert, wobei der Laserpulsabstand 50
µs war. Nach der Subtraktion der berechneten Teilphasen
erhält man ein Streifenmuster (Bild 4c), das die Information
über die Verformung der Objektoberfläche zwischen den
zwei
Laserpulsen enthält. An der rechten Seite (Teilansicht des
Kolbens) beobachtet man eine höhere Streifendichte, woraus
geschlossen werden kann, dass sich der Kolben mit einer
höheren
Geschwindigkeit als die Umgebung bewegt. Dieses Beispiel zeigt, dass
die verwendete endoskopische Technik einen eleganten Zugang zur
Vermessung des Beanspruchungsverhaltens bewegter und schwer
zugänglicher Objektpartien liefert .
| Bild 4:
Messung innerhalb einer Pumpe (a). Bild des Objekts (b), Interferogramm
(c). |
Weitere
Untersuchungen wurden mit einem flexiblen Endoskop angestellt.
Zu diesem Zweck erfolgte die Integration eines Gerätes der Fa.
Schölly in eine Anordnung für gepulste digitale
Holografie.
Als Messobjekt diente eine einfache Getränkedose, die mit
einer
Frequenz von 622 Hz (Resonanzfrequenz einer Schwingungsmode) angeregt
wurde. Die Resultate sind in Bild 5 dargestellt.  |
Bild 5:
Messung innerhalb einer schwingenden Getränkedose mit einem
flexiblen Endoskop. Schwingungsfrequenz 622 Hz. a) Phasenbild,
b)
Pseudo-3D‑Darstellung der Schwingung. Pulsabstand
200 µs. |
Miniaturisierung
eines elektronischen holographischen Endoskop |
|---|
Die
oben behandelten Aufbauten verwenden konventionelle Endoskope, an die
proximal ein holografisches Messsystem angekoppelt wurde. Eine weitere
Möglichkeit ergibt sich, wenn der holografische Sensor distal
angekoppelt wird und direkt in das Objekt eingeführt wird.
Damit
ergeben sich eine Reihe von praktischen Vorteilen für die
3D-Form-
und Verformungsmessung mittels Endoskopie. Vorraussetzung ist jedoch
eine drastische Miniaturisierung des holografischen Messkopfes, um es
in entsprechende Kavitäten (z. B. Motoren-, Turbinen- oder
Körperhohlräume) einführen zu
können.
Der prinzipielle Aufbau ist in Bild 6 schematisch dargestellt und
enthält eine Beleuchtungsquelle mit Faseranschluss
für
Objekt- und Referenzwelle. Ein Abbildungssystem bildet den Objektraum
auf den Miniatursensor ab. Die Intensitätsverteilungen
(Hologramme) werden wiederum mit Hilfe einer CCD- Kamera registriert.
Ein erster Prototyp mit einem Durchmesser von 18 mm ist in Bild 7
dargestellt. Die Abmessungen sind durch die CCD Fassung gegeben.
 | Bild 6:
Schematische
Darstellung des miniaturisierten Messkopf. |
| |
 | Bild 7:
Bild des gefertigten Prototyps. |
Mit
diesem Messkopf wurden bereits erste Messungen durchgeführt.
Ein
Beispiel ist im Bild 8 dargestellt, bei dem es sich um ein Objekt mit
einem kleinen Defekt handelt. Der Defekt verursacht eine
Diskontinuität in der Schwingung und kann durch das
Streifenbild
visualisiert werden. In der 3D Darstellung des Verschiebungsfeldes ist
diese Diskontinuität noch besser zu erkennen.  |
Bild 8
: Schwingungsmessung eines Objekts mit Defekt. Schwingungsfrequenz 2350
Hz. Streifenbild (a).
Pseudo- 3D Darstellung der Schwingungsvorgang (b).
| Durch
die fortschreitende Miniaturisierung der CCD-Chips ist eine
deutliche Reduzierung der Sensorgrösse realistisch. Bild 9
zeigt
einen Aufbau, bei dem eine wesentlich kleinere Kamera in einen
miniaturisierten holografischen Messkopf eingesetzt wurde. Der
Durchmesser beträgt in diesem Fall lediglich 6 mm. Erste
Messungen
wurden auch mit diesem Sensor durchgeführt. Die Resultate sind
in
Bild 10 dargestellt.  |
Bild 9 : Bild
des Prototyps, Durchmesser 6 mm. |
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| Bild 10:
Erste Ergebnisse, die mit dem in Bild 9 gezeigten Prototyp
gewonnen
wurden, a) Aufbau, b) Interferogramm. |
| [1] | S.
Schedin, G. Pedrini, H.J. Tiziani, F.M. Santoyo,
“All-fibre pulsed digital holography,” Opt. Comm.
165, 183-188, (1999). |
| | | [2]
|
S. Schedin, G. Pedrini, H. J. Tiziani,
“A comparative study of various endoscopes for pulsed digital
holographic interferometry”, Applied Optics-OT, Volume 40,
Issue
16, 2692-2697, June 2001 |
| | | [3]
| G.
Pedrini, M.
Gusev, S. Schedin, H. J. Tiziani, “Pulsed digital holographic
interferometry by using a flexible fiber endoscope”, Optics
and
Laser in Engineering 40, S. 487-499 2003 |
| | | [4]
|
G. Pedrini, I. Alexeenko, H. J. Tiziani,
"Pulsed endoscopic digital holographic interferometry for investigation
of hidden surfaces", Proc. SPIE, Vol 4933, 123-128, 2003 |
| |
| [5] |
G. Pedrini, I. Alexeenko, "Miniaturised optical
system based on digital holography", Proc. SPIE, Vol 5503, 493-498,
2004. | | |
| [6] |
G. Pedrini, I.
Alexeenko,
W. Osten, " Gepulste digitale Holografie für
Schwingungsmessungen
an schwer zugänglichen Oberflächen", Tech. Mess.
(eingereicht
2004) | | |
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