Hologram tomography for surface topometry (2003)

Die vorliegende Arbeit untersucht Methoden zur Erfassung der Form von Oberflachen mit Hilfe kurzgepulster Holographie unter besonderer Berucksichtigung der Anforderungen eines Einsatzes fur die medizinische Anwendung. Zur holographischen Oberflachenformerfassung wird zunachst das Interferenzmuster eines von der zu untersuchenden Oberflache gestreuten, gepulsten Lichtfeldes mit einer koharenten Referenzwelle in einer hochauflosenden photographischen Emulsion aufgezeichnet. Dieses sogenannte Hologramm projiziert im zweiten Schritt das dreidimensionale Lichtfeld des Objektes an den Ort des reellen Bildes, dessen raumliche Intensitatsverteilung mit Hilfe eines Streuschirmes und einer Kamera digitalisiert wird. Im Gegensatz zur direkten Messung steht so das Lichtfeld des Objektes f ur beliebige Zeitraume zur Verfugung. Aus dem rekonstruierten Objektlichtfeld wird die Oberflachenform des Objektes rekonstruiert. Verschiedene Methoden zur Bestimmung der Oberflache werden in der Arbeit entwickelt und bezuglich ihrer Tauglichkeit fur die medizinischen Anwendung verglichen. Zur Nutzung der Perspektive der Hologramm-Rekonstruktion werden zwei Methoden vorgestellt: die Mehrperspektiven-Aufzeichunng durch Planspiegel und die Generierung von Perspektive durch partielle Hologramm-Abdeckung. Letztere erlaubt die Oberflachenbestimmung durch Vielperspektiven-Gradientenmitteln (engl. multi-perspective gradient averaging, MUPEGA). Auserdem werden zwei rein numerische Methoden aus dem Bereich der Mikroskopie erstmals auf Hologramme angewendet: Das inverse Filtern schwacht die Unscharfe unfokussierter Bildpunkte durch die numerische Umkehrung der Abbildung ab. Das iterative Entfalten erreicht den gleichen Zweck mittels mehrfacher Simulation des Abbildungsvorganges mit anschliesender Korrektur des durch Vergleich mit den Messdaten ermittelten Fehlers. Da beide Methoden die Kenntnis der (inkoharenten) optischen Transferfunktion voraussetzen, wird eine analytische Form derselben hergeleitet. Weiterhin wird ein neuartiges, gewichtetes Scharfemas vorgestellt, das die bereits bekannte Methode der Oberflachenbestimmung durch das Auffinden der Punkte maximaler Bildscharfe verbessert. Experimentell bestimmt werden die maximale Geschwindigkeit, mit der sich Oberflachen wahrend der Aufnahme bewegen durfen (15.4 ± 0.4 m/s), die Punktabbildungsfunktion des holographischen Aufbaus und die minimal erreichbare Specklegrose auf menschlicher Haut (0.5 mm bei einem Kontrast von 0.5). Die Intensitatsverteilung des reellen Bildes wird sowohl durch inverses Filtern als auch durch iterative Entfaltung auf oberflachennahe Punkte reduziert, um die Lokalisierung selbiger zu erleichtern. Mehrere Objektansichten werden synchron mit Hilfe eines Planspiegels aufgezeichet, was eine Rekonstruktion des Objektlichtfeldes in einem groseren Raumwinkel ermoglicht. Mit Hilfe der die Mehrperspektiven (MUPEGA) Auswertung wird die hochste raumliche Auflosung (0.89 mm) aller vorgestellten Methoden erreicht. Eine erste Fallstudie, der holographischen Dokumentation einer operativen Korrektur einer Unterkiefer-Fehlstellung, zeigt die aus dem Verfahren der Hologramm-Tomographie erwachsenden Moglichkeiten. Erganzend wird im Anhang A die Erzeugung von Computermodellen mit voller Farbinformation behandelt.