Multi-Wavelength Speckle Illumination Digital Holography for Parasitic-Reflection Suppression and Macroscopic Topography Reconstruction

Licht ist ein mächtiges Werkzeug, um die Welt zu vermessen. Wenn Wissenschaftler die exakte Form einer Oberfläche bestimmen wollen, nutzen sie oft eine Technik namens digitale Holografie. Diese Methode funktioniert, indem ein Laserstrahl in zwei Pfade aufgeteilt wird: Einer reflektiert an dem untersuchten Objekt, während der andere eine separate Route nimmt, bevor sie wieder zusammengeführt werden. Dort, wo die beiden Strahlen aufeinandertreffen, erzeugen sie ein Interferenzmuster – eine komplexe Karte aus hellen und dunklen Linien, die die Höhe und Textur der Oberfläche mit unglaublicher Präzision kodiert. Da die Lichtwellen so empfindlich sind, kann diese Technik Höhenänderungen detektieren, die kleiner als die Breite eines einzelnen Atoms sind. Doch diese extreme Empfindlichkeit ist auch ihre größte Schwäche. In jedem optischen System wandert Licht selten in einer perfekt geraden Linie. Es reflektiert an Linsen, Fenstern und der Rückseite von Objektträgern, wodurch unerwünschte Reflexionen entstehen, die sich mit dem Signal des Objekts vermischen. Diese „parasitären“ Reflexionen wirken wie das Rauschen bei einem Radio und erzeugen geisterhafte Muster, die das endgültige Bild verzerren und eine genaue Messung unmöglich machen.

Ein Team von Forschern der Universität Stuttgart und der Carl Zeiss AG hat einen neuen Weg entwickelt, dieses Rauschen zu verstummen, ohne die Klarheit der Messung zu verlieren. Sie kombinierten eine Technik namens Speckle-Beleuchtung mit einer Methode, die mehrere Farben des Lichts nutzt. Anstatt einen glatten, gleichmäßigen Lichtstrahl auf ein Objekt zu richten, verwendeten sie einen speziellen Diffusor, um das Licht in ein chaotisches, körniges Muster zu zerstreuen, das als Speckle-Feld bekannt ist. Durch das schnelle Wechseln dieses Musters viele Male und das Mitteln der Ergebnisse konnten sie die wahre Oberfläche des Objekts mathematisch isolieren und gleichzeitig die unerwünschten Reflexionen von anderen Oberflächen herausfiltern. Dieser Ansatz ermöglicht es ihnen, große, komplexe Objekte zu messen, die sich hinter Glas befinden oder raue Texturen aufweisen, und erreicht dabei eine Klarheit, die für diese Art von Technologie zuvor unerreichbar war.

Der Kern des Problems liegt darin, wie Licht reagiert, wenn es von mehreren Oberflächen reflektiert wird. Stellen Sie sich vor, Sie betrachten eine Münze durch ein dickes Stück Glas. Das Licht reflektiert von der Vorderseite des Glases, dann von der Rückseite des Glases und schließlich von der Münze selbst. In einem Standard-Laseraufbau treffen alle diese Reflexionen gleichzeitig an der Kamera ein, interferieren miteinander und erzeugen ein verwirrendes Durcheinander aus Wellen, das die tatsächlichen Merkmale der Münze verbirgt. Frühere Versuche, dies zu beheben, beinhalteten Lichtquellen mit sehr kurzen Kohärenzlängen, wie etwa Leuchtdioden (LEDs), was jedoch die Tiefe des messbaren Objekts einschränkte. Die Forscher braten nach einem Weg, die langreichweitigen Messfähigkeiten von Lasern beizubehalten und gleichzeitig das Rauschen durch die zusätzlichen Reflexionen herauszufiltern.

Um dies zu lösen, nutzte das Team einen Trick, der auf dem einzigartigen Verhalten von Speckle-Mustern basiert. Wenn Licht durch einen Diffusor fällt, erzeugt es eine zufällige, körnige Textur. Diese Textur ist hochspezifisch für die exakte Distanz, die das Licht zurücklegt. Wenn das Licht von einer Oberfläche reflektiert wird, die etwas näher oder weiter entfernt ist als das Hauptobjekt, wird das von ihm getragene Speckle-Muster völlig anders aussehen als das Muster des Hauptobjekts. Die Forscher richteten ein Experiment ein, bei dem sie hunderte von Hologrammen eines Objekts aufzeichneten, wobei sie den Diffusor jedes Mal leicht verschoben, um ein neues, einzigartiges Speckle-Muster zu erzeugen. Sie nutzten dann eine Referenzmessung eines perfekten Spiegels, um jedes dieser Bilder zu kalibrieren. Als sie all diese Bilder mathematisch kombinierten, summierte sich das Signal des Hauptobjekts, das im Verhältnis zur Referenz konsistent blieb, zu einem klaren und starken Signal auf. Die Signale der unerwünschten Reflexionen änderten sich jedoch mit jedem neuen Muster zufällig. Da sie nicht synchron mit dem Hauptobjekt waren, löschten sie sich gegenseitig aus und verblassten im Hintergrund wie Rauschen in einem überfüllten Raum.

Die Forscher testeten diese Methode in mehreren anspruchsvollen Szenarien. Zuerst betrachteten sie einen Standard-Objektträger, ein dünnes Stück Glas, das naturgemäß Licht von sowohl seiner Vorder- als auch seiner Rückseite reflektiert. Mit einem glatten Laserstrahl erzeugte die Reflexion der Rückseite starke, störende Streifen, die das Bild ruinierten. Als sie zu ihrer neuen Speckle-Methode wechselten und 100 verschiedene Muster mittelten, verschwanden diese Streifen und hinterließen eine saubere Sicht auf die Vorderseite. Sie fanden heraus, dass die Effektivität dieser Reinigung davon abhing, wie „körnig“ das Licht gemacht wurde; ein feineres, chaotischeres Muster unterdrückte das Rauschen besser. In ihrer besten Konfiguration reduzierten sie das Rauschen im Bild um den Faktor sechs im Vergleich zur Standardmethode.

Als Nächstes gingen sie zu einem komplexeren Objekt über: eine Fünf-Cent-Münze, die hinter einem Deckglas platziert war. Die Münze hat eine raue, unebene Oberfläche mit erhabenen Buchstaben und Designs. Das Deckglas fügte eine Ebene unerwünschter Reflexion hinzu, die mit Standardbeleuchtung die Details der Münze vollständig verdeckte und das Bild in ein chaotisches Wirrwarr aus Fehlern verwandelte. Mit der neuen Speckle-Technik kam die Münze klar zum Vorschein. Die Forscher maßen die Höhe der Münzenoberfläche und stellten fest, dass das Rauschen von über 54 Mikrometern auf nur 5 Mikrometer sank. Dies bedeutete, dass die feinen Details der Münze, die zuvor verborgen waren, nun mit hoher Präzision gesehen und gemessen werden konnten. Die Methode bewahrte erfolgreich die scharfen Kanten der geprägten Zahlen, während sie die geisterhaften Interferenzen des Glases entfernte.

Schließlich demonstrierte das Team, dass diese Technik Objekte messen kann, die eine große Distanz überspannen. Sie ordneten drei Metallblöcke in unterschiedlichen Höhen an, die durch Lücken von etwa 10 Millimetern getrennt waren, was einen Gesamtmessbereich von über 20 Millimetern ergab. Sie platzierten ein Deckglas vor den Blöcken, um dieselbe Art von parasitären Reflexionen einzuführen. Mit einem einzigen Kamerafokus konnten sie nicht alle drei Blöcke gleichzeitig klar sehen. Da die digitale Holografie jedoch eine „numerische Rekonstruktion“ (Numerical Refocusing) ermöglicht, konnten sie den Fokus computergestützt nacheinander auf jeden Block verschieben. Die Speckle-Methode stellte sicher, dass, wenn sie auf einen Block fokussierten, die Reflexionen des Deckglases und der anderen Blöcke unterdrückt wurden. Durch die Kombination von Messungen, die mit acht verschiedenen Laserwellenlängen aufgenommen wurden, konnten sie die Daten zu einer einzigen, kontinuierlichen 3D-Karte zusammenfügen. Das Endergebnis zeigte die drei Blöcke an ihren exakten bekannten Positionen mit einem Fehler von nur zwei Mikrometern, was bewies, dass die Methode große, mehrstufige Objekte ohne mechanisches Scannen handhaben kann.

Der Erfolg dieser Arbeit beruht auf einem empfindlichen Gleichgewicht. Die Forscher mussten sicherstellen, dass die Speckle-Muster unterschiedlich genug waren, um das Rauschen zu eliminieren, aber ähnlich genug, um die Details des Objekts zu bewahren. Sie fanden heraus, dass die Verwendung eines spezifischen Bereichs von Lichtmustern es ihnen ermöglichte, die unerwünschten Reflexionen von Oberflächen, die mehr als einen Millimeter entfernt waren, zu unterdrücken, während das Bild der Zieloberfläche scharf blieb. Dieser Ansatz erfordert weder das Bewegen der Kamera noch des Objekts, noch erfordert er die Änderung der Lichtquelle auf eine weniger leistungsstarke Quelle. Stattdessen nutzt er die Mathematik der Mittelwertbildung, um das Signal vom Rauschen zu trennen. Obwohl der Prozess das Erfassen tausender Bilder erfordert, was Zeit in Anspruch nimmt, öffnet er die Tür zur Messung komplexer, realer Objekte, die mit hochpräzisen optischen Werkzeugen zuvor zu schwer zu analysieren waren. Das Ergebnis ist eine robuste Methode, um die wahre Gestalt der Dinge zu sehen, selbst wenn sie hinter Glas verborgen oder von verwirrenden Reflexionen umgeben sind.