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
- Einleitung
- Theoretische Grundlagen
- Der Speckle-Effekt
- Digitale Speckle-Photographie (DSP)
- Prinzip
- Digitale Kreuzkorrelation
- Räumlich phasenschiebende Elektronische Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI)
- Interferometrische Detektion von Verschiebungen
- Räumliches Phasenschiebeverfahren
- Phasenrekonstruktion im Ortsraum
- Modulationsbestimmung im Ortsraum
- Auswertung im Frequenzraum
- Experimentelle Methoden
- Experimenteller Aufbau
- Digitale Speckle-Photographie (DSP)
- Detektion von lateralen Verschiebungen mit Subpixel-Auflösung
- Verschiebung von Bilddaten im Subpixelbereich
- Quantifizierung des Rauschens bei der Detektion lateraler Verschiebungen
- ESPI
- Einstellung des Phasengradienten β
- Bestimmung der Specklegröße dSp
- Differenzphasenbestimmung im Ortsraum
- Modulationsmethode (MOD)
- Fouriertransformationsmethode (FTM)
- Quantifizierung des Rauschens der Differenzphase
- Kompensation lateraler Dekorrelationseffekte
- Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
- Charakterisierung und Optimierung der Methoden zur Detektion lateraler Specklefeldverschiebungen
- Messablauf der Detektion lateraler Verschiebungen
- Charakterisierung und Optimierung der DSP-Methoden
- Unterbildgröße
- Für die Subpixel-Interpolation genutzter Bereich der Kreuzkorrelationsmatrix
- Anzahl der berücksichtigten Zeilen und Spalten der Kreuzkorrelationsmatrix
- Digitalisierungseffekte
- Diskussion der experimentellen Ergebnisse zur Detektion lateraler Verschiebungen
- Einsatz von DSP-Methoden an räumlich phasengeschobenen Interferogrammen
- Verschiebungsmessung an räumlich phasengeschobenen Interferogrammen
- Charakterisierung und Optimierung des Experimentalaufbaus
- Specklegröße dSp
- Mittlere Intensität I
- Intensitätsverhältnis zwischen Referenz- und Objektwelle
- Defokussierung
- Einfluss axialer Verschiebungen
- Detektion nicht einheitlicher Verschiebungen
- Diskussion der experimentellen Ergebnisse zur Charakterisierung und Optimierung des Experimentalaufbaus
- Kompensation lateraler Dekorrelationseffekte
- Anwendung
- Untersuchungen an Gewebephantomen
- Untersuchungen an biologischen Proben durch mikroskopische SPS ESPI/DSP
- Untersuchungen bei Auflichtbeleuchtung
- Tumoröse humane Leberzellen in Durchlichtbeleuchtung
- Charakterisierung und Optimierung der Methoden zur Detektion lateraler Specklefeldverschiebungen
- Ausblick
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Ziel dieser Diplomarbeit ist die Untersuchung der Möglichkeiten zur gleichzeitigen Detektion von lateralen und axialen Verschiebungen durch kombinierten Einsatz der räumlich phasenschiebenden Elektronischen Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI) und Digitaler Speckle-Photographie (DSP).
- Entwicklung und Charakterisierung von Verfahren zur Detektion von lateralen Verschiebungsfeldern aus Speckle-Interferogrammen
- Kompensation lateraler Dekorrelationseffekte bei der SPS ESPI durch Nutzung der lateralen Verschiebungsinformationen
- Optimierung der Parameter des Experimentalaufbaus für den kombinierten Einsatz von SPS ESPI und DSP
- Anwendung der entwickelten Methoden an Gewebephantomen und biologischen Proben
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 2: Vorstellung der theoretischen Grundlagen der Digitalen Speckle-Photographie (DSP) und der räumlich phasenschiebenden Elektronischen Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI).
- Kapitel 3: Beschreibung des Experimentalaufbaus zur kombinierten SPS ESPI/DSP und Darstellung der wichtigsten Parameter und Algorithmen.
- Kapitel 4: Präsentation der experimentellen Ergebnisse, darunter die Optimierung der Parameter des DSP-Algorithmus, die Charakterisierung des Experimentalaufbaus für den kombinierten Einsatz und die Anwendung der entwickelten Verfahren an Gewebephantomen und biologischen Proben.
Schlüsselwörter
Digitale Speckle-Photographie (DSP), räumlich phasenschiebende Elektronische Specklemuster-Interferometrie (SPS ESPI), laterale Verschiebungsmessung, Dekorrelation, Gewebephantome, biologische Proben, mikroskopische Interferometrie.
- Quote paper
- Dipl.-Phys. Patrik Langehanenberg (Author), 2005, Anwendung von Methoden der Digitalen Speckle-Photographie bei der räumlich phasenschiebenden Elektronischen Specklemuster-Interferometrie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/128308
