Hochauflösende Thermographische Bildgebung

Das Sprichwort Ein Bild sagt mehr als tausend Worte verdeutlicht welch großer Informationsgehalt in Bildern steckt. Bildgebende Verfahren sind deshalb für wissenschaftliche Untersuchungen, in der Medizin, und auch in der Prüfung der Zuverlässigkeit von z.B. Flugzeugbauteilen extrem wichtig. In früheren Zeiten haben Bilder das gezeigt, was das menschliche Auge sehen konnte. Unter die Oberfläche zu blicken, was auch im übertragenen Sinn wesentlich ist, war nur für optisch durchsichtige Proben möglich. Dies hat sich schlagartig mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung geändert. Heutzutage wird nicht nur das sichtbare Licht, sondern die gesamte Bandbreite von Mikrowellen über Wärmestrahlung bis zu Röntgenstrahlung, aber auch z.B. sehr hochfrequente Schallwellen (Ultraschall) verwendet um unter die Oberfläche zu blicken. Bei all diesen Methoden gilt grundsätzlich: je tiefer hinein wir blicken möchten, umso mehr sehen wir kleinere Objekte verschwommen, d.h. umso schlechter wird die Auflösung. In der Mikroskopie ist die Auflösung durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts bzw. bei Ultraschall durch die Schall-Wellenlänge beschränkt. Diese 1873 von Ernst Karl Abbe entdeckte Auflösungsgrenze galt für mehr als 120 Jahre. Dann entdeckten Wissenschaftler, welche dafür mit dem Nobel-Preis ausgezeichnet wurden, dass dieses sogenannte Abbe- Beugungs-Limit überwunden werden kann. Eine Möglichkeit dazu ist die strukturierte Beleuchtung, bei der nicht das gesamte Objekt gleichmäßig beleuchtet, sondern einzelne Stellen unterschiedlich beleuchtet werden. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt. Dadurch werden im Mittel alle Stellen des Objektes gleichmäßig ausgeleuchtet. Durch einen Rekonstruktionsalgorithmus kann aus all diesen Bildern ein Super-Bild mit entsprechend hoher Auflösung errechnet werden. In diesem Projekt wird die Wärme genutzt, um unter die Oberfläche zu blicken. Eine starke Lichtquelle wie ein Laser wird z.B. im menschlichen Gewebe sehr stark in die verschiedensten Richtungen abgelenkt, d.h. gestreut und daher kann man nicht direkt in den Körper hineinsehen. Das gestreute Licht kann aber mehrere Zentimeter unter die Haut eindringen und dort das Licht absorbierende Strukturen wie Blutgefäße erwärmen. Diese Wärme breitet sich im Körper aus und kann an der Haut-Oberfläche gemessen werden. Durch eine genaue Messung der Temperatur an vielen Punkten der Oberfläche als Funktion der Zeit nach einem kurzen Lichtpuls, z.B. mit einer Infrarotkamera, ist es möglich die Strukturen im Inneren abzubilden. Hier gilt wieder je tiefer diese Strukturen unter der Oberfläche liegen umso verschwommener ist deren Abbildung. Durch strukturierte Beleuchtung im Inneren kann aber wieder ein Super-Bild mit hoher Auflösung errechnet werden. Dies ist das Ziel des Projekts. Die strukturierte Beleuchtung im Inneren soll durch Speckles automatisch erzeugt werden, die entstehen, wenn sich verschieden gestreute Lichtstrahlen des Lasers im Gewebe überlagern.

Das Sprichwort "Ein Bild sagt mehr als tausend Worte" verdeutlicht welch großer Informationsgehalt in Bildern steckt. Bildgebende Verfahren sind deshalb für wissenschaftliche Untersuchungen, in der Medizin, und auch in der Prüfung der Zuverlässigkeit von z.B. Flugzeugbauteilen extrem wichtig. In früheren Zeiten haben Bilder das gezeigt, was das menschliche Auge sehen konnte. "Unter die Oberfläche zu blicken", was auch im übertragenen Sinn wesentlich ist, war nur für optisch durchsichtige Proben möglich. Dies hat sich schlagartig mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung geändert. Heutzutage wird nicht nur das sichtbare Licht, sondern die gesamte Bandbreite von Mikrowellen über Wärmestrahlung bis zu Röntgenstrahlung, aber auch z.B. sehr hochfrequente Schallwellen (Ultraschall) verwendet um "unter die Oberfläche zu blicken". Bei all diesen Methoden gilt grundsätzlich: je tiefer hinein wir blicken möchten, umso mehr sehen wir kleinere Objekte verschwommen, d.h. umso schlechter wird die Auflösung. In der Mikroskopie ist die Auflösung durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts bzw. bei Ultraschall durch die Schall-Wellenlänge beschränkt. Diese 1873 von Ernst Karl Abbe entdeckte Auflösungsgrenze galt für mehr als 120 Jahre. Dann entdeckten Wissenschaftler, welche dafür mit dem Nobel-Preis ausgezeichnet wurden, dass dieses sogenannte Abbe-Beugungs-Limit überwunden werden kann. Eine Möglichkeit dazu ist die "strukturierte Beleuchtung", bei der nicht das gesamte Objekt gleichmäßig beleuchtet, sondern einzelne Stellen unterschiedlich beleuchtet werden. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt. Dadurch werden im Mittel alle Stellen des Objektes gleichmäßig ausgeleuchtet. Durch einen Rekonstruktionsalgorithmus kann aus all diesen Bildern ein "Super-Bild" mit entsprechend hoher Auflösung errechnet werden. In diesem Projekt wurde die Wärme genutzt, um unter die Oberfläche zu blicken. Eine starke Lichtquelle wie ein Laser wird z.B. im menschlichen Gewebe sehr stark in die verschiedensten Richtungen abgelenkt, d.h. gestreut und daher kann man nicht direkt in den Körper hineinsehen. Das gestreute Licht kann aber mehrere Zentimeter unter die Haut eindringen und dort das Licht absorbierende Strukturen wie Blutgefäße erwärmen. Diese Wärme breitet sich im Körper aus und kann an der Haut-Oberfläche gemessen werden. Durch eine genaue Messung der Temperatur an vielen Punkten der Oberfläche als Funktion der Zeit nach einem kurzen Lichtpuls, z.B. mit einer Infrarotkamera, ist es möglich die Strukturen im Inneren abzubilden. Hier gilt wieder je tiefer diese Strukturen unter der Oberfläche liegen umso verschwommener ist deren Abbildung. Durch strukturierte Beleuchtung im Inneren kann aber wieder ein "Super-Bild" mit hoher Auflösung errechnet werden. Dies war das Ziel des Projekts. Die strukturierte Beleuchtung wurde durch Phasen-Masken oder einzeln ansteuerbare Felder von kleinen Spiegeln erzeugt, wie sie in Beamern zur Projektion von Bildern verwendet werden.