3D Bildgebung durch haarfeine optische Faser

Forschende haben ein Endoskop entwickelt, das die 3D-Bildgebung mit nahezu Videoraten durch eine einzelne Glasfaser vom Durchmesser eines Haares ermöglicht. Das Verfahren kann in Zukunft von der industriellen Inspektion bis hin zur Umweltüberwachung eingesetzt werden und hat das Potential die medizinische Bildgebung zu revolutionieren. Das System wurde von einem internationalen Team unter Leitung der Optikgruppe der Universität Glasgow entwickelt. Die zugrundeliegende Technologie wird seit über zehn Jahren von Prof. Tomáš Čižmár erforscht und ist Gegenstand seiner Arbeit in der Abteilung Faserforschung und -technologie am Leibniz-Institut für Photonische Technologien.

„Gemeinsam mit unseren Forschungspartnern ist es uns gelungen, ein sehr dünnes Faserendoskop zu entwickeln, mit dem wir Szenen aufnehmen können, die bis zu mehrere Meter entfernt stehen“, fasst Tomáš Čižmár die Ergebnisse des internationalen Forschungsteams zusammen. „Das erreichen wir, in dem wir unsere Mikroendoskope mit dem Lichtlaufzeitverfahren unsere Kolleginnen und Kollegen in Glasgow kombinieren.“

„Wenn sich Licht durch eine optische Faser bewegt, kommt es auf der anderen Seite nicht in der gleichen Form wieder heraus. Stattdessen wird es völlig verzerrt, so dass das Senden von Bildern durch die Faser selbst nicht funktioniert,“ erklärt Tomáš Čižmár. „Wir haben eine Methode erforscht, um das in die Faser eintretende Laserlicht so zu strukturieren, dass am Faserende ein einzelner Lichtpunkt erscheint. Damit rastern wir die aufzunehmende Szene Pixel für Pixel ab und messen dabei die Lichtintensität an den jeweiligen Punkten. Diese Informationen werden anschließend am Computer zusammengesetzt und es entsteht eine zweidimensionale Abbildung.“

Die Forschenden aus Glasgow ergänzen die Mikroendoskopie mit einem Lichtlaufzeitverfahren, um neben 2D-Reflexionsbildern auch Tiefeninformationen zu erhalten. Ihre Technik ermittelt die Tiefe durch die Messung der Umlaufzeit eines Laserpulses, der von der Szene reflektiert wird. „Durch den Einsatz eines gepulsten Lasers wird die Laufzeit des Lichts und damit die Entfernung jedes Pixels im Bild gemessen. Die Technologie der präzisen Flugzeitmessung ermöglicht es dem System so, vollständige 3D-Punktwolken zu erstellen, ähnlich wie bei LiDAR,“ erläutert Dr. Sergey Turtaev, Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe Holographische Endoskopie am Leibniz-IPHT.

Die 3D-Bilder können mit einer Auflösung im Millimeterbereich aufgenommen werden und bieten Bildraten, die hoch genug sind, um Bewegungen in annähernder Videoqualität wahrzunehmen: Die Forschenden bilden bewegte Objekte ab, die sich mehrere Meter vor dem Ende einer etwa 40 Zentimeter langen Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 Mikrometern befinden, bei Bildfrequenzen von etwa 5 Hertz.

Derzeit muss die multimodale Faser nach der Kalibrierung in einer festen Position verbleiben. In einem nächsten Schritt werden die Forschenden sich damit befassen, wie die Kalibrierungszeit verkürzt werden kann, um das Faserendoskop bewegen, biegen und verdrehen zu können. „Mit unserer Veröffentlichung im Fachjournal Science haben wir einen wichtigen Meilenstein erreicht. Wir forschen nun daran, wie wir die Flexibilität der Faser erhalten und nutzen können. Sobald die Technologie weit genug entwickelt ist, kann sie vielseitig in der Praxis eingesetzt werden, z.B. beim autonomen Fahren, bei Sicherheitsanwendungen und schlussendlich auch in der Medizin“, gibt Prof. Tomáš Čižmár einen Ausblick.

Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der University of Glasgow, der University of Exeter, dem Fraunhofer Centre for Applied Photonics Glasgow, dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien und dem Institute of Scientific Instruments of the Czech Academy of Sciences.

Die Veröffentlichung mit dem Titel ‘Time-of-flight 3D imaging through multimode optical fibres’, wurde im Fachjournal Science publiziert.

Gefördert wurde das Projekt mit Mitteln des Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), des European Research Council (ERC), der Royal Academy of Engineering, des UK National Quantum Technology Programme (NQTP) und der Royal Society.

Leibniz-Institut für Photonische Technologien

Im Mittelpunkt der Forschung am Leibniz-IPHT steht das Licht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen innovative photonische Verfahren und Werkzeuge für die Anwendung in der klinischen Diagnostik, etwa der Infektions- und Krebsdiagnostik, der Pharmazie und Prozesskontrolle sowie in der Lebensmittel- und Umweltsicherheit. Ein wesentliches Ziel ist es, die Translation zu beschleunigen: die Umsetzung von Forschungsergebnissen in die Praxis — from Ideas to Instruments.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Tomáš Čižmár
+49 (0) 3641 · 206-200
tomas.cizmar@leibniz-ipht.de

Originalpublikation:

Daan Stellinga, David B. Phillips, Simon Peter Mekhail, Adam Selyem, Sergey Turtaev, Tomáš Čižmár, Miles J. Padgett
Time-of-flight 3D imaging through multimode optical fibers, Science, 9 Dec 2021, Vol 374, Issue 6573, pp. 1395-1399
https://doi.org/10.1126/science.abl3771

www.leibniz-ipht.de

Originalpublikation: https://www.leibniz-ipht.de/de/3d-bildgebung-durch-haarfeine-optische-faser/