Hannover 2010 – wissenschaftliches Programm
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MO: Fachverband Molekülphysik
MO 20: Experimental Techniques I
MO 20.1: Preisträgervortrag
Donnerstag, 11. März 2010, 10:30–11:15, F 142
Speckle-Reduktion bei der Infrarotlaser-gestützten abbildenden Ferndetektion von TNT-Oberflächenkontaminationen — •Jan Kaster — Ludwig-Maximilians-Universität München – Träger des Georg-Simon-Ohm-Preises
Das Ziel der Diplomarbeit war die Speckle-Reduktion bei der Infrarotlaser-gestützten abbildenden Ferndetektion von TNT-Oberflächenkontaminationen. Für die Detektion wird die Probenoberfläche mit einem abstimmbaren Quantenkaskadenlaser bei verschiedenen Wellenzahlen im Spektralbereich von 1340cm−1 bis 1380cm−1 bestrahlt, während eine Infrarot-Kamera Bilder der bestrahlten Fläche aufzeichnet. Diese Bilder werden dann so verarbeitet, dass im Ausgabebild die chemisch spezifische TNT-Absorption durch eine Änderung der Helligkeit örtlich aufgelöst erkennbar wird.
Da kohärente Strahlung, welche an optisch rauen Oberflächen reflektiert und mit einem abbildenden System beobachtet wird aufgrund der stochastischen Verteilung der Oberflächenrautiefe eine ebenso lateral stochastische Phasenverteilung der Wellenfront aufweist, bildet sich eine entsprechende Interferenz der Punktspreizfunktionen auf dem bildgebenden Detektor aus – es entsteht ein „Rauschen“ in der aufgezeichneten Strahlungsleistungsverteilung, das sog. Speckle-Muster. Die Empfindlichkeit der oben skizzierten lasergestützten Messtechnik wird im Wesentlichen durch diesen Effekt limitiert.
Um die durch Laser-Speckles verursachten Rauschanteile zu reduzieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Durch Reduktion von zeitlicher und räumlicher Kohärenz der Strahlung wird deren Interferenzfähigkeit reduziert und durch Variieren des Speckle-Musters während einer Bildaufzeichnung führen Mittelungen unkorrelierter Rauschanteile zu einer weiteren Speckle- Kontrastreduktion. Letztere Möglichkeit resultiert daraus, dass Laser-Speckles statistisch durch die Familie der Gammaverteilungen beschrieben werden können und sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis demnach mit der Anzahl gemittelter, unkorrelierter Rauschmuster proportional nach S/N∝√N verhält, wobei N der Anzahl unkorrelierter Speckle-Muster entspricht.
Ein im MIR-Spektralbereich umsetzbarer Ansatz, der all diese Möglichkeiten berücksichtigt, wurde bereits 1971 von Lowenthal und Joyeux (Lowenthal, S. und Joyeux, D. Speckle Removal by a Slowly Moving Diffuser Associated with a Motionless Diffuser. Journal of the Optical Society of America. 1971, Bd. 61, 7, S. 847-851) vorgeschlagen und im Rahmen der Arbeit für den infraroten Spektralbereich adaptiert. Dazu wird die Strahlung mit zwei polykristallinen CVD-Diamant-Wafern moduliert; ein Wafer ist dabei stationär und der andere rotiert mit ca. 70Hz.
In der Diplomarbeit konnte mit diesem Ansatz eine Steigerung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses in der betrachteten Strahlungsleistungsverteilung von ursprünglich 3 auf etwa 45 erzielt werden. So konnten nach unserem Wissen erstmals TNT-Kontaminationen von nur 10µg/cm2 in einem Abstand von 5m abbildend nachgewiesen werden. Dies entspricht der Kontamination einer Oberfläche durch einen leicht mit TNT verunreinigten Fingerabdruck.