Speckle pattern displacement estimation in digital speckle photography

Abstract

Digitale Speckle Photographie ist eine optische, berührungslose Messtechnik, die auf der Beobachtung von Selbstinterferenzen kohärenter Lichtwellen im optischen Fernfeld beruht, welche durch kohärente Beleuchtung einer optisch rauen Oberfläche entstehen. Diese Interferenzmuster werden als Specklefelder bezeichnet und sind auf kleinste Verschiebungen der Oberflächenstruktur empfindlich. Die Verarbeitung mittels Kameras digitalisierter Specklemuster erlaubt eine schnelle und zuverlässige optische Messung von Starrkörperbewegungen.<br />Dies erlaubt eine schnelle und zuverlässige Verschiebungsmessung parallel zur Beobachtungsrichtung mit hoher Auflösung.<br />Diese Arbeit liefert eine detaillierte Beschreibung der Digitalen Speckle Photographie und vergleicht häufig eingesetzte Methoden hinsichtlich Geschwindigkeit und Genauigkeit der Messung von Specklemusterverschiebungen mit Subpixelauflösung. Diese Arbeit präsentiert weiters einen neuen Ansatz, der Subpixelgenauigkeit durch das Mitteln grober, dafür recheneffizienter Schätzungen über eine gewisse Anzahl einzelner Speckles erreicht. Ein Kalman Filter wird eingesetzt um den Einfluss des Messrauschens unter geschätzten Umgebungsbedingungen zu reduzieren. Um die Stärken der einzelnen Ansätze hinsichtlich Genauigkeit und Recheneffizienz aufzuzeigen, werden alle Algorithmen mittels computersimulierter Specklefelder und in mehreren Experimenten getestet.<br />

Digital Speckle Photography is an optical non-destructive measurement technique, which is based on the far-field observation of the self-interference of coherent light waves scattered on optically rough surfaces. The emerging interference patterns, so-called speckle fields, are very sensitive to fine-scale displacements of the scattering surface. Capturing such patterns with a digital camera allows high-resoluting, fast and reliable optical measurements of rigid body displacements of the specimen, which are parallel to the image plane.<br />This thesis gives a detailed description of Digital Speckle Photography and evaluates different state-of-the-art principles for accurate and fast registration of speckle field displacements. It further presents a novel approach for detecting speckle displacements with sub-pixel accuracy by tracking a certain number of speckles and averaging coarse but computational efficient displacement estimates. A Kalman filter is used to reduce the influence of measurement noise under approximately known dynamic behavior of the system. To reveal the strengths of the compared algorithms in terms of accuracy and computational effort, they are tested using simulated speckle fields and in laboratory experiments.<br />