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Endoskop-LIDAR: Ein Laserscanner mit einer nur haardicken Glasfaser

Die Optik dieses Laserscanners ist 100-mal kleiner als ein Schlüsselloch. Dennoch verspricht sie hoch aufgelöste 3-D-Aufnahmen in Sekundenschnelle.
Laser in einem Labor für Laser (Symbolbild)Laden...

Eine Gruppe um Miles Padget von der University of Glasgow hat einen Laserscanner entwickelt, der ähnlich wie LIDAR ein dreidimensionales Abbild der Umgebung liefert, seine Signale aber durch hauchdünne Glasfasern laufen lässt. Das verspricht eine Art Endoskop, mit dem man selbst durch winzigste Öffnungen filmen kann.

Details ihrer Entwicklung schildern Padget und Team in einer noch nicht begutachteten Veröffentlichung auf dem Preprint-Server arXiv. Grundgedanke des Systems ist es, einen Laserimpuls durch eine Glasfaser zu senden und dessen Reflexion mit einer weiteren Glasfaser aufzufangen. Die Zeitdauer zwischen Aussendung des Pulses und seinem reflektierten Echo verrät dann auf den Millimeter genau, wie weit der gefilmte Gegenstand entfernt ist. Noch aus einer Distanz von zweieinhalb Metern kann das System Aufnahmen anfertigen.

Die Technik funktioniert, weil die Wissenschaftler die Laserpulse sehr genau modulieren können. Deren Wellenfront ist so geformt, dass sie jeweils nur auf einen einzigen, frei wählbaren Punkt fokussiert sind. In ersten Tests gelang es ihnen damit, fünfmal in der Sekunde insgesamt 23 000 Punkte abzutasten und deren Entfernung zu messen. Daraus entsteht im Anschluss am Computer ein dreidimensionales Bild.

Original (links) und LIDAR-Aufnahmen (rechts)Laden...
Original (links) und LIDAR-Aufnahmen (rechts) | Abbildung 2 aus dem Paper der Gruppe um Padget zeigt, welche Aufnahmen das System liefert, selbst wenn das Objekt weiter entfernt ist. Orange gefärbte Punkte befinden sich näher an der Spitze der Glasfaser, dunkelblaue sind weiter weg.

Das größte Problem bei diesem Unterfangen besteht darin, dass die 40 Zentimeter lange Glasfaser den Laserpuls unterwegs stört, so dass die zuvor ausgeklügelte Modulierung an der Spitze in unbrauchbarem Zustand ankommt. Diese Schwierigkeit ist bislang auch nur teilweise gelöst. Padget und Team helfen dem ab, indem sie das System zunächst kalibrieren: Sie bestimmen, was aus einem vorgegebenen Signal nach seiner Passage durch die Faser wird, und rechnen dann rückwärts die Störungen heraus. Bei der eigentlichen Messung wird der Laserpuls dann vorab so geformt, dass erst die Störungen ihn zu dem gewünschten Signal verzerren.

Nachteil dieses Vorgehens ist, dass die Faser nach dieser Kalibrierung nicht mehr bewegt werden darf. Man benötigt also noch bis kurz vor der eigentlichen Aufnahme Zugang zu ihrer Spitze, was mit der Vorstellung nicht vereinbar ist, dass die Scans durch winzige Löcher erfolgen könnten, durch die man anderweitig nicht herankommt. Allerdings, so schreiben die Wissenschaftler in ihrem Paper, gebe es begründete Hoffnung, die von der Glasfaser verursachten Störungen künftig in Echtzeit und nur mit Zugang zum rückwärtigen Ende zu messen. Die nötige Korrektur könnte dann selbst bei einem sich ständig verbiegenden Endoskop durchgeführt werden.

Ein weiteres Problem stellt die Miniaturisierung der zweiten Glasfaser dar. Weil sie möglichst viel reflektiertes Licht sammeln muss, wird sie bis auf Weiteres noch deutlich dicker sein als diejenige, die den Laserpuls aussendet. Im Prototyp der Glasgower Gruppe hatte sie einen Durchmesser von 500 Mikrometern oder einem halben Millimeter. Dadurch summierte sich die Größe der kompletten Optik auf 600 Mikrometer auf – weit mehr, als ein menschliches Haar dick ist. Aber auch hier gebe es denkbare Alternativen, schreiben die Forscher. So könnte man eine Faser verwenden, die in ihrem Kern den Laserpuls aussendet und in ihrem Mantel das Lichtecho einfängt. In puncto Platzbedarf sei dies die effizienteste Lösung.

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