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Gegenstand
der Erfindung ist eine Anordnung zur optischen Tomographie.
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Solche
Anordnungen werden benötigt, um Untersuchungsobjekte mittels
tomographischer Methoden dreidimensional rekonstruieren zu können, vorzugsweise
wenn die Untersuchungsobjekte in gewissem Grade lichtdurchlässig
(opak) sind und/oder sie sich bewegen oder zeitlich verändern.
Entsprechende Verfahren werden unter anderem angewandt für
Mess- und Prüfzwecke in der Automatisierungstechnik, beim
Rapid Prototyping, im Werkzeugbau, beim Zell-Screening und Gewebezuchten
(Tissue Engineering) oder in der Biometrie.
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Bekannte
Verfahren, wie in Cone-beam tomography with a digital camera (
Daniel
L. Marks, Ronald Stack, Andrew J. Johnson, David J. Brady, David
C. Munson, Jr.: Cone-beam tomography with a digital camera. Applied
Optics IP. Vol. 40, Issue 11, S.1795–1805, April 2001.)
und in
US 2006/0187469 beschrieben,
lassen die Kamera um das Objekt herum rotieren. Das Objekt wird
dabei nacheinander auf eine gemeinsame Bildebene (zum Beispiel fotografischer
Film) abgebildet.
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Eine
Variante des Verfahrens besteht darin, dass lediglich ein Umlenkspiegel
um das Objekt herum rotiert und die Kamera stationär angeordnet
ist, wie in
US 6,788,807 beschrieben.
Die verschiedenen Ansichten werden bei diesen Anordnungen stets
sequentiell erzeugt. Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist,
dass speziell bei bewegten oder zeitlich veränderlichen
Objekten die Kamera oder der Spiegel nicht schnell genug um das
Objekt rotieren können.
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Möchte
man verschiedene Ansichten des Objektes zeitgleich auf der Bildebene
abbilden, liegt es nahe, für die verschiedenen Ansichten
je eine Kamera einzusetzen und alle Kameras synchron zu steuern,
jedoch bringt dies den Nachteil eines entsprechend hohen Aufwandes
mit sich.
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Bekannt
aus der stereoskopischen Fotografie sind Prismenanordnungen, bei
denen das Objekt aus zwei verschiedenen Richtungen aufgenommen wird
und nebeneinander auf die Bildebene abgebildet wird. In
US 6,721,500 wird eine Anordnung
aus einem Prisma und fest stehenden Spiegeln vorgeschlagen, um das
Objekt zeitgleich aus zwei verschiedenen Winkeln auf den Sensorchip
einer CCD-Kamera abzubilden. In
DE
295 06 676 wird eine Anordnung zur berührungslosen
Vermessung von Werkstücken beschrieben, bei dem ein Spiegelkranz aus
vier, jeweils um 45° geneigten Spiegeln beschrieben wird.
Zweck ist dabei allerdings keine tomographische Rekonstruktion,
sondern lediglich die (unmittelbare) geometrische Vermessung von
Werkstücken.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, ein Untersuchungsobjekt gleichzeitig
aus verschiedenen Richtungen in der Bildebene einer vorzugsweise
digitalen Kamera nebeneinander bzw. örtlich getrennt abzubilden,
um aus dieser Abbildung dann mittels mathematischer Operationen
ein räumliches Abbild des Untersuchungsobjektes erzeugen
zu können. Das Untersuchungsobjekt soll sich dabei schnell
zeitlich verändern oder bewegen, ohne das Veränderungen
der optischen Aufnehmer (Kamera) oder der Spiegel notwendig sind.
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Die
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Anordnung gelöst.
Mögliche Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung wird anhand von Abbildungen und möglichen Ausführungsbeispielen
beschrieben:
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1 zeigt
die Gesamtanordnung.
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2 zeigt
den Strahlengang einer Schnittdarstellung der 1.
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3 zeigt
die Strahlenbündel an einem Spiegel 1
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4, 5 und 6 zeigen
mögliche Ausführungsformen der Anordnung.
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7 zeigt
den Strahlengang zur Ausführungsform, die in 5 dargestellt
ist.
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8 zeigt
eine sphärische Spiegelanordnung.
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9 zeigt
den Strahlengang zur Ausführungsform, die in 8 dargestellt
ist.
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10 und 11 zeigen
mögliche Ausführungsformen bei Verwendung zusätzlicher
optischer Aufnehmer 5.
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1 zeigt
die Anordnung von Spiegeln zur optischen Tomographie. Die für
die Erfassung von dreidimensionalen Objekten benutzte Anordnung
besteht notwendigerweise aus mehreren Spiegeln 1, einem
Untersuchungsobjekt 2 und mindestens einem optischen Aufnehmer 5.
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Das
Untersuchungsobjekt 2 befindet sich im günstigsten
Fall im zentralen Bereich des Spiegelkranzes 1. Das Untersuchungsobjekt 2 kann
sich in einem Gefäß 3 befinden, vor allem,
wenn
- • das Untersuchungsobjekt 2 in
keinem festen Aggregatszustand vorliegt oder,
- • es sich in flüssigen oder gasförmigen
Medien bewegt oder,
- • es in einem Gefäß 3 enthalten
sein muss.
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Der
vorzugsweise kreisförmige Spiegelkranz 1 besteht
aus mehreren ebenen oder gekrümmten Spiegeln, welche voll
reflektierend oder teilweise lichtdurchlässig sein können.
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Ein
optischer Aufnehmer 5 ist so platziert und orientiert,
dass pro Aufnahme alle Spiegel 1 erfasst werden, wobei
das Untersuchungsobjekt 2 über jeden der Spiegel 1 aus
einer anderen Richtung erkennbar ist und auf die Bildebene 6 abgebildet
wird.
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Bei
der Verwendung mehrerer optischer Aufnehmer 5 können
diese so platziert werden,
- • dass
pro Aufnahme alle Spiegel 1 von jedem optischen Aufnehmer 5 erfasst
werden oder,
- • dass pro Aufnahme von jedem Aufnehmer 5 ein Bereich
von Spiegeln 1 erfasst wird, wobei ein erfasster Teilbereich
eines Aufnehmers auch von mindestens einem anderen Aufnehmer 5 erfasst werden
kann aber von allen Aufnehmern 5 zusammen auch alle Spiegel 1 erfasst
werden.
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Der
optische Aufnehmer 5 ist für die über
die Spiegel 1 führenden Strahlwege auf das Untersuchungsobjekt 2 fokussiert.
Erforderlichenfalls erscheint das Untersuchungsobjekt 2 vor
dem Hintergrund 4. Dieser Hintergrund 4 sollte
optisch homogen sein. Falls das Untersuchungsobjekt 2 Licht
aussendet, indem es entweder selbst leuchtet oder indirekt beleuchtet
ist, sollte der Hintergrund 4 möglichst dunkel
oder schwarz gewählt werden. Falls das Untersuchungsobjekt 2 das
Licht schwächt oder absorbiert, muss der Hintergrund 4 entweder
selbst leuchten oder indirekt beleuchtet sein. Bei der in 1 dargestellten
Anordnung der Spiegel 1 muss die Umgebung des optischen
Aufnehmers 5 dunkel sein, der optische Aufnehmer 5 muss
dunkel sein und der gegebenenfalls verwendete Hintergrund 4 muss
ebenfalls dunkel sein.
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Die
Schnittdarstellung in 2 verdeutlicht den optischen
Strahlengang der Anordnung, die in 1 dargestellt
ist.
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3 skizziert
ein Strahlenbündel auf seinem Weg über einen einzelnen
Spiegel 1 durch die Optik des optischen Aufnehmers 5,
welche in der 3 vereinfacht als Lochkamera
skizziert ist, bis in die Bildebene 6.
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Andere
Ausführungsformen als die in 1 gezeigte
Ausführungsform sind möglich.
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In 4 ist
eine Anordnung dargestellt, bei der die Spiegel 1 nur einen
Halbkreis bilden und der anderen Kreishälfte ein Hintergrund 4 zugeordnet
ist. Diese Anordnung kann auf Grund von räumlichen Einschränkungen
oder aus methodischer Zweckmäßigkeit sinnvoll
sein. Von jedem Spiegel 1 aus gesehen befindet sich dabei
unmittelbar hinter dem Untersuchungsobjekt 2 der Hintergrund 4.
Der Hintergrund 4 ist hierbei vorzugsweise zylindrisch.
Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der Anordnung von 1 ist,
dass von den Spiegeln 1 keine unbeabsichtigten Reflektionen
ausgehen können.
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Zur
umfassenderen Abbildung des Untersuchungsobjektes 2 können
die Spiegel 1 auch gemäß 5 in
mehreren Kreisen übereinander angeordnet sein. Dabei können
die Spiegelreihen direkt übereinander oder auch jeweils
versetzt angeordnet sein.
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Ist
das Gefäß 3 lang ausgedehnt, z. B. eine (durchsichtige)
Rohrleitung, so kann das aus den Spiegeln 1 und dem optischen
Aufnehmer 5 bestehende System entsprechend 6 gegenüber
der Rohrachse geneigt sein. Falls demgegenüber nur der optische
Aufnehmer 5 anders positioniert wird, müssen die
Spiegel 1 individuell auf diesen ausgerichtet werden, so
wie dies in der Schnittdarstellung in 7 angedeutet
ist.
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Die
Spiegel können auch sphärisch ausgeführt
sein, z. B. wie in 8 als spiegelnde Kugeln und
dabei vorzugsweise äquivalent zu 1 kreisförmig
oder entsprechend 4 im Halbkreis angeordnet. Kugeln
haben gegenüber den ebenen Spiegeln den Vorteil, dass sie
nicht speziell ausgerichtet zu werden brauchen. Da die aus Kugeln
bestehenden Spiegel 1 das Untersuchungsobjekt 2 (nicht
dargestellt) verkleinernd abbilden, müsste im Gegenzug ein
entsprechend höher auflösender optischer Aufnehmer 5 (ebenfalls
nicht dargestellt) verwendet werden. Ein Strahlenbündel
auf seinem Weg über einen einzelnen kugelförmigen
Spiegel 1 bis in die Bildebene 6 des optischen
Aufnehmers 5 skizziert 9.
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Die
Anordnung der Spiegel 1, wie in den vorhergehenden Anordnungen
beschrieben, können in gewissen Grade unregelmäßig
um das Untersuchungsobjekt 2 sein, d. h. es müssen
nicht zwingend Kreis- oder Ellipsenbahnen sein. Für die
weitere tomographische Auswertung ist es dann notwendig, den genauen
Standort der Spiegel zu kennen.
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Bei
Verwendung mehrerer optischer Aufnehmer 5 können
diese gemäß 10 so
angeordnet sein, dass sich jeweils ein optischer Aufnehmer 5,
ein teilweise durchlässiger Spiegel 1 und das
Untersuchungsobjekt 2 auf einer geraden Linie befinden.
Die Spiegel 1 können dabei, sofern sie sich jeweils
zwischen optischem Aufnehmer 5 und Untersuchungsobjekt 2 befinden,
wie in 10 angedeutet zur indirekten
Beleuchtung des Untersuchungsobjektes 2 dienen. Die 10 soll
das Prinzip am Beispiel eines Schnittbildes mit zwei optischen Aufnehmern 5 verdeutlichen.
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Sofern
sich das Untersuchungsobjekt 2 jeweils zwischen einem optischen
Aufnehmer 5 und einem Spiegel 1 befindet, kann
der Spiegel 1 zur Einspiegelung eines Hintergrundes 4 dienen,
wobei dieser beispielsweise entsprechend 11 von
seiner Rückseite her beleuchtet sein kann. In der 11 ist dies
analog zu 10 wieder als Schnittbild mit zwei
optischen Aufnehmern 5 verdeutlicht.
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Eine
weitere mögliche Anordnung ist die Verwendung mit mehr
als einem optischen Aufnehmer 5 in 1. Diese
Anordnung ist sinnvoll, wenn das Untersuchungsobjekt sehr klein
ist oder durch eigene oder erzwungene Bewegungen seinen „Standort" schnell
verändert, um die Genauigkeit zu erhöhen.
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Eine
weitere mögliche Ausführung ist, dass die verwendeten
Beleuchtungselemente 7 sich mit dem Untersuchungsobjekt 2 und
den transparenten Spiegelelementen 1 in einer gedachten
geraden Linie befinden. Dies hat den Vorteil, dass zum Beispiel bei
Anordnungen um Rohrleitungen örtlich fest definierte Beleuchtungsquellen 7 verwendet
werden. Um die Störung durch Querbebeleuchtungen bei mehreren
Anordnungen übereinander zu vermeiden, ist die Verwendung
eines Hintergrundes 4 zwischen Spiegeln 1 und
Beleuchtungselementen 7 denkbar, wobei dieser Hintergrund 4 in
den Bereichen der Spiegel durchlässig ist und in den anderen
Bereichen undurchlässig ist.
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Die
beschriebenen Anordnungen sind besonders geeignet für transparente
Untersuchungsobjekte 2. Das Untersuchungsobjekt 2 kann
gasförmig sein, beispielsweise Dampf, Rauch oder Flammen. Ist
es flüssig oder fest, beispielsweise in Wasser eindringende
Verunreinigungen oder in Wasser befindliche Kleinstlebewesen, so
befindet sich das Untersuchungsobjekt 2 vorteilhaft in
einem transparenten zylindrischen Gefäß 3 und
ist dabei von einer transparenten Flüssigkeit umgeben oder
in einer transparenten festen Substanz eingebettet. Bestandteil
des optischen Aufnehmers 5 kann je nach geometrischer Ausdehnung
des Untersuchungsobjektes 2 eine geeignete Optik sein.
Gegebenenfalls kann zwischen jedem einzelnen Spiegel 1 und
dem Untersuchungsobjekt 2 eine separate Optik angeordnet
sein.
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Ist
der optische Aufnehmer 5 eine Videokamera, so kann anhand
der beschriebenen Anordnung die zeitliche Veränderung eines
Untersuchungsobjektes 2 dreidimensional erfasst werden.
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- 1
- Spiegel
- 2
- Untersuchungsobjekt
- 3
- Gefäß
- 4
- Hintergrund
- 5
- Optischer
Aufnehmer
- 6
- Bildebene
- 7
- Beleuchtungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0187469 [0003]
- - US 6788807 [0004]
- - US 6721500 [0006]
- - DE 29506676 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Daniel L.
Marks, Ronald Stack, Andrew J. Johnson, David J. Brady, David C.
Munson, Jr.: Cone-beam tomography with a digital camera. Applied
Optics IP. Vol. 40, Issue 11, S.1795–1805, April 2001. [0003]