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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abbildungssystem, insbesondere
ein Abbildungssystem, das ein Bündel
von Lichtleitern umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
derartigen optischen Abbildungssystems. Weiterhin betrifft die vorliegende
Erfindung die Verwendung eines optischen Abbildungssystems zum Verfolgen
eines Objekts.
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Herkömmliche
Kameras umfassen eine abbildende Optik sowie eine planare Projektionsfläche. Während bei
herkömmlichen
analogen Kameramodellen zum Erstellen einer Abbildung ein Film auf der
Projektionsfläche
bzw. in der Bildebene positioniert wird, befindet sich bei Digitalkameras
an dieser Stelle ein Bildsensor, wie beispielsweise ein CCD Sensor
oder CMOS Sensor. Bei beiden Systemen erfolgt die Abbildung jedoch
auf eine planare Ebene. Um eine scharfe und unverfälschte Abbildung
zu erreichen, wird die abbildende Optik dabei derart ausgelegt,
dass sich auf der planaren Ebene möglichst ideale Abbildungsbedingungen
ergeben. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass eine derartige Auslegung und
Korrektor der abbildenden Optik mit einem hohen Aufwand und entsprechenden
Kosten verbunden ist.
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Das
Erzeugen einer Abbildung auf einer planaren Ebene weist jedoch weitere
Nachteile auf. Insbesondere treten diese bei der Abbildung von 3-dimensionalen
Objekten hervor. Dieses ist nachfolgend anhand von 1 veranschaulicht.
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Ein
Nachteil besteht darin, dass bei Verwenden einer planaren Abbildungsebene
ein Pixel am Bildrand eine andere Abbildungsgeometrie als ein Pixel
in der Bildmitte verkörpert.
Dies ist in 1 veranschaulicht, welche eine
Abbildungsoptik 11 mit einem Projektionszentrum 17 zeigt,
die Objekte in einer Ebene 6 auf die planare Abbildungsebene 5 abbildet. Das
Pixel P1 des planaren Bildsensors 16, der die Pixel P1
bis Pn aufweist, sieht dabei einen Abschnitt O2 eines Objekts in
der Ebene 6, wohingegen das Pixel Px ein Abschnitt O1 des
Objekts sieht. Neben dem auf Pixel Px abgebildeten Abschnitt O1
ist zum Vergleich der auf Pixel P1 abgebildete Abschnitt O2 dargestellt.
Das Pixel P1 „sieht” somit
in der Ebene 6 einen kleineren Abschnitt des Objekts als
Pixel Px. Für
zwei gleichgroße
Objekte, die sich in der Ebene 6 befinden, wobei das eine
in der Bildmitte und das andere am Bildrand angeordnet ist, entsteht
folglich die in 2 veranschaulichte Situation.
Wie in 2 gezeigt wird das Objekt O1 in der Bildmitte
der Ebene 6 auf den planaren Bildsensor 16 etwa über 6,2
Pixel (L1) abgebildet. Das Objekt O2, welches sich auf der Ebene 6 am
Bildrand befindet und die gleiche Größe wie Objekt O1 aufweist,
wird hingegen über
etwa 8,2 Pixel (L2) abgebildet. Zum Vergleich sind die Längen L1
und L2 in 2 gegenüber gestellt. Dieser Effekt tritt
bei Weitwinkelobjektiven besonders deutlich auf. Insbesondere weist
ein derartiges System keine winkeltreuen Abbildungseigenschaften
auf, so dass das vom Projektionszentrum 17 weiter entfernte
Objekt O2 auf dem Bildsensor 16 fälschlicherweise größer als
das Objekt O1 abgebildet wird.
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Derartige
Abbildungsfehler sind für
eine Reihe von Anwendungen nachteilig. Ein Beispiel dafür ist das
Erstellen einer Panoramaaufnahme. Dabei sind zum Zusammenfügen von
zwei nebeneinander aufgenommener Bilder in den nebeneinander liegenden
Bildern entsprechende Korrelationen vorzunehmen. Werden Objekte
in der Bildmitte und am Bildrand mit unterschiedlichen Größen abgebildet,
so treten Probleme beim Zusammenfügen der Bilder auf. Dieses
kann zwar mit heutiger Computertechnik durch entsprechende Transformationen
gelöst
werden, jedoch sind dafür
hohe Rechenzeiten erforderlich, und es können Artefakte entstehen.
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Eine
Möglichkeit,
derartige Abbildungsfehler zu reduzieren, ist die Verwendung einer
gekrümmten Abbildungsebene.
Damit kann in der Regel eine winkeltreue Abbildung erreicht werden,
so dass ein weiterer vom Projektionszentum 17 entfernt
liegendes Objekt in der Abbildungsebene auch kleiner abgebildet
wird als ein näher
positioniertes Objekt der gleichen Größe. Das Erstellen einer gekrümmten Abbildungsfläche kann
bei einem herkömmlichen
System beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Sensorfläche durch
mechanische Umformung in eine entsprechend gekrümmte Fläche, z. B. eine Kugelkalotte,
umgewandelt wird. Dieses setzt jedoch eine gewisse Elastizität des Sensors
voraus. Dementsprechend ist die Herstellung eines derartigen Sensors, als
auch die anschließend
erforderliche Umformung aufwendig. Ein derartiger elastischer gekrümmter Sensor
setzt flexible Zwischenelemente voraus, die die genannte Umformung
ermöglichen.
Auf Grund der elastischen Zwischenelemente können einzelne Pixel nicht direkt
nebeneinander gesetzt werden, so dass Zwischenräume entstehen. Dies führt zu einem schlechten
Füllfaktor
des Bildsensors, und folglich zu entsprechenden verschlechterten
Abbildungseigenschaften, wie beispielsweise einer verringerten Sensitivität. Bei der
Umformung können
weiterhin Inhomogenitäten
auftreten, so dass die Pixelgeometrie verschlechtert werden kann.
Somit weist ein derartiger gekrümmter
Bildsensor neben dem Aufwand und der hohen Kosten der Herstellung
auf weitere, abbildungsbezogene Nachteile auf.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf für
ein optisches Abbildungssystem, mit welchem sich auch mit einem
herkömmlichen
Bildsensor, wie beispielsweise einem CCD oder CMOS Sensor, Abbildungen ohne
die vorab genannten Abbildungsfehler erstellen lassen. Insbesondere
sollte die Größe von abgebildeten
Objekten beibehalten werden, wenn das Abbildungssystem so geschwenkt
bzw. gedreht wird, dass Objekte von der Bildmitte zum Bildrand wandern. Weiterhin
ist es wünschenswert,
dass das Abbildungssystem einen relativ einfachen, kompakten Aufbau
aufweist sowie einfach und kostengünstig herzustellen ist.
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Somit
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
optisches Abbildungssystem sowie ein Verfahren für dessen Herstellung bereit
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird mit Hilfe der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den
abhängigen
Ansprüchen
sind bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Abbildungssystem bereitgestellt.
Das optische Abbildungssystem umfasst eine Abbildungsoptik, die
ein Projektionszentrum aufweist, einen Bildsensor, der ausgestaltet
ist, um Licht ortsaufgelöst
zu detektieren, ein Bündel
von Lichtleitern, wobei erste Enden der Lichtleiter eine gekrümmte erste
Endfläche
des Bündels
bilden, die in einer Bildebene der Abbildungsoptik angeordnet ist,
und wobei zweite Enden der Lichtleiter eine zweite Endfläche des
Bündels
bilden, die dem Bildsensor gegenüberliegend
angeordnet ist. Das optische Abbildungssystem umfasst des weiteren
eine mechanische Halterung, an der die Abbildungsoptik, der Bildsensor
und das Bündel
von Lichtleitern befestigt sind, wobei die mechanische Halterung
derart ausgestaltet ist, dass das Abbildungssystem um ein Rotationszentrum
drehbar ist und dass das Projektionszentrum im Wesentlichen auf
dem Rotationszentrum liegt.
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Ein
derart ausgestaltetes Abbildungssystem kann eine gekrümmte lichtempfindliche
Fläche
bereitstellen, ohne einen gekrümmten
Bildsensor zu benötigen.
Somit können
bei Verwendung eines herkömmlichen
Bildsensors mit einem guten Pixel-Füllfaktor Abbildungsfehler vermieden
werden. Die Lichtleiter können
Licht, das von der Abbildungsoptik auf die gekrümmte erste Endfläche abgebildet
wird, zu dem Bildsensor weiterleiten, wodurch eine winkeltreue Abbildung
verwirklicht werden kann. Das Projektionszentrum kann beispielsweise
als der optische Mittelpunkt der Abbildungsoptik beschrieben werden,
der sich jedoch nicht in der physikalischen Mitte der Abbildungsoptik
befinden muss. Die Position hängt
beispielsweise von der Brennweite der Abbildungsoptik ab. Bei Drehung
des Abbildungssystems um das Projektionszentrum können Paralaxverschiebungen
minimiert werden. Das Projektionszentrum kann beispielsweise ein
vorderer oder ein hinterer Nodalpunkt sein. Nodalpunkte der Abbildungsoptik
sind beispielsweise die Punkte auf der optischen Achse der Abbildungsoptik,
auf die Lichtstrahlen, die im selben Winkel zur optischen Achse
in die Abbildungsoptik eintreten, wie sie sie auch wieder verlassen,
scheinbar zulaufen (vorderer Nodalpunkt) bzw. von dem sie scheinbar
ausgehen (hinterer Nodalpunkt). Das Projektionszentrum kann auch
der Schnittpunkt einer Hauptebene der Abbildungsoptik mit der optischen
Achse der Abbildungsoptik sein, beispielsweise wenn eine Abbildungsoptik
mit einem Linsenelement verwendet wird. Bei Verwendung einer Abbildungsoptik
mit mehreren Linsenelementen, wie beispielsweise eines Kameraobjektivs,
kann das Projektionszentrum auch auf den Schnittpunkt der Eintrittspupille
mit der optischen Achse der Abbildungsoptik liegen. Bevorzugt wird
eine Abbildungsoptik verwendet, bei der vorderer und hinterer Nodalpunkt
aufeinanderfallen und das Projektionszentrum bilden.
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Wird
mit dem Abbildungssystem beispielsweise eine Panoramaaufnahme erstellt,
so können Bildpaare
auf einfache Weise aneinander gefügt werden, da Abbildungsfehler
verringert bzw. vermieden werden. Auf eine entsprechende Bildverarbeitung, beispielsweise
durch Entzerrung, kann damit verzichtet werden. Weiterhin erleidet
die Geometrie von Objekten bei einer Drehung der Kamera um das Projektionszentrum
keine Verzerrung. Entsprechend kann durch die Drehung des Abbildungssystems
ein großes
virtuelles Bild erzeugt werden, welches größer als die eigentliche Fläche des
Bildsensors ist, wobei sich nahtlose Übergänge zwischen Teilbildern ergeben.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine vorhandene zentrale Perspektive
erhalten bleibt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die gekrümmte erste Endfläche eine
Vertiefung in Form eines Kugelsegments einer Kugel aufweisen, wobei
ein Mittelpunkt der Kugel im Wesentlichen auf dem Rotationszentrum
liegt. Bei einer winkeltreuen Abbildung eines Objekts durch das
Projektionszentrum auf die gekrümmte
erste Endfläche
des Lichtleiterbündels
können
damit auch bei Drehung des Abbildungssystems um das Rotationszentrum
Abbildungsfehler vermieden werden. Insbesondere kann die Geometrie
des abgebildeten Objekts in der Abbildung auch bei einer derartigen Drehung
erhalten bleiben.
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Die
ersten Enden der Lichtleiter, die die erste Endfläche bilden,
können
in Längsrichtung
im Wesentlichen senkrecht zu der gekrümmten ersten Endfläche angeordnet
sein. Damit kann sichergestellt werden, dass ein auf die Mitte der
gekrümmten
ersten Endfläche
und auf den Rand der gekrümmten ersten
Endfläche
abgebildetes Objekt der selben Größe auch von der selben Anzahl
von Pixeln auf dem Bildsensor detektiert wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
können die
Lichtleiter im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein.
Somit kann ebenfalls eine Transformation der gekrümmten ersten
Endfläche
auf einen beispielsweise ebenen Bildsensor erfolgen, wobei bei einer
parallelen Anordnung der Lichtleiter die Herstellung des Lichtleiterbündels vereinfacht
werden kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist das Rotationszentrum eine Rotationsachse, auf welcher das Projektionszentrum
liegt. Die Abbildungsoptik kann somit in einer Ebene um die Rotationsachse verschwenkbar
sein. Dabei kann auch eine zylinderförmige Linse verwendet werden,
so dass das Projektionszentrum eine Projektionsachse ist, welche mit
der Rotationsachse zusammenfällt.
In einem solchen System kann auch eine eindimensionale kreisbogenförmige Anordnung
als Bildsensor zum Einsatz kommen. Es können jedoch auch eine herkömmliche Abbildungsoptik,
z. B. auf sphärischen
oder asphärischen
Linsen basierend, und ein 2-D Bildsensor zum Einsatz kommen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist die Halterung derart ausgestaltet, dass das Abbildungssystem
um zwei Raumachsen drehbar ist, wobei das Rotationszentrum ein Schnittpunkt
der zwei Raumachsen ist. Das Abbildungssystem kann dabei im Wesentlichen
auf einer Kugeloberfläche
um das Rotationszentrum gedreht werden. Mit einem derartigen Abbildungssystem
kann beispielsweise ein Objekt über
einen Bildabschnitt hinaus in mehreren Raumrichtungen verfolgt werden,
ohne die Geometrie der Abbildung zu ändern.
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Die
Halterung kann beispielsweise eine kardanische Aufhängung umfassen.
Bei einem anderen Beispiel kann die Halterung auch eine kugelförmige Aufhängung mit
mindestens zwei Reibrädern
umfassen. Abbildungsoptik, Lichtleiterbündel und Bildsensor sind beispielsweise
in einem drehbar gelagerten kugelförmigen Gehäuse untergebracht, welches
mittels der Reibräder
um zwei senkrecht zueinander stehende Raumachsen drehbar ist. Die
Bewegung kann damit ähnlich
der des Augapfels in der Augenhöhle erfolgen.
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Die
ersten Enden der Lichtleiter, die die erste Endfläche des
Bündels
bilden, können
einen Anschliff aufweisen, der im Wesentlichen der Krümmung der
gekrümmten
ersten Endfläche entspricht. Somit
kann die gekrümmte
erste Endfläche
als eine im Wesentlichen glatte Fläche ausgestaltet sein. Damit
kann eine gute Effizienz bei der Weiterleitung von Licht auf den
Bildsensor erreicht werden.
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Die
ersten Enden der Lichtleiter, die die erste Endfläche des
Bündels
bilden, können
jedoch auch jeweils eine Endfläche
aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Endes des entsprechenden
Lichtleiters ist. Bei senkrecht zur Krümmung der ersten Endfläche angeordneten
Lichtleitern kann sich dabei wiederum eine im Wesentlichen glatte
Fläche
ergeben, wohingegen bei parallel angeordneten Lichtleitern eine
stufenförmige
Endfläche
erhalten werden kann.
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Der
Bildsensor kann ein ebener Bildsensor sein, wobei die zweite Endfläche des
Bündels
von Lichtleitern eine ebene, zu dem Bildsensor parallele Fläche ist.
Bei einer Ausführungsform
ist die zweite Endfläche
des Bündels
von Lichtleitern direkt auf den Bildsensor aufgebracht. Jedoch ist
es auch möglich, einen
Abstand zwischen der zweiten Endfläche und dem Bildsensor vorzusehen,
wobei weitere optische Elemente zwischen Bündel und Bildsensor einfügbar sind.
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Das
optische Abbildungssystem kann weiterhin einen Diffuser umfassen,
der auf der gekrümmten ersten
Endfläche
angeordnet ist. Damit lässt
sich die Effizienz steigern, mit welcher die Lichtleiter auf die erste
gekrümmte
Endfläche
projiziertes Licht an den Bildsensor weiterleiten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
das optische Abbildungssystem einen Szintillator umfassen, der auf
der gekrümmten
ersten Endfläche
angeordnet und derart ausgestaltet ist, dass eine Intensität von Röntgenstrahlung,
welche auf die erste Endfläche
trifft, mit dem Bildsensor detektiert werden kann. Beispielsweise
sind Szintillatorkristalle auf den Enden der Lichtleiter aufgebracht,
wobei die Szintillatorkristalle auftreffenden Röntgenstrahlen in Licht einer
Wellenlänge
umwandeln, welche von dem Bildsensor detektiert werden kann, beispielsweise sichtbares
Licht. Ein derartiges Abbildungssystem kann beispielsweise in der
Röntgentomografie
eingesetzt werden, wobei ein zu untersuchendes Objekt um ein im
Inneren des Objekts liegende Achse gedreht wird, und von einer Röntgenquelle
ausgehende Röntgenstrahlung
nach Durchdringen des Objekts von dem Abbildungssystem detektiert
werden können.
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Die
Lichtleiter können
derart ausgestaltet und angeordnet sein, dass ein Lichtleiter Licht
aus der Bildebene zur im Wesentlichen einen Sensorpunkt des hochaufzulösenden Bildsensors leitet.
Die Anzahl der Sensorpunkte bzw. Pixel des Bildsensors kann also
im Wesentlichen der Anzahl der Lichtleiter entsprechen. Es ist jedoch
auch möglich,
dass die Lichtleiter derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass
mehrere Lichtleiter für
jeweils einen Sensorpunkt des hochaufzulösenden Bildsensors Licht aus der
Bildebene zu dem Bildsensor leiten. Die Dichte der Lichtleiter in
der zweiten Endfläche
kann also höher
sein als die Dichte von Sensorpunkten des Bildsensors. Damit kann
eine hohe optische Auflösung
erzielt werden sowie die Justage von Bildsensor zu Fasernbündel vereinfacht
werden.
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Bei
einer Ausführungsform
kann die Abbildungsoptik ein einzelnes Linsenelement umfassen. Bei
einer anderen Ausführungsform
kann die Abbildungsoptik auch ein Kameraobjektiv umfassen. Beispielsweise
umfasst die Abbildungsoptik mindestens ein bewegliches Linsenelement.
Mit einem derartigen Linsenelement kann ein Fokussieren oder ein
Zoomen, d. h. ein Ändern
der Brennweite erfolgen.
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Als
Lichtleiter können
beispielsweise Glasfasern verwendet werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kamera, die
eines der oben beschriebenen optischen Abbildungssysteme umfasst,
bereitgestellt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Abbildungssystem
bereitgestellt, welches insbesondere in der Röntgentomografie eingesetzt
werden kann. Das optische Abbildungssystem umfasst einen Bildsensor,
der ausgestaltet ist, um Licht ortsaufgelöst zu detektieren; ein Bündel von
Lichtleitern, wobei erste Enden der Lichtleitern eine gekrümmte erste
Endfläche
des Bündels
bilden, und wobei zweite Enden der Lichtleiter eine zweite Endfläche des
Bündels
bilden, die dem Bildsensor gegenüber
liegend angeordnet ist; einen Szintillator, der auf der gekrümmten ersten Endfläche angeordnet
und derart ausgestaltet ist, dass eine Intensität von Röntgenstrahlung, welche auf
die erste Endfläche
trifft, mit dem Bildsensor detektiert werden kann, und eine mechanische
Halterung, an der der Bildsensor und das Bündel von Lichtleitern befestigt
sind. Die mechanische Halterung ist derart ausgestaltet, dass das
Abbildungssystem um ein Rotationszentrum drehbar ist, in welchem ein
mit den Röntgenstrahlen
zu untersuchendes Objekt angeordnet werden kann. Die gekrümmte Endfläche kann
beispielsweise eine Vertiefung in Form eines Kugelsegments oder
eines Zylindersegments umfassen, wobei der erste Kugelmittelpunkt,
bzw. die entsprechende Zylinderachse auf dem Rotationszentrum liegt.
Das Rotationszentrum kann wiederum einer Rotationsachse sein, so
dass das optische Abbildungssystem in einer Ebene schwenkbar ist.
Bei einer anderen Ausführungsform
liegt der Kugelmittelpunkt bei einer Position, die der Position
der Quelle der Röntgenstrahlung
entspricht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung eines optischen Abbildungssystems bereitgestellt. Das
Verfahren umfasst ein Bündeln
einer Anzahl von Lichtleitern, ein Ausbilden einer gekrümmten ersten Endfläche an einem
Ende des Bündels
von Lichtleitern und das Ausbilden einer im Wesentlichen ebenen
zweiten Endfläche
an dem anderen Ende des Bündels
von Lichtleitern.
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Gemäß einer
Ausführungsform
erfolgt das Ausbilden der gekrümmten
ersten Endfläche
durch Schleifen der ersten Endfläche,
wobei das Schleifen derart erfolgt, dass die erste Endfläche eine
vorbestimmte Krümmung
aufweist. In die erste Endfläche kann
beispielsweise eine Vertiefung in Form eines Kugelsegments oder
eines Zylindersegments eingeschliffen werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
sind die Lichtleiter zunächst
nur lose gebündelt,
so dass sie gegeneinander verschiebbar sind, wobei das Ausbilden
der gekrümmten
ersten Fläche
durch Aufsetzen der ersten Fläche
des Bündels
von Lichtleitern auf eine Musterfläche, die eine vorbestimmte Krümmung aufweist,
erfolgt, wobei sich die erste Endfläche durch Verschieben von Lichtleitern
des Bündels
der Musterfläche
anpasst. Die Musterfläche kann
wiederum beispielsweise durch ein Kugelsegment oder ein Zylindersegment
bereitgestellt werden. Weiterhin kann das Verfahren ein Fixieren
des Bündels
von Lichtleitern nach dem Ausbilden der gekrümmten ersten Endfläche und
ein Abschleifen der anderen Endfläche des Bündels von Lichtleitern, um die
zweite ebene Endfläche
auszubilden, umfassen.
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Mit
beiden Ausführungsformen
ist es möglich,
ein Bündel
von Lichtleitern auf einfache und kostengünstige Weise herzustellen,
das es ermöglicht, Licht
aus einer gekrümmten
Bildebene auf einem planen Bildsensor zu leiten.
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Das
Verfahren kann des weiteren ein Aufbringen eines Diffusers oder
eines Szintillators auf die gekrümmte
erste Endfläche
umfassen.
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Das
Bündeln
der Lichtleiter und das Ausbilden der ersten Endfläche kann
derart erfolgen, dass Abschnitte der Lichtleiter, die die erste
Endfläche
bilden, in Längsrichtung
im Wesentlichen senkrecht zu der gekrümmten ersten Endfläche angeordnet
sind. Ein Abbildungssystem mit einem derartigen Lichtleiterbündel weist
verbesserte Abbildungseigenschaften auf.
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Das
Verfahren kann weiterhin die folgenden Schritte umfassen:
Anordnen
der ersten Endfläche
des Bündels
von Lichtleitern in einer Bildebene einer Abbildungsoptik, die ein
Projektionszentrum aufweist;
Anordnen der zweiten Endfläche des
Bündels
von Lichtleitern gegenüberliegend
zu einem Bildsensor; und Befestigen der Abbildungsoptik, des Bildsensors und
des Bündels
von Lichtleitern an einer mechanischen Halterung, wobei die mechanische
Halterung derart ausgestaltet ist, dass das Abbildungssystem um
ein Rotationszentrum drehbar ist, und wobei das Befestigen derart
erfolgt, dass das Projektionszentrum im Wesentlichen auf dem Rotationszentrum liegt.
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Ein
nach diesem Verfahren hergestelltes Abbildungssystem kann die vorab
genannten Vorteile aufweisen.
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Das
Anordnen der ersten Endfläche
kann derart erfolgen, dass ein Mittelpunkt einer Oberfläche, welche
die Krümmung
der ersten Endfläche
beschreibt, im Wesentlichen auf dem Projektionszentrum der Abbildungsoptik
liegt. Damit kann eine winkeltreue Abbildung erreicht werden, so
dass sich die Größe von abgebildeten
Objekten auch bei einem Drehen des Abbildungssystems um das Rotationszentrum
im Wesentlichen nicht ändert.
Weiterhin kann die zweite Endfläche
direkt auf dem Bildsensor aufgebracht werden.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung
eines der vorab beschriebenen optischen Abbildungssysteme zum Aufnehmen
von Bilddaten eines Bereichs, in dem sich ein Objekt befindet, und
zum Verfolgen des Objekts, in dem der Bereich, aus welchem Bilddaten
aufgenommen werden, durch Drehen des Abbildungssystems um das Rotationszentrum
dem Objekt nachgeführt
wird. Die Verwendung des optischen Abbildungssystems für ein derartiges
Objekt-„Tracking” ist vorteilhaft,
da sich auch bei einem Drehen des Abbildungssystems die Größe des Abbilds
des Objekts im Wesentlichen nicht ändert, wodurch das verfolgte Objekt
erfasst bleiben kann und vereinfachte Trackingalgorithmen verwendet
werden können.
Weitere Verwendungen umfassen das Aufnehmen von Bilddaten zum Erstellen
von Panoramabildern sowie das Detektieren von Röntgensignalen bei der Röntgentomografie.
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Merkmale
der vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
kombiniert werden. Insbesondere können sie nicht nur in den beschriebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen
verwendet werden.
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Die
Figuren werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Elemente.
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1 zeigt
schematisch die Abbildungsgeometrie bei einem herkömmlichen
Abbildungssystem.
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2 zeigt
schematisch die Abbildungsgeometrie bei einem herkömmlichen
Abbildungssystem.
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3 zeigt
schematisch ein Lichtleiterbündel
mit einer ersten in das Bündel
geschliffenen Endfläche
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4A bis 4D veranschaulichen
schematisch die Herstellung eines Lichtleiterbündels gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Herstellung mit einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
erfolgt.
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5 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optischen
Abbildungssystems.
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6 veranschaulicht
eine winkeltreue Abbildung bei einem optischen Abbildungssystem
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
einen Vergleich von Bildgrößen bei
Abbildung eines Objekts mit einem herkömmlichen optischen Abbildungssystem
und mit einem Abbildungssystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt
einen Vergleich von Bildgrößen bei
Abbildung eines Objekts mit einem herkömmlichen optischen Abbildungssystem
und mit einem Abbildungssystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
schematisch ein optisches Abbildungssystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei mit Hilfe von Szintillatorkristallen
die Intensität
von Röntgenstrahlung
mit einem Bildsensor gemessen wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung sollen Abbildungsfehler dadurch vermieden
werden, dass eine gekrümmte
Bildebene mit Hilfe eines Bündels
von Lichtleitern in eine planare Ebene transformiert wird, wo ein
Bildsensor positioniert werden kann. Eine Ausführungsform eines solchen Bündels von
Lichtleitern ist schematisch in 3 gezeigt.
Das Bündel von
Lichtleitern 12 umfasst mehrere Lichtleiter 13, beispielsweise
Glasfasern. Lichtleiterbündel 12 weist eine
gekrümmte
erste Endfläche 14,
sowie eine im Wesentlichen ebene zweite Endfläche 15 auf. Die zweite
Endfläche 15 kann
direkt auf einen Bildsensor 16 wie beispielsweise ein CCD-Chip
oder einen CMOS-Chip aufgesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass
zur Herstellung des optischen Abbildungssystems auf herkömmliche
Bildsensoren zurückgegriffen werden
kann, von denen eine große
Vielzahl für
verschiedene Anwendungen zur Verfügung steht.
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Auf
der vom Bildsensor 16 abgewandten Seite weist das Lichtleiterbündel 12 eine
Vertiefung auf, welche die Form der ersten Endfläche 14 bestimmt. Diese
Vertiefung kann die Form eines Kugelsegments aufweisen. In 3 ist
eine seitliche Schnittansicht des Faserbündels 12 gezeigt,
so dass die Endfläche 14 als
ein Kreisbogensegment dargestellt ist. Im Beispiel von 3 haben
die Enden der Lichtleiter, die die erste Endfläche 14 bilden, Abschlussebenen,
bzw. Endflächen,
die im Wesentlichen dem Verlauf der Krümmung der Endfläche 14 entsprechen.
Endfläche 14 ist
somit eine im Wesentlichen glatte Fläche. Wird ein Bild auf die
erste Endfläche 14,
beispielsweise von einer Abbildungsoptik, abgebildet, so leiten
die Lichtleiter 13 das Licht auf den Bildsensor 16 weiter.
Wie in 3 gezeigt kann dabei der Durchmesser der Lichtleiter
auf das Pixelraster des Bildsensors abgestimmt werden. Es kann jedoch
auch eine höhere
Lichtleiterdichte verwendet werden. Bei dieser sog. Überabtastung
ist insbesondere das Ausrichten des Lichtleiterbündels 12 auf Bildsensor 16 unproblematisch,
da jeweils mehrere Lichtleiter einen Sensorpunkt bzw. ein Pixel
des Bildsensors beleuchten. Die Auswahl der Dimensionierung kann ähnlich wie
bei Kameras erfolgen, die mit einer vorgesetzten Mikrochannelplatte
(MCP) arbeiten. Im Gegensatz zu MCP, wo eine Licht- bzw. Elektronenverstärkung erfolgt,
wird hier jedoch auftreffendes Licht weitergeleitet, so dass im
Wesentlichen die Transformation einer gekrümmten sensitiven Fläche 14 in
eine planare sensitive Fläche 15 erfolgt.
Auch bei Mikrokanalplatten können
selbst bei einem Nichtübereinstimmen
des Rasters der Mikrokanäle
mit dem CCD-Raster gute Abbildungseigenschaften erreicht werden.
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Auf
die Enden der Lichtleiter 13, die die Endfläche 14 bilden,
kann weiterhin eine Diffusorschicht aufgebracht werden. Mit einer
derartigen Diffusorschicht kann Licht in die Lichtleiter gestreut
werden, so dass das Licht effizienter zum Bildsensor 16 transportiert
wird.
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Das
Lichtleiterbündel 12 kann
beispielsweise aus einzelnen Glasfasern mit einem Durchmessern von
mehreren Mikrometern bestehen. Jede Faser kann dabei einen Glaskern
umfassen, sowie einen Mantel, der den Kern umgibt und einen niedrigeren Brechungsindex
aufweist. Um einen „Cross
Talk” zwischen
den Glasfasern zu verhindern, so dass Licht nicht von einer Faser
in die andere gelangt, kann des weiteren ein absorbierendes Wandmaterial
zwischen den Fasern vorgesehen werden. Dieses ist jedoch optional.
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Die
Herstellung des in 3 gezeigten Lichtleiterbündels 12 kann
beispielsweise durch Zusammenfassen eines Bündels von Lichtleitfasern in
einer mechanischen Halterung erfolgen. Dabei werden die Fasern derart
gehalten, dass sich an einem Ende bereits eine ebene Fläche ausbildet,
d. h. die zweite Endfläche 15.
Das andere Ende des Lichtleiterbündels
kann nun beispielsweise durch entsprechendes Schleifen derart bearbeitet
werden, dass sich eine Vertiefung der gewünschten Form ergibt. Die ebene Endfläche 15 kann
direkt an einen Sensor-Chip angelegt werden. Die durch Bündel 12 auf
die gekrümmte
Fläche 14 transformierte
Sensorfläche
kann dann der Abbildungsoptik zugewandt werden.
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4A bis 4D veranschaulichen
ein Herstellungsverfahren eines Lichtleiterbündels gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Dabei werden die Lichtleiter 13 zunächst lose
gebündelt.
Durch Aufsetzen des Lichtleiterbündels 12 auf
eine Musterfläche 30,
welche die gewünschte
Krümmung
aufweist, beispielsweise eine Kugeloberfläche, bildet sich die erste
Endfläche 14 unter
dem Einfluss der Schwerkraft aus. Die Unterseite des Lichtleiterbündels passt
sich der vorgegebenen Musterfläche 30 an.
Dies ist in 4A veranschaulicht. In diesem
Zustand wird das Lichtleiterbündel
fest zusammengefügt
und fixiert. Verbleibende Zwischenräume können dabei mit den vorab genannten
Licht absorbierenden Material gefüllt werden, was gleichzeitig
als Klebemittel für
das Lichtleiterbündel
dienen kann.
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Nach
Entfernen der Musterfläche 30 ergibt sich
wie in 4B gezeigt die gekrümmte erste
Endfläche 14.
Die resultierende, ebenfalls gekrümmte Oberseite des Lichtleiterbündels 12 kann
nun beispielsweise in der Ebene 24 in einem weiteren Arbeitsgang
plan geschliffen werden. Schleifebene 24 bildet die Adapterfläche für den Bildsensor.
Selbstverständlich
ist es auch möglich,
dass das Lichtleiterbündel 12 während des
Schleifvorgangs weiterhin an der formgebenden Musterfläche 30 anliegt,
so dass eine bessere Fixierung erreicht wird. Das Lichtleiterbündel 12 nach
dem Schleifvorgang ist in 4C dargestellt.
Bezugszeichen 15 kennzeichnet die zweite im Wesentlichen
plane Endfläche
des Lichtleiterbündels 12.
In einem nächsten
Schritt kann das Lichtleiterbündel 12 auf
den Bildsensor 16 aufgebracht werden, wie in 4D dargestellt.
Bei dem resultierenden Lichtfaserbündel 12 sind die dem Bildsensor 16 abgewandten
Endflächen
der Lichtleiter 13 im Wesentlichen parallel zur Ebene des Bildsensors.
Es kann wiederum eine derartige Sortierung der Lichtleiter erfolgen,
dass ein Lichtleiter im Wesentlichen einem Sensorpunkt des Bildsensors 16 entspricht.
Jedoch ist auch hier eine Überabtastung durch
Verwendung einer höheren
Faserdichte denkbar.
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5 zeigt
schematisch ein optisches Abbildungssystem 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei der in 5 gezeigten Ausführung kommt
ein Lichtleiterbündel 12 zum
Einsatz, bei welchem die Enden der Lichtleiter 13, die die
gekrümmte
erste Endfläche 14 bilden,
im Wesentlichen senkrecht auf der Endfläche 14 stehen. Jedoch
sind auch andere Winkel möglich,
wie es in 5 angedeutet ist. Im Wesentlichen
senkrecht bedeutet dabei, dass der Winkel zwischen der Längsachse
und des Lichtleiterendes und der gekrümmten Oberfläche 14 90° ± 15°, vorzugsweise
90° ± 10° oder besonders
bevorzugt 90° ± 5° aufweist.
Wie in 5 gezeigt können
dabei sich verjüngende,
kegelförmige
Glasfasern zum Einsatz kommen („tapered optical fibers”), wobei
dies beispielsweise durch Ziehen der Fasern oder Ähnliches
erreicht werden kann. Selbstverständlich können in dem optischen Abbildungssystem 10 auch
die in 3 und 4 gezeigten
Lichtleiterbündel
zum Einsatz kommen.
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Das
optische Abbildungssystem 10 weist eine Abbildungsoptik 11 auf,
welche die Umgebung vor der Abbildungsoptik in eine Bildebene abbildet, welche
der gekrümmten
Endfläche 14 entspricht. Das
Abbild wird durch die Lichtleiter 13 zum Bildsensor 16 geleitet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
umfasst die Abbildungsoptik 11 ein einzelnes Linsenelement,
sie kann jedoch bei anderen Ausführungsformen
auch mehrere Linsenelemente umfassen. Beispielsweise können sphärische,
asphärische,
oder Kugellinsen zum Einsatz kommen. Zum Fokussieren eines Objekts,
d. h. zum Scharfstellen des Abbildes auf Endfläche 14, kann die Abbildungsoptik 11 ein
bewegliches Linsenobjekt umfassen, oder mehrere, relativ zueinander
bewegliche Linsenelemente.
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Die
Abbildungsoptik 11 weist ein Projektionszentrum 17 auf.
Bei einer einfachen Linse ist dies beispielsweise der Schnittpunkt
zwischen der Hauptebene der Linse und der optischen Achse der Linse. Die
Winkelverhältnisse
von durch das Projektionszentrum laufenden Lichtstrahlen bleiben
gleich, so dass bei einer Drehung des Abbildungssystems um das Projektionszentrum
eine gleichbleibende winkeltreue Abbildung erzielt wird.
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Dementsprechend
weist das optische Abbildungssystem 10 eine Halterung 20 auf,
mit welcher sich das Abbildungssystem um das Rotationszentrum 18 drehen
lässt.
Halterung 20 ist in 5 nur angedeutet
und kann beispielsweise eine kardanische Aufhängung umfassen. Damit kann
das Abbildungssystem 10 um die Rotationsachse 22 sowie
um eine senkrecht zur Figur stehende Rotationsachse gedreht werden,
wobei beide Rotationsachsen durch das Rotationszentrum 18 verlaufen.
Es sollte klar sein, dass die Rotation auch nur um eine Achse erfolgen
kann, und dass sich bei einem zweiachsigen System die Rotationsachsen
nicht notwendigerweise in einem Punkt schneiden müssen. Auch
können
andere Halterungen als eine kardanische Aufhängung verwendet werden, beispielsweise
eine dem menschlichen Auge nachempfundene Halterung. Das Abbildungssystem
kann dazu von einer kugelförmigen
Hülle umgeben
sein, welche in einer entsprechenden Kapsel sitzt und beispielsweise
von zwei Reibrädern
angetrieben wird. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem älterer Computermäuse, wobei hier
die Reibräder
nicht zur Detektion, sondern zum Antrieb der Kugel verwendet werden.
Auch ist eine nur um eine Achse verschwenkbare Halterung denkbar.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
ist die Halterung derart konfiguriert, dass das Rotationszentrum
im Wesentlichen auf dem Projektionszentrum der Abbildungsoptik 11 liegt.
Als Rotationszentrum kann dabei auch eine einzelne Rotationsachse 22 angesehen
werden. Selbstverständlich
können
dabei je nach Anwendung gewisse Toleranzen berücksichtigt werden. Das Projektionszentrum
kann sich beispielsweise in einem Abstand von weniger als 1 cm, vorzugsweise
weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 1 mm zum Rotationszentrum
befinden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Rotationszentrum
der Schnittpunkt zweier senkrecht zueinander stehender Rotationsachsen,
und es liegt auf dem Projektionszentrum 17. Das optische
Abbildungssystem 10 kann damit wie durch Pfeile angedeutet
in der Ebene der Figur, oder um Rotationsachse 22 verschwenkt
werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
weist die gekrümmte
erste Endfläche 14 die
Form eines Kugelsegments auf, wobei der Mittelpunkt 19 der
entsprechenden Kugel mit dem Projektionszentrum 17 der
Abbildungsoptik 11 sowie dem Rotationszentrum 19 zusammenfällt. Damit
lassen sich die einleitend beschriebenen Abbildungsfehler verringern
bzw. vermeiden. Insbesondere werden auf die Mitte der Endfläche 14 abgebildete
Objekte mit derselben Größe wie auf
den Rand der Endfläche 14 abgebildete
Objekte von Bildsensor 16 erfasst. Dies wird nachfolgend
mit Bezug auf 6 bis 8 genauer
beschrieben.
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Das
optische Abbildungssystem 10 kann beispielsweise Teil einer Überwachungskamera
oder einer Panoramakamera sein. Das Abbildungssystem kann dabei ähnlich dem
menschlichen Auge um zwei Achsen rotiert werden. Dabei zeigt sich
die besondere Eigenschaft einer winkeltreuen Abbildung einer derartigen
Kamera. Wird mit der erfindungsgemäßen Kamera beispielsweise eine
Panoramaaufnahme erstellt, so lassen sich entsprechende Bildpaare
ohne Probleme aneinander fügen.
Entzerrungen oder andere Bildberechnungen müssen nicht mehr vorgenommen
werden. Insbesondere bei der Verwendung mit einem Trackingsystem,
wobei ein Objekt mit der Kamera verfolgt wird, kann mit dem optischen
Abbildungssystem gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
sichergestellt werden, dass die Geometrie des abgebildeten Bereichs
trotz Bewegung der Kamera um deren Rotationszentrum keine Verzerrung
erleidet. Insbesondere wenn sich die Objekte im Raum bewegen und
sich somit in ihre Größe in der
Abbildung ändert
ist dies vorteilhaft, da keine zusätzliche Größenänderung des Objekts dadurch
eingeführt wird,
dass sich das Objekt an den Rand des abgebildeten Bereichs bewegt,
oder dass die Kamera um das Rotationszentrum gedreht wird. Somit
ist ein im Wesentlichen nahtloses Nachführen möglich. Durch die Drehung der
Kamera kann somit effektiv ein virtuelles Bild erzeugt werden, welches
größer ist
als die Chipfläche
des Bildsensors 16, wobei es sich nahtlose Übergänge zwischen
einzelnen Bildabschnitten ergeben. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass die vorhandene zentrale Perspektive erhalten bleibt.
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6 veranschaulicht
die Abbildung von zwei Punkten P1 und P2 auf die gekrümmte erste Endfläche 14,
wobei die Bildpunkte mit P1' und
P2' bezeichnet sind.
Der Einfachheit halber ist die Abbildungsoptik 11 sowie
die Halterung 20 in 6 nicht dargestellt.
Hinter der gekrümmten
ersten Endfläche 14 befindet
sich die ebene Aufnahmefläche
E, in welcher beispielsweise Bildsensor 16 angeordnet ist, wobei
die Aufnahmefläche
E mit der gekrümmten ersten
Endfläche 14 über das
Lichtleiterbündel 12 verbunden
ist. Entlang der gekrümmten
Fläche 14 ergibt
sich ein Abstand L3 zwischen den Bildpunkten P1' und P2'. Wird das optische Abbildungssystem nun
um einen bestimmten Winkel um das Rotationszentrum 18 gedreht,
so dass die Ebene E an die Stelle E' wandert, so ist aus 6 ersichtlich,
dass der Abstand L3 konstant bleibt. Dies wird bei der vorliegenden
Ausführungsform
dadurch erreicht, dass das Rotationszentrum 18 derart gewählt ist,
dass es dem Mittelpunkt der gekrümmten
Kugeloberfläche 14 entsprechenden
Kugel mit dem Radius r entspricht. Dieser Mittelpunkt 19 fällt mit
dem Projektionszentrum 17 und dem Rotationszentrum 18 zusammen.
Das Zusammenfallen dieser Punkte ermöglicht eine Winkeltreue, im
Wesentlichen verzerrungsfreie Abbildung auf dem Bildsensor 16.
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In 6 beträgt der Abstand
des Punktes E1' vom
oberen Rand der gekrümmten
ersten Endfläche
vor der Drehung L1 und nach der Drehung L2. Dies verdeutlicht, dass
nach der Drehung ein anderer Ausschnitt der Perspektive abgebildet
wird. Der Abstand zwischen P1' und
P2' entlang der
Krümmung wird
vor und nach der Drehung L3 bleiben. Damit ändert sich die Geometrie der
Abbildung auf der gekrümmten
Fläche
im Wesentlichen nicht.
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Das
Zusammenfallen des die gekrümmte erste
Endfläche
bildenden Mittelpunkts, des Rotationszentrums und des Projektionszentrums
entspricht einer Art Scheimpflugbedingung für das optische Abbildungssystem.
Gemäß der Scheimpflugbedingung für eine herkömmliche
Kamera müssen
sich die Bildebene, die Objektivhauptebene und die Projektionsebene
gemeinsam schneiden, damit eine scharfe Abbildung erzielt wird.
Wenn die Projektionsebene parallel zur Objektebene steht, so treffen
sich die drei Ebenen im Unendlichen. Wird bei einer herkömmlichen
Kamera die Scheimpflugbedingung verletzt, so ergeben sich entsprechende
Unschärfen
und/oder Verzeichnungen. Auch in diesem Bezug erzielt das erfindungsgemäße Abbildungssystem
eine Verbesserung, indem als Schnittpunkt zumindest ein neuer virtueller
Schnittpunkt erzeugt wird, da sich die Abbildungsebene in einem
konstanten Abstand um das Projektionszentrum befindet. So wird die
Linsengleichung 1f = 1b + 1g besser über eine größere Bildfläche erfüllt.
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7 veranschaulicht
die Verbesserung der Abbildungseigenschaften der vorliegenden Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Abbildungssystems durch den Vergleich der Abbildung mit einem herkömmlichen
Abbildungssystem. 7 verdeutlicht eine Größenänderung
eines abgebildeten Objekts bei Drehung des Abbildungssystems um
das Rotationszentrum 18, wenn kein Lichtleiterbündel 12 mit
einer gekrümmten
Oberfläche 14 vorgesehen
ist, sondern die Abbildung direkt auf die Abbildungsebene E erfolgt.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist der Abstand der abgebildeten
Punkte P1 und P2 in der Abbildungsebene E L4. Bei einer Drehung
des Abbildungssystems um das Rotationszentrum 18 werden die
Punkte P1 und P2 auf die Ebene E' abgebildet. Auf
der Ebene E' ergibt
sich ein Abstand L5 zwischen den Bildpunkten. Die Zeichnung verdeutlicht,
dass die beiden Abstände
L4 und L5 nicht gleich sind, so dass es bei Rotation des Abbildungssystems
um das Projektionszentrum 17, welches auf dem Rotationszentrum 18 liegt,
zu einer Verzeichnung der Abbildung kommt. Zum Vergleich zeigt 7 ebenfalls
die gekrümmte
erste Endfläche 14,
auf die die beiden Punkte P1 und P2 jeweils als P1' und P2' abgebildet werden.
Dabei ist es offensichtlich, dass die Drehung des Abbildungssystems
auf den sich entlang der Krümmung
ergebenden Abstand L3 keinen Einfluss hat.
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Zur
Verdeutlichung dieses Unterschieds ist das entsprechende System
nochmals in 8 dargestellt, wobei hier extremere
Abbildungsverhältnisse
gewählt
wurden. Zum Einen wurde die Ebene E näher an die gekrümmte Fläche 14 gesetzt,
und zum Anderen wurde der Drehwinkel, mit dem das Abbildungssystem
um das Rotationszentrum 18 gedreht wird, vergrößert. Für diesen
Fall wird besonders deutlich, dass der Abstand L5 auf der Abbildungsebene
E' der Abbilder
der Punkte P1 und P2 wesentlich größer ist als der entsprechende
Abstand L4 auf der Ebene E. Der Abstand L3, welcher entlang der gekrümmten ersten
Endfläche 14 gemessen
wird, bleibt hingegen stets gleich, unabhängig von der Verdrehung der
Ebene E nach E' um
das Rotationszentrum 18.
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Aus
diesen Betrachtungen wird ersichtlich, dass das erfindungsgemäße optische
Abbildungssystem wesentlich verbesserte Abbildungseigenschaften
im Vergleich zu herkömmlichen
Systemen aufweist. Durch Transformieren der ebenen sensitiven Fläche des
Bildsensors in eine gekrümmte
sensitive Fläche
und der Verwendung des Bündels
von Lichtleitern können
insbesondere Verzerrungen und Verzeichnungen am äußeren Rand der sensitiven Fläche vermindert
werden. Das mit einem derartigen optischen Abbildungssystem aufgenommene
Bild stammt damit im Wesentlichen von einer gekrümmten Abbildungsfläche. Dies
ist ähnlich
der Wahrnehmung einer Umgebung durch das menschliche Auge, welches
ebenfalls über
eine gekrümmte
Aufnahmefläche
verfügt,
und somit Verzeichnungen am Rand eines wahrnehmbaren Bildes vermeidet.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Die in 9 gezeigte Ausführungsform
des optischen Abbildungssystems 10 wird in der Röntgen-Tomografie
eingesetzt. Ein Ziel der Röntgentomografie
ist es, von einem Punkt (Voxel) eines Untersuchungsobjekts 43 möglichst
genaue Informationen über
dessen Dichte zu bekommen, und zwar möglichst ohne dass diese Informationsanteile
von nicht interessierenden benachbarten Punkten (Nachbarvoxelen)
enthält.
Dazu wird das zu untersuchende Objekt 43 mit Röntgenstrahlen,
die von einer Röntgenquelle 41 emittiert
werden, durchstrahlt. Beim Durchlaufen des Objekts 43 erfährt die Röntgenstrahlung
eine zur Dichte proportionale Abschwächung, die mit einem Detektor
registriert wird. Zum Erzielen einer räumlichen Auflösung wird
das Objekt typischerweise um eine im Inneren des Objekts liegende
Rotationsachse 18 gedreht, oder es erfolgt eine Verdrehung
der Röntgenquelle
und des Detektors um das Objekt um dieselbe Achse. Der Einfluss
von benachbarten Voxeln kann dadurch zumindest teilweise eliminiert
bzw. herausgerechnet werden, in dem das Objekt aus unterschiedlichen
Richtungen bzw. unterschiedlichen Winkeln mehrfach durchstrahlt
wird, und dann aus diesen Daten per Rückrechnung (Radontransformation)
auf die lokale Dichte eines Voxels geschlossen wird. Herkömmliche
Systeme verwenden dabei im Allgemeinen einen flachen Detektor, der
die abgeschwächte
Röntgenstrahlung
detektiert, und Datensätze
für die
entsprechende Rechnung liefert. Dabei können wiederum Verzeichnungen
am Rand des Detektors auftreten, da Röntgenstrahlen, die zueinander
den gleichen Winkel aufweisen, in der Mitte des Detektors in unterschiedlichem
Abstand registriert werden als am Rand des Detektors.
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Zur
Umgehung dieses Problems verwendet die vorliegende Ausführungsform
einen ebenen Sensor 16, auf den ein Lichtleiterbündel 12 aufgesetzt
ist. Das Lichtleiterbündel 12 weist
wiederum eine gekrümmte
erste Endfläche 14 auf,
wobei der Krümmungsradius
derart gewählt
ist, dass die von der Quelle 41 emittierten Röntgenstrahlen
im Wesentlichen senkrecht auf die erste Endfläche 14 treffen. Die
erste Endfläche 14 weist
beispielsweise eine Vertiefung in Form eines Kugelsegments einer
Kugel auf, wobei die Position des Mittelpunkts 19 der Kugel im
Wesentlichen der Position der Quelle der Röntgenstrahlung entspricht.
Auf der ersten Endfläche 14 des
Lichtleiterbündels 12 sind
am Ende der Lichtleiter 13 Szintillatorkristalle 42 aufgebracht,
so dass bereits an der Einkoppelstelle in den jeweiligen Lichtleiter 13 eine
Umwandlung der Röntgenstrahlung
in eine elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich
erfolgt. Insbesondere erfolgt eine Umwandlung in eine für den verwendeten
Sensorchip 16 detektierbare Lichtwellenlänge.
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Selbstverständlich können auch
andere, beispielsweise wie die mit Bezug auf 3 und 4 beschriebenen Ausführungsformen von Lichtleiterbündeln 12 bei
dem in 9 gezeigten optischen Abbildungssystem 10 zum
Einsatz kommen. Selbstverständlich
kann das Abbildungssystem 10 weitere Komponenten umfassen,
wie beispielsweise eine Halterung, mit der das System um das Rotationszentrum 18 gedreht
werden kann. Im Beispiel von 9 ist das
Rotationszentrum 18 eine senkrecht zur Figur stehende Rotationsachse.
Andere Geometrien sind jedoch auch denkbar, wie beispielsweise die
Rotation des Abbildungssystems 10 um zwei Achsen.
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Selbstverständlich können die
Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden.
Auch können
die Ausführungsformen
weitere nicht gezeigte Elemente aufweisen, die bei herkömmlichen
optischen Abbildungssystemen zum Einsatz kommen. Beispielsweise
kann eine Aperturblende vorgesehen werden, mit welcher sich die
Tiefenschärfe
des Abbildungssystems regulieren lässt. Durch Vergrößern der
Tiefenschärfe
mit Verwendung einer kleineren Aperturblende kann sichergestellt werden,
dass ein Objekt scharf auf der ersten Endfläche des Lichtleiterbündels abgebildet
wird. Auch können
weitere optische Elemente, wie Filter und ähnliches im Strahlengang vorgesehen
werden. Die Beschreibungen, die mit Bezug auf 6 bis 8 bezüglich der
Abbildungseigenschaften des optischen Abbildungssystems gemacht
wurden, können
gleichermaßen
auf die in 5 gezeigte Ausführungsform
angewandt werden. Auch sollte klar sein, dass eine Vielzahl von
Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen denkbar sind und
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.