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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildaufzeichnung mittels eines Bildaufnehmers, welcher in einem Aufnahmebereich entweder zwischen einfacher und doppelter Brennweite oder oberhalb der doppelten Brennweite einer Fokussiereinrichtung relativ zu dieser derart verschoben wird, dass die Fokussiereinrichtung in jeder Relativposition des Bildaufnehmers auf einer diesem zugeordneten Bildebene ein Bild erzeugt, wobei der Bildaufnehmer an mehreren Relativpositionen nacheinander ein mittels der Fokussiereinrichtung auf der Bildebene erzeugtes Bild oder Teilbild speichert.
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Ein derartiges Verfahren ist bereits aus dem Dokument
US 2011/0229840 A1 bekannt. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, bei dem zwei telezentrische Objektive derart relativ zueinander bewegt werden, dass sich unterschiedliche Brennweiten einstellen und dadurch Bildfolgen aufnehmbar sind, die auf jeweils unterschiedliche Partien eines Objekts fokussiert sind.
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Ähnliche Verfahren zur Bildaufzeichnung sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt. Ebenfalls im Hinblick auf die Erfindung relevant zeigt sich die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2005 000 659 A1 , welche ein Bildaufnahmesystem mit einer mehrstufigen Optikeinheit betrifft. Mittels einer derartigen mehrstufigen Optikeinheit, welche entweder eine Linse mit verschiedenen Brechzahlen und hierdurch gebildeten Segmenten aufweist, oder aber alternativ ein Material durchgehend gleicher Brechzahl aber mit unterschiedlich dicken Teilsegmenten besitzt, ist es möglich, etwa durch ein Verdrehen der Optikeinheit die Brennweite sehr einfach anzupassen und damit verschiedene Raumtiefen eines Gegenstandsraumes scharf abzubilden.
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Eine derartige Aufnahmetechnik ermöglicht es insbesondere, aufgrund der veränderlichen Brennweite der Optikeinheit unterschiedlich weit entfernte Gegenstände scharf darzustellen und somit eine Bildfolge zur Realisierung eines räumlichen Eindrucks aufzunehmen.
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Aus dem Stand der Technik sind neben dieser Lösung auch viele insbesondere stereoskopische Verfahren bekannt, welche zwar eine räumlich wirkende Aufnahme erzeugen können, jedoch für die Wiedergabe einer solchen Aufnahme spezielles Werkzeug wie beispielsweise mehrfarbige Brillen und dergleichen mehr benötigen. So wird beispielsweise für eine derartige stereoskopische Aufnahme ein Kamerapaar anstelle einer einzelnen Kamera verwendet, wobei die Einzelkameras dieses Kamerapaars seitlich zueinander versetzt sind um so den Blickwinkel eines menschlichen Betrachters nachzuahmen. Die beiden Bilder, welche von den einzelnen Kameras aufgenommen werden, können dann farbkodiert übereinander gelegt dargestellt werden, wozu dann eine zweifarbige Brille benötigt wird, so dass jedes Auge lediglich den Farbanteil entschlüsseln kann, welcher für die Betrachtung durch das jeweilige Auge vorgesehen ist.
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Auch andere Wiedergabeformen unter Verwendung von sogenannten Shutter-Brillen sind im Stand der Technik bekannt, welche das Sichtfeld der beiden menschlichen Augen abwechselnd in dem Takt öffnen und verschließen, in dem auf einem Wiedergabebildschirm die für die jeweiligen Augen vorgesehenen Bilder einander abwechseln.
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Über diese Lösungen hinaus sind jedoch auch Wiedergabeverfahren wie beispielsweise aus der
DE 100 43 272 A1 oder auch aus der
US 6,005,608 A1 bekannt, bei denen ein Bildschirm periodisch in einem Darstellungsbereich vorwärts und rückwärts verfahren wird, wobei jeweils auf dem Bildschirm in jeder Position ein zugehöriges Teilbild dargestellt wird. Explizit dient eine derartige Anordnung vorrangig der Darstellung ohnehin schichtweise aufgenommener Bilder, insbesondere aus Computerresonanztomographen oder Magnetresonanztomographen. Ein solches Verfahren ermöglicht allerdings einen räumlichen Bildeindruck, ohne dass hierfür direkt am Kopf getragene Mittel zur Betrachtung erforderlich werden, so dass auch mehrere Personen unabhängig von einander ohne derartige Hilfsmittel bei korrekter Betrachtungsrichtung den räumlichen Bildeindruck beim Betrachten des Bildschirms erhalten können.
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Nachdem die Verwendung eines Computertomographen für die Erstellung von Bildern außerhalb des medizinischen Bereiches nicht realisierbar ist, und die eingangs genannte Lösung der
DE 10 2005 000 659 A1 eine starke Einschränkung der räumlichen Abstufungen bedeutet, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine beliebig fein abstufbare Aufnahmetechnik zu realisieren, welche in einfacher Art und Weise eine Aufzeichnung mit räumlichem Effekt ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bildaufzeichnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Sinnvolle Ausgestaltungen eines derartigen Verfahrens können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß wird hierfür eine Vorrichtung verwendet, welche zur Bildaufzeichnung einen Bildaufnehmer umfasst, welcher beispielsweise als Fotochip ausgestaltet sein kann. Dieser weist eine lichtempfindliche Schicht auf, welche die Bildebene, auf der das Bild erzeugt wird, verkörpert. Im Strahlengang, welcher den Bildaufnehmer trifft, ist eine Fokussiereinrichtung angeordnet, wobei zwischen Fokussiereinrichtung und Bildaufnehmer eine Relativverschiebung durch einen geeigneten Antrieb, beispielsweise durch einen Schrittmotor, ermöglicht wird.
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Die Anordnung sieht hierbei als eine erste von zwei Alternativen vor, dass zwischen Bildaufnehmer und Fokussiereinrichtung ein Abstand zwischen einfacher und doppelter Brennweite vorhanden ist, um einen verkleinernden Effekt zu erhalten, was beispielsweise in einer Videokamera bzw. einem Fotoapparat oder dergleichen eingesetzt werden kann. Die zweite Alternative besteht darin, dass der Abstand zwischen Bildaufnehmer und Fokussiereinrichtung größer gewählt wird als die doppelte Brennweite der Fokussiereinrichtung, so dass ein vergrößernder Effekt auftritt, der beispielsweise in einer Mikroskopeinrichtung Verwendung finden kann.
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Gleichwertig wird hierbei angesehen, dass entweder der Bildaufnehmer auf die Fokussiereinrichtung zu und davon weg bewegt wird oder aber die Fokussiereinrichtung ihrerseits beweglich ist und vor dem Bildaufnehmer vorwärts und rückwärts bewegt werden kann. Auch eine Überlagerung der Effekte ist von der vorliegenden Erfindung ausdrücklich mit beansprucht.
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Ausgehend hiervon wird bei jeder Relativposition zueinander, welche Bildaufnehmer und Fokussiereinrichtung nacheinander einnehmen, ein Bild oder Teilbild auf dem Bildaufnehmer erzeugt, welches zusammen mit der aktuellen Relativposition gespeichert wird. Eine Vielzahl von Bildern, von denen jedes für eine Aufnahmeentfernung scharf fokussiert ist, wird also innerhalb einer Bewegungsperiode des Bildaufnehmers bzw. der Fokussiereinrichtung erstellt, bzw. in dem Fall, dass sowohl bei der Vorwärts- als auch bei der Rückwärtsbewegung des Bildaufnehmers bzw. der Fokussiereinrichtung aufgenommen wird, innerhalb einer halben Bewegungsperiode. Die weiteren Erläuterungen beziehen sich grundsätzlich auf die Verwendung einer vollen Periode zur Aufzeichnung eines räumlichen Bildes.
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Insoweit ist vorgesehen, dass der Bildaufnehmer relativ zur Fokussiereinrichtung periodisch reversierend bewegt wird, wobei innerhalb einer Periode der gesamte Aufnahmebereich von dieser Bewegung abgedeckt wird. Dabei kann ein Durchlaufen entweder in einer gleichmäßigen Bewegung, oder aber in diskreten Einzelschritten, vorzugsweise einigen hundert Einzelschritten, erfolgen, wobei im Fall diskreter Einzelschritte eine Bildspeicherung jeweils zwischen den einzelnen Schritten erfolgt.
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Im Folgenden wird beschrieben werden, wie das erfindungsgemäße Verfahren zur räumlichen Bildaufzeichnung dadurch ermöglicht wird, dass von jedem Bild alle Bildpunkte eliminiert werden, die nicht zu Gegenständen in dessen fokussierter Aufnahmeweite gehören. Hierzu sieht die Erfindung vor, zusätzlich zu jedem Bild wenigstens ein gegenüber dem Bild versetzt aufgenommenes, fokussiertes Hilfsbild zu speichern, wobei für jedes Bild die in einem korrespondierenden Hilfsbild korrelierenden Bildpunkte bestimmt werden und dann geprüft wird, ob die miteinander korrelierenden Bildpunkte miteinander übereinstimmen. Hierbei wird insbesondere geprüft, ob eine gleiche Helligkeit und eine gleiche Farbe bei den korrelierenden Bildpunkten vorhanden sind und lediglich im Falle einer Übereinstimmung wird der jeweilige Bildpunkt auf einem Bild gespeichert. Im Falle einer fehlenden oder zu geringen Übereinstimmung wird der Bildpunkt hingegen verworfen.
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Die Korrelationen der einzelnen Bildpunkte können hierbei entweder rechnerisch ermittelt oder durch eine Eichung festgelegt werden. Für eine solche Eichung kann ein Schirm in den Entfernungen, die bei einer Aufnahme fokussierte Bilder liefern sollen, jeweils mit einem wandernden Lichtpunkt bestrahlt werden. Die vom Lichtpunkt in beiden Bildebenen getroffenen Bildpunkte sind dann ein korreliertes Paar.
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Die verlangte Übereinstimmung hinsichtlich Helligkeit und Farbe wird von einer Elektronik als Gleichheit innerhalb eines Toleranzbandes festgestellt. Es wird hierbei also keine digitale Übereinstimmung, sondern eine zumindest weitgehende Übereinstimmung gefordert, welche auch dem Umstand geschuldet ist, dass die versetzten Bilder aufgrund der unterschiedlichen Perspektiven gegebenenfalls eine gewisse Abweichung selbst bei korrelierenden Bildpunkten aufweisen.
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Aufgrund dieser Toleranzbetrachtung kann es vorkommen, dass Bildpunkte in verschiedenen Bildebenen gespeichert werden, wobei in diesem Fall diejenige Speicherung eines Bildpunktes beibehalten wird, welche die größte Übereinstimmung besitzt. Korrespondierende Bildpunkte in anderen, früheren oder späteren Bildern mit geringerer Übereinstimmung werden verworfen, so dass letzten Endes jeder Bildpunkt in nur einem der innerhalb einer Periode aufgenommenen Bilder vorkommt.
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Da wegen der Zunahme des Abbildungsmaßstabs mit der Aufnahmeweite bei einzeln fokussierten Bildern weiter hinten liegende Bilder zu klein dargestellt werden, wird eine von Bild zu Bild sukzessiv zunehmende konzentrische Streckung der einzelnen Bilder vorgenommen, so dass sich die einzelnen Teilbilder zu einem nahtlosen Bild zusammenfügen. Die erforderliche Größe der Streckung hängt wegen der Zentralperspektive des Betrachters zusätzlich noch von dessen Entfernung vom Wiedergabegerät ab.
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Nachdem es je nach dem betrachteten Gegenstandsraum auch dazu kommen kann, dass einzelne Bildpunkte gar nicht korrelieren, kann das am weitesten hinten liegende Bild auch ganz vollständig aufgezeichnet und gespeichert werden, wobei näher liegende Bildteile das Hintergrundbild bedarfsweise überdecken.
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Einen wesentlichen Aspekt der Erfindung stellt es zudem dar, wenn die einzelnen Teilbilder nicht in verschiedenen Schichten wiedergegeben werden, welche der räumlichen Aufnahme entsprechen, sondern zu einem gemeinsamen, zweidimensionalen Bild zusammengefügt werden, das hierdurch eine durchgehende Tiefenschärfe erhält. Insbesondere im mikroskopischen Anwendungsbereich der Erfindung wird es hierdurch möglich, beispielsweise bei der Mikroskopie kleiner Mineralien die derzeit noch bestehenden enormen Tiefenschärfeprobleme zu lösen. Im Ergebnis wird hierdurch ein Bild mit einer praktisch in allen Bildebenen gleich hohen Tiefenschärfe erreicht. Auch für die übliche Fotografie ist dieser Aspekt bedeutsam.
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Hinsichtlich der Eichung einer derartigen mikroskopischen Einrichtung kann ein sehr kleiner Schirm, z. B. CRT-Bildschirm in einer Bildebene des Mikroskops angebracht und mit einem wandernden Leuchtpunkt versehen werden. Zu jedem Leuchtpunkt des Aufnahmesystems ist dann in einem Hilfsbild der korrelierte Leuchtpunkt des Hilfssystems zu bestimmen. Hierzu ist eine lichtempfindliche Schicht in der betreffenden Gegenstandsweite anzubringen. Die Korrelation zwischen zwei Leuchtpunkten ist dann gefunden, wenn der gleiche Bildpunkt der lichtempfindlichen Schicht von den Leuchtpunkten beider Systeme getroffen wird.
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Hinsichtlich der Korrelation insbesondere der verkleinernden Systeme kann entweder ein vollständiges zweites Hilfssystem aufgebaut werden, welches aus einem zusätzlichen, benachbart zu den Bildaufnehmer angeordneten Hilfsbildaufnehmer sowie einer entsprechend angeordneten Hilfsfokussiereinrichtung erstellt wird. Die optischen Achsen der Fokussiereinrichtung und der Hilfsfokussiereinrichtung sind vorzugsweise parallel zueinander, wobei die beiden Einrichtungen möglichst nahe beieinander liegen.
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Alternativ hierzu kann die optische Achse des Bildaufnahmesystems, oder die Fokussiereinrichtung oder der Bildaufnehmer alleine, minimal verdreht werden, so dass sie denselben Gegenstand aus einer anderen Winkelperspektive betrachtet. So kann abwechselnd in der ursprünglichen und in der gedrehten Position auf dem gleichen Bildaufnehmer ein Bild und ein Hilfsbild aufgenommen werden, und hierbei wiederum die korrelierenden Punkte bestimmt werden.
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Die hier beschriebenen Verfahren sollen gleichermaßen für Aufnahmen eingesetzt werden, welche mit Licht vorgenommen werden, als auch für den Einsatz anderer elektromagnetischer Strahlen bzw. Wellen oder Elektronen Verwendung finden können.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
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1 den schematischen Aufbau einer Aufnahmevorrichtung in einer seitlichen, schematischen Darstellung, sowie
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2 den schematischen Aufbau von Aufnahmesystem und parallelem Hilfssystem in einer schematischen Draufsicht von oben.
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1 zeigt zunächst einen Bildaufnehmer 1, welcher entlang einer optischen Achse 3 innerhalb eines Aufnahmebereichs 6 beweglich angeordnet ist. Der Aufnahmebereich 6 wird hierbei durch die Abstände einer einfachen Brennweite 4 und einer doppelten Brennweite 5 einer Fokussiereinrichtung 2 begrenzt, welche einen sich in einem Gegenstandsraum 7 befindlichen Gegenstand auf den Bildaufnehmer 1 abbildet.
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Aufgrund seiner Beweglichkeit durchläuft der Bildaufnehmer 1 den Aufnahmebereich 6 ausgehend von der doppelten Brennweite 5 bis hin zur einfachen Brennweite 4. Die Bewegung erfolgt aufgrund eines mit dem Bildaufnehmer 1 verbundenen Schrittmotors, welcher eine Abstufung der Bewegung in mehrere hundert Schritte ermöglicht. An jedem Halt des Bildaufnehmers 1 nimmt dieser das aktuell dargestellte Bild, auf welches auf einer dem Bildaufnehmer 1 zugeordneten, lichtempfindlichen Schicht mittels der Fokussiereinrichtung 2 abgebildet wird und speichert dieses. Hierdurch wird eine Vielzahl von Bildern erstellt, welche untereinander jeweils nur einen Teil des Gegenstandsraums 7 scharf abbilden können.
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Daher ist eine in 2 dargestellte Hilfsvorrichtung vorgesehen, welche im Wesentlichen aus einer Hilfsfokussiereinrichtung 9 und einem Hilfsbildaufnehmer 8 gebildet ist. Der Hilfsbildaufnehmer 8 wird hierbei parallel zu dem Bildaufnehmer 1 bewegt und nimmt ein gegenüber dem Bildaufnehmer 1 zumindest etwas versetztes Bild auf.
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Die Hilfsvorrichtung dient dazu, eine Korrelation zwischen den Bildpunkten 13, 14 des Hilfsbildaufnehmers 8 und den eigentlich aufgenommenen Bildpunkten 12 des Bildaufnehmers 1 zu ermitteln, so dass festgestellt werden kann, welche Bildpunkte 12 zu realen Gegenständen gehören. Entspricht ein Punkt 10 im Gegenstandsraum einem dort vorhandenen Gegenstand, so werden Bildpunkte 12 des Bildaufnehmers 1 und der korrelierte Bildpunkt 13 des Hilfsbildaufnehmers 8 gleiche Helligkeit und Farbe zeigen und es wird Bildpunkt 12 gespeichert.
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Ist in Punkt 10 kein Gegenstand vorhanden, so werden die Bildpunkte 12 und 13 von verschiedenen, weiter entfernten Gegenständen von nicht fokussiertem Licht getroffen, das keine oder weniger gute Übereinstimmung in Helligkeit und Farbe zeigt und somit für Bildpunkt 12 eliminiert wird.
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Ist statt in Punkt 10 des Gegenstandsraumes 7 in Punkt 11 ein Gegenstand vorhanden, so wird Bildpunkt 12 von dessen Licht getroffen, aber da der korrelierte Bildpunkt 13 kein Licht von Punkt 11 erhält, wird Bildpunkt 12 im vorliegenden Abstand des Bildaufnehmers 1 zur Fokussiereinrichtung 2 nicht gespeichert. Erst wenn dieser Abstand so eingestellt ist, dass Bildpunkt 12 mit Bildpunkt 14 korreliert (Verschiebung in 2 nicht dargestellt), kann der Gegenstandspunkt 11 gleiches Licht bei Bildpunkt 12 und korreliertem Bildpunkt 14 erzeugen und Bildpunkt 12 wird gespeichert.
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Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren zur Bildaufzeichnung, bei welchem durch eine Relativbewegung zwischen einem Bildaufnehmer und einer Fokussiereinrichtung ein räumlicher Aufnahmebereich abgedeckt werden kann, wobei regelmäßig nur diejenigen Bildteile, die einem realen Gegenstand entsprechen, in einem der Schichtbilder aufgenommen werden. Diese können entweder in umgekehrter Richtung mithilfe einer Wiedergabeeinrichtung mit ebenfalls periodisch reversierendem Bildschirm wiedergegeben werden um einen räumlichen Eindruck zu erzeugen oder alternativ nach erfolgter konzentrischer Streckung der zentrisch zu vergrößernden Bilder zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden, welches dann eine durchgehend hohe Tiefenschärfe besitzt.
