DE2218384B2 - Holographisches Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bildes aus einer Serie von zweidimensionalen Bildern unterschiedlicher Perspektive - Google Patents

Holographisches Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bildes aus einer Serie von zweidimensionalen Bildern unterschiedlicher Perspektive

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Description

Die Erfindung bezieilt sich auf ein holographisches
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen reellen Bildes aus einer Serie von zweidimensionalen Bildern, die aus unterschiedlichen, kegelmantelförmig um die Verbindungsachse zum Objekt herum verteilten Beobachtungsrichtungen aufgenommen worden sind, wobei die Bildinformationen der einzelnen Bilder ihrerseits auf getrennten, in ihrer Lage der Winkelverteilung der Beobachtungsrichtungen um die Verbindungsachse entsprechenden Teilflächen einer lichtempfindlichen Aufnahmeplatte holographisch aufgezeichnet und anschließend bei feststehendem Hologramm mit kegelmantelförmig verteilter Wiedergabewelle als reelle Bilder rekonstruiert und zur Überlagerung gebracht werden. Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Schichtaufnahmen. Das einfachste Verfahren, die Abbildung einer Schicht, stammt von Ziedses des Plantes, Acta Radiol. 13 (1932), S. 182. In »Der Radiologe« 9 (1969), S. 37, wird über die Möglichkeit berichtet, mit einer Serie von Röntgenbildern, elektro nisch gespeichert, eine Vielzahl diskreter Schichten nacheinander in einer Speicherröhre darzustellen. Mit Hilfe eines Systems von Abbildungslinsen oder bei vorheriger Bildreduktion mit Hilfe einer Weitwinkeliinse lassen sich ebenfalls die Röntfenbilder überlagern, wie z. B. im AmJ. of Roentgenology 105 (1969), S. 903 gezeigt Hier ist eine kontinuierlich-variable Darstellung der Schichten möglich. Andere Arbeiten haben gezeigt, daß man auch mit Hilfe der Holographie zu ähnlichen Ergebnissen kommen kann (Appl.Opt. 9 (1970) S. 775;
■»5 deutsche Offenlegungsschrift 19 52 105; Opt.Comm.4 (1971) S. 1. Diesen Verfahren gemeinsam ist die holographische Speicherung der Röntgenbilder und zwar derart, daß in der Rekonstruktion durch Integration ein dreidimensionales Bild des Objektes
M entsteht.
Aus der DE-OS 19 31299 und dem Aufsatz aus »|apan.J.AppI. Phys.« 8 (1969), Seite 124-125, ist ein Verfahren zur Herstellung von Bildern mit Stereoeffekt durch Benutzung von holographischen Techniken bekannt. Das rekonstruierte virtuelle Bild ist beim Bekannten pseudoskopisch. Schichtaufnahmen werden dabei nicht benutzt. Die holographischen Einzelbilder könnten zur Wiedergabe eines reellen Bildes nicht ohne weiteres benutzt werden, da sie dafür nicht in der
M) richtigen Art überlagert werden könnten.
Abgesehen von der herkömmlichen Tomographie, die lediglich eine scharfe Schicht des Objektes liefert, arbeiten alle genannten Verfahren nach dem Prinzip der Tomosynthese, also mit der Überlagerung einer
es diskreten Anzahl von Bildern, aufgenommen aus verschiedenen Perspektiven. Die Nachteile der bekannten Verfahren sind verschiedener Art, Bei der elektronischen Schichtung werden in eine Speicherröh-
re die elektronisch gespeicherten Röntgenbilder definiert versetzt zueinander eingeschrieben. Die Verschiebung wird ebenfalls rein elektronisch und damit mit begrenzter Genauigkeit durchgeführt Wegen der geringen Auflösung und der geringen Dynamik elektronischer Systeme erhält man kontrast- und detailarme Schichtbilder. Hinzu kommt, daß nur diskrete Schichtbilder erzeugt werden können, wobei die Erzeugung schräg liegender Schichten praktisch nicht möglich ist Bei dem inkohärent-optischen Verfahren ist als Nachteil zu nennen, daß man ein sehr aufwendiges und verhältnismäßig inflexibles System benötigt Insbesondere kann das System nur sehr schwer für Aufnahmen mit verschiedenem Schichtwinkel adaptiert werden. Die Schichtbilder sind vom Verfahren her lichtschwach und kontrastarm.
Die bekannten holographischen Verfahren benötigen eine relativ große, aber nicht genutzte Tiefenschärfe, die durch sehr kleine Hologrammaperturen erreicht wird. Das führt zu stark verrauschten Einzelbildern (Granulation). Hinzu kommt eine schlechte Lichtausbcuic bei der Herstellung. Außerdem müssen die reellen Bilder aus dem Hologramm rekonstruiert werden. Bei einer sphärischen Referenzwelle wird zur Rekonstruktion dann eine Linse benötigt Sofern zusätzlich noch ungünstige Bildebenenhologramme benutzt werden, ist dies nur durch eine ebenfalls ungünstige Geometrie für die Verwischung erreichbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung reeller, flimmerfreier Bilder anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die holographische Aufnahme der einzelnen Bilder mit einer festen Referenzwelle, aber zeitlich nacheinander erfolgt wobei jeweils zwischen den Aufnahmen die lichtempfindliche Aufnahmeplatte um einen der Winkelvcrteiiung der Beobachtungsrichtungen um die Verbindungsachse entsprechenden Winkel um eine zu ihrer Oberfläche senkrechte Achse gedreht wird und die einzelnen Bilder mit Hilfe einer festen Linse nacheinander auf eini.i festen Bereich der Drehachse abgebildet werden, wobei die Welle jedoch noch vor diesem Bereich durch die lichtempfindliche Aufnahmeplatte aufgefangen wird und wobei der Strahlengang gegenüber der Drehachse um den gleichen Winkel geneigt ist, wie die Beobachtungsrichtungen gegenüber der Verbindungsachie, und daß die Wiedergobewelle gegenüber der Drehachse um den gleichen Winkel geneigt ist wie die Referenzwelle.
In dem älteren deutschen Patent 20 53 391 wird bereits ein Verfahren zu: Erzeugung von Schichtbildern mit Hilfe der holographischen Tomographie vorgeschlagen, bei dem die mit Röntgenstrahlung aufgenommenen Einzelbilder unterschiedlicher Perspektive ihrerseits in Teilhologrammen holographisch aufgezeichnet werden, wobei die Teilhologramme auf einer feststehenden Aufzeichnungsfläche räumlich getrennt entlang einer Kurve, wie sie die Röntgenquelle bei der Herstellung der Einzelbilder beschrieben hat, mit optischer Strahlung erzeugt werden, und bei dem ein Wiedergabestrahl so auf die Teilhologramme gerichtet wird, daß sich die von den Teilhologrammen rekonstruierten reellen Bilder auf einer Empfängerfläche überlagern, bei dem der Wiedergabestrahl mit Hilfe eines Lichtablenkers die Teilhologramme entlang der oben genannten Kurve zeitlich aufeinanderfolgend beleuchtet.
Hierbei wird eine Herstellung der Einzelbilder vorausgesetzt und es wird nur der Referenzstrahl abgelenkt, um eine zeitabhängige Rekonstruktion zu ermöglichen, während das neue Hersteilungsverfahren eine vereinfachte Rekonstruktion zuläßt, womit das gewünschte reelle Bild in vorteilhafter Weise erzeugt ist
Mit Hilfe nur einer Abbildungslinse mit variabler Blende und damit vorgebbarer Tiefenschärfe werden die Röntgenbilder scharf in der Mitte des interessierenden Objektdetails abgebildet Die notwendige Tiefen- schärfe entspricht dann der Tiefe des Objektes, so daß die Lichtstärke des Objektes optimal groß gehalten werden kann. Zum Beispiel kann eine Serie von Röntgenbildern, aufgenommen aus unterschiedlichen Perspektiven, derart in einem Hologramm gespeichert
π werden, daß bei der Rekonstruktion sich alle Bilder richtig überlagern. Dadurch ist es möglich, gegebenenfalls auch nachträglich Schichtaufnahmen des Objektes herzustellen, wobei die Tiefenlage kontinuierlich variiert werden können.
Das Verfahren hat alle Vortei'- der inkohärenten Verfahren, vermeidet aber den Nachteil wie das aufwendige, starre System, einen festen Schichtwinkel und lichtschwache Bilder. Das Verfahren hat weiterhin alle Vorteile der bekannten holographischen Verfahren, vermeidet aber unnötige und hierbei unerwünschte Tiefenschärfe, ungünstige Bildebenenhologramme, Lichtverluste, sowie stark verrauschte Einzelbilder.
Im folgenden wird zur Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile ein Ausführungsbeispiel näher beschrie-
3n ben. Dabei zeigt schematisch
F i g. 1 die Herstellung einer Serie von Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven,
F i g. 2 schematisch die Gesamtgeometrie, die eingehalten werden muß,
J5 F i g. 3 speziell die Herstellung des Hologramms,
Fig.4 die Rekonstruktion aus dem Hologramm mit der ursprünglichen, aber jetzt rotierenden Referenzwelle und
F i g. 5 die Rekonstruktion mit Hilfe eines Lichtkegels,
4ü wobei die Referenzwellen durch eine Blende begrenzt w* rden.
Im vorangegangenen wie auch im folgenden wird zur Erläuterung des Verfahrens von Röntgenbildern ausgegangen. Doch lassen sich ohne Einschränkung auch Bilder von Partikelstrahlung, wie auch normale optische oder elektronische Bilder nach diesem Verfahren für eine dreidimensionale Darstellung verarbeiten. Künstliche, von Computern errechnete Bilder, können ebenfalls in dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt werden.
so In F i g. 1 wird die Röntgenlichtquelle auf einem Kreis 10 parallel zur Filmebene It bewegt. In definierten Positionen (z. B. 12, 13) werden vom Objekt 14 jeweils Röntgenaufnahmen hergestellt, so daß letztlich eine Serie von N Röntgenbildern unterschiedlicher Perspek tive vorliegt. Die dabei verwendete Aufnahmegeome trie, wie Film-Fokus-Abstand 15, Drehachse 16, Kreisradius 17 und damit der benutzte Schichtwinkel 18, muß bekannt und sollte reproduzierbar sein, denn es genügt, wenn die ',Viedergabegeometrie gegenüber der Aufnahmegeometrie verhältnistreu ist, wobei der Schichtwinkel gleich bleibt. Der mittlere Objekt-Fokus Abstand 19 sollte in etwa ebenfalls bekannt sein.
Fig. 2 zeigt die Gesamtgeometrie, die für eine richtige Überlagerung der Einzelbilder eingehalten werden muß. Ein RuntgenLiild 11 wird von der Linse 20 scharf nach 11' hin abgebildet. Dabei sollte 11' etwa in der Mitte des zu untersuchenden Schichtbereichs liegen. Mit Hilfe der Blende 21 kann der Tiefenschärfrhereich
24 vorgegeben werden Die Geometrie ist derart gewähli, daß der Mittelpunkt der Linse 20 sich auf dem Rand eines Kreises IO mit der Drehachse 16 und dem Radius 17 befindet. Der Film-Fokus-Abstand 15 ist für Ebene 11" gegeben, so daß die ursprüngliche Aufnahmegeometrie wiederhergestellt ist mit wieder dem gleichen Schichtwinkel 18. Dieser Schichtwinkel 18 kann durch einfaches Verschieben der Linse 20 senkrecht zur Rotationsachse 16 eingestellt werden. Es befindet sich jetzt die scharfe Abbildungsebene in dem zu erzeugenden Bild 14' des Objektes 14. Dadurch kann der Tiefenschärfebereich 24 erheblich kleiner gewählt werden, was u. a. die Lichtstärke erhöht und damit die Belichtungszeiten für ein Hologramm reduziert.
Im inkohärenten Verfahren müßten jetzt N Linsen auf dem Kreis 10 angeordnet werden, um die N Einzelbilder von 11, entsprechend angeordnet, abzubilden. Dieser immense Aufwand kann mit Hilfe eines einfachen holographischen Verfahrens umgangen werden. Dazu wird z. B. zwischen I inse 20 und Schärfenbereich 24 eine Photoplatte 23 oder ein entsprechendes Speichermaterial senkrecht zur Drehachse 16 angeordnet. Eine vorteilhaft sphärische Referenzwelle, ausgehend von einem Punkt der Drehachse 16, leuchtet den Kegelschnitt auf der Photoplatte aus. Wegen der Kohärenz interferieren beide Lichtwellen. Die Intensität dieses Interferenzmusters wird von der Photoplatte aufgezeichnet.
Zur Speicherung aller N Röntgenbilder wird jetzt sukzessive die Photoplatte 23 um einen Winkel 2π/Ν — entsprechend der Winkeländerung der Röntgenröhre bei der Aufnahme — um die Achse 16 gedreht. Das zugehörige Röntgenbild, um 2jr/N gedreht, wird in die Position 11 gebracht. Dadurch haben dann alle Bilder in der Rekonstruktion die gleiche Orientierung. Referenzwelle 22 und Linse 20 werden nicht verändert. Nachdem alle N Röntgenbilder so holographisch gespeichert worden sind, wird die Photoplatte entwickelt (zur Erreichung eines höheren Wikrungsgrades kann sie auch ausgebleicht werden) und in die ursprüngliche Position gebracht. Läßt man jetzt die Referenzwelle 22 um die Achse 16 rotieren, werden die Teilhologramme zeitlich nacheinander ausgelesen, so daß exakt die Strahlgeometrie nach Fig. 1 rekonstruiert wird. Das Bild 14' entsteht durch Integration aller N Röntgenbilder (eine übliche Zahl von /V = 24) an der Stelle, wo sich bei der Aufnahme das Objekt befunden hat. In F i g. 3 ist zur Verdeutlichung ausschließlich die Aufnahmegeometrie wiedergegeben. Neben einem Laser, der die Objekt- und Referenzwelle erzeugt, benötigt man im wesentlichen nur einen Halter für den Röntgenfilm 11, eine Linse 20 mit variabler Blende 21 und einen rotierenden Halter für die Photoplatte 23 oder einen entsprechenden
ίο Aufzeichnungsträger. In der Fig.4 ist die Rekonstruktion mit rotierendem Referenzstrahl wiedergegeben. Die entwickelte Photoplatte mit dem Interferenzmuster, jetzt Hologramm 23' genannt, wird mit der Referenzwelle 22 durchstrahlt. Der abgebeugte mit der
Bildinformation versehene Lichtkegel entspricht genau dem bei der Herstellung benutzten (siehe Fig. I). In der Ebene 11' entsteht das im Hologramm an der speziellen Stelle gespeicherte Röntgenbild. Dieses Bild ist über einen Tiefenschärfebereich 24 scharf, der Hnrrh Λ\ς gewählte Blendenöffnung (s. 21 Fig. 3) gegeben ist. Läßt man jetzt die Referenzwelle 22 um die Achse 16 rotieren, dann werden zeitlich nacheinander und mit der richtigen Orientierung die Röntgenbilder unterschiedlicher Perspektive rekonstruiert. Durch die Überlagerung
der Bilder entsteht dann an der Stelle, an der sich ursprünglich das Objekt 14 befand, ein dreidimensionales reelles Bild 14' dieses Objektes, welches jetzt schichtweise, kontinuierlich abgetastet werden kann, indem die entsprechende Schicht z. B. auf eine
jo Mattscheibe oder einen anderen geeigneten Detektor projiziert wird. Bei hinreichend hoher Winkelgeschwindigkeit der Referenzwelle erhält man nimmerfreie Schichtbilder.
Eine andere Art der Ausführung ist in F i g. 5 zu sehen.
Hier werden mit Hilfe eines monochromatischen Lichtkegels 25 und eines kreisförmigen Schirmes 26 gleichzeitig alle Referenzwellen 22 erzeugt. Die Bildintegration erfolgt dann durch die gleichzeitige Überlagerung aller Bilder.
Hat man bei der Herstellung der Einzelbilder einen anderen Schichtwinkel 18 benutzt, so braucht für die holographische Speicherung nur die Linse 20 (s. F i g. 2) senkrecht zur Drehachse 16 verschoben werden, um die geänderte Geometrie einzuhalten.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche;
1. Holographisches Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen reellen Bildes aus einer Serie von zweidimensionalen Bildern, die aus unterschiedlichen, kegelmantelförmig um die Verbindungsachse zum Objekt herum verteilten Beobachtungsrichtungen aufgenommen worden sind, wobei die Bildinformationen der einzelnen Bilder ihrerseits auf getrennten, in ihrer Lage der Winkelverteilung der Beobachtungsrichtungen um die Verbindungsachse entsprechenden TeilRächen einer lichtempfindlichen Aufnahmeplatte holographisch aufgezeichnet und anschließend bei feststehendem Hologramm mit kegelmantelförmig verteilter Wiedergabewelle als reelle Bilder rekonstruiert und zur Oberlagerung gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die holographische Aufnahme der einzelnen Bilder mit einer ie<;ten Referenzwelle, aber zeitlich nacheinander erfolgt, wobei jeweils zwischen den Aufnahmen die lichtempfindliche Aufnahmeplatte um einen der Winikelverteilung der Beobachtungsrichtungen um die Verbindungsachse entsprechenden Winkel um eine zu ihrer Oberfläche senkrechte Achse gedreht vnid und die einzelnen Bilder mit Hilfe einer festen Linse nacheinander auf einen festen Bereich der Drehachse abgebildet werden, wobei die Welle jedoch noch vor diesem Bereich durch die lichtempfindliche Aufnahmeplatte aufgefangen wird und wobei der Strahlengang gegenüber der Drehachse um den gleichen Winkel geneigt ist, wie die Beobachtungsrichtung gegenüber ter VerbJndungsachse, und daß die Wiedergabewelle gegenüber der Drehachse um den gleichen Winkel geneigt i . wie die Referenzwelle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines monochromatischen Lichtkegels und einer Blende alle Referenzwe'len simultan erzeugt werden, so daß alle Bilder gleichzeitig rekonstruiert und überlagert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von Tiefenlagen von Details des Objektes oder zur Herstellung tomographischer Aufnahmen das erzeugte dreidimensionale Bild auf eine Mattscheibe oder einen anderen geeigneten Detektor projiziert wird, wobei die Neigung der Ebene derselben gewissen Grenzen frei wählbar ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis; 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abbildungslinse eine variable Blende entsprechend dem gewünschten Tiefenschärfenbereich eingestellt wird,
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Perspektive mit Partikelstrahlung hergestellt werden.
6. Verfahren nach Anspruch I oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Pci jpektivc mit Elektrostrahlen hergestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Perspektive mit Licht hergestellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Perspektive mit Röntgenstrahlung hergestellt werden.
9, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweicümensionalen Bilder mit Hilfe eines Computers errechnet werden.
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