DE2414322B2

DE2414322B2 - Verfahren und Anordnung zur Decodierung von Überlagerungsbildern dreidimensionaler Objekte

Info

Publication number: DE2414322B2
Application number: DE2414322A
Authority: DE
Inventors: Erhard 2083 Halstenbek Klotz; Hermann Dr. 2000 Hamburg Weiss
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1974-03-25
Filing date: 1974-03-25
Publication date: 1979-05-17
Also published as: JPS597111B2; FR2266203B1; GB1505999A; US4023037A; FR2266203A1; DE2414322A1; JPS50131546A; DE2414322C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß man ebene Objekte codieren Kann, indem man mit inkohärentem Licht oder auch mit Röntgenstrahlen das Objekt aus verschiedenen Positionen auf ein und denselbem Film abbildet und somit ein Überlagerungsbild erzeugt. Die Information über das Objekt in diesem Bild ist nicht unmittelbar zugänglich, sondern erst in einem zweiten Schritt, der Decodierung des Bildes, kann das Objekt wieder sichtbar gemacht werden. Die verschiedenen Aufnahmepositionen können mathematisch durch eine diskrete Verteilung punktförmiger Quellen charakterisiert werden. Für die spätere Decodierung güngstige Punktverteilungen sind entweder statistische Verteilungen oder sog. nichtredundante Verteilungen, wie sie von M. J. E. G ο 1 ay in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America«, Band 61, Seite 272, beschrieben wrerden.

Bei der Decodierung der Überlagerungsbilder nutzt man dabei eine mathematische Eigenschaft dieser Verteilungen aus, nämK-jh, daß deren Autokorrelationsfunktion näherungsweise eine Dirac'sche O-Funktion ist. Die Decodierung selbst erfolgt in einem kohärent optischen Fourier-Aufbau, wie er z. B. beschrieben ist in der Arbeit von G.Groh, G. W.Stroke in Opt. Comm. 1, Seite 339,1970. Die Entstehung des decodierten Bildes kann dabei so verstanden werden, daß — unter Verwendung einer nichtredundanten Verteilung von π Punkten bei der Aufnahme des Überlagerungsbildes — bei der Decodierung ein Bild mit der Amplitude π entsteht, erzeugt am Ort des mittleren Autokorrelationspunktes der Amplitude n, umgeben von störenden Unterbildern der Amplitude 1, hervorg -rufen durch die η (n—\) Nebenpunkte der Amplitude 1 in der Autokorrelationsfunktion. Ist nun η sehr viel größer als 1, so erscheint das konstruktiv erzeugte Bild η mal heller als die Nebenbilder, die das konstruktive Bild mehr oder weniger stören.

Dieses optische Verfahren der Dekodierung ist bisher nur für zweidimensionale Objekte durchgeführt worden und hat den Nachteil, daß aufgrund des dort verwendeten kohärenten Lichtes starke Störungen des dekodierten Bildes entstehen, die in der Größenordnung des Bilddetails selbst sind. Die Beseitigung dieser in der Holographie wohlbekannten Störungen kann, wenn überhaupt, nur in sehr mühsamen und langwierigen Justierarbeiten erfolgen. Dieser Nachteil macht eine Dekodierung dreidimensionaler Objekte praktisch unmöglich, da hier für die Dekodierung der einzelnen Ebene η des Objektes jeweils eine andere Einstellung des optischen Aufbaus nötig ist, die dann stets langwieriger Justierarbeiten bedürfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem dreidimensionale Objekte dekodiert werden können und kohärente Störungen vermieden sind.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zur Dekodierung der Überlagerungsbilder von durchstrahlten, dreidimensionalen Objekten, die mit einer Vielzahl von Strahlungsquellen aufgenommen werden, das Punkthologramm mit Hilfe einer Referenzwelle und eines durch konvergentes Beleuchten einer Lochmaske

entstehenden Strahls hergestellt wird, wobei die geometrische Verteilung der Löcher in der Lochmaske gleich oder maßstäblich vergrößert im Vergleich zu der Verteilung der verschiedenen Bildpunkte ein- und desselben, von der Ebene des Überlagerungsbildes bei dessen Aufnahme am weitesten entfernten Objektpunktes auf dem Überlagerungsbild ist, und daß das zu dekodierende Überlagerungsbild durch das Punkthologramm vervielfacht wird, indem es zwischen einer Beleuchtungslinse und dem fertigen Punkthologramm in einen räumlich inkohärenten, monochromatischen, konvergenten Lichtstrahl gebracht und dort in Richtung der optischen Achse verschoben wird.

Das Prinzip der Dekodierung des Überlagerungsbildes, in dem die verschiedenen Ebenen des dreidimensionalen Objektes in verschiedenen Größen aufgezeichnet sind, beruht auf eine Maßstabsanpassung des Überlagerungsbildes, die durch Verschieben erfolgt, an die unter verschiedene Winkel in einem Punkthologramm gespeicherten Punkte der Quellverteilung, um die das Uberlageningsbild jeweils noch vervielfacht wird (Punkthoiogramme wirken als Bildvervielfache;}.

Das Verfahren kann besonders vorteilhaft Sei der medizinischen Röntgenabbildung in der medizinischen Diagnostik benutzt werden, und zwar bei der Abbildung bewegter dreidimensionaler Objekte, wie etwa das schlagende Herz oder in Gefäße gespritzte Kontrastmittel, die sich schnell bewegen. Das bewegte Objekt wird dabei gleichzeitig durch mehrere Röntgenröhren aus verschiedenen Positionen auf einen einzigen Film geblitzt und anschließend nach erfolgter Entwicklung des Films mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in allen Schichten dekodiert. Aufgrund des, inkohärentes Licht verwendenden, Dekodierungsverfahren treten dabei keinerlei Justierarbeiten auf. Da die einzelnen Schichten des Objektes lediglich durch Verschieben des Überlagerungsbildes dekodiert werden, gewährleistet das Verfahren ein sehr schnelles problemloses Arbeiten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung .läher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Aufnahme der Punktbildfunktion,

F i g. 2 einen optischen Fourier-Aufbau zur Aufnahme eines Punkthologramms,

Fig. 3 eine Anordnung zum Decodieren des ÜberlagerungsbikJes,

Fig.4 die Vielfachprojektion eines dreidimensionalen Objektes,

Fig.5 ein Ausführungsbeispiel des inkohärenten Decodierungsverfahrens.

Das Verfahren wird erläutert in vereinfachter Weise unter Berücksichtigung nur zweier Aufnahmepositionen zur Herstellung des Überlagerungsbildes. Die Ausweitung auf π beliebig viele Perspektiven ist dann unmittelbar einsichtig.

In Fig. I wird mit Hilfe einer Lochkamera LK 1 ein Punktbild der Quellverteilung, bestehend aus den Quellen RQ_x und RQ₂, realisiert z. B. durch zwei Röntgenröhren, in der Ebene P erzeugt. Das Bild des durch die Lochkamera realisierten Punktes O\ besteht < dann aus den beiden Punkten I und II. Dies Punktbild enthält also die Information über die Lage der Quellen RQ₁ und RO₂ relativ zum Objektpunkt O\. Bringt man später anstatt der Lochkamera irgendein dreidimensionales Objekt O in den Projektionsstrahlengang, so wird f jeder Punkt des Objektes abgebildet in zwei Punkte, z. B. der Punkt O₂ in der Eh ine LK 2 in die Punkte 1 und III. Man erhält so ein doppeltes überlagertes Bild des Objektes. Falls das Objekt sich vollständig hinter der Stelle befindet, an der bei der Aufnahme des Punktbildes der Quellen das Loch der Lochkamera stand, ist der Abstand der Bildpunkte eines beliebigen Objektpunktes stets kleiner als der Abstand der Punkte I und Il der Punktbildfunktion. Dies wird später bei der Decodierung von Wichtigkeit sein.

In Fig.2 wird anhand der Punktbildaufnahme der F i g. 1 ein sog. Punkthologramm H aufgenommen. Eine

ίο ebene kohärente Lichtwelle LS_x, produziert von einem Laser, wird von der Linse L_x in deren Brennebene mit Brennweite /"fokussiert Hinter der Linse befindet sich eine Schablone P mit zwei Löchern I und II, die zueinander die Lage des Punktbildes, hergestellt gemäß

i". Fig. 1, haben. Mit Hilfe der Referenzwelle LS₂ wird dann ein Hologramm H des Punktbildes hergestellt. In diesem Hologramm ist die Information über die Richtungen der Punkte I und II, d. h. über den Winkel α, gespeichert Dies bedeutet aber nichts anderes, als daß

κι das Hologramm ein Gitter darstellt nv- einer durch den Referenzstrahl modulierten Richtung.

Dieses holographische Gitter verdoppelt jeden Bildpunkt, auch bei Beleuchtung mit inkohärentem monochromatischem Licht Diese Eigenschaft des

2") Punkthologramms wird in Fig.3 zur Decodierung des Überlagerungsbildes, aufgenommen aus den Richtungen RQ₁ und RQ₂ der F i g. 1, benutzt

Fig. 3 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 2; das Hologramm H bleibt am Orte seiner Aufnahme, anstatt

J!) der Punktverteilung P in Fig.2 wird nun das Überlagerungsbild B(Fig.4) in die Ebene E_x gebracht. Beleuchtet wird dieses Bild mit einem durch die Linse L\ konvergent gebündelten inkohärenten monochromatischen Lichtstrahl LS_x. Wir betrachten zunächst die

i"> Abbildung zweier Punkte 1 und 2 in der Ebene E_x durch das Hologramm Wund die Linse L₂; die Längen /sind die jeweiligen Brennweiten der Linsen. Die Punkte 1 und 2 schließen zusammen mit der HologrammTiitte den aus Fig. 2 bekannten Winkel « ein. Der

ι» Profektionsstrahl, ausgehend vom Punkt 1 verläuft in der -ptischen Achse und wird durch das in der Projektionspupille liegende Hologramm H in die Richtung des bei der Aufnahme des Hologramms benutzten Referenzstrahles abgelenkt und dabei gleich-

i"> zeitig verdoppelt um den Winkel «. Hinter der Linse L₂ entstehen dann die beiden Bildpunkte 1" und 1'; die O-te und minus 1-te Ordnung des Hologramms interessieren nicht. Entsprechend entstehen aus der Projektion des Punktes 2 die Bilder 2' und 2". Dabei überlagern sich die

■■» Bildpunkte 1" und 2', da sowohl die Punkte 1 und 2 unter dem Winkel λ als auch die Aufspaltung jedes einzelnen Strahles gemäß der Aufnahme des Hologramms in Fig. 2 'inter dem Winkel α geschieht. Dies bedeutet aber, daß alle Punkte 1 und 2 des Überlagerungsbildes B,

< entstanden aus eimm Punkt in der Ebene aer Lochkamera LK 1 in F i g. 1 — alle Punkte der Ebene, in der Punkt O\ liegt, wurden ja verdoppelt mit gleichem Abstand — abgebildet werden in drei Punkte Γ, 2" und dem Punkt 2', 1", der die doppelte Intensität der

in Nebenpunkte Γ und 2" hat. Dies ist aber nichts anderes als die weiter oben beschriebene Autokorrelation der Quellverteilung. Der Punkt 2', 1" ist ein konstruktiver Punkt des decodierten Überlagerungsbildes B, die Punkte 1' und 2" sind Nebenpunkte, die das konstrukti-

s ve Bild stören. Die gleiche Betrachtungsweise gilt natürlich für alle Punkte des Objektes in der Ebene des Punktes O_x in F i g. 1. Wird das Objekt nun nicht nur aus zwei, sondern aus η Richtungen aufgenommen, so wird

das konstruktive Bild entsprechend η-fach überhöht verglichen mit den Nebenbildern, falls nicht Nebenbilder sich konstruktiv überlagern. Dies ist aber ausgeschlossen, falls man als Quellverteilungen die oben erwähnten nichtredundanten Punktverteilungen ver- -, wendet.

Die Decodierung aller anderen Objektschichten erfolgt nun durch Verschieben des Überlagerungsbildes in Richtung auf das Hologramm H hin. Befindet sich das Überlagerungsbild B in der Ebene Ei, so werden die in jetzt unter dem Winkel /x sichtbaren Punkte .3 und 4 konstruktiv /um Doppelpunkt 4', 3" überlagert, bei gleichzeitiger Erzeugung der Nebenpunkte 3' und 4".

DiCS hCiui. däii jCi/.i jcwcili älic ruilkie ÜCS UlJtT iiigerungsbildes I) konstruktiv projiziert werden, die den ι kleineren Absland der Punkte 3 und 4 haben, also jene Punkte des ursprünglichen Objektes O, die in der Ebene 1,K₂ des Punktes O₂ der Fig. 1 lagen. Alle Punkte hingegen, die andere Abstände haben, z. H. die Punkte 3 und 5. werden nicht mehr konstruktiv überlagert, jn Umgekehrt werden natürlich Punkte wie I und 6 des Überlageriingsbildes B in Position E₁ nicht konstruktiv überlagert. Der Vorgang des Verschiebens des Überlagerungsbildcs von Ebene E\ in Ebene E₂ im konvergenten Strahlengang bewirkt also ein Anpassen entsprechender Objektebenen, die in verschiedenen Maßstäben auf dem Überlagerungsbild B aufgezeichnet sind, an das Hologramm H, indem die verschiedenen Richtungen (Winkel ä) der Strahlenquellen fest gespeichert sind.

Fig.4 zeigt die Erweiterung des Aufnahmeprinzips auf mehrere Quellen RQ und die Ebenen 0, 1, 2 des Objektes O. B stellt das Überlagerungsbild der Ziffern dar.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der inkohärenten Dekodierung des Übcrlagcrungsbildcs ft. Die Linse /.ι erzeugt eine punktförmige Lichtquelle von dem Laser LQ. in Fokus oder in dessen Nähe befindet sich eine rotierende Mattscheibe .S'. die die räumliche Kohärenz des I.aserlichtes zerstört bzw. stark vermindert. Die Linse L\ beleuchtet dann im konvergenten Strahl das Überlagerungsbild, das in die Positionen By, IJ₂, Bi verschoben wird. Mit Hilfe des Punkthologramms // und der Linse Lj werden in der Bildebene nacheinander die dekodierten Bilder Bt'. B₂'. 0Γ des dreidimensionalen Objektes erzeugt. Diese Bilder sind dabei ohne jegliche kohärente Störungen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

2» 2> Patentansprüche;

1. Verfahren zur Dekodierung von Überlagerungsbildern, die vom jeweiligen Objekt in verschiedenen Perspektiven, überlagert und gegeneinander verschoben aufgenommen und mit Hilfe eines Punkthologramms dekodiert werden, wobei das Punkthologramm durch Interferenz eines Referenzstrahls mit einer Strahlung hergestellt wird, die von n> punktförmigen Quellen herkommt, deren geometrische Verteilung der Verteilung der verschiedenen Bildpunkte ein- und desselben Objektpunktes auf dem Überlagerungsbild entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dekodierung der '⁵ Überlagerungsbilder von durchstrahlten, dreidimensionalen Objekten, die mit einer Vielzahl von Strahlungsquellen aufgenommen werden, das Punkthologramm mit Hilfe einer Referenzwelle und eines durch konvergentes Beleuchten einer Lochmaske entstehenden Strahls hergestellt wird, wobei die geometrische Verteilung der Löcher in der Lochmaske gleich oder maßstäblich vergrößert im Vergleich zu der Verteilung der verschiedenen Bildpunkte ein- und desselben, von der Ebene des Überlagerungsbildes bei dessen Aufnahme am weitesten entfernten Objektpunktes auf dem Überlagerungsbild ist, und daß das zu dekodierende Überlagerungsbild durch das Punkthologramm vervielfacht wird, indem es zwischen einer Beleuch- «· tungslinse und dem fertigen Punkthologramm in einen räumlich inkohärenten, monochromatischen, konvergenten Lichtstrahl gebracht und dort in Richtung der optischen Achse verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, i.adurch gekenn- ^i=> zeichnet, daß die räumliche Inkohärenz des Laserlichtes durch eine rotierende Mattscheibe erzeugt wird, die in den Fokusbereich einer Linse (Li) gestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch ί oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als inkohärente Lichtquelle eine monochromatische thermische Lichtquelle, z. B. die gefilterte Linie einer Quecksilberdampflampe, benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der 4^r> folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungen des kohärenten Lichtes in der Ebene der dekodierten Bilder durch statistische Richtungsänderung des Laserstrahls (z. B. statistische Verschiebungen der Linse Z.3) ausgemittelt werden. ^r>"

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungsbild auf einem Film durch Röntgenblitze mit einer Vielzahl von Strahlungsquellen oder durch eine Quellverteilung aus verschiedenen Positionen ^r>'> erzeugt wird und nach Filmentwicklung die Schichten dekodiert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Punkthologramm von einer Lochmaske aufgenommen w> wird, deren Lochverteilung über eine Lochkameraaufnahme ermittelt wurde und mit der Punktbildfunktion des Überlagerungsbildes übereinstimmt.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im &5 Strahlengang der durch die Linse (Li) erzeugten punktförmigen Laserlichtquelle hinter der rotierenden Mattscheibe eine Sammellinse angeordnet ist, und daß sich in der Fokusebene das Hologramm befindet