DE2419259A1 - Holographisch-optisches verfahren zur herstellung von schichtbildern - Google Patents

Description

• Holographisch-optisches Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern Gegenstand der Erfindung ist ein holographisch-optisches Verfahren zur Herstellung scharler Schichtbilder aus einer Serie von Primärbildern unterschiedlicher Perspektive eines dreidimensionalen ObJektes.
• Es sind verschiedene Verfahren bekannt, aus einer Serie von Schattenbildern verschiedener Perspektive ein quasi dreidimensionales Bild und damit auch Schichtbilder variabler Tiefe und Lage zu erzeugen, indem die Schattenbilder (Primärbilder) in geeigneter radialer Versetzung überlagert werden.
• In "Der Radiologe", 9 (1969), S. 37, wird über die Möglichkeit berichtet, mit einer Serie von Röntgenbildern, elektronisch gespeichert, eine Vielzahl diskreter Schichten nacheinander in einer Speicherröhre darzustellen. Mit Hilfe eines Systems von Abbildungslinsen oder bei vorheriger Bildreduktion mit Hilfe einer Weitwinkellinse lassen sich die mit inkohärentem Licht beleuchteten Röntgenbilder überlagern, wie z. B.
• im Am. J. 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; deutsche Offenlegungsschrift 1 952105; Opt. Comm. 4 (1971), S. 1; Opt. Comm. 7 (1973), S. 260).
• Diesen Verfahren gemeinsam ist die holographische Speicherung der Röntgenbilder derart, daß in der Rekonstruktion durch Integration ein dreidimensionales Bild des ObJektes entsteht.
• Die Nachteile der bekannten Verfahren sind verschzedener Art.
• Bei der elektronischen Schichtung werden in eine Speicherröhre die elektronisch gespeicherten Röntgenbilder definiert versetzt zueinander eingeschrieben. Die Verschiebung wird ebenfalls rein elektronisch und damit mit begrenzter Genauig keit durchgeführt. Wegen der geringen Auflösung und der geringen Dynamik elektronischer Systeme erhält man kontrast-und datailarme Schichtbilder. Hinzu kommt 5 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 eine verhältnismäßig inflexible und aufwendige Spiegelanordnung benötigt wird, die nur sehr schwer für Aufnahmen mit verschiedenem Schichtwinkel adaptiert werden kann.
• Der Nachteil der bekannten holographischen Verfahren liegt hauptsächlich darin, daß die Röntgenbilder kohärent aufgezeichnet werden und daß die Schichtbilder mit kohärentem Licht erzeugt werden.
• Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile dadurch, daß die in einer Bildermatrix inkohärent oder in einem Aufzeichnungsmedium kohärent aufgezeichneten Primärbilder von ihnen zugeordneten schrägeinfallenden parallel gebündelten kohärent oder inkohärent monochromatischen Lichtwellen so durchstrahlt werden, daß im überlagerungsbereicfr der Lichtwellen ein in einem zweiten Aufzeichnungsmedium als Interferenzmuster zweier schrägeinfallender parallel gebündelter Lichtwellen hergestelltes, beliebig einstellbares Schicht-Hologramm beleuchtet wird, das alle schräg-einfallenden parallel gebündelten Lichtwellen in Richtung der gemeinsamen optischen Achse des Systems abbeugt, so daß mit einem geeignten Ojektiv alle in der Bildermatrix aufgezeichneten Primärbilder mit einer durch das Schicht-Hologramm kontinuierlich einstellbare radialen Versetzung als Schichtbild beliebiger Tiefe und Lage innerhalb des Objektes scharf abgebildet werden und bei Verwendung räumlich kohoränten Lichts in der Fourier-Ebene des gleichen Objektivs die räumliche Fouriertransformierte des übertragenen Schichtbildes erzeugt wird.
• Die radiale Versetzung der Primärbilder zueinander wird durch die in Richtung der gemeinsamen optischen Achse kontinuierlich einstellbare Position des Schicht-Hologramms bestimmt. Ein hinter dem Schicht-Hologramm befindliches Objektivs erzeugt bei Verwendung einer räumlich inkohärenten monochromatischen Lichtquelle in der Abbildungsebene das Schichtbild und bei Verwendung einer räumlich kohärenten monochromatischen Lichtquelle in der Brennebene des gleichen Objektivs die Fouriertransformierte des Schichtbildes.
• Dieser zusätzliche Vorteil schafft die Möglichkeit der Frequenzfilterung der einzelnen Schichtbilder, was besonders vorteilhaft ist für die Konturenanhebung, das Ausblocken unerwünschter periodischer Strukturen oder andere unter der allgemeinen Bezeichnung der Bildverarbeitung bekannter Manipulationen, so daß besonders scharfe Schichtbilder (0berlagerungsbilder ) von beliebig vorgebbarer Tiefe und Lage innerhalb des Objekts erzeugt werden können.
• Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen schematisch: Fig. 1 die Herstellung einer Serie von Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven Fig. 2 die Herstellung der Bildermatrix aus den Primärbildern, Fig. 3 die Aufnahme des Schicht-Hologramms, Fig. 4a die Wirkungsweise des Schicht-Hologramms in Position 1, Fig. 4b die Wirkungsweise des Schicht-Hologramms in Position 2, Fig. 5a das Grundprinzip des Verfahrens mit Schicht-Hologramm in Position 1, Fig. 5b das Grundprinzip des Verfahrens mit Schicht-Hologramm in Position 2, Fig. 6 die Herstellung eines Hologramms, in den die Beleuchtungswellen für die Bildermatrix gespeichert werden, Fig. 7 die Aufnahme von Schrägschicht-Holograminen mit Hilfe des Beleuchtungshologramms und Fig. 8 eine spezielle holographilsche Speichermethode der Primärbilder Zur Erläuterung des Verfahrens wird von Röntgenbildern ausgegangen. Doch lassen sich ohne Einschränkung auch Bilder von Partikelstrahlung, wie auch normale optische und elektronische oder künstliche, vom Computer errechnete Bilder nach diesem Verfahren für eine dreidimensionale Darstellung verarbeiten.
• In Figur 1 werden mit einer oder mehreren Röntgenlichtquellen aus n definierten, vorzugsweise kreisförmig angeordneten Positionen ( z.B. 1,2) innerhalb der Ebene 3 von einem Objekt 4 jeweils Röntgenaufnahmen in der Ebene 5 hergestellt, so daß letztlich eine Serie von n Primärbildern unterschiedlicher Perspektive ( z.B. 1?,2t) vorliegt. Die dabei verwendete Aufnahmegeometrie wie Firm-Focus-Abstand 6, die Positionen der Röntgenliclitquellen (z. B. 1,2) zueinander und zur optischen Achse 7 und damit die benutzten Winkel (z. B. 9', 9") müssen bekannt und sollten reproduzierbar sein.
• Die Herstellung der Bildermatrix zeigt Fig. 2. Die einzeln oder gleichzeitig hergestellten Primärbilder (z. B. 1',2') werden aus der Ebene 11 mit einem geeigneten Objektiv 13 in die Abbildungsebene 14 auf einem Aufzeichnungsmedium 15 scharf abgebildet (z. B. 1#' ~2"). Die Position des Aufzeichnungsmediums 15 während der Belichtung eines jeden Bildes wird bestimmt durch die Position der Röntgenlicntquelle (z. B. 1,2) während der Aufnahme des entsprechenden Röntgenbildes (z. B. 1', 2').
• Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Funtion des ~Schicht"-Holograintns, das die Darstelllulg von kontinuierlich einstellbaren Schichten innerhalb dreidimensionaler Objekte erlaubt. In Fig. 3 wird eine drehbar angeordnete Photoplatte oder ein entsprechendes Aufzeichnungsmedium 17 gleichzeitig von einer kohärenten parallel gebündelten Lichtquelle 18 und einer zweiten schräg in einem einstellbaren Winkel 9 einiallenden kohärenten parallel gebündelten Welle 19 beleuchtet. Wegen der Kohärenz intern ferieren beide Lichtwellen. Die Intensität des Interferenzmusters wird vom Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet. Zur Speicherung aller n schräg einfallenden parallel gebündelten Wellen wird das Aufzeichnurjgsmedium 17 sukzessiv um einen definierten Winkel (16 Fig. 1) gedreht und mit den beiden parallel gebündelten Lichtwellen 18 und 19 beleuchtet. Der Winkel 9 zwischen der Lichtwelle 19 und der opti sc-hen Achse 20 ist kontinuierlich einstellbar und entspricht dem Winkel z. fl. 9',9" in Fig. 1. Nachdem alle n parallelen Wellen mit den richtigen Winkeln holographisch gespeichert worden sind, wird das Aufzeiclmungsmedium 17 entwickelt (zur Erreichung eines höheren Wirkungsgrades kann es auch ausgebleicht werden) und als "Schicht"-Hologramm in die ursprüngliche Position gebracht.
• Fig. 4a zeigt die Wirkungsweise des "Schicht"-Hologramms. Wird das Hologramm 17 von parallelen Lichtwellen (21,22) beleuchtet, die den Lichtwellen (19,19') mit den dazugehörigen Winkeln 9 bei der Aufnahme des Hologramms entsprechen, dann wird von dem im Hologramm aufgezeichneten Interferenzmuster durch Beugung die Lichtwelle 18' rekonstruiert, die der Lichtwelle 18 in Fig. 3 entspricht; d.h., daß die optischen Achsen der schräg einfailenden Lichtwellen 23,24 nach dem Durchstrahlen des Hologramms infolge der dort erzeugten Beugung in Richtung der optischen Achse 25 des Gesamtsystems umgelenkt werden, und die Lichtwellen sich hinter dem Hologramm 17 überlagern und parallel zueinander weiterverlaufen.
• Wird das "Schicht"-Hologranm 17 in Richtung der optischen Achse 25 bewegt (Fig. 4b) und mit den parallelen Lichtwellen (z.B. 21,22) mit deren optischen Achsen 23 und 24 beleuchtet, dann werden wiederum durch Beugung am Interferenzmuster des Hologramms parallele Lichtwellen erzeugt (21',22'), die ebenfalls in Richtung der optischen Achse 25 des Gesamtsystems verlaufen, deren optischen Achsen (23', 24') jedoch radial zur Achse 25 und parallel zueinander versetzt sind Die Größe der radialen Versetzung 26 richtet sicht nach dem Betrag der Verschiebung des Hologramms 17.
• Fig. 5a zeigt das Grundprinzip des holographisch-optischen Verfahrens zur Herstelung von scharfen Schichtbildern. Wird die Bildermatrix 15 so in die parallel gebündelten Stahlengamge (z.B.
• 21.22) positioniert, daß jedes in der Bildermatrix gespeicherte Einzelbild (z#B. 1",2"# von der ihm zugeordneten parallelen Lichtwelle durchstrahlt und beleuchtet Wird, dann entsteht im Uberlagerungsbereich 27 aller einfallenden parallelen Lichtwellen ein quasi dreidimensionales unscharfes Bild des Objektes 4'. Durch das im Überlagerungsbereich 27 befindliche "Schicht"-Hologramm werden die einfallenden Wellen (z. B. 21",22") in Richtung der optischen Achse 25 abgebeugt. Wird nun die Ebene 28 der Bildermatrix 15 mit Hilfe eines geeigneten Objektives 29 in die Ebene 30 abgebildet, so entsteht in der Ebene 30 ein scharfes Überlagerungsbild (Schichtbild) 31 (z. B. von den Einzelbildern 1"' und 2''') von genau der Schicht innerhalb des dreidimensionalen Objektes 4', in der sich das ~Schicht"-Hologramm 17 gerade befindet. Zusätzlich erhält man neben dem Schichtbild 31 in der Fourierebene 32 des Objektives 29 von dem gleichen Schichtbild gleichzeitig die räumliche Fouriertransformierte. In der Ebene 32 können optische Bildmanipulationen durchgeführt werden (z. B. Bildfilterung, Bilddifferentiation-, Bildspeicherung etc.) Durch beliebiges Verschieben 36 (Fig. 5b) des "Schicht"-Hologramms 17 in Richtung der optischen Achse 25 werden die schräg einfallenden Lichtwellen (z. B. 21">22") je nach Lage des Hologramms 17 früher oder später in Richtung der optischen Achse 25 abgebeugt. Die optischen Achsen der abgebeugten Lichtwellen (33,54) sind jedoch, abhängig von der Verschiebung 36, radial und parallel zur Achse 25 versetzt. Werden nun die Einzelbilder (z. B. 1",2") der Bildermatrix 15 in der Ebene 28 mit einem geeigneten Objektiv in die Ebene 30 zu einem Überlagerungsbild scharf abgebildet, dann entspricht die Versetzung der Bilder 1'' t und 2 "' in der Ebene 30 der Position des ~Schicht"-Hologramms 17 im Überlagerungsbereich 27 und damit im Objekt 4'. Die abgebildete scharfe Schicht entspricht immer der Schicht des dreidimensionalen Objektes, in der sich das "Schicht"-Hologramm gerade befindet. In der Fourierebene 32 des Objektives 29 ist zusätzlich eine Fouriertransformation möglich.
• Fig. 6 zeigt eine Anordnung zur holographischen Speicherung der Beleuchtungswellen (z. B. 21,22) in einem Aufzeichnungsmedium 35.
• Die kohärenten parallelen Lichtwellen (21>22) werden mit einer aus der optischen Achse 25 kommenden kohärenten sphärischen Referenzwelle 37 im Aufzeichnungsmedium 35 überlagert. Beide Lichtwellen interferieren miteinander und die Intensität des Interferenzmusters wird vom Speichermaterial aufgezeichnet. Wird das in dieser Weise aufgenommene Hologramm 35 mit einer Referenzwelle 37' beleuchtet, dann werden durch Beugung die Lichtwellen 21"' und 22"' rekonstruiert, die den Lichtwellen 21 und 22 entsprechen.
• Mit Hilfe des Hologramms 35 ist es möglich, flSchicht"-Hologramme beliebiger Lage und Orientierung herzustellen, wie Fig. 7 zeigt Die sphärische und kohärente Lichtwelle 37 beleuchtet das Hologramm 35. Vom Hologramm 35 werden die Lichtwellen 21"' und 221" erzeugt, die sich im Gebiet 27 überlagern und ihrerseits wiederum von einer weiteren kohärenten parallelen Referenzwelle 39 überlagert werden, die aus der gleichen Lichtquelle 37 mit Hilfe einer Linse 38 gewonnen wird. Die optische Achse 25' der Referenzwelle 37 ist identisch mit der opt. Achse 25 des Gesamtsystems. In dem überlagerungsgebiet aller Lichtwellen (21''', 22'l' und 39) kann ein Aufzeichnungsmedium senkrecht zur Achse 25 (17) oder in einem beliebigen Winkel dazu (z. B. 405 40') positioniert und belichtet werden. Die so hergestellten "Sehicht't- oder ~Schrägschicht"-Hologramme können in dem erfindungsgemäßen Verfahren scharfe Schichtbilder von Schrägschichten beliebiger Lage herstellen.
• In Fig. 8 wird eine Anordnung gezeigt, in der zusätzlich zu den Beleuchtungswellen (z. B. 21> 22) die Bildinformation der Primärbilder (z. B. 1',2') in einem Aufzeichnungsmedium holographisch gespeichert wird. Die parallelen und kohärenten Lichtwellen (21,22) durchstrahlen in der Ebene 42 die Einzelbilder#(1',2'). Die so entstehenden Lichtwellen 21 " und 22t' werden im Aufzeichnungsmedium 113 in der Ebene 41 mit einer räumlich kohärenten sphärischen Referenzwelle 37 (ohne drehbar angeordnete Mattscheibe 46) überlagert, die aus einem Punkt der Achse 25" kommt. Wegen der Kohärenz der Lichtwellen (z. B. 21" und 37 oder 22" und 37) interferieren sie miteinander. Die Intensität des Interferenzmusters wird vom Aufzeichnungsmedium 43 aufgezeichnet. Wird das so hergestellte Hologramm 43 von einer monochromatischen Lichtquelle 37, die von einer drehbar angeordneten Mattscheibe 46 räumlich inkohärent gemacht wird, beleuchtet, dann werden durch Beugung am Interferenzmuster im Hologramm 43 die Lichtwellen 44 und 45 rekonstruiert, die den Lichtwellen 211' und 22" entsprechen und in deren Überlagerungsbereich 27t ein quasi dreidimensionales Bild des Objektes 4'' entsteht. Die Herstellung von Schichtbildern aus dem Objekt J#'' erfolgt mit Hilfe eines "Schicht"-Hologramms, wie in Fig. 5a und 5b gezeigt.

Claims (12)

Patentansprüche

1) Holographisch-optisches Verfahren zur Herstellung scharfer Schichtbilder aus einer Serie von Primärbildern unterschiedlicher Perspektive eines dreidimensionalen Objektes, dadurch #ekennzeichnet, daß die in einer Bildermatrix inkohärent oder in einem Aufzeichnungsmedium kohärent aufgezeichneten Primärbilder von ihnen zugeordneten schrägeinfallenden parallel gebündelten kohoränt oder inkohärent monochromatischen Lichtwellen so durchstrahlt werden, daß im überlagerungsbereich der Lichtwellen ein in einem zweiten Aufzeichnungsmedium als Interferenzmuster zweier schrägeinfallender parallel gebündelter Lichtwellen hergestelltes# beliebig einstellbares Schicht-Hologramm beleuchtet wird, das alle schrägeinfallenden parallel gebündelten Lichtwellen in Richtung der gemeinsamen optischen Achse des Systems abbeugt, so daß mit einem geeigneten Objektiv alle in der Bildermatrix aufgezeichneten Primärbilder mit einer durch das Schicht-Hologramm kontinuierlich einstellbaren radialen Versetzung als Schichtbild beliebiger Tiefe und Lage innerhalb des Objektes scharf abgebildet werden und bei Verwendung räumlich kohärenten Lichts in der Fourier-Ebene des gleichen Objektivs die räumliche Fouriertransformierte des übertragenen Schichtbildes erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbilder inkohärenttoptisch im ersten Aufzeichnungsmedium mit der ihnen zugeordneten Versetzung getrennt und scharf abgebildet und gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Primärbildern zugeordneten schräg einfallenden parallel gebündelten Lichtwellen im zweiten Aufzeichnungsmedium holographisch gespeichert werden und anschließend mit einer aus einem Punkt der optischen Achse des Gesamtsystems kommenden Referenzwelle gleichzeitig rekonstruiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß die Bildinformation der Primärbilder gleichzeitig mit den ihnen zugeordneten schrägeinfallenden parallelen Lichtwellen in nur einem Aufzeichnungsmedium kohärent--optisch gespeichert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Doppel- oder Mehrfachbelichtung nur eines Aufzeichnungsmediums im ersten Schritt die den Primärbildern zugeordneten schrägeinfallenden parallelen Lichtwellen kohärentoptisch und in einem zweiten Schritt die Primärbilder selbst in einem inkohärent-optischen Verfahren gespeichert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das räumlich kohärente Licht eine bewegte Mattscheibe beleuchtet und somit räumlich inkohärentes Licht erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zum beliebigen Schrägschichten Schicht-Hologramme unterschiedlicher Neigung verwendet. werden.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer kohärent-optischen Speicherung der Primärbilder diese nicht getrennt aufgezeichnet werden, sondern daß sie sich im Aufzeichnungsmedium überlagern.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Perspektiven zur Aufnahme der Primärbilder und damit die Anordnung der Primärbilder frei wählbar sind.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Primärbilder unterschiedlicher Perspektive elektronisch oder mit optischem Licht hergestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zwei'dimer sionalen Primärbilder mit Röntgenstrahlung oder mit Partikelstrahlung hergestellt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Primärbilder unterschiedlicher Perspektive mit Hilfe eines Computers hergestellt werden.