DE2419259C2 - Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern eines dreidimensionalen Objektes

r> gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, aus einer Serie von Schattenbildern verschiedener Perspektive ein quasi dreidimensionale·; BiIt und damit auch

■40 Schichtbilder variabler Tiefe und Lage zu erzeugen, indem die Schattenbilder (Primärbilder) in geeigneter radialer Versetzung überlagert werden.

In »Der Radiologe«. 9 (1969), S. 37-40, wird über die Möglichkeit berichtet, mit einer Serie von Röntgenbil-

4S dem. 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

so beleuchteten Röntgenbilder überlagern, wie /.. B. im Am. |. of Roentgenology 105 (1969), S. 903-908. gezeigt. Hier ist eine kontinuierlich variable Darstellung der Schichten möglich.

Andere Arbeiten haben gezeigt, daß man auch mit

w Hilfe der Holographie zu ähnlichen Ergebnissen kommen kann.

Aus Optics Communications, Vol. 7, No. 3 (1973) S. 260 —265. ist ein Verfahren zur Erzeugung von Schichtbildern bekannt, bei dem ein dreidimensionales Objekt mit Hilfe von Röntgenstrahlen zur Aufnahme Von Primärbildern unter verschiedenen Perspektiven durchstrahlt wird. Die einzelnen Primärbilder werden dann mittels kohärenter, monochromatischer Strahlung, die durch eine Abbildüngslinse und eine Aperturblende hindurchtritt sowie mittels einer kohärenten, monochromalischen Referenzwelle in einem Hologramm gespeichert, Zur Rekonstruktion eines Schichtbildes werden die im Hologramm gespeicherten Primärbilder mit der

Referenzwelle beleuchtet. Hierbei werden die die Primärbilder durchsetzenden Lichtwellen derart abgebeugt, daß sie sich unterhalb der Hologrammebene in einem auf einer senkrecht zur Hologrammebene verlaufenden Achse liegenden Überlagerungsbereich schneiden. Innerhalb des Überlagerungsbereichs entsteht ein reelles, dreidimensionales Überlagerungsbild, das mit einer Mattglasscheibe zur Erzeugung scharfer Schichtbilder ii.nerhalb des Tiefenschärfebereichs, dessen Größe durch die variable Aperturblende bestimmt wird, durchfahren werden kann.

Die Nachteile der bekannten Verfahren sind verschiedener ArL 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 Genauigkeit durchgeführt Wegen der geringen Auflösung und der geringen Dynamik elektronischer Systeme erhält man kontrast- und detailarme Schichtbildpr. Hinzu kommt, daß nur diskrete Schichibiider 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 des holographischen Verfahrens besteht darin, daß sich die Abbildungsebene bei der Darstellung verschiedener Schichtbilder an verschiedenen Orten befindet. Eine Abbildung unterschiedlicher Schichtbilder auf einen Film oder ihre Übertragung mittels einer Kamera würde jeweils eine Verschiebung des Filmes bzw. der Kamera erforderlich machen, da im allgemeinen die Position Aufnahmevorrichtung (Hologramm. Aperturblende, Abbildungslinse. Quelle der Referenzwellen usw.) nicht verändert wird.

Ferner ist bei dem bekannten holographischen Verfahren von Nachteil, daß eine Frequen/filterung der einzelnen Schichtbilder zur Verbesserung ihrer Bildqualität mittels eines geeigneten Filters nicht vorgenommen werden kann, da im Strahlengang hinter dem Überlagerungsbereich keine geeignete Filterebene erzeugt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern eines dreidimensionalen Objektes anzugeben, bei dem unterschiedliche Schichtbilder in ein und derselben Abbildungsebene et zeugt werden, und bei dem die einzelnen Schichtbilder mit Hilfe der Frequenzfilteruug in ihrer Qualität verbessert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 gelöst.

Die radiale Versetzung der Pnmärbilder zueinander wird durch die in Richtung der gemeinsamen Achse kontinuierlich einstellbare Position des Schicht-Hologramms bestimmt. Ein hinter dem Schicht-Hologramm befindliches Objektiv erzeugt bei Verv cndung 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 Fouriertfansformierle des Schichlbildes.

Dieser zusätzliche Vorteil schafft die Möglichkeit der Frequenzfilterung der einzelnen Schichtbilder, Was besonders Vorteilhaft ist für die Koriturenanhebung, das Ausblocken unerwünschter periodischer Strukturen öder andere unter der allgemeinen Bezeichnung der

Bildverarbeitung bekannter Manipulationen, so daß besonders scharfe Schichtbilder (Überlagerungsbilder) von beliebig vorgebbarer Tiefe und Lage innerhalb des Objekts erzeugt werden können.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt schematisch

F i g. 1 die Herstellung einer Serie von Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven,

Fig. 2 die Herstellung der Bildermatrix aus den Primärbildern,

F i g. 3 die Aufnahme des Schicht-Hologramms,

F i g. 4a die Wirkungsweise des Schicht-Hologramms in Position 1,

F i g. 4b die Wirkungsweise des Schicht-Hologramms in Position 2,

F i g. 5a das Grundprinzip des Verfahrens mit Schicht-Hologramm in Position 1,

Fig. 5b das Grundprinzip des Verfahrens mit Schicht-Hologramm in Position 2,

F i g. 6 die Herstellung eines HoIo : amins, in den die Beleuchtungswellen für die Bi'dcrrrmtrx gespeichert werden,

Fig. 7 die Aufnahme von Schrägschicht-Hologrammen mit Hilfe des Beleuchtungshologramms und

F i g. f eine spezielle holographische Speichermethode der Primärbilder.

Zur Erläuterung des Verfahrens wird von Röntgenbildem ausgegangen. Doch lassen sich ohne Einschränkung auch Bilder von Partikelstrahlung, wie auch normale optische Bilder nach diesem Verfahren für eine dreidimensionale Darstellung verarbeiten.

In Fig. 1 werden mit einer oder mehreren Röntgenlichtquellen aus π 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 π Primärbilderri unterschiedlicher Perspektive (ζ Β. Γ, 2') vorliegt. Die dabei verwendete Aufnahmegeornef'e wie Firm-Focub-Abstand 6, die Positionen der Röntgenlicht quellen (z. B. I₁2) zueinander und zur optischen Achse 7 unc 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 Pnmärbilder (z.B. Γ, 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 Aufzcichnungsmediums 15 während der Belichtung eines jeden Bildes wird bestimmt durch die Position der Röntgenlichtquelle (z. B. 1, 2) während der Aufnahme des entsprechenden Röntgeiibildes(z. B. 1,2').

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist die Funktion des »Schicht-Hologramms (Punktholo gramm). das die Darstellung von kontinuie:!i< 1' 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 einfallenden kohärenten parallel gebündelten Welle 19 beleuchte.-. Wegen der Kohärenz interferieren beide Lichtwellen. Die Intensität des Interferenzmusters wird vom Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet. Zur Speicherung aller η schräg einfallenden parallel gebündelten Wellen wird das Aufzeichnungsmedium 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 optischen Achse 20 ist kontinuierlich einstellbar und entspricht dem Winkel z. B. 9', 9" in Fig. 1. Nachdem alle η parallelen Welten mit den richtigen Winkeln holographisch gespeichert worden sind, wird das Aufzeichnungsmedium 17 entwickelt (zur Erreichung eines höheren Wirkungsgrades kann es auch ausgebildet werden) und als »Schichl«-Hologranim in die ursprüngliche Position gebracht.

F i g. 4a zeigt die Wirkungsweise des »Schichtw-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 einfallenden Lichtweüen 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 »Schichtw-Hologramm 17 in Richtung der optischen Achse 25 bewegt (F i g. 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 (2Γ, 22'), die ebenfalls in Richtung der optische.i Athse 25 des Gesamtsystems verlaufen, deren optischen Achsen (23', 24') jedoch radial zur Achse 25 und parallel zueinander versetzt sind (26). Die Größe der radialen Versetzung 26 richtet sich nach dem Betrag der Verschiebung des Hologramms 17.

Fig. 5a zeigt das Grundprinzip des holographischoptischen Verfahrens zur Herstellung von scharfen Schichtbildern. Wird die Bildermatrix 15 so in die parallel gebündelten Strahlengänge (z. B. 21, 22) positioniert, daß jedes in der Bildermatrix gespeicherte Einzelbild (z.B. 1", 2") von der ihm zugeordneten parallelen Licht welle durchstrahlt und beleuchtet wird, dann entsteht im Überlagerungsbereich 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 Ei"ene 30 ein scharfes Überlagerungsbild (Schichtbild) 31 (z. B. von den Einzelbildern \" und 2'") von genau der Schicht innerhalb des dreidimensionalen Objektes 4', in der sich das »Schichta-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. Bildfiiterung. Bilddifferentiatioa Bildspeichening etc.).

Durch beliebiges Verschieben 36 (F i g. 5b) des »Schichta-Hoiogramms 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, 34) 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 Überlägerungsbild scharf abgebildet, dann entspricht die Versetzung der Bilder Γ" und 2'" in der Ebene 30 der Position des »Schicht«-Hologramms 17 im Übertagerungsbereich 27 und damit im Objekt 4', Die abgebildete scharfe Schicht entspricht immer der Schicht des dreidimensionalen Objektes, in der sich das »Schichtw-Hologramm gerade befindet. In der Fourierebene 32 des Objektives 29 ist zusätzlich eine Filterung möglich.

F i g. 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 mieriereiizmusiers wird vorn 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. »Schicht«-Ho!ogramme beliebiger Lage und Orientierung herzustellen, wie F i g. 7 zeigt Die sphärische und kohärer <ie Lichtwelle 37 beleuchtet das Hologramm 35. Vom Hologramm 35 werden die Lichtwellen 2V" und 22'" erzeugt, die sich im Gebiet 27 überlagern und ihrerseits wiederum von einer weiteren kohärenten parallelen Referenzwelle 39 übeiiagert 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'" und 39) kann ein Aufzeichnungsmedium senkrecht zur Achse 25 (17) oder in einem beliebigen Winkel dazu (z. B. 40, 40') positioniert und belichtet werden. Die so hergestellten »Schicht«- oder »SchrägschichtK-Hologramme können in dem erfindungsgemäßen Verfahren scharfe Schichtbilder von Schrägschichten beliebiger Lage herstellen.

In Y ig.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 (Y, 2'). Die so entstehenden Lichtwellen 21" und 22" werden im Aufzeichnungsmedium 43 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 21" und 22" entsprechen und in deren Überlagerungsbereich 27' ein quasi dreidimensionales

ll

Bild des Objekte

entsteht Die

rstellung von

Sehichtbildern aus dem Objekt 4" erfolgt mit Hilfe eines »Schicht«-Hologramms, wie in Fig.5a und 5b gezeigt

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern eines dreidimensionalen Objektes, das mit einer Vielzahl von das Objekt durchdringenden Strahlenbündeln, die von in einer Strahlenquellenebene liegenden Strahlenquellen ausgehen, zur Aufnahme von Primärbildern unter vorgegebenen von Null verschiedenen Aufnahmewinkeln gegenüber einer senkrecht zur Strahlenquellepebene verlaufenden optischen Achse durchstrahlt wird, wobei die Primärbilder mit kohärenten, monochromatischen Lichtwellen durchstrahlt und mit Hilfe von Referenzwellen in einem Hologramm gespeichert werden, wobei die Lichtwellen unter Winkeln zu einer senkrecht zur Hologrammebene stehenden Achse verlaufen, die den Aufnahmewinkeln entsprechen, wobei ferner die Verteilung der holographisch gespeicherten Primärbilder im Hologramm der Verteilung der in der Strahlenquellenebene liegenden Strahlenquellen entspiicht. und wobei die im Hologramm gespeicherten Primärbilder mit monochromatischen Lichtwellen derart durchstrahlt werden, daß abgebeugte und in einem auf der Achse liegenden Überlagerungsbereich sich schneidende Lichtwellen entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbilder zu ihrer Speicherung im Hologramm mit parallel gebündelten Lichtwellen (21, 22) durchstrahlt werden, daß die im Hologramm gespeicherten Primärbilder von inonochromati-'hem Licht derart durchstrahlt werden, daß parallel gebündelte, jeweils unter dem Aufnahmewinkel zur Achse verlaufende Lichiwellen entstehen, daß ferner im Überlaperungsbereich der Lichtwellen ein so strukturiertes Punkthologramm (17) angeordnet ist. daß es die Lichtwellen parallel tür Achse abbeugt, und daß die abgebeugten Lichtwellen mittels eines Objektivs (29) in eine Abbildungsebene (30) fokussiert werden.

2. Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern eines dreidimensionalen Objektes, das mit einer Vielzahl von das Objekt durchdringenden Strahlerbündeln, die von in einer Strahlenquellenebene liegenden Strahlenquellen ausgehen, zur Aufnahme von Primärbildern unter vorgegebenen, von Null Verschiedenen Aufnahmewinkeln gegenüber einer Senkrecht zur Strahlenquellenebene verlaufenden Optischen Achse durchstrahlt wird, wobei die Primärbilder auf einem gemeinsamen Aufzeichnungsträger derart gespeichert werden, daß ihre Verteilung auf dem Aufzeichnungsträger der Verteilung der Strahlenquellen in der Strahlenquellenebene entspricht, wobei die auf dem Aufzeichnungsträger gespeicherten Primärbilder von monochromatitchen Lichtwellen so durchstrahlt werden, daß die Lichtwellen sich hinter dem Aufzeichnungsträger in einem Überlagerungsbereich auf einer senkrecht /ur Ebene des Aufzeichnungsträgers verlaufenden Achse schneiden, und wobei die Winkel zwischen tlen Lichtwellen und der Achse den Winkeln zwischen den den Lichtwellen zugeordneten Strahl· lenbündeln und der optischen Achse bei der Primärbildäufnahme entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbilder _(!', 2') inkohärent als scharfe Einzelbilder (1", 2") auf dem Aufzeichnungsträger (15) gespeichert werden, daß die Einzelbilder Von parallel gebündelten, monochromatischen Lichtwclicn (21, 22; 21", 22") durchstrahlt Werden, daß im Überlagerungsbereich der Lichtwellen (21", 22") ein so strukturiertes Punkthologramm (17) angeordnet ist, daß es die Lichtwellen parallel zur Achse abbeugt, und daß die abgebeugten Lichtwellen mittels eines Objektivs (29) in eine Abbildimgsebene (30) fokussiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer kohärent-optischen Speicherung der Primärbilder (1', 2') diese nicht getrennt aufgezeichnet werden, sondern daß sie sich im Hologramm (43) überlagern.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kohärentes Licht eine bewegte Mattscheibe beleuchtet und somit in räumlich inkohärentes Licht zur Rekonstruktion de*· im Hologramm (43) gespeicherten Primärbilder (V, 2') umgewandelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von zur Achse (25) beliebig geneigten Schichtbildern jeweils ein Punkthoiogramm (40,40') verwendet wird, das unter der für das jeweilige Schichtbild gewünschten Neigung zur Achse belichtet wurde und das mit dieser Neigung im Überlagerungsbereich (27) angeordnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 jder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbilder mit Röntgenstrahlung oder mit Partikelstrahlung hergestellt werden.