DE2432116C3 - Anordnung zur Entzerrung von Bildverstärker-Bildern mit einer Faseroptik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Entzerrung von Bildern eines durchstrahlten Körpers unter Anwendung einer Faseroptik, wobei die Bilder mittels einer Bildverstärkerröhre aufgezeichnet und infolge des kugelförmigen Eingangsschirms der Bildverstärkerröhre verzerrt sind.

Mit einer Röntgenbildverstärker-Röhre — eine Kombination von Bildwandler und Bildverstärker — werden folgendermaßen Röntgenbilder erzeugt:

Die von einer P,öntgenquelle ausgehenden Röntgenquanten durchstrahlen das zu untersuchende Objekt und treffen auf den gekrümmten Bildverstärker (BV)-Eingangsschirm, wo sie absorbiert werden und durch Szintillation und lichtelektrische Effekte Elektronen erzeugen, die mit Hilfe einer Elektronenoptik auf die Phosphorschicht eines Ausgangsschirms abgebildet werden. In der Phosphorschicht entsteht ein Röntgenbild im sichtbaren Licht, das optisch und elektronisch weiterverarbeitet werden kann. Das auf dem Ausgangsschirm entstandene Bild ist jedoch aus mehreren Gründen verzerrt. Die Verzerrung ist wegen der Krümmung des BV-Eingangsschirms besonders groß, wenn die bei der Aufnahme benützte Röntgenquelle weit außerhalb der Achse des Bildverstärkers liegt und auch die Randzonen des BV-Eingangsschirms wesentlich zur Bilderzeugung benützt werden.

Sehr nachteilig wirkt sich die Verzerrung z. B. für die Synthese von Tomogrammen aus, bei der eine Serie von Röntgenbildern eines Objekts aus unterschiedlichen Perspektiven verwendet wird. Die Bilder werden gleichzeitig oder nacheinander auf einem Aufzeichnungsmedium — zueinander definiert verschoben — übereinandergelagert, so daß ein synthetisiertes Schichtbild des Objektes entsteht. In diesem Falle werden Bilder, hergestellt aus weit außerhalb der Achse des Bildverstärkers liegenden Positionen der Röntgenquelle, verwendet und die Randzonen der Röntgenbilder bzw. des BV-Eingangsschirmes zur Herstellung der Schichtbilder benutzt. Selbst bei geringer Verzerrung und kleiner Versetzung ist eine Synthese von Schichtbildern nicht mehr mit ausreichender Qualität möglich. Zusammengefaßt wird das Bildverstärkerausgangsschirmbild, im weiteren Text nur kurz BV-BiId benannt, durch folgende Einflüsse verzerrt:

1. Durch die Krümmung des BV-Eingangsschirmes,

2. je nach Lage der Röntgenquelle zum BV ergibt sich eine unterschiedlich starke Verzerrung und

3. durch die elektronische Abbildung des Elektronenbildes durch die Elektronenlinse auf den Ausgangsschirm entstehen Verzerrungen, deren Einflüsse jedoch auf das beschriebene Entzerrungsverfahren gegenüber der Verzerrungen nach 1. und 2. vernachlässigt werden können.

Es gibt verschiedene Methoden, die eine Entzerrung der BV-Bilder erlauben. Die elektronische Entzerrung (Entzerrung mit Hilfe elektronischer Bauelemente) ist hauptsächlich an elektronische Tomosyntheseverfahren angepaßt. Wegen der komplizierten und nicht-linearen

komplexen Verzerrungen der BV-Bilder ist die elektronische Entzerrung sehr aufwendig und benötigt einen relativ großen Aufwand an elektronischen Korrekturkomponenten sowie einen großen Speicheraufwand. Eine optische Methode zur Entzerrung van BV-Bildern wurde bereits vorgeschlagen (Patentanmeldung P 24 30 021.8).

Hierbei wird das BV-Ausgangsbild zunächst auf eine gekrümmte Fläche projiziert, deren Form der des BV-Eingangsschirmes geometrisch ähnlich ist, und dann das z. B. ü jf einer Mattscheibe erzeugte Bild mit einer Linse unter Einhaltung der ursprünglichen oder geometrisch ähnlichen Aufnahmegeometrie auf einen ebenen Detektor scharf und entzerrt abgebildet. Nachteilig hierbei ist, daß die Lichtstärke relativ schwach ist und der Aufbau der optischen Komponenten viel Platz benötigt

Weiterhin ist die Anwendung einer Faseroptik zum Zwecke der Bildentzerrung bereits allgemein aus »N. S. Kapany, Fiber Optics in Photographs«, 1967, S. 240—243 bekannt. Mit Hilfe einer derartigen Faseroptik, die so konstruiert ist, daß jeweils nur eine ganz bestimmte Verzerrung eines Bildes korrigiert wird, lassen sich jedoch keine unterschiedlich verzerrten Bilder, die beispielsweise mittels einer weit außerhalb der Achse eines Bildverstärkers an verschiedenen Positionen liegenden Strahlenquelle aufgenommen wurden, entzerren. Weiterhin ist aus der DE-OS 22 03 432 eine Faseroptik innerhalb eines Röntgenbildverstärkers zur optisch günstigen Übertragung von Bildern bekannt, die sich aufgrund ihres Aufbaus jedoch nicht zur Entzerrung von Bildern eignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine lichtstarke und kompakte Anordnung zur Entzerrung von Bildern unter Anwendung einer Faseroptik anzugeben, mit dessen Hilfe Bilder, die mittels einer weit außerhalb der Achse des Bildverstärkers an verschiedenen Positionen liegenden Strahlenquelle aufgenommen werden, entzerrt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Ausgehend von dem auf einem Aufzeichnungsträger zwischengespeicherten oder von dem auf dem Ausgangsschirm des BV direkt erscheinenden Bildes wird zuerst das BV-BiId auf eine kugelförmige Fläche abgebildet, die der BV-Eingangsschirmebene geometrisch ähnlich ist. Dann überträgt eine Faseroptik die Abbildung von der gekrümmten Fläche in eine vorgebbare Ebene. Dadurch werden je nach Ausführung der Faseroptik alle oder alle nichtlinearen Verzerrungen beseitigt (lineare Verzerrungen sind elektronisch relativ leicht zu eliminieren). In einem dritten Teilschritt wird dann das entzerrte Bild auf ein Aufzeichnungsmedium übertragen. Wesentlich ist, daß das auf der gekrümmten BV-Eingangsscbirmebene entstandene Strahlenbild mit optischen Mitteln verhältnistreu reproduziert wird, und daß anschließend das gekrümmte Bild in einem zur Aufnahme geometrisch ähnlichen Strahlenkegel mit Hilfe einer Faseroptik rückprojiziert wird. Dabei müssen drei Bedingungen eingehalten werden:

1. Die Krümmung des BV-Eingangsschirmes muß annähernd kugelförmig sein,

2. die Aufnahmegeometrie muß so gewählt sein, daß der Punkt der Bildentstehung (z. B. Focus der Röntgenröhre) in einer kugelförmigen Ebene liegt, deren Mittelpunkt identisch ist mit dem Mittelpunkt der kugelförmigen BV-Eingangsschirmebene, und

3. der Einfluß der Verzerrungen, die durch die Elektronenoptik des BV hervorgerufen werden, müssen vernachlässigbar sein.

Durch die Einbeziehung einer Faseroptik zur Rekonstruktion des urspiünglichen oder geometrisch ähnlichen Strahlenganges ergeben sich einige wesentliche Vorteile der Anordnung gegenüber anderen optischen Verfahren:

1. eine kompakte Bauweise ist möglich mit einer direkten Kopplung eines Aufzeichnungsmediums über eine Faseroptik an das rekonstruierte gekrümmte Strahlenbild,

2. die Anordnung ist sehr lichtstark, da nur ein sehr geringer Lichtverlust eintritt, und

3. eine einfache optische oder elektronische Weiterverarbeitung der entzerrten Bilder z. B. für die Synthese von Schichtbildern bietet sich an.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich am besten wieder in drei Teilschritten näher beschreiben:

Im ersten Teilschritt wird das Strahlenbild, wie es in der BV-Eingangsschirmebene bei der Aufnahme ent steht, verhältnistreu rekonstruiert. Dazu wird das BV-Ausgangsbild auf eine gekrümmte Fläche abgebildet, wobei deren Krümmung der Krümmung der BV-Eingangsschirmebene entspricht. Diese Abbildung muß in der gekrümmten Bildebene ein scharfes Bild ergeben. Dies läßt sich durch hinreichendes Abblenden einer Abbildungslinse erreichen und/oder durch Ausnutzen der Bildfeldwölbung. Die Ausnutzung der Bildfeldwölbung hat den Vorteil einer noch größeren Lichtstärke. Eine weitere Möglichkeit bietet die direkte Ankopplung des BV-Bildes an die gekrümmte Fläche mit Hilfe einer geeigneten Faseroptik.

In einem zweiten Teilschritt werden die Lichtstrahlen, die das gekrümmte Bild entsprechend dem Strahlenbild in der BV-Eingangsschirmebene erzeugen, in der Abbildungsebene mit Hilfe einer Faseroptik umgelenkt, so daß innerhalb eines vorgebbaren Bereiches der Strahlengang rekonstruiert wird, der für die Aufnahme des entsprechenden Bildes ursprünglich vorhanden war. Die einzelnen Bildfasern der Faseroptik sind auf die Position »fokussiert«, aus der das entsprechende Bild hergestellt wurde.

In einem dritten Teilschritt wird das auf der Außenfläche der Faseroptik entstehende Bild mit optischen Mitteln auf ein Aufzeichnungsmedium übertragen. In einer ersten Möglichkeit kann das Faseroptik-Bild mit einer weiteren Linse auf ein Aufzeichnungsmedium scharf abgebildet werden. Eine zweite Möglichkeit zur Übertragung des Faseroptik-Bildes besteht in der direkten Ankopplung eines Aufzeichnungsmediums an die Ausgangsfläche der Faseroptik.

Zur näheren Erläuterung der Anordnung zur Entzerrung der BV-Bilder zeigt schematisch als Ausführungsbeispiel

F i g. 1 die Aufnahmegeometrie mit einer Röntgenbildverstärker-Röhre,

F i g. 2 die vereinfachte gesamte erfindungsgemäße Anordnung,

Fig.3a die Ankopplung von BV-BiId an Faseroptik mi; Hilfe einer Mattscheibe,

F i g. 3c die direkte Ankopplung des BV-Bildes an die gekrümmte Fläche mit Hilfe einer weiteren Faseroptik, F i g. 3b die Ankopplung von BV-BiId an Faseroptik

mit Hilfe einer gekrümmten Abbildung,

Fig.4a—d zwei Faseroptikanordnungen zur Rückprojektion des Strahlenganges für je 2 Positionen der Bilderzeugungsquelle,

F i g. 5a + b direkte Ankopplungsanordnung des Auf-Zeichnungsmediums für 2 Positionen an die Ausgangsfläche der Faseroptik.

Die F i g. 1 zeigt die Aufnahmegeometrie mit einem handelsüblichen Röntgenbildverstärker. Der von einer Röntgenröhre 1, die auf einer kugelförmigen Bahn mit dem Radius R bewegt wird, erzeugte Strahlenkegel 4 bzw. 4' aus der Position 2 bzw. 3 durchstrahlt ein Objekt 5. In der Ebene 6 erhält man ein Strahlungsbild 7, das die unverzerrte Information des Objektes 5 aus der Position 2 der Röhre 1 darstellt. Dem Strahlungsbild 7 entspricht auf dem gekrümmten Eingangsschirrn 8 des Bildverstärkers 9 das Bild 7'. Die Röntgenquanten, die von dem Eingangsschirm 8 absorbiert werden, erzeugen dort durch Szintillation und lichtelektrischen Effekt Elektronen 11. Die Elektronen 11 werden mit einer Eleklronenlinse (schematisch durch 12 dargestellt) auf der Phorsphorschicht 13 des Ausgangsschirmes 14 abgebildet und erzeugen dort das sichtbare BV-BiId 15.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung wird in F i g. 2 dargestellt. Im ersten Teilschritt wird das BV-BiId 15' entweder direkt vom BV oder über eine Zwischenspeicherung optisch auf eine gekrümmte Fläche 17 übertragen, die der BV-Eingangsschirmebene 8 in Fig. 1 entspricht. In einem zweiten Teilschritt werden die Strahlen, die das Bild 15" auf der gekrümmten Fläche 17 erzeugen, mit einer Faseroptik 18 so umgelenkt, daß die durch die Faseroptik projizierten Strahlen der Aufnahmegeometrie bei der Aufnahme des Bildes entsprechen. Die einzelnen Bildleiter der Faseroptik sind auf den Punkt fokussiert angeordnet, aus dem die Aufnahme hergestellt wurde. In einer frei wählbaren Ebene 10 im Objekt (vgl. Fig. 1) wird das entzerrte Bild 15'" auf die Ausgangsfläche der Faseroptik übertragen, von wo aus es in einem dritten Teilschritt mit einer Abbildungseinheit 19 auf das Aufzeichnungsmedium 20 zu dem Bild 15 IV abgebildet wird. Die in dieser Anordnung rückprojizierte Aufnahmegeometrie braucht nur verhältnistreu oder auch nur winkeltreu zu sein.

Fig. 3a und 3b zeigen zwei Möglichkeiten der Einkopplung des Bildes in die »fokussierte« Faseroptik. In Fig. 3a wird das Bild 15' mit einer Linse 21 auf eine gekrümmte Fläche 23 projiziert. Bei genügend großer Tiefenschärfe 24. die durch Einstellung der Blende 22 erzielt wird, wird das Bild 15' auf die gesamte Fläche 23 scharf abgebildet Das Bild 26 wird von der Faseroptik 25 aufgenommen und entsprechend der Ausrichtung der Fasern wcitergcleitet Die gekrümmte Fläche 23 kann auch als Mattscheibe ausgebildet sein.

Eine zweite Möglichkeit der Einkopplung zeigt F i g. 3b. Es wird eine Linse 27 verwendet, bei der das scharfe Abbild 28 infolge Bildfeldwölbung auf der geforderten gekrümmten Fläche 29 liegt. Diese Teilanordnung hat den besonderen Vorteil, daß nur ein ganz geringer Lichtverlust eintritt, da man mit maximaler öffnung der Linse 27 arbeiten kann.

In Fig.3c wird die direkte Ankopplung des Bildverstärker-Ausgangsbildes an die gekrümmte Außenfläche einer Faseroptik, die die Form des BV-Eingangsschirmes aufweist, dargestellt. Das Bild 15' wird mit der Faseroptik 65 so abgebildet, daß das auf der gekrümmten Außenfläche 66 der Faseroptik 65 entstehende Bild 15^V dem Bild 28 in F i g. 3b entspricht

Die Weiterverarbeitung des gekrümmten Bildes wird an einigen Beispielen erläutert. Dazu zeigen die F i g. 4a bis 4d zwei Faseroptikanordnungen für je 2 Positionen der Bilderzeugungsquelle.

In F i g. 4a und 4b wird die Funktion einer einteiligen Faseroptik dargestellt. Es wird das Bild 30 bzw. 30' jeweils mit der Linse 31 auf die gekrümmte Eingangsfläche 39 der Faseroptik 34 abgebildet (33). Die Faseroptik 34 fokussiert das Licht auf den Punkt a in Fig.4a, aus dem das Bild 30 aufgenommen wurde. In der Ebene 37 entsteht auf der Ausgangsfläche 40 der Faseroptik das entzerrte Bild 41. In Fig.4b wird das Bild 30' verarbeitet, welches aus der Position b aufgenommen wurde. Dazu wird die Faseroptik 34 so lange geschwenkt, bis sich die fokussierten Lichtleiter im Punkt b treffen würden. Auf der AusgangsHäche 40 der Faseroptik entsteht das entzerrte Bild 42. Mit Hilfe einer mehrteiligen Faseroptik ist es möglich die einzelnen auf der Ausgangsfläche rekonstruierten Bilder in beliebig einstellbare Ebenen oder auch in Ebenen abzubilden, die in Richtung der optischen Achse 43 parallel versetzt sind, die F i g. 4c und 4d verdeutlichen das Prinzip. Das Bild 30 bzw. 30' wird mit einer Linse 31 jeweils auf die gekrümmte Eingangsfläche 44 einer ersten Faseroptik 35 abgebildet (33). In Fig.4c wird das Bild 33 mit Hilfe einer Faseroptik-Kombination 35 und 36 auf die Ausgangsfläche 45 in der Ebene 37 der zweiten Faseroptik 36 übertragen und dort abgebildet (33'). Die — verlängert gedachten — fokussierten Bildleiter schneiden einen Pkt. der mit der Position a identisch ist, aus der das Bild aufgenommen wurde.

In Fig.4d wird das Bild 30' verarbeitet, welches aus der Position b aufgenommen wurde. Dazu wird die Faseroptik-Kombination so lange geschwenkt, bis sich die — verlängert gedachten — fokussierten Bildleiter im Pkt b treffen würden. Anschließend wird die zweite Faseroptik 36 auf der ersten Faseroptik 35 verschoben, bis die Ausgangsfläche 45 in eine Ebene 38 positioniert ist, die senkrecht auf der optischen Achse 43 steht und parallel verschoben ist zur Ebene 37 in Fig.4c. Das entzerrte Bild 33' entsteht dann auf der Ausgangsfläche der zweiten Faseroptik. Die Ausgangsfläche 46 der ersten Faseroptik 35 und die Eingangsfläche 47 der zweiten Faseroptik 36 sind gleichermaßen kugelförmig gefertigt mit dem Radius rwie in F i g. 4c angedeutet

Bei Anwendung der obengenannten Faseroptiken ist es notwendig, daß die Positionen, von denen die BV-Bilder hergestellt werden, auf einer gekrümmten Ebene 32 mit dem Radius ^'liegen (Fig.4a). Wenn die auf der Ausgangsfläche 40 (Fig.4a+4b) bzw. 45 (F i g. 4c + 4d) der Faseroptik entstehenden und aus den unterschiedlichen Positionen hergestellten Bilder für eine Synthese von Schichtbildern verwendet werden, dann müssen die mit Hilfe der Faseroptik teilentzerrten Bilder in einem weiteren Schritt so lange linear entzerrt werden, bis sie in einer vorgegebenen Ebene (z. B. 37 in Fig.4a—4d) scharf abgebildet werden. Anschließend erfolgt dann die optische oder elektronische Obereinanderlagerung mit zueinander definierter Versetzung der Einzelbilder. Die linearen trapezförmigen Entzerrungen und Maßstabsänderungen sind relativ leicht mit bekannten Mitteln möglich. Der dritte Teil der Anordnung zur Entzerrung des BV-Bildes beschreibt die Abbildung des Faseroptikausgangsbildes auf ein Aufzeichnungsmedium. Auch hier gibt es wieder mehrere Möglichkeiten, von denen eine näher erläutert wird.

In F i g. 5a und 5b wird die Möglichkeit der direkten

Ankopplung eines Aufzeichnungsrnediums an die Ausgangsfläche der Faseroptik an einem Beispiel beschrieben.

Die auf der Ausgangsfläche 56 der Faseroptik 60 sichtbare und entzerrte Abbildung 57 des BV-Bildes 30 (Fig. 5a) aufgenommen aus Position a wird über eine auf der Ausgangsfläche 56 verschiebbar angeordnete Faseroptik 58 auf das Aufzeichnungsmedium 59 abgebildet (57'). Anschließend kann eine Weiterverarbeitung des Bildes 57' optisch und elektronisch erfolgen. Auf die zusätzlich eingeführte Faseroptik 58 kann verzichtet werden, wenn das Aufzeichnungsmedium direkt auf die Ausgangsfläche der Faseroptik beweglich

angeordnet wird. Bei der Entzerrung eines aus der Position b hergestellten Bildes 30'(in F ig. 5b) wird die Faseroptik 61 in die Richtung des Pfeiles c so lange bewegt, bis die fokussierten Lichtleiter in Richtung b zeigen, anschließend wird die zweite Faseroptik 60 in Richtung des Pfeiles d bewegt, bis die Ausgangsfläche 56 in der Ebene 62 liegt, die z. B. in Richtung der optischen Achse 43 parallel versetzt ist zur Ebene 63 in Fig.5a. Als dritte Einstellung wird die verschiebbar angeordnete Faseroptik 58 zusammen mit dem Aufzeichnungsmedium 59 so weit in Richtung des Pfeiles e verschoben, bis das Bild 64 auf dem Aufzeichnungsmedium 59 zentral abgebildet wird (64').

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 130 218/139

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Entzerrung von Bildern eines durchstrahlten Körpers unter Anwendung einer Faseroptik, wobei die Bilder mittels einer Bildverstärkerröhre aufgezeichnet und infolge des kugelförmigen Eingangsschirms der Bildverstärkerröhre verzerrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die ursprüngliche Aufnahmegeometrie bei der Herstellung des entsprechenden Bildes verhältnistreu oder auch nur winkeltreu rekonstruierende Faseroptik (34) eine ebene Ausgangsfläche (40) und eine konkave, kugelförmige Eingangsfläche (39) besitzt, deren Krümmung der Krümmung des Eingangsschirms (8) der Bildverstärkerröhre (9) entspricht, daß die Faseroptik mit ihrer Eingangsfläche um -deren Krümmungsmittelpunkt schwenkbar -eingeordnet ist, wobei auf die Eingangsfläche mit Hilfe einer Abbildungslinse das verzerrte Bildverstärker-Ausgangsbiid (30) projizierbar ist, daß die Bildleiter in der Faseroptik fokussierend angeordnet sind, und daß der Abstand (R') vom Krümmungsmittelpunkt der Eingangsfläche der Faseroptik zum Fokus der Bildleiter dem Abstand (R) zwischen dem Krümmungsmittelpunkt des Eingangsschirrns der Bildverstärkerröhre und dem Ort der Strahlenquelle bei der Aufnahme der Bilder entspricht, und daß sich hinter der Faseroptik eine Abbildungseinheit zur Übertragung des auf der Ausgangsfläche der Faseroptik liegenden, entzerrten Bildes auf einem Aufzeichnungsträger befindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faseroptik zweiteilig ist, daß die kugelförmige Ausgangsfläche (46) der ersten (35) und die entsprechende Eingangsfläche (47) der zweiten Teilfaseroptik (36) beweglich aufeinander gelagert sind und beide den gleichen Krümmungsmittelpunkt haben, aus dem das entsprechende Bild hergestellt wurde, und daß die ebene Ausgangsflä- <to ehe (45) der zweiten Teilfaseroptik in jede beliebige Lage verschiebbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsbild (15') der Bildverstärkerröhre und der Faseroptik (25) eine Blende (21) zum Abblenden der Abbildungslinse (22) zur Erzielung einer großen Tiefenschärfe angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung des Bildverstärker-Ausgangsbildes auf die kugelförmige Eingangsfläche der Faseroptik (25) eine Linse (27) verwendet wird, deren Abbildungsebene infolge der Bildfeldwölbung eine gleiche oder geometrisch ähnliche Krümmung aufweist wie der Eingangsschirm der Bildverstärkerröhre.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Bildverstärker-Ausgangsbildes auf eine gekrümmte Fläche, die die gleiche Form wie der Eingangsschirm der Bildverstärkerröhre aufweist, eine weitere Faseroptik vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gekrümmte Mattscheibe, deren Krümmung der des Bildverstärkereingangsschirms gleicht oder geometrisch ähnlich ist, zur Aufnahme des Bildverstärker-Ausgangsbildes vorgesehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungsträger zur Aufnahme des Faseroptik-Ausgangsbildes direkt auf der Ausgangsfläche der Faseroptik verschiebbar angeordnet ist