DE2104229A1

DE2104229A1 - Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bildern aus einer Serie von Einzelbildern unterschiedlicher Perspektive

Info

Publication number: DE2104229A1
Application number: DE19712104229
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys.Dr. 2081 Tangstedt; Kock Manfred Dr. 2000 Norderstedt; Tiemens Ulf 2900 Oldenburg. G03b 15-05 Dammann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1971-01-29
Filing date: 1971-01-29
Publication date: 1972-08-10
Also published as: SE377972B; IT951106B; GB1381044A; FR2123470B1; FR2123470A1; DE2104229C3; DE2104229B2; US3873834A; JPS5418572B1

Description

Dr. Herbert Set ο!« Ο 1 C] A J 9 Q P.le.U.wlt *. I V *t * * V

Philips Patentverwalhmg GmbH.

Abe Na,PHD- 1617
Anmeldung vom« 27. Jan. 1971

PHILIPS PATENT VERWALTUNG- GMBH., 2 HAMBTTHG 1, STEINDAMM

"Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bildern aus einer Serie von Einzelbildern unterschiedlicher Perspektive".

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel- j lung eines dreidimensionalen Bildes.

Mit holographischen Methoden stereoskopische Bilder zu erzeugen, ist bekannt: Redmann, J.D., Woltern, W.P. and Shuttleworth, E., Nature 2210 (1968), Seite 58; Kasahara, T., Kimura, Y., Hioki, R. and Tanaka, S., Japan. J. Appl. Phys. 8 (1969) Seite 124; De Bitetto, D.J., Appl. Opt. 8 (19*69), Seite 1740. Allen Verfahren gemeinsam ist, daß eine Anzahl von Hologrammen hergestellt wird, in denen je eines der mit unterschiedlicher Perspektive aufgenommenen Bilder gespeichert wird. Bei richtiger Rekonstruktion sieht das Auge eines Beobachters das Bild aus der jeweiligen Aufnahmeperspektive, so daß ein räumlicher Eindruck entsteht. f

V/eit ergehende holographische Verfahren stammen von Sun Lu, deutsche Offenlegungsschrift 1.952.105 bzw. G. Groh und M. Kock, Appl.Opt. 9. (1970), Seite 775. Beide Verfahren arbeiten derart, daß neben einem stereoskopischen virtuellen Bild auch ein dreidimensionales reelles Bild durch Integration der Einzelbilder entsteht.

Alle genannten Verfahren verwenden zwei zueinander kohärente

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Br. - 2 -

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Lichtbündel. Das eine Bündel durchleuchtet das holographisch zu speichernde Einzelbild. Um die gesamte Bildinformation in einem kleinen Hologrammelement speichern zu können, wird das Bild mit einer Streuscheibe hinterlegt, wodurch die gesamte Information gleichmäßig über die Hologrammfläche verteilt wird. Das so gestreute Licht interferiert mit der Referenzwelle und kann z.B. photographisch aufgezeichnet werden. In der "Rekonstruktion erhält man granulierte Einzelbilder von begrenzter Tiefenschärfe, da die Apertur der Einzelhologramme wegen der Beugung eine hinreichende Größe haben müssen. Nachteilig sind auch die kleinen Beugungswirkungsgrade der Hologramme. Hinzu kommt ein recht beträchtlicher experimenteller Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, ohne holographische Effekte mittels geometrischer Optik dreidimensionale Bilder zu erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, daß strahlenoptisch eine Serie von Einzelbildern unterschiedlicher Perspektive mit reproduzierbarer Aufnahmegeometrie hergestellt werden und diese Bilder zeitlich nach-einander oder gleichzeitig in ihre ursprüngliche Position gebracht und dabei mit dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlenkegel bzw. entsprechender Aufnahmeverhältnisse inkohärent durchleuchtet werden, so daß die ursprünglichen Aufnahmeverhältnisse eindeutig rekonstruiert werden und durch Überlagerung aller Bilder ein dreidimensionales Bild entsteht bzw. eine stereoskopische Betrachtung ermöglicht wird.

Das dreidimensionale Bild entsteht dabei durch die richtige Überlagerung von Schattenrissen. Das Licht kann räumlich und zeitlich inkohärent sein. Das rekonstruierte Objekt ist frei von Granulation und überall scharf.

Im folgenden werden zur Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile einige Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Dazu

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zeigen schematisch:

Pig. 1 die Herstellung einer Serie von Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven,

Pig. 2 eine Möglichkeit zur Herstellung von Schichtaufnahmen (Tomographie"),

Pig. 3 eine Ausführungsform zur Herstellung eines stehenden dreidimensionalen Bildes,

Fig. 4 die Anordnung der Pig» 3 mit einer Blende und einer ä Abbildungslinse zur Unterdrückung von Streulicht,

Pig. 5a und b eine spezielle Anordnung zur Erzeugung eines stehenden dreidimensionalen Bildes bei festem Aufbau,

Pig. 5c eine Anordnung wie in Pig. 5b, nur daß hier die Abbildung mit einem Kranz von Linsen erfolgt,

Pig. 6 eine ähnliche Anordnung wie Fig. 5b kombiniert mit dem Vorteil aus Pig. 4 und

und b
Pig. 7a/eine Anordnung in der die Röntgenaufnahmen räumlich

getrennt aufgenommen und rekonstruiert werden.

Im folgenden wird zur Erläuterung des Verfahrens von Röntgenbildern ausgegangen. Fs sei aber schon hier betont, daß dieses keine Beschränkung darstellt. Entsprechende Bilder von Partikelstrahlung (Elektronen, Protonen etc.) können ebenso wie normale optische bzw. elektronische Bilder nach diesem Verfahren hergestellt werden.

In der Fig. 1 wird die Röntgenlichtquelle auf einem Kreis 11 parallel zur Pilmebene 14 bewegt. In definierten Positionen

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(z.B. 12, 13) werden vom Objekt 10 Röntgenaufnahmen hergestellt, so daß letztlich eine Serie von Röntgenbildern unterschiedlicher Perspektive vorliegt. Die dabei verwendete Aufnahmegeometrie muß bekannt und reproduzierbar sein.

Der erste Vorteil, der Erfindung besteht in der sehr einfachen Herstellung von Schichtaufnahmen, wobei die Schichttiefe frei gewählt werden kann. Die Pig. 2 gibt den schematischen Aufbau wieder. Eine Punktlichtquelle 1 - an sich ein Lichtfleck hinreichend kleiner Größe - wird von der Linse 2 nach 4 abgebildet. Bewegt man die Quelle 1 auf einem Kreis 3 um die optische Achse der Linse 2, dann bewegt sich der Punkt 4 auf dem Kreis 11·, dessen Durchmesser dem des Kreises 11 aus der Pig. 1 entspricht. In die Ebene 14 werden jetzt nacheinander die Röntgenbilder verschiedener Perspektive gestellt. Ein bestimmtes Bild wird dann von einem Kegel durchstrahlt, dessen Orientierung und Größe genau dem Kegel bei der Aufnahme entspricht. In dem Bereich, in dem das Objekt per Bildintegration entsteht, wird ein integrierender Detektor 30 - z.B. ein Film - gestellt und eine Teilbelichtung vorgenommen. Dann wechselt man den Schattenriß gegen einen neuen mit anderer Perspektive aus, dreht 1 in die richtige Position, so daß 4 der Position der Rontgenlichtquelle bei der Aufnahme dieses speziellen Bildes entspricht und macht eine weitere Teilbelichtung. Hat man dieses für alle zur Verfügung stehenden Bilder getan und entwickelt den Film 30, dann erhält man wie in der Tomographie die Schicht des Objektes scharf, wo sich der PiIm befunden hat. Davor und dahinter liegende Schichten sind verwischt. Durch Änderung der Ebene 30 und Wiederholung der obengenannten Prozedur enthält man eine andere Objektebene scharf.

Dieses Verfahren verdeutlicht sehr genau das Grundprinzip der Erfindung.

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Die Pig. 3 gibt eine mögliche Anordnung wieder, ein stehendes dreidimensionales Bild vom Objekt 10 zu erzeugen. Die Anordnung entspricht der.in Fig. 2, nur daß jetzt die Quelle 1 mit der Winkelgeschwindigkeit fo rotiert, die so groß gewählt werden muß, daß ein flimmerfreies Bild 10 entsteht. In den Versuchen hat sich eine Frequenz von 20 - 25 Hz als voll ausreichend erwiesen. Mit der gleichen Frequenz (U rotiert z.B. eine Scheibe 16, auf der die N Röntgenbilder 16' so angeordnet sind, daß bei einer Umdrehung jedes der N Bilder einmal vom jeweiligen Strahlenkegel 5 durchstrahlt wird. D.h. Bildpunkt 4 und Scheibe 16 müssen synchron zueinander umlaufen. Da hier bei einer bestimmten Position des Röntgenbildes und (| des Strahlenkegels ein Beitrag zum Bild 10 geliefert werden soll, muß die Quelle 1 im Impulsbetrieb arbeiten, d.h. die Belichtung der N Bilder erfolgt stroboskopisch mit einer Frequenz N.CU . Beträgt N = 20 und ttf = 25 Hz,.dann muß also mit 500 Hz oder einem ganzen Vielfachen davon geblitzt werden. Die Impulslänge hängt ab vom geforderten Auflösungsvermögen und der mittleren Tangentialgeschwindigkeit der Röntgenbilder auf der Scheibe 16. Das Bild 10' entsteht dann hinter der Scheibe 16 in der Position, in der sich das eigentliche Objekt bei der Aufnahme der Röntgenbilder befunden hat.

Bev/egt ein Beobachter seine Augen auf dem Kreis 11, dann er- g hält er den lichtstarksten stereoskopischen Eindruck vom Objekt 10. Einzelne Ebenen des Objekts 10 können mit Hilfe von Detektorflächen (ebene oder auch gekrümmte) scharf dargestellt werden, davor und dahinter liegende Schichten sind verwischt. Störendes Streulicht, das meistens vom Aufnahmeträger der Röntgenbilder herrührt, kann durch die Anordnung entsprechend Fig. 4 beseitigt werden. Die durch das Bild in 16 hindurchtretenden Strahlen laufen in 17 zusammen und erzeugen dort das Bild der verwendeten Lichtquelle. Auftretendes Streulicht verbreitert das Bild der Lichtquelle, wodurch sich eine Kontrastminderung und eine Verschlechterung des Auf-

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lösungsvermögens ergeben. Setzt man deshalb in 17 eine Lochblende derart, daß nur die Lichtkegelspitzen für die diskreten Positionen durchgelassen werden und bildet man mit der . Linse 18 die Ebene 16 nach 16" ab, dann erhält man in 10 ein kontrastverbessertes Bild.

Das Verfahren ist auch anwendbar, wenn winkeltreue Transformationen der gesamten Aufnahmegeometrie durchzuführen sind. Bei einer Verkleinerung der Röntgenbilder um z.B. einen Faktor 2 müssen die Abmessungen nach Fig. 2 entsprechend um einen Faktor 2 reduziert werden.

Ein Nachteil der oben beschriebenen Anordnung besteht in der notwendigen Rotation des Lichtpunktes 1 (s. Fig. 2) und der Scheibe 16. Hinzu kommt die stroboskopisch^ Beleuchtung.

Die Fig. 5a und 5b geben eine mögliche Anordnung wieder, mit einem stationären Aufbau ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. In der Fig. 5a sind zwei Strahlenkegel gezeichnet. In einer Ebene 19» in der eine Trennung der Kegel stattgefunden hat, befindet sich z.B. eine Photoplatte. Die von 14 kommenden Schattenrisse können in dieser Ebene getrennt aufgezeichnet werden. Das geschieht sinnvoll mit einer Abbildungslinse unter Einhaltung der Geometrie, wodurch eine Qualitätsminderung der verkleinerten Röntgenbilder vermieden wird. Die Fig. 5b zeigt dann schematisch die Beleuchtung dieses Bildringes mit einem passenden Kranz von Punktlichtquellen 21 in der richtigen Geometrie, so daß das Objekt 10 wieder per Integration entstehen kann. Die Ausdehnung der Punktlichtquelle (21) muß bei dieser Anordnung klein gewählt werden, will man eine Einbuße an Auflösungsvermögen vermeiden. Man kann natürlich auch den Herstellungsprozeß des Bildringes 19 rückgängig machen, indem man einen Kranz 19' von Abbildungslinsen verwendet, wobei immer eine linse ein kleines Teilbild von 19 nach 20 projiziert. Bei hinreichend hoher ■?:' eien-

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schärfe entsteht wieder das Objekt 10 (s. Fig. 5c).

Eine weitere mögliche Anordnung ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der aus Pig. 5a - c besteht in folgendem: Die Bilder in der Ebene brauchen nicht so stark verkleinert zu werden, so daß die Anforderung an die Punktlichtquellen (1) nicht so groß sind. Die Blendenanordnung 17 unterdrückt gemäß der Anordnung aus Pig. 4 eventuelles Streulicht, was eine Bildverbesserung bewirkt.

Pährt man die Eöntgenlichtquelle 1¹ z.B. auf■einem so großen | Kreis 3', daß die einzelnen Schattenrisse räumlich getrennt voneinander aufgezeichnet werden können, dann erübrigt sich gleichfalls die Bewegung der Bilder und eine stroboskopisch^ Beleuchtung. Die Pig. 7a zeigt eine mögliche Anordnung zur Herstellung der Einzelbilder des Objektes 10 in der Ebene 14, Pig. 7b eine mögliche Bekonstruktionsanordnung, bei der mit Hilfe nur einer Punktlichtquelle 34, einer passenden Blendenanordnung 33» einem zugehörigen Satz Spiegel 31, 31', 31", 31"' und Linsen 32, 32', 32", 32"' hier die Strahlenkegel der Abb. 7a rekonstruiert werden.

Die zur Erzeugung des dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Perspektive können \ auch mit Hilfe eines Computers erstellt werden, der die Amplitude und Lage der Bildpunkte errechnet.

PATENTANSPEÜCHE:

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

Q\J Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bildes, dadurch gekennzeichnet, daß strahlenoptisch eine Serie von Einzelbildern unterschiedlicher Perspektive bei reproduzierbarer Aüfnahmegeometrie hergestellt werden und diese Bilder zeitlich nacheinander oder gleichzeitig in ihre ursprüngliche Position gebracht und dabei mit dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlenkegel bzw. entsprechender Aufnahmeverhältnisse inkohärent durchleuchtet werden, so daß die ursprünglichen AufnähmeVerhältnisse eindeutig rekonstruiert werden und durch Überlagerung aller Bilder ein dreidimensionales Bild entsteht bzw. eine stereoskopische Betrachtung ermöglicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabegeometrie gegenüber der Aufnahmegeometrie nur winkeltreu gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung kohärentes oder partiell kohärentes Licht verwendet wird.
4. Verfahren zur Bestimmung von Tiefenlagen von Details des Objektes oder zur Herstellung tomographischer Aufnahmen nach Anspruch 1,2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte dreidimensionale Bild auf eine Mattscheibe oder einen geeigneten Detektor projiziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch schnellen Wechsel und stroboskopische Beleuchtung der Einzelbilder bei gleichzeitiger entsprechender Änderung der Beleuchtungsgeometrie für einen Beobachter ein stehendes dreidimensionales Bild erzeugt wird.

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6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Streulicht, welches vom Aufnahmeträger oder anderen Komponenten der- Anordnung herrührt, durch eine vor der Abbildungslinse (2) kreisförmig bewegte Lichtquelle und eine hinter der Linse (2) rotierende Scheibe (16) ausgeblendet wird, deren Rotationsachse parallel zur optischen Systemachse liegt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des dreidimensionalen Bildes durch gleichzeitige Projektion aller Bilder unterschiedlicher Perspektive in einer Ebene mittels getrennter Strahlenkegel vor- {| genommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Strahlenkegel ein Kranz von Punktlichtquellen verwendet wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei hinreichender Tiefenschärfe die Erzeugung' des dreidimensionalen Bildes durch einen Kranz (I9^f) von Abbildungslinsen hinter der Ebene (19) vorgenommen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Streulicht und zur'gleichzeitigen Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes eine Anordnung verwendet wird, bei der hinter der BiIderzeugungsebene (22) eine Blendenanordnung (17) angebracht ist.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufnahme der Bilder die Lichtquelle so bewegt wird, daß die Einzelbilder räumlich getrennt aufgezeichnet und in der Rekonstruktion gleichzeitig überlagert werden.

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12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Perspektive mit optischem Licht, mit Elektronen-Röntgenstrahlung oder mit Partikelstrahlung hergestellt, werden.

13- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Perspektive mit Hilfe eines Computers hergestellt werden.

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