DE69300822T2 - Dreidimensionaler energieverteiler. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf drei-dimensionale Energieverteilungsvorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die beispielsweise gestatteten, ein 3-D-Bild aus Lichtenergie aufzubauen. Eine derartige Einrichtung ist zum Beispiel aus 72 IEEE INTERCON, 20. März 1972, New York, Seiten 118-119, bekannt.
• Es ist oft erforderlich zum Beispiel auf dem medizinischen Gebiet, Objekte anzuzeigen bzw. darzustellen, die nicht direkt sichtbar sind, wie zum Beispiel Organe. Die herkömmlichen Verfahren, wie zum Beispiel Radiographie, Echographie und so weiter, gestatten ebenen Ansichten von Organen und eine grobe Idee ihres Aspekts zu erhalten. Aufwendigere Techniken gestatten es, detaillierte Querschnittsansichten des menschlichen Körpers und synthetische Bilder von Organen aus einer Vielzahl von Querschnittsansichten zu rekonstruieren bzw. aufzubauen.
• Fig. 1 und 2 zeigen schematisch zwei Schritte einer beispielhaften herkömmlichen Technik zum Erhalten von synthetischen Bildern eines Objekts. Diese Figuren sind sehr schematisch und die verschiedenen Elemente sind mit beliebigen Maßstäben gezeigt.
• Fig. 1 entspricht einem Schritt zum Erhalten eines Satzes von linearen radiologischen Dichteprojektionen eines Objekts 10, um eine Querschnittsansicht des Objekts in einer Ebene zu erhalten. Das Objekt 10 wird entlang den Achsen A¹, A², A³ ... bei verschiedenen Winkeln untersucht, in der gewunschten bzw. erforderlichen Querschnittsebene positioniert und kreuzt einen Punkt O des Objekts 10. Für jede Achse nimmt ein Sensor 12 ein Profil, das ungefähr die Dichteprojektion des Objekts 10 entlang der betrachteten Achse A darstellt, auf. Der Sensor 12 umfaßt Elemente, die sensitiv sind auf Anregungen, die spezifisch für die Untersuchtungstechnik sind, zum Beispiel für Röntgenstrahlen in einem Röntgenstrahlenabtastgerät bzw. -scanner. In dem Beispiel eines Röntgenstrahlenscanners sieht eine Quelle SX einen Rzntgenstrahlenfächerstrahl für den Sensor durch das Objekt 10 vor, wobei der Fächerstrahl parallel zu der Querschnittsebene ist. Die Quelle SX wird in einem Abstand von dem Sensor plaziert, um im wesentlichen parallele Strahlen in der Querschnittsebene zu erhalten. Jedes so aufgenommene Profil entlang einer jeweiligen Achse A wird dann in einem Datenverarbeitungssystem gespeichert und korrigiert, um der Nicht-Parallelität der Strahlen Rechnung zu tragen. Somit wird ein Satz von korrigierten Profilen entsprechend radiologischen Dichteprojektionen des Objekts in dem Speicher gespeichert.
• Fig. 2 stellt symbolisch dar, wie eine Querschnittsansicht eines Objekts 10 aus Dichteprojektionen rekonstruiert bzw. aufgebaut wird. Das Rekonstruierungsverfahren der Fig. 2 ist eine mathematische Rekonstruierung, die gewöhnlicherweise als eine "filtered back projection" bzw. Zurückfilterprojektion bezeichnet wird.
• Jede Projektion wird zuerst durch einen Entfaltungsfilter, wie zum Beipsiel einem sogenannten "Shep und Logan"- Filter verarbeitet, zum Abschwächen der Kanteneffekte oder der Verzerrungen, die durch das Rekonstruktionsverfahren der Querschnittsansicht erzeugt wurden. Mit jeder verarbeiteten Projektion ist eine Familie von koplanaren parallelen Linien bzw. Geraden assoziiert. Jede Linie der Familie kreuzt einen Punkt der verarbeiteten Projektion und ist einem Koeffizienten zugeordnet, der die Dichte des Punktes darstellt.
• Jede Familie wird dann zu einem Punkt Oi entlang einer Achse entsprechend der jeweiligen Untersuchungsachse A geleitet bzw. gerichtet. Jeder Punkt innerhalb der Schnittoberfläche der Familien wird der Summe der Dichtekoeffizienten der Linien, die diesen Punkt kreuzen, zugeordnet. Innerhalb dieser Oberfläche wird eine Wolke von Punkten entsprechend einer Querschnittsansicht des untersuchten Objekts 10 erhalten. Die für jeden Punkt dieser Wolke berechnete Dichte stellt im wesentlichen die Dichte des Punktes, der dem Objekt entspricht, dar. Die durch diese Wolke vorgesehene Definition des Objekts ist am besten, wenn die Anzahl der unterschiedlichen Achsen A der Untersuchung groß ist.
• Durch geeignetes Verarbeiten dieser Punktwolke ist es möglich, die Querschnittsansicht des Objekts anzuzeigen und verschiedene Gebiete bzw. Flächen durch Farben oder verschiedene Grauschattierungen herauszubringen. Die Gebiete, die erforderlich sind, herauszubringen, entsprechend zum Beispiel Organen. Ein Organ kann in der Querschnittsansicht lokalisiert werden, und zwar mit den verschiedenen Charakteristiken der Punkte, die dem Organ entsprechen, wie zum Beispiel eine unähnliche Dichte, und/oder eine unähnliche Textur.
• Um ein synthetisches Bild eines vollständigen Objekts zu verwirklichen oder von einem Teil eines Objekts, werden einige aufeinanderfolgende Querschnittsansichten des Objekts, wie oben erklärt, realisiert. Die Querschnittsansichten werden dann superponiert bzw. übereinandergelegt und die fehlenden Punkte werden interpoliert, um die externe Oberfläche des gewünschten Teils aufzubauen. Dann kann eine Beleuchtung dieser externen Oberfläche bzw. Fläche simuliert werden, um eine realistische Darstellung seiner Form zu erhalten.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, räumlich drei-dimensionale Energie zu verteilen, und zwar entsprechend einem Bild, das bis jetzt nur in einer berechneten Form existierte.
• Dieses Ziel wird erreicht durch eine drei-dimensionale Energieverteilungseinrichtung, die folgendes aufweist. Ein Volumen, das auf die Energie einer vorbestimmten Strahlung reagiert; eine Vielzahl von Quellen der Strahlung, die das Volumen gemäß jeweiligen Winkeln beleuchten bzw. bestrahlen; und plaziert zwischen jeder Quelle und dem Volumen, eine Tragevorrichtung, die transparent bzw. durchlässig für die Strahlung ist und die ein Bild umfaßt, und zwar entsprechend einer Dichteprojektion eines realen oder virtuellen Objekts, das unter dem Winkel untersucht wird, unter dem die jeweilige Quelle das Volumen beleuchtet, wobei die Projektion einen Bildkorrekturprozeß bzw. -verfahren ausgesetzt wurde.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beabsichtigt man mit dem Bildkorrekturprozeß Verzerrungen bzw. Distortionen auf Grund der Beleuchtungsbedingungen des Volumens und/oder der Untersuchungsbedingungen des Objekts zu korrigieren.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um die Strahlen jeder Quelle parallel zueinander zu machen, wenn sie in das Volumen eindringen. Der Korrekturprozeß ist ein Shep- und Logan-Filtern.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Volumen innerhalb einer Kugeloberfläche bzw. Kugel eingeschlossen, die transparent für die Strahlung ist und deren Durchmesser so ausgewählt wird, daß die Strahlen parallel zueinander werden, wenn sie in die Kugeloberfläche eintreten.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Volumen transparent und weist ein Produkt auf, das fluoreszent für die Strahlung ist.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Volumen ein Harz, der lokal als eine Funktion der Strahlungsenergie polymerisiert.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Tragvorrichtung ein Dia.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Tragvorrichtung ein Flüssigkristallschirm.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Quellen optische Fasern, die mit einer einzelnen Quelle verbunden sind.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Quellen aus einem konischen Laserstrahl realisiert, der Spiegel beleuchtet, die einen Teil des konischen Strahls zu den Tragvorrichtungen reflektieren.
• Die vorhergehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von spezifischen Ausführungsbeispielen offensichtlich, wie sie in der Begleitzeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 und 2, bereits oben beschrieben, ein herkömmliches Verfahren zum Erhalten eines Bilds eines Objekts durch Berechnungen;
• Fig. 3 schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Verteilen der drei-dimensionalen Energie im Raum; und
• Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel von Elementen der Einrichtung der Fig. 3, die eine praktische Realisierung dieser Einrichtung gestatten.
• Die Figuren sind schematisch und die darin dargestellten Elemente sind mit beliebigen Maßstäben gezeichnet.
• Die vorliegende Erfindung wird im folgenden bechrieben unter Verwendung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels zum Formen bzw. Bilden eines 3-D-Bilds.
• Anfänglich wird ein virtuelles Objekt in dem Speicher eines Datenverarbeitungssystems erzeugt. Das Objekt kann vollständig berechnet sein oder erhalten werden durch anfängliches Untersuchen eines realen Objekts, wie in Fig. 1, entlang verschiedenen bzw, unterschiedlichen Achsen A. Durch mathematisches Untersuchen dieses virtuellen Objekts entlang verschiedenen Achsen A wird eine Oberflächendichteprojektion für jede Achse abgeleitet. Falls das virtuelle Objekt einem realen Objekt entspricht, entspricht jede Oberflächenprojektion der Kombination der linearen Projektionen, die zuvor erhalten wurden, und zwar auf eine herkömmliche Weise durch Untersuchen des Objekts gemäß einer assoziierten Achse A.
• Das virtuelle Objekt kann verarbeitet werden, und zwar vor der mathematischen Untersuchung, und zwar auf verschiedene Art und Weise abhängig von dem Bild, das man wünschte, darauf aufzubauen. Zum Beispiel um eine Beleuchtung des Objekts gemäß einem vorbestimmten Winkel zu simulieren, wird nur die Außenoberfläche des Objekts in Betracht gezogen. Jeder Punkt dieser Oberfläche wird einer Dichte zugeordnet, die proportional zu der Lichtintensität dieses Punkts ist; den Punkten, die nicht zu der Außenoberfläche gehören, wird eine Null-Dichte zugeordnet.
• Jede Oberflächenprojektion wird dann durch einen geeigneten Dekonvolutions- bzw. Entfaltungs- (Shep und Logan)- Filter verarbeitet. Ein Dia wird herkömmlicherweise aus jeder Oberflächenprojektion hergestellt, zum Beispiel mittels einer Dupliziereinrichtung. Somit wird ein Satz von Dias D1, D2, D3 ... erhalten, von denen jedes durch unterschiedliche Grauschattierungen eine verarbeitete Oberflächendichteprojektion darstellt.
• Fig. 3 stellt schematisch dar, wie man die Dias D verwendet, um ein 3-D-Bild aufzubauen. Strahlen bzw. Bündel aus parallelen Strahlen beleuchten ein Volumen 30 gemäß den Untersuchungsachsen A&sub1;, A&sub2;, A&sub3; ... des virtuellen Objekts, dessen Bild aufgebaut bzw. konstruiert werden soll. Jedes Dia 30 wird in ein Bündel bzw. einen Strahl der entsprechenden Achse A plaziert und wird innerhalb einer Ebene senkrecht zu seiner Achse A positioniert, um den Bedingungen der Untersuchung des Objekts zu entsprechen.
• Das Volumen 30 ist aus einem Material, das für die Strahlung der Strahlen transparent bzw. durchlässig ist und auf die Strahlungsenergie sensitiv ist. Für den Aufbau bzw. die Konstruktion eines Bilds in dem Volumen 30 enthält dieses Volumen ein fluoreszentes Produkt, wie zum Beispiel Rhodamin 6G. Die Strahlen sind dann geeignet, eine geeignete Wellenlänge (ungefähr 540 nm für Rhodamin 6G) zu emittieren, zum Beispiel durch Filtern von weißem Licht.
• Somit reflektiert jeder Punkt des Volumens 30 einen gegebenen Betrag von Licht als eine Funktion der Lichtenergie, die durch die Strahlen erzeugt werden, die diesen Punkt schneiden. Ein 3-D-Bild, aufgebaut durch mehr oder weniger beleuchtete Gebiete bestimmt durch die Grauschattierungen der Dias D ist in dem Volumen 30 gebildet.
• Die Definition des 3-D-Bilds ist am besten, wenn die Anzahl der Untersuchungsachsen und der entsprechenden Dias groß ist. Für eine Anzahl N von Achsen, kann die Helligkeit von ungefähr N² unterschiedlichen Punkten einzeln bzw. individuell in jeder Ebene parallel zu der Ebene der Achsen definiert werden. In der Praxis sehen 64 Achsen eine minimale Definition vor.
• Um 3-D-Farbbilder zu erhalten, können drei Sätze von Dias vorgesehen sein, wobei jeder Satz von Dias eine unterschiedliche Farbe besitzt oder durch eine Lichtquelle von unterschiedlicher Farbe beleuchtet wird. Das Volumen 30 enthält dann drei entsprechende fluoreszente Produkte.
• Im allgemeinen unterscheidet sich der Beugungs- bzw. Brechungsindex des Volumens 30 von dem der Tragvorrichtung, wo die Dias D plaziert sind. Demzufolge können die Strahlen, die in das Volumen eintreten, nicht parallel bleiben.
• Fig. 4 stellt ein praktisches Ausführunmgsbeispiel dar, das diesen Nachteil vermeidet. Jedes Dia D wird durch einen konischen Strahl mit einem vorbestimmten Apex bzw. Öffnungswinkel beleuchtet. Dieser konische Strahl ist vorgesehen zum Beispiel durch eine konvergierende Linse bzw. Sammellinse 34, die durch eine Quelle 5 beleuchtet wird. Das Volumen 30 wird innerhalb einer transparenten bzw. durchsichtigen Kugeloberfläche 36 plaziert mit demselben Index wie das Volumen 30. Der Durchmesser der Kugeloberfläche 36 wird so ausgewählt, daß die einkommenden Strahlen des konischen Bündels bzw. Strahls parallel zueinander werden, wenn sie in die Kugel eintreten. Um das 3-D-Bild im Volumen 30 anzuzeigen, ist dieses Volumen vorzugsweise ein Zylinder mit seiner Achse senkrecht zu der Ebene der Dias, so daß das Bild beobachtet werden kann, und zwar ohne Verzerrung durch die äußeren bzw. extremen ebenen Oberflächen des Zylinders.
• Um die Dias geeignet zu positionieren, können Markierungen auf diese zur selben Zeit wie die Grauschattierungen gedruckt werden, und zwar auf einem nicht-verwendeten Gebiet der Dias. Jedes Dia wird beleuchtet, wenn es positioniert wird, und man läßt die Markierungen mit einem ebenen Target bzw. Ziel zusammenfallen, und zwar anstelle des Volumens 30 senkrecht zu der Achse A des Dias.
• Durch Ersetzen der Dias D durch Flüssigkristallanzeigen, auf denen animierte Bilder mit bestimmten Grauschattierungen dargestellt werden, können 3-D animierte Bilder in dem Volumen 30 angezeigt bzw. dargestellt werden. Es ist ebenfalls möglich, einen flachen Fernsehschirm zu realisieren. Zu diesem Zweck wird das Volumen 30 als eine Scheibe realisiert und die Dias werden durch Flüssigkristallstäbe angeordnet in der Ebene der Scheibe ersetzt. Die hintere Oberfläche der Scheibe 30 kann mit einer reflektierenden Schicht beschichtet bzw. überzogen sein, um die Qualität des Bildes zu verbessern.
• Das Volumen 30 kann einen flüssigen transparenten Harz enthalten, der mehr oder weniger schnell polymerisiert, und zwar als eine Funktion der Energie des Strahls, den es aufnimmt. Demzufolge werden die Gebiete, die den größten Teil der Energie aufnehmen, vorzugsweise polymerisiert, um ein Modell des virtuellen Objekts zu rekonstruieren. Ein derartiger Harz ist zum Beispiel ein Monomer, der für UV-Strahlungen (Acrylat) transparent ist, und zwar gemischt mit einer kleinen Dosis eines stimulierenden Materials, das UV-Strahlungen im Bereich von 350 bis 360 nm absorbiert. In der Praxis akkumuliert ein derartiger Harz die Energie, die er aufnimmt bzw. empfängt. Deshalb kann nur eine einzelne Lichtquelle in dem Lichtvolumen 30 vorgesehen sein, wobei dieses Volumen periodisch gedreht wird, und zwar um einen geeigneten Winkel, während man das Dia wechselt bzw. verändert.
• Für die Rekonstruierung des Modells eines Objektes ist ebenfalls möglich, ein Volumen 30 in einem Material zu realisieren, dessen Widerstandseigenschaften für ein Ätzprodukt sich unter dem Effekt der Strahlungsenergie verändern. Das Modell wird dann herausgezogen bzw. extrahiert durch Aussetzen des Volumens dem Ätzprodukt.
• Das Volumen 30 kann ebenfalls in einem Material realisiert sein, dessen optische Eigenschaften, zum Beispiel Transparenz, sich dauerhaft verändern unter dem Effekt der Strahlungsenergie. Somit kann eine 3-D-"Photographie" des Objekts erhalten werden. Durch Ersetzen der Dias durch Flüssigkristallschirme kann Information in dem Volumen 30 gespeichert werden, und zwar durch Anzeige bzw. Darstellen von Dichten, die zuvor berechnet wurden. Die gespeicherte Information ist dann eine 3-D-"Photographie" und kann erneut gelesen werden durch Untersuchen des Volumens 30 auf eine in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Art und Weise unter einer geeigneten Strahlung. Für die Speicherung der binären Information sieht die Untersuchung des Volumens eine berechnete Punktwolke vor, wobei jeder Punkt dieser Wolke einer hohen Dichte oder einer niedrigen Dichte zugeordnet wird, und zwar abhängig von dem logischen Wert eines entsprechenden Bits.
• Das Volumen 30 kann ebenfalls realisiert werden in einem Material, dessen Leitungseigenschaften sich unter dem Einfluß von Strahlungsenergie verändern. Somit können leitende Pfade in dem Volumen 30 realisiert werden durch Herstellen von geeigneten Dias. Die leitenden Pfade werden elektronische Schaltungen, die in dem Volumen 30 integriert sind, miteinander verbinden.
• Die Strahlen, die in das Voumen 30 eindringen, wurden als parallel betrachtet. Dies gestattet, Bilder zu erhalten durch Verarbeiten der Oberflächendichteprojektionen mit herkömmlichen Verfahren (Shep- und Logan-Filter) Jedoch können die Strahlen, die in das Volumen 30 eindringen nicht parallel sein, vorausgesetzt daß, die Projektion zuvor geeignet mathematisch verarbeitet wurden, um Rand- bzw. Kanteneffekte oder Distorsionen bzw. Verzerrungen zu korrigieren, die durch Bilder verursacht wurden, die aus nicht-parallelen Strahlen rekonstruiert wurden.
• Wie Fachleuten offensichtlich ist, können verschiedene Modifikationen bei den oben offenbarten bevorzugten Ausführungsbeispielen gemacht werden, insbesondere beim Realisieren der Quellen, die jedes Dia beleuchten. Zum Beispiel kann das Licht an die Linse 34 angelegt werden, und zwar durch optische Fasern, die mit einer selben Quelle verbunden sind. Die Ebene der Dias kann durch einen konischen Laserstrahl beleuchtet werden, der durch ein Objektiv ausgegeben wird, und Teile des konischen Strahls bzw. Bündels können zu der Linse 34 durch Spiegel reflektiert werden. Einfacher kann eine gefilterte Lichtquelle unabhängig für jedes Dia, vorgesehen sein.

Claims (10)

1. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung mit einem Volumen (30), das auf die Energie einer vorbestimmten Strahlung reagiert; und dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist:

- eine Vielzahl von Quellen der Strahlung, die das Volumen gemäß jeweiligen Winkeln (A&sub1;, A&sub2;, A&sub3; ...) beleuchten bzw. bestrahlen; und

- eine Tragvorrichtung bzw. ein Support (D&sub1;, D&sub2;, D&sub3; ..), und zwar plaziert zwischen jeder Quelle und dem Volumen, die bzw. der durchlässig für die Strahlung ist und ein Bild aufweist, entsprechend einer Dichteprojektion eines realen oder virtuellen Objekts, das unter dem Winkel, unter dem die jeweiligen Quelle das Volumen beleuchtet bzw. bestrahlt, untersucht wird, wobei die Projektion einem Bildkorrekturprozeß ausgesetzt wurde.

2. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man beabsichtigt, daß der Bildkorrekturprozeß Distorsionen bzw. Verzerrungen auf Grund von Beleuchtungs- bzw. Bestrahlungsbedingungen des Volumens (30) und/oder auf Grund von Untersuchungs- bzw. Prüfbedingungen des Objekts korrigiert.

3. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Strahlen jeder Quelle parallel zueinander zu machen, wenn sie in das Volumen (30) eindringen und wobei der Korrekturprozeß ein Shep- und Logan-Filtern ist.

4. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen (30) innerhalb einer Kugel(oberfläche) (36) eingeschlossen ist, die für die Strahlung transparent bzw. durchlässig ist und deren Durchmesser so ausgewählt ist, daß die Strahlen parallel zueinander werden, wenn sie in die Kugel bzw. Kugeloberfläche eintreten.

5. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen (30) transparent bzw. durchlässig ist und ein Produkt umfaßt, das fluoreszent für die Strahlung ist.

6. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen (30) ein Harz ist, der lokal als eine Funktion der Strahlungsenergie polymerisiert.

7. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung ein Dia ist.

8. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung ein Flüssigkristallschirm ist.

9. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen optische Fasern bzw. Fibern sind, die mit einer einzelnen Quelle verbunden sind.

10. Dreidimensionale Energieverteilungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen aus einem konischen Laserstrahl realisiert werden, der Spiegel bestrahlt bzw. beleuchtet, die einen Teil des konischen Strahls zu den Tragvorrichtungen reflektieren.