Dokument: Hologram tomography for surface topometry
| Titel: | Hologram tomography for surface topometry | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2598 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20030731-000598-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Giel, Dominik [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Holographie, Tomographie, Oberflächenformerfassung, 3D Bildgebung, Lasergranulationsprojektion, iterative Dekonvolution, perspektivische Hologrammrekonstruktionholography, topometry, 3d surface measurement, speckle projection, iterative deconvolution, hologram perspective | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Die vorliegende Arbeit untersucht Methoden zur Erfassung der Form von Oberflächen mit Hilfe kurzgepulster Holographie unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen eines Einsatzes für die medizinische Anwendung. Zur holographischen Oberflächenformerfassung wird zunächst das Interferenzmuster eines von der zu untersuchenden Oberfläche gestreuten, gepulsten Lichtfeldes mit einer kohärenten Referenzwelle in einer hochauflösenden photographischen Emulsion aufgezeichnet. Dieses sogenannte Hologramm projiziert im zweiten Schritt das dreidimensionale Lichtfeld des Objektes an den Ort des reellen Bildes, dessen räumliche Intensitätsverteilung mit Hilfe eines Streuschirmes und einer Kamera digitalisiert wird. Im Gegensatz zur direkten Messung steht so das Lichtfeld des Objektes f ür beliebige Zeiträume zur Verfügung. Aus dem rekonstruierten Objektlichtfeld wird die Oberflächenform des Objektes rekonstruiert. Verschiedene Methoden zur Bestimmung der Oberfläche werden in der Arbeit entwickelt und bezüglich ihrer Tauglichkeit für die medizinischen Anwendung verglichen. Zur Nutzung der Perspektive der Hologramm-Rekonstruktion werden zwei Methoden vorgestellt: die Mehrperspektiven-Aufzeichunng durch Planspiegel und die Generierung von Perspektive durch partielle Hologramm-Abdeckung. Letztere erlaubt die Oberflächenbestimmung durch Vielperspektiven-Gradientenmitteln (engl. multi-perspective gradient averaging, MUPEGA). Außerdem werden zwei rein numerische Methoden aus dem Bereich der Mikroskopie erstmals auf Hologramme angewendet: Das inverse Filtern schwächt die Unschärfe unfokussierter Bildpunkte durch die numerische Umkehrung der Abbildung ab. Das iterative Entfalten erreicht den gleichen Zweck mittels mehrfacher Simulation des Abbildungsvorganges mit anschließender Korrektur des durch Vergleich mit den Messdaten ermittelten Fehlers. Da beide Methoden die Kenntnis der (inkohärenten) optischen Transferfunktion voraussetzen, wird eine analytische Form derselben hergeleitet. Weiterhin wird ein neuartiges, gewichtetes Schärfemaß vorgestellt, das die bereits bekannte Methode der Oberflächenbestimmung durch das Auffinden der Punkte maximaler Bildschärfe verbessert. Experimentell bestimmt werden die maximale Geschwindigkeit, mit der sich Oberflächen während der Aufnahme bewegen dürfen (15.4 ± 0.4 m/s), die Punktabbildungsfunktion des holographischen Aufbaus und die minimal erreichbare Specklegröße auf menschlicher Haut (0.5 mm bei einem Kontrast von 0.5). Die Intensitätsverteilung des reellen Bildes wird sowohl durch inverses Filtern als auch durch iterative Entfaltung auf oberflächennahe Punkte reduziert, um die Lokalisierung selbiger zu erleichtern. Mehrere Objektansichten werden synchron mit Hilfe eines Planspiegels aufgezeichet, was eine Rekonstruktion des Objektlichtfeldes in einem größeren Raumwinkel ermöglicht. Mit Hilfe der die Mehrperspektiven (MUPEGA) Auswertung wird die höchste räumliche Auflösung (0.89 mm) aller vorgestellten Methoden erreicht. Eine erste Fallstudie, der holographischen Dokumentation einer operativen Korrektur einer Unterkiefer-Fehlstellung, zeigt die aus dem Verfahren der Hologramm-Tomographie erwachsenden Möglichkeiten. Ergänzend wird im Anhang A die Erzeugung von Computermodellen mit voller Farbinformation behandelt.Hologram tomography is a technique for precise, ultra-fast surface shape measurement of extended objects. This thesis presents novel methods for the topometry of living humans' faces from pulsed holographic recordings by hologram tomography and describes a pulsed holographic camera and a hologram digitalisation set-up. The camera records the facial surface within 35 ns into a portrait hologram which leads to a surface reconstruction with a standard deviation from the original surface of 0.89 ± 0.04 mm. The thesis compares different methods for surface shape measurements: image deblurring by inverse filtering and iterative deconvolution, maximum-sharpness semi-heuristic surface detection and two uses of hologram perspective, namely the holographic recording of multiple object perspectives with a planar mirror and multiple perspective gradient averaging (MUPEGA). With the later, holograms recorded with intensities below the exposure limits of the human eye ('eye-safe' recordings) are recorded which is an essential requirement for medical applications. A laser speckle projection method was developed for contrast enhancement in portrait holograms. The maximum achievable speckle size on human skin was determined experimentally to be approximately 0.5 mm at a contrast of 0.5. The temporal resolution of the pulsed hologram recording was estimated by measurements of the maximum tolerable velocity for object surface movements vmax = 15.4 ± 0.4 m/s. A first case study of the medical application of hologram tomography is presented: an orthognatic correction of a protrusion of the lower jaw caused by a congenital disease (Marfan syndrome) was documented by pre- and post-operative hologram tomography. The computer model of the reconstructed surfaces were merged with corresponding computer tomography data to demonstrate a possible application of hologram tomography for operation planning and documentation. As a second application from the field of cultural heritage, holograms of the Husb¨ ake bog body with synchronously recorded side and front views were recorded. Copies of these holograms can be exhibited instead of the fragile bog body and allow non-contact measurement of the soft tissue thickness which is essential in facial reconstruction problems in forensic sciences. Examples for a virtual hologram tomography from a digitally recorded hologram, an outlook on possible future developments and a description of a true-colour texture recording system for the holographic camera conclude the thesis. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 31.07.2003 | |||||||
| Dateien geändert am: | 12.02.2007 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 30.07.2003 | |||||||
| Datum der Promotion: | 30.07.2003 |
