The middle ear plays an integral role in the normal hearing process by transforming sound energy from the air inside the ear canal into vibrations of the inner-ear fluid, and a malfunction in any middle-ear component can lead to significant hearing loss. Despite decades of research on the Tympanic Membrane (TM or eardrum), the transformation of sound energy into ossicular mechanical vibrations is not yet well understood. Part of this is because the available clinical and research tools provide insufficient data to understand the complexities of this transformation. The data insufficiency arises due to methodological, technological, and physiological limitations such as required nanometer and microsecond spatio-temporal resolutions of the sound-induced TM motions. Although holographic methods provide nondestructive non-contact measuring capabilities that satisfy most of the constraints for TM measurements, the influence of large submillimeter scale physiological motions in live samples produced by heartbeat and breathing can result in near complete saturation of TM holograms. In this Dissertation, a new high-speed correlation interferometry holographic method is proposed that can compensate for the effects of physiological noise using an open-loop control configuration. Preliminary animal measurements with the proposed method demonstrate the necessary accuracy and precision to measure the motion of the entire TM produced by short- duration (≥1 kHz) transient stimuli. Such rapid measurements reduce the effect of the longer and slower environmental and physiologic noises, and enable clinical applications. In the second part of this Dissertation, a novel multiple wavelength high-speed holographic interferometric shape measurement method is incorporated into the high-speed displacement measurements. The method uses the imaging optics of the displacement measurement system to perform shape and orientation measurements. Displacement and shape measurements can be made in less than 200 msec and allow computation of true surface-normal displacements. The surface-normal measurements are independent of the direction of observation, which helps comparisons of measurements made after changes in TM orientation or location. The results enable accurate and precise shape and displacement measurements for use in applications such as modal and finite element analyses, additive manufacturing of prosthetic TM grafts, clinical diagnosis, hearing rehabilitation, as well as optimization of hearing devices. In addition, measured shape parameters such as curvature, depth of cone etc., can help us understand TM mechanics and contribute to quantitative diagnostic assessments.

Current methodologies for characterization of tympanic membranes (TMs) have some limitations. They: are qualitative rather than quantitative, consist of single point mobility measurements, or only include one-dimensional deformation measurements. Furthermore, none of the current clinical tools for diagnosis of hearing losses have the capability to measure the shape of TM, which is very useful for anatomical or pathological investigations. The multi-wavelength lensless digital holography system (MLDHS) reported in this work consists of laser delivery (LD), optical head (OH), and computing platform (CP) subsystems, with capabilities of real-time, non-contact, full-field of view measurements. One version of the LD houses two tunable near-infrared external-cavity diode lasers with central wavelengths of 780.24nm and 779.74nm respectively, an acousto-optic modulator, and a laser-to-fiber mechanism. The output of the LD is delivered to an ultra-fast MEMS-based fiber optic switch and the light beam is directed to the OH, which is arranged to perform imaging and measurements by phase-shifting holography. The second LD version subsystem contains one tunable near-infrared diode laser in the range from 770nm to 789nm, an anamorphic prism pair, an acousto-optic modulator, a half-wave plate, and a fiber coupler assembly. The output of the LD is delivered to the OH directly. The OH is designed by 3D optical ray tracing simulations in which components are rotated at specific angles to overcome reflection issues. A high-resolution digital camera with pixel size of 6.7μm by 6.7μm in the OH is used for image recording at high-rates while the CP acquires and processes images in either time-averaged or double-exposure modes. The choice of working version depends on the requirements of the measurement and the sample under test. MLDHS can obtain shape and one-dimensional deformations along one optical axis (z-axis). In order to recover 3D deformations, assumptions based on elasticity theory are prerequisites for the calculations: (a) the TM is analyzed as a thin shell; (b) shape before and after deformation is considered nearly the same since acoustic pressure typically introduces nanometer scale deformations; and (c) normal vectors remain perpendicular to the deformed mid-plane of the TM. Another part of this Thesis is the design and prototyping of the MLDHS, which translates this holographic platform into a simple and compact holographic instrument for measurements of the visible tympanic-membrane motions in live patients. Therefore, the OH subsystem needs to be light and portable, as it can be mounted on a robotic arm be near the ear canal, while the LD subsystem needs to be stable and safely protected. Preliminary results of acoustically induced 3D deformations and shape measurements by a single instrument that demonstrate the capabilities of the devices developed in this Thesis are presented.

"3D shape measurements are critical in a range of fields, from manufacturing for quality measurements to art conservation for the everlasting archival of ancient sculptures. The most important factor is to gather quantitative 3D information from measurement devices. Currently, there are limitations of existing systems. Many of the techniques are contact methods, proving to be time consuming and invasive to materials. While non-contact methods provide opportunities, many of the current systems are limited in versatility. This project focuses on the development of a fringe projection based system for 3D shape measurements. The critical advantage of the fringe projection optical technique is the ability to provide full field-of-view (FOV) information on the order from several square millimeters to several square meters. In the past, limitations in speed and difficulties achieving sinusoidal projection patterns have restricted the development of this particular type of system and limited its potential applications. For this reason, direct coding techniques have been incorporated to the developed system that modulate the intensity of each pixel to form a sinusoidal pattern using a 624 nm wavelength MEMS based spatial light modulator. Recovered phase data containing shape information is obtained using varying algorithms that range from a single image FFT analysis to a sixteen image, phase stepping algorithm. Reconstruction of 3D information is achievable through several image unwrapping techniques. The first is a spatial unwrapping technique for high speed applications. Additionally, the system uses an optimized Temporal Phase Unwrapping (TPU) algorithm that utilizes varying fringe frequencies ranging from 4 to 512 pixels per fringe to recover shape information in the time domain. This algorithm was chosen based on its robustness and accuracy for high resolution applications [Burke et al., 2002]. Also, unwrapping errors are minimized by approximately 90% as the number of images used is increased from the minimum to maximum fringe density. Cxoontrary to other systems, the 3D shape measurement system developed in the CHSLT laboratories has unprecedented versatility to accommodate a variety of applications with the z-depth resolution of up to 25.4 µm (0.001 inches) and speeds close to 200 frames per second. Hardware systems are integrated into user-friendly software that has been customized for fringe projection. The system has been tested in two extreme environments. The first is for quantification of cracks and potholes in the surface of roads under dynamic conditions. The second application was digitization of an art sculpture under static conditions. The system shows promising results and the potential for high quality images via algorithm optimization. Most importantly, there is potential to present real time 3D information at video speeds."

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung und Kritik der am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig für die Erfassung von Streichinstrumenten, insbesondere Geigen, angewendeten Methoden. Objektive Kriterien werden sowohl auf die Erfassung klangrelevanter Komponenten angewendet als auch auf die stilistische Ebene der Geigenbeschreibung ausgeweitet. Im Fokus stehen dabei vor allem die metrologischen Techniken und ausgewählte bildgebende Untersuchungsmethoden. Ziel ist die methodische Präzisierung und Standardisierung, um die diffizilen individuellen Eigenschaften von Geigen in Daten erfassbar und sammlungsübergreifend auswertbar zu machen.:Inhaltsverzeichnis EINFÜHRUNG 9 1 GESCHICHTLICHER HINTERGRUND UND AUSGANGSLAGE 15 Methoden und Dokumentationen in der Geschichte der Sammlung des heutigen Museums für Musikinstrumente der Universität Leipzig 15 1.1 Dokumentation durch Paul de Wit: Kataloge und Geigenzettel-Publikationen 15 1.1.1 Paul de Wit und die Leipziger Musikinstrumentensammlung 15 1.1.2 Paul de Wits Bildband von 1892 und die Kataloge von 1893, 1893–1896 (Nachträge) und 1904 17 1.1.2.1 Der Bildband 17 1.1.2.2 Die Kataloge 20 1.1.2.2.1 Beschreibung der Einzelinstrumente 27 1.1.2.2.2 Maßangaben 27 1.1.2.2.3 Abbildungen 28 1.1.3 Bezüge zwischen Paul de Wits Geigenzettel alter Meister und seiner Sammlung 29 1.2 Dokumentation durch Georg Kinsky: Der Katalog von 1912 35 1.2.1 Wilhelm Heyer und das Musikhistorische Museum in Köln 35 1.2.2 Bestand an Streichinstrumenten im Museum Wilhelm Heyers 36 1.2.3 Die Beschreibung der Streichinstrumente durch Georg Kinsky im Katalog von 1912 42 1.2.3.1 Julius Rühlmanns Geschichte der Bogeninstrumente als Quelle für Georg Kinsky 42 1.2.3.2 Gedanke der Höherentwicklung 43 1.2.3.3 Aussagen zum Klang 44 1.2.3.4 Beschreibungsschema der Streichinstrumente 50 1.2.3.5 Angabe der Orientierung 57 1.2.3.6 Allgemeine Bewertung 57 1.2.3.7 Lack 59 1.2.3.8 Schalllöcher 61 1.2.3.9 Angaben über den Zustand und erfolgte Veränderungen 62 1.2.3.10 Wölbung 63 1.2.3.11 Material 64 1.2.3.12 Korpus 65 1.2.3.13 Typisierende Vergleiche 66 1.2.3.14 Wirbelkasten 66 1.2.3.15 Abbildungen 67 1.2.3.16 Abbildungen von Geigenzetteln 67 1.2.3.17 Angabe von Maßen 69 1.2.3.18 Angaben zu Vorbesitzern 75 1.2.4 Einfluss des Katalogs von Georg Kinsky auf Curt Sachs und Weiterführung der Systematik 81 1.3 Sammlungsentwicklung und inventarisierende Sammlungsdokumentation von 1945 bis 1995 87 1.3.1 Inventar-Kartei 87 1.3.2 Dokumentenordner 90 1.3.3 Sammlungsentwicklung nach 1945 im Spiegel der Erwerbsdokumente 90 1.3.4 Die Situation um 1985 96 1.3.5 Restaurierungsunterlagen 97 1.3.5.1 Dokumentationsweise und Inhaltsübersicht der Restaurierungsakten 98 1.3.5.2 Zustandsdokumentation 102 1.3.5.3 Rubriken der Beschreibung und Vermaßung 102 1.3.5.4 Maßangaben 105 1.4 Grundzüge der Methodenentwicklung 107 1.5 Exkurs: Zur Typenbildung von Merkmalen 112 2 METROLOGIE 115 2.1 Geschichte der Metrologie im Geigenbau und in der Instrumentenkunde 115 2.1.1 Das Maß im Geigenbau ab 1780 – Vorbilder, Empfehlungen, Normen 115 2.1.1.1 Überblick zur Bagatella-Rezeption 118 2.1.1.2 Aus Empfehlungen werden Normen 121 2.1.1.3 Normmaße der modernen Geige 123 2.1.1.4 Metrologie als schöpferische Methode im Geigenbau 126 2.1.3 Metrologie in der Instrumentenkunde 128 2.1.2.1 Inventarergänzende und systematisierende Maße 131 2.1.2.2 Messen für die Maßanalyse 132 2.1.2.3 Vermessen von stil- und klangrelevanten Merkmalen 133 2.1.3 Messtoleranzen und Fehlerquellen bei traditionellen Messtechniken 134 2.1.3.1 Vergleich von Maßstäben und Maßbändern 134 2.1.3.2 Messen „direkt“ oder „über die Wölbung“ – Verschiedene Methoden, verschiedene Ergebnisse 135 2.1.3.3 Messung über die Wölbung – Werteabweichungen gegenüber der direkten Messung 137 2.1.3.4 Weitere Messfehler 140 2.1.3.5 Bewertung der Messmethoden „über die Wölbung“ und „direkt“ und Konsequenzen für die Auswertung 141 2.3.3.6 Aussagekraft von Grundmaßen am Beispiel der Lira MfM 780 144 2.1.3.7 Verortung von Maßen 148 2.1.3.8 Rekonstruktion von Formmaßen 153 2.1.4 Zusammenfassung 156 2.2. Koordinatenmessung – 3D-Laserscan 157 2.2.1 Evaluation von Messtechniken 157 2.2.1.1 Moiré-Topografie 157 2.2.1.2 Streifenprojektionsmesstechnik 158 2.2.1.3 Fotogrammetrische Techniken 159 2.2.1.4 Mechanisches Koordinatenmessen 159 2.2.2 Koordinaten-Laser-Messung 162 2.2.2.1 Beschreibung und Geschichte der Laser-Messung 162 2.2.2.2 Adaption und Verwendung der Laser-Messung am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 164 2.2.2.3 Prototyp 3D-Messbrücke 1997 164 2.2.2.4 Weiterentwickelter 3D-Messtisch 166 2.2.3 In der Praxis zu erreichende Genauigkeit des 3D-Laser-Messtischs am Leipziger Museum 166 2.2.3.1 Fehlerquellen und Fehlerkorrektur 169 2.2.3.2 Fehlerentstehung und Fehlervermeidung an lackierten Oberflächen 170 2.2.3.3 Kantenerkennung bei Laser-Messung 171 2.2.3.4 Laserscanner des Instituts für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft an der Universität Leipzig 173 2.2.4 Bestand an 3D-Laserscans am MfM 174 2.2.4.1 Bestand an Oberflächenscans und Wölbungskurven 175 2.2.4.2 Bestand an Umriss-Daten 177 2.2.5 Möglichkeiten und Anwendungen der optischen Laservermessung 178 2.2.5.1 Anwendungsbeispiele zu Formen und Umrissen 178 2.2.5.2 Verdeutlichen von Asymmetrien 179 2.2.5.3 Vergleich unterschiedlicher Baugrößen 181 2.2.5.4 Rand und Einlagespan – Ist-Maße und Soll-Maße 183 2.2.5.5 Flächen 185 2.2.5.6 Schnitte, Profile – Vergleich der Erfassung von Wölbungsprofilen in analoger, zeichnerischer Übertragung und als Koordinatenmessung im Laserscan 189 2.2.5.7 Anwendungsbeispiele zu Profilen und Schnittdarstellungen 194 2.2.5.8 Erfassen feinster Oberflächenstrukturen 199 2.2.5.9 Ausblick – zukünftige Auswertungen 199 2.3.6 Bearbeitung von Messkurven 201 2.2.6.1 Geometrische Entzerrung von Messkurven 201 2.2.6.2 Fehler bei der grafischen Darstellung von Oberflächen 202 2.2.7 Bewertung der Laser-Koordinatenmessung 203 2.3 Techniken zur Stärkenmessung an Resonanzplatten 205 2.3.1 Evaluation der Techniken zur Stärkenmessung 205 2.3.1.1 Durchlicht-Methode am Lichttisch 205 2.3.1.2 Mechanische Abtastungen 206 2.3.1.3 Magnetische Methode 207 2.3.1.4 Elektronisch-magnetische Methode 207 2.3.1.5 Messung mit Ultraschall 208 2.3.1.6 Zusammenfassung zu den Techniken der Stärkenmessung 209 2.3.2 Erfassung und Dokumentation von Holzstärken am Leipziger Museum 210 2.3.2.1 Bestand an Holzstärkenmessungen nach Erfassungsschema 1 (punktuell) am Leipziger Museum 210 2.3.2.2 Bestand an Holzstärkenmessungen nach Erfassungsschema 2 (vollflächig) am Leipziger Museum 211 2.3.3 Möglichkeiten und Anwendungen der feinaufgelösten, flächigen Holzstärkenerfassung 215 2.3.3.1 Praktisch vorkommende Typen der Holzstärkenverteilung 215 2.3.3.2 Holzstärkenkonzepte – Lehrmeinungen und praktische Befunde 225 2.3.3.3 Holzstärken – Arbeitsweise und Konstruktion 230 2.3.3.4 Holzstärken und Klang 231 2.3.3.5 Zeit- und werkstattspezifischer Umgang mit Holzstärken 233 2.3.3.6 Nachvollziehen und Dokumentieren von Veränderungen 234 2.3.3.7 Rekonstruktion möglicher früherer Zustände 235 2.3.3.8 Sicherheit: Identifikation einzelner Instrumente 238 2.3.3.9 Zusammenfassende Betrachtung und Ausblick zur Messung und Kartierung von Holzstärken 239 3 FOTOGRAFISCHE TECHNIKEN 242 3.1 Bilder vor der Fotografie 243 3.2 Das Verhältnis von Abbild und Maß 245 3.3. Allgemeine geometrische Abbildungsfehler und Auswertungsmöglichkeiten von Fotografien 246 3.4 Fotostandards für die Aufnahme in der Instrumentenkunde 247 3.5 Fotografische Techniken am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 250 3.5.1 Bildtypen im Fotobestand des Leipziger Museums 250 3.5.2 Glasnegative 253 3.5.2.1 Geschichte und Technik der Glasplattenfotografie 253 3.5.2.2 Bestand von Glasnegativen am Leipziger Museum 254 3.5.2.3 Entstehungszeit und Entstehungszweck der Glasnegative 259 3.5.2.4 Bildauflösung der Glasnegative 264 3.5.2.5 Metrische Auswertungen von Glasnegativen 265 3.5.2.6 Bewertung der Glasnegative 269 3.5.3 Sicherheitsfotos 270 3.5.3.1 Sicherheitsfotos vom Typ 1, von etwa 1970 bis 1995 271 3.5.3.2 Bestand an Sicherheitsfotos vom Typ 1, um 1970 bis 1995 271 3.5.3.3 Sicherheitsfotos vom Qualitätstyp 3, 1996 bis 1999 272 3.5.3.4 Bestand an Sicherheitsfotos vom Qualitätstyp 3, 1996 bis 1999 273 3.5.3.5 Angewendete Aufnahmestandards für die Sicherheitsfotos vom Qualitätstyp 3 274 3.5.3.7 Ausblick zur Formerkennung durch Bildauswertung am Beispiel der Schneckenformen 278 3.5.4 Endoskopie 286 3.5.4.1 Bestand an endoskopischen Fotografien am Leipziger Museum 286 3.5.4.2 Anwendungsbeispiele der Endoskopie 289 3.5.5 UV-Licht-Fotografie 292 3.5.5.1 Bestand an UV-Fotografien am Leipziger Museum 293 3.5.5.2 Anwendungsbeispiele der UV-Fluoreszenz und ihrer fotografischen Dokumentation 294 3.5.5.3 Bewertung des bestehenden UV-Foto-Bestands und Ausblick 298 3.5.6 Zusammenfassende Bewertung der Bildquellen und Ausblick 298 4 RADIOLOGIE 300 4.1 Röntgenbilder 300 4.1.1 Beschreibung der Röntgenuntersuchung 300 4.1.1.1 Röntgenuntersuchung in der Instrumentenkunde und speziell am MfM 302 4.1.1.2 Vergleich unterschiedlicher Röntgentechniken bei der Anwendung für instrumentenkundliche Untersuchungen 304 4.1.2 Bestand an Röntgenbildern und Röntgendokumentationen am Leipziger Museum 308 4.1.2.1 Analoge Röntgenbilder auf Filmen 308 4.1.2.2 Digitale Röntgenbilder 308 4.1.2.3. Röntgendokumentationen in Abfotografien, Zeichnungen und in Schriftform 309 4.1.3 Möglichkeiten der Röntgenuntersuchung an Beispielen 312 4.1.3.1 Grundsätzliches zur Interpretation von Röntgenbildern 312 4.1.3.2 Messen an Röntgenbildern 317 4.1.3.3 Konstruktion und Technologie 318 4.1.3.4 Reparatur und Umbau 321 4.1.3.5 Material und Bildvorlage für die Dendrochronologie 324 4.1.4 Bewertung des Röntgens 325 4.2 Computertomografie 326 4.2.1 Beschreibung und Techniken der Computertomografie 326 4.2.2 Bestand an computertomografischen Untersuchungen am Leipziger Museum 328 4.2.3 Möglichkeiten computertomografischer Untersuchungen an Beispielen 330 4.2.3.1 Möglichkeiten der Darstellung und Auswertung 332 4.2.3.2 Auflösungsgenauigkeiten und Vermessungen 333 4.2.3.3 Bild- und Messfehler 335 4.2.3.4 Beurteilen von Konstruktion und Materialverbindungen 338 4.2.3.5 Beurteilen von Materialien 340 4.2.4 Bewertung radiologischer Untersuchungen und Ausblick 342 5 SKIZZEN UND TECHNISCHE ZEICHNUNGEN – ZUSAMMENFÜHRENDE DOKUMENTATIONEN 344 5.1 Allgemeine Betrachtungen zu Skizzen und technischen Zeichnungen 344 5.2 Skizzen als Arbeits- und Dokumentationshilfe am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 345 5.3 Geschichte und Bestand von technischen Zeichnungen am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 350 5.3.1 Informationsgehalt der Technischen Zeichnungen 353 5.4 Zusammenfassende Bewertung von Skizzen und Zeichnungen 355 6 KLANGERLEBEN UND KLANGDOKUMENTATION 357 6.1 Zum Bestand der Klangdokumentationen 357 6.2 Die Geige als Objekt akustischer Forschungen im 20. Jahrhundert 358 6.3 Wörtliche Klangbewertungen in den Erwerbsunterlagen 361 6.4 Anspielproben 1997 – analytische Hörtests mit Worturteil 363 6.4.1 Ablauf, Möglichkeiten und Aussagewert der Tondokumentationen von 1997 364 6.5 Physikalisch-akustische Untersuchungen 371 6.5.1 Ergebnisse der akustischen Messungen und deren Bewertung 372 6.6. Zur Geschichte von Klangerleben, Klangforschung und Klangdokumentation am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 373 6.7 Bestand an Klangdokumentationen von Geigeninstrumenten des Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 378 6.7.1 Abwägung einer Tonaufnahme – Beispiel Violoncello piccolo MfM 918 381 6.7.2 Produzierte und auf Tonträger veröffentlichte Tonaufnahmen mit nachweisbarer Verwendung von Sammlungsinstrumenten bis 1990 382 6.7.3 Aufnahmen mit rekonstruierbarer Instrumentenzuweisung und möglicher Verwendung von Sammlungsinstrumenten 384 6.7.4 Aufnahmen ab 1999 386 6.7.4.1 Tonaufnahmen für CD und 3D-Raumklang-System im Projekt Entwurff einer wohlbestallten Music 386 6.7.4.2 Tonaufnahmen für CDs mit den Kopien der Freiberger Renaissancegeigen 390 6.8 Zusammenfassung 395 6.8.1 Auditive Klangdokumente; Klangbewertung nach musikalischem Erleben und analytischem Hören 395 6.8.2 Zur Notwendigkeit von Klangerleben und Klangbeschreibungen – am Beispiel der Geigen im Freiberger Dom 397 6.8.3 Akustische Messungen 398 6.8.4 Bewertung und Ausblick 398 ZUSAMMENFASSENDE SCHLUSSBETRACHTUNG UND AUSBLICK 401 LITERATUR 406 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 425 ERKLÄRUNG 426