DE19745270C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im LupenbereichInfo
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Description
Bei der bildlichen Darstellung von Gegenständen unterscheidet man zwischen
den Bereichen der Makrodarstellung bei Abbildungsmaßstäben von kleiner oder
gleich 1 : 1, der Lupenvergrößerung im Bereich von 1 : 1 bis 10 : 1 und der
mikroskopischen Darstellung, die mit Abbildungsmaßstäben ab 10 : 1 aufwärts
arbeitet. Während in der Mikroskopie die automatische Bemaßung von Bildern
sowohl in der Mikrofotografie als auch insbesondere bei der Verwendung
computergestützter Methoden üblich und weit verbreitet ist, fehlen im Bereich der
Lupenvergrößerung solche Einrichtungen bisher.
In der DE 44 39 557 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein vom
Bildsensor beobachtetes Retikel den Bezugsmaßstab verkörpert. Es dient zur
Erzeugung von definierten Referenzbildern bei verschiedenen optischen
Vergrößerungen. Die im Computer gespeicherten Referenzbilder dienen im
Betrieb der interaktiven Einstellung von definierten Kameravergrößerungen.
Dabei werden gespeichertes und aktuelles Abbild des Retikels durch visuelle
Beobachtung auf einem Bildschirm zur Deckung gebracht, was schließlich die
Wiederherstellung einer zuvor definierten Vergrößerung unter anderem im
Lupenbereich ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem auf einfache und preiswerte Weise,
ohne daß eine Maßstabsverkörperung oder eine interaktive Ermittlung
beziehungsweise Einstellung des Maßstabs nötig wird. Seit einigen Jahren
werden auf dem Markt Videokameramodule angeboten, die den im
Konsumbereich weit verbreiteten tragbaren Geräten in ihrem Aufbau sehr ähnlich
sind, darüber hinaus aber auch als OEM-Einheiten mit integrierter Schnittstelle
für den Anschluß eines Computers erhältlich sind (z. B. SONY EVI-331 und EVI-
371). Ein solches Modul enthält Motoren zur fernbedienten Einstellung von
Linsen, einer Blende und anderer Komponenten über die Schnittstelle von einem
Computer aus. Ferner sind auch Sensoren eingebaut, welche die aktuellen
Positionen der genannten Komponenten fortlaufend messen.
Über entsprechende elektronische Schaltungen werden diese Meßwerte in
Zahlenwerte umgesetzt und können ebenfalls über die Schnittstelle von einem
Computer abgerufen und weiterverarbeitet werden.
Durch Verwendung einer geeigneten Vorsatzoptik und Schaffung einer
geeigneten Computersoftware, welche die genannte Schnittstelle der
elektronischen Kamera nutzt ergibt sich eine Einrichtung, die als "Digitale Lupe"
bezeichnet werden könnte. Diese Einrichtung wird im Folgenden beschrieben.
Dabei zeigt
Fig. 1 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
elektronischen Kamerasystems.
In der Darstellung der Fig. 1 enthält das Kameramodul (1) ein Zoomobjektiv,
das üblicherweise aus Linsengruppen (2, 3, 5) und einer verstellbaren Blende (4)
besteht. Seine Brennweite f läßt sich in einem weiten Bereich zwischen f1 und f2
verändern, wobei f1 zu f2 typisch wie 1 : 12 verhält. Dieses Zoomobjektiv entwirft
ein reelles optisches Zwischenbild auf der aktiven Fläche eines Bildsensors (6).
Das Bild wird in der üblichen Weise in ein elektrisches Signal verwandelt und
über einen Monitor sichtbar gemacht oder durch eine Digitalisierungseinrichtung
in binäre Daten umgewandelt. Eine Schnittstellenelektronik (7) wird mit einem
Computer (8) verbunden und erlaubt dadurch die Verstellung des Zoomfaktors
über einen Motor (9), die Feinfokussierung für die Nah-Fern-Einstellung über
einen Motor (11) und die Steuerung der Blende über einen Motor (13), wobei alle
Motoren auf Elemente des Zoomobjektivs wirken. Weiterhin sind mit den
genannten Komponenten des Zoomobjektivs Sensoren verbunden, die der
Schnittstellenelektronik erlauben, die aktuelle Einstellung der genannten
Komponenten festzustellen. Insbesondere gilt dies für einen Sensor, der die
Zoomstellung des Objektivs (10) erfaßt, einen weiteren für die Stellung der
Feinfokussierung (12) und einen für die Stellung der Blende (14).
Dem beschriebenen Kamerasystem wird nun eine Vorsatzoptik (15) positiver
Brennweite F vorgesetzt, die als Nahlinse wirkt. Bei der Grundeinstellung des
Zoomobjektivs des Kameramoduls auf "unendlich" werden durch das so
geschaffene Gesamtsystem diejenigen Objekte auf dem Bildsensor (6) scharf
abgebildet, die in der Brennebene (16) der Vorsatzoptik (15) liegen. Der
Abbildungsmaßstab d/D des Objekts (16) auf dem Bildsensor (6) kann in guter
Näherung durch das Verhältnis der aktuell eingestellten Brennweite des
Zoomobjektivs f zur festen Brennweite F der Vorsatzoptik beschrieben werden.
Bei der Wahl der Brennweite der Vorsatzoptik wird zunächst der Formatfaktor A
bestimmt, der zwischen dem auf dem Bildsensor liegenden Bild und dem
Druckformat oder Bildschirmformat des Bildes gilt. Ist dieser Faktor bekannt, so
wird die Brennweite der Vorsatzoptik so berechnet, daß der optische
Abbildungsfaktor f/F multipliziert mit dem Formatfaktor A für die kürzeste
einstellbare Zoombrennweite einen Wert unter 1 und für die längste einstellbare
Zoombrennweite über 10 aufweist. In der Folge sind beim Verstellen des
Zoomobjektivs alle Gesamtvergrößerungen V im Bereich der üblichen
Lupenvergrößerung zwischen 1× und 10× stufenlos einstellbar.
Eine geeignete Software ermittelt über die Schnittstelle jeweils den aktuellen
Wert der Brennweite f des Zoomobjektivs und berechnet daraus die aktuelle
Gesamtvergrößerung V = A.f/F. Dies bereitet zunächst Schwierigkeiten, da die
für die Zoompositionen zurückgemeldeten Zahlenwerte sich zwar stetig mit der
aktuellen Zoomposition des Objektivs verändern und auch eindeutig sind, in der
Praxis aber keinen linearen oder anderen einfachen mathematischen
Zusammenhang mit dem Wert der aktuellen Brennweite f aufweisen. Deshalb
wurde eine Methode entwickelt, die zunächst empirisch eine hinreichend große
Zahl von Festfaktoren durch Abbilden eines Lineals als Objekt ermittelt, wobei die
Feinfokussierung des Zoomobjektiv zunächst auf "unendlich" eingestellt wird. Die
so ermittelten Festfaktoren werden als Stützpunkte für die Beschreibung der
unbekannten Kurvenform benutzt. Dabei werden dort besonders viele
Stützpunkte festgelegt, wo die Kurve eine starke Krümmung aufweist, so daß
schließlich durch lineare Interpolation zwischen den Stützpunkten jedem
Zahlenwert der Positionsrückmeldung mit hinreichend großer Genauigkeit durch
Berechnung innerhalb der Software eine aktuelle Brennweite f des Zoomobjektivs
zugeordnet werden kann.
Diese Methode hat den weiteren Vorteil, daß Festfaktoren von Normreihen wie
1 : 1, 2 : 1, 5 : 1 und 10 : 1 direkt und genau eingestellt werden können, da sie den
Interpolationsstützpunkten fest zugeordnet werden.
Aus der ermittelten Gesamtvergrößerung V kann innerhalb der Software nun ein
Maßstabstrich definiert werden, der dem angezeigten oder ausgedruckten Bild
überlagert werden kann. Es werden auch interaktive Messungen im digitalisierten
oder mit einem Grafikoverlag versehenen Bild auf einem Monitor ermöglicht.
Diese Methode gilt zunächst nur für ebene Objekte deren Oberfläche mit der
Brennebene der Vorsatzoptik (16) zusammenfällt. Liegen Objekte aber näher an
der Kamera, also innerhalb der Brennweite F der Vorsatzoptik, so können sie
innerhalb bestimmter Grenzen durch entsprechendes Verstellen eines Teils des
Linsensystems (5) auch scharf auf den Bildsensor abgebildet werden. Allerdings
wird ihr Bild mit kürzer werdenden Abstand zur Kamera größer, so daß die oben
beschriebene Ermittlung der Gesamtvergrößerung immer ungenauer wird. In
diesem Fall kann eine Korrektur in der Berechnung erfolgen, indem zusätzlich die
Position der für die Feinfokussierung zuständigen Linsengruppe (5) über den
Sensor (12) und die Schnittstelle vom Computer abgefragt und analog zu dem
schon beschriebenen Verfahren numerisch ausgewertet wird.
Schließlich läßt sich, wie aus der Fotografie und Mikroskopie bekannt, die im
Zoomobjektiv vorhandene Blende als Aperturblende nutzen, dergestalt, daß beim
Schließen der Blende die Schärfentiefe zu- und das optische Auflösungs
vermögen abnimmt und beim Öffnen der Blende das Gegenteil der Fall ist.
Damit lassen sich nichtebene Objekte in ihrer räumlichen Tiefe besser erfassen.
Die genannte Kamera samt fest montierter Vorsatzoptik wird in bekannter Weise
zum Beispiel an einem Reprostativ befestigt an dem auch Leuchten für die
Ausleuchtung der Proben Platz finden.
Die DE 43 34 389 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Objekt
nachführung bei automatischen Zoombetrieb einer Videokamera, die es erlaubt,
den Blickwinkel, unter dem ein Objekt dem Sensor erscheint konstant zu halten,
wenn dieses Objekt sich auf die Kamera zu oder von dieser hinweg bewegt. Dies
wird durch eine koordinierte gleichzeitige Verstellung der für Zoomfaktor und
Fokuslage zuständigen Linsengruppen unter Zuhilfenahme eines
Autofokussystems erreicht. Zum Zweck der Positionierung der Linsengruppen
werden im System Kurvenscharen abgelegt und während des Betriebes
ausgewertet. Die erfindungsgemäße Einrichtung hingegen hat nicht zum Ziel, den
Blickwinkel unter dem das Objekt erscheint konstant zu halten, sondern zu jedem
aktuellen Blickwinkel, der starken Veränderungen unterworfen ist, den
zugehörigen Abbildungsmaßstab zu ermitteln und sichtbar zu machen. Auch
werden keine Kurvenscharen in Form von Daten gespeichert, sondern nur eine
vergleichsweise geringe Menge von Zahlen, die als Stützpunkte für eine einfache
und somit sehr schnelle lineare Interpolation von Zahlenwerten dienen.
In der US 5,416,519 schließlich wird der Abbildungsbereich einer gegebenen
Zoomoptik dadurch erweitert, daß sowohl eine zusätzliche Frontlinsengruppe als
auch der Bildsensor in Richtung der optischen Achse verfahren werden können.
Alternativ können auch zwei separate Linsengruppen innerhalb eines
Zoomsystems und der Bildsensor unabhängig voneinander verfahren werden.
Hierdurch erweitert sich der Einsatzbereich der Zoomoptik sowohl im Tele- als
auch im Nahbereich. Das Ermitteln eines definierten Abbildungsmaßstabes ist im
Gegensatz zur erfindungsgemäßen Vorrichtung hierbei nicht von Interesse. Es
soll vielmehr das zeitaufwendige Auf- und Absetzen einer üblicherweise auch
noch unhandlichen Vorsatzoptik durch Erweiterung des optischen
Arbeitsbereiches eines abgeschlossenen Systems vermieden werden.
Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wenn nicht nur die Kamera vom stets vorhandenen Computernetzteil
mit Strom versorgt wird, sondern auch die Leuchten für die Probenbeleuchtung,
insbesondere, wenn diese unter Softwarekontrolle einzeln oder zusammen ein- und
ausgeschaltet und/oder der für ihren Betrieb notwendige Lampenstrom unter
Softwarekontrolle vom Computer aus gesteuert werden können.
Eine vollständige Integration aller Komponenten wird erreicht, wenn die
genannte(n) Leuchte(n) als Einbauleuchte(n) (17) zusammen mit der Kamera (1)
in einem einzigen Gehäuse eingebaut werden.
Claims (5)
1. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter
Vergrößerung im Lupenbereich,
bestehend aus einer elektronischen Kamera (1) mit einem Zoomobjektiv
(2, 3, 4, 5) dessen Brennweite f von einem Computer (8) aus durch die
Übergabe von Steuerwerten über eine Schnittstelle (7) motorisch
eingestellt werden kann, dessen Komponenten für die Feinfokussierung
(5) und dessen Blende (4) in gleicher Weise über eine Schnittstelle (7)
von einem Computer (8) aus mittels Motoren (11, 13) einstellbar sind,
wobei die jeweils aktuellen Einstellungen der genannten Komponenten
mittels Sensoren (10, 12, 14) über eine Schnittstelle (7) an den Computer
(8) als Zahlenwerte zurückgegeben werden können und einer im
Computer wirksamen Software, die über die genannte Schnittstelle (7) auf
diese elektronische Kamera einwirkt und die von ihr zurückgegebenen
Daten auswertet, wobei dem Zoomsystem der genannten elektronischen
Kamera ein Linsensystem (15) mit der Brennweite F als Nahlinse
vorgesetzt wird, dessen Brennebene zur Objektebene des resultierenden
gesamten optischen Systems wird, so daß bei einer Fokussierung des
Zoomsystems auf unendlich weit entfernte Objekte die in der Brennebene
des vorgesetzten Linsensystems liegenden Objekte auf den Bildsensor (6)
der elektronischen Kamera scharf abgebildet werden, wobei für die
automatische Scharfstellung des Objektes im Bild wahlweise auch ein in
die Kamera integriertes Autofokussystem verwendet werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - das vorgesetzte Linsensystem (15) vorzugsweise aus mindestens zwei Einzellinsen besteht, die zusammen ein korrigiertes Linsensystem positiver Brennweite bilden
- - nach dem Auslesen der aktuell eingestellten Brennweite f der Zoomoptik über die Computerschnittstelle aus dieser aktuellen Brennweite f und der festen Brennweite F des vorgesetzten Linsensystems durch die Software das mathematische Verhältnis berechnet und daraus die auf der Sensorfläche (6) wirksame Gesamtvergrößerung für in der Brennebene (16) des vorgesetzten Linsensystems liegende Objekte bestimmt wird
- - die so gewonnene wirksame Gesamtvergrößerung der Software zur Berechnung der in einem dargestellten oder ausgedruckten Bild wirksamen Vergrößerung und der Anzeige von Objektabmessungen in diesem Bild dient, dabei insbesondere zur Erzeugung eines Maßstabstriches verwendet wird, der zusammen mit dem Bild sichtbar gemacht wird,
- - die aktuell eingestellte Feinfokussierung des Zoomsystems über eine Schnittstelle in den Computer ausgelesen und von der Software dafür verwendet wird, über eine geeignete Rechenvorschrift für die wirksame Gesamtvergrößerung Korrekturwerte zu errechnen, und damit eine Bestimmung der wirksamen Vergrößerung auch für Objekte zu ermöglichen, die nicht in der Brennebene, aber innerhalb der Brennweite F des vorgesetzten Linsensystems liegen und deren Bilder auf der Bildsensorfläche eine stärkere Vergrößerung aufweisen als die Objekte, die genau in der Brennebene des vorgesetzten Linsensystems liegen,
- - für die Einstellung von definierten Vergrößerungsfaktoren empirisch ermittelte Steuerwerte für die Einstellung der Brennweite f des Zoomsystem im Computer gespeichert und über die motorische Steuerung des Zoomobjektivs zur Einstellung von festen Werten der Brennweite f des Zoomsystems verwendet werden können, wodurch normgerechte Wertefolgen wie 1 : 1, 2 : 1, 5 : 1 und 10 : 1 für Festfaktoren bei der wirksamen Vergrößerung ermöglicht werden,
- - für die Bestimmung der wirksamen Vergrößerung aus den aktuellen Werten für die Zoombrennweite f und der aktuellen Position der Feinfokussierung des Zoomobjektivs empirisch ermittelte Tabellenwerte und/oder Näherungsformeln verwendet werden, insbesondere, indem für diese Berechnungen die empirisch festgelegten Festfaktoren der wirksamen Vergrößerung als mathematische Stützpunkte dienen, zwischen denen durch die Software in geeigneter Weise interpoliert wird
- - erst nach hinreichend genauer Einstellung der Optik durch ein Autofokussystem die Daten für die Berechnung der wirksamen Vergrößerung in der oben beschriebenen Weise mit Hilfe der Software ermittelt werden,
- - die motorische Blende (4) der elektronischen Kamera zur gezielten Einstellung der wirksamen Tiefenschärfe des Bildes mittels einer Ansteuerung durch geeignete Software verwendet wird.
2. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von
Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung des Kamerasystems
aus dem Netzteil des Computers erfolgt.
3. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von
Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach einem der
Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur
Objektbeleuchtung erforderlichen elektrischen Leuchten (17) ebenfalls aus
dem Netzteil des Computers gespeist werden.
4. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von
Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom für diese aus
dem Netzteil des Computers gespeisten Leuchten (17) unter
Softwarekontrolle ein- und ausgeschaltet oder geregelt wird.
5. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von
Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur
Objektbeleuchtung erforderlichen elektrischen Leuchten (17) zusammen
mit dem Kamerasystem (1) in einem einzigen Gehäuse vereinigt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19745270A DE19745270C1 (de) | 1997-10-15 | 1997-10-15 | Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19745270A DE19745270C1 (de) | 1997-10-15 | 1997-10-15 | Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19745270C1 true DE19745270C1 (de) | 1999-02-25 |
Family
ID=7845456
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19745270A Expired - Fee Related DE19745270C1 (de) | 1997-10-15 | 1997-10-15 | Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19745270C1 (de) |
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- 1997-10-15 DE DE19745270A patent/DE19745270C1/de not_active Expired - Fee Related
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