DE2220140A1

DE2220140A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Länge von langgestreckten Bildpunkten mit einer im wesentlichen gemeinsamen Ausrichtung unter Verwendung der Zeilenabtastung

Info

Publication number: DE2220140A1
Application number: DE19722220140
Authority: DE
Inventors: Michael Richard Fulbourn Cambridgeshire Soames (Großbritannien)
Original assignee: Image Analysing Computers Ltd., Melbourn, Royston, Hertfordshire (Grossbritannien)
Priority date: 1971-04-28
Filing date: 1972-04-25
Publication date: 1972-11-09
Also published as: JPS4849490A; US3781467A; GB1391058A

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

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Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 19. April 1972 vA// Name d. Anm. Image Analysing

Computers Limited

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Länge von langgestreckten Bildpunkten mit einer im wesentlichen gemeinsamen Ausrichtung unter Verwendung der Zeilenabtastung

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Länge von langgestreckten Bildpunkten, welche eine im wesentlichen gemeinsame Ausrichtung aufweisen, wobei durch Zeilenabtastung ein Videosignal erhalten wird.

Unter Bildpunkt ist ein Teil oder Bereich in einem Blickfeld zu verstehen, welcher von seiner Umgebung visuell unterschieden werden kann.

Bisher war es üblich, die Bildpunkte parallel zur Richtung der Zeilenabtastung anzuordnen. Wenn der Lichtfleck längs einer Zeile abtastet, welche einen Bildpunkt kreuzt, wird sich die Amplitude des Videosignals plötzlich verändern, wenn der Lichtfleck den Bildpunkt kreuzt, und wird auf einem neuen Amplitudenniveau im wesentlichen konstant bleiben, während der Lichtfleck den Bildpunkt abtastet. Am anderen Ende des Bildpunktes kehrt das Amplitudenniveau auf jenes des Hintergrundes zurück, bis der nächste Bildpunkt gekreuzt wird. Die Amplitudenschwankungen des Videosignals, die sich auf die Bildpunkte beziehen, können erfaßt werden durch Vergleich der Videosignalamplitude mit einer Bezugsspannung, welche zwischen den Bildpunkt- und Hintergrundniveaus des Videosignals eingestellt ist, und durch Erzeugung von Impulsen, deren Dauer gleich der Dauer der Schwankungen ist, welche die Bezugsspannung überschreiten. Die Dauer jedes Impulses entspricht daher der Länge der Kreuzung einer Zeilenabtastung mit einem Bildpunkt. Die Impulse stellen ein erfaßtes Sig-

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nal dar.

Die größten Kreuzungen der Zeilenabtastung mit irgendeinem Bildpunkt können ausgewählt werden und die ausgewählten Impulse können nach ihrer Dauer der Größendiskriminierung unterworfen werden.

Außerdem sind verschiedene Stromkreise ausgebildet worden, um die erfaßten Signalimpulse zu vereinigen, die sich aus der Abtastung langgestreckter Bildpunkte ergeben, welche innerhalb eines gewählten Abstandes voneinander in der Richtung der Zeilenabtastung liegen, um für die beiden Bildpunkte einen einzigen erfaßten Signalimpuls zu erzeugen.

Dieses Verfahren der Messung der Länge von langgestreckten Bildpunkten wird nur genaue Ergebnisse liefern, wenn die Bildpunkte zu der Richtung der Zeilenabtastung genau parallel sind. Während dies überprüft und gewährleistet werden kann, wenn nur ein Feld zu untersuchen ist, kann es nicht gewährleistet werden, wenn eine große Zahl von Feldern einer einzigen Probe nacheinander und möglichst automatisch zu analysieren ist. Die tatsächliche Fläche einer Probe in dem Blickfeld eines Hochleistungsmikroskops stellt nur einen kleinen Prozentsatz der Gesamtfläche der Probe dar und für eine korrekte Analyse, zum Beispiel des Gehalts an Einschlüssen in einer Probe aus poliertem Stahl, müssen der größte Teil oder alle Felder der Probe analysiert und der Durchschnitt der Ergebnisse für viele Felder ermittelt werden. Es ist daher wichtig, daß das Verfahren der Größenbemessung der Bildpunkte nicht unter irgendwelchen Fehlern leidet, β die sich infolge der Nichtparallelität der Bildpunkte zu der Richtung der Zeilenabtastung ergeben können.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Ausbildung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Messen der länge von langgestreckten Bildpunkten, welche eine im wesentlichen gemeinsame Ausrichtung aufweisen (vie rum Beispiel bestimmte Einschluss

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ce in Proben aus poliertem Stahl), was eine große Toleranz (zum Beispiel - 10 ) in der Ausrichtung der Bildpunkte relativ zu der Richtung der Zeilenabtastung ermöglicht.

Ein Verfahren zum Analysieren langgestreckter paralleler Bildpunkte, welche eine im wesentlichen gemeinsame Ausrichtung in einem Feld aufweisen, das durch Zeilenabtastung untersucht wird, umfaßt gemäß der Erfindung die folgenden Schritte: eine solche Anordnung des Feldes, daß die Ausrichtung der Bildpunkte zu der Richtung der Zeilenabtastung im wesentlichen senkrecht steht, die Abtastung des Feldes und die Erzielung eines Videosignals, die Erfassung der Amplitudenschwankungen desselben, welche sich auf die Bildpunkte beziehen, die Erzeugung eines einzigen Zählimpulses für jeden erfaßten Signalimpuls und die Zählung der Zählimpulse, die sich aus der Abtastung jedes Bildpunktes in dem Feld ergeben.

Wenn sich in dem Blickfeld nur ein Bildpunkt befindet, ergeben sich die Kreuzungsimpulse der Zeilenabtastung während einer einsigen Feldabtastung aus dem einen Bildpunkt und die Höhe desselben ist daher gleich der Summe der Zählimpulse.

Wenn sich indem Feld zwei oder mehrere Bildpunkte befinden, können die erfaßten Signalimpulse für jeden Bildpunkt mittels eines Lichtschreibersystems isoliert werden.

Wenn die Geschwindigkeit von Wichtigkeit ist, kann ein zugehöriger Parameterrechner verwendet werden, wie in den britischen Patentschriften 1.264.804 und 1.264.805 beschrieben wird. Bei Verwendung dieser letzteren Anordnung wird die Längeninformation, die sich während einer Feldabtastung ergibt, und jedem Bildpunkt entspricht, mit demselben vereinigt und für den Bildpunkt zu einem einzigen Zeitpunkt freigegeben. Das Ausgangssignal besteht daher aus einer Reihe von Informationssignalen, von denen sich jedes auf die Länge ^ines besonderen Bildpunktes in

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dem Feld bezieht. Jedes Informationssignal kann dem Wert nach diskriminiert werden und ein Zählimpuls für den Bildpunkt kann beispielsweise nur erzeugt werden, wenn das Signal einen bestimmten Wert überschreitet. Auf diese Weise kann eine Gesamtzählung der Bildpunkte für das Feld erhalten werden, die der Anzahl der Bildpunkte in dem Feld entspricht, welche eine Länge aufweisen, die größer ist als ein bestimmter Wert.

Es ist nicht immer notwendig, die einzelnen Längen der Bildpunkte in einem Feld zu kennen, sondern nur ein Maß der Gesamtlänge aller in dem Feld vorhandenen Bildpunkte zu a haben. Eine 4. Durchschnittslänge der Bildpunkte kann erhalten werden, indem einfach der Wert der Gesamtlänge durch die Anzahl der Bildpunkte in dem Feld dividiert wird.

Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung kann ein Gesamtlängensignal erhalten werden, indem die sich während einer Feldabtastung ergebende vordere (oder hintere) Kante jedes erfaßten Signalimpulses differenziert wird und alle so erzeugten B differenzierten Impulse addiert werden. Die Gesamtzählung stellt dann die Gesamtlänge aller Bildpunkte in dem Feld dar.

Nachstehend werden einige beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in welcher zeigt:

Fig. 1 zwei langgestreckte Bildpunkte, die zu der Richtung der Zeilenabtastung parallel sind,

Fig. 2 in größerem Maßstab die Kreuzung eines geraden langgestreckten Bildpunktes durch Zeilenabtastungen, wobei der Bildpunkt zu der Richtung der Zeilenabtastung im wesentlichen parallel ist,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Kreuzungsimpulse der Zei-

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lenabtastung, die durch Erfassung der Amplitudenschwankungen des Videosignals aus den in Fig. 2 gezeigten sechs Zeilenabtastungen erhalten werden,

Fig. 4 einen S-förmigen Bildpunkt und einen geraden Bildpunkt, die zu der Richtung der Zeilenabtastung im wesentlichen senkrecht stehen, und

Fig. 5 ein Blockdiagramm, welches veranschaulicht, wie Zählimpulse erhalten werden, um Signale für die Gesamtlänge und die Durchschnittslänge von Bildpunkten in einem Feld abzuleiten.

Fig. 1 zeigt einen geraden langgestreckten Bildpunkt 10 und einen S-förmigen Bildpunkt 12, welGhe von einer Reihe paralleler Zeilenabtastungen 13 gekreuzt werden. Der Bildpunkt 10 ist zu der Richtung der Zeilenabtastung parallel und die Dauer des erfaßten Videosignalimpulses aus der Zeilenabtastung 13a ist daher ein genaues Maß seiner Länge. Selbst der längste Impuls / ν nicht

(auf der Zeilenabtastung 13b) vom Bildpunkt 12 wird jedoch/(auch nicht angenähert) die Gesamtlänge dieses Bildpunktes anzeigen.

Ein Videosignal aus der Zeilenabtastung 13 wird Amplitudenschwan kungen von einem Hintergrundniveau (wenn der abtastende Lichtfleck keinen Bildpunkt kreuzt) bis zu einem zweiten im wesentlichen konstanten Bildpunktniveau enthalten (wenn der Lichtfleck den Bildpunkt selbst abtastet). Die Erfassung der resultierenden Amplitudenschwankungen des Videosignals ergibt eine Reihe von elektrischen Impulsen, deren Dauer von der Länge der Bildpunkte oder Bildpunktsegmente abhängig ist, welche die ursprünglichen Amplitudenveränderungen in dem Videosignal erzeugen. Die resultierenden elektrischen Impulse können der Größe nach diskriminiert werden, indem alle jene vernachlässigt werden, die kleiner oder größer sind als eine bestimmte Dauer.

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Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen, wie sich Fehler ergeben können, wenn die Richtung der Zeilenabtastung zu der Längsrichtung eines geraden Bildpunktes nicht genau parallel ist. Fig. 2 veranschaulicht, wie ein Bildpunkt 14, der zu der Richtung der Zeilenabtastung genigt ist, durch sechs aufeinanderfolgende Zeilenabtastungen gekreuzt wird. Fig. 3 veranschaulicht die erfaßten Signalimpulse, die durch Erfassen des Videosignals aus diesen sechs Zeilenabtastungen erhalten werden. Es ist ersichtlich, daß kein einziger erfaßter Impuls« irgendeine Beziehung zu der Gesamtlänge des Bildpunktes 14 hat. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Zeilenabtastungen den Bildpunkt unter einem spitzen Winkel kreuzen und dadurch den Bildpunkt in sechs getrennte Teile schneiden. Wenn die sich aus den sechs dargestellten Zeilenabtastungen ergebenden Impulse einer Größendiskriminierung unterworfen werden, und wenn das Diskriminierungsniveau so eingestellt ist, daß Impulse angenommen werden, die gleich oder größer als beispielsweise 50 % der Länge des Bildpunktes 14 sind, ist ersichtlich, daß keiner der Impulse aus den sechs dargestellten Zeilenabtastungen zum Ausgang gelangen wird. Der die Impulse erzeugende Bildpunkt 14 sollte jedoch gezählt werden, da derselbe das Größenkriterium erfüllt.

Fig. 4 veranschaulicht das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip. Wenn das Feld so eingestellt ist, daß die Bildpunkte zu der Richtung der Zeilenabtastung im wesentlichen senkrecht stehen, werden sich wenige oder keine Fehler ergeben, wenn die Bildpunkte auf der Basis der Anzahl der Zeilenabtastungen bemessen werden, welche dieselben kreuzen.

Zu diesem Zweck ist wieder ein einziger Bildpunkt 16 dargestellt und zu neun aufeinanderfolgenden Zeilenabtastungen in einem Feld in Beziehung gebracht. Der Bildpunkt ist relativ zu der Richtung der Zeilenabtastung zu der Senkrechten etwas geneigt und wird daher nur von den Zeilenabtastungen 2 bis 8 gekreuzt. Die Höhe des Bildpunktes wird infolgedessen sieben Abständen der Zeilen-

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abtastungen gleichgesetzt. Wenn der Bildpunkt 16 so eingestellt wäre, daß derselbe zu der Richtung der Zeilenabtastungen genau senkrecht stünde, dann würde derselbe von den Zeilenabtastungen 1 bis 8 gekreuzt, wie durch die unterbrochene Umrißlinie 18 gezeigt ist. Die tatsächliche Länge des Bildpunktes 16 ist daher gleich acht Abständen der Zeilenabtastungen.

Daraus ergibt sich, daß der Fehler in der Messung derLänge des Bildpunktes 16 auf diese Weise einen Abstand von acht Abständen der Zeilenabtastungen ausmacht. Wenn eine große Zahl von Zeilenabtastungen pro Feld verwendet und sichergestellt wird, daß ein typischer Bildpunkt von nicht weniger als etwa zehn dieser Zeilenabtastungen gekreuzt wird, dann kann der Größenbemessungsfehler auf etwa 10 % verringert werden.

In Fig. 4 ist auch ein S-förmiger Bildpunkt 19 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Länge 1 dieses Bildpunktes, die durch Zählung der Anzahl der kreuzenden Zeilenabtastungen (das heißt der Anzahl der erfaßten Signalimpulse) erhalten wird, seiner ursprünglichen Länge viel näher kommt, als die Dauer des Impulses auf der Zeilenabtastung 13b aus einem ähnlichen Bildpunkt 12, der waagerecht liegt.

Wenn die Gesamtlänge und die Durchschnittslänge für eine Anzahl von Bildpunkten erforderlich ist, kann dieselbe aus der in Fig. 5 dargestellten Stromkreisanordnung erhalten werden.

In Fig. 5 werden die erfaßten Signalimpulse dem Knotenpunkt A zugeführt, der den Eingang zu einer Differenzierungsstufe 20 bildet. Da die Differenzierungsstufe wahllos einen Impuls für irgendeine plötzliche Amplitudenveränderung erzeugt, ist eine Diode 22 vorgesehen, um entweder negative oder positive Impulse zu eliminieren. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die negativen Impulse eliminiert, die sich aus den hinteren Kanten der erfaßten Signalimpulse ergeben. Die übrigen Impulse werden einem Zählwerk 24 zugeführt, welches für eine einzige FeId-

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abtastung in Tätigkeit gesetzt wird.

Während, der gleichen Abtastung wird einem zweiten Zählwerk 26 ein Zählimpuls für jeden Bildpunkt in dem Feld zugeführt. Beispielsweise kann ein Zählimpulse erzeugender Stromkreis verwendet werden, wie in der britischen Patentschrift 1.264.807 beschrieben wird.

Am Ende der Feldabtastung gibt das Ausgangssignal N des Zählwerks 24 die Gesamtlänge in dem Feld an. Wenn die Gesamtlänge durch das Ausgangssignal η des Zählwerks 26 dividiert wird, stellt der Quotient Q die Durchschnittslänge der Bildpunkte in dem Feld.;ar.

Wenn eine für jeden Bildpunkt spezifische Längeninformation benötigt wird, ist ein zugehöriger Parameterrechner erforderlich (wie in der britischen Patentschrift 1.264.805 beschrieben wird), durch welchen die differenzierten Zählimpulse für jeden erfaßten Signalimpuls jedes Bildpunktes zueinander in Beziehung gesetzt werden, um am Ende der Abtastung jedes Bildpunktes ein Längenmessungssignal zu erzeugen. Auf diese Weise kann jeder Bildpunkt getrennt bemessen und eine genauere und detailliertere Analyse der Länge der Bildpunkte in dem Feld erhalten werden.

Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Analyse von Proben aus poliertem Stahl. Nichtmetallische Einschlüsse in einer solchen Probe erscheinen je nach dem Material grau oder schwarz, wenn dieselben unter auffallendem Licht in einem Mikroskop betrachtet werden. Außerdem verändert sich die Form der Einschlüsse in Abhängigkeit von dem besonderen Material. Bestimmte Oxideinschlüsse erscheinen als lange Stränge von getrennten Liniensegmenten. Alle sogenannten Stringer weisen eine ähnliche Ausrichtung auf, so daß sie im allgemeinen parallel sind. Bei Anwendung eines Formfaktorkriteriums auf die Zeilenabtastungsinformation aus einem Feld, das parallele Stringer und andere Oxideinschlüsse enthält, welche keine langgestreckten Li-

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nieiisegmente sind, können erfaßte Signalimpulse, die sich aus Stringersegmenten ergeben, von jenen unterschieden werden, die sich aus Nichtstringersegmenten ergeben. Gemäß der Erfindung wird die fO Probe so eingestellt, daß die parallelen Stringer zu der Richtung der Zeilenabtastung senkrecht stehen. Infolge-' dessen wird der Vorteil der Erfindung erzielt, das heißt eine geringe Nichtparallelität der Stringer,oder eine, ungenaue Einstellung der Probe erzeugt nur sehr kleine Fehler in den Längenmessungen.

Patentansprüche

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Claims

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 19. April 1972 vA// Nam» d. Anm. linage Analysing

Computers Limited

PATENTANSPRÜCHE

Iy Verfahren zum Analysieren eines Feldes mit parallelen langgestreckten Bildpunkten, welches die folgenden Schritte umfaßt: die Abtastung des Feldes in einer Reihe von parallelen, in gleichem Abstand liegenden Zeilen, um ein Videosignal desselben zu erzeugen, die Erfassung der Amplitudenschwankungen des Videosignals, welche den Kreuzungen der Zeilenabtastung mit den Bildpunkten entsprechen, die Erzeugung erfaßter Signalimpülse aus den erfaßten Amplitudenschwankungen und die Ausführung von Messungen an den erfaßten Signalimpulsen, gekennzeichnet durch eine solche Einstellung des Feldes, daß die Bildpunkte zu den Zeilenabtastungen senkrecht stehen, und durch die Zählung der Anzahl der erfaßten Signalimpulse.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der erfaßten Bildpunkte gezählt wird und daß die Anzahl der erfaßten Signalimpulse durch die Anzahl der Bildpunkte dividiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Signalimpulse, die sich auf einen Bildpunkt in dem Feld beziehen, mittels eines Lichtsehreibers isoliert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die erfaßten Signalimpulse differenziert werden, daß entweder die differenzierten Impulse der vorderen Kante oder die differenzierten Impulse der hinteren Kante durch einen Gleichrichter-Stromkreis eliminiert werden, und daß die übrigen differenzierten Impulse gezählt werden.

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