DE2301800A1 - Verfahren zur erweiterung des schaerfentiefebereiches bei der optischen und elektronenmikroskopischen abbildung - Google Patents

Description

• Verfahren zur Erweiterung des Schärfentiefebereiches bei der optischen und

  elctrol?e: 'n

  Abbildung.
• Beschreibung der T'rfindung: Die Erfindung bezweckt die Erweiterung des Schärfentiefebereiches bei der Abbildung. Der Schärfentiefebereich #z errechnet sich bei der konventionellen Abbildung aus der geforderten auflösbaren Distanz #x zweier Objektpunkte nach (1) #z # ### wobei # die Weilenlänge der bei der Abbildung benutzten Strahlung ist. Soll die Auflösung verdoppelt, also AX halbiert werden, so folgt aus (1), daß der Tiefenbereich #z in dem die abbildung scharf ist, auf ein Viertel halbiert wird.
• Erfindnungsgemäß wird der Schärfentiefebereich über die durch (1) gegebene Grenze der konventionellen Abbildung hinaus wesentlich erweitert. Damit wird die Forderung nach hoher lateraler Auflösung und gleichzeitig hohem Scharfentiefebereich ertüllt. Dies ist allgemein bei de Abbildung mit hoher Apertur, speziell bei der mikroskopischen Abbildung von besonderem Interesse.
• Es ist bekannt, dz durch Abtastung des Objektes in Tiefenrichtung eine Erweiterusg des Schärfentiefebereiches erzielt werden kann [1], [2] . Dabei werden die verschiedenen Ebenen des Objektes periodisch durchfokussiert. Geschieht dies schnell genug, so überlagern sich die zeitlich nacheinander entstehenden Bilder: Der Beobachter erkennt Objekteinzelheiten in einem erweiterten Tiefenbereich.
• Das Integrieren der Intensität über verschiedene Objekt ebenen hat schwerwiegende Nachteile, die seine praktische Anwendung verhindern: Das int-egrlerte Bild besteht aus der Uberlagerung mehr oder weniger unscarfer Bilder, darunter auch während einer kurzen Zeitspanne ds scharfe Bild einer Objekteinzelheit.
• Die dem scharfen bild äberl gerten unscahrfen Bilder verringern die Qualität des so erzeugten Bildes. er Kontrast bei hohen Ortsfrequenzen wird niedrig, kleine Objekteinzelheiten werden nur unvollkommen wiedergegeben. Die Zusatzinformation über vorher nicht scharf wiedergegebene Objektebenen ist auf Kosten der vorher scharf abgebildeten Objekteinzelheiten gewonnen worden.
• Aufgabe der Erfindung ist die Erweiterung des Schärfentiefebereiches bei vernachlässigbarer Einbuße an Bildqualität.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zweistufenprozess gelöst: Das Verfahren geht von der Erkenntnis aus, daß ein von einem System mit geringer Qualität übertragenes Bild verbessert werden kann [3] , wenn a) der übertragungsprozes durch eine Gleichung nach beschrieben werden kann und wenn b) die Übertragungsfunktion D bekannt is+,. In (2) sind zur O' die Ortsfrequenzspektren des Objektes bzw. des Bildes.
• Das Objekt O läßt sich dann aus dem Bildspektrum mit durch Fouriertransformation auf optoschem Wege ermitteln [4].
• Da bei der Abbildung eines in der Tiefe ausgedehnten Objektes die Übertragungsfunktion für jede Objektebene eine andere ist [5] , läßt sich eine Rückverschärfung nach (3) hier zunächst nicht anwenden.
• Im ersten Schritt des zu potentierenden Verfahrens wird deshalb zunächst ein modifiziertes Bild des Objekten erzeugt, bei dem Einzelheiten jeder Objektebene. mit annähernd der gleichen Ubertragungsfunktion abgebildet werden.
• Nach Abb. 1 wird das Objekt mit der Tiefe 2#z symmetrisch zur Ebene der scharfen Abbildung us die Strecke 2z1 bewegt. Das Objet wird inkohärent beleuchtet und die Intensität in der Bild ebene integriert *), Wird zur Integration ein. linearer Empfänger benutzt, so läßt, *) Damit der Abbildungsmaßstab unabhängig von der lefokussierung wird, muß der Strahlengang objektseitig telezentrisch sein.
• Abb. 1: Prinzip der Integration durch Bewegung des Objektes entlang der optischen Achse.
• sich die Übertragungsfunktion dieses prozesses aus dem Integral über alle Übertragungsfunktionen abhängig von der Defokussierung errechnen: Für den Objektpunkt 2 (bezüglich der Tiefenausdenung des Objektes in der Kitte gelegen) eird die übertragungsfunktion des integrierten Bildes (N = Normierungsfaktor) Für den - bezüglich der Tiefe - Randpunkt 1 wird die Übertragungsfunktion wenn keine Aberrationen vorliegen, gilt für den anderen Randpunkt 3 D2 = D3. Es genügt also, die Übertragungsfunktionen für die Objektpunkte 1 und 2 gleich (bzw, möglichst ähnlich) zu machen, damit Punkte aller Objektebene mit gleicher oder ähzlicher Übertragungsfunktion abgebildet werden. Offensichtlich wird dieses Ziel erreicht, wenn der Integrationsbereich # z1 sehr viel größer ist ls die Tiefenausdehnung ##z des Objektes.
• Um ein großes Signal-Rauschverhältnis zu erzielen,solite jedoch die Verschiebung in Richtung der optischen Achse möglichst klein bleiben. Die Rechnung [6] ergibt, daß die Differenz der Übertragungsfunktionen D1 und D2 vernsehlässigbar wird, wenn der Integrationsbereich etwa doppelt so groß wie die Objekttiefe ist. Dos ist erkennbar aus den Diagrammen der Abb. '::, b, c.
• hier ist die Übertragungsfunktion D1 für den Randpunkt bei verschedenen Objekttiefen #z über der normierten Ortzfrequenz S aufgetragen.
• Abb. 2 Übertragungsfunktion für den - bezöglich der Tiefe -Randpunkt des Objektes bei verschiedenen Objekttifen #α1 Der Integrationsbereich #α1 beträgt 10, 20 und 50 Optische Einheiten.
• Verschiebungen auf der optischen Achse werden in Optischen Einheiten angegeben; Die Größen z1 und #z werden durch Gleichung (6) mit α1 und #α verknüpft.
• (6) α = 1/2k#z#sin²u Dabei ist k=2#/# und sin u die Apartur das abbildenden Systems.
• 5 rrBer die objekttiefe relativ zun Integrationsbereich wird, desto ehr weicht de Übertragungsfunktion der Rand ebene von der der mittleren Cbjektebene (#α=0) ab. Die Abweichung ist jedoch, wie die Diagramme zeigen, zu vernachlössigen, wenn die Objekttiefe nicht wesentlich größer als der halbe Integrationsbereich wird: Es ist kein Unterschied zwischen der Abbildungsqualität verschiedener Objektebenen erkennbar.
• Damit ist das Ziel des ersten Schritten erreicht. Es wurde ein modifiziertes Bild des Objektes Hergestellt, wobei alle Objektebenen mit der gleichen Übertragungsfunktion abgebildet werden.
• Das wie beschrieben erzeugte inkohärent integrierte Bild wird im zweiten Schritt einer kohärenten Ortsfrequenzfilterung nach (3) unterworfen. Das Filter muße dem Kontrast bei hohen Ortsfrequenzen anheben, der durch den ersten Schritt nach Abb. 2 verringert wurde. Dies gelingt, wenn der Frequenzgang des Rückverschärfungsfilters proportional der reziproken Übertragungsfunktion 1/D1#1/D2 ist.Da die Übertragungsfunktion des integrierten Bildes vom Integrationsbereich abhängt, ist das Rückverschorfungsfilter auf den geforderten Schärfentiefebereich bzw. auf die Apertur des abbildenden Systems abzustimmen.
• Vorteile des Verfahrens: Mit der Erfindung ist eine Erwiterung des Schärfentiefebereiches bei lt prinzip nicht verringerter ^bbildungsqualitnt und auflösen möglich. Der Grad der über die konventionelle Abbildung vielfach*) hinausgehenden Erweiterung hängt wesentlich nur vom Rauschen des zur Integration verwendeten Speichermaterials ab.
• Das Rückverschärfungsfilter hat einen reellen Frequenzgsng ohne Fullstellen. Das ist ein entscheidender Vorteil für die praktische Anwendung: s ist it geringe Aufwand optisch oder elektronisch zu realisieren. Dazu gehört auch, daß das Filter bei höheren Ortsfrequenzen einen linear ansteigenden Frequenzgang hat.
• Da die Bedigung "Objekttiefe gleich halter Integrationsbereich" nicht genau eingehalten werden muß (s.Abb. 2), genügt für die praktische Anwendung ein Satz weniger Filter, um Objekte mit verschiedenen Tiefen zu verarbeiten.
• Literatur: [1]Deutsche Patentschrift iTr. 1029591 [2]H. C. King D. H. Berry, Appl. Opt. 10 (1971) 208 [3JA. Maréchal, 1. Croce, K. Dietzel, Opt. Acta 5 (1958) 256 [4]G. W. Dtroke, Opt. Spectra 11(1971) 31 [5]H. H. Hopkins, Proc. Roy. Soc. A231 (1955) 91 [6]G. Häusler, Opt. Comm. 6 (1972) 38 *)In Vorversuchen mit Hilfe photographischer Integration wurde eine 25-fache Erweiterung des Schärfentiefebereiches erzielt. Eine weitere Steigerung erscheint möglich.
• Für die praktische Durchführung werden folgende Methoden beschrieben: 1. Anwendung auf das Lichtmikrospkop im off-line Verfahren.
• Der erste Schritt, die beugung des integrierten Bildes, erfolgt durch zeitlich gleichmäßiges Durchfokussieren um eine Stercke etwa doppelt so groß wie die Objekttiefe symmetwisch zur Mittenebene des Objekts. \.hrend des Fokussierens etwa durch Notorantrieb des Feintriebes am Mikroskop, wird in der Zwischenbildebene eine Foto platte be lichtet Die Platte wird init γ= -2 umkehrenwickelt und im zweiten Schritt einer kohärenten Filterung unterworfen. In der Brennebene der Fouriertransformationslinse der Filteranordnung entsteht das Spektrum des integrierten Bildes. In diese Ebene wird ein Hochpaßfilter gebracht, dessen Amplitudenrtansparenz proportional (7) 1/D2 = 2α1s/Si(α1s(2-s)) (Si bedeutet Integralsinus) ist, wenn konstanter Kontrast für alle Ortsfrequenzen erzielt werden soll. Die Filtercharakterstik hängt von der Verschiebung α1 während der Aufnahme ab. Eine ausreichende Häherung ist ein frequenzlinerer Hochpaß, der zusätzlich einen Gleichanteil nach (7) durcüläßt.
• Soll durch die Filterung eine Übertragungsfunktion proportional zu 1 - s/2 erreicnt werden, so wird die Amplitudentransparenz des Filters pronortional (8) 1/D2 =α1s(2-s)/Si(α1s(2-s)) Die vorliegenden Ergebnisse sind wegen der geschlossenen Darstellungsmöglichkeit für eine quadratische Apertur angegeben. Sie unterscheiden sich von den numerischen Werten für die runde pupille nur unwesentlich.
• Das Filter kann etwa durch eine Photoplatte realisiert werden, die über eine rotierende Schablone so bclichtet wurde, daß die Amplitudentransparenz proportional zu (7) oder (8) wird.
• Phasenstörungen werden durch Immersion kommensiert.
• In der Ausgangsbildebene der Filteranordnung entsteht dann das gefilterte Bild mit gesteigertem Schärfentiefebereich.
• 2. Anwendung im Echtzeitverfahren.
• Für ein Echtzeitverfahren, bei dem die photographische Verarbeitung entfällt, wird das Präparat auf einem Objekttisch montiert, der in Richtung der optischen Achse eine Dreieckschwingung ausführt: Die Schwingungsweite ist gleich der doppelten Objekttiefe. Die Schwingung erfolgt symmetrisch zur Mittenebene des Objektes.
• Das integrierte Bild wird wird -nf der Kathode einer Fernsehaufnahmeröhre (z.B. Image-Orthikon) erzeugt, wenn die Schwingungsfrequenz des Objekttisches gleich der Abtasfrequenz der Kamera ist. Das Vieosignal enthält die Information über das integrierte Dild, Im zweiten Schritt wird das Videosignal einer passenden Hochpaßfilterung unterworfen. Der Frequenzgang des Filters wurde unter 1. beschrieben.
• Auf einer Monitor kann ein Bild des Objektes mit gesteigertem Schärfentiefebereich beobachtet werden.
• jei dieser Verfahren ist die Filterung nur in Zeilenrichtung vollständig. Konturen, die nicht senkrecht zur Zeilenrichtung verlaufen, werden umso unvollständiger gefiltert, je mehr sie in Zeilenrichtung verlaufen. Da für den Bildeindruck dieser Nachteil nicht schwer wiegt, kann aaf eine prinzipiell mögliche zweite Filterung senkrecht zur erste verzichtet werden.
• Der Vorteil des elektronischen Verfahrens besteht darin, daß der Frequenzgang des elektronischen Filters leicht zu verändern ist. Deshalb ist bei Objektivwechsel oder verändertem Schärfentiefebereich die Anpassung schnell möglich. Durch die Echtzeitverarbeitung kann das Filter auch nach dem besten visuellen Bildeindruck eingestellt werden.
• 3. Echtzeitverfahren mit phototropem Material Das Objekt wird mit Hilfe eines Schwingtisches nach 2.
• bewegt. Das integrierte Bild wird durch Ausbleichen eines vorher geschwärzten phototropen Materials in der Zwischenbildebene des Mikroskops erzeu:,t. Das Auslesen der Information und die Filterung erfolgt nach 1. durch kohärente Filterung bei einer Wellenlänge, die keine schwärzende oder bleichende Wirkung auf das phototrope Aufnahmematerial hat.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Vergrößerung des Schvirfcntiefebereiches über die durch die konventionelle Abbildung gegebene Grenze hinaus, dadurch gekennzeichnet dal' in einem ersten Scfiritt durch Überlagerung verschieden defokussierter Bilder zunächst ein modifiziertes Bild des Objektes erzeugt wird, bei den alle Objektebenen mit nahezu der gleichen Übertragungsfunktion abgebildet werden, und da in zweiten Schritt das so gewonnene Bild einer Hochpaßfilterung unterworfen wird, die den entstandenen Kontrastabfall bei hohe Ortsfrequenzen kompensiert.-

2. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet daß für die Überlagerung ein photographisches Aufnahmematerial verwendet wird und die Rückverschärfung durch kohrente otische Filterung erfolgt.

3, Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet daß die kohärente Filterung mit verschiedenen Filtern je n:ch der zu verarbeitenden Objekttiefe vorgenommen wird.

4. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet daß die uiberlagerung mit Hilfe einer Fernsehaufnahmeröhre erfolgt, während das Objekt uf einem Schwingtisch .mit sender Frequenz in Richtung der optischen Achse bewegt wird, und daß die Filterung in zweiten Schritt durch passende Filterung des Videosignals erreicht wird.

5. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet daß die Überlagerung mit Hilfe eines photochromen Speichermaterials erfolgt, welches im zweiten Schritt das Objekt der kohärenten optischen Filterung wird.

6.Verfahren nach 1-5, dadurch gekennzeichnet daß bei elektronenmikroskopischer Abbildung die Schärfentiefe vergrößert wird.

7. Verfahren nach 1-5 dadurch gekennzeichnet daß bei elektronenmikroskopischer Abbildung die Fokussierungstoleranz vergrößert wird.

8. Verfahren nach 1-5, dadurch gekennzeichnet daß die SchMentiefe bei Blasenkammeraufnahmen vergrößert wird.

9. Verfahren nach 1-5, dadurch gekennzeichnet daß die Schärfentiefe bei Röntgenschichtaufnahmen vcr>'-rößert wird.