DE2312978B2 - Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von bilderzeugenden optischen Systemen - Google Patents
Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von bilderzeugenden optischen SystemenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von bilderzeugenden optischen
Systemen, wie z. B. in Mikroskopen, wobei bei verschiedenen Einstellungen die einzelnen Bildelementen
zugehörigen Grauwerio gemessen werden.
Es sind automatische Fokussierungsvorrichtungen bekannt, mit denen der Abstand zwischen einem
Gegenstand und den Linsen des optischen Systems gemessen und daran anschließend die Einstellung des
Systems auf der Grundlage des gemessenen Abstandes berichtigt wird. Zu diesem Zweck hat man mehrere
komplizierte Vorrichtungen entwickelt, die beispielsweise auf optische lnterferenzlaser-Abstandsmessungen
u. dgl. gegründet waren. Alle diese Vorrichtungen leiden jedoch beim Mikroskopieren an dem Nachteil,
daß der Abstand von den Oberflächen der Objektträger, d. h. den das Objekt deckenden Glasplatten, gemessen
wird. Es ist nicht möglich gewesen, den Abstand von dem eigentlichen Gegenstand zu messen.
Aus der DT-OS 20 08 390 sind Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von
Mikroskopen bekannt, bei denen mit fernsehtechnischen Mitteln eine Längen- oder Flächenmessung am
Bild eines ausgewählten Objektes durchgeführt und zugleich die Feinfokussierung des Mikroskops so lange
verstellt wird, bis das Meßsignal einen Minimalwert erreicht. Dabei wird eine feststehende Grenze des
Grauwertes vorgegeben und zwischen zwei Grauwerten ohne Gewichtsfunktion unterschieden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung
von bilderzeugenden optischen Systemen anzugeben, die aufgrund einer genauen Auswertung des
Bildes entsprechend dessen Grauwerten auch bei unterschiedlichen Bildern eine Scharfeinstellung sicher
zu erzielen gestattet.
Dies wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
für eine Vielzahl (i) vorgegebener Grauwerte eine Gewichtsfunktion w(i) vorgesehen ist, die extremen
Grauwerten stärkeres Gewicht zumißt als mittleren, daß für jeden vorgegebenen Grauwert die Häufigkeit
ρ (i) der gemessenen Grauwerte bestimmt wird und daraus die Kontrastfunktion F = O w(i)ρ ft) (//'bestimmt
wird und daß zur fokussierten Einstellung des optischen Systems diejenige mit maximalem Wert der Kontrastfunktion
ausgewählt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung beruht dabei auf dem Grundgedanken, daß die Information eines Bildes eines Gegenstandes
maximal ist, wenn das optische System fokussiert ist. Informationstheoretisch kann man Kontrast, Farben
oder dergleichen als Information betrachten.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt dabei darin, daß das optische System
nicht ausschließlich mit sichtbarem Licht zu arbeiten
braucht. Elektromagnetische Strahlung in anderen Teilen des Spektrums, beispielsweise im Infrarotbereich,
kann angewandt werden. Die Erfindung kann auch im Zusammenhang mit einem Elektronenmikroskop mit
Strahlabtastung, einem Durchstrahlungselektronenmikroskop oder dergleichen Anwendung finden.
Im Zusammenhang mit einem sog. Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop
kann es vorkommen, daß der Kontrast im Fokus nicht maximal ist. Dieses Problem kann jedoch in der Weise gelöst werden, daß die
endgültige Einstellung des optischen Systems im Hinblick auf eine dem maximalen Kontrast in dem Bild
entsprechende Einstellung verschoben wird.
Ein besonderer Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt bei der gynäkologischen
Gesundheitskontrolle, bei der von einer großen Population Zellproben eingesammelt werden, die später
mikroskopisch analysiert werden. Diese Analyse wird gegenwärtig manuell ausgeführt und ist verhältnismäßig
zeitraubend, erfordert viel Untersuchungspersonal und ist daher teuer. Mit der vorliegenden Erfindung wird es
ermöglicht, die Mikroskopierung automatisch durchzuführen. Hierdurch kann die zur Analyse der eingesammelten
Zellenproben erforderliche Arbeit verringert werden, wodurch es möglich wird, derartige umfassende
Gesundheitsuntersuchungen häufiger durchzuführen.
Die Erfindung wird im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur automatischen Fokussierung entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
F i g. 2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Grauwertmeßvorrichtung, die in der Anordnung
gemäß F ig. 1 verwendet wird;
Fig.3 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform
der Grauwertmeßvorrichtung;
Fig.4 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur
Berechnung der Kontrastfunktion und einer Vorrichtung zur Darstellung des Maximalwertes der Kontrastfunktion
mit Hilfe eines Rechners und auf der Grundlage verschiedener Werte, die die Funktion bei
verschiedenen, nicht fokussierten Einstellungen des Mikroskops annimmt; .
Fi g. 5 zeigt verschiedene, während der zeilenweisen
Absuchung einer Zellenprobe erzeugte graphische Bilder.
Fig. 1 zeigt ein Mikroskop 1, das auf einen Gegenstand 2 fokussiert werden soll. Das Mikroskopbild
wird auf einen Bildumwandler, in diesem Fall eine Fernsehkamera 3, übertragen, die dazu dient, den
Grauwert einzelner Bildelemente des Mikroskopbildes zu bestimmen. Das Videosignal der Fernsehkamera
wird einer Grauwertmeßvorrichtung 4 zugeführt, die die Grauwerte der einzelnen Bildelemente mißt. In
diesem besonderen Fall ist die Grauwertmeßvorrichtung zum Messen von 16 verschiedenen Grauniveaus
ausgebildet, die zusammen eine Grauskala bilden, die sich von völlig weiß bis völlig schwarz erstreckt. Das
Videosignal, das die Information bezüglich des Grauwertes der Bildelemente enthält, ist ein ununterbrochenes
Analogsignal, was bedeutet, daß die Grauwertmeßvorrichtung dem aktuellen Grauwert eines Bildelementes
ein vorbestimmtes Grauniveau zuteilt. Die Grauwertmeßvorrichtung kann in dieser Hinsicht als
ein Analog/Digitalumwandler betrachtet werden. Jedes Grauniveau ist mit einem Register zusammengeordnet,
in dem die Anzahl der Bildelemente, die dieses Grauniveau haben oder ihm zugeteilt sind, gezählt wird.
Es ist zu beachten, daß die Anzahl der Register und damit auch die Anzahl der Grauniveaus in der
vorliegenden Grauskala ausgedehnt und auch begrenzt werdeii kann. Der Ausdruck »Bildelement« bedeutet
-, einen genau gemessenen Abstand des einer vorbestimmten
Linie entsprechenden Teils des Videosignals und der Grauwert dieses Bildelements ist der über
d'esen sorgfältig gemessenen Abstand gemessene Wert. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl
ίο Linien des Fernsehsystems 625. Jede Linie enthält 512
Bildelemente, was bedeutet, daß jedes Bild des Gegenstandes in 320 000 Bildelemente aufgelöst wird,
die alle im Hinblick auf das Grauniveau ausgewertet und klassifiziert werden. Je nach dem Gebiet, auf dem das
Mikroskop verwandt wird, kann diese Information beispielsweise erforderlich sein im Zusammenhang mit
der Analyse biologischer Zellen. Diese Informationsmenge ist jedoch mehr als ausreichend für den Zweck
der automatischen Fokussierung.
2(i Das Blockdiagramm gemäß F i g. 2 umfaßt eine
bekannte Grauwertmeßvorrichtung 4, mit deren Hilfe es möglich ist, die Anzahl der untersuchten Biidelemente
zu vermindern. Die Taktung des Videosignals geschieht mit Hilfe von Taktpulsen »»on einem
Taktpulsgenerator, der einen Teil einer Abtast- und Synchronisierungseinrichtung 10 bildet. In dieser speziellen
Ausführungsform bedient man sich der zeilenweise durchgeführten Abtastung. Während der Abtastung
der ersten 31 Zeilen des Videosignals geschieht
jo nichts. Während der Abtastung der Zeile 32 wird eine
Zeitspur des Videosignals durch einen Diskriminator 9 untersucht. Die Zeitspur hat eine vorbestimmte
»Breite«, beispielsweise die Breite eines Taktpulses, und liegt auch auf einem vorbestimmten Abstand von der
r> Kante des Bildes. Während dieser Zeitperioden mißt der Zeitdiskriminator 9 das Grauniveau, dem das Bildelement
zugehört, und das Bildelement wird gleichzeitig in dem diesem Grauniveau zugehörigen Register gezählt.
Wie vorher gesagt, beträgt die Anzahl der Grauniveaus 16, von völlig weiß bis völlig schwarz, und die Anzahl
der Register beträgt auch 16. Diese 16 Register bilden zusammen einen Zähler 11. Während der folgenden 31
Zeitspuren wird das Videosignal in der gleichen Weise geprüft, und nach dem Ende der Zeile 32 sind 64
Bildelemente gezählt und im Zähler 11 sortiert. Während der Zeilen 33, 34... 95 wird dieser Verlauf
wiederholt, und die Prüfung des Videosignals wird bei Beginn der Zeile % abgebrochen. Nach der Absuchung
enthält der Zähler 11 somit Bildinformation in bezug auf
so ein Quadratmuster von 64 χ 64 (= 4096) Bildelementen.
Mit Hilfe einer Vorrichtung 12 zum Abdecken des vorbestimmten Teils des Bildes ist es möglich, die
Anzahl der untersuchten Bildelemente einer Zeile und auch die Anzahl der untersuchten Zeilen des Fernsehbildes
zu ändern. Somit ist es möglich, jeden beliebigen Teil des mikroskopischen Bildes des Gegenstandes zu
untersuchen.
F i g. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Grauwertmeßvorrichtung. Das mikroskopische Bild
oder ein Teil davon wird in diesem Fall direkt in Grauwerte umgewandelt, die sich auf einzelne Bildelemente
beziehen. Zu diesem Zweck wird eine sogenannte Fotomatrix verwendet. Diese Matrix 13 ist beispielsweise
in 64 χ 64 Felder eingeteilt, die je eine lichtempfind-
b5 liehe Anordnung oder Fotodiode zur Erzeugung einer
dem vorliegenden Grauwert proportionalen Spannung enthalten. Eine Abtastvorrichtung 14 tastet die Matrix
gemäß einem vorbestimmten Muster ab. Die Spannung
von jeder lichtempfindlichen Anordnung in der Matrix wird mit Hilfe eines Analog-Digitalumwandlers 15
digital dargestellt, und die Grauwerte der abgetasteten Felder werden mit Hilfe eines Diskriminators 16
klassifiziert. Die Klassifizierung wird im Hinblick auf das Grauniveau in einer Grauskala von völlig weiß bis völlig
schwarz durchgeführt. Schließlich wird jedes abgetastete Bildelement in einem dem betreffenden Grauniveau
zugeteilten Register gezählt. Die Anzahl der Register entspricht der Anzahl der Grauniveaus in der
Grauskala. Die Register bilden zusammen einen Zähler 17. Die Einheiten 13—17 bilden zusammen eine
Grauwertmeßvorrichtung 4. Offenbar kann der Analog/ Digitalumwandler wegfallen, wenn der Zähler der
Analoglype zugehört, beispielsweise eine Anzahl Kondensatoren enthält. In diesem Fall entspricht die
Anzahl der Kondensatoren der Anzahl Grauniveaus in der Grauskala. Für jedes Bildelement, das einem
gewissen Grauniveau zugehört, wird eine Einheitsladung dem diesem Grauniveau entsprechenden Kondensator
zugeführt.
Auf der Grundlage der jetzt in der Grauwertmeßvorrichtung 4 vorkommenden Information ist es möglich zu
entscheiden, ob das Mikroskop fokussiert ist oder nicht. Wenn das Mikroskop nicht fokussiert ist, ist das
Fernsehbild verwischt, und als Folge davon sind eine große Anzahl Bildelemente über einige wenige Grauniveaus
um den Mittelwert der Grauskala herum verteilt. 1st dagegen das Bild fokussiert, nimmt die Streuung der
Bildelemente um den Mittelwert der Grauskala zu, da in jo diesem Fall das Bild völlig weiße und völlig schwarze
Stellen hat. Durch Untersuchung der Verteilung der Bildelemente bei verschiedenen Einstellungen des
optischen Systems ist es also möglich festzustellen, ob es fokussiert ist oder nicht.
Die Grenzwerte für einen Bereich der Grauskala, der einen vorbestimmten Anteil einzelner Bildelemente
enthält, sollen beispielsweise maximal weit voneinander liegen. Als Maß für die Verteilung der Bildelemente der
Grauskala kann folgende Funktion angewandt werden:
i = η
F = £w(
;= 1
(1)
/ der Grauwert in einer Grauskala ist,
η die Anzahl der Niveaus der Grauskala ist,
Ρ, die Anzahl der Bildelemente mit dem Grauwert / ist,
w(i) eine immer positive oder immer negative Gewichtsfunktion
ist, deren absoluter Wert die Eigenschaft hat, in dem Extremwert der Grauskala oder in dessen Nähe größer zu sein und kleiner bei
deren Mittelwert.
Für w(i) kann man die Funktion (i—M)2 oder 21'—
verwenden, wo
verwenden, wo
M =
(2)
55
i = I
Diese Funktion F kann man als Kontrast- oder Schärfefunktion bezeichnen, und sie stellt ein Maß des
Kontrastes des Bildes für verschiedene Einstellungen des optischen Systems dar. Der Wert dieser Funktion
für eine einzelne Einstellung des optischen Systems wird in einer elektrischen Schaltung 5 gebildet, die an die
Grauwertmeßvorrichtung 4 angeschlossen ist. (Vgl. Fig. 1 und 2.) In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die elektrische Schaltung im Hinblick auf folgende Funktion aufgebaut:
F = V [J-MfP1
i = ι
wobei M wie in Gleichung (2) definiert ist.
Durch Nachprüfung des Funktionswertes für verschiedene Einstellungen des optischen Systems ist es
möglich, eine der Fokussierung entsprechende Einstellung zu finden, d. h. eine Einstellung, die dem größten
Wert der Funktion entspricht. Dieses Aufsuchen des größten Funktionswertes wird mit einem elektrischen
Regelkreis 6 durchgeführt, der gemäß einem bekannten, zum Aufsuchen des Maximalwertes für die Funktion
geeigneten Algorithmus arbeitet. Das Aufsuchen des Maximalwertes kann beispielsweise auf einen Optimierungsprozeß
aufgebaut werden, demgemäß die Funktionswerte für verschiedene Einstellungen des optischen
Systems berechnet werden. Zu diesem Zweck ist der elektrische Regelkreis an einen Servo- oder Schriitmotor
7 angeschlossen, der die Fokussiereinheit 8 des Mikroskops gemäß den durch den Algorithmus
vorgeschriebenen Maßnahmen regelt. Das Aufsuchen des Maximalwertes für die Kontrastfunktion mit Hilfe
eines Algorithmus ist vorbekannt und jedem Sachverständigen auf diesem Gebiet geläufig, so daß eine
nähere Beschreibung nicht erforderlich ist. Der Fachmann auf dem Gebiet der numerischen Mathematik
weiß, daß es eine Menge verschiedener Verfahren zum Aufsuchen eines Extremwertes einer Funktion gibt.
Der elektrische Regelkreis 6 kann auch in der Form einer Programmvorrichtung ausgeführt sein, die einen
Algorithmus ausführt und einen Speicher enthält. Ein mikroprogrammiertes Zählwerk oder ein Analog-,
Digital- oder Hybridrechner, der gemäß dem genannten Algorithmus programmiert ist, kann gleichfalls angewendet
werden.
Sobald der elektrische Regelkreis, die Programmvorrichtung oder der Rechner den größten Wert der
Funktion festgestellt hat, wird ein diesem Wert entsprechendes Signal an den Servo- oder Schrittmotor
abgegeben, der dann die endgültige Einstellung des Mikroskops durchführt.
Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 oder F i g. 2 arbeitet in folgender Weise:
Wenn der Mikroskopierer eine Probe, beispielsweise eine Krebszellenprobe, vorbereitet und in das Mikroskop
eingeführt hat, betätigt er durch Eindrücken eines Knopfes den elektrischen Kreis 5, der die Berechnung
der Kontrastfunktion entsprechend der gegebenen Einstellung des Mikroskops einleitet. Der elektrische
Kreis 5 wartet 20 Millisekunden, bis das ganze Fernsehbild abgetastet ist, und berechnet danach die
Kontrastfunktion auf der Grundlage der in der Grauwertmeßvorrichtung 4 enthaltenen Information.
Nach Berechnung des Wertes der Funktion in dem elektrischen Kreis 5 geht die Steuerung auf den
elektrischen Regelkreis 6 über, der in einem Absuchverfahren mit Hilfe des Schrittmotors und wiederholter
Berechnungen der Kontrastfunktion die endgültige Einstellung ausfindig macht, die einem fokussierten Bild
entspricht. Danach erfolgen keine weiteren Einstellungen und alle Einheiten der Vorrichtung werden
nullgestelll, ehe die nächste Probe in das Mikroskop
eingesetzt wird.
Der Ausdruck »Grauskala«, der hier in der Beschreibung verwendet wird, bezieht sich auf eine Serie von
Grauniveaus, bei denen das Verhältnis zwischen den Grauwerten in benachbarten Grauniveaus von einem
Grauniveau zu dem nächsten variieren kann. Es ist z. B. möglich, daß in einer Grauskala mit 16 Niveaus dreizehn
Niveaus für Grauniveaus von dunkelgrau bis schwarz reserviert sind, während nur drei Grauniveaus für den
Rest der Grauniveaus von völlig weiß bis dunkelgrau reserviert sind.
Es ist natürlich möglich, nur einen ausgewählten Abschnitt der Grauskala für Fokussierungszwecke zu
verwenden. In diesem Fall werden nur solche Bildelemente untersucht, die mit diesem Bereich in Beziehung
stehen.
In den oben beschriebenen zwei Ausführungsformen wurde der Grauwert des Bildelementes mit einem
geeigneten Grauniveau zusammengestellt. Im Falle der Behandlung eines Analogsignals, beispielsweise eines
Videosignals ohne digitale Darstellung, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen, kann die Kontrastfunktion
wie folgt geschrieben werden:
= Jw(i)p(i)di
/,„.,,) die Grauniveaugrenzen sind, innerhalb deren
die Bildelemente kontinuierlich Werte annehmen können,
ein Grauniveau in der Grauskala ist,
die Häufigkeitsverteilung der gewählten Bildelemente mit dem Grauwert / ist, während
wie oben definiert ist.
die Häufigkeitsverteilung der gewählten Bildelemente mit dem Grauwert / ist, während
wie oben definiert ist.
Ein Mikroskop wurde auf ein Bild fokussiert, das eine kleine Anzahl von Gegenständen mit niederer Dichte
enthielt. Das Mikroskopbild wies für den Betrachter ein klares und unzweideutiges Schärfemaximum auf. Der
Bildumwandler, eine Fernsehkamera mit einer Plumbiconröhre, hatte eine Grauskala mit 16 verschiedenen
Grauniveaus. Ein Teil des Bildes wurde genau untersucht, wobei 512 χ 625 Bildelemenle verwendet
wurden und jedes im Hinblick auf seinen Grauwert analysiert wurde. Die Grauwerte wurden zur Berechnung
der nachstehenden Kontrastfunktion verwendet.
ι.»
i = 16
F = Σ (ι-Μ)2Ρ(·νν0 -M=
1 = 1
ί= 16
Die nachstehende Tabelle zeigt, daß die Kontrastfunktion ein Maximum erreicht, wenn das Bild im Fokus
ist. Die Schärfecinslellungen sind in Hundertstel einer Umdrehung des Einstellungsrades des Mikroskops
angegeben.
Die kleinste Drehung, die eine mit dem bloßen Auge erkennbare Schärfevariation ergibt, beträgt etwa 2—3
Hundertstel einer Umdrehung. Der (subjektive) Eindruck des Betrachters betreffend »bester Schärfe« wird
durch die Einstellung von »0« angegeben. In dieser Berechnung wurde
I= 16
Σ ρ,
i = 1
auf 1 normiert, was natürlich keinen Einfluß auf die Lage des Maximus der Funktion hat.
Einstellung | Funktionswert |
-IO | 0,319 |
- 5 | 0,421 |
- 3 | 0,491 |
0 | 0,533 |
+ 3 | 0,527 |
+ 5 | 0,465 |
+ 10 | 0,348 |
+ 40 | 0,155 |
+ 45 | 0,139 |
+ 50 | 0,124 |
Resultat: Die maximale Schärfe der Einstellung 0 ist 2ri sehr genau bestimmt. Die Einstellungen 40, 45 und 50
zeigen, daß es möglich ist, die Richtung des Wachsens der Kontrastfunktion zu bestimmen, auch wenn der
Abstand von Fokus groß ist und das Einstellrad über einen kleinen Winkel gedreht wird.
Die gleiche Vorrichtung wie im Beispiel 1 wurde verwendet. Das Bild enthielt jedoch mehrere Gegenstände
mit höherer Dichte. Für den Betrachter war ein fokussiertes Bild weniger bestimmt, da die Ausdehnung
der Gegenstände in der Tiefenrichtung vergleichsweise groß war. Der Eindruck des Betrachters bezüglich der
»besten« Schärfe erstreckte sich über einen weiteren Bereich der Skala des Mikroskops in Abhängigkeit von
4n der Lage der Fokusebene. Die Einstellung 0 gibt die
Auffassung des Betrachters bezüglich der besten »durchschnittlichen« Schärfe an.
Einstellung | Funklionswcrl |
- 10 | 1,699 |
C | 1,815 |
0 | 2,013 |
+ 5 | 2,011 |
+ 10 | 1,895 |
+ 20 | 1,679 |
+ 40 | 1,347 |
+ 80 | 0,791 |
+ U)O | 0,422 |
Resultat: Da das Bild mehrere und dichtere Gegenstände umfaßt, werden die Funktionswerte
bedeutend größer als im Beispiel 1. Die maximale Schärfe ist weniger genau bestimmt und eine automatische
Arbeitsweise der Anordnung würde das Einstellrad des Mikroskops auf einen Punkt zwischen 0 und +5
einstellen. Dies ist völlig zufriedenstellend. In diesem Fall wäre es möglich, die Kontrastfunktion über einen
kleinen Teil des Bildes zu berechnen mit dem Ergebnis einer solchen Einstellung, daß die in diesem Teil des
Bildes liegenden Gegenstände im Fokus liegen.
Die Gewichtsfunktion von w(i)\n der Gleichung (1) ist
so gewählt, daß w(k) = 1 für den Grauwert k in der Grauskala der größte in dem Bild vorkommende
Grauwert ist, und daß w(i) = 0 für alle übrigen der Grauwerte i... k. Das bedeutet, daß w(i)= w(i;P„ P2...
Pn). Somit ist die Kontrastfunktion F gleich der Anzahl
der Bildelemente, die das dunkelste, in dem Bild vorkommende Grauniveau haben. Das Einstellrad des
Mikroskops wurde mit der Hand auf der Grundlage der Funktionswerte für verschiedene Mikroskopeinstellungen
verdreht. Zunächst wurde das dunkelste in dem Bild vorkommende Grauniveau festgestellt. Darauf wurde
das Einstellrad in der Richtung gedreht, in der die Anzahl der Bildelemente in diesem Grauniveau zunahm.
Hierbei kam es vor, daß ein Bildelement auftrat, das einem noch dunkleren Grauniveau zugehört. Der
Betrachter ging darauf dazu über, die Anzahl der Bildpunkte in diesem noch dunkleren Grauniveau zu
maximieren. Das Einstellrad wurde die ganze Zeit in der Richtung gedreht, die zu einer Erhöhung dieser Anzahl
führte. Die Einstellung, die der maximalen Anzahl Bildelemente im dunkelsten Grauniveau entsprach, war
gleichbedeutend mit einem fokussierten Bild, wie durch Betrachtung des mikroskopischen Bilds bestätigt
werden konnte. Die Einstellung war völlig zufriedenstellend und konnte durch Nachstellung nicht verbessert
werden.
Resultat: Diese in hohem Grad vereinfachte Funktion ist bedeutend mehr abhängig von der Art des Bildes als
·> die in den Beispielen 1 und 2 angewandte Funktion. Für
gewisse Arten von Bildern, z. B. weiße Flächen auf dunklem Hintergrund, würde dieses einfache Verfahren
wahrscheinlich zu falschen Ergebnissen führen. Es ist jedoch möglich, den Kontrast mit Hilfe von einzelnen
Bildelementen in oder unmittelbar bei wenigstens einem der beiden Extremwerte der Grauskala auszudrücken.
F i g. 5 verdeutlicht das Vorstehende unter Verwendung einer Fernsehanlage. Drei Zellen liegen auf einem
Glas. Das Elektronenbündel tastet entlang der X-Achse
r> ab (5a). Das entsprechende Videosignal ist darüber
angegeben (5b). In (5c)\st die Verteilung pftjder entlang
der -Y-Achse auftretenden Grauwerte gezeigt. Ganz links werden zwei Beispiele der Gewichtsfunktion w(i,
p) gezeigt (5d), nämlich die in Beispiel 1 (ausgezogene Linie) bzw. Beispiel 3 (gestrichelte Linie) gezeigten.
In gewissen optischen Systemen kann es vorkommen, daß ein gewisser Grad von Unscharfe im Hinblick auf
höchste Bildqualität erwünscht ist. In diesem Fall ist es möglich, das optische System gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren zu fokussieren. Danach wird das System defokussiert.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von bilderzeugenden, optischen Systemen, wie z. B. -.
in Mikroskopen, wobei bei verschiedenen Einstellungen die einzelnen Bildelementen zugehörigen
Grauwerte gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Vielzahl (i)
vorgegebener Grauwerte eine Gewichtsfunktion w hi (i) vorgesehen ist, die extremen Grauwerten
stärkeres Gewicht zumißt als mittleren, daß für jeden vorgegebenen Grauwert die Häufigkeit ρ (i)
der gemessenen Grauwerte bestimmt wird und daraus die Kontrastfunktion F= δ w(i) ρ (i) di r>
bestimmt wird und daß zur fokussierten Einstellung des optischen Systems diejenige mit maximalem
Wert der Kontrastfunktion ausgewählt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kontrast definiert wird durch die Anzahl gewählter Bildelemente, deren Grauwerte
bei oder in der Nähe von wenigstens einem Extremwert einer Grauskala liegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen eines Bereiches der 2%
Grauskala, in dem ein vorbestimmter Anteil gewählter Bildelemente liegt, auf maximalem Abstand
voneinander liegen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsfunktion einen stufenför- j<
> migen Verlauf aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß w (i) während der Einstellung
variiert,d. h. w(i= w)i;p\,ρι,ρι...pn)bzw. w(i)— W
(i, p). )5
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß w., = c(wobei cbeispielsweise gleich 1
ist) für Bildelemente, die wenigstens einem Extrembereich der Grauskala zugehören, der — bei einer
speziellen Einstellung des optischen Systems — wenigstens eine vorbestimmte Anzahl Bildelemente
enthält, und W(,= c/(wo dbeispielsweise 0 ist) für die
übrigen Bereiche der Grauskala.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung mit Hilfe eines 4r>
vorbekannten Algorithmus ausgeführt ist, der sich für die Berechnung des Extremwertes der verwendeten
Funktion /'eignet, mit Hilfe einer Optimierung, die auf die verschiedenen Kontrastwerte für die
verschiedenen Einstellungen des Systems gegründet v)
ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Schaltung
einem Analog-, Digital- oder Hybridrechner zugeführt werden, der gemäß dem Algorithmus program- v>
miert ist zur Durchführung der Einstellung des Systems entsprechend dem Extremwert der Funktion.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des elektrischen mi
Regelkreises oder des Programmkreises oder des Rechners einem Schritt- oder Servomotor zugeführt
werden, der die Fokussierungseinheit des optischen Systems antreibt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch μ gekennzeichnet, daß als Bildumwandler eine Fernsehkamera
vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß als Bildumwandler eine Matrix von Fotodioden vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach
Ermittlung der exakten Scharfeinstellung des optischen Systems der Regelkreis bewußt eine davon
abweichende Einstellung vornimmt.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE7203481A SE373214B (de) | 1972-03-17 | 1972-03-17 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2312978A1 DE2312978A1 (de) | 1973-10-04 |
DE2312978B2 true DE2312978B2 (de) | 1978-06-15 |
DE2312978C3 DE2312978C3 (de) | 1979-02-08 |
Family
ID=20262223
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2312978A Expired DE2312978C3 (de) | 1972-03-17 | 1973-03-15 | Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von bilderzeugenden optischen Systemen |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US3932733A (de) |
JP (1) | JPS5338926B2 (de) |
AT (1) | AT352442B (de) |
CH (1) | CH567731A5 (de) |
DE (1) | DE2312978C3 (de) |
FR (1) | FR2176816B1 (de) |
GB (1) | GB1420648A (de) |
SE (1) | SE373214B (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2518746A1 (de) * | 1974-04-29 | 1975-11-13 | Geometric Data Corp | Automatisches fokussiersystem |
EP0121708A2 (de) * | 1983-03-12 | 1984-10-17 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zum automatischen Fokussieren |
EP0122406A2 (de) * | 1983-03-12 | 1984-10-24 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zum automatischen Fokussieren |
Families Citing this family (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2560134C2 (de) * | 1974-04-01 | 1985-10-10 | Canon K.K., Tokyo | Vorrichtung zur Ermittlung des Abbildungszustands eines Bildes |
US4047187A (en) | 1974-04-01 | 1977-09-06 | Canon Kabushiki Kaisha | System for exposure measurement and/or focus detection by means of image senser |
DE2436528C2 (de) * | 1974-07-29 | 1982-11-25 | Ernst Leitz Wetzlar Gmbh, 6330 Wetzlar | Elektro-optische Scharfstelleinrichtung |
JPS5158333A (ja) * | 1974-11-18 | 1976-05-21 | Canon Kk | Jidoshotenchosetsusochi |
JPS5331151A (en) * | 1976-09-03 | 1978-03-24 | Hitachi Ltd | Automatic focusing device for microscope |
US4202037A (en) * | 1977-04-22 | 1980-05-06 | Der Loos Hendrik Van | Computer microscope apparatus and method for superimposing an electronically-produced image from the computer memory upon the image in the microscope's field of view |
DE2910875C2 (de) * | 1979-03-20 | 1985-11-14 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe | Verfahren zur automatischen Scharfeinstellung |
US4295200A (en) * | 1979-11-02 | 1981-10-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Automatic particle analyzing system |
US4360885A (en) * | 1980-01-02 | 1982-11-23 | Edgar Albert D | Micro-optical tomography |
JPS56132315A (en) * | 1980-03-19 | 1981-10-16 | Fuji Photo Film Co Ltd | Automatic focusing method |
GB2195214B (en) * | 1980-12-10 | 1988-10-26 | Emi Ltd | Automatic focussing system for an optical system |
US4468694A (en) * | 1980-12-30 | 1984-08-28 | International Business Machines Corporation | Apparatus and method for remote displaying and sensing of information using shadow parallax |
JPS58123064A (ja) * | 1982-01-14 | 1983-07-22 | 三菱電機株式会社 | 自動車用空気調和装置 |
US4449084A (en) * | 1981-12-28 | 1984-05-15 | University Of Pittsburgh | Positioning servo-mechanism or tachometer employing self-scanning light sensing array |
EP0124241B1 (de) * | 1983-03-29 | 1988-11-02 | Olympus Optical Co., Ltd. | Mit einer automatischen Fokussiereinrichtung ausgestattetes Mikroskop |
JPS60121407A (ja) * | 1983-11-09 | 1985-06-28 | Shinetsu Eng Kk | 焦点合せ方法 |
EP0152504B1 (de) * | 1984-02-22 | 1987-11-04 | Ibm Deutschland Gmbh | Farbtuch-Korrektureinrichtung für Drucker |
US5040228A (en) * | 1989-08-28 | 1991-08-13 | At&T Bell Laboratories | Method and apparatus for automatically focusing an image-acquisition device |
JP2904841B2 (ja) * | 1990-01-22 | 1999-06-14 | 株式会社リコー | 自動合焦装置 |
US5338924A (en) * | 1992-08-11 | 1994-08-16 | Lasa Industries, Inc. | Apparatus and method for automatic focusing of light using a fringe plate |
JP3058781B2 (ja) * | 1993-07-30 | 2000-07-04 | 松下電器産業株式会社 | 合焦点位置検出方法 |
AU6351096A (en) * | 1995-07-19 | 1997-02-18 | Morphometrix Technologies Inc. | Automatic focus system |
US6115111A (en) * | 1998-10-05 | 2000-09-05 | Korah; John K. | Semiconductor laser based sensing device |
SE518836C2 (sv) * | 1999-05-25 | 2002-11-26 | Flir Systems Ab | Anordning och förfarande för ett infrarött bildanalyserande autofokus |
US7598996B2 (en) | 2004-11-16 | 2009-10-06 | Aptina Imaging Corporation | System and method for focusing a digital camera |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3450833A (en) * | 1966-01-14 | 1969-06-17 | Itek Corp | Automatic focusing system for a flying-spot scanner |
GB1325439A (en) * | 1969-11-05 | 1973-08-01 | Image Analysing Computers Ltd | Focusing |
CH518562A (de) * | 1970-02-24 | 1972-01-31 | Zeiss Carl Fa | Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen |
US3699251A (en) * | 1971-09-27 | 1972-10-17 | Us Navy | Automatic optical probe focus apparatus |
-
1972
- 1972-03-17 SE SE7203481A patent/SE373214B/xx unknown
-
1973
- 1973-03-14 GB GB1227273A patent/GB1420648A/en not_active Expired
- 1973-03-15 DE DE2312978A patent/DE2312978C3/de not_active Expired
- 1973-03-16 AT AT237873A patent/AT352442B/de not_active IP Right Cessation
- 1973-03-16 FR FR7309548A patent/FR2176816B1/fr not_active Expired
- 1973-03-16 CH CH390873A patent/CH567731A5/xx not_active IP Right Cessation
- 1973-03-17 JP JP3134773A patent/JPS5338926B2/ja not_active Expired
- 1973-03-19 US US05/342,426 patent/US3932733A/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2518746A1 (de) * | 1974-04-29 | 1975-11-13 | Geometric Data Corp | Automatisches fokussiersystem |
EP0121708A2 (de) * | 1983-03-12 | 1984-10-17 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zum automatischen Fokussieren |
EP0122406A2 (de) * | 1983-03-12 | 1984-10-24 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zum automatischen Fokussieren |
EP0122406A3 (de) * | 1983-03-12 | 1987-01-14 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zum automatischen Fokussieren |
EP0121708A3 (de) * | 1983-03-12 | 1987-01-14 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zum automatischen Fokussieren |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE373214B (de) | 1975-01-27 |
JPS496938A (de) | 1974-01-22 |
FR2176816A1 (de) | 1973-11-02 |
FR2176816B1 (de) | 1977-02-04 |
ATA237873A (de) | 1979-02-15 |
GB1420648A (en) | 1976-01-07 |
AT352442B (de) | 1979-09-25 |
JPS5338926B2 (de) | 1978-10-18 |
CH567731A5 (de) | 1975-10-15 |
DE2312978C3 (de) | 1979-02-08 |
US3932733A (en) | 1976-01-13 |
DE2312978A1 (de) | 1973-10-04 |
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