DE2312978C3

DE2312978C3 - Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von bilderzeugenden optischen Systemen

Info

Publication number: DE2312978C3
Application number: DE2312978A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.- Ing. Blomster; Nils Dipl.-Ing. Buss; Bengt Olsen; Lucien Ph.Dr. Zuerich Preuss (Schweiz); Bjoern Stenkvist
Original assignee: BLOMSTER JENS; PREUSS LUCIEN ZUERICH (SCHWEIZ); UPPSALA DATACENTRAL UPPSALA (SCHWEDEN)
Current assignee: BLOMSTER JENS; PREUSS LUCIEN ZUERICH (SCHWEIZ); UPPSALA DATACENTRAL UPPSALA (SCHWEDEN)
Priority date: 1972-03-17
Filing date: 1973-03-15
Publication date: 1979-02-08
Also published as: AT352442B; FR2176816B1; JPS496938A; CH567731A5; DE2312978B2; US3932733A; GB1420648A; DE2312978A1; ATA237873A; SE373214B; FR2176816A1; JPS5338926B2

Description

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß W₁ = c (wobei c beispielsweise 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 w₆=c/(wo d beispielsweise 0 ist) für die übrigen Bereiche der Grauskala.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung mit Hilfe eines 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 ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Schaltung einem Analog-, Digital- oder Hybridrechner zugeführt werden, der gemäß dem Algorithmus programmiert ist zur Durchführung der Einstellung des Systems entsprechend dem Extremwert der Funktion.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des elektrischen 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 gekennzeichnet, daß als Bildumwandler eine Fernsehkamera vorgesehen ist.

II. 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

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von bilderzeugenden optischen Systemen, wie z. B. in Mikroskopen, wobei bei

is verschiedenen Einstellungen die einzelnen Bildelementen zugehörigen Grauwerte 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 Interferenzlaser-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 08390 sind Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen bekannt, bei denen mit fernsehtechnischen Mitteln eine Längen- oder Flächenmessung am

j-, 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 p(i) der gemessenen Grauwerte bestimmt wird und daraus die Kontrastfunktion F = 6 w(i) ρ (i) dibzsumrcA wird und daß zur fokussieren 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 121 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 durchzufuhren.

Die Erfindung wird im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur automatischen Fokussierung entsprechend der vorlie- jo genden Erfindung;

F i g. 2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Grauwertmeßvorrichtung, die in der Anordnung gemäß F i g. 1 verwendet wird;

F i g. 3 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausfüh- j5 rungsform der Grauwertmeßvorrichtung;

F i g. 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; .

F i 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 _bb 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 werden 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 diesen sorgfältig gemessenen Abstand gemessene Wert In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl 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.

Das Blockdiagramm gemäß Fig.2 umfaßt eine bekannte Grauwertmeßvorrichtung 4, mit deren Hilfe es möglich ist, die Anzahl der untersuchten Bildelemente zu vermindern. Die Taktung des Videosignals geschieht mit Hilfe von Taktpulsen von 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 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 Taktpuises, und liegt auch auf einem vorbestimmten Abstand von der Kante des Bildes. Während dieser Zeitperioden mißt der Zeitdiskriminafor 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 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.

Fig.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 Bildelememe beziehen. Zu diesem Zweck wird elr.c sogenannte Fotomatrix verwendet. Diese Matrix 13 ist beispielsweise in 64 χ 64 Felder eingeteilt, die je eine lichtempfindliche 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 Arialog-Digitalumwandlers 15 digital dargestellt, und di? Grauwerte der abgetasteten Felder werden mit Hilfe eines Diskriminator 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 Gratiniveau 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 Analogtype 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 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 Graiiskala kann folgende Funktion angewandt werden:

i = η

F =Σ W

(D

/ der Grauwert in einer Grauskala ist,

η die Anzahl der Niveaus der Grauskala ist,

Pi 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)¹ oder 21'-"I verwenden, wo

I = Π

ΣΡ,-i

M=^

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 ar. die Grauwertmeßvorrichtung 4 angeschlossen ist. (Vgl. F i g. 1 und 2.) In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Schaltung im Hinblick auf folgende Funktion aufgebaut:

i = π

F = Σ (' - λ/)² Pi

i = I

ίο wobei Λ/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 Erößten Wert der Funktion entspricht. Dieses Aufsuchen des größten Funkt ions wertes 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 Schrittmotor 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:

so 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 fiber, der in einem Absuchverfahren mit Hflfe des Schrittmotors und wiederholter Berechnungen der Kontrastfunktion die endgültige

es Einstellung ausfindig macht, die einem fokussierten Bild entspricht Danach erfolgen keine weiteren Einstellungen und alle Einheiten der Vorrichtung werden nullgestellt ehe die nächste Probe in das Mikroskop

eingesetzt wird.

Dei Ausdruck »Grauskala«, der hier in der Beschreibung verwendet wird, bezieh! sich auf eine Serie von Grauniveaus, bei denen das Vcihältnis zwischen den Grauwerten in benachbarten Grauniveaus von einem Grauniveau zu dem nächsten variieren kann. Fs ist z. B. möglich, dall in einer Grauskala mit 16 Niveaus dreizehn Niveaus für Grauniveaus von dunkelgrau bis schwär/ reserviert sind, während nur drei Grauniveaus für den Rest der Grauniveaus von völlig weiß bis dunkelgrau reserviert sind.

Ils ist natürlich möglich, nur einen ausgewählten Abschnitt der Grauskala für Fokussicrungszweike /u verwenden. In diesem Γ-all 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)ili

(imir*: ima\) die Grauniveaugrenzen sind, innerhalb deren die Bildelemente kontinuierlich Werte annehmen können,

/ ein Grauniveau in der Grauskala ist,

p(i) die Häufigkeitsverteilung der gewählten

Bildelemenlc mi! dem Grauweri / ist, während

w(i) wie oben definier! ist.

Beispiel 1

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 Büdumwandler, eine Fernsehkamera mit einer Plumbiconröhre, hatte eine Grauskala mit 16 verschiedenen Grauniveaus. Ein Teil des Bildes wurde genau untersucht, wobei 512 χ 625 Bildelemente verwendet wurden und jedes im Hinblick auf seinen Grauwert analysiert wurde. Die Grauwerte wurden zur Berechnung der nachstehenden Kontrastfunktion verwendet.

I-16

i = 16
ΣΡ,-f

F =

M =

Die nachstehende Tabelle zeigt, daß die Kontrastfunktion ein Maximum erreicht wenn das Bild im Fokus ist. Die Schärfeeinstellungen sind in Hundertste] 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

ι = 16

Σ P₁

auf 1 normiert, was natürlich keinen Einfluß auf die Lage des Maximus der Funktion hat.

Finstcllunp	Funktionswert
-10	0,319
- 5	0,42!
- 3	0,491
0	0,533
H 3	0,527
+ 5	0,465
+ 10	0,348
+ 40	0.155
-i 45	0,139
+ 50	0,124

Resultat: Die maximale Schärfe der Einstellung 0 isi 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 Einsicllrad über einen kleinen Winkel gedreht wird.

Beispiel 2

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 der Lage der Fokusebene. Die Einstellung 0 gib! die Auffassung des Bclrachters bezüglich der besten »durchschnittlichen« Schärfe an.

55

liinslellung	Funktionswert
- 10	1,699
- 5	1,815
0	2.013
+ 5	2,011
+ 10	1,895
+ 20	1,679
+ 40	1,347
+ 80	0,791
+ 160	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.

Beispiel 3

Die Gewichtsfunktion von w(i) in 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 G rau werte i... k. Das bedeutet, daß w(i)= w(i; P„ P₂... P_n). 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 Bildelemer.te 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 auszudrucken.

F i g. 5 verdeutlicht das Vorstehende unter Verwendung einer Fernsehanlage. Drei Zellen liegen auf einem Glas. Das Elektronenbündel tastet entlang der X-Achse ab (5a/ Das entsprechende Videosignal ist darüber angegeben {5b). In (5c) ist die Verteilung p(i)dcr entlang der X-Achse auftretenden Grauwerte gezeigt. Ganz links werden zwei Beispiele der Gewichtsfunklion 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 eriindungsgemäßen Verfahren zu fokussieren. Danach wird das System defokussierL

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. 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 (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 (i) di bestimmt wird und daß zur fokussieren 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 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 stufenförmigen Verlauf aufweist
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß w (i) während der Einstellung variiert, d. h. w (i= w) i;Pu Pi, Pi ■ ■ ■ Pn) bzw. w(i)= W