DE2655525C3

DE2655525C3 - Verfahren zur Erweiterung des Schärfentiefebereiches fiber die durch die konventionelle Abbildung gegebene Grenze hinaus sowie Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2655525C3
Application number: DE2655525A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. 8520 Erlangen Haeusler
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1976-12-08
Filing date: 1976-12-08
Publication date: 1979-05-03
Also published as: JPS55140805A; US4141032A; JPS6223513B2; DE2655525A1; GB1577194A; DE2655525B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erweiterung des Schärfentiefebereiches bei der optischen Abbildung dreidimensionaler Objekte sowie eine Einrichtung zu dessen Durchführung.

Aus der deutschen Patentschrift 23 01 800 ist ein Verfahren zur Vergrößerung des Schärfentiefebereiches bekanntgeworden, bei welchem in einem ersten Schritt das abzubildende Objekt zeitlich gleichmäßig entlang der optischen Achse des Systems bewegt werden kann und durch Überlagerung verschieden defokussierter Bilder zunächst ein modifiziertes Bild des Objektes erzeugt wird, wobei es bei diesem Verfahren von Bedeutung ist, daß alle Schärfenebenen mit dem gleichen Gewicht bewertet werden. Beleuchtet man beispielsweise das Objekt zeitlich konstant, so muß man es auch gleichförmig bewegen, da andernfalls die verschiedenen Objektebenen mit unterschiedlicher Gewichtung zum integrierten Bild beitragen würden. In einem zweiten Schritt wird das so gewonnene Bild einer Hochpaßfilterung unterworfen, die zu einer Kompensation des entstandenen Kontrastabfalls bei hohen Ortsfrequenzen führt Die im ersten Schritt dieses bekannten Verfahrens vorzunehmende Integration kann auf einer Fotoplatte oder — wenn die Objektbewegung schnell genug ist — auf einem Vidikon erfolgen. Wird der Integrationsbereich größer als die Objekttiefe, so hat das integrierte Bild die Eigenschaft, daß alle Niveaulagen des Objektes mit nahezu der gleichen Kontrastübertragungsfunktion abgebildet werden, welehe bei höheren Ortsfrequenzen 5 etwa wie l/s abfällt Aus diesem Grunde kann das integrierte Bild, das bei hohen Ortsfrequenzen einen geringen Kontrast aufweist, in einem zweiten Schritt gemäß dem bekannten Verfahren rückgefiltert werden. Dabei ist es erforder-

r> lieh, daß die Charakteristik des verwendeten Filters einen im wesentlichen linear ansteigenden Frequenzgang mit einer Maxinialverstärkung V bei einer V-fachen Schärfentiefeerweiterung aufweist
Bei diesem Verfahren wird wegen des unvermeidlichen Rauschens beispielsweise bei der elektronischen Hochpaßfilterung eines Vidikon-Kamerasignals der Bereich der erzielbaren Schärfentiefeerweiterung in der praktischen Anwendung auf das 10- bis 15fache begrenzt wenngleich eine erzielbare 25fache Erweite-

2^r> rung angegeben ist Dieser Grenzwert wurde durch einen rein visuellen Qualitätsvergleich ermittelt Zwischenzeitlich durchgeführte genaue Rechnungen ergaben unter Berücksichtigung der Rauschspektren eine maximal 13fache Schärfentiefeerweiterung. Es ist

ίο weiterhin zu berücksichtigen, daß bei dem optischelektronischen Verfahren die Objektbewegung exakt in Richtung der optischen Achse des abbildenden Systems in schneller Folge ablaufen muß, was einen hohen gerätetechnischen Aufwand erforderlich macht

π Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für eine beliebige Erweiterung des Schärfentiefebereiches anzugeben, das außerdem einen kontinuierlichen Übergang vom Dunkelfeldbild zum Hellfeldbild gestattet

4Ii Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß beim Durchfokussieren eine Vielzahl von unterschiedlichen Niveaulagen zugeordneten Bildern eines Objektes erzeugt und in diesen Bildern durch Filterung mittels eines Filters mit im wesentlichen Hochpaß-Cha-

4ί rakteristik die unscharfen Details unterdrückt werden, daß durch Aufsummieren dieser gefilterten Signale ein vollständiges Bild des dreidimensionalen Objektes zusammengesetzt und das das jeweilige ungefilterte Bild dem gefilterten Bild zugemischt wird. Dabei kann die

ίο Filterung mittels eines Filters mit im wesentlichen linear ansteigendem Frequenzgang erfolgen. Mit Vorteil kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Zumischungsverhältnis variabel und frei wählbar gestaltet sein. Es ist weiterhin möglich, daß das Durchfokussieren

v> in definierten Teilschritten erfolgt, wobei es zweckmäßig sein kann, die aufeinanderfolgenden Teilschritte so zu wählen, daß sie gleich der konventionellen Tiefenschärfe sind. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung ist

bo dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufsummieren der gefilterten Bilder beispielsweise ein Vidikon-Speicher, ein Magnetplattenspeicher oder ein digitaler Speicher verwendet wird.

Die Hochpaß-Filterung der Teilbilder führt, im

Gegensatz zur Filterung des anfintegrierten Bildes beim bekannten Verfahren, zu bipolaren Signalen. Wird ein Speicher verwendet, der nur positive Signale speichern kann — beispielsweise eine Fotoplatte —, so müssen

diese bipolaren Signale entweder gleichgerichtet, oder durch Hinzufügen eines Untergrundes positiv gemacht werden. Die zuerst genannte Möglichkeit ist ein stark nichtlineares Verfahren und ergibt grundsätzlich andere Bilder als die zweite Variante.

Das fertige Bild mit gesteigerter Schärfentiefe ist die Summe verschiedener gefilterter Signale. Deshalb kann das Rauschen herausgemittelt werden; im Gegensatz zum bekannten Verfahren, wo nur ein anfintegriertes Bild gefiltert wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein prinzipielle Blockdiagramm-Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. eines Beispiels der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig.2a die graphische Darstellung eines hellen Objektpunktes auf dunklem Grund in einem Koordinatensystem,

Fig.2b die graphische Darstellung eines dunklen Objektpunktes auf hellem Grund in einem Koordinatensystem,

F i g. 3a den Intensitätsverlauf des integrierten Bildes des in F i g. 2a dargestellten hellen Objektpunktes,

F i g. 3b den Intensitätsverlauf des integrierten Bildes des in F i g. 2b dargestellten dunklen Objektpunktes,

F i g. 4 die Darstellung der gefilterten und integrierten Übertragungsfunktion für 32fache Schärfentiefeerweiterung,

F i g. 5a die Darstellung der prinzipiellen Verlaufs der integrierten Übertragungsfunktion,

F i g. 5b die Darstellung des prinzipiellen Verlaufs der gefilterten und integrierten Übertragungsfunktion,

F i g. 5c die Darstellung der Gesamt-Kontrastübertragungsfunktion aus der Aufsummierung der in den F i g. 5a und 5b dargestellten Funktionen (ohne Dunkelfeldcharakter),

F i g. 6a und 6b verschiedene Filtercharakteristiken.

In F i g. 1 wird der prinzipielle Verfahrensablauf anhand des Blockdiagramms näher erläutert Ein Objekt 1, dessen Details bezüglich der senkrecht stehenden optischen Achse 3 eines optischen Systems in unterschiedlichen Tiefenbereichen liegen, befindet sich auf einem Objekttisch 2, der mittels eines Motors M in Richtung der optischen Achse 3 verstellbar angeordnet ist. Die Translationsrichtung wird durch die Doppelpfeile 6 verdeutlicht Als abbildendes optisches System ist hier ein ein Objektiv 4 enthaltender Mikroskoptubus 5 dargestellt. Als beispielsweise Beleuchtungsanordnung ist gestrichelt eine aus einem Kondensor 10 sowie einer Lampe 11 bestehende Durchlichtbeleuchtungsanordnung angedeutet Selbstverständlich kann statt dessen beispielsweise auch eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung als Dunkelfeld- oder Hellfeldbeleuchtungseinrichtung usw. vorgesehen sein. Die vom Objektiv 1 ausgehenden Bildinformationen werden im dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Umlenkspiegel 7 einer Vidikon-Kamera TV zugeführt. Bei Einschalten des Motors M wird das Objekt 1 gleichmäßig durchfokussiert Das dabei anfallende Vidikon-Signal wird — nach Abtrennung der Synchronimpulse — einem Filter zugeführt und, beispielsweise jeweils nach 0,2 μ großen Objektverschiebungs-Schritten, in einem Vidikon-Speicher gespeichert Diesem Speicher werden außerdem von der Bewegung des Motors Λί abgeleitete Steuerimpulse 9 zugeleitet Sie bestimmen, welche Anteile des Vidikon-Signals gespeichert werden. Nach einer Durchfokussierung, die — je nach Objekttiefe und verwendeter numerischer Apertur — in einem Zeitintervall von einigen Vi₀ Sekunden bis zu einigen Sekunden abläuft, ist das fertige gefilterte Gesamtbild auf dem Monitor sichtbar.

Zwecks Zumischung des jeweiligen ungefilterten

s Bildes zum gefilterten Bild kann ein das Filter umgehender, in der Figur gestrichelt dargestellter

Leitungszug vorhanden sein, über den ungefilterte Bildinformationen zum Speicher gelanger. Dabei kann

in diesem Leitungszug ein Regler 8 vorgesehen sein,

ίο welcher es erlaubt, das Zumischungsverhältnis zu variieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der weiteren Fig.2a bis 6b näher erläutert Das Verfahren geht von der Erkenntnis aus, daß beim Durchfokussieren und Integrieren (Aufsummieren) der Kontrast bei höheren Ortsfrequenzen stark abnimmt In Fig.2a ist die Intensitätsverteilung I₁ eines hellen Punktes auf dunklem Grund dargestellt Nach Integration dieses Objektes resultiert daraus ein Puuktbild mit breitem Hof. Den Verlauf der Intensitätsverteilung (/)) zeigt F i g. 3a. In F i g. 2b ist die Intensitätsverteilung h eines dunklen Punktes auf hellem Grund dargestellt Bei diesem Objekt vermindert die Integration, wie in Fig.3b durch (k) dargestellt, den Kontrast jedoch

2> außerordentlich.

Während des Durchfokussierens trägt nämlich das Licht aus der hellen Umgebung fast immer zur Belichtung bei x=0 bei, außer während der kurzen Zeitspanne, während der das Objekt scharf abgebildet wird. Es muß daher verhindert werden, daß stark defokussierte Details die Dynamik des Empfängers belasten. Dies geschieht gemäß der Erfindung durch Filterung des Bildes mit einem Filter, das die hohen Bildfrequenzen anhebt Dadurch werden die fokussier-

j-, ten Details stärker bewertet als die defokussieren Anteile. Bei beispielsweise extremer Defokussierung ist das Bild nur noch eine verschwommene graue Fläche, und das Filter sperrt dieses unerwünschte Signal. Werden die verschiedenen Niveaulagen des Objektes nacheinander aufgenommen und werden die dabei entstehenden Signale in der oben angegebenen Weise weiterverarbeitet, so erhält man das gewünschte Bild des dreidimensionalen Objektes.

Das soweit im Grundsatz beschriebene Verfahren

-, läßt sich mathematisch folgendermaßen erklären:
Das defokussierte Detail mit der Defokussierung

I , . ,
λ = _η k sin" u

wird mit der übertragungsfunktion

D(s,λ) = . ■ sin(2^|.s-| - λs²)

2 λ .ν (1)

abgebildet. Dabei bedeuten u die Apertur, k einen Faktor 2.7//. und s die Ortsfrequenz.

Wird nun z. B. mit einer Filterfunkiion

F (.v) = -|s|
gefiltert, so erhält man

sin(2*|.s-| - Λ.ν²)

L>l = -■■

Nach Mitteilung über * ergibt sich (S/ bcdeulet InIegralsinus):

.D₁ > =f D_t-ls,a)d* = ^Si [λ, (2|.v| - .s-²)] .

Die Übertragungsfunktion (Df) gilt nicht nur für die Mittenebene, sondern ungefähr für alle Ebenen, wenn «ι größer als die Objekttiefe ist

Der Verlauf von (Df) soll als Beispiel für eine 32fache Schärfentiefeerweiterung angegeben werden.

In der F i g. 4 ist der theoretischen Kurvenverlauf der Kontrastübertragungsfunktion dargestellt, wobei auf der Abszisse die Ortsfrequenz s und auf der Ordinate der Kontrastübertragungsfaktor (Df) aufgetragen sind.

Außerhalb eines sehr engen Bereiches um die Nullfrequenz ist die Kontrastübertragungsfunktion konstant. Nur der Gleichanteil wird abgetrennt. Im Fall des linearen Filters F(s) erhält man also eine Dunkelfeldcharakteristik des fertigen Bildes. Das resultiert daraus, daß die beim Durchfokussieren so störende Verminderung des Kontrastes durch Hochpaßfilterung verhindert wurde.

Ist der Dunkelfeldeffekt unerwünscht, so muß das Filter so dimensioniert werden, daß auch die niedrigen Frequenzen teilweise durchgelassen werden. Der exakte Verlauf ergibt sich aus der inversen Funktion der F i g. 5a. Eine einfachere Näherungslösung, die nur ein Filter für beliebige Schärfentiefeerweiterung erfordert, ist das Zumischen der nicht gefilterten Bilder. Dies läßt sich einfach durch Umgehen des Filters und durch passende Abschwächung der diese Umgehung durchlaufenden elektrischen Signale realisieren. Man mischt also die integrierte Kontrastübertragungsfunktion (D) (F i g. 5a) und die gefilterte integrierte Kontrastübertragungsfunktion (Df) (Fig.5b) und erreicht damit eine Gesamt-Kontrastübertragungsfunktion D_n ohne Dunkelfeldcharakter, wie sie in F i g. 5c dargestellt ist

Für die Dimensionierung des Filters gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, wie sie beispielsweise in den Fig.6a und 6b dargestellt sind. Einmal ist es möglich, das Filter so auszugestalten, daß seine Kennlinie den in Fig.6a eingezeichneten Verlauf hat Bei Verwendung dieses Filters erhält man ein Hochpaßbild, welches nach Zumischung des ungefilterten integrierten Bildes zum Hellfeldbild modifiziert werden kann.

Die Verwendung eines Filters, das eine in der F i g. 6b angegebene Charakteristik aufweist, führt zur Hilbert-Transformierten (»Reliefeffekt«).

Das gefilterte Video-Signal enthält im allgemeinen negative Spannungen, die negativen Helligkeiten entsprechen. Für eine exakte Realisierung der vorste-

tn hend beschriebenen Integration müssen auch diese negativen Werte gespeichert werden. Eine Möglichkeit, negative Signale zu vermeiden, ist die Addition einer

Gleichspannung. Werden negative Signale durch Einweggleichrich-

tung — z. B. an der Bildröhre oder im Speicher — abgeschnitten, so erhält man ein modifiziertes Bild des

Objektes, ebenso bei einer Zweiweggleichrichtung des

gefilterten Signals.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine

bestimmte inkohärente Beleuchtungsart beschränkt.

Im vorliegenden Fall ist unter »Durchfokussieren« eine Variation des Abstandes zwischen dem Objekt eines optischen Systems und dem mit diesem betrachteten Objekt bzw. einer definierten Ebene dieses Objektes zu verstehen. Eine solche Variation läßt sich auf unterschiedliche Weise erreichen. Einmal läßt sich dieser Abstand durch Veränderung der Ortslage des Objektivs, zum anderen durch Veränderung der Ortslage des Objektes längs der optischen Achse erreichen. Schließlich ist auch die gleichzeitige Veränderung der Ortslagen von Objekt und Objektiv im gegenläufigen Sinne denkbar. Auch liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, anstelle eines elektronischen Speichers zum Aufsummieren der gefilterten

Einzelbilder eine fotografische Kamera zu verwenden. Bei geöffnetem Verschluß werden die auf dem Monitor

nacheinander erscheinenden gefilterten Einzelbilder fotografisch überlagert

Die Filterung soll im allgemeinen zweidimensional

sein. In vielen Fällen genügt jedoch eine eindimensionale Filterung, wofür das Filter einfacher zu realisieren ist Wenngleich als Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine lichtoptische Einrichtung dargestellt und beschrieben ist, so läßt sich das Verfahren auch bei Einrichtungen anwenden, die nach einem elektronenoptischen Verfahren arbeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erweiterung des Schärfentiefebereiches bei der optischen Abbildung von in unterschiedlichen Gegenstandsweiten angeordneten Objekten Ober die durch die konventionelle Abbildung gegebene Grenze hinaus, dadurch gekennzeichnet, daß beim Durchfokussieren eine Vielzahl von den unterschiedlichen Gegenstandsweiten zugeordneten Bildern eines Objektes erzeugt und in diesen Bildern durch Filterung mittels eines Filters mit im wesentlichen Hochpaß-Charakteristik die unscharfen Details unterdrückt werden, daß durch Aufsummieren dieser gefilterten Signale ein vollständiges Bild des dreidimensionalen Objektes zusammengesetzt und daß des jeweilige ungefilterte Bild dem gefilterten Bild zugemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung mittels eines Filters mit im wesentlichen linear ansteigendem Frequenzgang erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zumischungsverhältnis variabel und frei wählbar ist

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchfokussieren in definierten Teilschritten erfolgt

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Höchstabstand zweier aufeinanderfolgender Teilschritte gleich der konventionellen Schärfentiefe ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufsummieren ein Vidikonspeicher verwendet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufsummieren ein Magnetplattenspeicher verwendet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufsummieren ein digitaler Speicher verwendet wird.