DE2734191A1 - Schaltungsanordnung zur automatischen scharfeinstellung - Google Patents

Description

Köln, den 28. Juli 1977 vA.

Anmelderin: Cambridge Scientific Instruments Limited

Mein Zeichen: M 70/57 Schaltungsanordnung zur automatischen Scharfeinstellung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automatischen Scharfeinstellung vorwiegend zur Anwendung bei abtastenden Elektronenmikroskopen und gleichartigen Geräten.

Es gehört zu den charakteristischen Eigenschaften von Anordnungen zur automatischen Scharfeinstellung, die bei optisch/elektronischen Darstellungssystemen, bei denen ein Videosignal durch Abtasten erzeugt wird, verwendet werden, daß der Hochfrequenzanteil des Videosignales im allgemeinen durch Ausfiltern oder Differenzieren herausgenommen und ein den resultierenden Hochfrequenzanteil darstellendes Signal zur Anzeige der Qualität der Scharfeinstellung des Bildes während dessen Abtastens verwendet wird. Unglücklicherweise ist in den Videosignalen ein mehr oder weniger starkes Rauschen enthalten und selbst in einem gut scharf eingestellten Bild kann der Hochfrequenzanteil von kaum gleicher oder sogar geringerer Amplitude als das nach einem Filtern oder Differenzieren noch vorhandene Rauschsignal sein. In diesem Fall ist eine Verwendung der in dem Hochfrequenzsignal enthaltenen Information praktisch unmöglich. Die Anwendung von Anordnungen mit automatischer Scharfeinstellung beschränkt sich daher auf Fälle, bei denen der Hochfrequenzanteil des Videosignales ausreichend hoch ist und sich damit von dem in dem gefilterten Videosignal enthaltenen elektrischen Rauschen genügend abhebt.

Abtastende Elektronenmikroskope und ähnliche Geräte werden im allgemeinen über einen großen Bereich von Stör- zu Nutzsignalverhältnissen verwendet. Hieran liegt es, daß die Systeme zur automatischen Scharfeinstellung bei einer Verwendung bei diesen Geräten nur selten zum Erfolg geführt haben. Die Anordnungen zur automa-

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tischen Scharfeinstellung arbeiten gut bei Bildern mit hohem Kontrast. Das Signal-Rauschverhältnis der Signale, die sich mit solchen Geräten von typischen Bildern ableiten lassen, stehen einem guten Signal-Rauschverhältnis jedoch entgegen. Damit wird es schwierig und im allgemeinen unmöglich, durch Filtern oder Differenzieren in üblicher Weise ein die Scharfeinstellung anzeigendes Signal zu erhalten.

In der GB-PS 1 477 030 werden die Probleme der Anwendung der automatischen Scharfeinstellung bei Systemen wie zum Beispiel mit Abtastung arbeitenden Elektronenmikroskopen, bei denen das durch Abtasten erzeugte Videosignal ein sehr niedriges Signal-Rauschverhältnis aufweist, erörtert. Es wird eine Schaltung beschrieben, bei der die Differenzierung des Videosignales vermieden wird und man sich auf die Summierung der Videosignalübergänge zwischen lokalen Spitzen und Tälern der Videosignalwellenform über diskreten Zeitspannen (im allgemeinen eine Zeilenabtastperiode) beschränkt, so daß der auf dem Videosignal liegende Geräuschanteil bei der Summation oder Integration "verloren" geht. Es sei noch bemerkt, daß die Wirksamkeit dieser bekannten Anordnung voraussetzt, daß im Bildfeld Merkmale enthalten sind, die an sämtlichen Brennpunkten unter der Auflösung des Mikroskops liegen, da die Anordnung in ihrer Wirksamkeit auf einer Differenz besteht, die zwischen der Integration über aufeinanderfolgenden Zeitintervallen besteht, wobei der Brennpunkt zwischen den Integrationen auf zweckmäßige Weise eingestellt wird,und dies ist nur in der Nähe des Scharfeinstellungszustandes möglich, wenn im Bildfeld im Vergleich zur Größe des Abtastfleckes kleine Merkmale vorhanden sind. Offensichtlich kann diese bekannte Anordnung somit nicht bei einem isolierten Merkmal eingesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung einer verbesserten Schaltungsanordnung zur automatischen Scharfeinstellung, wobei ein Signal abgeleitet wird, das den Scharfeinstellungszustand des Bildes anzeigt, und welches Signal durch ein schlechtes Signal-Rauschverhältnis des Videosignales nicht ungünstig beeinflußt wird.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf eine Schaltungsanordnung zur automatischen Scharfeinstellung mit Regelung der Größe eines Abtastfleckes, der zum Erzeugen eines Videosignales verwendet wird, und bei der aus dem Videosignal ein den Stand der Scharfeinstellung anzeigendes Signal abgeleitet wird. Die mit der Erfindung gegebene Verbesserung enthält eine Filtereinrichtung zum Ausfiltern des Hochfrequenzanteiles des Videosignales aus dem Gesamtvideosignal, wobei diese Filtereinrichtung eine derartige untere Grenzfrequenz hat, daß mindestens derjenige Signalanteil, dessen Frequenz gleich der Frequenz der sich wiederholenden Abtastrate ist, im gefilterten Videosignal vollständig fehlt; eine N-Weg-Filterschaltung, der das gefilterte Signal zugeführt wird; und eine Schaltung zum Erzeugen eines Durchschnittswertes des aus der N-Weg-Filterschaltung austretenden Signales und wobei dieses den Durchschnittswert aufweisende Signal das den Stand der Scharfeinstellung anzeigende Signal ist.

Zum Ausgleich der in der Filterschaltung auftretenden Verluste ist vorzugsweise noch ein Verstärker zum Verstärken des gefilterten Signales vorgesehen.

Das N-Weg-Filter bewirkt eine Pseudo-Multiplikation der Komponenten des gefilterten Videosignales auf der einen Seite mit den Grund- oe und Oberschwingungen des ihm zugeführten kommutierten Signales.

Typischerweise ist die Frequenz des Signales, mit dem das N-Weg-Filter kommutiert wird, gleich dem N-fachen der sich wiederholenden Abtastfrequenz.

Das Potential des den Zustand der Scharfeinstellung anzeigenden Signales schwankt normalerweise nach Maßgabe desjenigen Punktes in dem Raster, von dem das Videosignal zu jedem Zeitpunkt abgeleitet wird,und das den Zustand&er Scharfeinstellung anzeigende Signal wird vorzugsweise über mehreren aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten, wie zum Beispiel vollständigen Abtastrastern integriert, um damit für diese Abtastraster ein mittleres, den Zustand der Scharfeinstellung anzeigendes Signal zu ergeben.

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Bei Anwendung bei einem Elektronenmikroskop wird vorzugsweise eine Einrichtung zum automatischen Umstellen der Abtastgeschwindigkeit des Elektronenmikroskops auf Fernseh-Abtastung vorgesehen und die Verstärkung auf einen vorgegebenen Wert, typischerweise eine Verstärkung um den Faktor 1000, bevor die automatische Scharfeinstellung begonnen wird.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß der größte Teil der in dem Videosignal enthaltenen Bildinformation um die Grund- e· und Oberschwingungen der sich wiederholenden Abtastrate, das heißt der Zeilenabtastpfrequenz,in einem Fernseh-Abtastsystem gebündelt ist. Ein N-Weg- (oder Kamm-) Filter, das mit einem Signal kommutiert wird, das gleich der N-fachen Abtastfrequenz ist, schwächt diejenigen Signale, die nicht um die Grund- und Oberschwingungen der sich wiederholenden Abtastfrequenz gebündelt sind. Auf der anderen Seite hat das elektrische Rauschen ein breites Frequenzspektrum und ist im allgemeinen nicht in schmalen Seitenbändern um die Zeilenabtastfrequenz oder deren Oberschwingungen gebündelt. Folglich werden die Frequenzen des elektrischen Rauschens, die nicht zufällig in die Seitenbänder der Wiederholungsfrequenz fallen, durch das kammartige Ansprechverhalten des N-Weg-Filters empfindlich geschwächt.

Das Ansprechverhalten oder der Durchlaßbereich eines N-Weg-Filters sind so, daß bei Frequenzen, die gleich der Kommutierungsfrequenz und deren Oberschwingungen sind, keine Ausgangsspannung auftritt und sich eine beträchtliche Schwächung des dem Filter zugeführten Signales oberhalb der vierten Oberschwingung der Konunutierungsfrequenz eintritt. Zu diesem Zweck kann eine weitere Herabsetzung des Geräuschanteiles durch Reihenschaltung eines Tiefpaßfilters mit dem Hochpaßfilter erfolgen, dessen Grenzfrequenz bei etwa dem Vierfachen der Konunutierungsfrequenz liegt.

Vorzugsweise wird die Phase des das N-Weg-Filter kommutierenden Signales während jeder Rasterabtastung mit Signalen moduliert, die von den Raster-Austastsignalen abgeleitet werden.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeis|)iele

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wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit Darstellung der wesentlichen Teile einer Schaltungsanordnung zur automatischen Scharfeinstellung zur Anwendung bei einem abtastenden Elektronenmikroskop,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Signal-Verarbeitungsabschnittes der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Filters zum Einbau in die in Fig. 2 gezeigte Verarbeitungsschaltung ,

Fig. 4 teilweise ein Schaltbild und teilweise ein Blockschaltbild eines N-Weg-Filters zum Einbau in die in Fig. 2 gezeigte Schaltung,

Fig. 5 ein Schaltbild zur Darstellung der Art und Weise, in der die verschiedenen Kondensatorabschnitte des N-Weg-Filters aus Fig. 4 kommutiert werden,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Wellenform derjenigen Signale, die zum Steuern der Kommutierung des N-Weg-Filters zugeführt werden,

Flg. 7 die Durchlaßkurve des in den Figuren 5 und 6 gezeigten N-Weg-Filters,

Fig. 8 ein Blockschaltbild der SignalVerarbeitungsschaltungen und der logischen Elemente, die das den Stand der Scharfeinstellung und andere Steuersignale in der Gesamtschaltung von Fig. 1 ableiten,

Fig. 9 ein Blockschaltbild der in der Schaltung von Fig. 8 enthaltenen Modulationsstufe und

Fig.10 eine Schaubildliche Darstellung des Linsenstromes über

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der Zeit,während der Zustand der Scharfeinstellung angenähert und erreicht wird.

Die Zeichnungen zeigen eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf ein nicht dargestelltes Abtastendes Elektronenmikroskop, bei dem die Scharfeinstellung durch Einstellen der Größe des Linsenstromes erfolgt. Dieser wird durch den numerischen Wert eines digitalen Signales gesteuert, das durch eine erste Schaltung oder einen ersten Zähler erzeugt wird und normalerweise einem digitalen Speicher zugeführt und in diesem gespeichert wird. Der numerische Wert und damit auch der Linsenstrom werden erhöht oder herabgesetzt durch Zusetzen oder Abziehen von elektrischen Impulsen mit der Größe 1 zu oder von dem digitalen Signal. Damit wird das Signal stufenweise erhöht oder erniedrigt, so daß auch der Linsenstrom in Teilbeträgen geändert werden kann.

Zu Beginn eines Scharfeinstellungsvorganges wird der numerische Wert des digitalen Signales auf Null (oder sein Maximum) herabgesetzt und der Speicher gelöscht. Der Linsenstrom wird dann stufenweise erhöht (oder herabgesetzt). Hierzu wird der numerische Wert des Signales in Stufen heraufgesetzt (oder herabgesetzt), bis der Maximum- (oder Minimum-) Wert des Linsenstromes erzeugt wird. Ein mittlerer Zustand des Scharfeinstellungssignales wird auf jeder Stufe erreicht,und jeder mittlere Zustand des Scharfeinstellungssignales wird mit dem vorhergehenden verglichen. Die Vergleichsstufe wählt den höheren Wert aus und bewirkt dessen Speicherung. Ein zweiter Speicher ist noch vorgesehen. So kann der numerische Wert des den Linsenstrom steuernden digitalen Signales gespeichert werden. Der numerische Wert desjenigen digitalen Signales, das dem den höheren Wert aufweisenden Scharfeinstellungssignal entsprich^· hat immer Vorrang über das den niedrigeren numerischen Wert aufweisende digitale Signal, so daß am Ende eines vollständigen Linsenstromzyklus der dem besten Zustand des erfaßten Scharfeinstellungssignales entsprechende Strombetrag im zweiten Speicher gespeichert und zum Steuern des Linsenstromes zum Erzielen einer optimalen Scharfeinstellung verwendet werden kann.

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Die Auswahl dieses Linsenstromes zum Erzielen der optimalen Scharfeinstellung wird in zwei Stufen erreicht. Eine erste Auswahl erfolgt unter Verwendung eines großen Impulses zum stufenweisen Erhöhen oder Erniedrigen des Linsenstromes zum Erzielen dieser anfänglichen Auswahl, wie beschrieben. Nach Einstellen des Linsenstromes auf den ersten vorgewählten Betrag erfolgt eine zweite Auswahl unter Verwendung kleinerer Stufen. Nach dem schrittweisen Erhöhen des Linsenstromes unter Verwendung dieser kleinen Stufen und einer engen Rückkopplung wird ein neuer Wert des Linsenstromes bestimmt, der einer neu und fein eingestellten Scharfeinstellung entspricht. An dieser Stelle wird ein STOP-Signal erzeugt. Damit wird die weitere Auswahl unterbunden und ein überschwingen verhindert.

Der Erfolg dieser Erfindung liegt in einem stark verbesserten Signal-Rauschverhältnis. Dieses ergibt sich durch die Verwendung eines N-Weg-Filters zum Herausnehmen der Videosignalkomponenten mit Ausnahme derjenigen, die sich im Gebiet der Oberschwingungen der Zeilenabtastsignale befinden. Das Ausgangssignal des N-Weg-Filters wird auf ein Maximum gebracht und zeigt dann die beste Scharfeinstellung an.

Das N-Weg-Filter kann man sich so vorstellen, daß es eine mathematische Multiplikation von zwei Signalen bewirkt, wenn es selbst ein Vi-edeosignal erhält, das durch wiederholtes Abtasten eines Bildfeldes gewonnen wird. Ebenso kann man sich das N-Weg-Filter, falls es mit dem N-fachen der Zeilenabtastfrequenz kommutiert wird, so vorstellen, daß es die abgetastete Fläche in zahlreiche vertikale Säulen unterteilt, deren Zahl gleich der Zahl der in dem Filter vorhandenen Wege ist. Die sich an das N-Weg-Filter anschließenden Kreise sprechen auf Änderungen der Amplitude zwischen einem Weg und dem nächsten Weg an, wenn das Filter kommutiert wird. Damit läßt sich die Empfindlichkeit in Zeilenabtastrichtung durch Erhöhen der Anzahl der durch das Filter durchtretenden Wege erhöhen. Bei Vorhandensein von nur wenigen Wegen, so daß die abgetastete Fläche in nur eine geringe Anzahl von Säulen unterteilt wird, entspricht jede Säule einem wesentlichen Prozentsatz der Zeilenabtastlänge,und falls sich das Bildfeld aus einer

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großen Anzahl von kleinen Merkmalen zusammensetzt (so daß die Längendimension der Merkmale in Zeilenabtastrichtung im Vergleich zu der Säulenbreite, wie sie durch das N-Weg-Filter vorgegeben wird, klein ist), dann läßt sich vorstellen, daß eine große Anzahl von Merkmalen völlig zwischen den die Säulen begrenzenden vertikalen Linien durchfallen mit der Folge, daß die Signalinformation über die Ecken bei solchen Merkmalen verlorengeht. Daher ist es wichtig, daß die durch die N-Weg-Filter bewirkte Säulenbreite in bezug auf die Größe der Merkmale selbst nicht zu groß wird. Zu diesem Zweck wird die Vergrößerung des Bildfeldes zweckmäßig so auf einen geeigneten Wert eingestellt, daß zwischen der Größe der Merkmale und der Breite der Säulen eines zweckentsprechende Beziehung besteht.

Fig. 1 zeigt in Blockform die wesentlichen Schaltungselemente einer kombinierten automatischen und manuellen Steuerung zur Scharfeinstellung ftir ein abtastendes Elektronenmikroskop oder eine ähnliche Einrichtung (nicht dargestellt). Die (nicht dargestellte) manuelle Steuerung enthält eine Steuerung in groben Stufen und eine Steuerung in mittleren Stufen. Diese erzeugen Steuersignale für ein logisches Schaltungselement 10. Dieses könnte auch über eine automatische logische Steuerstufe 11 und eine dritte Steuerung 12 in Form eines Potentiometers oder einer ähnlichen Vorrichtung gesteuert werden, die eine Feinsteuerung des durch die Fokussierungsspule 14 fließenden Stromes zuläßt.

Nach einem Umschalten der logischen Schaltung 10 auf automatischen Betrieb werden die Grob- und Mittelstufensteuerungen unwirksam. Man erkennt jedoch, daß die Feinsteuerung 12 immer in Betrieb bleibt. Damit ist der Bedienung immer eine feine Einstellung des Stromes und damit der Scharfeinstellung möglich.

Die Spule 14 ist zweckmäßig die letzte Kondensorlinse des abtastenden (nicht dargestellten) Elektronenmikroskops. Sie erhält ihren Strom aus einer stabilisierten Stromquelle. Zu dieser gehört ein Hochleistungsverstärker 16 mit Rückkopplungswiderständen 18 und 20. Die Steuerung des Einganges des Verstärkers 16 erfolgt über ein Steuersystem, das selbst entweder manuell oder

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automatisch betrieben werden kann. Der von der Feinsteuerung 12 ausgehende Strom, die selbst einen Teil der Steuerung darstellt, wird über einen Widerstand 22 auch dem Verstärker 16 zugeführt.

Die Steuerschaltung weist zwei Ausgänge auf, die über einen gemeinsamen Anschluß 24 mit dem Eingang des Verstärkers 16 verbunden sind. Damit erhält dieser seine Eingangsspannung von drei getrennten Quellen. Dies sind die Grob-,die Mittel- und die Feinsteuerung. Die Grob- und die Mittelsteuersignale werden digital abgeleitet. Für diesen Zweck werden die für den Verstärker 16 benötigten Analogsignale durch einen 5-Bit-Digital-Analogwandler 26 für die Grobsteuerung und einen 8-Bit-Digital-Analogwandler 28 für die Mittelstufensteuerung erzeugt. Das Signal für die Feinsteuerung wird von dem Potentiometer 12 abgenommen. Damit erübrigt sich hier ein Digital-Analogwandler.

In einer typischen Auslegung überbrückt das Potentiometer für die Feinsteuerung etwa acht Mittelstufen,und die Mittelstufe überbrückt etwa vier Grobstufen.

Beide Digltal-Analogwandler 26 und 28 werden von einem Abwärtszähler 30 bzw. 32 angetrieben. Der Grobstufenzähler 30 kann, wie noch ausgeführt wird, von einem Digitalspeicher 34 aufgefüllt werden.

Videoprocessor

Der in Fig. 1 dargestellte Videoprocessor 36 entnimmt das Signal aus dem unverarbeiteten Videosignal. Als Ergebnis einer Analyse der spektralen Empfindlichkeiten, die sich beim Abtasten von typischen Bildfeldern ergeben, lassen sich die folgenden Notwendigkeiten als für den Videoprocessor 36 notwendig herausstellen:

B 1. Der Prozessor muß ein auf die Fernsehzeilenfrequenz abgestimmtes kammfilterartiges Verhalten zeigen. Damit wird so viel Störgeräusch wie möglich zurückgewiesen.

2. Die Einschnittbreite sollte bei etwa 500 Hz liegen. Damit

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werden einige wenige 50 Hz-Seitenbänder erfaßt.

3. Der Prozessor sollte die Grundschwingung und Oberschwingungen bis etwa zur vierten Harmonischen der Zeilenwiederholungsfrequenz ausschließen. Es wurde nämlich gefunden, daß der Signalanteil bei diesen Frequenzen selbst bei starker Unscharfeinstellung groß ist.

4. Der Prozessor sollte bei Bearbeitung von auf Unscharfe zurückgehenden Videosignalen Oberschwingungen, die Frequenzen oberhalb von 500 kHz entsprechen, zurückweisen. Es wurde nämlich gefunden, daß das Nutz-/Störgeräuschverhältnis oberhalb dieser Frequenz sehr schlecht ist.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Prozessors 36. Das Blockschaltbild zeigt ein Filter 38, dessen Charakteristika und Aufbau in Verbindung mit Fig. 3 erläutert werden. Entweder im Filter 38 oder getrennt von diesem ist ein Verstärker 40 zum Ausgleich der in dem Filter bewirkten Schwächung vorgesehen. In einem typischen Fall hat der Verstärker einen Verstärkungsfaktor 10.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers bildet eine Eingangsspannung für ein N-Weg-Filter 42. Siehe die Figuren 4 bis 7!

Die beschriebene Schaltungsanordnung soll mit Fernseh-Abtastfrequenz arbeiten. Bei einem sehr schlechten Nutz-/Störsignalverhältnis kann die Abtastfrequenz Jedoch herabgesetzt werden. Dies führt zu einer entsprechenden Verstellung der Kommutierungsfrequenz des N-Weg-Filters und seiner oberen und unteren Grenzfrequenz .

Die Kommuitierungsspannung für das N-Weg-Filter 42 wird aus einem Decodierer und einer Zählschaltung 44 gewonnen. Diese erhält ein Signal mit dem IMnF N-fachen der Zeilenabtastfrequenz aus einer Modulationsstufe 4ß 46. Im beschriebenen Beispiel ist N 8. Das heißt, daß das Filter 42 acht Wege aufweist, die nacheinander während jeder Zeilenabtastperiode kommutiert werden. Das von der Modulationsstufe 46 zugeführte Signal liegt damit grundsätz-

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lieh auf dem Ächtfachen der Zeilenfrequenz. In größerer Ausführlichkeit wird die Modulationsstufe 46 in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben. Im wesentlichen ist sie eine Schaltung, die die Phase des Achtfachen Zeilenfrequenzsignales während jedes Abtastzyklus moduliert und hierzu Signale verwendet, die von den Rasteraustastsignalen abgeleitet werden. Zu diesem Zweck erhält die Schaltung 46 zwei Eingangssignale. Eines besteht aus den Zeilenaustastimpulsen und das andere aus den Rasteraustaustimpulsen.

Die Ausgangsspannung des N-Weg-Filters 42 wird einer Detektor- und Mittelwertbildungsschaltung 48 zugeleitet. Der Detektorabschnitt dieser Schaltung enthält im wesentlichen einen Vollweggleichrichter. An seinem Ausgange tritt ein Gleichstrom auf. Dieser ist dem Durchschnittswert der Scharfeinstellungen des Bildes proportional.

Bei einem sehr niedrigen Signal, wenn zum Beispiel eine sehr niedrige Lichtpunktgröße verlangt wird, läßt sich das Nutz-/Störsignalverhältnis durch Integration der Ausgangsspannung der Schaltung 48 unter Verwendung einer Integratorschaltung 50 verbessern. In einem typischen Anwendungsfall wird diese so eingestellt, daß sie zehn Raster integriert. Das Rückstellsignal für die Integratorschaltung 50 wird aus einer Teile-durch-10-Schaltung 52 erzeugt. Dieser werden die Rasteraustastimpulse zugeleitet.

Eine zweite Mittelwertbildungsschaltung 54 erhält am Ende jeder Ine-tegrationsperiode die Ausgangsspannung des Integrators. Die Schaltung 54 läßt das Integrator-Ausgangssignal durch, wenn die Grobdiode arbeitet (vergleiche die noch folgende Beschreibung). Im anderen Fall wird das zuletzt zugeführte Ausgangssignal gespeichert und damit ein Durchschnittswert aus dem Strom und den vorhergehenden Ausgangssignalen des Integrators gebildet. Jedes auf diese Weise erzeugte Durchschnittswert-Signal bildet eine Eingangsspannung für eine Vergleichsstufe 56 und einen Analogspeicher 58. Dieser wird von der Vergleichsstufe so gesteuert, daß er am Verbindungspunkt 60 entweder ein neues Signal anstelle des zuvor gespeicherten Signales aufnimmt oder das bei 60 auftretende Signal zugunsten des bereits in ihm gespeicherten Signales zurUck-

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weist.

Die Vergleichsstufe 56 unterscheidet zwischen dem neuen bei 60 auftretenden Durchschnittssignal und dem am Speicher 58 anstehenden Betrag. Falls das Signal bei 60 einen höheren Wert als das im Speicher 58 befindliche Signal hat, wird der neue Betrag anstelle des bereits im Speicher befindlichen Betrages in diesen übertragen. Falls aber das bei 60 anstehende Signal kleiner als der gespeicherte Betrag ist, wird dieser als der bisher beste Wert weiter im Speicher gehalten.

Die Vergleichsstufe überträgt den höheren der beiden Werte in den vorstehend genannten D-Speicher 34 und steuert damit den Wert des Grobzählers 30.

Videofilteranordnung

Das Filter 38 von Fig. 2 wird in Fig. 3 in seinen Einzelheiten gezeigt. Der Zweck dieses Filters liegt darin, die Grundschwingung und die ersten vier Oberwellen der Zeilenwiederholungsfrequenz (angenommenermaßen 15 kHz), wie auch sämtliche Frequenzen über etwa 500 kHz zu unterdrücken. Das Hochpaßfilter besteht aus einem 100-Ohm-Widerstand 62 und einem T-Abschnittfilter aus zwei Kondensatoren 64 und 66 und einer Spule 68. Dieses T-Filter stellt ein Hochpaßfilter dar und unterdrückt die Grund- und Oberschwingungen der auf der Zeilenwiederholungsfrequenz liegenden Videosignalkomponenten.

Dem T-Filter schließt sich ein Tchebysheff-Filter an. Dieses besteht aus zwei in Reihe liegenden Spulen 70 und 72 und drei Kondensatoren 74, 76 und 78. Den Abschluß des Tchebysheff-Filters bildet ein 100-Ohm-Widerstand 80. Die an diesem abgegriffene Spannung wird einem Verstärker 40 (siehe Fig. 2) zugeleitet.

Die Werte für die verschiedenen Spulen und Kondensatoren sind in der Zeichnung angegeben. Es ergeben sich steile Flanken bei 78 und 500 kHz. Für die Kombination aus dem T- und dem Tchebysheff-Filter ergibt sich daher ein Durchlaßbereich zwischen 75 und 500 U

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kHz. ^

Das N-Weg-Filter

Fig. 4 zeigt die Form des N-Weg-Filters 42 aus Fig. 2.

Die Eingangsspannung gelangt zum Filter über einen Reihenwiderstand R. N verschiedene Wege ergeben sich dann aus einer entsprechenden Anzahl von Kondensatoren C, die mit allgemein mit 82 bezeichneten Feldeffekttransistoren in Reihe liegen. Sämtliche Transistoren 82 werden durch die Ausgangsspannungen eines Decodierers 84 gesteuert. Dieser wird seinerseits mit der Ausgangsspannung eines N-Bit-Zählers 86 beaufschlagt. Die Funktion des Decodierers 84 liegt darin, an jedem seiner N Ausgänge einen Steuerimpuls zu bilden. Der N-Bit-Zähler wird seinerseits mittels eines Zeittaktsignales mit der Frequenz N χ fο gesteuert, fo ist die Zeilenabtastfrequenz.

Bei N = 8 läßt sich jede Zeilenabtastung als in acht Segmente unterteilt darstellen. Das gefilterte Videosignal wird während jedes Zeilenabtastsegmentes integriert. Die sich dabei an jedem Kondensator C bildende Integrationsspannung wird während jedes entsprechenden Zeilenabtastsegmentes bei den folgenden Zeilenabtastungen erhöht oder herabgesetzt. Damit bildet sich an den Kondensatoren C ein Ladungsmuster aus, das in Rasterrichtung nach Maßgabe der Lage der Kanten der Merkmale, die tangential zu der Zeilenabtastrichtung liegen, schwankt.

Die Arbeitsweise des N-Weg-Filters wird nun unter Bezug auf Fig. 5 erläutert. Diese zeigt die Wellenform der Spannung auf der unteren Platte einer der Kondensatoren C. Mit dem Umschalten ihres zugehörigen Feldeffekttransistors 82 ändert diese Spannung ihre Polarität.

Bei einer Ausgangsspannung VO an der Stelle 88 und einer Eingangsspannung V1 an der Stelle 90 läßt sich folgendes ableiten:

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Ψϊ - ϊ Cn sin Nwt

^ν ο

Dabei ist:

VO

Das N-Weg-Filter ist ein Abfragesystem, bei dem die Eingangsspannung V1 mit der Abfragespannung multipliziert wird. Das Verhältnis der Breite der die !Commutation der Kondensatoren C steuernden Impulse zur Gesamtzeit der !Commutation (gleich einer Zeilenabtasfe· Periode) ist 1 : 8. Dies wird in Fig. 6 gezeigt.

Die effektive Bandbreite pro -β Empfindlichkeit ist ^, und dies führt zu dem in Fig. 7 gezeigten Empfindlichkeitsspektrum für das N-Weg-Filter. Die Hüllkurve folgt dem sogenannten Gesetz.

Beim Abstimmen der Filterkommutation (das heißt des Schaltens der Transistoren 82 in Fig. 4) auf die Zeilenfrequenz oder eine Oberschwingung der Zeilenfrequenz wird sie auch in der Phase auf das Videosignal abgestimmt. Dieses ist ungünstig. Es könnte nämlich vorkommen, daß sich das System auf eine bestimmte Phase des Videosignales festlegt, die bei oder nahe bei Null Volt liegt. Dies würde zu einer Ausgangsspannung von fast Null führen. Zum Überwinden dieser Schwierigkeit wird die dem N-Bit-Zähler 86 zugeführte Eingangsspannung bei dsr Bildfeldfrequenz (das heißt der Rasterabtastfrequenz) um etwa - 60° in der Phase moduliert.

Dies ist bereits bei der Beschreibung von Fig. 2 erwähnt worden. Einzelheiten der Schaltung 46 wrden in Fig. 9 gezeigt.

Gemäß Fig. 4 erhält der 8-Bit-Zähler 86 (der einen Teil des Decodierer s und der Zähleinheit 44 von Fig. 2 bildet) mit einem Signal von der achtfachen Zeilenfrequenz beaufschlagt, das von der S spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 92 abgegeben wird. Die Phase dieser Schaltung wird mit dem auf der Leitung 94 stehenden Spannungssteuersignal gesteuert. Dieses auf der Leitung 94 stehende Spannungssteuersignal wird von einem Summationsverstärker 96 abgenommen. Dieser erhält eine erste Eingangsspannung von der

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Leitung 98. Diese besteht aus Impulsen mit dreieckförmiger Wellenform. Diese werden von den Rasteraustastsignalen abgeleitet. Eine zweite Ausgangsspannung wird dem Verstärker über eine Leitung 100 zugeführt. Diese zweite Spannung ergibt sich aus der Steuerung der auf der Leitung 102 liegenden Zeilenaustastsignale und der letzten Ausgangsspannung 104 des 8-Bit-Zählers 86. Die Steuerung erfolgt über ein Und-Tor 106. Dessen Ausgangssignal wird vor dem Anlegen an den Summationsverstärker 96 durch ein Tiefpaßfilter 108 gefiltert. Der Zweck des Und-Tores 106 und der zweiten dem Summationsverstärker 96 zugeführten Eingangsspannung liegt in der Bildung einer Verriegelung.

Die Frequenz der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 92 wird damit in ihrer Frequenz nach Maßgabe des Betrages der Steuerspannung 94 gesteuert. Diese Spannung 94 ändert sich ihrerseits nach Maßgabe der Ausgangsspannung des Summationsverstärkers 96, so daß die Phase des von dem 8-Bit-Zähler 86 dem N-Weg-Filter zugeführten Kommutationssignales während jeder Zeilenabtastperiode schwankt.

Suchsystem für die Scharfeinstellung

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild des Systems, das zur Darstellung dessen gezeichnet wurde, wie das System die Scharfeinstellung sucht.

Um ein Absetzen auf einer GeäUschspitze oder um eine andere umerwünschte Spitze in dem Scharfeinstellungssignal zu vermeiden und um den langwierigen Prozeß der Zeittaktsteuerung jeder einzelnen Linsenstromstufe zu vermeiden, beginnt die automatische Scharfeinstellung mit dem stufenweisen Verändern des Scharfeinstellungsstromes von seinem Maximalwert auf seinen Minimalwert über zweiunddreißig Grobstufen, die/von der Zählstufe 30 und dem Digital-Analogwandler 26 (fig. 1) abgeleitet werden. Dies ergibt einen Überblick über den gesamten Scharfeinstellungsbereich und ermöglicht dem System,innerhalb von zwei oder drei Grobstufen denjenigen Wert des Scharfeinstellungsstromes zu ermitteln, der dem höchsten Durchschnittswert des Scharfeinstellungssignales entspricht.

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Der Zählwert für diesen höchsten Durchschnittswert wird am Ende des Überblickes in dem D-Speicher gespeichert.

In enger Beziehung zu diesem Verfahren liegt die Schärfe der Spitze selbst. Diese kann leicht übersehen werden, falls sie zu schmal ist, das heißt falls die gewählte Verstärkung zu hoch liegt. Es hat sich gezeigt, daß eine Verstärkung von etwa 1000 in dem den Zustand der Scharfeinstellung anzeigenden Signal eine Spitze erzeugt, die bei einem Aufzeichnen in Abhängigkeit von dem Scharfeinstellungsstrom die Lücke zwischen den beiden Scharfeinstellungs-Einstellungen überbrückt, wie sie durch die Grobstufen aus dem Dlgital-Analogwandler 26 vorgegeben werden.

In Fig. 8 wird die automatische Steuerung 11 in Funktionsblticken dargestellt. Das allgemeine Schema besteht darin, daß der beste Wert für den Schafeinstellungsstrom {- eine ürobstufe) nach dem Bilden des Überblickes durch die zweiunddreißig Stufen in dem D-Speicher 34 (Fig. 1) gehalten wird.

Infolge der Abhängigkeit des Systems muß der in dem D-Speicher gehaltene Wert einen Linsenstrom entsprechen, der unterhalb des Stromes bei Scharfeinstellung liegt, da die Stellung der besten groben Scharfeinstellung zur Erkennung durchgegeben werden muß.

Der in dem D-Speicher befindliche Wert wird zum Zähler 30 gegeben und gehalten und der Mittelstufenzähler 32 wird in groben Stufen in Aufwärtsrichtung betrieben. Jede Grobstufe entspricht vier mittleren Bits,bis ein neuer bester Wert von der Vergleichsstufe 56 festgestellt wird. Durch die Umkehr von besser auf schlechter, während der neue beste Wert festgestellt wird, wird das Flip-Flop 110 gesetzt. Dieses setzt seinerseits die monostabile Schaltung 112. Diese kehrt die Richtung des Mittelstufenzählers 32 über ein Auf-Ab-Flip-Flop 116 um und ändert die Stufengröße des Zählers von 4 Bit in 1 Bit Stufen über einen Richtungsänderungszähler und eine Eingangsspannung für den Mittelstufenzeittaktgeber 118 über die Leitung 120.

Wenn dieser Zeittaktgeber nun in Ήη* 1-Bit-Stufen und in der umge-

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kehrten Richtung arbeitet, muß erneut ein neuer bester Wert gesucht und von einer Vergleichsstufe 56 erfaßt werden. Da, wie zuvor angenommen wird, «te» der beste Wert vor dem Erfassen durch die Vergleichsstufe 56 überschritten wird, bewirkt die Schaltung auch, daß der Mittelstufenzähler beim Feststellen des letzten besten Wertes um ein Bit zurückgestuft wird. Diejenige Vorrichtung, mit der dieses Zurückstufen erreicht wird, wird später noch in größeren Einzelheiten beschrieben.

Die Ausgangsspannung der Vergleichsstufe 56 wird der Flip-Flop-Schaltung 110 zugeführt. Diese zeigt an, ob das verglichene Signal besser oder schlechter, das heißt höher oder niedriger, als der beste im Speicher 58 gehaltene Wert ist. Mit der Ausgangsspannung vom Flip-Flop 110 wird die monostabile Schaltung 112 gesetzt, und in dieser werden Impulse für den Richtungsänderungszähler 114 und das Auf-Ab-Flip-Flop 116 erzeugt.

Der Mittelstufenzeittaktgeber 118 ist eine Impuls erzeugende Schaltung. Sie erzeugt Steuerimpulse für den Zähler 32 (siehe Fig. 1) und wird ihrerseits von dem Richtungsänderungszähler 114 gesteuert .

Die Arbeitsweise des Scharfeinstellungs-Suchsystemes wird nun am besten bei einer Betrachtung der Reihenfolge der Arbeitsschritte verständlich, die sich an den Beginn eines Suchvorganges für eine automatische Scharfeinstellung anschließen.

Zu diesem Zweck wird der Auslöseschalter 122 für die automatische Scharfeinstellung in Fig. 8 gezeigt. Er bildet die Eingangsspannung für den Eingang 13 der logischen Steuerschaltung 11 (Fig. 1).

Der Schalter 122 setzt eine monostabile Schaltung 124. Diese erzeugt auf den Leitungen 126 ein Löschsignal zum Löschen der Speicher und Zähler und auf der Leitung 128 ein Setztsignal für eine bistabile Schaltung 130. Die bistabile Schaltung 130 erzeugt auf der Leitung 132 ein Signal (AF) zur Anzeige der automatischen Scharfeinstellung, sobald sie von einem Impuls aus dem Richtungsänderungszähler» 114 auf der Leitung 134 zurückgestellt wird.

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Zu Beginn des Suchvorganges stellt der Richtungsänderungszähler 114 den Wert Null fest und der Zeittaktgeber wird so betätigt, daß er einen Wert entsprechend einem mittleren Bereich in den Mittelstufenzähler 32 eingibt.

Der Grobzeittaktgeber 136 (siehe Fig. 8) wird in Tätigkeit gesetzt und ein überblick ausgeführt. Damit ergibt sich der beste Annäherungswert für den Grobzähler im D-Speicher 34.

Wie bereits erwähnt wurde, ergeben das Flip-Flop 110 und die monostabile Schaltung 112 beim ersten "Besser auf Schiechter"-Übergang während eines Überblickes die ersten Impulse für das Auf-Ab-Flip-Flop 116 und den Richtungsänderungszähler 114. Das Flip-Flop 51 wird ausgelöst und hält den Grobzähler 30 auf dem Wert des D-Speichers, und der Mittelstufenzeittaktgeber wird durchgeschaltet.

Am zweiten "Besser auf Schlechter"-Übergang erzeugen das Flip-Flop 110 und die monostabile Schaltung 112 den zweiten Impuls, um das Flip-Flop 116 zurückzustellen und um im Zähler 114 eine zweite Veränderung zu registrieren. Die erste Zählung im Zähler 114 bewirkt, daß der Zeittaktgeber 118 den Zähler 32 mit 4-Bit-Stufen beaufschlagt,und die zweite Zählung im Zähler 114 bewirkt, daß der Zeittaktgeber 118 den Zähler 32 in 1-Bit-Stufen verstellt.

Der dritte erfaßte "Besser auf Schlechter"-Übergang, der unter Verwendung der 1-Bit-Stufen vom Mittelstufenzähler erfolgt, erzeugt am Ausgang der monostabilen Schaltung 112 einen Impuls, der für den Speicher 114 eine dritte Zählung ergibt. Dadurch wird die bistabile Einrichtung 130 zurückgestellt und erzeugt das Signal (AF) Ende der Scharfeinstellung. Damit wird der Betrieb der Schaltung mit Ausnahme des Endimpulses, der auf der Leitung 118 dem Zeittaktgeber 118 zugeleitet wird, abgebrochen. Da das Flip-Flop 116 wieder einmal durch den letzten Impuls von der monostabilen Einrichtung 112 umgestellt worden ist, stellt dieser Über den Zeittaktgeber 118 zugeführte Endimpuls den Zähler 32 um 1 Bit zurück und erzeugt an der Stelle 24 in Fig. 1 das Steuersignal für den £ endgültigen Linsenstrom.

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Dieser Wert wird gehalten, bis der Auslöseschalter 112 für die automatische Scharfeinstellung wieder betätigt wird.

Fig. 10 zeigt die Signale vom Mittelstufenzähler 32. Anfänglich sind dies 4-Bit-Stufen. Diese nehmen bis zum Durchgang der Spitze zu, worauf der Zeittaktgeber 118 bewirkt, daß in der Abwärtsrichtung einzelne stufenförmige Zählimpulse erzeugt werden bis zur dritten Umkehr. Dann kann angenommen werden, daß das System scharf einstellt ist,und der Zähler wird um ein Bit vom Richtungs- änderungszähler 114 zurückgestuft.

Feine Schwankungen des Steuersignales für die Scharfeinstellung an der Stelle 24 lassen sich durch Verstellen der Feinsteuerung 12 erzielen.

Patentansprüche ;

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Claims (7)

1. Köln, den 28. Juli 1977 vA.

   Anmelderin: Cambridge Scientific Instruments Limited

   Mein Zeichen: M 70/57 PATENTANSPRÜCHE

   Schaltungsanordnung zum Steuern der Größe eines zum Erzeugen eines Videosignales verwendeten Abtastfleckes und unter Erzeugung eines den Zustand der Scharfeinstellung anzeigenden Signales aus dem Videosignal, gekennzeichnet durch eine Filtereinrichtung (38) zum Ausfiltern des Hochfrequenzanteiles des Videosignales aus dem Gesamtvideosignal, wobei diese Filtereinrichtung eine solche untere Grenzfrequenz aufweist, daß mindestens der Signalgehalt mit einer Frequenz, der gleich der Frequenz der sich wiederholenden Abtastgeschwindigkeit ist, im gefilterten Videosignal völlig fehlt, ein N-Weg-Filter (42), dem das gefilterte Signal zugeführt wird, und eine Schaltung (48) zum Erzeugen eines Durchschnittswertes des Signales vom N-Weg-Filter, wobei das auf diese Weise erzeugte Durchschnittswertsignal das den Zustand der Scharfeinstellung anzeigende Signal ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Verstärker (40) zum Verstärken des gefilterten Signales zum Ausgleich der Verluste in dem Filter (38).
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Integrierschaltung zum Integrieren des den Zustand der Scharfeinstellung anzeigenden Signales über mehrere aufeinanderfolgende Zeitabschnitte zum Erzeugen eines den Mittelzustand der Scharfeinstellung anzeigenden Signales.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Prüf- und Speichereinrichtungen (54, 58) zum Prüfen und Speichern des den mittleren Zustand der Scharfeinstellung anzei-

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   ORIGINAL INSPECTED

   genden Signales, bis ein neuer Mittelzustand dieses Signales erreicht ist im Anschluß an eine Änderung in der Scharfeinstellung des Attastfleckes, eine Vergleichsstufe (56) zum Vergleichen des gespeicherten, den mittleren Zustand der Scharfeinstellung anzeigenden Signales mit einem neuen solchen Signal, und Auswählen des besten der beiden, den mittleren Zustand anzeigenden Signale, ein D-Speicher (34) zum Speichern des ausgewählten Signalwertes und Schaltungseinrichtungen (30, 26, 16, 14)_zum Bewirken einer weiteren Änderung in der Scharfeinstellung zum Erzielen weiterer neuer, den mittleren Zustand der Scharfeinstellung anzeigender Signale zum Vergleich mit dem gespeicherten mittleren Zustand der Scharfeinstellungssignalwerte, und Schaltungseinrichtungen (110, 112, 116, 118) um anzuzeigen, ob der gespeicherte Wert des den Zustand der Scharfeinstellung anzeigenden Signales der bessere Wert von zwei Werten ist, und weitere Schaltungseinrichtungen (112) zum Verhindern eines weiteren Betriebes der Schaltungsanordnung, wenn die beste Scharfeinstellung erreicht ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4 bei Anwendung mit einem Elektronenmikroskop, gekennzeichnet durch Schaltungseinrichtungen (10, 11) zur selbsttätigen Umkehr der Abtastung des Elektronenmikroskopes auf eine Fernsehabtastgeschwindigkeit und die Vergrößerung des Mikroskopes auf einen gegebenen Wert, bevor der Vorgang zur automatischen Scharfeinstellung anläuft.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mit dem Hochpaßfilter in Reihe liegendes Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz, die im Gebiet der vierten Oberwelle des zum Kommutieren des N-Weg-Filters (42) verwendeten Signales liegt.
7. 7. Schaltungsanordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Schaltung (46), mit der dat das N-Weg-Filter kommutierende Signal sich wiederholend in der Phase während jeder Zeilenabtaäperiode mit Signalen modulier" wird, die von den Rasteraustastsignalen abgeleitet werden.

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