DE4105001A1 - Verfahren und einrichtung zur scharfeinstellung eines optischen abbildungs-systems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Scharfein­ stellung eines optischen Abbildungs-Systems durch schrittweises Einstellen des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Objektiv, bis für die jeweils ermittelten Schärfewerte des Objektivs ein Maximum erzielt wird.

Verfahren und Einrichtung zur Scharfeinstellung eines optischen Abbildungs- Systems sind überall dort einsetzbar, wo Abbildungs-Systeme äußerst genau auf nahezu zweidimensionale Oberflächen, z. B. Bildvorlagen, fokussiert werden müssen. Darüber hinaus sind Verfahren und Einrichtung besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn es darum geht, einen voreingestellten Fokussier­ zustand bei einer Fokus-Nachkorrektur optimal einzustellen.

Verfahren und Einrichtungen zur Scharfeinstellung eines optischen Abbildungs-Systems und zur Ermittlung des Fokussierzustandes sind schon in den verschiedensten Anwendungsbereichen und Ausführungsformen bekannt. So sind für die verschiedenen Problembereiche, die sich aus der Art des Objektes, das zweidimensional oder dreidimensional und kontrastarm oder kontrastreich sein kann, aus dem gewünschten Schärfetiefenbereich und aus den zeitlichen Anforderungen und die Durchführung des Verfahrens ergeben, bereits Lösungen angegeben worden. So ist aus der DE-PS 31 41 182 eine Einrichtung zum Bestimmen des Fokussierzustandes eines optischen Abbildungs-Systems bekannt, die die Ermittlung des Fokussierzustandes des Abbildungs-Systems derart ermöglicht, daß eine von kurzfristigen Objektiv­ bildveränderungen weitgehend unabhängige, stabilisierte Ermittlung des Fokussierzustandes gewährleistet ist. Hierzu wird eine Speicher- und Auswerteschaltung vorgeschlagen, die jedoch eine Vielzahl von Schritten vorzieht und auf das spezielle Problem ausgerichtet ist.

Für den Bereich der selbstfokussierenden Mikroskope ist bereits vorgeschlagen worden, mit Hilfe eines Sensors von jedem Bildpunkt einer zumeist dreidimen­ sionalen Vorlage die Helligkeitsdifferenz zu seinen beiden Nachbarpunkten zu bilden und diese Helligkeitsdifferenzen für sämtliche Bildpunkte aufzuaddie­ ren, dann anschließend den Abstand des Objektes vom Objektiv zu verstellen und erneut die genannte Summe zu bilden, um dann denjenigen Abstand aus­ zuwählen, bei dem die zugeordnete Summe ein Maximum wird (DE-OS 33 40 647).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem insbesondere bei Kenntnis eines zu erwartenden Fokusbereiches ein vorgegebener Fokuswert schnell und sicher korrigiert werden kann und ein Objekt-Objektiv-Abstand mit einem optimalen Schärfewert automatisch einstellbar ist.

Außerdem soll erreicht werden, bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art die Bedienung und damit die praktische Anwendung zu erleichtern und dazu eine selbsttätige Scharfeinstellung mit hoher Genauigkeit und großer Zuverlässigkeit vorzunehmen, so daß eine schnelle Anpassung an eine geän­ derte Vorlage und ggf. geänderten Durchmesser einer Bildträgertrommel möglich ist. Insbesondere soll es möglich werden, den Fokus an einem Arbeits­ vorbereitungsgerät zu ermitteln und auf einen Scanner zu übertragen, ohne daß beide Geräte die hohe Absolutgenauigkeit aufweisen müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist. Weiterhin wird eine entsprechende Einrichtung vorgeschlagen.

Durch eine digitale Verarbeitung können auch geringere Unterschiede, wie sie bei einer genauen Einstellung auftreten, zuverlässig verarbeitet und gespei­ chert werden, wobei durch die Quadrierung eine optimale Bewertung möglich ist. Große Differenzen werden so bei der Summenbildung höher bewertet als kleine. Aus den Schärfewerten ergibt sich, welcher der dazugehörenden Fokussierzustände besser wird und in welcher Richtung eine weitere Verbes­ serung zu erwarten ist. Wenn das Maximum der Schärfeeinstellung über­ schritten ist, wird der Schärfewert kleiner und es folgt die erfindungsgemäße Auswertung und Einstellung. Für die Annäherung an das gewünschte Opti­ mum des Fokussierzustandes können auch anfangs größere und später klei­ nere Schritte gewählt werden, bis der Differenz-Schärfewert einen bestimm­ ten Grenzwert unterschreitet; dadurch wird angezeigt, daß der Fokussier­ zustand wenigstens stark angenähert den Optimalwert erreicht hat. Zweck­ mäßig wird für den Abschnitt, der zur Ermittlung des Schärfewertes abgetastet wird, ein kleines Stück einer Abtastzeile verwendet, das z. B. etwa 512 Bild­ punkte lang ist. Eine besondere Auswahl der Bildpartie ist nur in Spezialfällen nötig, da das Verfahren und die Einrichtung so konzipiert sind, daß im allge­ meinen einfach ein Abschnitt in der Bildmitte gewählt werden kann. Dabei haben sich Bildpartien mit feiner Modulation (z. B. Stoffmuster) besonders bewährt. Gut geeignet sind auch schwarze Flächen auf Filmvorlagen, da dort die Möglichkeit besteht, auf das Filmkorn scharfzustellen.

Der Abschnitt der Abtastzeile kann bei einer Aufsicht-Bildvorlage etwa 15 mm lang sein oder bei einer Durchsicht-Bildvorlage etwa 10 mm lang. Selbstver­ ständlich sind Abweichungen von diesen Angaben im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich. Während für eine manuelle Einstellung des Schärfe­ wertes innerhalb des für das Ermitteln des Schärfewertes abgetasteten Bereiches möglichst mehrere, sich deutlich unterscheidende Bildeinzelheiten vorhanden sein sollten, ist dies bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise nicht notwendig, da eine entsprechend gestaltete Einrichtung die Bewertung der Bildvorlage als Objekt anders und unabhängig von den Kriterien des menschlichen Auges vornimmt.

Die Praxis hat ergeben, daß für die Gewinnung des Schärfewertes die Hellig­ keitssignale des Rot-Kanals besonders geeignet sind, da der hieraus abgelei­ tete Cyan-Auszug bei der Verwertung der abgetasteten Bildvorlage für eine Bildwiedergabe im Zusammendruck den Schärfeeindruck am meisten beein­ flußt. Wichtig ist auch der Magenta-Auszug, während der Gelb-Auszug für die Gewinnung des Schärfewertes von untergeordneter Bedeutung ist.

Die Abtastung wird zweckmäßig bei kleiner Abtastblende des Abbildungs- Systems vorgenommen, damit kleine Details aufgelöst werden können und mit ihren Helligkeitsänderungen zum Tragen kommen. Dabei sollte die Abtastung bei vorgegebener geringer Tiefenschärfe des Abbildungs-Systems, d. h. bei voll geöffneter Blende des Objektivs, vorgenommen werden, so daß sich kleine Änderungen des Fokussierzustandes, insbesondere kleine Änderungen des Abstandes zwischen Bildvorlage und optischem System, möglichst stark auf den Schärfewert auswirken.

Der Fokussierzustand kann mittels wenigstens eines Motors, z. B. eines Schritt­ motors, geändert werden. Der Schrittmotor hat dabei eine sehr kleine Schritt­ weite, so daß die Vorstellung praktisch stufenlos erfolgen kann. Dadurch ist auch eine definierte Zuordnung zwischen dem Fokussierzustand und dem er­ haltenen Schärfewert möglich. Darüber hinaus kann auch eine Verstellung mittels eines Piezo-Antriebes möglich sein, die völlig stufenlos arbeitet und schnell und weich wirksam werden kann.

Zweckmäßig wird der Fokussierzustand um Schritte von 0,5 bis 0,25 mm, vorzugsweise 0,3 mm, nachgestellt. Insbesondere bei Annäherung an das Optimum können die Nachstellschritte bis auf 2 µm (0,002 mm) verkleinert sein.

Vor dem ersten Ermitteln des Schärfewertes kann der Fokussierzustand des Abbildungs-Systems zweckmäßig auf einen bestimmten Anfangswert einge­ stellt werden, der z. B. in der Nähe des für die Scharfeinstellung zu erwarten­ den Wertes liegt. Eine solche Einstellung auf einen Anfangswert kann auch manuell, z. B. unter Beobachtung des abgetasteten Bildes, vorgenommen werden, so daß zur Zeiteinsparung eine längere Verstellung in einem unschar­ fen Zustand nicht erforderlich ist.

Es kann auch das Einstellen auf wenigstens annähernd maximale Schärfe an verschiedenen Stellen der Bildvorlage vorgenommen werden, und die Koordi­ natenwerte jeder dieser Stellen sowie die zugehörigen Fokussierzustände können dann gespeichert werden, derart, daß beim Abtasten einer Bildvorlage der Fokussierzustand selbsttätig nachgestellt werden kann. Das kann dann Bedeutung haben, wenn sich die Lage der Fläche der Bildvorlage im abzu­ tastenden Bereich ändert, etwa dadurch, daß die Trägerwalze exzentrisch oder die Achse der abzutastenden Fläche nicht exakt gerade ist, sondern etwas durchhängt. Durch selbsttätige Nachsteuerung des Fokussierzustandes kann dem Rechnung getragen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die zusammenwirkenden Teile und Signalveränderungsstufen, zum Teil schematisch oder in Schaltstufen,

Fig. 2 die Verarbeitung zur Herstellung und Auswertung der Schärfesignale mit mehr Einzelheiten, und

Fig. 3 eine grafische Darstellung.

Eine Abtasttrommel 10 einer Einrichtung 11 zum Bestimmen des Fokussier­ zustandes ist um eine Welle 12, deren Lagerung nicht dargestellt ist, drehbar und wird von einem Motor 13 gemäß dem auf der linken Stirnseite aufgezeich­ neten Pfeil in RY-Drehrichtung angetrieben. Ein am anderen Ende der Welle 12 angebrachter Koordinatengeber 14 liefert an die Leitung 15 ein Koordinaten- Signal, das der Abtastung im Abtastfenster 16 auf der Vorlage 17 in einer, auf der Vorderseite der Abtasttrommel 10 von unten nach oben verlaufenden Y-Richtung entspricht. Das elektronische Abtastfenster legt dabei den Bereich der Vorlage fest, der reproduziert werden soll.

Vor der Abtasttrommel 10 ist für die Abtastung in einer, von links nach rechts parallel zur Welle 12 verlaufenden X-Richtung schematisch, d. h. insbesondere ohne weitere mechanische Lagerungen, ein Vorschubschlitten 18 angeordnet, der durch einen Motor 19 mittels einer Spindel 20 parallel zur Welle 12 an der Abtasttrommel 10 entlang bewegt wird. Ein Koordinatengeber 21 liefert an eine Leitung 22 entsprechende X-Koordinaten-Signale.

Auf dem Vorschubschlitten 18 ist ein optoelektronisches Abtastorgan 25 angeordnet, das in seinem Abstand gegenüber der Oberfläche der Abtast­ trommel 10 auf Gleitstangen 26 und 27 geführt wird und mittels einer von einem Motor 28 angetriebenen Spindel 29 in Z-Richtung verschoben werden kann.

Der zum Abtastorgan 25 gehörende Strahlenkegel 30 soll im fokussierten Zustand die Helligkeit eines Bildpunktes 31 der Vorlage 17 innerhalb des Abtastfensters 16 erfassen, die auf einer Abtastlinie 32 liegt. Die dabei erhaltenen Farbmeßwertsignale für Rot, Grün und Blau werden über Lei­ tungen 33r, 33g, 33b einem A/D-Wandler 34 zugeführt, der über die Signal­ former-Stufe 35 digitale Farbdaten R, G und B für die weitere Signalverar­ beitung liefert.

Die Farbmeßwertsignale R, G und B auf den Leitungen 33r, 33g und 33b wer­ den über den A/D-Wandler 34 in 12 Bit-Farbdaten digitalisiert und in der Sig­ nalformer-Stufe 35 aufbereitet, z. B. logarithmiert und einem Weiß-Abgleich unterzogen. Die an den Ausgang gelieferten Farbmeßwertsignale R, G und B werden weiter verarbeitet, z. B. einer Farbkorrektur unterzogen, und können dann einem nicht dargestellten Rekorder oder einem anderen Aufzeichnungs­ gerät zugeführt werden.

Das Abtastfenster 16 auf der Vorlage 17 bestimmt für den abzutastenden Bereich die Koordinaten, wobei in axialer Richtung der linke Rand mit X1 und der rechte Rand mit X2 sowie in Umfangsrichtung, entgegen der Drehrichtung RY, der untere Rand mit Y1 und der obere Rand mit Y2 bezeichnet sind.

Für die gewünschte Fokus-Einstellung auf größte Bildschärfe wird im Abtast­ organ 25 eine kleine Abtast-Blende in den Strahlengang gebracht, die z. B. einen Abtastpunkt 31 von 0,02 mm Durchmesser bewirkt. Diese Abtast-Blende kann auch für den von Zeit zu Zeit erforderlichen Weiß-Abgleich Anwendung finden, um die Farbmeßwertsignale R, G und B für die weitere Verarbeitung einzustellen.

Die Abtast-Blende für die Abtastung, insbesondere für die Erstellung eines Farbauszuges (Jobblende) ergibt sich aus der Maßstabsberechnung und ist in der Regel größer als die Abtast-Blende für die Fokuskorrektur. Der voranste­ hende angesprochene Weiß-Abgleich geschieht mit der Jobblende.

Für die Einstellung des Fokussierzustandes muß mit dem Abtastpunkt 31 ein Abschnitt der Bildvorlage abgetastet werden, der in der Fig. 1 dem mittleren Teil 36 der Bildlinie 32 entspricht, wobei der Mitte dieses Abschnitts 36 am Punkt 31 die Koordinatenwerte X3 und Y3 zugeordnet werden können. Diese Koordinatenwerte können einer zentralen Steuereinheit 38 eingegeben wer­ den, an deren Eingänge einerseits die Leitung 22 mit dem Wert der jeweiligen X-Koordinate und die Leitung 15 mit dem Wert der jeweiligen Y-Koordinate angeschlossen sind und die über eine Ausgangsleitung 39 die Motorsteuerung 40 für die X-Verstellung durch den Motor 19 auf den gewünschten Wert X3 steuert.

Am Ausgang für die Farbdaten R der Signalformer-Stufe 35 wird über eine Leitung 41 eine Signal-Bearbeitungsstufe 42 angesteuert, von deren Ausgang über eine Rechenstufe 43 und eine Leitung 44 die Motorsteuerung 45 für den Fokus-Verstellmotor 28 betätigt wird.

Die Fokussierung wird vom Eingang Z3 über die Steuereinheit 38, eine Leitung 46, die Motorsteuerung 45 und den Motor 28 auf einen Anfangswert einge­ stellt. Dieser Wert kann in irgendeiner Weise von einem Speicher vorgegeben sein; es ist auch möglich, über einen von Hand betätigten Regler eine manuelle Einstellung vorzunehmen, wobei gleichzeitig die Schärfe in einer nicht darge­ stellten Bild-Wiedergabeeinrichtung visuell beurteilt wird.

Über eine Verbindung 47 werden von der zentralen Steuereinheit 38 einer Speicher-Steuereinheit 48 die mit der Trommeldrehung laufenden Signale des Y-Koordinatengebers 14 und des vorgegebenen Koordinatenwertes Y3 des Punktes 31 zugeführt und außerdem ein Bereichssignal 49, das den Abschnitt 36 für die Ermittlung des Schärfewertes bestimmt.

Von der Speicher-Steuereinheit 48 wird dann die Signal-Bearbeitungsstufe 42 so gesteuert, daß von den Farbdaten R nur der dem Abschnitt 36 entsprechen­ de Teil an eine Rechenstufe 43 durchgelassen wird. Die Speicher-Steuereinheit 48 bestimmt dazu den erforderlichen Schreibtakt und einen Schreibbefehl.

Die verwerteten Farbdaten R umfassen 512 Bildpunkte der Bildlinie 32 ent­ sprechend einer Bildlinienlänge von 10 mm im Bereich des Koordinatenwertes Y3; sie werden in den Bildlinien-Speicher der Signal-Bearbeitungsstufe 42 ein­ geschrieben. Wenn die Höhe des Abtastfensters 16 kleiner ist, wird auch die Zahl der Bildpunkte für den Abschnitt 36 niedriger gewählt.

Der Bildlinien-Speicher in der Signal-Bearbeitungsstufe 42 hat z. B. eine Kapa­ zität von 512 · 9 Bit. Da die Farbdaten 12 Bit haben, werden somit nur die hochwertigen Bits in den Bildlinien-Speicher übernommen. Der Bildlinien- Speicher in der Signal-Bearbeitungsstufe 42 ist vorzugsweise ein FIFO-Speicher (First In/First Out), bei dem die Daten nacheinander eingegeben werden und die zuerst eingegebenen Daten auch zuerst wieder am Ausgang auftreten. Die Farbdaten R werden dann der Rechenstufe 43 zugeführt, in der die Differenz der Farbdaten R eines Bildpunktes zu den Farbdaten des vorangehenden Bildpunktes gebildet und quadriert wird und die so gewonnenen Quadrate summiert werden, wobei die Summe dieser Quadrate über einen Abschnitt 36 gebildet wird und den Schärfewert darstellt.

Mittels des Motors 28 wird nun über die Spindel 29 der Fokus um einen bestimmten Wert dZ in einer beliebigen Richtung verstellt. Die Größe von dZ kann mittels eines über die Leitung 50 der Rechenstufe 43 zugeführten Veränderungssignals bestimmt werden, das über die Leitung 44 der Motor­ steuerung 45 zugeführt wird. Dann wird ein neuer Schärfewert gebildet, und je nachdem, ob dieser größer oder kleiner ist als der frühere Schärfewert,wird ein positives oder negatives Veränderungssignal dZ der Motorsteuerung 45 zugeführt derart, daß eine Verstellung in Richtung auf eine größere Schärfe erfolgt. Wenn der Maximalwert der Schärfe überschritten ist, kann der Ver­ stellwert dZ verringert werden, z. B. von anfangs 0,3 mm auf 0,15 mm. Gege­ benenfalls kann die Fokuseinstellung in verschiedenen Richtungen wiederholt werden, bis wenigstens annähernd die maximale Schärfe eingestellt ist.

Der Verlauf des Schärfewertes in Abhängigkeit von der Fokus-Einstellung Z bildet eine Kuppe, deren Scheitel der maximalen Schärfe entspricht. Diese Kurve kann bei drei Meßpunkten durch einen Kreis und bei mehr Meßpunkten durch eine Parabel zweiten oder höheren Grades, mit vertikaler Achse angenä­ hert werden. Wenn somit außer einem höchsten Meßwert noch wenigstens je ein davor- und dahinterliegender Meßwert festgestellt ist, läßt sich durch ein Rechenprogramm der Scheitel einer Näherungskurve bestimmen und die Fokus-Einstellung darauf vornehmen, wobei allerdings bei Verwendung eines Schrittmotors in der Regel nur eine angenäherte Einstellung möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Näherungskurve und zur Festlegung des Punktes bzw. Abstandes mit maximaler Schärfe wird nachste­ hend noch eingehender erläutert.

Für die Ermittlung der optimalen Schärfeeinstellung kann nicht nur ein Abschnitt 36 einer Bildzeile in der Mitte des Abtastfensters 16 verwendet werden, sondern eine entsprechende Schärfeermittlung ist auch in jedem anderen Bereich möglich. Insbesondere dann, wenn die Oberfläche des Abtastfensters 16 nicht genau auf einer Zylinderoberfläche gegenüber der Welle 12 liegt oder wenn die Abtasttrommel 10 etwas exzentrisch auf der Welle sitzt oder auch wenn die Abtasttrommel 10 nicht exakt einer Zylinderoberfläche entspricht, sondern etwas in der Mitte durchhängt, kann es zweckmäßig sein, an wenigstens einer anderen Stelle des Abtastfensters 16 eine Schärfeermitt­ lung vorzunehmen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Abtasttrommel 10, insbesondere bei einseitiger Einspannung zunächst am gegenüberliegenden Ende etwas durchhängen kann, was sich jedoch nach kurzer Einlaufzeit durch Selbstzentrierung aufhebt. Der ermittelte Einstellwert Z für die Fokusein­ richtung kann dann in einer der Stufen 42, 43 oder 48 gespeichert werden, derart, daß während einer Abtastung einer Vorlage die Fokussierung etwas nachgestellt wird. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, den Motor 28 durch einen Piezo-Antrieb zu ergänzen, mit dem stufenlose Änderungen, gegebenenfalls mit höherer Geschwindigkeit, also auch während einer Trom­ mel-Umdrehung möglich sind.

Fig. 2 gibt Schaltstufen wieder, die im wesentlichen in der Signal-Bearbeitungs­ stufe 42, der Rechenstufe 43 und der Speicher-Steuereinheit 48 der Fig. 1 wirksam sind.

Die Farbdaten R des Rot-Kanals werden von der Leitung 41 einer Schalterstufe 53 zugeführt. Die Intervallstufe 54 wird vom Y-Koordinaten-Signal von der Leitung 15, von dem Y3-Koordinatenwert des Punktes 31 über die Leitung 47 und von dem Y-Bereichssignal 49 angesteuert. Über die Leitungen 55 und 56 werden der Schalterstufe 53 Steuerwerte zugeführt, welche die Farbdaten R der Abtastlinie 32 vom Anfang des Abschnittes 36 bis zu seinem Ende zur Speicherstufe 57 durchlassen, und dort gespeichert. Die gespeicherten Farbda­ ten R werden von der Vergleicherstufe 58 Bildpunkt für Bildpunkt abgerufen, und zwischen den Farbdaten R aufeinanderfolgender Bildpunkte wird das Differenz-Signal gebildet und in der nachfolgenden über eine Leitung 59 angeschlossenen Quadrierstufe 60 quadriert.

Die so erhaltenen Quadrate werden vom Ausgang der Quadrierstufe 60 über eine Leitung 61 einer Addierstufe 62 zugeführt, in der die Quadrate der Differenz-Signale von der Leitung 61 über die vorgesehene Anzahl von Bild­ punkten, die durch die Intervallstufe 54 gegeben ist, summiert werden.

Die so erhaltene Summe ergibt das Schärfesignal des betreffenden abgeta­ steten Abschnittes und wird am Ende des Summations-Intervalles einer Schär­ fewertstufe 64 zugeführt und dort festgehalten. Wenn diese Zuführung er­ folgt ist, wird über eine Steuerung 54 ein Vorbereitungssignal an die Schalter­ stufe 53 gegeben, wodurch diese bei den nächsten, vom Abtastorgan 25 gelie­ ferten Farbdaten R wieder den betreffenden, zum Abschnitt 36 gehörenden Farbdaten-Bereich aufnimmt und an die Speicher-Stufe 57 weitergibt. Der Schärfewert von der Stufe 64 wird einer zweiten Vergleicherstufe 66 zugeführt, in der die Schärfewerte aufeinanderfolgender Abtastungen vergli­ chen werden. Die so erhaltenen positiven oder negativen Differenzwerte werden über eine Leitung 67 einer Auswertestufe 68 zugeführt. Je nachdem, ob dieser Differenzwert positiv oder negativ ist, wird ein entsprechender positiver oder negativer Verstellwert dZ über die Leitung 44 der Motorsteu­ erung 45 zugeführt. Anfangs ist für dZ ein bestimmter Wert vorgesehen, der eine Verstellung in größeren Stufen bewirkt. Wenn bei Annäherung an das Maximum des Schärfewertes die Schärfewert-Differenzen kleiner werden, kann in der Auswertestufe 68 eine Umstellung vorgenommen werden, derart, daß dann nur noch eine Verstellung mit kleineren Werten dZ erfolgt, wobei der veränderte Wert mittels eines Veränderungssignals 50 vorher von außen eingegeben sein kann. Alle Stufen werden von einer zentralen Steuereinheit 69 gesteuert.

Im Rahmen der Erfindung können die einzelnen Funktionen, insbesondere Speicherung und Vergleich, auch in anderer Weise in Funktionsstufen zusammengefaßt sein, als diese voranstehend beschrieben und im Aus­ führungsbeispiel dargestellt sind.

Um die Fokuseinstellung bzw. Fokuskorrektur vorzunehmen, indem der Abstand zwischen der Abtastvorlage und dem Objektiv so eingestellt wird, daß eine maximale Schärfe erreicht wird, ist erfindungsgemäß ein spezielles Einstell- bzw. Korrekturverfahren vorgesehen, um möglichst schnell die optimale Einstellung zu erreichen. Das Verfahren ist dabei universell einsetz­ bar, es wird jedoch im vorliegenden Fall davon ausgegangen, daß bereits bei der Vorbereitung des Abtastvorganges in einer gesonderten Vorrichtung im Rahmen der Arbeitsvorbereitung zu einer Abtasttrommel, auf der mindestens eine Abtastvorlage angeordnet worden ist, ein Einstellwert für die Optik ermittelt worden ist. Dieser Voreinstellwert für die Optik als Fokuswert wird zusammen mit einem ganzen Datensatz ermittelt, der auch die anderen Ein­ stellgrößen für eine Abtasteinrichtung enthält. Dies hat den Vorteil, daß die Rüstzeit der Abtastvorrichtung minimiert wird, so daß bei Vornehmen des nachfolgend dargestellten Einstell- bzw. Korrekturvorgangs mit wenigen Schritten die optimale Schärfeeinstellung erreicht wird.

Im einzelnen ist dabei vorgesehen, daß ausgehend von dem in der Arbeits­ vorbereitung ermittelten Startwert für den Abstand zwischen Objektiv und Objekt ein Schärfewert ermittelt wird. Es wird dann der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Objekt in jeweils beide Verstellrichtungen um einen Schritt mit einer ersten großen Schrittweite durchgeführt und zu den beiden auf einer gedachten Schärfekurve rechts und links vom vorgegebenen Abstandwert liegenden Abstandswerten jeweils die entsprechenden Schärfewerte ermittelt. Unter Verwendung dieser drei Schärfewerte und ausgehend von der Erfah­ rung, daß sich die Schärfewerte über dem Verstellbereich des Objektives gemäß einer mathematischen Kurve, beispielsweise gemäß einer Parabel verteilen, werden die drei erhaltenen Punkte als drei Punkte der mathema­ tischen Kurve betrachtet. Mit mathematisch üblichen Verfahren wird die entsprechende Kurve berechnet, d. h. es wird ihre Funktionsgleichung ermittelt. Sodann wird der Abstandswert ermittelt, bei dem das Schärfe- Maximum vorliegt. Dabei ist es nicht nötig, den konkreten Schärfe-Maximal­ wert zu ermitteln, da nur der entsprechende Abstandswert für das Objektiv gesucht ist. Dann wird zur Kontrolle dieser Abstandswert angefahren, der Schärfewert ermittelt, und es wird überprüft, ob der Schärfewert größer ist als die Schärfewerte der drei Ausgangspunkte. Wenn dies der Fall ist, wird festge­ stellt, daß das Maximum erfolgreich ermittelt werden konnte (Fig. 3). Andern­ falls wird das Einstellverfahren abgebrochen.

Der auf diese Weise ermittelte Schärfewert liegt bereits im Bereich des maxi­ malen Schärfewertes. Das liegt daran, daß aufgrund der Abtastung einer zwei­ dimensionalen Vorlage, d. h. einer Vorlage, die im wesentlichen keine dicken Unterschiede aufweist, die Anordnung der Schärfewerte über dem Verstell­ bereich hinsichtlich des Abstandes Objekt-Objektiv sich entlang einer Näherungskurve verteilen, deren Scheitelbereich durch eine nach unten offene Parabel oder Hyperbel angenähert werden kann. Hierbei handelt es sich um den Verlauf der Schärfewerte über dem Verstellbereich des Abstandes Objekt- Objektiv. Es muß dann nur mit möglichst wenigen Schritten das Maximum fest­ gestellt werden, wobei die Ermittlung mit wenigen Schritten erreichbar ist, da durch die vorgenommene Voreinstellung der Bereich schon in etwa vorgege­ ben ist und sich Abweichungen vom Voreinstellwert ohnehin nur in geringem Maße und aufgrund der voranstehend erläuterten Einflüsse ergeben.

Es hat sich herausgestellt, daß die sich ergebende Kurve V der Schärfewerte S über den Einstellwerten R des Abstandes zwischen dem Objektiv und dem Objekt durch eine nach unten offene Parabel angenähert werden kann. Daher werden zwei Abstandspunkte R1, R2 ausgehend von dem Abstandspunkt Ro bzw. Fokuseinstellwert des bisherigen Schärfewertes festgelegt, und zwar in jeder Verstellrichtung, wobei in jeder Verstellrichtung ein Schritt mit einer großen Schrittweite von 0,15 mm vom Abstandspunkt Ro gewählt wird. Als Sicherheitskriterium wird geprüft, ob beide Punkte in einem vorgegebenen möglichen Verstellbereich liegen, um sicherzustellen, daß das Objektiv nicht in die Vorlage hinein verstellt wird und es so zu Beschädigungen kommt. Falls nicht beide Punkte in dem vorgegebenen Verstellbereich liegen, werden die Schrittweiten entsprechend verkleinert und es wird erneut geprüft, ob dann alle Punkte in dem vorgegebenen Verstellbereich VS liegen. Wenn dies der Fall ist, werden die Schärfewerte S1, S2 bei den zwei vorgegebenen Abstandspunk­ ten R1, R2 ermittelt. Diese dann vorliegenden Schärfewerte So, S1, S2 werden als Punkte der mathematisch erfaßbaren Näherungskurve für die Kurve V angesehen, und es wird mit an sich bekannten Mitteln die mathematische Funktionsgleichung dieser Näherungskurve ermittelt. Sodann wird der Abstandswert Rmax, der dem Scheitelpunkt der Parabel oder Hyperbel zuzuordnen ist, ermittelt, wobei der zum Scheitelpunkt zugehörige Einstell­ wert des Objekt-Objektivabstandes dem Einstellwert entspricht, in dem aller Wahrscheinlichkeit nach auch der maximale Schärfewert liegt. Diese Zusam­ menhänge sind in Fig. 3 rein qualitativ dargestellt, wobei der Abstand Objektiv-Objekt als Abstandsradius R des Objektivs von der Drehachse der Abtasttrommel gesetzt wurde, auf der das Objekt befestigt ist.

Auf diese Weise läßt sich der Einstellwert mit dem größten Schärfewert ermitteln und einstellen.

Insgesamt kann der Ablauf als Anwendung folgender Schritte charakterisiert werden:

• a) Ermittlung eines ersten Schärfewertes bei einem vorgegebenen Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv,
• b) Veränderung des Abstandes um jeweils einen Schritt mit einer ersten (großen) Schrittweite in beide Verstellrichtungen und Ermittlung der Schärfewerte, so daß insgesamt drei Schärfewerte vorliegen.
• c) Annahme der drei Schärfewerte als Punkte einer mathematischen Kurve zweiter, dritter oder höherer Ordnung als Funktion der Schärfewerte über dem Verstellbereich des Abstandes Objekt-Objektiv,
• d) Ermittlung der Koeffizienten der entsprechenden Kurve mit an sich bekannten geometrischen oder mathematischen Schritten in Form der Funktionsgleichung der Kurve,
• e) Ermittlung des Scheitelpunktes der Kurve durch Ermittlung des diesem zugeordneten Verstellwertes des Abstandes Objekt-Objektiv, und
• f) Einstellung des ermittelten Verstellwertes.

Mit dieser Vorgehensweise kann mit wenigen Schritten das Objektiv optimal scharfgestellt werden. Die Erfindung nutzt dabei die voranstehend schon angegebene und überraschenderweise aufgefundene Feststellung aus, daß sich bei Abtastvorlagen im Gegensatz zu den Problemen bei der Schärfeein­ stellung von beispielsweise Fotoapparaten oder Mikroskopen oder anderen optischen Geräten die Schärfewerte entlang eines vorher ermittelbaren Näherungsbereiches verteilen, so daß hier auf die bei anderen Verfahren oftmals vorzusehenden zusätzlichen Schritte und Prüfungsmaßnahmen im wesentlichen verzichtet werden kann.

Bevorzugterweise kann noch vorgesehen werden, daß ein Prüfungskriterium eingebaut wird, das beispielsweise darin bestehen kann, daß überprüft wird, ob der zuletzt ermittelte Schärfewert, der ja den Maximalschärfewert darstellt, größer ist als alle anderen vorher ermittelten Schärfewerte. Damit kann sicher­ gestellt werden, daß der optimale Schärfewert eingestellt worden ist.

Um die Verfahrenssicherheit noch zu erhöhen, kann noch vorgesehen werden, daß nach Durchführung des Verfahrensschrittes der Ermittlung der Schärfe­ werte bei den beiden Abstandspunkten gemäß Schritt b) zunächst geprüft wird, ob die beiden Schärfewerte kleiner sind als der ermittelte beste Schärfewert gemäß Schritt a) und bei Nichterfüllung Neustart mit einer vergrößerten ersten großen Schrittweite, und andernfalls Fortsetzung des Verfahrens.

Zusätzlich oder alternativ kann noch vorgesehen werden, daß nach Durchfüh­ rung des Verfahrensschrittes der Ermittlung des zum Scheitelpunkt gehörigen Verstellwertes gemäß Schritt b) zunächst der zugehörige Schärfewert ermittelt und geprüft wird, ob die beiden Schärfewerte bei den beiden Abstandspunk­ ten gemäß Schritt b) kleiner sind als der zum Scheitelpunkt zugehörige Schär­ fewert und bei Nichterfüllung ein Abbruch des Verfahrens und Auslösung einer Abbruchanzeige, und andernfalls der Fortsetzung des Verfahrens vorge­ nommen wird.

Claims (18)

1. Verfahren zur Scharfeinstellung eines optischen Abbildungs-Systems durch schrittweise Einstellung des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Objektiv, bis für die jeweils ermittelten Schärfewerte des Objektes ein Maximum erzielt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Ermittlung eines ersten Schärfewertes bei einem vorgegebenen Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv,
• b) Veränderung des Abstandes um jeweils einen Schritt mit einer ersten (großen) Schrittweite in beide Verstellrichtungen und Ermittlung der Schärfewerte, so daß insgesamt drei Schärfewerte vorliegen,
• c) Annahme der drei Schärfewerte als Punkte einer mathematischen Kurve zweiter, dritter oder höherer Ordnung als Funktion der Schärfewerte über dem Verstellbereich des Abstandes Objekt- Objektiv,
• d) Ermittlung der Koeffizienten der entsprechenden Kurve mit an sich bekannten geometrischen oder mathematischen Schritten in Form der Funktionsgleichung der Kurve,
• e) Ermittlung des Scheitelpunktes der Kurve durch Ermittlung des diesem zugeordneten Verstellwertes des Abstandes Objekt- Objektiv, und
• f) Einstellung des ermittelten Verstellwertes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durch­ führung des Verfahrensschrittes der Ermittlung der Schärfewerte bei den zwei Abstandspunkten gemäß Schritt b) zunächst geprüft wird, ob die zwei Schärfewerte kleiner sind als der ermittelte erste Schärfewert gemäß Schritt a) und bei Nichterfüllung Neustart gemäß Schritt b) mit einer vergrößerten ersten großen Schrittweite, und andernfalls Fortsetzung des Verfahrens.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchführung des Verfahrensschrittes der Ermittlung des zum Scheitelpunkt gehörigen Verstellwertes gemäß Schritt e) zunächst der zugehörige Schärfewert ermittelt und geprüft wird, ob die zwei Schärfewerte bei den zwei Abstandspunkten gemäß Schritt e) und der Schärfewert gemäß Schritt a) kleiner sind als der zugehörige Schärfe­ wert und bei Nichterfüllung Abbruch des Verfahrens und Auslösung einer Abbruchanzeige, und andernfalls Fortsetzung des Verfahrens.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der Schärfewerte bei einer Bildvorlage (17) als Objekt

• a) den Fokussierzustand angebende Bildsignalwerte durch optisch- elektrische punkt- und zeilenweise Abtastung einer Bildvorlage (17) gewonnen werden,
• b) die Bildsignalwert-Differenzen zwischen dem Bildsignalwert jedes Bildpunktes und dem Bildsignalwert des benachbarten Bildpunktes gebildet werden, und
• c) die Bildsignalwert-Differenzen quadriert und die quadrierten Bildsignalwert-Differenzen aufsummiert werden, wobei die gebil­ deten Summenwerte die Schärfewerte sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Schärfewerte nur die Bildsignalwerte eines Abschnitts (36) einer abgetasteten Zeile der Bildvorlage (17) herangezogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (36) etwa 512 Bildpunkte lang ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (36) bei einer Aufsichts-Bildvorlage (17) etwa 15 mm lang ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (36) bei einer Durchsichts-Bildvorlage (17) etwa 10 mm lang ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abtastung einer Farbvorlage (17) das Farbsignal des Rot- Kanals für die Ermittlung der Schärfewerte verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ermittlung der Schärfewerte nur die hochwertigen Bits der digitalisierten Bildsignalwerte herangezogen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abtastung bei kleiner Blende des Abbildungs-Systems (25) vorgenommen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abtastung bei minimaler Schärfentiefe des Abbildungs- Systems (25) vorgenommen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Fokussierzustand des Abbildungs-Systems (25) mittels wenigstens eines Schrittmotors (28) geändert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Fokussierzustand des Abbildungs-Systems (25) mittels eines Piezo-Antriebes geändert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß der Fokussierzustand des Abbildungs-Systems (25) vor dem Ermitteln des ersten Schärfewertes auf einen Anfangswert (Z3) voreingestellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ fangswert (Z3) in einer separaten Einrichtung (Arbeitsvorbereitungs- Gerät) ermittelt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß das Einstellen auf wenigstens annähernd maximale Schärfe an verschiedenen Stellen der Bildvorlage (17) vor der eigentlichen Abtastung der Bildvorlage (17) vorgenommen wird, daß die Koordi­ natenwerte jeder Stelle und die zugehörigen Fokussierzustände gespeichert werden und daß bei der eigentlichen Abtastung der Bildvorlage (17) der Fokussierzustand jeweils selbsttätig eingestellt wird, sobald der Vorlagenbereich um die betreffende Stelle der Bildvorlage (17) abgetastet wird.

18. Einrichtung zur Scharfeinstellung eines optischen Abbildungs-Systems durch Einstellen eines Abstandes zwischen einer Bildvorlage als Objekt und einem Objektiv, bestehend aus einer Stelleinrichtung (28; 45) für das Objektiv und einem optisch-elektrischen Abtastkopf (25) zur Gewinnung von den Fokussierzustand angebenden Bildsignalen durch punkt- und zeilenweise Abtastung der Bildvorlage (17), gekennzeich­ net durch eine an den Abtastkopf (25) und die Stelleinrichtung (28; 45) angeschlossene Signal-Verarbeitungsschaltung (42; 43; 48), in der von den Bildsignalwerten der Bildpunkte mindestens eines Abschnitts (36) einer Zeile jeweils die Differenzwerte zu den Bildsignalwerten der benachbarten Bildpunkte gebildet und quadriert werden, in der die quadrierten Differenzwerte aufsummiert und als Schärfewerte verwendet werden, in der der Schärfewert einer Abtastung der Bildvorlage (17) und der Schärfewert einer bei geändertem Fokussier­ zustand vorgenommenen nachfolgenden Abtastung verglichen werden und in der jeweils aus der ermittelten Schärfewert-Differenz ein Korrektursignal für den Fokussierzustand des Abbildungs-Systems abgeleitet und der Stelleinrichtung (28; 43) zugeführt wird, wobei mittels des Korrektursignals der Fokussierzustand in Richtung auf eine Vergrößerung des Schärfewertes um einen bestimmten Schritt nachgestellt wird und das Ermitteln der Schärfewert-Differenzen und das Nachstellen des Fokussierzustands so lange wiederholt wird, bis die momentane Schärfewert-Differenz einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.