DE69210140T2

DE69210140T2 - Automatische Scharfstelleinrichtung

Info

Publication number: DE69210140T2
Application number: DE1992610140
Authority: DE
Inventors: David Charles Burgess; Jacqueline Ginestet; Ilya Ravkin; Clive Antony Stubbings
Original assignee: Applied Imaging International Ltd
Current assignee: Leica Microsystems Gateshead Ltd
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1992-08-17
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2012-08-18
Also published as: EP0529458A1; GB9118124D0; EP0529458B1; DE69210140D1

Description

Die gegenwärtige Erfindung betrifft ein automatisches Fokusiersystem.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein automatisches Fokusiersystem bereitzustellen, insbesondere zur Verwendung beim Fokusieren eines Bildanalysiersystems, das zum Analysieren der Natur von Zellen, die auf einer Schieberplatte dargeboten werden, verwendet wird, wobei das System effektiverweise ein Mikroskop umfaßt.
Anfängliche Versuche zum Bereitstellen einer automatischen Fokusierung involvierten die Verwendung eines Strahlaufspaltungszusatzgeräts, das das Bild in drei separate Strahlen aufteilt. Jeder entsprechende Teil des aufgespaltenen Strahls wurde direkt auf einen entsprechenden Bildsensor gerichtet. Ein Sensor war in der Hauptfokusebene eines relevanten Strahls und die anderen beiden Sensoren waren gerade vor bzw. gerade hinter der Hauptfokusebene der entsprechenden Strahlen angeordnet. Ein Fokusfehlersignal wurde dann von den Sensoren hergeleitet, wobei sich das Signal aus einer geeigneten nicht linearen Funktion der Beleuchtung zusammengesetzte, die Hell/Dunkel-Übergänge an den Kanten der Objekte und innerhalb der Objekte favorisierte. Dieses Signal wurde für jeden Sensor über das gleiche Sichtfeld integriert, da, zu jedem Zeitpunkt, der gleiche Bildbereich in Richtung der drei Sensoren geführt werden würde. Das Integral würde maximal für einen Sensor sein, auf den das Bild scharffokusiert ist, und der Wert des Integrals, der von deri Sensoren bereitgestellt wird, die auf gleiche weise außerhalb des Fokus stehen, würde der gleiche sein. Demgemäß könnte die Fokusierung der Anordnung so eingestellt werden, daß der Wert des Integrals, der von dem Hauptsensor abgeleitet wird, maximal sein würde, und der Wert der Integrale, die von den übrigen beiden Sensoren erhalten werden, gleich wäre.
Später wurde eine modifizierte automatische Fokusieranordnung in der europäischen Patentanmeldung 0 163 394 A2 offenbart. In dieser europäischen Beschreibung umfaßt die Fokusiereinrichtung einen Sensoraufbau, der zumindest zwei Felder von Sensoreinrichtungen umfaßt, wobei ein Feld vor der optischen Bildebene und das zweite Feld hinter der optischen Bildebene ist. Die Sensoranordnung hat Linien von Pixelsensorelementen. Eine Differentialkontrastmessung wird von den Pixelelementen des Sensors durchgeführt, was sowohl das Vorzeichen als auch die Größe jedes Fokusfehlers liefert. Dies ermöglicht, den Fokusmotor in die richtige Richtung anzutreiben. Der Differentialkontrast wird zwischen einem Pixel und dem nächstbenachbarten Pixel berechnet. Eine Kontrastmessung wird für eine ausgewählte Anzahl von Pixeln durchgeführt. Der Unterschied zwischen den kontrastierten Pixelwerten wird für ein im Fokus befindliches Bild größer als für ein unscharfes Bild sein. Der Unterschied zwischen den ausgewählten Pixeln wird gemessen, und die großen Werte werden erhöht, beispielsweise durch Anheben des gemessenen Wertes um eine Potenz. Die gemessenen Werte, wenn um eine Potenz angehoben, können aufsummiert werden, um eine Anzeige dafür zu sein, wie gut das Objekt fokusiert ist. Ein Aufbauschen der großen Werte ist notwendig, da, wenn ein außerhalb des Fokus befindliches Bild berücksichtigt wird, eine Anzahl von kleinen Unterschieden sich zu einem Wert aufsummieren könnte, der ähnlich einem großen Signalunterschied ist, der von einem in dem Fokus befindlichen Bild erhalten wird. Das Bild wird dann relativ zu dem Sensoraufbau bewegt (oder der Sensor wird relativ zu dem Bild bewegt), so daß der gleiche Bildbereich nach und nach in Richtung der beiden Felder geführt werden kann. Signale von den beiden Feldern werden abgeleitet, um ein Fokusantriebssignal zu erzeugen. Der Sensor der europäischen Veröffentlichung 0 163 394 A2 ist zusätzlich zu zwei weiteren Ausgängen eines Mikroskops bereitgestellt, von denen einer ein binokulares Okularrohr umfaßt und das andere in der Form einer Kameraöffnung ist, obwohl die Kameraöffnung nicht normalerweise aktiv ist. Somit wird ein Strahlaufspalter benötigt, und drei Strahlen, jeder mit seiner eigenen Fokusebene, werden innerhalb des Mikroskops erzeugt.
DE-A-37 39 223 offenbart ein zweidimensionales Sensorfeld, das eine Vielzahl von Sensoren umfaßt, die das Bild abfühlen können, und ein automatisches Fokusiersystem. Ein komplexes optisches Element, das eine Kombination von Linsen umfaßt, ist in einen Lichtstrahl, der auf das Sensorfeld gerichtet ist, zwischengeschaltet. Die Linsen, die das optische Element bilden, sind aus einen transparenten Material mit einem vorherbestimmten Brechungsindex ausgebildet.
Die gegenwärtige Erfindung probiert, eine verbesserte automatsiche Fokusiervorrichtung zu liefern.
Gemäß dieser Erfindung wird ein automatisches Fokusiersystem zum Fokusieren des Bildes, das von einem konvergierenden Lichtstrahl, auf den Bereich projiziert wird, der durch ein zweidimensionales Sensorfeld festgelegt ist, geliefert, wobei besagtes System besagtes Feld enthält, das eine Vielzahl von Sensoren, die den einfallenden Lichtstrahl zum Bestimmen des Fokuszustandes des darauf projizierten Bildes abfühlen können, und ein optisches Element umfaßt, das in dem Gang besagten konvergierenden Lichtstrahls, der auf das Sensorfeld geführt wird, eingefügt ist, wobei sich das optische Element quer zu dem konvergierenden Strahl ausbreitet und ein transparentes Material mit einem vorherbestimmten Brechungsindex umfaßt, wobei das optische Element zumindest eine Zone einer vorherbestimmten Dicke mit parallelen, planaren oberen und unteren Flächen darbietet, durch welche ein erster Teil des Lichtstrahls hindurchtritt, und eine weitere Zone einer größeren vorherbestimmten Dicke mit parallelen, planaren oberen und unteren Flächen darbietet, durch welche ein zweiter Teil des Lichtstrahls hindurchtritt, wobei das auf das Sensorfeld projizierte Bild drei Bildbereiche umfaßt, einen ersten Bereich, der durch das von besagten ersten Teil des Lichtstrahls projizierte Bild festgelegt ist, einen zweiten Bereich, der durch das von dem zweiten Teil des Lichtstrahls projizierte Bild festgelegt ist, und einen dritten Bereich, der durch das von dem Teil des Lichtstrahls projizierte Bild festgelegt ist, der nicht durch das optische Element hindurchgetreten ist. Das Element kann ein einziges integrales Element sein oder kann zwei Elementteile umfassen, einer umfaßt besagte eine Zone mit einer vorherbestimmten Dicke und das andere umfaßt die besagte weitere Zone mit größerer vorherbestimmten Dicke. Das Element kann drei oder mehr Zonen haben und kann somit eine dünne Zone, eine mittlere Zone und eine dicke Zone darbieten.
Vorzugsweise ist das Element aus Glas hergestellt, das einen hohen Brechungsindex, wie zumindest 1,5, aufweist. Die Verwendung eines einen hohen Brechungsindex aufweisenden Glases minimiert irgendwelche "Schatten", die durch Diskontinuitäten zwischen den verschiedenen Zonen des Elements hervorgerufen werden. Bei einer Ausführungsform weist das Element eine komplette Konfiguration auf, die einen Kreis mit einem durch eine gerade Kante begrenzten, weggeschnittenen Sektor entspricht, wobei besagte weitere Zone von größerer Dicke die Form eines Kreissektors mit dem gleichen Durchmesser und einer geraden Kante aufweist, wobei besagte gerade Kanten parallel verlaufen.
In dieser Ausführungsform kann das optische Element in die Projektionsoptiken eines Mikroskops eingebracht werden, vorzugsweise so, daß es rotationsmäßig einstellbar ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Element quadratisch oder rechteckig, und in dieser Ausführungsform kann das Element direkt an einem Sensorfeld befestigt sein.
Vorzugsweise sind Mittel zum Bestimmen der Schärfe des Bildes in besagtem zweiten Bereich und besagtem dritten Bereich des Bildes und zum Durchführen eines Algorithmus bereitgestellt, um einen Fokuseinstellmechanismus durchzuführen, so daß das Bild im Fokus in dem besagten ersten Bereich ist.
In einem System gemäß der Erfindung kann das Sensorfeld vorzugsweise ein Ausgabesignal liefern, das repräsentativ für das fokusierte Bild ist, wobei das Feld besagtes Ausgabesignal von dem besagten ersten Bereich entwickelt. Es ist somit zu verstehen, daß das Sensorfeld das Hauptausgabesensorfeld, beispielsweise, eines Mikroskops oder einer Kamera umfassen kann. Demgemäß kann die Fokusieranordnung in dem Mikroskop oder der Kamera unter minimalen zusätzlichen Kosten eingebaut werden, da kein Strahlaufteiler notwendig ist und kein separates Sensorfeld benötigt wird.
Damit die Erfindung einfacher verstanden werden kann, und damit weitere Merkmale derselben gewürdigt werden können, wird nun die Erfindung beispielhaft, mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung, beschrieben, wobei
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Glaselements und eines Abbildungsfeldes ist, die dazu gedacht sind, in ein Mikroskop eingepaßt zu werden.
Nunmehr wird sich auf die Zeichnung bezogen, wobei es zu verstehen ist, daß in einem automatischen Fokusiersystern gemäß der Erfindung ein einziges zweidimensionales Abbildungsfeld 1, von welchem Bildinformation zur späteren Verwendung und auch Information zum Erleichtern einer Fokusierung eines dazugehörigen optischen Systems entwickelt wird, dazu gedacht ist, verwendet zu werden. Das optische System enthält ein optisches Element 2, das dem Zweck des Erzeugens von drei Bereichen mit jeweils unterschiedlichen Fokusebenen, in einem einzigen optischen Bild, dient.
Es ist zu verstehen, daß für ein planares Stück Glas, das in einen konvergierenden Lichtstrahl angeordnet ist, die Position des Fokus um eine Menge von (1-1/N)T verschoben ist, wobei N der Brechungsindex des Glases und T die Dicke des Glasstückes ist. Daher ist für Glas mit einem Brechungsindex von 1,5 die Verschiebung des Fokus (1/3)T.
Es ist somit realisiert worden, daß, wenn ein Teil eines Bildes durch ein Glasstück einer vorherbestimmten Dicke hindurchtritt, die Position des Fokus dieses Strahlengangs des Bildes um eine vorherbestimmte Menge verschoben sein wird. Somit liefert das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ein optisches System 2, das aus einem transparenten Glasstück besteht, das an eine Position anzuordnen ist, die sich quer zu einen konvergierenden Strahl, wie schematisch durch den Pfeil 3 dargestellt, erstreckt. Das Glasstück umfaßt, jedoch, eine Hauptzone 4 einer vorherbestimmten Dicke und eine andere Zone 5 von einer größeren Dicke. Vorzugsweise ist die Dicke der Zone 5 doppelt so groß wie die Dicke der Zone 4. Das Element 2 weist eine planare Unterfläche auf. Jede Zone 4 und 5 weist eine planare Oberfläche auf, die parallel zu der Unterfläche ist.
Das optische Element 2 kann so ausgestaltet sein, daß nur ein Teil des optischen Strahls 3 durch das optische Element 2 hindurchtritt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat das optische Element einen Außenumfang eines Kreises, von dem ein Segment weggeschnitten ist. Daher ist ein Teil des Umfangs des Elements ein Kreisteil 6, und ein Teil wird durch eine gerade Seite 7 begrenzt. Die Zone 5, die von doppelter Dicke wie der Hauptzone ist, ist auch in der Form eines Kreissegments, wobei das Kreisteil des Umfangs der Zone 5 zu dem Kreisumfang 6 ausgerichtet ist und die lineare Seite 8 der Zone 5 im wesentlichen parallel zu der besagten linearen Seite 7 ist. Die lineare Seite 8 ist senkrecht zu den Oberflächen der Zonen 4 und 5. Die Zone 5 ist dazu ausgewählt, von einer geringeren Größe als die Zone 4 zu sein.
Es ist zu verstehen, daß ein Lichtstrahl 3, der durch das optische Element 2 hindurchtritt, auf den Detektor 1 in drei unterschiedlichen Bereichen auftreffen wird. In dem ersten Bereich 9 wird das Licht nicht durch das optische Element hindurchgetreten sein und wird somit eine nominelle Fokusebene aufweisen. In dem zweiten Bereich 10 wird das Licht durch die Hauptzone 4 des optischen Elements hindurchgetreten sein und wird eine optische Ebene aufweisen, die um (1/3)T verschoben ist, wenn der Brechungsindex des Glases 1,5 ist und die Dicke der Zone 4 T beträgt. In dem Bereich 11 des Bildes ist der Strahl durch die Zone 5 des optischen Elements hindurchgetreten und somit wird die Fokalebene um (2/3)T verschoben sein. Daher, wenn die Fokusieranordnung so eingestellt ist, daß das Bild in dem Bereich 10, das durch die einfache Dicke des Glases in der Zone 4 des optischen Elements 2 hindurchtritt, im Fokus in der Ebene des Sensorfelds 2 ist, wird das Bild in dem Bereich (1/3)T auf einer Seite der Bildebene fokusiert sein, und wird das Bild in dem Bereich 11 (1/3)T auf der anderen Seite der Bildebene fokusiert sein. Ein Fokusieralgorithmus, wie in der europäischen Veröffentlichung Nr. 163 394 A2 offenbart, kann dann verwendet werden, um ein Fehlerfokuskorrektur signal herzuleiten. Bei diesem Algorithmus wird das Bild und der Sensor relativ zueinander bewegt, so daß derselbe Bildbereich verwendet wurde in den beiden Bereichen, von denen einer optisch hinter und der andere optisch vor der Fokusebene ist. Im Gegensatz hierzu werden bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung verschiedene Bereiche des Bildes in den verschiedenen Bereichen 9, 10 und 11 auf dem Sensorfeld gegenwärtig sein. Es wird, jedoch, geglaubt, daß der Fokusieralgorithmus in einer zufriedenstellenden Weise arbeiten wird, trotz der Tasache, daß unterschiedliche Bildbereiche vorliegen.
Das optische Element 2 ist dazu gedacht, in einer räumlich getrennt von dem Bildbereich 1 angeordneten Position, beispielsweise, an der Stopposition des Felds der Projektionsoptiken, angeordnet zu sein. Es ist zu verstehen, daß das optische Element in, oder nahe bei, der Fokusebene in dem optischen Weg angebracht sein sollte. Das Element 2 ist vorzugsweise so angebracht, daß es rotationsmäßig eingestellt werden kann, um die gewünschte Position zu haben, wobei die linearen Seiten zu den Pixelreihen in dem Sensorfeld ausgerichtet sind.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das optische Element Rechteckform aufweisen, so daß es direkt an das optische Feld angeklebt werden kann. Wenn das optische Element an das Sensorfeld angeklebt wird, muß sorgfältig aufgepaßt werden, um sicherzustellen, daß die linearen Seiten (äquivalent zu den Seiten 7 und 8) zu den Pixelreihen, die in dem Sensorfeld vorliegen, ausgerichtet sind.
Es ist bevorzugt, ein Glas zu verwenden, das einen Brechungsindex aufweist, der so groß wie möglich ist. Dies führt dazu, daß die Zonen 4 und 5 so dünn wie praktizierbar sind. Dies bedeutet, daß die vertikale Stufe zwischen den Zonen so klein wie möglich ist, während dennoch die gewünschte Fokusseparation aufrechterhalten wird. Dies minimiert irgendwelche Schatten, die ansonsten von den Seitenkanten 7 und 8 hervorgerufen werden können, was effektiv Diskontinuitäten hervorruft. Irgendwelche Schatten können auch dadurch minimiert werden, daß diese Kanten in einer höchstmöglichen Qualität hergestellt werden. Die Kanten, die irgendwie rauh oder unregelmäßig sind, werden zu der Erzeugung von Schatten führen.
Während die Erfindung mit Bezug auf ein Mikroskop beschrieben worden ist, ist es zu verstehen, daß die Erfindung viele unterschiedliche Anwendungen finden kann. Viele Modifikationen können durchgeführt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen festgelegt, abzuweichen.

Claims

1. Automatisches Fokusiersystem zum Fokusieren des Bildes, das von einem konvergierenden Lichtstrahl (3) auf den Bereich projiziert wird, der durch ein zweidimensionales Sensorfeld (1) festgelegt ist, wobei besagtes System besagtes Feld (1) enthält, das eine Vielzahl von Sensoren, die den einfallenden Lichtstrahl zum Bestimmen des Fokuszustandes des darauf projizierten Bildes abfühlen können, und ein optisches Element (2) umfaßt, das in dem Gang besagten konvergierenden Lichtstrahls (3), der auf das Sensorfeld (1) geführt wird, eingefügt ist, wobei sich das optische Element quer zu dem konvergierenden Strahl ausbreitet und ein transparentes Material mit einem vorherbestimmten Brechungsindex umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) zumindest eine Zone (4) einer vorherbestimmten Dicke mit parallelen, planaren oberen und unteren Flächen darbietet, durch welche ein erster Teil des Lichtstrahls hindurchtritt, und eine weitere Zone (5) einer größeren vorherbestimmten Dicke mit parallelen, planaren oberen und unteren Flächen darbietet, durch welche ein zweiter Teil des Lichtstrahls hindurchtritt, wobei das auf das Sensorfeld (1) projizierte Bild drei Bildbereiche umfaßt, einen ersten Bereich (10), der durch das von besagtem ersten Teil des Lichtstrahls projizierte Bild festgelegt ist, einen zweiten Bereich (11), der durch das von dem zweiten Teil des Lichtstrahls projizierte Bild festgelegt ist, und einen dritten Bereich (9), der durch das von dem Teil des Lichtstrahls projizierte Bild festgelegt ist, der nicht durch das optische Element hindurchgetreten ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das besagtes optische Element (2) aus Glas hergestellt ist, das einen hohen Brechungsindex aufweist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Glases zumindest 1,5 beträgt.

4. System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes optische Element (2) eine komplette Konfiguration aufweist, die einem Kreis (6) mit einem durch eine gerade Kante (7) begrenzten, weggeschnittenen Sektor entspricht, wobei besagter weitere Bereich größerer Dicke (5) die Form eines Kreissektors mit dem gleichen Durchmesser und einer geraden Kante (8) aufweist, wobei besagte gerade Kanten (7, 8) parallel sind.

5. System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, das in einem Mikroskop ausgeführt ist, wobei besagtes optische Element in den Projektionsoptiken des Mikroskops angebracht ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes optische Element (2) so angebracht ist, daß es rotationsmäßig einstellbar ist.

7. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes optische Element quadratisch oder rechteckig ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes optische Element (2) direkt an dem Sensorfeld (1) befestigt ist.

9. System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Bestimmen der Schärfe des Bildes in besagtem zweiten Bereich (11) und besagtem dritten Bereich (9) des Bildes und zum Durchführen eines Algorithmus zum Steuern eines Fokuseinstellmechanismus bereitgestellt sind, so daß das Bild in dem besagten ersten Bereich (10) im Fokus ist.

10. System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorfeld ein Ausgabesignal liefern kann, das für das fokusierte Bild repräsentativ ist, wobei das Feld das besagte Ausgabesignal von besagtem ersten Bereich (10) entwickelt.