JPS6223513B2 - - Google Patents

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JPS6223513B2
JPS6223513B2 JP52066803A JP6680377A JPS6223513B2 JP S6223513 B2 JPS6223513 B2 JP S6223513B2 JP 52066803 A JP52066803 A JP 52066803A JP 6680377 A JP6680377 A JP 6680377A JP S6223513 B2 JPS6223513 B2 JP S6223513B2
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signal pattern
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Ernst Leitz Wetzlar GmbH
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    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
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    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
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  • Closed-Circuit Television Systems (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は三次元対象物の光学的結像の際の焦点
深度範囲の拡大方法並びにそれを実施する装置に
関するものである。
ドイツ特許明細書第2301800から焦点深度範囲
を拡大する方法は公知となつており、その方法で
は第一段階に高さのある対象物を装置の光学軸に
沿つて均一に移動してその各位置で色々の焦点ず
れの像を含む像を合成して対象物の変調像を作り
出し、第二段階に第一段階で得られた変調像を高
空間周波数におけるコントラストの低下を補償す
るために高域フイルターにかける。この公知の方
法の第１段階に行なわれる像の合成は写真板上で
行なわれるか又は対象物の運動が十分早いときに
はビジコン上で行なわれる。対象物の高さ範囲だ
けについて像を合成すると、対象物の各高さの断
層ごとに違つたコントラスト伝達関数を生ずるこ
とになり、各断層ごとに特別に調整された高域パ
スフイルターを用いなければならない。もし合成
範囲が対象物の高さより広い範囲になると、焦点
ずれの像の影響が大であるので、対象物の全ての
高さ位置でほとんど同じコントラスト伝達関数で
結像される、という特性をもつ。コントラスト伝
達関数は高空間周波数Ｓにおいてほぼ１／Ｓに低
下する。この場合合成範囲を対象物の高さを越え
た範囲に拡げることにより１つの高域フイルタを
用いるだけでよいことになる。このようにして高
い空間周波数においてコントラストの低い合成像
は、第二段階では公知の方法でフイルターバツク
される。
フイルターバツクに使用されるフイルターは、
焦点深度の拡大がＶ倍の場合に最大増幅がＶであ
るような、空間周波数の変化に対し直線状に振幅
が増大する周波数特性を有することが必要であ
る。
この方法ではビジコンカメラ信号の例えば電子
的な高域フイルタリングでノイズが生じるのを避
けられないので、拡大可能な焦点深度範囲は10倍
から15倍に限定される。更に対象物は正確に結像
装置の光軸の方向に、速い経過で行なわれなけれ
ばならない。このことは高い装置を用いらなけれ
ばならない。
本発明は焦点深度を任意に拡大でき、暗視野像
から明視野像へ連続的に移動できる改良された方
法及び装置を提供することを課題としている。
本課題は本発明により、断層焦点合せの際に対
象物を多数の違つた高さ位置で焦点合せをしてシ
ヤープな細部とぼけた細部を有する多数の像を作
り出すことと、各像を電気信号パターンに変換す
ることと、該電気信号パターンをフイルタリング
してぼけた細部を除き十分にシヤープな細部のみ
を含む電気信号パターンを通過させることと、フ
イルタリングされた電気信号パターンを集めて前
記フイルターリング段階で通過したシヤープな細
部のみを含む合成像を示す合成電気信号パターン
を作り出すことの各段階を含むことを特徴とする
方法により達成した。
その際フイルタリングは空間周波数の変化に対
する振幅の変化が上昇する振幅特性、好ましくは
ほぼ直線状に上昇する振幅特性を有する１つのフ
イルターにより行なわれることができる。フイル
タリングされた電気信号パターンをフイルター段
階を迂回してフイルタリングされない電気信号パ
ターンとを混合することもできる。この場合混合
割合を変えるようにすることができ、しかも混合
割合を自由に選択できるように形成するのも有利
である。
色々な高さ部分をもつ三次元の対象物の高さ
（光軸方向の位置を指すが、多くは光軸が上下に
延びるので高さと表現する。高さは必ずしも上下
の位置に限定するものではない。）を等間隔の断
層境界により複数の部分層に断層し、各部分層で
焦点合せを行なうことにより断層焦点合せをする
ことが可能である。その際隣りあう断層境界間の
最大間断を普通の、対物レンズ口径と入射光線の
波長に応じて定まる焦点深度と同じに選択するこ
とが好ましい。
本発明に係る方法を実施する装置としては対象
物を担持する対象物テーブルと、対象物を照明す
るランプと、対象物の像を結像する対物レンズと
を包含する焦点深度範囲拡大装置において、前記
対象物テーブルと対物レンズとの間の光軸方向の
相対間隔を変えるためのモータと対物レンズの結
像を電気信号に変換する変換手段）並びに該変換
手段の後にフイルターを介して配置される記憶装
置が設けられ、対象物の複数の異なる断層の像が
合成される装置が使用できる。
本発明の詳細を図面により説明する。
第１図においてブロツク線図により原理的方法
経過が詳しく説明される。光学系の垂直に位置す
る光学軸３に関し色々な深度範囲に細部がある対
象物１が対象物テーブル２上にあり、該対象物テ
ーブルはモータＭにより光学軸３の方向に位置調
節可能に配設されている。移動方向が二重矢印６
により明示されている。結像光学系としてここで
は対物レンズ４を含む顕微鏡筒５が示されてい
る、例えば照明装置としてコンデンサー１０並び
にランプ１１からなる透過照明装置が鎖線で示さ
れている。当然透過照明装置の代りとして例えば
又落射照明装置が暗視野照明装置又は明視野照明
装置等として設けられることができる。対象物１
から出発する像情報は図示された実施例では変向
鏡７を介してビジコンカメラTVに導かれる。モ
ータＭの付勢の際対象物１は光軸方向に均一な間
隔の断層ごとに順次焦点合せをする断層焦点合せ
がなされる。その場合得られるビジコン信号は同
期パルスの分離後にフイルターに送られ、例えば
夫々0.2μの大きさの対象物移動ステツプ毎にビ
ジコン記憶装置に記憶される。この記憶装置には
更にモータＭの運動から導かれる制御パルス９が
送られる。制御パルスはビジコン信号のどの部分
が記憶されるかを定める。夫々対象物深度及び使
用される対象レンブ口径数毎に定まる十分の若干
秒から若干秒までの時間間隔の焦点合せによる断
層焦点合せ後に合成されフイルターされた全像が
モニターに見られる。
夫々のフイルターされない像をフイルターされ
た像に混合するために図に破線で示されるフイル
ターを迂回する導線が存在することができ、該導
線を経てフイルターされない像情報が記憶装置に
達する。その際この導線に調整器８が設けられる
ことができ、該調整器は混合割合を変えることを
許容する。
本発明に係る方法を更に第２ａ図乃至第６ｂ図
により詳細に説明する。本方法は断層焦点合せの
際及び像の合成の際コトンラストが可成り高い空
間周波数において非常に低下するという認識から
出発している。第２ａ図では暗地の上の明点の光
度分布I1が示されている。そのことからこの対象
物の集積後巾広いかさを有する点像を生ずる。光
度分布＜I1＞の経過を第３ａ図が示す。第２ｂ図
には明地の上の暗点の光度分布＜I2＞が示されて
いる。この対象物においては第３ｂ図に曲線＜I2
＞で示されているように集積はしかしコントラス
トを非常に低くする。断層焦点合せの間は対象物
が鋭く結像される短い時間間隔の間以外、すなわ
ち結像する細部のある層の面に焦点が合つている
とき以外は明るいまわりの光がほとんどいつもＸ
＝０の点における露光に寄与するので、焦点が合
つている面から離れる強く焦点がずれた細部は受
信器にコントラストを示す範囲として作用するこ
とが回避される。このことは本発明によると、高
像周波数を高めるフイルターにより像をフイルタ
リングすることにより行なわれる。したがつて焦
点合せされた細部は焦点がずれた部分より強く評
価される。例えば非常に焦点がずれた場合像は単
にぼんやりした灰色の面であり、フイルターはこ
の望まれない信号を阻止する。もし対象物の違つ
た高さ位置、広くは、光軸に沿つた対物レンズか
らの距離が異なる位置を示す）についての像が
次々ととり出され、その際生じる信号が上記の如
く処理されると、三次元対象物の所望の像が得ら
れる。
原則的に述べた方法は数学的に以下の態様で説
明される。
α＝１／２ksin2uの焦点ずれにより焦点がずれた細 部は伝達関数（Ｕ¨bertragungsfunktion） Ｄ（ｓ、α）＝１／２α｜ｓ｜・sin（２α｜ｓ｜―
α s2） (1) により結像される。その際ｕは口径を、ｋはフア
クター２π／λを、ｓは空間周波数を示す。
例えばフイルター関数 Ｆ＝（ｓ）＝２／π｜ｓ｜ (2) でフイルタリングされると、 ＤF＝ｓｉｎ（２α｜ｓ｜―αｓ２）／π・αが得ら
れる。
αについて平均（Mittelung）後 ＜ＤF＞＝∫〓１−〓１ＤF（ｓ、α）ｄα ＝２／πSi〔α１（２｜ｓ｜−s2）〕 が生ずる。
α１が対象物高さより大てあるときは、伝達関
数＜ＤF＞は単に中央面に対してだけ有効なので
はなくほぼ全ての面に有効である。
＜ＤF＞の経過は32倍焦点深度拡大のための例
として与えられるべきである。
第４図にはコントラスト伝達関数（kontrastｕ¨
bertragungsfunktion）の理論的曲線経過が示さ
れており、その際横座標に空間周波数ｓが縦軸に
コントラスト伝達関数＜ＤF＞が表わされてい
る。
零周波数のまわりの非常に狭い範囲の外側では
コントラスト伝達関数は一定である。同じ部分だ
けが分離される。直線状フイルターＦ（ｓ）の場
合には完成像の暗視野特性が得られる。それは断
層焦点合せの際にそのように撹乱的にコントラス
トが低下することは高域フイルターにより阻止さ
れたことから結果を生じている。
暗視野効果が望まれない場合にはフイルターは
又低周波が部分的に通過させられるように寸法決
めされなければならない。実際の通過は又第５ａ
図の逆函数から生ずる。ただ１つのフイルターを
任意の焦点深度拡大のために必要とする簡単な近
似解はフイルタリングされない像の混合である。
このことはフイルターの回転により簡単にされこ
の回転を行なう電気信号の適当な弱化により実現
される。すなわち積分されたコントラスト伝達関
数＜Ｄ＞（第５ａ図）とフイルタリングされた積
分コントラスト伝達関数＜ＤF＞（第５ｂ図）とが
混合され、それにより第５ｃ図に示されているよ
うに暗視野特性なしに全コントラスト伝達関数Ｄ
Nを達成する。
フイルターの寸法決めのために例えば第６ａ
図、第６ｂ図に示されるように違つた可能性が生
ずる。フイルターをその特性曲線が第６ａ図に示
される経過をもつように形成することは可能であ
る。このフイルターを使う場合フイルタリングさ
れない合成像の混合後に明視野像に変えられるこ
とができる高域像が得られる。
第６ｂ図に与えられた特性をもつフイルターの
使用はヒルベルト変換（レリーフ効果）を導く。
フイルタリングされたビデオ信号は慨して負の輝
度に相当する負の電圧を保持する。前記積分の実
際の実現のためにこの負の値は記憶されなければ
ならない。負の信号を回避する可能性は直流電圧
の付加である。
負の信号が一方向直流電圧により、例えば像管
で又は記憶装置内でカツトされると、対象物の変
調像が得られ同様にフイルタリングされた信号の
二方向平衡方向においても変調像が得られる。
この場合断層焦点合せの下に光学系の対物レン
ズとこれに隣接する対象物もしくはこの対象物の
断層境界面との間の間隔の変形を理解すべきであ
る。このような変形は違つた方法で達成される。
一度この間隔が対物レンズの位置の変化により、
他方対象物の光学軸に沿つた位置の変化により達
成される。最後に又対物レンズと対象物の反対方
向の同時位置変化が考えられる。又電子的記憶の
代りにフイルタリングされた個々の像の統合のた
めに写真カメラを使用することも本発明の枠の中
にある。シヤツターを開いてモニターの上で前後
して生じるフイルタリングされた個々の像は写真
的に重ねられる。
フイルタリングすることは慨して二次元的であ
る。多くの場合しかし一次元的フイルターで充分
であり、その為にフイルターは簡単に実現され
る。
本発明の方法を実施するための実施例として光
学的装置が図示され記載されるとき、方法は電子
光学的方法により作動する装置において使用され
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る方法もしくはその方法を
実施する装置の原理的ブロツクダイヤフラム、第
２ａ図は明対象物点の暗地上への座標系で示すグ
ラフ、第２ｂ図は座標等による明地上の暗対象物
点のグラフ、第３ａ図は第２ａ図に示された明対
象物点の積分像の光度経過図、第３ｂ図は第２ｂ
図に示す暗対象物点の積分像の光度経過図、第４
図は32倍焦点深度拡大のためのフイルタリングさ
れ積分された伝達関数の図、第５ａ図は積分伝達
関数の原理、経過図、第５ｂ図はフイルタリング
され積分された伝達関数の原理経過図、第５ｃ図
は第５ａ図と第５ｂ図に示された関数（暗視野特
性なし）の集合からの全コントラスト伝達関数
図、第６ａ図と第６ｂ図は別々のフイルター特性
を示す図である。 １…対象物、３…光学軸、４…対物レンズ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の高さ位置に対し、違つた奥行き範囲を
    もつ三次元像を光学的に結像するときの焦点深度
    範囲を拡大する方法において、断層焦点合せの際
    に対象物を多数の違つた高さ位置で焦点合せをし
    てシヤープな細部とぼけた細部を有する多数の像
    を作り出すことと、各像を電気信号パターンに変
    換することと、該電気信号パターンをフイルタリ
    ングしてぼけた細部を除き十分にシヤープな細部
    のみを含む電気信号パターンを通過することと、
    フイルタリングされた電気信号パターンを集めて
    前記フイルタリング段階で通過したシヤープな細
    部のみを含む合成像を示す合成電気信号パターン
    を作り出すことの各段階を含むことを特徴とする
    方法。 ２ 周波数の増大に従つて振幅が増大するフイル
    ターによりフイルタリングが行なわれることを特
    徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 周波数の増大に従つてほぼ直線状に振幅が増
    大する特性を有するフイルターによりフイルタリ
    ングが行なわれることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項又は第２項に記載の方法。 ４ 所定の高さ位置に対し、違つた奥行き範囲を
    もつ三次元像を光学的に結像するときの焦点深度
    範囲を拡大する方法において、断層焦点合せの際
    に対象物を多数の違つた高さ位置で焦点合せをし
    てシヤープな細部とぼけた細部を有する多数の像
    を作り出すことと、各像を電気信号パターンに変
    換することと、該電気信号パターンをフイルタリ
    ングしてぼけた細部を除き十分にシヤープな細部
    のみを含む電気信号パターンを通過することと、
    フイルタリングして通過した電気信号パターンと
    フイルタリング段階を迂回してフイルタリングさ
    れない電気信号パターンとを混合して合成信号パ
    ターンを作り出すことの各段階を含むことを特徴
    とする方法。 ５ 混合割合が可変でありかつ自由に選択可能で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記
    載の方法。 ６ 断層焦点合せが等間隔の断層境界間の部分層
    で行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項に記載の方法。 ７ ２つの連続する断層境界の最大間隔が普通の
    焦点深度と同じであることを特徴とする特許請求
    の範囲第６項に記載の方法。 ８ 対象物を担持する対象物テーブルと、対象物
    を照明するランプと、対象物の像を結像する対物
    レンズとを包含する焦点深度範囲拡大装置におい
    て、前記対象物テーブル２と対物レンズ４との間
    の光軸方向の相対間隔を変えるためのモータ
    （Ｍ）と対物レンズの結像を電気信号に変換する
    変換手段（TV）並びに該変換手段（TV）の後に
    フイルターを介して配置される記憶装置が設けら
    れ、対象物１の複数の異なる断層の像が合成され
    ることを特徴とする焦点深度範囲拡大装置。 ９ 記憶装置としてビジコン記憶装置が使用され
    ることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載
    の装置。 １０ 記憶装置として磁気記憶装置が使用される
    ことを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の
    装置。 １１ 記憶装置としてデジタル記憶装置が使用さ
    れることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記
    載の装置。
JP6680377A 1976-12-08 1977-06-08 Enlarging focus depth range and device therefor Granted JPS55140805A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2655525A DE2655525C3 (de) 1976-12-08 1976-12-08 Verfahren zur Erweiterung des Schärfentiefebereiches fiber die durch die konventionelle Abbildung gegebene Grenze hinaus sowie Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS55140805A JPS55140805A (en) 1980-11-04
JPS6223513B2 true JPS6223513B2 (ja) 1987-05-23

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ID=5994945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6680377A Granted JPS55140805A (en) 1976-12-08 1977-06-08 Enlarging focus depth range and device therefor

Country Status (4)

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US (1) US4141032A (ja)
JP (1) JPS55140805A (ja)
DE (1) DE2655525C3 (ja)
GB (1) GB1577194A (ja)

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