-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildaufnahme mit erweitertem
Tiefenschärfebereich,
insbesondere und nicht einschränkend
im Zuge der mikroskopischen Abtastung einer Probe, mit einer Verstelleinheit
für eine
Optikeinheit, und mit einer Steueranlage, welche die Verstelleinheit
und ggf. die Optikeinheit steuert.
-
-
Im
Rahmen der
DE 102
33 639 A1 geht es um einen optischen Bildscanner mit einstellbarem Fokus,
welcher einen optischen Kopf aufweist, der mit Linsen und einem
Fotosensor ausgerüstet
ist. Der Abstand des optischen Kopfes relativ zu einer Oberfläche lässt sich
variieren. Als Folge hiervon kann ein Primärbrennpunkt für die Linsen
stufenlos bewegt oder aus einem von mehreren alternativen Primärbrennpunkten
ausgewählt
werden.
-
Daneben
ist es durch die
DE
10 2004 008 714 A1 bei einer Objektivsteuerung bekannt,
einen Bildschirm mit einer Anzeige eines Aufnahmesystems auszurüsten. Dabei
wird eine Distanzskala auf dem Bildschirm angegeben, welche die
aktuelle Fokusposition und einen Indikator wiedergibt. Zusätzlich zeigt
der Bildschirm eine zuvor bereits durch eine Autofokusoperation
erhaltene Fokusposition unter Verwendung einer Markierung an.
-
Die ältere aber
nicht vorveröffentlichte
Schrift
DE 103 59
780 A1 betrifft ein Verfahren zur optischen Bilderfassung.
Dabei wird das erhaltene Bild aus mehreren Teilbildern zusammengesetzt.
Zu diesem Zweck wird eine Anzahl von Messpunkten auf dem Objekt
in der Aufnahmeebene des optischen Systems festgelegt. Dann wird
ein Höhenprofil
des Objektes aus für
jeden Messpunkt ermittelten Schärfeebenen
berechnet. Anschließend
werden die Teilbilder durch Abrasterung des Objektes aufgenommen.
-
Im
Rahmen der
DE 195
02 472 A1 geht es ebenfalls um ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Aufnehmen eines Objektes. Zu diesem Zweck wird eine Struktur
auf das Objekt projiziert und wird das Objekt in mehreren Ebenen
bzw. Schärfeebenen senkrecht
zur Beobachtungsrichtung aufgenommen. Für jede Ebene wird der Kontrast
benachbarter Bildbereiche bestimmt. Bildbereiche maximaler Kontraste
werden aus den verschiedenen Ebenen ausgewählt und als Kontrastmaximumbild
zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung gestellt.
-
Die
bekannten Vorgehensweisen haben sich grundsätzlich bewährt, wenn es darum geht, beispielsweise
unterschiedlich scharfe Bereiche einer mikroskopischen Probe abbilden
zu wollen. Allerdings werden unverändert verschiedene Einzelbilder zur
Verfügung
gestellt, die im Rahmen einer beispielsweise nachträglichen
Bildbearbeitung aufwendig gespeichert und bearbeitet werden müssen. Außerdem stehen
immer nur Einzelbilder zur Betrachtung zur Verfügung. Ganz abgesehen davon,
lassen sich Abbildungsfehler nicht ausschließen. – Hier setzt die Erfindung
ein.
-
Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges
Verfahren zur Bildaufnahme mit erweitertem Tiefenschärfenbereich
so weiter zu entwickeln, dass die Betrachtungsmöglichkeiten und die anschließende Bildverarbeitung
vereinfacht sind und Abbildungsfehler vermieden werden. Auch soll eine
besonders geeignete Vorrichtung geschaffen werden.
-
Zur
Lösung
dieser technischen Problemstellung ist Gegenstand der Erfindung
ein Verfahren zur Bildaufnahme mit erweitertem Tiefenschärfenbereich,
insbesondere im Zuge der mikroskopischen Abtastung einer Probe,
mit einer Verstelleinheit für eine
Optikeinheit, und mit einer Steueranlage, welche die Verstelleinheit
und gegebenenfalls die Optikeinheit steuert, wobei
- – die
Steueranlage einen variierbaren Fokusstellbereich für die Optikeinheit
vorgibt und als Folge hiervon mehrere Einzelbilder mit unterschiedlich kontrastreichen
Sektionen aufnimmt sowie zu einem Gesamtbild aus den jeweils kontrastreichsten
Sektionen der Einzelbilder in Echtzeit erzeugt, und wobei
- – dass
jeweils aufgenommene Einzelbild zunächst unter Rückgriff
auf eine gemessene oder angenommene optische Übertragungsfunktion entfaltet
und erst dann hinsichtlich seines Kontrastes ausgewertet wird.
-
Erfindungsgemäß arbeitet
die Optikeinheit folglich mit unterschiedlichen Foki, die von der
Steueranlage vorgegeben werden. Zu jedem Fokuswert des Fokusstellbereiches
wird nun ein Einzelbild aufgenommen. Dabei lässt sich der Fokusstellbereich, welcher
in Millimetern oder auch Zentimetern angegeben werden kann, beispielsweise äquidistant
oder mit variierendem Abstand unterteilen, so dass hieraus eine
Vielzahl von Fokuswerten resultiert, die jeweils zu einem Einzelbild
korrespondieren.
-
Diese
Einzelbilder werden nun hinsichtlich ihres Kontrastes in der Steueranlage
untersucht, wobei die jeweils kontrastreichsten Sektionen des jeweiligen
Einzelbildes ermittelt und zu dem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
Der vorgenannte Prozess läuft
hierbei so schnell ab, dass das Gesamtbild in Echtzeit – also live – auf einer
Anzeigeeinheit, beispielsweise einem Bildschirm, wiedergegeben werden
kann.
-
Üblicherweise
wird der variierbare bzw. variable Fokusstellbereich der Optikeinheit
maschinentechnisch so umgesetzt, dass die Optikeinheit mit einem
Stelltrieb in Z-Richtung als Verstelleinheit ausgerüstet ist.
Bei diesem Stelltrieb handelt es sich nicht einschränkend um
einen solchen, welcher mit zwei unterschiedlichen Stellmotoren arbeitet.
Tatsächlich
wird man meistens einen Grobstellmotor und einen Feinstellmotor
realisieren.
-
Der
Grobstellmotor sorgt dafür,
dass die Optikeinheit so weit verfahren wird, dass sich das zu untersuchende
Objekt in etwa im Brennpunkt befindet. Mit dem Feinstellmotor wird
nun die Optikeinheit in Z-Richtung hin- und herbewegt, und zwar
beispielsweise dergestalt, dass der Feinstellmotor eine Wobbelbewegung
oder auch Sinusbewegung ausführt. – Grundsätzlich kann
auf den Grobstellmotor natürlich auch
verzichtet werden, wenn die Grobverstellung (welche zumeist im Zentimeterbereich
erfolgt) manuell vorgenommen wird.
-
Der
obligatorische Feinstellmotor sorgt nun dafür, dass die angefahrene und
zur groben Schärfe gehörige Z-Position
der Optikeinheit variiert wird, und zwar in beiden Richtungen. Gleichzeitig
wird die Fokusebene hin- und herbewegt. Hierfür hat sich ein Piezoantrieb
als besonders geeignet erwiesen, weil er die erforderlichen Stellwege
im Millimeterbereich bzw. Mikrometerbereich präzise absolvieren kann und zugleich
praktisch verzögerungsfrei
arbeitet und sich problemlos von der Steueranlage beaufschlagen lässt. Selbstverständlich sind
auch andere Antriebsarten, beispielsweise ein reversibler Schrittmotor
inklusive Getriebe, etc. denkbar.
-
Der
Piezoantrieb ermöglicht
jedoch in Verbindung mit der Steueranlage, dass beispielsweise bis
zu 100 (Einzel-)Bilder/Sekunde oder noch mehr aufgenommen werden
können.
Dabei wird man in der Regel ein Einzelbild an jeder Z-Position bzw.
bei jedem zugehörigen
Fokuswert innerhalb des Fokusstellbereiches registrieren. Selbstverständlich werden
von der Erfindung auch Varianten dergestalt umfasst, dass mehrere
Einzelbilder je Z-Wert bzw. Fokuswert eine Aufnahme erfahren. Jedenfalls
folgt aus der angegebenen Bildaufnahmerate von beispielsweise 100
Bildern/Sekunde für
die Einzelbilder, dass ein Gesamtbild in Echtzeit mit erweitertem
Tiefenschärfenbereich
angezeigt werden kann. Denn die 100 Einzelbilder im Beispielfall
lassen sich unmittelbar hinsichtlich ihrer jeweils kontrastreichsten
Sektionen untersuchen und auf diese Weise zu dem Gesamtbild zusammensetzen.
-
So
ist es denkbar, aus beispielsweise jeweils fünf Einzelbildern das Gesamtbild
aufzubauen, wobei die Einzelbildaufnahme jeweils eine Dauer im Millisekundenbereich
(im Beispielfall 5 Millisekunden) beansprucht und die anschließende Verarbeitung
noch einmal ca. 100 Millisekunden, so dass im Endeffekt Gesamtbilder
in Echtzeit vorliegen. Diese Gesamtbilder sind durch einen erweiterten
Tiefenschärfebereich
gekennzeichnet, weil die jeweils schärfsten bzw. kontrastreichsten
Sektionen der Einzelbilder ausgewählt und zu dem Gesamtbild zusammengesetzt
worden sind.
-
Bekanntermaßen drückt die
Schärfentiefe bzw.
Tiefenschärfe
die Ausdehnung einer Raumzone (der abzubildenden Probe) aus, welche
vom Objektiv bzw. der Optikeinheit scharf abgebildet wird. Diese scharfe
Abbildung korrespondiert zu einem besonders ausgeprägten Kontrast
bzw. zu hohen Kontrastwerten, die ihrerseits die Grauwertabweichungen
von einem Mittelwert abbilden. Je größer die (mittlere quadratische)
Abweichung einzelner Grauwerte vom Mittelwert des Grauwertes ist,
um so größer ist
der Kontrast im jeweiligen Einzelbild. Der Kontrast lässt sich
folglich mathematisch bzw. softwaremäßig durch entsprechende Rechenoperationen
bzw. Texturanalysen der Probe ermitteln. Genauso wird im Übrigen auch
bei der optionalen Autofokussierung vorgegangen, um die grobe Schärfeneinstellung
mit Hilfe des Grobstellmotors vorzunehmen.
-
Jedenfalls
steht als Ergebnis ein Gesamtbild in Echtzeit bzw. Livebild der
untersuchten Probe oder allgemein eines Objektes zur Verfügung, welches
im Idealfall über
die gesamte Bildfläche
gesehen eine scharfe Abbildung der Probe bzw. des Objektes wiedergibt,
und zwar auch dann, wenn die Probe oder das Objekt über eine
dreidimensionale Ausdehnung verfügt.
Nach konventionellem Verständnis
würde man
hier nämlich
nur einzelne scharf abgebildete Bereiche erwarten, die unter Berücksichtigung
der Tiefenschärfe
in der Nähe
der Fokusebene liegen. Dadurch, dass erfindungsgemäß dieser
Tiefenschärfebereich
erweitert wird, weil die Fokusebene mit dem Feinstellmotor gleichsam
hin- und herbewegt wird, treten in dem aus den kontrastreichsten
Sektionen der Einzelbilder zusammengesetzten Gesamtbild nun idealerweise
keine unscharfen Bereiche mehr auf.
-
Dabei
ist es zusätzlich
denkbar, den Verstellbereich für
den Feinstellmotor in Abhängigkeit
von der Topologie der untersuchten Probe bzw. des Objektes vorzugeben.
So wird man meistens so vorgehen, dass die beispielsweise in einem
vorgeschalteten Schritt abgetastete "Höhe" des Objektes bzw.
der Probe den Verstellbereich des Feinstellmotors vorgibt bzw. mit
diesem gleichgesetzt wird. Meistens kann der Verstellbereich des
Feinstellmotors auch geringere Werte als die "Höhe" der Probe annehmen, und
zwar jeweils um den Tiefenschärfebereich
der Optikeinheit an beiden Grenzen reduziert.
-
Die
Einzelbilder werden regelmäßig zu einem
sog. Einzelbildstapel zusammengefasst. Dieser korrespondiert zu
einer gleich bleibenden Position der Optikeinheit in zumeist X-
und Y-Richtung. Üblicherweise
wird aus dem betreffenden Einzelbildstapel das gewünschte Gesamtbild
zusammengesetzt. Sofern eine Vielzahl an Einzelbildstapeln an unterschiedlichen
Probenpositionen aufge nommen wird, können auch kombinierte Gesamtbilder
beobachtet und wiedergegeben werden.
-
In
diesem Zusammenhang lässt
sich die Probenposition in X-/Y-Richtung per Stelltrieb von der Steueranlage
vorgeben, indem beispielsweise ein zugehöriger und die Probe aufnehmender
Probentisch von dem Stelltrieb bewegt wird. Das kann entlang eines
vorgegebenen Pfades erfolgen. Nach bevorzugter Ausführungsform
ist es aber auch möglich, den
Probentisch manuell zu bewegen. Das hat den Vorteil, dass der Betrachter
subjektive Verweildauern an einer Probenposition in X-/Y-Richtung
bei der Aufnahme des zugehörigen
Einzelbildstapels erzeugt. Diese Verweildauer kann beispielsweise
zur Steuerung der Anzahl an Einzelbildern genutzt werden. Üblicherweise
wird man bei großer
Verweildauer die Anzahl der aufgenommenen Einzelbilder für den Einzelbildstapel
steigern. Gleichzeit lässt
sich über
die Verweildauer der Verstellbereich bzw. Fokusstellbereich der
Optikeinheit vorgeben. Bei einer großen Verweildauer wird man meist
mit dem maximal möglichen Fokusstellbereich
bzw. Verstellbereich des Feinstellmotors arbeiten, um eine lückenlos
scharfe Bildaufnahme bei der Herstellung des Gesamtbildes zu erzielen.
Außerdem
mag die Verweildauer die Fokussiergeschwindigkeit beeinflussen,
also diejenige Geschwindigkeit, mit der der Feinstellmotor von der Steueranlage
bei seiner sinusförmigen
oder wobbelförmigen
Bewegung beaufschlagt wird. Schließlich ermöglicht die Verweildauer die
Bestimmung auswertungsrelevanter Probenbereiche. Hierbei geht die
Erfindung von der Erkenntnis aus, dass ein Bediener erfahrungsgemäß diejenigen
Probenbereiche länger untersucht,
die ihn besonders interessieren, oder für die nachfolgende Analyse
von besonderer Bedeutung sind. Hierzu korrespondiert eine verlängerte Verweildauer,
die in der Steueranlage aufgenommen und beispielsweise nachträglich in
einem kombinierten Gesamtbild Berücksichtigung finden kann.
-
So
ist es möglich,
die aus den jeweiligen Einzelbildstapeln gewonnenen Gesamtbilder
jeweils mit einer Markierung oder der Angabe der zugehörigen Verweildauer
zu flankieren. Das Gleiche gilt, wenn aus den jeweiligen Gesamtbildern
ein kombiniertes Gesamtbild zusammengesetzt wird. Hier lassen sich durch
Angabe der Verweildauern bzw. entsprechende Markierung besonders
die Bereiche grafisch hervorheben, die vom Bediener bei der Bildaufnahme vertieft
beachtet worden sind. Derartige Informationen sind hilfreich für die anschließende Analyse
und ermöglichen
es, den Weg der Probenbetrachtung des Bedieners quasi nachzuzeichnen.
-
Der
vorerwähnte
Prozess zur Auswahl der kontrastreichsten Sektion des Einzelbildes
lässt sich dadurch
noch optimieren, dass das jeweils aufgenommene Einzelbild – vor dessen
Kontrastuntersuchung – zunächst entfaltet
und erst dann hinsichtlich seines Kontrastes ausgewertet wird. Hierbei
geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass das jeweils aufgenommene
Einzelbild letztlich als Faltungsprodukt des jeweils "wahren" Objektbildes mit
einer Übertragungsfunktion
anzusehen ist. Beispielsweise lässt
sich jeder dreidimensionale Punkt des aufgenommenen Einzelbildes
g(x), wobei x eine dreidimensionale Raumkoordinate darstellt, wie
folgt schreiben: g(x) = f(x)·h(x). (1)
-
Dabei
stellt f(x) die zugehörige
Raumkomponente des "wahren" Objektbildes bzw.
des Urbildes dar und h(x) die angesprochene Übertragungsfunktion. Die Übertragungsfunktion
h(x) berücksichtigt sämtliche
Abbildungsfehler, welche das Urbild f(x) verändern. Mit dem "*" ist wie üblich eine Faltung gekennzeichnet,
also ein spezieller und auf die jeweiligen Grauwerte bzw. das Grauwerthistogramm
wirkender mathematischer Operator (vgl. das Buch "Bildverarbeitung
für Einsteiger" von B. Neumann, Springer
Verlag, 2004, Seiten 53 ff.).
-
Die Übertragungsfunktion
h(x) stellt sich bei einem Mikroskop üblicherweise als (dreidimensionale)
Punktspreizfunktion (point spread function PSF) oder auch als Punktübertragungsfunktion
dar oder kann durch eine solche angenähert werden. Diese Punktspreizfunktion
bzw. Punktübertragungsfunktion beschreibt
die Lichtausbreitung eines einzelnen Lichtpunktes, im vorliegenden
Fall eines Punktes des Urbildes durch die Optikeinheit bis hin zur
Aufzeichnungseinheit. Dabei nimmt die Punktspreizfunktion je nach
Ausprägung
der Optikeinheit und des zu untersuchenden Objektes in der Regel
die Gestalt eines Doppelkegels oder einer "Sanduhr" an. Die Punktspreizfunktion hängt daneben
noch von der Wellenlänge
des für
die Untersuchung eingesetzten Lichtes und der Probenposition ab.
-
Da
das jeweils aufgenommene Einzelbild als Kollektiv an Lichtpunkten
des Urbildes aufgefasst werden kann, spielen bei der Abbildung dieser
Lichtpunkte selbstverständlich
jeweils zugehörige
und ggf. unterschiedliche Punktspreizfunktionen je Lichtpunkt eine
Rolle. Um nun etwaige sich aus dieser Punktspreizfunktion bzw. allgemein
der Übertragungsfunktion
ergebende Abbildungsfehler auszugleichen, schlägt die Erfindung vor, das jeweilige
Einzelbild zu entfalten. Hierzu wird eine gemessene oder angenommene
optische Übertragungsfunktion
h(x) berücksichtigt
bzw. in die Gleichung (1) eingesetzt. Dazu lassen sich verschiedene
Methoden realisieren. Beispielsweise kann die Übertragungsfunktion h(x) in
einem vorgeschalteten Verfahrensschritt gemessen werden, in dem
das Bild eines (Öl-)
Tröpfchens
mit einer Größe unterhalb
der optischen Auflösung
aufgenommen und analysiert wird. Selbstverständlich lassen sich auch andere
Referenzproben einsetzen, um die optische Übertragungsfunktion festzulegen.
-
Diese
zuvor gemessene Übertragungsfunktion
wird nun in der Gleichung (1) berücksichtigt und führt über einen
Entfaltungsprozess auf das Urbild bzw. "wahre" Objektbild respektive die zugehörige Urbild-
oder Objektbildfunktion.
-
Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, die Übertragungsfunktion
h(x) aufgrund von Messungen, Erfahrungswerten etc. schlicht und
ergreifend anzunehmen und damit eine Entfaltung auszuführen. Weitere
noch detailliertere Methoden sind ebenfalls bekannt, wozu auf den
Aufsatz "Clearing
up Deconvolution" von
David Biggs in der Zeitschrift "Biophotonics" (Februar 2004) hingewiesen
sei. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, welche
sich insbesondere, aber nicht einschränkend zur Durchführung des
beschriebenen Verfahrens eignet und Gegenstand des Anspruches 7
ist.
-
Im
Ergebnis beschäftigt
sich die vorliegende Erfindung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Bildaufnahme mit erweitertem Tiefenschärfebereich, welche sich dadurch
auszeichnen, dass mit variablem Fokus mehrere Einzelbilder aufgenommen werden.
Diese Einzelbilder werden nun hinsichtlich ihrer jeweils kontrastreichsten
Sektionen untersucht und zu einem Gesamtbild aus den jeweils kontrastreichsten
Sektionen zusammengesetzt. Das Gesamtbild kann in Echtzeit, also
Live, wiedergegeben werden und ermöglicht es, selbst ein dreidimensionales
Objekt in allen Bereichen scharf zweidimensional wiederzugeben,
so dass die nachfolgende Analyse und Auswertung vereinfacht wird.
-
Das
auf diese Weise erzeugte Gesamtbild mit erweitertem Tiefenschärfebereich
lässt sich
von der Bildqualität
her noch weiter dadurch verbessern, dass das jeweils aufgenommene
Einzelbild zunächst entfaltet
und erst dann hinsichtlich seines Kontrastes ausgewertet wird. Dadurch
können
Abbildungsfehler bei der Bildaufnahme, insbesondere solche, die durch
die Optikeinheit verursacht sind, größtenteils nachträglich korrigiert
werden.
-
Als
Folge hiervon steht ein nahezu abbildungsfehlerfreies Einzelbild
zur Verfügung,
das anschließend
hinsichtlich seiner Grauwertabweichungen von einem Mittelwert untersucht
wird, um Aussagen über
den jeweiligen Kontrast zu treffen, und zwar sektionsweise. Zum
Abschluss dieser Prozedur stehen besonders kontrastreiche Sektionen
der Einzelbilder des Einzelbildstapels fest. Aus den jeweils kontrastreichsten
Sektionen wird das Gesamtbild zusammengesetzt, und zwar in Echtzeit.
Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert;
es zeigen:
-
1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung,
-
2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 1,
-
3 die
Fokussierung schematisch,
-
4 eine
Kontrastuntersuchung der Einzelbilder,
-
5 ein
Gesamtbild,
-
6 die
Verweildauern im Gesamtbild,
-
7 die
optische Übertragungsfunktion und
-
8 den
Prozess der Entfaltung schematisch.
-
In
den Figuren ist eine Vorrichtung zur Bildaufnahme mit erweitertem
Tiefenschärfebereich
dargestellt. Diese Vorrichtung eignet sich besonders, aber nicht
einschränkend
dazu, eine Probe 1 optisch bzw. mikroskopisch abzutasten,
und zwar mit Hilfe eines in der 1 schematisch
dargestellten Mikroskopes. Das Mikroskop verfügt über einen Tisch bzw. Objekttisch
oder Probentisch 2, welcher die Probe 1 trägt. Die
Probe 1 befindet sich auf einem Objektträger 3 und
ist von einem Deckglas 4 abgedeckt, wie die vergrößerte Darstellung
nach 2 deutlich macht.
-
Der
Tisch bzw. Objekttisch 2 lässt sich von einer Steueranlage 5 in
X- und Y-Richtung hin- und herbewegen. Dazu verfügt der Tisch 2 über einen Stelltrieb 6,
welcher an die Steueranlage 5 angeschlossen ist. Grundsätzlich ist
es auch denkbar, dass der Tisch 2 ergänzend in Z-Richtung auf- und niederverfahren
wird. Das ist jedoch nicht dargestellt.
-
Neben
dem Tisch 2 verfügt
eine Optikeinheit 7 mit mehreren Objektiven ebenfalls über einen
Stelltrieb bzw. eine Verstelleinheit 8, 9. Im
Rahmen des Ausführungsbeispiels
und nicht einschränkend
setzt sich die Verstelleinheit 8, 9 aus einem
Grobstellmotor 8 und einem Feinstellmotor 9 zusammen.
Mit Hilfe des Grobstellmotors 8 kann die Optikeinheit 7 grob auf
das abzubildende Objekt bzw. die Probe 1 fokussiert werden,
und zwar nicht einschränkend
durch einen Autofokusbetrieb. Selbstverständlich lässt sich diese Grobverstellung
auch manuell vornehmen. Dann ist anstelle des Grobstellmotors 8 ein
Handrad für
einen Bediener vorgesehen. Sowohl der Grobstellmotor 8 als
auch der Feinstellmotor 9 sind in der Regel im Kameragehäuse angeordnet,
wie die 1 bildlich darstellt.
-
Im
Rahmen des Ausführungsbeispiels
tritt zu dem Grobstellmotor 8 der Feinstellmotor 9,
bei dem es sich um einen Piezoantrieb handelt. In der Regel vollführt der
Feinstellmotor 9 bzw. Piezoantrieb einen Hub von +/– 100 μm bis +/– 200 μm. Zwar wird
hierbei das jeweils aufgenommene Objektbild vergrößert bzw.
verkleinert. Dieser Effekt ist jedoch vernachlässigbar, so dass die im Rahmen
dieses Hubes aufgenommenen Objektbilder insgesamt als kongruent
bezeichnet werden können. – Im Rahmen
der Erfindung liegt es darüber
hinaus, auch mit nur einem Antrieb, beispielsweise dem Piezoantrieb
bzw. Feinstellmotor 9 anstelle des Grobstellmotors 8 und
des Feinstellmotors 9 zu arbeiten. Das ist letztlich eine
Frage der mechanischen Ausgestaltung des dargestellten Mikroskopes,
der Verstellwege und der Präferenzen
bei der Bedienung.
-
Die
Steueranlage 5 beaufschlagt sowohl den Grobstellmotor 8 als
auch den Feinstellmotor 9. Ebenso wirkt die Steueranlage 5 auf
die Optikeinheit 7 ein, indem beispielsweise das gewünschte Objektiv ausgewählt wird.
Jedenfalls vollführt
die Optikeinheit 7 – ausgehend
von der mit Hilfe des Grobstellmotors 8 eingestellten Fokussierung
bzw. der dazugehörigen
Fokusebene F – Hubbewegungen
in Z-Richtung. Diese werden dadurch erzeugt, dass die Steueranlage 5 den
Piezoantrieb bzw. Feinstellmotor 9 mit einem entsprechenden
periodischen Signal im Sinne beispielsweise eines Wobbelbetriebes
oder auch sinusförmig,
sägezahnartig
etc. ansteuert.
-
Als
Folge hiervon wird auch die zugehörige Fokusebene F in Z-Richtung
hin- und herbewegt,
und zwar unter Berücksichtigung
eines Verstellbereiches bzw. Fokusstellbereiches V (vgl. 3).
Da die Optikeinheit 7 mit einem bestimmten Tiefenschärfebereich
T ausgerüstet
ist, der wie üblich
von der Brennweite des Objektives und dessen Abblendung abhängt, kann
durch diesen Vorgang der vorgegebene Tiefenschärfebereich T gleichsam erweitert
werden. Tatsächlich
markiert der Tiefenschärfebereich
T eine räumliche
Ausdehnung im Vergleich zu der Fokusebene F, die von der zugehörigen Optikeinheit 7 (noch) scharf
abgebildet wird. Das ist in der 3 mit T+ und
T– dargestellt,
nämlich
für den jeweiligen
Bereich oberhalb und unterhalb der Fokusebene F. Dabei gilt, dass
der Tiefenschärfebereich
T die Summe aus dem Tiefenschärfebereich
oberhalb der Fokusebene F, d. h. T+, und dem Tiefenschärfebereich
unterhalb der Fokusebene F, d. h. T–, darstellt. Es gilt also T = T+ + T–.
-
Da
sich die Optikeinheit 7 in Z-Richtung unter Berücksichtigung
des Fokusstellbereiches bzw. Verstellbereiches V hin- und herbewegt, überstreicht
die Fokusebene F einen Bereich zwischen zwei Grenzwerten G1 und G2. Berücksichtigt
man an diesen Extrempunkten G1, G2 den vorgegebenen Tiefenschärfebereich
T, so wird deutlich, wie der Tiefenschärfebereich T insgesamt erweitert
worden ist, nämlich
auf den Wert V + T (vgl. 3).
-
Der
vorgenannte Wert V + T hängt
natürlich von
dem jeweils gewählten
Objektiv in der Optikeinheit 7 ab und davon, wie die Steueranlage 5 den
Fokusstellbereich V über
den Feinstellmotor 9 vorgibt. Als Folge hiervon steht der
Wert V + T in der Steueranlage 5 als Variable selbstverständlich zur
Verfügung
bzw. wird von dieser vorgegeben. Ist beispielsweise die "Höhe" H der untersuchten Probe 1 bekannt,
so kann die Steueranlage 5 unter Berücksichtigung dieser Vorgabe
das jeweils geeignete Objektiv auswählen und auch den Feinstellmotor 9 so
beaufschlagen, dass insgesamt gilt (vgl. 2): H < V
+ T. (2)
-
So
lange diese Vorschrift beachtet wird, ist grundsätzlich gewährleistet, dass jeder Bereich
der Probe 1 vom Prinzip her scharf und folglich kontrastreich
abgebildet werden kann. Dabei stellt die Ungleichung (2) jedoch
keine zwingende Voraussetzung dar, weil in der Praxis die so genannte "suggestive" Tiefenschärfe T doppelt
so groß sein
kann. So oder so wird im Einzelfall dergestalt vorgegangen, dass der
Fokusstellbereich V in einzelne ausgewählte oder eine Vielzahl von
Fokuswerten W unterteilt wird. Im Beispielfall der 3 sind
insgesamt fünf
Fokuswerte W1, W2,
W3, W4 und W5 dargestellt, die äquidistant zueinander angeordnet
sind. Das ist jedoch nicht zwingend, wobei auch mit unterschiedlichen
Abständen
gearbeitet werden kann.
-
Jedenfalls
korrespondiert jeder Fokuswert Wi mit i
= 1 ... 5 im Beispielfall zu einem zugehörigen Einzelbild 10 wie
es ebenfalls in 3 dargestellt ist und mit Hilfe
einer Aufzeichnungseinheit 11 erfasst und an die Steueranlage 5 übergeben
wird. Am Ende dieser Prozedur steht ein Einzelbildstapel 12 aus mehreren
Einzelbildern 10 zur Verfügung, wie die 3 andeutet.
Dabei werden die jeweiligen Einzelbilder 10 mit Hilfe der
Abbildungseinheit 11 (CCD Array) erfasst, welche jeweils
von der Steueranlage 5 ausgelesen wird. Da sich der Einzelbildstapel 12 aus den
fünf Einzelbildern 10 im
Beispielfall innerhalb des Bereiches V + T bewegt, verfügt jedes
Einzelbild 10 über
fokussierte Bereiche und nicht fokussierte Bereiche.
-
Dabei
wird man den Abstand der einzelnen Fokuswerte W
i so
wählen,
dass der Abstand zwischen benachbarten Fokuswerten W
i kleiner
als der Tiefenschärfebereich
T ausgelegt ist, um im Zuge der Aufnahme der Einzelbilder
10 den
gesamten Bereich V + T scharf abbilden zu können. Es gelten also für den Abstand
der jeweils benachbarten Fokuswerte W
i und
W
i-1 sowie W
i+1 folgende
Relationen:
-
Tatsächlich lässt sich
das jeweilige Einzelbild 10 beispielsweise in vier Sektionen 13 entsprechend der
Darstellung nach 4 unterteilen. Beim Aufnehmen
des Einzelbildstapels 12 nach 3 wird nun
nicht mehr jedes Einzelbild 10 mit einem Kontrastwert K
identifiziert, sondern je Einzelbild 10 werden zu der jeweiligen
Sektion 13 gehörige
Kontrastwerte K1 bis K4 definiert.
Im Beispielfall wird für
die erste Sektion 131 das Maximum
ihres Kontrastwertes K1 beim Einzelbild 10 mit
der Nummer vier erreicht. Dagegen korrespondiert die kontrastreichste
Sektion 132 mit dem Kontrastwert
K2 zu dem Einzelbild 10 mit der
Nummer drei. Schließlich
liegt die Sektion 133 beim Einzelbild 10 mit
der Nummer fünf
in der Nähe der
Fokusebene F, während
dies für
die Sektion 134 mit dem Kontrastwert K4 beim
Einzelbild mit der Nummer zwei der Fall ist.
-
Erfindungsgemäß werden
nun diese einzelnen kontrastreichsten Sektionen 13 der
zugehörigen Einzelbilder 10 mit
den Nummern vier, drei, fünf
und zwei zu einem Gesamtbild zusammengesetzt, wie es in der 4 angedeutet
ist. Hier erkennt man, dass die zuvor angegebenen kontrastreichsten
Sektionen 13 das Gesamtbild in der Art eines Puzzles festlegen. Jedenfalls
steht ein Gesamtbild zur Verfügung,
welches – auch
bei einer dreidimensionalen Probe 1 der Höhe H – überall für eine kontrastreiche
bzw. scharfe Wiedergabe sorgt. Der vorgenannte Prozess läuft dabei
so schnell ab, dass das Gesamtbild jeweils live, also in Echtzeit,
auf einer Ausgabeeinheit 14 wiedergegeben werden kann.
Tatsächlich
werden die fünf Einzelbilder 10 des
Einzelbildstapels 12 jeweils bei gleich bleibender Probenposition,
also einem X-/Y-Wert des Tisches 2 aufgenommen. Der Fokusstellbereich
V variiert in Abhängigkeit
von der Optikeinheit 7 bzw. dem jeweils ausgewählten Objektiv.
-
Der
in 3 dargestellte Einzelbildstapel 12 kann
an unterschiedlichen X-/Y-Probenpositionen respektive Positionen
des Tisches 2 aufgenommen werden, so dass sich ein kombiniertes
Gesamtbild der Probe 1 aus den einzelnen Gesamtbildern
entsprechend der 5 zusammensetzen lässt.
-
Falls
bei dieser Probenabtastung der Probentisch 2 manuell, beispielsweise über eine
Computermaussteuerung des Stelltriebes 6 oder per Handbetrieb
verstellt wird, lässt
sich eine Verweildauer t des Tisches 2 an der jeweiligen
X-/Y-Position des Tisches 2 und folglich der Probenposition
bei der Aufnahme in der Steueranlage 5 festhalten. Die
Verweildauer t ist ein Maß dafür, welchen
Bereichen ein Bediener aus dem kombinierten Gesamtbild besondere Bedeutung
zumisst. Das ist in der 6 schematisch dargestellt. Aus
der jeweiligen Verweildauer t1, t2 und t3 am zugehörigen Proben-
bzw. Tischort P in X-/Y-Richtung lässt sich in Verbindung mit
ggf. dem Probenweg S1, S2,
S3 und/oder dem Probenort P1,
P2, P3 ein Auswertungsprofil
ableiten, welches in der 6 grafisch angedeutet ist.
-
Darüber hinaus
kann die Verweildauer t zur Steuerung der Anzahl der am jeweiligen
Probenort P aufgenommenen Einzelbilder 10, zur Vorgabe
des Fokusstellbereiches V sowie ggf. der Fokussiergeschwindigkeit
eingesetzt werden. Letztlich bestimmt die Verweildauer t im Ausführungsbeispiel
die in der 6 grafisch hervorgehobenen auswertungsrelevanten
Probenbereiche 15 bzw. Probenorte P1,
P2, P3 Diese auswertungsrelevanten
Probenbereiche 15 lassen sich durch Markierungen, besondere
grafische Gestaltungen etc. beispielsweise auf der Ausgabeeinheit 14 hervorheben
und für
die anschließende
Auswertung nutzen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels stellt sich
die Markierung in der 6 gleichsam als mehr oder minder
große "Lupe" je nach der jeweiligen
Verweildauer t dar.
-
Bevor
das jeweils aufgenommene Einzelbild 10 hinsichtlich seines
Kontrastes K untersucht wird, findet erfindungsgemäß zunächst eine
Entfaltung statt, die einleitend bereits im Detail beschrieben worden
ist. Bei dieser Entfaltung wird die Übertragungsfunktion h(x) des
Mikroskopes im Ganzen bzw. der Optikeinheit 7 berücksichtigt,
um Abbildungsfehler so klein wie möglich zu halten. Die Ent faltung
basiert im Rahmen des Ausführungsbeispiels
darauf, dass eine Übertragungsfunktion
h(x) aus zwei aufeinander stehenden Kegeln im Sinne eines Doppelkegels
bzw. einer Punktspreizfunktion entsprechend der 7 für die Optikeinheit 7 angenommen
wird. Betrachtet man nun diese Übertragungsfunktion
h(x), so wird deutlich, dass ein in der Fokusebene F liegender Lichtpunkt 16 mit
zunehmender Entfernung verzerrt wird, wie dies die einzelnen Schnitte
durch den Doppelkegel in 7 deutlich machen. Tatsächlich handelt
es sich bei dieser optischen Übertragungsfunktion
h(x) im Ausführungsbeispiel
um die dreidimensionale Punktspreizfunktion (PSF).
-
Berücksichtigt
man nun noch entsprechend der 8, dass
die Probe 1 über
eine dreidimensionale Ausdehnung verfügt bzw. eine Höhe H aufweist, so
wird deutlich, dass einzelne Probenorte bzw. Lichtpunkte 16 je
nach Position der Fokusebene F zu unterschiedlichen Verzerrungen
aufgrund der Übertragungsfunktion
h(x) bzw. Punktspreizfunktion korrespondieren. Um nun diese Fehler
zu beherrschen, wird bei der Aufnahme jedes Einzelbildes 10 die
optische Übertragungsfunktion
h(x) nach der 7 im Rahmen einer Entfaltung
der Gleichung (1) berücksichtigt.
Dadurch schrumpfen die in 8 schematisch
dargestellten Abbildungsfehler bzw. abgebildeten Lichtpunkte 16' im Idealfall
wieder auf Punktgröße bzw.
den jeweiligen Lichtpunkt 16 zusammen, so dass die Abbildung
einzelner Probenpunkte bzw. der Lichtpunkte 16 von der
Position der Fokusebene F unabhängig
ist.
-
Das
ist für
die nachfolgende Kontrastauswertung des Einzelbildes 10 von
besonderer Bedeutung. Denn nur durch die beschriebene Entfaltung
ist es möglich,
die einzelnen kontrastreichsten Sektionen 13 zweifelsfrei
festzulegen, wie dies bereits zuvor beschrieben worden ist. Denn
die Entfaltung liefert im Idealfall im zu untersuchenden Einzelbild 10 jeweils Lichtpunkte 16 mit übereinstimmender
Ausdehnung, die fehlerfrei im Hinblick auf ihren Grauwert untersucht
werden können,
ohne von benachbarten Lichtpunkten 16 beieinflusst zu werden.
Dadurch stehen ausgangsseitig entfaltete sowie tiefengeschärfte Einzelbilder 10 und
ggf. zugehörige
und hieraus zusammengesetzte Gesamtbilder live, d. h. in Echtzeit,
zur Verfügung.
-
Um
diesen Vorgang zu vollziehen, sind in die Steueranlage 5 ein
Faltungsmodul 5a sowie ein Tiefenschärfemodul 5b implementiert,
die einerseits für die
beschriebene Entfaltung und andererseits dafür sorgen, dass insbesondere
die Gleichung (2) eingehalten wird. D. h., das Tiefenschärfemodul 5b stellt
sicher, dass in Abhängigkeit
von der Höhe
H der Probe 1 das passende Objektiv der Optikeinheit 7 mit
hierdurch vorgegebenem Tiefenschärfebereich
T ausgewählt
wird und zusätzlich
der Feinstellmotor 9 den erforderlichen Fokusstellbereich
V überstreicht,
so dass insgesamt die Relation (2) erfüllt ist. Dagegen besorgt das
Faltungsmodul 5a die Entfaltung nach der Gleichung (1)
auf Basis der angenommenen (oder gemessenen) Übertragungsfunktion h(x) entsprechend
der 7.
-
Die
Steueranlage 5 kann entsprechend der Darstellung in 1 autark
ausgeführt
sein, das heißt
außerhalb
des dargestellten Kameragehäuses platziert
und betrieben werden. Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, die
Steueranlage 5 in das Kameragehäuse zu integrieren. Dabei mag
unverändert ein
autarker Betrieb gewährleistet
werden. Außerdem
besteht natürlich
die Möglichkeit,
entweder das Faltungsmodul 5a oder das Tiefenschärfemodul 5b oder
beide in das betreffende Kameragehäuse zu integrieren.
-
Ganz
unabhängig
davon verfügt
die Steueranlage 5 natürlich über einen
nicht dargestellten Speicher, welcher eine Datenbasis für die Punktspreizfunktion
bzw. Punktübertragungsfunktion oder
im Allgemeinen die optische Übertragungsfunktion
h(x) beinhaltet. Je nach Auflösung
der Optikeinheit 7, dem gewünschten Kontrast K, der Lage
der einzelnen Fokuswerte W zueinander etc. kann aus dem betreffenden
Speicher die zugehörige Übertragungs funktion
h(x) ausgewählt
und berücksichtigt werden.
Anhand der dann aufgenommenen Objektbilder lässt sich die Übertragungsfunktion
h(x) aktualisieren und wieder in den Speicher zurückschreiben.
