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Die
Erfindung betrifft ein Kamerasystem, insbesondere zur optischen
Erfassung von Objekten im Rahmen einer Mikroskopieanordnung, mit
einer Objektiveinheit, welche ein Objektbild auf eine Aufzeichnungseinheit
abbildet, wobei die Aufzeichnungseinheit gegenüber dem Objekt bzw. einer von
der Objektiveinheit definierten Fokusebene verstellbar angeordnet
ist, und wobei die Aufzeichnungseinheit und/oder das Objekt wenigstens
einen Stelltrieb aufweist. – Meistens
verfügt
lediglich die Aufzeichnungseinheit über den besagten Stelltrieb,
wenngleich auch das Objekt verstellt werden kann.
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Derartige
Kameras bzw. Kamerasysteme nehmen von den optisch zu erfassenden
Objekten ein verkleinertes, reelles Bild auf, welches mit Hilfe der
Aufzeichnungseinheit direkt gespeichert werden kann. Dazu greift
die Aufzeichnungseinheit üblicherweise
auf einen CCD-Chip zurück,
welcher idealerweise in der von der Objektiveinheit definierten
Fokusebene liegt. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht eingeschränkt.
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Solche
Kameras bzw. Kamerasysteme können
vorteilhaft bei einer Mikroskopieanordnung eingesetzt werden, um
das mikroskopierte Objekt optisch zu erfassen und in der Aufzeichnungseinheit
abzulegen sowie regelmäßig mit
Hilfe einer Steueranlage einer Bildverarbeitung zu unterziehen.
Selbstverständlich
kennt man außerhalb
dieses Anwendungsgebietes auch vielfältige andere Einsatzzwecke,
die ausdrücklich
umfasst werden.
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Der
gattungsbildende Stand der Technik nach der
DE 195 00 507 C2 beschreibt
eine Kamera mit Objektiv- und Bildträgereinstellvorrichtung und ein
zugehöriges
Scharfstellverfahren. Dazu findet sich ein Scharfeinstellungssensor
in einer Bildaufnahmeebene, welcher sich in zwei Bildaufnehmerkoordinaten
positionieren lässt,
die jeweils einem Prozessor zusammen mit einem Scharfeinstellungssignal
zugeführt
werden. Aus den so erhaltenen Eingangsdaten werden vom Prozessor
Lageparameter der Bildaufnahmeebene und einer Ausgangsbildebene
rechnerisch ermittelt und werden anschließend eine Objektivverschwenkung
respektive Objektivverschiebung vorgenommen. Das heißt, die
Schärfeeinstellung
erfolgt gleichsam konventionell, indem das Objektiv bzw. die Objektiveinheit
eine Variation erfährt.
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Ähnlich geht
auch die Mikroskopieanordnung nach der
DE 103 12 682 A1 vor, bei
welcher ein Lichtfleck auf dem abzubildenden Objekt erzeugt wird.
Auf Grundlage einer sich ändernden
Gestalt des Lichtfleckes wird ein Fokussierungssignal erzeugt. – Die bisherigen
Vorgehensweisen sind konstruktiv aufwendig und dementsprechend kostenintensiv.
Hier setzt die Erfindung ein.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges
Kamerasystem so weiter zu entwickeln, dass eine einwandfreie Abbildung
des Objektbildes, insbesondere dessen Fokussierung auf die Aufzeichnungseinheit,
bei gleichzeitig geringem konstruktiven Aufwand gewährleistet
wird. Außerdem
soll ein hierfür
besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines derartigen Kamerasystems
angegeben werden.
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Zur
Lösung
dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes Kamerasystem
im Rahmen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungseinheit
und der Stelltrieb für die
Aufzeichnungseinheit an eine gemeinsame Steueranlage – vorzugsweise
im Sinne eines geschlossenen Regelkreises – angeschlossen sind, wobei
die Steueranlage in Abhängigkeit
von ausgewählten
Kriterien des aufgenommenen Objektbildes den Stelltrieb entsprechend
beaufschlagt.
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Erfindungsgemäß findet
also obligatorisch eine Bildverarbeitung des Objektbildes in dem
Sinne statt, dass anhand von auf diese Weise gewonnenen bzw. vorgegebenen
Kriterien des Objektbildes der Stelltrieb eine Beaufschlagung erfährt. Das
kann im Sinne eines geschlossenen Regelkreises erfolgen. Das heißt, der
Stelltrieb wird so lange von der Steueranlage beaufschlagt und variiert,
bis das ausgewählte
Kriterium des aufgenommenen Objektbildes beispielsweise den gewünschten
und vorgegebenen Sollwert aufweist. Es findet also bei dem ausgewählten Kriterium
ein Ist-/Sollwertvergleich in der Steueranlage statt und je nach
Abweichungen des Istwertes von dem Sollwert wird der Stelltrieb
von der Steueranlage nachgeregelt.
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Bei
diesem ausgewählten
Kriterium des Objektbildes für
die Ansteuerung des Stelltriebes kann es sich nicht einschränkend um
den Kontrast bzw. die Schärfe
des Objektbildes, dessen Schärfentiefe,
den Mittelwert der Grauwertverteilung, verschiedene Schwellwerte
des Grauwerthistogramms usw. handeln. Mit Hilfe der Steueranlage
bzw. bedienerseitig wird das gewünschte
Kriterium bzw. werden die gegebenenfalls mehreren Kriterien ausgewählt und Grenzen
festgelegt, innerhalb derer sich das jeweils aufgenommene Objektbild
hinsichtlich der betreffenden Kriterien bewegen soll. Im Anschluss
daran wird dann das Objektbild unter Berücksichtigung des bzw. der Kriterien
ausgewertet und die Aufzeichnungseinheit mit Hilfe der Steueranlage
verstellt, und zwar so lange, bis das jeweilige Kriterium sich dem
vorgegebenen Sollwert möglichst
weitgehend angenähert hat.
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Das
kann im Einzelnen so vorgenommen werden, dass die Aufzeichnungseinheit
gegenüber der
Fokusebene bzw. dem Objekt abstandsveränderlich ausgebildet ist. Bekanntermaßen definiert
die Fokusebene diejenige Ebene, in welche das optisch zu erfassende
Objekt mit Hilfe der Objektiveinheit abgebildet wird. Im Idealfall
ist die Aufzeichnungseinheit in der Fokusebene angeordnet. Um dies
zu gewährleisten,
ist erfindungsgemäß der von
der Steueranlage beaufschlagte Stelltrieb vorgesehen, welcher die Aufzeichnungseinheit
gegen über
der Fokusebene in ihrem Abstand so lange verändert, bis die Aufzeichnungseinheit
in der Fokusebene platziert ist.
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In
diesem Fall wird man als ausgewähltes Kriterium
auf die Bildschärfe
des Objektbildes bzw. dessen Kontrast bei der Bildverarbeitung zurückgreifen.
Im Einzelnen wird hierfür
die mittlere quadratische Abweichung der Grauwertverteilung des
Objektbildes herangezogen. Diese liefert zuverlässige Informationen über den
Kontrast und folglich die Bildschärfe. Tatsächlich ist ein scharfes Objektbild
durch einen höheren
Kontrast, folglich eine größere mittlere quadratische
Abweichung der Grauwertverteilung gekennzeichnet. Dabei ist bei
mehrkanaligen Bildern, wie z. B. Farbbildern, zu berücksichtigen,
dass die Berechnung für
die betreffende mittlere quadratische Abweichung für jeden
Kanal getrennt durchgeführt werden
muss.
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Jedenfalls
wird bei Auswahl des Kriteriums "Kontrast
bzw. Bildschärfe" mit Hilfe von bildverarbeitenden
Programmen in der Steueranlage das jeweils aufgenommene Objektbild
hinsichtlich der mittleren quadratischen Abweichung der Grauwertverteilung ausgewertet.
Wenn nun die Aufzeichnungseinheit jeweils gegenüber der Fokusebene bzw. gegenüber dem
Objekt in ihrem (Höhen-)
Abstand (meistens der Z-Richtung) verändert wird, kann für jeden
Abstandswert ein Kontrast angegeben werden. Je nach dem, wie sich
die Kontrastwerte in Abhängigkeit
von der Abstandseinstellung der Aufzeichnungseinheit entwickeln,
beispielsweise ansteigen, wird man entweder die Richtung der Verstellung
beibehalten oder bei fallenden Kontrastwerten umkehren. So oder
so ist am Ende dieser Prozedur gewährleistet, dass sich die Aufzeichnungseinheit
in der Fokusebene befindet. Das gilt selbst dann, wenn die Fokusebene
weder mechanisch noch rechnerisch zuvor genau definiert worden ist
und vielmehr durch diesen Vorgang praktisch "gesucht" werden muss.
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Dadurch
werden an die mechanische Genauigkeit der Aufhängung der Aufzeichnungseinheit deutlich
geringere Anforderungen als zuvor gestellt, wobei unter dem Strich
sogar bessere Ergebnisse erzielt werden, bzw. sichergestellt ist,
dass die Aufzeichnungseinheit auch wirklich in der Fokusebene angeordnet
ist. Dieser Vorgang kann darüber
hinaus und vorteilhaft während
der jeweiligen Aufnahme des Objektes parallel ablaufen. Denn es
ist ja denkbar, dass sich die Positionierung des Objektes und damit seine
Objektebene bei einem Wechsel von einem zum anderen Objekt ändert, so
dass demzufolge die Fokusebene nachgefahren werden muss. Ähnliches gilt,
falls die Objektiveinheit verstellt wird.
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Folglich
wird die Aufzeichnungseinheit hinsichtlich ihres Abstandes gegenüber der
Fokusebene bzw. dem Objekt variiert, um aus Schärfewerten bzw. Kontrastwerten
aufgenommener Bilder eine nachgeführte Fokussierung abzuleiten. – Bei der
Aufzeichnungseinheit handelt es sich nicht einschränkend um einen
CCD-Chip, welcher von der Steueranlage unmittelbar ausgelesen und
dessen Werte für
die Bildverarbeitung herangezogen werden können.
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Ergänzend oder
alternativ zu der beschriebenen Abstandsveränderung der Aufzeichnungseinheit
gegenüber
der Fokusebene kann die Aufzeichnungseinheit aber auch parallel
zur Fokusebene bzw. parallel zum Objekt verstellt werden. Dadurch
eröffnet
sich die Möglichkeit,
gleichsam die wirksame Aufzeichnungsfläche der Aufzeichnungseinheit
zu vergrößern. Denn
auf diese Weise können
mehrere Einzelbilder zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden,
dessen Größe die Aufzeichnungsfläche der
Aufzeichnungseinheit mehr oder minder übersteigt. Dabei wird man die
Einzelbilder in der Regel mit einem Überlapp an ihren Rändern aufnehmen,
um sie anschließend
verzerrungsfrei zu dem Gesamtbild zusammensetzen zu können. Tatsächlich wird
der Überlappbereich
der Einzelbilder beispielsweise mit Hilfe von mathematischen Operationen,
z. B. einer Kreuzkorrelation, ausgewertet, um die Einzelbilder verzerrungsfrei
zu dem Gesamtbild zusammensetzen zu können (vgl. DE-Patentanmeldung
10 2005 032 354 auf die ausdrücklich
verwiesen wird).
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Insgesamt
lässt sich
auf diese Weise die wirksame Aufzeichnungsfläche der Aufzeichnungseinheit
vervielfachen, beispielsweise verzehnfachen. Dadurch kann beispielsweise
auf einen kostengünstigen
(kleinen) CCD-Chip zurückgegriffen
werden, welcher dennoch in der Lage ist, ein Gesamtbild beträchtlicher
Größe aufzuzeichnen,
das im Beispielfall ansonsten mit einem zehnmal so großen CCD-Chip hätte aufgezeichnet
werden müssen.
Zu beachten ist hierbei jedoch, dass die Dauer für die Aufnahme eines solchermaßen erzeugten
Gesamtbildes naturgemäß gegenüber der
Aufzeichnungsdauer mit einem CCD-Chip
in der Größe des Gesamtbildes
gesteigert ist. Dieser geringfügige
Nachteil kann jedoch bei den meisten Anwendungen problemlos verschmerzt
werden.
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Eine
weitere unabhängige
Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass die Aufzeichnungseinheit schwenkbar
gegenüber
der Fokusebene bzw. dem Objekt ausgebildet ist, wobei eine zugehörige Achse bzw.
Schwenkachse in oder parallel zur Fokusebene verläuft. In
diesem Fall wird folglich die Aufzeichnungseinheit um die in oder
parallel zur Fokusebene angeordnete Achse verschwenkt, um auf diese
Weise eine automatische Fokussierung im Sinne einer Rückkopplung
zu erreichen. Das gelingt wie folgt:
Durch das Verschwenken
der Aufzeichnungseinheit bzw. des CCD-Chips gegenüber der
Fokusebene wird letztlich nur innerhalb eines Streifens ein scharfes
Objektbild auf der Aufzeichnungseinheit erzeugt. Die Breite dieses
Streifens hängt
im Wesentlichen von zwei Faktoren ab, nämlich einerseits dem Schwenkwinkel
der Aufzeichnungseinheit gegenüber der
Fokusebene und andererseits der Schärfentiefe der vorgeschalteten
Objektiveinheit. Um mit in etwa gleichen Breitenstreifen für eine standardisierte
Auswertung in der Steueranlage arbeiten zu können, wird der Schwenkwinkel
in Abhängigkeit
von der Schärfentiefe
der vorgeschalteten Objektiveinheit verändert. Je geringer die Schärfentiefe,
desto kleiner wird der Schwenkwinkel gewählt und umgekehrt.
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Jedenfalls
kann mit Hilfe des betreffenden Streifens auf der Aufzeichnungseinheit
eine Autofokusvorrichtung realisiert werden. Dazu wird die Aufzeichnungseinheit
zunächst
verschwenkt, so dass in dem solchermaßen erzeugten Objektbild unter
Rückgriff
auf die Steueranlage der besagte Streifen größter Schärfe und dessen Lage im Vergleich
zur Aufzeichnungseinheit festliegen. Ausgehend von der auf diese
Weise ermittelten Position des Streifens im Vergleich zu der Aufzeichnungseinheit
wird die Aufzeichnungseinheit nun in ihrem Abstand gegenüber dem
Objekt verändert.
Dazu kann die Aufzeichnungseinheit – wie bereits beschrieben – in ihrem
Abstand gegenüber
der Fokusebene und folglich dem Objekt verstellt werden. Ergänzend oder
alternativ ist es aber auch ebenso möglich, das Objekt gegenüber der
Aufzeichnungseinheit in seinem Abstand zu variieren.
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So
oder so führt
eine Abstandsänderung
dazu, dass sich der besagte Streifen größter Schärfe des Objektbildes in seiner
Position auf der Aufzeichnungseinheit hin- und herbewegt. Wandert
der Streifen bei dieser Prozedur zum Objekt hin, so ist das Objekt
zu weit von der vorgeschalteten Objektiveinheit entfernt. Wandert
dagegen der Streifen auf der Aufzeichnungseinheit vom Objekt aus
gesehen weg, so ist das Objekt zu nah an der Objektiveinheit angeordnet.
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In
jedem Fall kann mit Hilfe der Steueranlage und des auf die Aufzeichnungseinheit
und/oder das Objekt arbeitenden Stelltriebes der Abstand zwischen
Objekt und Aufzeichnungseinheit so lange variiert werden, bis der
Streifen maximaler Schärfe
des Objektbildes mittig im Vergleich zu der Aufzeichnungseinheit
angeordnet ist. Dann ist davon auszugehen, dass sich die Achse bzw.
Schwenkachse, um welche die Aufzeichnungseinheit zuvor verschwenkt worden
ist, in der Fokusebene befindet. Wenn nun die Aufzeichnungseinheit
um den zuvor eingestellten Schwenkwinkel mit Hilfe der Steueranlage
wieder zurückgeschwenkt
wird, befindet sich die Aufzeichnungseinheit in der Fokusebene.
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Als
Option kann insgesamt natürlich
auch mit verschiedenen Objektiveinheiten in dem beschriebenen Regelkreis
gearbeitet werden. So kann man bei dem Regelvorgang beispielsweise
zunächst
ein Objektiv mit großer
Tiefenschärfe
auswählen,
um den hierdurch bedingten relativ breiten Streifen größter Schärfe des
Objektbildes zunächst
grob (mittig im Vergleich zu der Abtasteinheit) zu positionieren. Dann
wird auf ein Objektiv mit kleinerer Tiefenschärfe zurückgegriffen, um die Positionierung
zu verfeinern usw.. In diesem Fall nimmt die Steueranlage ergänzend zur
Beaufschlagung des Stelltriebes im Sinne des geschlossenen Regelkreises
die Auswahl der beschriebenen Objektiveinheiten vor.
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Gegenüber herkömmlichen
Autofokussystemen ergibt sich der besondere Vorteil, dass hierbei meistens
nur auf einen (kleinen) Lichtfleck fokussiert wird, wie in der
DE 103 12 682 A1 im
Detail beschrieben ist. Dagegen nutzt die erfindungsgemäße Vorgehensweise
letztlich die Information des gesamten Objektbildes und kann somit
für eine
bessere Fokussierung sorgen bzw. eine solche, die derjenigen des menschlichen
Auges näher
als bekannte Vorgehensweisen kommt.
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Im
Ergebnis werden ein Kamerasystem sowie ein Verfahren zum Betrieb
eines Kamerasystems vorgestellt, die bei konstruktiv einfachem Aufbau
anhand einer Bildverarbeitung des Objektbildes eine optimierte Bildqualität zur Verfügung stellen.
Insbesondere gelingt eine automatische Fokussierung, welche das
gesamte Objektbild als Entscheidungsgrundlage für etwaige Verstellungen der
Aufzeichnungseinheit und/oder des Objektes heranzieht. Aus diesem
Grund ist es erfindungsgemäß lediglich
erforderlich, die Aufzeichnungseinheit grob in der Fokusebene zu
platzieren, wobei der Stelltrieb für die Feinabstimmung sorgt.
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Ferner
gelingt es durch die mögliche
Parallelverstellung der Aufzeichnungseinheit, die nutzbare Aufzeichnungsfläche erheblich
zu vergrößern. Sämtliche
Maßnahmen
resultieren in einem mechanisch einfachen und kostengünstigen
Aufbau, welcher bisher kein Vorbild gefunden hat. Darin sind die
besonderen Vorteile zu sehen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert;
es zeigen:
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1 das
erfindungsgemäße Kamerasystem
schematisch und
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 1, reduziert auf die wesentlichen Bestandteile.
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In
der 1 ist ein Kamerasystem dargestellt, welches nicht
einschränkend
zur optischen Erfassung von Objekten 1 im Rahmen einer
Mikroskopieanordnung Verwendung findet. Tatsächlich handelt es sich bei
dem Objekt 1 um eine mikroskopische Probe, welche von einem
Probentisch 2 aufgenommen wird, welcher sich in sämtlichen
drei Raumrichtungen, X, Y und Z verstellen lässt. Eine lediglich angedeutete
Stelleinheit 3 ist an eine Steueranlage 4 angeschlossen
und erhält
von dieser die notwendigen Stellsignale. Der Probentisch 2 bildet
in Verbindung mit der Stelleinheit 3 einen Halter 2, 3 für das auf
diese Weise verstellbare Objekt 1. – Anstelle der mikroskopischen
Probe kann natürlich
auch jedwedes andere Objekt 1 von dem dargestellten Kamerasystem
aufgenommen und als verkleinertes reelles Bild auf eine zugehörige Aufzeichnungseinheit 5 als Objektbild
abgebildet werden. Folglich ist der Halter 2, 3 für das Objekt 1 als
nur optional anzusehen.
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Bei
der Aufzeichnungseinheit 5 handelt es sich nicht einschränkend um
einen CCD-Chip bzw. einen vergleichbaren Bildsensor, dessen Pixel
von der Steueranlage 4 ausgelesen werden. Das heißt, das
Objektbild liegt in Digitaldatenform vor und kann in der Steueranlage 4 einer
Bildverarbeitung unterzogen werden, wie dies nachfolgend noch näher beschrieben
wird.
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Zur
Abbildung des Objektes 1 auf die Aufzeichnungseinheit 5 ist
eine Objektiveinheit 6, 7 vorgesehen, welche lediglich
schematisch dargestellt ist und der Einfachheit halber nur zwei
Linsen 6, 7 beinhaltet. Diese beiden Linsen 6, 7 können hinsichtlich ihres
Abstandes verändert
werden, um einen Abstand A einer Objektebene bzw. des Objektes 1 vom Objektiv 6, 7 zu
variieren. Mit Hilfe einer an die Steueranlage 4 angeschlossenen
Stelleinheit 8 lässt
sich der Abstand der Linsen 6, 7 und folglich
der Abstand A des Objektes 1 vom Objektiv 6, 7 verändern. Dementsprechend
sorgt auch die Stelleinheit 8 – wie der Halter 2, 3 – dafür, dass
das Objekt 1 gegenüber
der Objektiveinheit 6, 7 und folglich der Aufzeichnungseinheit 5 verstellt
werden kann. – Es
sollte betont werden, dass die Darstellung in 1 rein
schematisch aufzufassen ist. Denn hier ist das Objekt 1 kleiner
als sein Objektbild auf der Aufzeichnungseinheit 5 dargestellt,
so dass die Objektiveinheit 6, 7 in Strenge als
Okulareinheit (im Sinne einer Vergrößerung) bezeichnet werden müsste. Tatsächlich soll
im Rahmen der Erfindung der Begriff Objektiveinheit 6, 7 sowohl
vergrößerte als
auch verkleinerte Objektbilder auf der Aufzeichnungseinheit 5 beschreiben.
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Die
Aufzeichnungseinheit 5 ist ebenfalls gegenüber dem
Objekt 1 verstellbar bzw. gegenüber einer von der Objektiveinheit 6, 7 definierten
Fokusebene F. Um ein insgesamt scharfes Objektbild auf der Aufzeichnungseinheit 5 zu
erzeugen, ist es erforderlich, dass sich die Aufzeichnungseinheit 5 in
der Fokusebene F befindet. Wird der Abstand der Linsen 6, 7 variiert,
so ändert
sich selbstverständlich
auch die Lage der Fokusebene F, weil der Abstand A des Objektes 1 von
der Objektiveinheit 6, 7 eine Variation erfährt. Sofern
die Abbildungseinheit 5 nicht dieser geänderten Fokusebene F folgt,
werden jeweils unscharfe Objektbilder auf der Aufzeichnungseinheit 5 erzeugt.
Um dieses zu verhindern, kann entweder der Abstand der Linsen 6, 7 entsprechend
verändert werden
oder es findet der nachfolgend noch näher beschriebene automatische
Fokussiervorgang statt.
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Tatsächlich verfügen die
Aufzeichnungseinheit 5 und/oder der Halter 2, 3 für das Objekt 1 jeweils über einen
Stelltrieb. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels
ist der Halter 2, 3 für das Objekt 1 mit
der Stelleinheit 3 ausgerüstet, wohingegen die Aufzeichnungseinheit 5 im
Beispiel über
drei Stelltriebe 9, 10, 11 verfügt.
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Die
drei Stelltriebe 9, 10, 11 der Aufzeichnungseinheit 5 sind – wie der
Stelltrieb bzw. die Stelleinheit 3 für den Probentisch 2 – ebenfalls
an die Steueranlage 4 angeschlossen. Mit Hilfe des Stelltriebes 9 lässt sich
die Aufzeichnungseinheit 5 gegenüber der Fokusebene F und folglich
dem Objekt 1 abstandsveränderlich in Z-Richtung einstellen.
Demgegenüber
ist der Stelltrieb 10 für
die Aufzeichnungseinheit 5 als Schwenktrieb ausgeführt und
sorgt dafür,
dass die Aufzeichnungseinheit 5 um eine Achse S verschwenkt
werden kann, und zwar beispielsweise um den Winkel α, wie in 2 dargestellt
ist. Schließlich
sorgt der Stelltrieb 11 dafür, dass die Aufzeichnungseinheit 5 parallel
zur Fokusebene F bzw. dem Objekt 1 verfahren werden kann,
folglich in X-/Y-Ebene.
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Zunächst soll
die Möglichkeit
einer automatischen Fokussierung mit dem erfindungsgemäßen Kamerasystem
beschrieben werden. Dazu stehen grundsätzlich zwei verschiedene Vorgehensweisen zur
Verfügung.
Zunächst
einmal kann die Aufzeichnungseinheit 5 hinsichtlich ihres
Abstandes B gegenüber
der Fokusebene F variiert werden. In gleicher Weise wird natürlich auch
der zugehörige
Abstand C zum Objekt 1 verändert (vgl. 1 und 2).
In diesem Fall ist die Aufzeichnungseinheit 5 im Wesentlichen
parallel zur vom Objekt 1 aufgespannten Ebene bzw. zur
Fokusebene F angeordnet. Dabei bewegt sich die Aufzeichnungseinheit 5 z.
B. schrittweise, wobei jeder Schritt zu einem separat aufgenommenen
Objektbild korrespondiert. Die einzelnen in der Steueranlage 4 aufgenommenen
Objektbilder können
nun hinsichtlich ihrer Schärfe
verglichen werden. Je nach dem zugehörigen Kontrast wird das kontrastreichste
bzw. schärfste
Objektbild ausgewählt,
um den zugehörigen
Stelltrieb 9 auf den korrespondierenden Abstand B bzw.
C einzustellen.
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In
diesem Zusammenhang wertet die Steueranlage 4 aus, ob zugehörige Kontrastwerte
des Objektbildes in Richtung der Veränderung des Abstandes B bzw.
C anwachsen oder nicht. Bei der ersten Alternative wird die Verfahrrichtung
des Stelltriebes 9 beibehalten, wohingegen die letztgenannte
Variante eine Umkehr der Verfahrrichtung bedingt. Auf diese Weise
lässt sich
die Aufzeichnungseinheit 5 im Sinne eines geschlossenen
Regelkreises jeweils so nachregeln, dass sie in der Fokusebene F
platziert ist. Das gilt auch für
den Fall, dass sich beispielsweise der Abstand C des Objektes 1 gegenüber der
Aufzeichnungseinheit 5 verändert, indem entweder die am
Probentisch 2 vorgesehene Stelleinheit 3 in Z-Richtung
bewegt wird und/oder die Linsen 6, 7 der Objektiveinheit 6, 7 eine
Abstandsänderung
erfahren.
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Aufgrund
dieser automatischen Fokussierung und des Nachfahrens der Aufzeichnungseinheit 5 ist
es beim Zusammenbau und Betrieb des Kamerasystems nicht erforderlich,
die Fokusebene F in Deckung mit der Aufzeichnungseinheit 5 zu
bringen. – Es
sollte betont werden, dass etwaige Abbildungsfehler, beispielsweise
der Objektiveinheit 6, 7, durch eine Entfaltung
der aufgenommenen Objektbilder berücksichtigt werden können, um
insgesamt das schärfste
der Objektbilder zur Bestimmung der Lage der Fokusebene F einwandfrei
auswählen
zu können.
Im Hinblick auf einen solchen Entfaltungsvorgang wird ebenfalls
auf die DE-Anmeldung 10 2005 032 354 verwiesen, die die zugehörigen Vorgehensweisen
im Detail beschreibt.
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Eine
andere Methodik zur automatischen Fokussierung sieht vor, dass zunächst die
Aufzeichnungseinheit 5 um ihre Achse S unter Berücksichtigung
eines Winkels α gegenüber der
Fokusebene F verschwenkt wird. Dafür sorgt der Stelltrieb 10 nach Beaufschlagung
durch die Steueranlage 4. Die Schwenkachse bzw. Achse S
mag dabei in oder parallel zu der betreffenden Fokusebene F verlaufen, wie
dies die 2 zeigt. Auch in diesem Fall
wird eine automatische Fokussierung im Sinne einer Rückkopplung
erreicht.
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Zunächst einmal
korrespondiert zu der Objektiveinheit 6, 7 ein
bestimmter Schärfentiefebereich ± T, wie
er in 2 dargestellt ist. Innerhalb dieses Schärfentiefenbereiches ± T im
Vergleich zu der Fokusebene F wird das Objekt 1 scharf
abgebildet. Auf diese Weise entsteht ein Streifen V innerhalb des
besagten Bereiches F ± T,
welcher eine scharfe bzw. kontrastreiche Abbildung des Objektes 1 darstellt.
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Dieser
Streifen V größter Schärfe des
Objektbildes verfügt über eine
definierte Position im Vergleich zu der Aufzeichnungseinheit 5 bzw.
dem zugehörigen
CCD-Chip. Dadurch, dass dieser CCD-Chip bzw. die Aufzeichnungseinheit 5 gleichsam
matrixartig in X-Y-Ebene durch die jeweiligen Pixel unterteilt ist,
lässt sich
der besagte Streifen V im Vergleich zu der Aufzeichnungseinheit 5 örtlich mit
Hilfe der Steueranlage 4 erfassen. Wenn nun beispielsweise
der Abstand C des Objektes 1 gegenüber der (feststehenden) Aufzeichnungseinheit 5 verändert wird,
so wandert der Streifen V im Vergleich zu der Aufzeichnungseinheit 5 hin
und her.
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Beispielsweise
wandert der Streifen V vom Objekt 1 aus gesehen weg, wenn
sich das Objekt 1 zu nah an der Objektiveinheit 6, 7 befindet.
Dagegen wandert der Streifen V zum Objekt 1 hin, wenn das Objekt 1 zu
weit von der Objektiveinheit 6, 7 entfernt ist.
Mit Hilfe des Stelltriebes 9 zur Veränderung des Abstandes B der
Aufzeichnungseinheit 5 gegenüber der Fokusebene F bzw. Variation
dessen Abstand C gegenüber
dem Objekt 1 lässt
sich nun erreichen, dass der Streifen V mittig im Vergleich zur
Ausdehnung der Aufzeichnungseinheit 5 zu liegen kommt. Dann
ist die Achse S in der Fokusebene F angeordnet.
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Insgesamt
wird man bei dieser Vorgehensweise meistens so vorgehen, dass der
Schwenkwinkel α je
nach Tiefenschärfe ± T der
Objektiveinheit 6, 7 eingestellt wird. Ist der
Bereich der Tiefenschärfe ± T klein,
so genügt
ein kleiner Schwenkwinkel α,
um eine nennenswerte Breite des Streifens V zu erzeugen. Bei einem
größeren Bereich
der Tiefenschärfe ± T wird
man dagegen mit größeren Schwenkwinkeln α arbeiten.
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So
oder so wird durch diese Vorgehensweise die Achse S, um welche zuvor
die Aufzeichnungseinheit 5 um den Schwenkwinkel α verschwenkt
worden ist, innerhalb der Fokusebene F positioniert. Als Folge hiervon
kann die Aufzeichnungseinheit 5 nach Abschluss dieses Vorgangs
um den Schwenkwinkel α zurückgeschwenkt
werden und liegt nun unmittelbar in der Fokusebene F. Damit ist
der Vorgang der automatischen Fokussierung abgeschlossen.
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Der
schließlich
noch zu berücksichtigende Stelltrieb
11 eröffnet eine
weitere Option der Erfindung. Denn mit Hilfe dieses Stelltriebes
11 kann
die Aufzeichnungseinheit
5 im Wesentlichen parallel zur X-/Y-Ebene
verfahren werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, an den unterschiedlichen X-/Y-Positionen
der Aufzeichnungseinheit
5 jeweils Einzelbilder aufzunehmen
und diese gleichsam im Sinne einer Vergrößerung einer Aufzeichnungsfläche der
Aufzeichnungseinheit
5 zusammenzufügen. Dabei werden die Einzelbilder
zumeist – aber
nicht zwingend – mit
jeweiligem Überlapp
an ihren Rändern aufgenommen,
um anschließend
in der Steueranlage
4 ein problemloses Zusammenfü gen zu dem
Gesamtbild zu ermöglichen. Üblicherweise
werden die Einzelbilder dabei unter Berücksichtigung einer Kreuzkorrelation
des Bereiches des Überlapps
zusammengesetzt, wie in der
DE
10 2005 032 354 beschrieben wird, auf die ausdrücklich verwiesen
sei.
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Bei
den Stellantrieben 3; 9, 10, 11 handelt
es sich nicht einschränkend
um so genannte Piezoantriebe, also solche, die auf wenigstens einen
piezoelektrischen Kristall zurückgreifen.
Dieser lässt
sich durch Anlegen einer von der Steueranlage 4 zur Verfügung gestellten
elektrischen Spannung hinsichtlich seiner mechanischen Ausdehnung
besonders exakt und reproduzierbar ansteuern, so dass die jeweils angeschlossene
Aufzeichnungseinheit 5 eine definierte und von der Steueranlage 4 zu
kontrollierende und protokollierte Verstellung erfährt.
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Dabei
versteht es sich, dass die Steueranlage 4 bei Bedarf die
einzelnen Verstellschritte und die zugehörigen aufgenommenen Objektbilder
jeweils abspeichert und für
die weitere Bildverarbeitung nutzt. Durch den geschlossenen Regelkreis
aus einerseits dem jeweiligen Stelltrieb 3; 9, 10, 11 und
andererseits der Steueranlage 4 inklusive der darin stattfindenden
Bildverarbeitung kann je nach ausgewähltem Kriterium bei der Bildverarbeitung
die Verstellung der Aufzeichnungseinheit 5 unmittelbar
erfolgen, und zwar unter Berücksichtigung
beispielsweise bedienerseitiger Vorgaben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
stellt der Kontrast bzw. die Schärfe
des Objektbildes das Kriterium für
die Ansteuerung des jeweiligen Stelltriebes 3; 9, 10, 11 dar. Grundsätzlich könnte aber
auch der Mittelwert der Grauwertverteilung des jeweiligen Objektbildes
herangezogen werden, um die Aufzeichnungseinheit 5 zu verstellen.
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In
jedem Fall hat ein Bediener die Möglichkeit, das gewünschte Kriterium
durch eine mit der Steueranlage 4 verbundene Eingabeeinheit
vorzugeben und auch beispielsweise hiervon einzuhaltende Sollwerte.
Bei der beschriebenen Vorge hensweise wird als Kriterium der Kontrast
bzw. die Schärfe
des Objektbildes voreingestellt und als Vorgabe die automatische
Fokussierung gewählt.
Selbstverständlich sind
auch andere Vorgaben denkbar, beispielsweise eine Anordnung der
Aufzeichnungseinheit 5 gerade nicht in der Fokusebene,
wenn bewusst ein unscharfes Bild erzeugt werden soll. Diese sämtlichen
Vorgehensweisen werden von der Erfindung abgedeckt.