DE102005045405B4

DE102005045405B4 - Kamerasystem

Info

Publication number: DE102005045405B4
Application number: DE200510045405
Authority: DE
Inventors: Jürgen Tümdner; Heiner Schall; Ralf Lethnate
Original assignee: Olympus Soft Imaging Solutions GmbH
Current assignee: Tuempner Juergen Dr De
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2025-09-24
Also published as: DE102005045405A1; DE102005045405B8

Abstract

Kamerasystem, insbesondere zur optischen Erfassung von Objekten (1) im Rahmen einer Mikroskopieanordnung, mit einer Objektiveinheit (6, 7), welche ein Objektbild auf eine Aufzeichnungseinheit (5) abbildet, wobei
– die Aufzeichnungseinheit (5) gegenüber dem Objekt (1) verstellbar angeordnet ist, wobei ferner
– die Aufzeichnungseinheit (5) und/oder das Objekt (1) wenigstens einen Stelltrieb (3; 9, 10, 11) aufweist, und wobei
– die Aufzeichnungseinheit (5) und der Stelltrieb (3; 9, 10, 11) an eine gemeinsame Steueranlage (4) angeschlossen sind und die Steueranlage (4) in Abhängigkeit von ausgewählten Kriterien des aufgenommenen Objektbildes den Stelltrieb (3; 9, 10, 11) entsprechend beaufschlagt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Aufzeichnungseinheit (5) schwenkbar gegenüber dem Objekt (1) ausgeführt ist, wobei
– eine zugehörige Achse (S) in oder parallel zur Fokusebene (F) verläuft, so dass
– nur innerhalb eines Streifens (V) ein scharfes Objektbild auf der Aufzeichnungseinheit (5) erzeugt wird, um im Sinne einer...

Description

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, wobei ferner die Aufzeichnungseinheit und/oder das Objekt wenigstens einen Stelltrieb aufweist, und wobei die Aufzeichnungseinheit und der Stelltrieb an eine gemeinsame Steueranlage angeschlossen sind und die Steueranlage in Abhängigkeit von ausgewählten Kriterien des aufgenommenen Objektbildes den Stelltrieb entsprechend beaufschlagt. – Meistens verfügt lediglich die Aufzeichnungseinheit über den besagten Stelltrieb, wenngleich auch das Objekt verstellt werden kann.
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.
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.

Im gattungsbildenden Stand der Technik nach der DE 102 39 541 A1 wird ein universeller fotoelektrischer Kamerascanner beschrieben. In einer Projektionsebene eines zugehörigen Objektives ist ein matrixförmig strukturierter fotoelektrischer Flächensensor vorgesehen, dessen Sensorelemente linienförmig als Einzelzeilen gruppiert sind. Der Flächensensor ist mit wenigstens einem elektromechanischen Aktor zur Parallelverschiebung verbunden. Mittels gezielter Auswahl der auszulesenden Einzelzeilen nach ihrer geometrischen Lage lassen sich unterschiedliche Abbildungsperspektiven für eine räumliche Abbildung nutzen.

Im Rahmen der DE 196 37 629 A1 wird eine elektronische Kamera zum Abbilden eines Gegenstandes auf eine Bildebene beschrieben. In der Bildebene der Kamera ist ein Bildsensor vorgesehen, welcher sich in fünf Freiheitsgraden bewegen lässt. Hierdurch kann eine scharte Abbildung des gewählten Gegenstandsbereiches erzielt werden.

Die DE 103 37 736 B4 beschreibt eine Vorrichtung zur Aufnahme von Bildinformationen zum Erstellen eines dreidimensionalen Bildes. Zu diesem Zweck ist ein Sensor vorgesehen, der sich in seiner relativen Position zu einer Linse verschieben lässt. Außerdem kann die Ebene des Sensors relativ zur Lage der optischen Achse gekippt werden.

Darüber hinaus beschreibt die DE 195 00 507 C2 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.

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.

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.

Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes Kamerasystem im Rahmen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungseinheit schwenkbar gegenüber dem Objekt ausgeführt ist, wobei eine zugehörige Achse in oder parallel zur Fokusebene verläuft, so dass nur innerhalb eines Streifens ein scharfes Objektbild auf der Aufzeichnungseinheit erzeugt wird, um im Sinne einer Rückkopplung eine automatische Fokussierung zu erreichen, indem die Aufzeichnungseinheit um ihre Achse unter Berücksichtigung eines Winkels gegenüber der Fokusebene verschwenkt wird, der Streifen im Vergleich zur Aufzeichnungseinheit mit Hilfe der Steueranlage örtlich erfasst wird und dann der Streifen mittels eines Stelltriebes mittig im Vergleich zur Ausdehnung der Aufzeichnungseinheit angeordnet wird, wobei abschließend die Aufzeichnungseinheit um den Schwenkwinkel zurückgeschwenkt wird.

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.

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.

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.

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.

Jedenfalls wird bei Auswahl des Kriteriums "Kontrast oder 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.

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.

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.

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 A1 auf die ausdrücklich verwiesen wird).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

1 das erfindungsgemäße Kamerasystem schematisch und

2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1, reduziert auf die wesentlichen Bestandteile.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Kamerasystem, insbesondere zur optischen Erfassung von Objekten (1) im Rahmen einer Mikroskopieanordnung, mit einer Objektiveinheit (6, 7), welche ein Objektbild auf eine Aufzeichnungseinheit (5) abbildet, wobei – die Aufzeichnungseinheit (5) gegenüber dem Objekt (1) verstellbar angeordnet ist, wobei ferner – die Aufzeichnungseinheit (5) und/oder das Objekt (1) wenigstens einen Stelltrieb (3; 9, 10, 11) aufweist, und wobei – die Aufzeichnungseinheit (5) und der Stelltrieb (3; 9, 10, 11) an eine gemeinsame Steueranlage (4) angeschlossen sind und die Steueranlage (4) in Abhängigkeit von ausgewählten Kriterien des aufgenommenen Objektbildes den Stelltrieb (3; 9, 10, 11) entsprechend beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Aufzeichnungseinheit (5) schwenkbar gegenüber dem Objekt (1) ausgeführt ist, wobei – eine zugehörige Achse (S) in oder parallel zur Fokusebene (F) verläuft, so dass – nur innerhalb eines Streifens (V) ein scharfes Objektbild auf der Aufzeichnungseinheit (5) erzeugt wird, um im Sinne einer Rückkopplung eine automatische Fokussierung zu erreichen, indem – die Aufzeichnungseinheit (5) um ihre Achse (S) unter Berücksichtigung eines Winkels (α) gegenüber der Fokusebene (F) verschwenkt wird, – der Streifen (V) im Vergleich zur Aufzeichnungseinheit (5) mit Hilfe der Steueranlage (4) örtlich erfasst wird und dann – der Streifen (V) mittels des Stelltriebes (3; 9, 10, 11) mittig im Vergleich zur Ausdehnung der Aufzeichnungseinheit (5) angeordnet wird, wobei – abschließend die Aufzeichnungseinheit (5) um den Schwenkwinkel (α) zurückgeschwenkt wird.
Kamerasystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium für die Ansteuerung des Stelltriebes (3; 9, 10, 11) der Kontrast oder die Schärfe, die Schärfentiefe, der Mittelwert der Grauwertverteilung etc. herangezogen wird.
Kamerasystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungseinheit (5) gegenüber dem Objekt (1) abstandsveränderlich ausgebildet ist.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungseinheit (5) parallel zum Objekt (1) verstellbar ausgeführt ist.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stelltrieb (3; 9, 10, 11) einen oder mehrere Piezoantriebe aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Kamerasystems, mit einer Objektiveinheit (6, 7) welche ein Objektbild auf eine Aufzeichnungseinheit (5) abbildet, insbesondere im Zuge einer optischen Erfassung von Objekten (1) im Rahmen einer Mikroskopieanordnung, wonach – die Aufzeichnungseinheit gegenüber dem Objekt (1) verstellt werden kann, wonach ferner – die Aufzeichnungseinheit (5) und/oder das Objekt (1) wenigstens einen zugehörigen Stelltrieb (3; 9, 10, 11) aufweisen, und wonach – die Aufzeichnungseinheit (5) und der Stelltrieb (3; 9, 10, 11) an eine gemeinsame Steueranlage (4) angeschlossen sind und die Steueranlage (4) in Abhängigkeit von ausgewählten Kriterien des aufgenommenen Objektbildes den Stelltrieb (3; 9, 10, 11) entsprechend beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Aufzeichnungseinheit (5) um eine in oder parallel zur Fokusebene (F) angeordnete Achse (S) verschwenkt wird, so dass – nur innerhalb eines Streifens (V) ein scharfes Objektbild auf der Aufzeichnungseinheit (5) erzeugt wird, um im Sinne einer Rückkopplung eine automatische Fokussierung zu erreichen, indem – die Aufzeichnungseinheit (5) um ihre Achse (S) unter Berücksichtigung eines Winkels (α) gegenüber der Fokusebene (F) verschwenkt wird, – der Streifen (V) im Vergleich zur Aufzeichnungseinheit (5) mit Hilfe der Steueranlage (4) örtlich erfasst wird und dann – der Streifen (V) mittels des Stelltriebes (3; 9, 10, 11) mittig im Vergleich zur Ausdehnung der Aufzeichnungseinheit (5) angeordnet wird, wobei – abschließend die Aufzeichnungseinheit (5) um den Schwenkwinkel (α) zurückgeschwenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium für die Ansteuerung des Stelltriebes der Kontrast oder die Schärfe, die Schärfentiefe, der Mittelwert der Grauwertverteilung etc. des Objektbildes herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungseinheit (5) hinsichtlich ihres Abstandes (C) gegenüber dem Objekt (1) variiert wird, um aus Schärfewerten aufgenommener Objektbilder eine nachgeführte Fokussierung abzuleiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungseinheit (5) parallel zum Objekt (1) verstellt wird, um mehrere Einzelbilder zu einem Gesamtbild gleichsam im Sinne einer Vergrößerung einer Aufzeichnungsfläche der Aufzeichnungseinheit (5) zusammenfügen zu können.