DE102006055987A1 - Process for automatic focussing of the objective of an optical image recording unit onto a receiving object useful in fluorescence microscopy gives more accurate results and avoids false results due to the presence of impurities - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fokussierung optischer Bilderfassungseinrichtungen.The The invention relates to a method for focusing optical image capture devices.
Bei Geräten und Einrichtungen mit einer automatischen Bilderfassung und Bildauswertung räumlich ausgedehnter Objekte ist die Autofokussierung ein notwendiges Erfordernis. In der Mikroskopie besteht beispielsweise die Aufgabe, die Anzahl bzw. die Dichte (Anzahl pro Flächeneinheit) markierter Sporen auf einem Präparat unter einem Fluoreszenzmikroskop zu bestimmen.at devices and facilities with automatic image acquisition and image interpretation spatially extended Objects, autofocusing is a necessary requirement. In Microscopy, for example, has the task of reducing the number or the Density (number per unit area) marked spores on a specimen under a fluorescence microscope.
Es
sind Einrichtungen, vorzugsweise Mikroskope, zur elektronischen
Bilderfassung großer
Objektfelder oder vieler Proben (
Es
ist problematisch mit Mitteln des bekannten Standes der Technik
(z. B. Maximierung des Kontrasts, wie in
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zur verbesserten Autofokussierung von optischen Bilderfassungseinrichtungen angegeben werden, daß insbesondere die Aufnahme von räumlich ausgedehnter Objekte gestattet.task The invention is to the disadvantages of the prior art remove. It is intended in particular a method for improved Autofocusing of optical imaging devices specified be that particular the inclusion of spatial allowed extended objects.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14.These The object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments of Inventions result from the features of claims 2 to 14th
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Fokussierung des Objektives einer optischen Bilderfassungseinrichtung auf ein Aufnahmeobjekt auf einem Probenträger vorgesehen, wobei das Aufnahmeobjekt aus einer Vielzahl von Teilaufnahmeobjekten besteht, die räumlich voneinander getrennt sind, umfassend
- (a) das Bestimmen der Anzahl von Teilaufnahmeobjekten in dem Aufnahmeobjekt in einer ersten Aufnahmeposition mit einem ersten Abstand z1 des Probenträgers von dem Objektiv;
- (b) das Bestimmen der Anzahl von Teilaufnahmeobjekten in dem Aufnahmeobjekt in n weiteren Aufnahmepositionen, bei denen sich der Abstand zn des Probenträgers von dem Objektiv von dem Abstand z1 unterscheidet, wobei n größer oder gleich 2 ist;
- (c) das Bestimmen der Aufnahmepositionen zv, die die maximale Anzahl von Teilaufnahmeobjekten aufweist, aus den weiteren Aufnahmepositionen und der ersten Aufnahmeposition; und
- (d) das Bringen des Objektives in die Aufnahmeposition zv.
- (a) determining the number of partial imaging objects in the photographic object in a first recording position with a first distance z 1 of the sample carrier from the objective;
- (b) determining the number of partial imaging objects in the photographic subject in n further imaging positions in which the distance z n of the sample carrier from the objective differs from the distance z 1 , where n is greater than or equal to 2;
- (c) determining the pickup positions z v having the maximum number of split subjects from the further pickup positions and the first pickup position; and
- (d) bringing the lens into the pickup position z v .
Die Schritte (b) und (c) werden zweckmäßigerweise parallel zu einander ausgeführt. Das bedeutet, daß nach jeder Bestimmung der Anzahl an. Teilaufnahmeobjekten in dem Aufnahmeobjekt in der Aufnahmeposition zi (i = 2 bis n) die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte in dieser Aufnahmeposition zi mit der Anzahl der Teilaufnahmeobjekte in der vorherigen Aufnahmeposition zi-1 verglichen wird. Ist die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte in der Aufnahmeposition zi größer als oder gleich der Anzahl der Teilaufnahmeobjekte in der Aufnahmeposition zi-1, so wird die nächste Aufnahmeposition ni+1 angefahren. Ist die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte in der Aufnahmeposition zi kleiner als die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte in der Aufnahmeposition zi-1, so wurde in der Aufnahmeposition zi-1 ein Maximum an Teilaufnahmeobjekten vorgefunden. Die Anzahl von Teilaufnahmeobjekten in der Aufnahmeposition zi-1 wird dann als maximale Anzahl von Teilaufnahmeobjekten betrachtet und die Aufnahmeposition zi-1 wird als Aufnahmepositionen zv verwendet. Schritt (b) wird somit solange mit entlang der z-Achse aufeinanderfolgenden Aufnahmepositionen durchgeführt, bis ein Maximum an Teilaufnahmeobjekten ermittelt worden ist.The steps (b) and (c) are expediently carried out in parallel with each other. This means that after each determination of the number. Partial recording objects in the recording object in the recording position z i (i = 2 to n), the number of partial recording objects in this recording position z i is compared with the number of partial recording objects in the previous recording position z i-1 . If the number of partial recording objects in the recording position z i is greater than or equal to the number of partial recording objects in the recording position z i-1 , the next recording position n i + 1 is approached. If the number of part receiving objects in the receiving position z i is less than the number of part receiving objects in the receiving position z i-1, a peak was found at part receiving objects in the receiving position z i -1. The number of part-shot objects in the recording position z i-1 is then regarded as the maximum number of part-recording objects, and the recording position z i-1 is used as the recording positions z v . Step (b) is thus carried out with successive recording positions along the z-axis until a maximum of partial recording objects has been determined.
Vorzugsweise ist n größer oder gleich 3, stärker bevorzugt größer oder gleich 20, noch stärker bevorzugt größer oder gleich 50 und am stärksten bevorzugt größer oder gleich 80.Preferably is n larger or equal to 3, stronger preferably larger or 20, even stronger preferably larger or equal to 50 and strongest preferably larger or equal to 80.
Erfindungsgemäß wird somit der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Aufnahmeobjekt entlang der z-Achse schrittweise verändert, während die Lage des Aufnahmeobjektes in der x, y-Ebene unverändert bleibt. Zweckmäßigerweise wird bei einem minimalen Abstand zwischen Objektiv und Aufnahmeobjekt in z-Richtung begonnen (erste Aufnahmeposition) und dieser Abstand schrittweise durch Verschieben des Objektives in z-Richtung vergrößert. Dabei werden in der ersten Aufnahmeposition(minimale Fokusebene) sowie nach jedem Schritt (weitere Fokusebenen) mittels einer Bilderfassungseinheit Bilder des Aufnahmeobjektes aufgenommen (weitere Aufnahmepositionen). In jedem Bild wird die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte mittels eines vorgegebenen Auswertealgorithmus bestimmt. Mittels des Auswertealgorithmus können die aufgenommenen Bilder anhand vorgegebener Merkmale, beispielsweise im Hinblick auf Form, Größe und Farbe, der in den Bildern abgebildeten Objekte ausgewertet werden, um Teilaufnahmeobjekte von Störobjekten zu unterscheiden. Die Auswertung der Bilder kann unmittelbar nach Aufnahme jedes Bildes oder erst nach Aufnahme aller Bilder erfolgen.Thus, according to the invention, the distance between the objective and the object to be photographed is changed stepwise along the z-axis, while the position of the object to be photographed in the x, y plane remains unchanged. It is expedient to start with a minimum distance between the objective and the photographing object in the z-direction (first recording position) and to increase this distance incrementally by displacing the objective in the z-direction. In this case, in the first recording position (minimum focal plane) and after each step (further focal planes) by means of an image capture unit pictures of the subject (additional shooting positions). In each picture, the number of partial recording objects is determined by means of a predetermined evaluation algorithm. By means of the evaluation algorithm, the recorded images can be evaluated on the basis of predefined features, for example with regard to shape, size and color, of the objects imaged in the images, in order to distinguish partial recording objects from interfering objects. The evaluation of the images can take place immediately after each image has been taken or only after all images have been taken.
Der Abstand zwischen Objektiv und Aufnahmeobjekt, bei dem das Bild mit der höchsten Zahl an Teilaufnahmeobjekten erhalten wurde, wird als Aufnahmeposition zv für das Aufnahmeobjekt ausgewählt. Diese Aufnahmeposition zv ist die optimale Fokusebene. Die optimale Fokusebene wird dann eingestellt und ein Bild des Aufnahmeobjektes aufgenommen.The distance between the lens and the subject in which the image with the highest number of partial subjects has been obtained is selected as the photographing position z v . This recording position z v is the optimal focal plane. The optimal focus plane is then adjusted and an image of the subject is taken.
Aus der Auswertung der Bilder hinsichtlich der vorgegebenen Eigenschaften kann beispielsweise ein Diagramm erhalten werden, daß die Zahl der in einem Bild erkannten Teilaufnahmeobjekte gegenüber dem Abstand zwischen Objektiv und Aufnahmeobjekt in z-Richtung zeigt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, bei welchem Abstand zwischen Objektiv und Aufnahmeobjekt die maximale Zahl von Teilaufnahmeobjekten erkannt worden ist.Out the evaluation of the images with regard to the given properties For example, a diagram can be obtained that the number the part-shot objects recognized in an image opposite the Distance between lens and subject in z direction shows. From the diagram it can be seen at which distance between lens and Recording object, the maximum number of partial recording objects detected has been.
Nach der Bestimmung der optimalen Fokusebene zv kann eine Verbesserung der Bildaufnahme erreicht werden, indem im Anschluß an Schritt (d) folgende Schritte durchgeführt werden:
- (e) das Bestimmen der Anzahl von Teilaufnahmeobjekten in dem Aufnahmeobjekt mit einer ersten Belichtungszeit b1;
- (f) das Bestimmen der Anzahl von Teilaufnahmeobjekten in dem Aufnahmeobjekt mit m weiteren Belichtungszeiten bm, die sich von der ersten Belichtungszeit b1 unterscheiden;
- (g) das Bestimmen der Belichtungszeit bv, die die maximale Anzahl von Teilaufnahmeobjekten aufweist, aus den weiteren Belichtungszeiten bm und der ersten Belichtungszeit; und
- (h) das Einstellen der Belichtungszeit auf die Belichtungszeit bv.
- (e) determining the number of partial imaging objects in the photographic subject with a first exposure time b 1 ;
- (f) determining the number of partial imaging objects in the photographic subject with m further exposure times b m , which differ from the first exposure time b 1 ;
- (g) determining the exposure time b v , which has the maximum number of partial imaging objects, from the further exposure times b m and the first exposure time; and
- (h) setting the exposure time to the exposure time b v .
Die Schritte (e) und (f) werden zweckmäßigerweise parallel zu einander ausgeführt. Das bedeutet, daß nach jeder Bestimmung der Anzahl an Teilaufnahmeobjekten in dem Aufnahmeobjekt bei einer Belichtungszeit bi (i = 2 bis m) die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte bei dieser Belichtungszeit bi mit der Anzahl der Teilaufnähmeobjekte mit der vorherigen Belichtungszeit mi-1 verglichen wird. Ist die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte bei der Belichtungszeit bi größer als oder gleich der Anzahl der Teilaufnahmeobjekte bei der Belichtungszeit bi-1, so wird die nächste Belichtungszeit bi+1 verwendet. Ist die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte bei der Belichtungszeit bi kleiner als die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte bei der Belichtungszeit bi-1, so wurde bei der Belichtungszeit bi-1 ein Maximum an Teilaufnahmeobjekten vorgefunden. Die Anzahl von Teilaufnahmeobjekten bei der Belichtungszeit bi-1 wird dann als maximale Anzahl von Teilaufnahmeobjekten betrachtet und die Belichtungszeit bi-1 wird als Belichtungszeit bv verwendet. Schritt (e) wird somit solange mit aufeinanderfolgenden Belichtungszeiten durchgeführt, bis ein Maximum an Teilaufnahmeobjekten ermittelt worden ist.The steps (e) and (f) are expediently carried out in parallel with each other. That is, after each determination of the number of sliced objects in the slidable object at an exposure time b i (i = 2 to m), the number of sliced subjects at this shutter speed b i is compared with the number of sliced subjects at the previous exposure time m i-1 , If the number of part-shot objects at the exposure time b i is greater than or equal to the number of part-shot objects at the exposure time b i-1 , the next exposure time b i + 1 is used. If the number of partial imaging objects at the exposure time b i is smaller than the number of partial imaging objects at the exposure time b i-1 , then a maximum of partial imaging objects was found at the exposure time b i-1 . The number of part-shot objects at the exposure time b i-1 is then considered to be the maximum number of part-shot objects, and the exposure time b i-1 is used as the exposure time b v . Step (e) is thus carried out with successive exposure times until a maximum number of partial acquisition objects has been determined.
Vorzugsweise ist m größer oder gleich 2, stärker bevorzugt größer oder gleich 20, noch stärker bevorzugt größer oder gleich 50 und am stärksten bevorzugt größer oder gleich 80.Preferably is m greater or equal to 2, stronger preferably larger or equal to 20, even more preferred bigger or equal to 50 and most preferred bigger or equal to 80.
Demnach ist neben einer schrittweise Veränderung der Fokusebene zusätzlich eine schrittweise Veränderung der Belichtungszeit vorgesehen. Dabei wird zweckmäßigerweise zunächst eine erste Belichtungszeit eingestellt und diese dann schrittweise verändert. Bei jeder Belichtungszeit wird ein Bild des Aufnahmeobjektes mit der Bilderfassungseinheit aufgenommen.Therefore is next to a gradual change the focal plane in addition a gradual change the exposure time provided. It is expediently first Set a first exposure time and then gradually changed. At each exposure time, an image of the subject with the image capture unit recorded.
In jedem Bild wird die Anzahl der Teilaufnahmeobjekte mittels eines vorgegebenen Auswertealgorithmus bestimmt. Mittels des Auswertealgorithmus können die aufgenommenen Bilder anhand vorgegebener Merkmale, beispielsweise im Hinblick auf Form, Größe und Farbe, der in den Bildern angebildeten Objekte aus gewertet werden, um Teilaufnahmeobjekte von Störobjekten zu unterscheiden. Die Auswertung der Bilder kann unmittelbar nach Aufnahme jedes Bildes oder erst nach Aufnahme aller Bilder erfolgen.In Each image is assigned the number of partial objects by means of a determined evaluation algorithm. By means of the evaluation algorithm can the captured images based on predetermined characteristics, such as in terms of shape, size and color, the objects formed in the images are scored to be partial objects of disturbing objects to distinguish. The evaluation of the images can take place immediately after taking every picture or only after taking all pictures.
Die Belichtungszeit, bei der das Bild mit der höchsten Zahl an Teilaufnahmeobjekten erhalten wurde, wird als bv für das Aufnahmeobjekt ausgewählt. Diese Belichtungszeit bv ist die optimale Belichtungszeit. Die optimale Belichtungszeit wird dann eingestellt und ein Bild des Aufnahmeobjektes aufgenommen.The exposure time at which the image with the highest number of sub-shot objects was obtained is selected as b v for the shot object. This exposure time b v is the optimum exposure time. The optimum exposure time is then set and an image of the subject is taken.
Aus der Auswertung der Bilder hinsichtlich der vorgegebenen Eigenschaften kann beispielsweise ein Diagramm erhalten werden, daß die Zahl der in einem Bild erkannten Teilaufnahmeobjekte gegenüber dem Abstand zwischen Objektiv und Aufnahmeobjekt in z-Richtung zeigt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, bei welchen Abstand zwischen Objektiv und Aufnahmeobjekt die maximale Zahl von Teilaufnahmeobjekten erkannt worden ist.Out the evaluation of the images with regard to the given properties For example, a diagram can be obtained that the number the part-shot objects recognized in an image opposite the Distance between lens and subject in z direction shows. The diagram shows the distance between the lenses and the recording object, the maximum number of partial recording objects detected has been.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit dadurch gekennzeichnet, daß eine optimale Fokusebene zv (Abstand zwischen Objektiv und Aufnahmeobjekt in z-Richtung) und in einer Ausführungsform der Erfindung zusätzlich eine optimale Belichtungszeit bv bei der erfindungsgemäß bestimmten optimalen Fokusebene zv bestimmt werden. Dies wird durch schrittweise Veränderung der Fokusebene und, sobald die optimale Fokusebene bestimmt worden ist, durch schrittweise Veränderung der Belichtungszeit erreicht. In der Ausgangsposition z1 bzw. b1 und nach jedem Schritt wird ein Bild des Objektes aufgenommen. Die erhaltenen Bilder werden hinsichtlich der Anzahl von Teilaufnahmeobjekten nach vorgegebenen Merkmalen ausgewertet.The inventive method is thus characterized in that an optimal focal plane z v (distance between the lens and the object to be photographed in the z-direction) and in one embodiment of the invention additionally an optimum exposure time b v at the inventively determined optimum focal plane z v be determined. This is achieved by gradually changing the focal plane and, as soon as the optimal focus plane has been determined, by stepwise changing the exposure time. In the initial position z 1 or b 1 and after each step, an image of the object is taken. The obtained images are evaluated in terms of the number of partial recording objects according to predetermined characteristics.
Handelt es sich um ein Aufnahmeobjekt mit einer Ausdehnung in der x, y-Ebene, das nicht mittels einer Bildaufnahme vollständig erfaßt werden kann, so können Teilbilder des Aufnahmeobjektes angefertigt werden, die anschließend zu einem vollständigen Bild des Aufnahmeobjektes zusammengefügt werden. Dazu werden die Bildpositionen (x, y), für die Teilbilder aufgenommen werden sollen, nacheinander nach einem vorgegebenen Algorithmus mit der zuvor bestimmten Fokuseinstellung (zv) angefahren und eine Bildaufnahme für jede Bildposition (x, y) durchgeführt. Da sich die Fokusebene und Leuchtdichte innerhalb des großen Aufnahmeobjektes ändern können, wird nach einer vorgegebenen Anzahl von Bildaufnahmen eine Neueinstellung der optimalen Fokusebene zv und, wenn gewünscht, der optimalen Belichtungszeit bv vorgenommen. Nach Durchlaufen aller Bildpositionen (x, y) erhält man ein vollständiges elektronisches Abbild des zu untersuchenden Aufnahmeobjektes im Speicher der Bilderfassungseinheit (Rechner), bei der alle zu suchenden Teilaufnahmeobjekte optimal erkennbar sind.If it is a recording object having an extension in the x, y plane, which can not be completely detected by means of an image recording, sub-images of the recording object can be made, which are then combined to form a complete image of the recording object. For this purpose, the image positions (x, y) for which partial images are to be recorded are approached successively according to a predetermined algorithm with the previously determined focus setting (z v ), and an image acquisition is performed for each image position (x, y). Since the focus plane and luminance can change within the large subject, a re-adjustment of the optimum focal plane z v and, if desired, the optimum exposure time b v is performed after a predetermined number of frames. After passing through all the image positions (x, y), a complete electronic image of the object to be examined in the memory of the image acquisition unit (computer) is obtained, in which all parts to be searched are optimally recognizable.
Die Teilaufnahmeobjekte des Aufnahmeobjektes sind beispielsweise Sporen einen Pilzes.The Partial recording objects of the recording object are spores, for example a mushroom.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigenThe The invention will be described below with reference to the drawings explained in more detail. Show
Nach
Zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Probe
In
großem
Abstand zur Fokusebene werden keine Sporen gefunden, da diese im
Bild sehr dunkel, unscharf und groß abgebildet werden. Je näher die Positioniereinrichtung
Nach
der Einstellung der optimalen Fokusebene zv gemäß der vorstehend
beschriebenen Verfahrensweise kann eine weitere Optimierung der Bildaufnahme
durch Variation der Belichtungszeit b der Bilderfassungseinheit
Nach einem vorgegebenen Algorithmus, beispielsweise durch Matrixabtastung, werden die Bildpositionen (x, y) mit der zuvor bestimmten Fokuseinstellung (zv) angefahren und die Bildaufnahmen durchgeführt. Da sich die Fokusebene und Leuchtdichte innerhalb der. großen Probe ändern können, wird nach einer wählbaren Anzahl von Bildaufnahmen eine Neueinstellung nach oben beschriebener Vorgehensweise vorgenommen. Nach Durchlaufen aller Bildpositionen (x, y) erhält man ein vollständiges elektronisches Abbild der zu untersuchenden Probe im Speicher der Bilderfassungseinheit (Rechner), bei der alle zu suchenden Objekte optimal erkennbar sind.According to a predetermined algorithm, for example by matrix scanning, the image positions (x, y) are approached with the previously determined focus setting (z v ) and the image recordings are performed. As the focal plane and luminance within the. large sample, after a selectable number of image acquisitions, a readjustment is made according to the above-described procedure. After passing through all the image positions (x, y), a complete electronic image of the sample to be examined is obtained in the memory of the image acquisition unit (computer), in which all objects to be searched for are optimally recognizable.
- 11
- Mikroskopeinheit mit Objektivmicroscope unit with lens
- 22
- Beleuchtungseinheitlighting unit
- 33
- BilderfassungseinheitImage capture unit
- 44
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 55
- Positioniertischpositioning
- 66
- Aufnahmeobjektrecording object
- 77
- Teilaufnahmeobjekte (Sporen)Part engulfing objects (Spores)
- 88th
- Störobjekteobstructions
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110902 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |