DE102013012987A1

DE102013012987A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines digitalen optischen Gerätes und optisches Gerät

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Publication number: DE102013012987A1
Application number: DE201310012987
Authority: DE
Inventors: Johannes Winterot; Thomas Milde; Max Funck; Toufic Jabbour; Dr. Knoblich Johannes
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2013-08-03
Filing date: 2013-08-03
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US9344650B2; EP2833185A1; JP2015031957A; CN104345437A; CN104345437B; JP6408275B2; US20150036027A1; EP2833185B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Gerätes, das zumindest ein motorisiertes Zoomsystem (16), ein Objektiv (13), einen Bildsensor (06) und eine Bildverarbeitungseinheit umfasst. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Ermitteln von Kalibrierdaten DZRef des Zoomsystems (16) mit einem Referenzobjektiv (10) und Speichern in einem internen Speicher des Zoomsystems (16); Ermitteln von Kalibrierdaten DORef des Objektivs (13) mit einem Referenz-Zoomsystem (09) und Speichern in einem internen Speicher des Objektivs (13); Auslesen der internen Speicher des Zoomsystems (16) und des Objektivs (13) und Anwenden einer digitaloptischen Korrektur eines von Bildsensor erfassten Bildes unter Verwendung der Kalibrierdaten DZRef und DORef. Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches Gerät, insbesondere ein Digitalmikroskop, bei dem das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren anwendbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Gerätes, insbesondere für Digitalmikroskope und modulare optische Systeme, die unabhängige Zoomsysteme und ggf. Objektive aufweisen. Daneben betrifft die Erfindung ein Digitalmikroskop bzw. ein digitales optisches System, in welchem ein solches Verfahren implementiert ist, bzw. das für die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Herstellungstoleranzen der optischen Baugruppen, also der Zoomsysteme und der Objektive verursachen Fehler in der Bilddarstellung, sei es die tatsächliche Vergrößerung eines Objektives oder der bestimmten Zoomstellung, eine Abweichung des Bildstandes vom Zentrum Bildverzerrungen, Farbfehler oder andere Abbildungsfehler.
Von Abbildungsfehlern spricht man dann, wenn die verschiedenen Lichtstrahlen, die von dem Objektpunkt ausgehen, nicht alle in einem Bildpunkt fokussiert werden. Die wichtigsten Abbildungsfehler sind die sphärische und die chromatische Aberration. Sphärische und chromatische Abbildungsfehler werden durch Systeme aus mehreren Linsen verschiedener Glassorten, sphärische Abbildungsfehler durch asphärische Linsen oder Gradientenlinsen korrigiert. Dem Fachmann sind weitere Korrekturmöglichkeiten bekannt, beispielsweise aplanatische Linsen, Aufspalten von Linsen zur Verringerung von Einfallswinkeln, Glassorten mit höherem Brechungsindex, Verkleinern der Pupille und andere. Eine Glasplatte (Planplatte) erzeugt beispielsweise einen Bildebenenversatz bzw. eine Unschärfe, die mit größer werdendem Öffnungswinkel zunimmt.
Die Abbildung durch Linsen ist immer mehr oder weniger fehlerbehaftet. Es entstehen beispielsweise Farbsäume oder die sogenannte Bildfeldwölbung im mikroskopischen Bild. Durch einen geschickten Aufbau der Objektive lassen sich solche Abbildungsfehler weitgehend ausschließen. Planachromate, Apochromate sind Beispiele hierfür. Bei apochromatischen Objektiven werden Farbsäume in der mikroskopischen Abbildung durch eine aufwendige Anordnung unterschiedlicher Linsen im Objektiv unterdrückt. Die Planachromaten sind so korrigiert, dass die normalerweise im mikroskopischen Bild auftretende Bildfeldwölbung eliminiert wird.
Die Planapochromaten besitzen von allen Objektiven die aufwendigste Konstruktion. Bei diesen Objektiven ist die Bildfeldwölbung, wie bei den Planachromaten, weitgehend beseitigt. Zusätzlich werden bei diesen Objektiven die normalerweise auftretenden roten und blauen Farbsäume durch die sehr aufwendige Konstruktion unterbunden. Diese Objektive sind sehr teuer und finden ihren Einsatz in erster Linie in der Farb-Mikrofotografie bei höchsten Ansprüchen.
Bei Zoomsystemen kommen Abbildungsfehler durch Zentrierdifferenzen der Zoomkonstruktion hinzu (Bildstandfehler). Auch die oben genannten Bildfehler können über den Zoombereich variieren.
Insbesondere Fertigungstoleranzen spielen ein große Rolle für die Qualität der Abbildung. Bei modular aufgebauten Digitalmikroskopen können insbesondere die Optikkomponenten Zoomsystem und Objektiv mit ihren jeweiligen Toleranzen die Abbildungsfehler summieren.
Aus der DE 102 25 193 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung der Vergrößerung eines Stereomikroskops bekannt, bei dem auf der Grundlage einer Erstkalibrierung eine Kalibrierung über den gesamten Vergrößerungsbereich ableitbar sein soll. Anhand eines Objektiv-Okular-Referenzmaßpaares werden durch die Betätigung des Zooms am Mikroskop vorgegebene Ist-Vergrößerungen eingestellt. Die hierbei vorliegende Stellung der einzelnen Linsen des Zooms werden erfasst und für jede Zoomstellung wird ein Nominal-Vergrößerungswert abgespeichert. Durch rechnerischen Vergleich der Ist-Vergrößerung mit der Nominal-Vergrößerung wird ein Korrekturfaktor berechnet, welcher zur Kalibrierun des gesamten Zoom-Bereichs benutzt wird. Dies ist lediglich eine Korrektur hinsichtlich der realen Vergrößerung.
In der Digitalfotografie können Objektivverzeichnungen beispielsweise mittels Software manuell korrigiert werden, wobei umfangreiche Datenbanken für Kameras und Objektive vorhanden sein müssen. Teilweise werden Objektivkorrekturen (Verzerrungen, chromatische Aberrationen und Vignettierungen) mit der Firmware der Kameras intern durchgeführt (z. B. Sony).
Die DE 101 14 757 B4 beschreibt ein Mikroskopsystem mit einer Zoomoptik und einer Digitalkamera. In einer Korrektureinheit (PC) wird das digital fotografierte Bild in Übereinstimmung mit Bildkorrekturdaten entsprechend der jeweiligen Vergrößerung korrigiert. Dabei sind die Bildkorrekturdaten fotografische Bilddaten eines Standardhintergrundbildes. Es wird für jedes Bildelement eine exklusiv-ODER-Funktion entsprechend dem Objektbild und dem Standard-Hintergrundbild durchgeführt.
Aus der DE 10 2010 025 888 A1 ist eine Digitalkamera mit einem implementierten Verfahren zur Erstellung eines verzerrungsfreien Digitalbildes bekannt, das eine an das jeweils vorhandene Kameraobjektiv angepasste, optimale Bildentzerrung ermöglicht. Bei dem Verfahren werden Korrekturwerte für jeden Typ eines Kameraobjektives experimentell einmalig bestimmt und anschließend in allen Digitalkameras mit gleichem Objektivtyp hinterlegt. Die Verzeichnungsfunktion ist dabei abhängig von der eingestellten Brennweite und der Entfernung eines aufzunehmenden Objektes und kann als zweidimensionale Matrix aus Konstanten ermittelt und in der Digitalkamera abgelegt werden. Dabei können die Faktoren durch Interpolation aus der hinterlegten Matrix ermittelt werden.
Aus US 2008/0239107 A1 und US 2009/0268078 A1 sind Verzeichnungskorrekturverfahren für Digitalkameras bekannt, bei denen Koeffizienten in Abhängigkeit von Zoom- und Fokuseinstellungen in einer Tabelle hinterlegt sind. Bei der Korrektur werden Zwischenwerte durch Interpolation mit Polynomen höherer Ordnung ermittelt.
In der Digitalmikroskopie und anderen digitalen optischen Anwendungen sind häufig Objektiv und Zoomsystem untereinander konfigurierbar, wenn der Zoom nicht direkt in das Objektiv integriert ist. Das heißt, ein Zoomsystem kann mit unterschiedlichen Objektiven verwendet werden. Da sowohl Zoomsystem, als auch Objektiv unterschiedliche Abbildungsfehler verursachen, sind verschiedene Korrekturen erforderlich, um zu einer zufriedenstellenden Bildqualität zu gelangen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Digitalmikroskopes oder eines anderen optischen Systems anzugeben, das insbesondere den Fertigungsprozess modularer Systeme vereinfacht und bei einem Objektivwechsel eine schnelle und einfache Kalibrierung hinsichtlich verschiedener Abbildungsfehler ermöglicht.
Weiterhin soll ein Digitalmikroskop mit einer solchen Kalibrationslogistik geschaffen werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Digitalmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren verfolgt das Ziel, durch geeignete Einzelkalibrierung der modularen Bestandteile eines Digitalmikroskopes (mindestens Zoomsystem und Objektiv als optische Module) mit jeweils einem Referenzobjekt auf einfache und besonders schnelle Weise zu einem kalibrierten Gesamtsystem zu gelangen.
Voraussetzung ist die Zuordnung der Einzelkalibrationen zu beliebigen Positionen des Zoomsystems. Dies ist über den Antrieb des Zoomsystems möglich, wenn das Zoomsystem im Schrittmodus motorisiert oder codiert ist.
Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:
Ermitteln von Kalibrierdaten D_ZRef des Zoomsystems mit einem Referenzobjektiv und Speichern der Kalibrierdaten D_ZRef in einem internen Speicher des Zoomsystems. In einem weiteren Schritt erfolgt das Ermitteln von Kalibrierdaten D_ORef des Objektivs mit einem Referenz-Zoomsystem und Speichern der Kalibrierdaten D_ORef in einem internen Speicher des Objektivs. Anschließend werden die Kalibrierdaten D_Z und D_O durch geeignete digitaloptische Korrektur des vom Bildsensor generierten Bildes kombiniert. Das kann eine mathematische Operation sein, welche mit einer Koordinatentransformation verwandt ist.
Zunächst soll der Schritt der Ermittlung der Kalibrierdaten D_ZRef des Zoomsystems anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Digitalmikroskopes erläutert werden.
Das Digitalmikroskop umfasst zumindest ein Objektiv, ein (häufig oder zumeist) motorisiertes Zoomsystem, einen Bildsensor und eine Logikeinheit zur Bildverarbeitung bzw. eine Bildverarbeitungseinheit. Die Logikeinheit ist vorzugsweise gemeinsam mit dem Zoomsystem in einer so genannten Optical Engine angeordnet, wo auch eine oder mehrere Motorsteuerungen für das Zoomsystem und weitere Steuer- und Auswertekomponenten untergebracht sind. An der Optical Engine ist das Objektiv wechselbar angeordnet. Das Objektiv besitzt vorteilhafterweise einen eigenen Datenspeicher und eine elektronische Schnittstelle, über die dieser Datenspeicher ausgelesen werden kann.
Selbstverständlich umfasst das Digitalmikroskop in an sich bekannter Weise auch eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Mikroskopkomponenten und eine Ein-/Ausgabeeinheit zur Bedienung, Bildbetrachtung und -auswertung. Dass Monitor, Tastatur und Bedienkomponenten als Ein-/Ausgabeeinheiten bei einem Digitalmikroskop auch als separate Komponenten vorhanden sein können, die an das Digitalmikroskop angeschlossen werden, versteht sich von selbst.
Ebenso verfügt das Digitalmikroskop über einen motorisiert verfahrbaren Objekttisch, ein ggf. schwenkbare Stativ, eine Beleuchtungsvorrichtung für Auflichtbeleuchtung und ggf. für Durchlichtbeleuchtung und weitere hier nicht erwähnte Komponenten.
Da Zoomsystem und Objektiv unterschiedliche optische Module mit unterschiedlichen Toleranzen und Abbildungsfehlern sind, und ggf. deren Herstellung dezentral erfolgt, bietet sich eine separate Kalibrierung an. Aber auch für einen späteren Wechsel des Objektives oder der optical engine ist das Verfahren vorteilhaft verwendbar.
Bei der Herstellung der Optical Engine (Bildverarbeitungseinheit), welche das motorisierte Zoomsystem beinhaltet, wird dessen reale Zoomkurve für definierte Motorschrittweiten ggf. mehrerer Motoren für mehrere Linsenbaugruppen bestimmt. Weiterhin erfolgt eine Ermittlung der tatsächlichen Abbildungsfehler des Zoomsystems, wie Bildstand, Blendensteuerung und Verzeichnungskorrektur und daraus schließlich die Ermittlung eines Modells zur Vergrößerungssteuerung und Bildkorrektur. Erfindungsgemäß erfolgt diese Kalibrierung für alle neu herzustellenden Systeme anhand eines Referenzobjektives. Somit ist sichergestellt, dass jedes Zoomsystem immer gleich kalibriert ist.
Nach der Herstellung der Objektive werden diese einheitlich an einem Referenz-Zoomsystem kalibriert. Dabei wird eine reale Vergrößerung in Kombination mit dem Referenzzoomsystem ermittelt.
Vorteilhaferweise werden auch Kalibrierdaten des Referenz-Zoomsystems mit dem Referenzobjektiv erfasst und gespeichert.
Wird später das Objektiv im Digitalmikroskop gewechselt, kann anhand der gespeicherten Kalibrierungsdaten des Zoomsystems eine verkürzte Neukalibrierung unter Verwendung der auf dem Objektiv gespeicherten Kalibrierungsdaten und der bekannten Referenzdaten erfolgen.
Anhand der Kalibrierung an jeweils einem Referenzobjekt ist eine Erstkalibrierung bei Montage des optischen Systems sehr einfach.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass beliebige System auch mit beliebig vielen Objektiven kombinierbar und kalibrierbar sind, so dass eine Produktion der modularen Komponenten dezentral erfolgen kann und trotzdem eine gleichbleibende und qualitativ hochwertige Kalibrierung sichergestellt ist.
Der Kalibrierungsvorgang selbst kann natürlich entsprechend der Bedürfnisse variiert und angepasst werden.
Die Erfindung wird nachfolgend für eine besonders bevorzugte Ausführungsform anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Zoomsystems mit beweglichen Linsengruppen in verschiedenen Stellungen;
2: eine schematische Darstellung verschiedener Referenzmuster;
3: eine erste Kalibrierungslogistik mit einem Referenzzoomsystem und einem Referenzobjektiv;
4: eine zweite Kalibrierungslogistik mit einem Referenzzoomsystem und einem beliebigen Objektiv;
5: eine dritte Kalibrierungslogistik mit einem beliebigen Zoomsystem und einem Referenzobjektiv;
6: eine vierte Kalibrierungslogistik mit einem beliebigen Objektiv an einem beliebigen Zoomsystem.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Zoomsystem 01 mit zwei beweglichen und einer festen Linsengruppe in verschiedenen Stellungen. Eine erste bewegliche Linsengruppe 02 dient zunächst der Fokuseinstellung, während eine zweite Linsengruppe 03 den Vergrößerungsfaktor β einstellt. Die Linsengruppen 02, 03 sind mittels nicht dargestellten Schrittmotoren in kleinsten Schritten verfahrbar. Im Betrieb des Digitalmikroskopes gib es fixe Zoomtabellen, in denen jeweils Motorstellungen der beiden Linsengruppen gespeichert sind. Beide Motoren werden vorzugsweise gleichzeitig verfahren, um besonders schnell zu einer gewünschten Zoomeinstellung zu gelangen. In an sich bekannter Weise ist das Zoomsystem 01 in dem Strahlengang von einem Objekt 04, über ein Objektiv 05, das Zoomsystem 01 bis zu einem Bildsensor 06 angeordnet.
Zur Ermittlung von Kalibrierdaten D_Z des Zoomsystems 01 mit einem Referenzobjektiv wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zunächst in einem montierten Digitalmikroskop das Objektiv (z. B. ein 5 × 0.3 Objektiv mit eingebauter Objektebene) ausschließlich mit Zoombewegungen nahe einer hohen Vergrößerung (mit der ersten Linsengruppe 02) fokussiert.
Die hier beschriebene eingebaute Objektebene ist eine mechanische Vorrichtung, mit der ein Referenzobjekt im Arbeitsabstand vor dem Objektiv 05 platziert werden kann.
Anschließend wird das Objektiv 05 gegen ein Referenzobjektiv 06 gleicher Bauart und Vergrößerung (auch Goldenes Objektiv genannt) ausgetauscht, ohne den Zoom zu bewegen.
Nachfolgend wird ein tatsächlicher Bildmittelpunkt auf der Sensorfläche (Invarianzpunkt) ermittelt, welcher aufgrund der nicht justierten Sensormontage und Zentriertoleranzen der Optik vom Sensormittelpunkt sowohl in der absoluten Lage, als auch in der Orientierung abweichen kann. Dieser Bildmittelpunkt ist besonders für Zoomfahren von Bedeutung, damit das Bild exakt aus einem Punkt heraus gezoomt (und hinein) dargestellt wird. Vorteilhafterweise wird anhand zweiter Zoomstellungen das Bildzentrum anhand eines Referenzmusters ermittelt und die Abweichung entlang der Zoomfahrt minimiert. Einen besonders stabilen Bildmittelpunkt erhält man, wenn man zwei weit entfernte Zoomstellungen (also größte und kleinste Vergrößerung) verwendet. Zur Bestimmung des Bildmittelpunktes kann als Referenzobjekt beispielsweise ein Fadenkreuz oder ein Diagonalmuster (2c, 2b) verwendet werden. Der Invarianzpunkt wird als Mittelpunkt der für die Kalibration auszuwertenden Sensorfläche gewählt. Seine Projektion auf die Objektebene soll dann dem Mittelpunkt der Kalibrationsmuster 2 entsprechen.
Zur Bestimmung einer Zoomkurve werden nacheinander vorzugsweise neun Zoomstellungen angefahren und der Fokus eingestellt. Dargestellt sind hier nur fünf Zoomstellungen ➀ bis ➄. Die Einstellung kann beispielsweise dadurch geschehen, dass mittels der zweiten beweglichen Linsengruppe 03 eine Zoomstellung angefahren wird und mit der ersten beweglichen Linsengruppe 02 ein Referenzmuster fokussiert wird. Dazu kann ein in 2a dargestelltes Rasterreferenzobjekt 07 verwendet werden, welches ggf. in so vielen Größen vorzuhalten ist, wie Zoomstellungen angefahren werden sollen. Alternativ kann ein sehr fein gerastertes Referenzobjekt verwendet werden, wenn sichergestellt ist, dass in jeder Zoomeinstellung die benötigten Abweichungswerte ermittelt werden können.
Das Rasterreferenzobjekt 07 ist im dargestellten Beispiel eine Lochmaske mit Löchern 08, die in definierter Größe in äquidistanten Abständen x als Reihen und Spalten auf einer Platte angeordnet sind. Aus den bekannten Abständen x der Löcher 08 auf dem Rasterreferenzobjekt 07 und der Darstellung auf dem Bildsensor 06 ist eine tatsächlich eingestellte Vergrößerung β errechenbar. Diese kann auch bereits eine Verzeichnungskorrektur beinhalten, welche später näher erläutert wird.
Außer der Bestimmung der Zoomkurve wird vorzugsweise auch ein Verzeichniskorrekturmodell ermittelt, mit dessen Hilfe Farb- und Verzerrungsfehler der Optik digital korrigiert werden können.
Das Ergebnis der Bestimmung der Zoomkurve ist also eine Tabelle, in der für vorzugsweise neun verschiedene Zoomstufen Vergrößerungen β, Motorpositionen und ggf. Korrekturkoeffizienten für Verzeichnung und Bildstand (für ein Zoomsystem am goldenen Objektiv) gespeichert sind.
Zur Kalibrierung der Objektive werden diese an einem Referenz-Zoomsystem verwendet, die realen Objektivdaten bestimmt und eine Verzeichniskorrektur vorgenommen.
Bei der Verzeichnungskorrektur wird aus einer Referenztabelle ein Verzeichnungsmodell gebildet, indem aus Lagefehlervektoren in verschiedenen Zoomstellungen Polynome höherer Ordnung interpoliert und elf Lagefehlerkoeffizienten je Farbkanalreferenzbild ermittelt werden. Zusätzlich können Bildstandfehlerkoeffizienten ermittelt werden, sowie Zoommotorpositionen zu zugehörigen Vergrößerungen erfasst und im Verzeichnungsmodell gespeichert werden.
Das Verzeichnungsmodell, das heißt die Koeffizienten, Vergrößerungen und ggf. weitere Werte werden in einer verkürzten Zoomtabelle gespeichert. Diese verkürzte Zoomtabelle umfasst vorzugsweise vier Zeilen und enthält Koeffizienten von Ausgleichspolynomen vorzugsweise dritten Grades, welche die Berechnung der genannten Werte zu beliebigen Vergrößerungen ermöglichen. Die verkürzte Zoomtabelle kann durch Verwendung folgender Polynome für jede beliebige Vergrößerung ß erweitert werden:
Zu jeder Zoomposition i ist die Größe der Koeffizienten der Verzeichnung zu bestimmen. Zu jeder Zoomposition i gehört eine Vergrößerung ß. Aus ß ist deren Größe mit Hilfe der Einträge der verkürzten Zoomtabelle zu bestimmen.
Dabei gilt für die Verzeichnungskorrekturkoeffizienten a: a_m,n(i(β)) = a_m,n(i⁰ = 1) + a_m,n(i⁰ = 2)·β + a_m,n(i⁰ = 3)·β² + a_m,n(i⁰ = 4)·β³; wobei m für die drei Farbkanäle Rot, Grün, Blau steht und n jeweils Werte von 1 bis 11 annimmt;
und für Bildstandskorrekturkoeffizienten I: I_m(i(β)) = I_m(i⁰ = 1) + I_m(i⁰ = 2)·β + I_m(i⁰ = 3)·β² + I_m(i⁰ = 4)·β³; wobei m Koordinatenwerte X und Y annimmt, und
wobei i0 = 1...3, die Werte der reduzierten Zoomtabelle sind.
Es kommen insgesamt verschiedene Kalibrierungs-Prozesse zur Anwendung.
Zunächst wird ein Referenz-Zoomsystem 09 mit einem Referenzobjektiv 10 justiert (3). Die Referenzsysteme sind in den Figuren zur besseren Erkennbarkeit schraffiert dargestellt. Dazu werden Kalibrationsmasken für die Zoomkurve, die Verzeichniskorrektur und die Bildstandskorrektur abgebildet und bei der Verarbeitung der Bilddaten für die entsprechende Korrektur verwendet.
Mit dem verzeichniskorrigierten Bild kann eine finale reale Vergrößerung (β = 0,5...5 bzw. β = 5...25) des Referenz-Zoomsystems für die Verbindung mit einem Referenzobjektiv ermittelt werden.
Eine Zoom-Tabelle 11 wird für die Kombination Referenz-Zoomsystem mit Referenzobjektiv generiert und in einem internen Speicher des Referenz-Zoomsystems gespeichert. Auf dem Referenzobjektiv wird eine verkürzte Zoomtabelle als Kalibrationstabelle 12 (4 × 33) für den Fit der Verzeichnungskoeffizienten gespeichert.
In 4 ist dargestellt, wie ein beliebiges Objektiv 13 am Referenz-Zoomsystem 09 kalibriert wird.
Es werden mit dem Referenz-Zoomsystem 09 die neun idealen β-Positionen der Modelle angefahren und die tatsächlich abweichende verzeichnungskorrigierte Vergrößerung des Objektivs 13 am Referenz-Zoomsystem 09 ermittelt und als Kalibrierdaten 15 auf dem internen Speicher des Objektivs 13 gespeichert. Die β-Positionen sind dabei die Vegrößerungen, für die die Referenzmuster gefertigt wurden. Optional kann noch der Bildsprung beim Wechsel vom Referenzobjektiv 10 zu dem neuen Objektiv 13 als Vektor auf dem internen Speicher des Objektivs 13 gespeichert werden. Dieser Wert kann später weiterverarbeitet werden.
Die Verzeichnungskorrektur erfolgt über die Idealvergrößerung. Dafür sind in einem internen Speicher des Objektivs in einer Tabelle 14 für vier Idealvergrößerungen je Farbkanal 11 Modellkoeffizienten gespeichert.
Anhand 5 wird beschrieben, wie ein beliebiges Zoomsystem 16 am Referenzobjektiv 10 kalibriert wird. Es wird die Kalibrationstabelle 12 des Referenzobjektives 10 mit dem Referenz-Zoomsystem für spätere Berechnungen auf dem Prüflingszoom gespeichert. Es erfolgen die Schritte Bestimmung des Invarianzpunktes, Bestimmung der 9 Zoompositionen für fokussierte Abbildung, Abbildung der Kalibrationsmasken für die Zoomkurve, die Verzeichnungskorrektur und die Bildstandskorrektur wie bei 3 für die Kombination Referenzzoom 09 mit Referenzobjektiv 10 beschrieben. Die Bewegungen der Leuchtfeldblende und der Aperturblende werden ermittelt. Mit der Verzeichniskorrektur entsteht die finale Vergrößerung β an der Verbindung des Referenzobjektives mit dem Zoomsystem.
Das Modell 18 mit den Verzeichnungskoeffizienten a_m,n und den Koeffizienten für die Bildstandskorrektur I wird über β_ideal ermittelt und in einer 4×35 Matrix auf dem Zoomsystem gespeichert.
Eine reduzierte Zoomtabelle 19 mit β_ideal, den Stellungen der beweglichen Linsengruppen 02, 03 bzw. deren korrespondierenden Motorschrittweiten, der Leuchtfeldblende und Aperturblende wird ebenfalls auf dem Zoomsystem gespeichert.
Anhand 6 wird die Vorgehensweise erläutert, wenn ein beliebiges Zoomsystem 16 mit dem beliebigen Objektiv 13 kalibriert werden soll. Dazu ist festzuhalten, dass alle Zoomsysteme und alle Objektive mit einem Referenz-Gegenstück kalibriert wurden und die entsprechenden Tabellen wie zuvor erläutert, in den jeweiligen internen Speichern gespeichert sind.
Aus dem internen Speicher des Zoomsystems 16 werden die Tabellen bzw. Modelle 12, 18, 19 ausgelesen. Aus dem internen Speicher des Objektives 13 werden die Tabellen 14, 15 ausgelesen.
In der optical engine wird eine Look-Up-Tabelle 20 für die konkrete Kombination aus Zoomsystem 16 und Objektiv 13 erstellt, indem in der Zoomtabelle 19 eine Spalte β₀ ergänzt wird. Dabei wird die Spalte für die Objektivvergrößerung β_o durch eine Spline-Interpolation aus der β-Kalibrationstabelle 15 gewonnen. Diese steht zur Steuerung des Zoom und zur Auswertung von Bilddaten zur Verfügung.
Die neuen Verzeichnungskorrekturkoeffizienten werden aus den ermittelten Koeffizienten errechnet als C_Z + O_R ([C_Z_R + O_R]^–1 (C_Z_R + O (Bilder von Z an O))).
Dazu wird eine Gesamtabbildungskorrektur abstrakt als Hintereinanderausführung einzelner Abbildungsstufen mit zugehöriger Korrektur aufgefasst. Auf die Bilder des Zoomsystems 16 mit dem Objektiv 13 ist die Korrektur der Abbildung des Objektivs 13 am Referenzzoom 9 (C_Z_R + O)), charakterisiert durch Tabelle 14, anzuwenden. Darauf erfolgt die Anwendung der inversen Korrektur des Referenzobjektivs 10 am Referenzzoom 09 [C_ZR + O_R]^–1, charakterisiert durch die Kalibrationstabelle 12, und darauf Anwendung der Korrektur des Referenzobjektivs 10 am Zoomsystem 16 C_Z + O_R, charakterisiert durch das Modell 18.
Die Berechnung von Verzeichnungskorrekturkoeffizienten für die Hintereinanderausführung der beschriebenen drei Teilkorrekturen in einem einzigen Verzeichnungskorrekturschritt erfolgt, indem die Bildkoordinaten der Löcher 08 die Korrekturschritte durchlaufen und aus den finalen Koordinaten Koeffizienten der Lageabweichung ermittelt werden, für vorzugweise 9 Vergrößerungen und drei Wellenlängen (Farbkanäle). Die Berechnung der Zoomtabelle erfolgt über gefittete Koeffizienten über ß analog den reduzierten Zoomtabellen.
Die Ermittlung des Verzeichnungskorrekturmodells basiert auf: „The Worst Distortions of Astrometric Instruments and Orthonormal Models for Rectangular Fields of View", Valeri V. Makarov, Daniel R. Veillette, Gregory S. Hennessy, & Benjamin F. Lane; United States Naval Observatory, 3450 Massachusetts Ave. NW, Washington DC.
Für Objektive mit anderen Vergrößerungen, wie beispielsweise 1,6× oder 0,5× werden analog am Referenz-Zoomsystem Verzeichnungskoeffizienten ermittelt und mit dem jeweiligen Standard-β β = β_ideal·(32.9/99) bzw. β = β_ideal·(32.9/300) gefittet. Die Vergrößerungs-Transformationstabelle und die Verzeichnungsfit-Koeffiziententabelle werden jeweils im internen Speicher des Objektivs 13 gespeichert. Das Erzeugen der Gesamt-Look-Up-Tabelle erfolgt nun genau so, wie zuvor beispielhaft für ein 5×-Objektiv beschrieben wurde. Lediglich die Gesamtvergrößerung wird entsprechend anders berechnet.
Der Fachmann kann die Analogien leicht herstellen und übernehmen.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, ggf. andere Speicherorte für die Kalibrierdaten des Objektivs und des Zoomsystems zu wählen. Beispielsweise wäre es denkbar, auf dem jeweiligen internen Speicher eine ID zu speichern und die zugehörigen Tabellen in einer zentralen Datenbank abzulegen.
Vorteilhafterweise werden die letzten zehn (oder eine beliebige andere Anzahl) Look-Up-Tabellen der letzten zehn (x) angeschlossenen Objektive in einer History gespeichert. Damit ist das sofortige Arbeiten mit den gekauften Objektiven auch bei häufigerem Wechsel gewährleistet. Selbstverständlich kann die History den erforderlichen Bedingungen angepasst werden und mehr oder weniger als zehn Einträge enthalten.
Die Beschreibung ist beispielhaft für ein System mit zwei Zoombewegungen mit Direktantrieben, einem über dem Zoom variablen Leuchtfeldblenden- und Aperturblendendurchmesser ausgelegt. Diese Einträge sind für die Umsetzung der Idee nicht zwingend notwendig. Für Zoomsysteme ohne diese können entsprechende Einträge entfallen. SG1 und SG2 stehen beispielhaft für Zoomsysteme mit zwei Direktantrieben, stellvertretend für Positionen des Antriebs. Dieser kann mit bekannten technischen Mitteln durch Motorposition, Encoderposition, mechanische Rast oder andersgeartete Geber ersetzt werden.
Der Inhalt der Erfindung ist auch gewahrt, wenn der Inhalt der Look-Up-Tabelle 20 durch eine Zoomtabelle analog 11 ergänzt um Spalte ß_O4 und eine reduzierte Zoomtabelle analog 12 realisiert ist.
Bezugszeichenliste

01: Zoomsystem
02: erste bewegliche Linsengruppe
03: zweite bewegliche Linsengruppe
04: Objekt
05: Objektiv
06: Bildsensor
07: Rasterreferenzobjekt
08: Loch
09: Referenz-Zoomsystem
10: Referenzobjektiv
11: Zoomtabelle
12: Kalibrationstabelle
13: Objektiv
14: Tabelle
15: Kalibrationstabelle
16: Zoomsystem
17
18: Modell
19: reduzierte Zoomtabelle
20: Look-Up-Tabelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10225193 A1 [0008]
DE 10114757 B4 [0010]
DE 102010025888 A1 [0011]
US 2008/0239107 A1 [0012]
US 2009/0268078 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„The Worst Distortions of Astrometric Instruments and Orthonormal Models for Rectangular Fields of View”, Valeri V. Makarov, Daniel R. Veillette, Gregory S. Hennessy, & Benjamin F. Lane; United States Naval Observatory, 3450 Massachusetts Ave. NW, Washington DC [0068]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines digitalen optischen Gerätes, das zumindest ein motorisiertes oder codiertes Zoomsystem (16), ein Objektiv (13), einen Bildsensor (06) und eine Bildverarbeitungseinheit umfasst, folgende Schritte umfassend: – Ermitteln von Kalibrierdaten D_ZRef des Zoomsystems (16) mit einem Referenzobjektiv (10) und Speichern in einem internen Speicher des Zoomsystems (16); – Ermitteln von Kalibrierdaten D_ORef des Objektivs (13) mit einem Referenz-Zoomsystem (09) und Speichern in einem internen Speicher des Objektivs (13); – Auslesen der internen Speicher des Zoomsystems (16) und des Objektivs (13) und Anwenden einer digitaloptischen Korrektur eines von Bildsensor erfassten Bildes unter Verwendung der Kalibrierdaten D_ZRef und D_ORef.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Kalibrierung des Referenz-Zoomsystems (09) mit dem Referenzobjektiv (10) erfolgt, wobei eine Kalibrationstabelle (12) auf dem Referenzobjektiv und eine Zoom-Tabelle (11) auf dem Referenz-Zoomsystem gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten D_ZRef eine reale Zoomkurve und ein Abbildungsfehlermodell mit Korrekturkoeffizienten umfassen, wobei eine reale Vergrößerung aus einer verzeichniskorrigierten Abbildung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten D_ORef eine tatsächlich abweichende verzeichnungskorrigierte Vergrößerung β_O des Objektivs (13) für bestimme Idealvergrößerungen β_ideal des Zoomsystems (09) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Kalibrierdaten dadurch erfolgt, dass – eine Korrektur der Abbildung des Objektivs (13) am Referenz-Zoomsystem (09) erfolgt; – eine inverse Korrektur des Referenz-Zoomsystems (09) am Referenzobjektiv (10) auf die zuvor ermittelten Daten erfolgt; und dass – eine Korrektur der Abbildung des Referenzobjektivs (10) am Zoomsystem (16) auf die zuvor ermittelten Daten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten D_ZRef des Zoomsystems (16) eine Zoomtabelle (19) mit Werten eines korrigierten Zoomwertes umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten D_ZRef des Zoomsystem (16) Korrekturkoeffizienten zur Verzeichnungskorrektur umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten D_ZRef des Zoomsystem (16) Korrekturkoeffizienten zur Bildstandskorrektur umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten D_ZRef des Objektivs (13) Vergrößerungskorrekturkoeffizienten umfassen.
Digitales optisches Gerät, insbesondere Digitalmikroskop, umfassend zumindest ein motorisiertes oder codiertes Zoomsystem (16), ein Objektiv (13), einen Bildsensor (06) und eine Bildverarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass in einem internen Speicher des Zoomsystems (16) Kalibrierdaten D_ZRef und in einem internen Speicher des Objektivs (13) Kalibrierdaten D_ORef gespeichert sind, die jeweils Korrekturkoeffizienten für eine Verzeichnungskorrektur und eine Vergrößerungskorrektur umfassen, welche in der Bildverarbeitungseinheit zur Kalibrierung des Digitalmikroskopes dienen.