DE19745270C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich - Google Patents

Description

Bei der bildlichen Darstellung von Gegenständen unterscheidet man zwischen den Bereichen der Makrodarstellung bei Abbildungsmaßstäben von kleiner oder gleich 1 : 1, der Lupenvergrößerung im Bereich von 1 : 1 bis 10 : 1 und der mikroskopischen Darstellung, die mit Abbildungsmaßstäben ab 10 : 1 aufwärts arbeitet. Während in der Mikroskopie die automatische Bemaßung von Bildern sowohl in der Mikrofotografie als auch insbesondere bei der Verwendung computergestützter Methoden üblich und weit verbreitet ist, fehlen im Bereich der Lupenvergrößerung solche Einrichtungen bisher.

In der DE 44 39 557 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein vom Bildsensor beobachtetes Retikel den Bezugsmaßstab verkörpert. Es dient zur Erzeugung von definierten Referenzbildern bei verschiedenen optischen Vergrößerungen. Die im Computer gespeicherten Referenzbilder dienen im Betrieb der interaktiven Einstellung von definierten Kameravergrößerungen. Dabei werden gespeichertes und aktuelles Abbild des Retikels durch visuelle Beobachtung auf einem Bildschirm zur Deckung gebracht, was schließlich die Wiederherstellung einer zuvor definierten Vergrößerung unter anderem im Lupenbereich ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung löst das Problem auf einfache und preiswerte Weise, ohne daß eine Maßstabsverkörperung oder eine interaktive Ermittlung beziehungsweise Einstellung des Maßstabs nötig wird. Seit einigen Jahren werden auf dem Markt Videokameramodule angeboten, die den im Konsumbereich weit verbreiteten tragbaren Geräten in ihrem Aufbau sehr ähnlich sind, darüber hinaus aber auch als OEM-Einheiten mit integrierter Schnittstelle für den Anschluß eines Computers erhältlich sind (z. B. SONY EVI-331 und EVI- 371). Ein solches Modul enthält Motoren zur fernbedienten Einstellung von Linsen, einer Blende und anderer Komponenten über die Schnittstelle von einem Computer aus. Ferner sind auch Sensoren eingebaut, welche die aktuellen Positionen der genannten Komponenten fortlaufend messen.

Über entsprechende elektronische Schaltungen werden diese Meßwerte in Zahlenwerte umgesetzt und können ebenfalls über die Schnittstelle von einem Computer abgerufen und weiterverarbeitet werden.

Durch Verwendung einer geeigneten Vorsatzoptik und Schaffung einer geeigneten Computersoftware, welche die genannte Schnittstelle der elektronischen Kamera nutzt ergibt sich eine Einrichtung, die als "Digitale Lupe" bezeichnet werden könnte. Diese Einrichtung wird im Folgenden beschrieben.

Dabei zeigt

Fig. 1 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektronischen Kamerasystems.

In der Darstellung der Fig. 1 enthält das Kameramodul (1) ein Zoomobjektiv, das üblicherweise aus Linsengruppen (2, 3, 5) und einer verstellbaren Blende (4) besteht. Seine Brennweite f läßt sich in einem weiten Bereich zwischen f₁ und f₂ verändern, wobei f₁ zu f₂ typisch wie 1 : 12 verhält. Dieses Zoomobjektiv entwirft ein reelles optisches Zwischenbild auf der aktiven Fläche eines Bildsensors (6). Das Bild wird in der üblichen Weise in ein elektrisches Signal verwandelt und über einen Monitor sichtbar gemacht oder durch eine Digitalisierungseinrichtung in binäre Daten umgewandelt. Eine Schnittstellenelektronik (7) wird mit einem Computer (8) verbunden und erlaubt dadurch die Verstellung des Zoomfaktors über einen Motor (9), die Feinfokussierung für die Nah-Fern-Einstellung über einen Motor (11) und die Steuerung der Blende über einen Motor (13), wobei alle Motoren auf Elemente des Zoomobjektivs wirken. Weiterhin sind mit den genannten Komponenten des Zoomobjektivs Sensoren verbunden, die der Schnittstellenelektronik erlauben, die aktuelle Einstellung der genannten Komponenten festzustellen. Insbesondere gilt dies für einen Sensor, der die Zoomstellung des Objektivs (10) erfaßt, einen weiteren für die Stellung der Feinfokussierung (12) und einen für die Stellung der Blende (14).

Dem beschriebenen Kamerasystem wird nun eine Vorsatzoptik (15) positiver Brennweite F vorgesetzt, die als Nahlinse wirkt. Bei der Grundeinstellung des Zoomobjektivs des Kameramoduls auf "unendlich" werden durch das so geschaffene Gesamtsystem diejenigen Objekte auf dem Bildsensor (6) scharf abgebildet, die in der Brennebene (16) der Vorsatzoptik (15) liegen. Der Abbildungsmaßstab d/D des Objekts (16) auf dem Bildsensor (6) kann in guter Näherung durch das Verhältnis der aktuell eingestellten Brennweite des Zoomobjektivs f zur festen Brennweite F der Vorsatzoptik beschrieben werden. Bei der Wahl der Brennweite der Vorsatzoptik wird zunächst der Formatfaktor A bestimmt, der zwischen dem auf dem Bildsensor liegenden Bild und dem Druckformat oder Bildschirmformat des Bildes gilt. Ist dieser Faktor bekannt, so wird die Brennweite der Vorsatzoptik so berechnet, daß der optische Abbildungsfaktor f/F multipliziert mit dem Formatfaktor A für die kürzeste einstellbare Zoombrennweite einen Wert unter 1 und für die längste einstellbare Zoombrennweite über 10 aufweist. In der Folge sind beim Verstellen des Zoomobjektivs alle Gesamtvergrößerungen V im Bereich der üblichen Lupenvergrößerung zwischen 1× und 10× stufenlos einstellbar.

Eine geeignete Software ermittelt über die Schnittstelle jeweils den aktuellen Wert der Brennweite f des Zoomobjektivs und berechnet daraus die aktuelle Gesamtvergrößerung V = A.f/F. Dies bereitet zunächst Schwierigkeiten, da die für die Zoompositionen zurückgemeldeten Zahlenwerte sich zwar stetig mit der aktuellen Zoomposition des Objektivs verändern und auch eindeutig sind, in der Praxis aber keinen linearen oder anderen einfachen mathematischen Zusammenhang mit dem Wert der aktuellen Brennweite f aufweisen. Deshalb wurde eine Methode entwickelt, die zunächst empirisch eine hinreichend große Zahl von Festfaktoren durch Abbilden eines Lineals als Objekt ermittelt, wobei die Feinfokussierung des Zoomobjektiv zunächst auf "unendlich" eingestellt wird. Die so ermittelten Festfaktoren werden als Stützpunkte für die Beschreibung der unbekannten Kurvenform benutzt. Dabei werden dort besonders viele Stützpunkte festgelegt, wo die Kurve eine starke Krümmung aufweist, so daß schließlich durch lineare Interpolation zwischen den Stützpunkten jedem Zahlenwert der Positionsrückmeldung mit hinreichend großer Genauigkeit durch Berechnung innerhalb der Software eine aktuelle Brennweite f des Zoomobjektivs zugeordnet werden kann.

Diese Methode hat den weiteren Vorteil, daß Festfaktoren von Normreihen wie 1 : 1, 2 : 1, 5 : 1 und 10 : 1 direkt und genau eingestellt werden können, da sie den Interpolationsstützpunkten fest zugeordnet werden.

Aus der ermittelten Gesamtvergrößerung V kann innerhalb der Software nun ein Maßstabstrich definiert werden, der dem angezeigten oder ausgedruckten Bild überlagert werden kann. Es werden auch interaktive Messungen im digitalisierten oder mit einem Grafikoverlag versehenen Bild auf einem Monitor ermöglicht. Diese Methode gilt zunächst nur für ebene Objekte deren Oberfläche mit der Brennebene der Vorsatzoptik (16) zusammenfällt. Liegen Objekte aber näher an der Kamera, also innerhalb der Brennweite F der Vorsatzoptik, so können sie innerhalb bestimmter Grenzen durch entsprechendes Verstellen eines Teils des Linsensystems (5) auch scharf auf den Bildsensor abgebildet werden. Allerdings wird ihr Bild mit kürzer werdenden Abstand zur Kamera größer, so daß die oben beschriebene Ermittlung der Gesamtvergrößerung immer ungenauer wird. In diesem Fall kann eine Korrektur in der Berechnung erfolgen, indem zusätzlich die Position der für die Feinfokussierung zuständigen Linsengruppe (5) über den Sensor (12) und die Schnittstelle vom Computer abgefragt und analog zu dem schon beschriebenen Verfahren numerisch ausgewertet wird.

Schließlich läßt sich, wie aus der Fotografie und Mikroskopie bekannt, die im Zoomobjektiv vorhandene Blende als Aperturblende nutzen, dergestalt, daß beim Schließen der Blende die Schärfentiefe zu- und das optische Auflösungs­ vermögen abnimmt und beim Öffnen der Blende das Gegenteil der Fall ist. Damit lassen sich nichtebene Objekte in ihrer räumlichen Tiefe besser erfassen. Die genannte Kamera samt fest montierter Vorsatzoptik wird in bekannter Weise zum Beispiel an einem Reprostativ befestigt an dem auch Leuchten für die Ausleuchtung der Proben Platz finden.

Die DE 43 34 389 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Objekt­ nachführung bei automatischen Zoombetrieb einer Videokamera, die es erlaubt, den Blickwinkel, unter dem ein Objekt dem Sensor erscheint konstant zu halten, wenn dieses Objekt sich auf die Kamera zu oder von dieser hinweg bewegt. Dies wird durch eine koordinierte gleichzeitige Verstellung der für Zoomfaktor und Fokuslage zuständigen Linsengruppen unter Zuhilfenahme eines Autofokussystems erreicht. Zum Zweck der Positionierung der Linsengruppen werden im System Kurvenscharen abgelegt und während des Betriebes ausgewertet. Die erfindungsgemäße Einrichtung hingegen hat nicht zum Ziel, den Blickwinkel unter dem das Objekt erscheint konstant zu halten, sondern zu jedem aktuellen Blickwinkel, der starken Veränderungen unterworfen ist, den zugehörigen Abbildungsmaßstab zu ermitteln und sichtbar zu machen. Auch werden keine Kurvenscharen in Form von Daten gespeichert, sondern nur eine vergleichsweise geringe Menge von Zahlen, die als Stützpunkte für eine einfache und somit sehr schnelle lineare Interpolation von Zahlenwerten dienen. In der US 5,416,519 schließlich wird der Abbildungsbereich einer gegebenen Zoomoptik dadurch erweitert, daß sowohl eine zusätzliche Frontlinsengruppe als auch der Bildsensor in Richtung der optischen Achse verfahren werden können. Alternativ können auch zwei separate Linsengruppen innerhalb eines Zoomsystems und der Bildsensor unabhängig voneinander verfahren werden. Hierdurch erweitert sich der Einsatzbereich der Zoomoptik sowohl im Tele- als auch im Nahbereich. Das Ermitteln eines definierten Abbildungsmaßstabes ist im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Vorrichtung hierbei nicht von Interesse. Es soll vielmehr das zeitaufwendige Auf- und Absetzen einer üblicherweise auch noch unhandlichen Vorsatzoptik durch Erweiterung des optischen Arbeitsbereiches eines abgeschlossenen Systems vermieden werden.

Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn nicht nur die Kamera vom stets vorhandenen Computernetzteil mit Strom versorgt wird, sondern auch die Leuchten für die Probenbeleuchtung, insbesondere, wenn diese unter Softwarekontrolle einzeln oder zusammen ein- und ausgeschaltet und/oder der für ihren Betrieb notwendige Lampenstrom unter Softwarekontrolle vom Computer aus gesteuert werden können.

Eine vollständige Integration aller Komponenten wird erreicht, wenn die genannte(n) Leuchte(n) als Einbauleuchte(n) (17) zusammen mit der Kamera (1) in einem einzigen Gehäuse eingebaut werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich, bestehend aus einer elektronischen Kamera (1) mit einem Zoomobjektiv (2, 3, 4, 5) dessen Brennweite f von einem Computer (8) aus durch die Übergabe von Steuerwerten über eine Schnittstelle (7) motorisch eingestellt werden kann, dessen Komponenten für die Feinfokussierung (5) und dessen Blende (4) in gleicher Weise über eine Schnittstelle (7) von einem Computer (8) aus mittels Motoren (11, 13) einstellbar sind, wobei die jeweils aktuellen Einstellungen der genannten Komponenten mittels Sensoren (10, 12, 14) über eine Schnittstelle (7) an den Computer (8) als Zahlenwerte zurückgegeben werden können und einer im Computer wirksamen Software, die über die genannte Schnittstelle (7) auf diese elektronische Kamera einwirkt und die von ihr zurückgegebenen Daten auswertet, wobei dem Zoomsystem der genannten elektronischen Kamera ein Linsensystem (15) mit der Brennweite F als Nahlinse vorgesetzt wird, dessen Brennebene zur Objektebene des resultierenden gesamten optischen Systems wird, so daß bei einer Fokussierung des Zoomsystems auf unendlich weit entfernte Objekte die in der Brennebene des vorgesetzten Linsensystems liegenden Objekte auf den Bildsensor (6) der elektronischen Kamera scharf abgebildet werden, wobei für die automatische Scharfstellung des Objektes im Bild wahlweise auch ein in die Kamera integriertes Autofokussystem verwendet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das vorgesetzte Linsensystem (15) vorzugsweise aus mindestens zwei Einzellinsen besteht, die zusammen ein korrigiertes Linsensystem positiver Brennweite bilden
• - nach dem Auslesen der aktuell eingestellten Brennweite f der Zoomoptik über die Computerschnittstelle aus dieser aktuellen Brennweite f und der festen Brennweite F des vorgesetzten Linsensystems durch die Software das mathematische Verhältnis berechnet und daraus die auf der Sensorfläche (6) wirksame Gesamtvergrößerung für in der Brennebene (16) des vorgesetzten Linsensystems liegende Objekte bestimmt wird
• - die so gewonnene wirksame Gesamtvergrößerung der Software zur Berechnung der in einem dargestellten oder ausgedruckten Bild wirksamen Vergrößerung und der Anzeige von Objektabmessungen in diesem Bild dient, dabei insbesondere zur Erzeugung eines Maßstabstriches verwendet wird, der zusammen mit dem Bild sichtbar gemacht wird,
• - die aktuell eingestellte Feinfokussierung des Zoomsystems über eine Schnittstelle in den Computer ausgelesen und von der Software dafür verwendet wird, über eine geeignete Rechenvorschrift für die wirksame Gesamtvergrößerung Korrekturwerte zu errechnen, und damit eine Bestimmung der wirksamen Vergrößerung auch für Objekte zu ermöglichen, die nicht in der Brennebene, aber innerhalb der Brennweite F des vorgesetzten Linsensystems liegen und deren Bilder auf der Bildsensorfläche eine stärkere Vergrößerung aufweisen als die Objekte, die genau in der Brennebene des vorgesetzten Linsensystems liegen,
• - für die Einstellung von definierten Vergrößerungsfaktoren empirisch ermittelte Steuerwerte für die Einstellung der Brennweite f des Zoomsystem im Computer gespeichert und über die motorische Steuerung des Zoomobjektivs zur Einstellung von festen Werten der Brennweite f des Zoomsystems verwendet werden können, wodurch normgerechte Wertefolgen wie 1 : 1, 2 : 1, 5 : 1 und 10 : 1 für Festfaktoren bei der wirksamen Vergrößerung ermöglicht werden,
• - für die Bestimmung der wirksamen Vergrößerung aus den aktuellen Werten für die Zoombrennweite f und der aktuellen Position der Feinfokussierung des Zoomobjektivs empirisch ermittelte Tabellenwerte und/oder Näherungsformeln verwendet werden, insbesondere, indem für diese Berechnungen die empirisch festgelegten Festfaktoren der wirksamen Vergrößerung als mathematische Stützpunkte dienen, zwischen denen durch die Software in geeigneter Weise interpoliert wird
• - erst nach hinreichend genauer Einstellung der Optik durch ein Autofokussystem die Daten für die Berechnung der wirksamen Vergrößerung in der oben beschriebenen Weise mit Hilfe der Software ermittelt werden,
• - die motorische Blende (4) der elektronischen Kamera zur gezielten Einstellung der wirksamen Tiefenschärfe des Bildes mittels einer Ansteuerung durch geeignete Software verwendet wird.

2. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung des Kamerasystems aus dem Netzteil des Computers erfolgt.

3. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Objektbeleuchtung erforderlichen elektrischen Leuchten (17) ebenfalls aus dem Netzteil des Computers gespeist werden.

4. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom für diese aus dem Netzteil des Computers gespeisten Leuchten (17) unter Softwarekontrolle ein- und ausgeschaltet oder geregelt wird.

5. Computergesteuertes elektronisches Kamerasystem zur Erzeugung von Bildern mit definierter Vergrößerung im Lupenbereich nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Objektbeleuchtung erforderlichen elektrischen Leuchten (17) zusammen mit dem Kamerasystem (1) in einem einzigen Gehäuse vereinigt werden.