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Einrichtung zur Korrektur der Grauwertbildung bei einem Bildwandler
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Korrektur der Grauwertbildung
bei einem Bildwandler. Insbesondere bezieht sisich auf eine Vorrichtung zur Korrektur
der Schattierung in einem Bildwandler eines Bildanalysiersystems.
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In einem Bildwandler wird ein Feld beleuchtet und ein endgUltiges
Bild des Feldes wird durch eine Abbildungsvorrichtung erzeugt. Das endgUltige Bild
wird abgetastet, um ein elektrisches Videosignal zu erzeugen. Durch Verwendung dieses
Signals oder von demselben abgeleiteter Signale können durch den Rest des Bildanalysiersystems
Messungen ausgeführt werden, die sich auf den Inhalt des Feldes beziehen.
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Wenn die Amplitude des Videosignals in irgendeinem Augenblick die
Helligkeit (das heißt die Grauskala) des in diesem Augenblick abgetasteten Punktes
des Bildes darstellt, erscheint die Schattierung als eine Veränderung der Amplitude
des Videosignals, wenn das Feld ein gleichmäßiges Grau enthält Die Schattierung
kann auf drei verschiedene Arten entstehen: 1. Das Feld kann ungleichmäßig beleuchtet
sein infolge von Störungen in der Beleuchtungsquelle.
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2. Die Lichtstrahlen vom beleuchteten Feld können quer zum Bereich
des Feldes im optischen System des Bildwandlers ungleichmäßig behandelt werden,
so daß ein ungleichmäßig beleuchtetes endgültiges Bild erzeugt wird.
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3. Die Vorrichtung (zum Beispiel eine Fernsehkamera),durch welche
das
endgültige Bild in ein elektrisches Video signal umgewandelt wird, kann selbst eine
solche nicht-lineare Ubertragungscharakteristik aufweisen, daß ein Videosignal mit
ungleichmäßiger Amplitude erzeugt werden kann durch Abtasten eines vollkommen gleichmäßig
beleuchteten endgültigen Bildes, das auf dem lichtempfindlichen Leuchtschirm erzeugt
wird.
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Ein Bildwandler, in welchem die Amplitude des Videosignals, die einem
Teil eines gleichmäßig grauen Feldes entspricht, größer ist als jene, die dem Rest
des Feldes entspricht, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein Korrekturelement,
das in der Lichtbahn des Bildwandlers angeordnet ist, der einen Bereich verringerten
Lichtleitvermögens aufweist, durch den die Lichtstrahlen, welche diesen Teil des
Feldes beleuchten oder von demselben reflektiert oder übertragen werden, hindurchgehen
müssen, wobei das verringerte Lichtleitvermögen ausreichend ist, um die Amplitude
des Videosignals zu verringern, die diesem Teil des Feldes entspricht, so daß sie
jener gleich ist, die dem Rest des Feldes entspricht.
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Wenn die Beleuchtungsquelle ein Lichtbündel erzeugt, in welchem die
Strahlungsdichte über die Querschnittsfläche in einem Bereich größer ist als im
Rest desselben, so daß das Feld selbst ungleichmäßig beleuchtet ist, wird das Korrekturelement
vorzugsweise zwischen der Quelle und dem Feld angeordnet.
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Das Korrekturelement kann von gleichmäßiger Dicke sein, die parallel
zu seiner optischen Achse gemessen wird, und einen Lichtabsorptionsfaktor aufweisen,
der in diesem Bereich größer ist als im Rest desselben. Dies kann erreicht werden,
indem für die getrennten Bereiche des Korrekturelements Materialeien mit unterschiedlichem
Absorptionsfaktor verwendet werden.
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Das Element kann aber auch aus einem material gebildet werden, das
einen gleichmäßigen Absorptionsfaktor aufweist, und die Dikke des Elements kann
über einen Teil der Fläche vergrößert werden, durch welche das Licht hindurchgeht,
um einen Bereich zu
erzeugen, der eine größere Absorption aufweist
als der Rest.
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Wenn dies ergibt, daß mindestens eine der Oberflächen des Elements
(entweder konkav oder konvex) gekrümmt ist, so daß das Element eine Fokussierungswirkung
besitzt, kann das Element zweckmäßig einen Teil eines Fokussierungssystems im Bildwandler
bilden. Wenn dies nicht zweckmäßig ist, kann ein komplementäres Element vorgesehen
werden, das aus einem nicht absorbierenden Material gebildet ist und das eine Fokussierungscharakteristik
aufweist, welche jener des Korrekturelements entgegengesetzt ist.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform kann der Bereich verringerten
Leitvermögens aus einer Maske aus einem Material bestehen, das lichtundurchlässig
oder halbundurchlässig ist, und welche zwischen einer Ausgangspupille und einer
Stelle angeordnet ist, an welcher sich die Ausgangspupille im Brennpunkt befindet,
wobei die Fläche der Maske kleiner ist als jene der Ausgangspupille. Die Maske kann
beispielsweise zwischen der letzten Ausgangspupille des Feldbeleuchtungssystems
und dem Feld angeordnet werden.
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llenn die Ungleichmäßigkeit der Beleuchtung im allgemeinen (wie gewöhnlich)
eine solche radiale Symmetrie aufweist, daß die Lichtintensität in der Mitte des
Feldes am größten ist, ist die Form der Maske vorzugsweise jener der Ausgangspupille
ähnlich.
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Wenn daher die Ausgangspupille kreisförmig ist, kann die Maske aus
einer lichtundurchlässigen çreisförmigen Platte oder einem lichtundurchlässigen
Ring oder einem lichtundurchlässigen mehrspitzigen Stern bestehen. Jede Form erzeugt
ihre eigene besondere Korrekturcharakteristik.
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Selbstverständlich kann das Korrekturelement zwischen der Beleuchtungsquelle
und dem Feld oder zwischen dem Fdd und dem durch die Abbildungsvorrichtung erzeugten
endgültigen Bild angeordnet werden.
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In der Praxis ergibt sich, daß die Ungleichmäßigkeit der Beleuchtung
fast
stets einem radialen Muster folgt und eine Korrektur ersten Grades kann durch ein
linsenartiges Korrekturelement erzielt werden, das eine kugelförmig gekrümmte Oberfläche
aufweist. Wenn jedoch die Veränderung der Beleuchtung ein komplizierteres Muster
ist oder ein höherer Grad der Korrektur erforderlich ist, wird eine einfache Linse
nicht genügen und eine Linse aus einem absorbierenden Material muß verwendet werden,
die eine asphäritsche Oberfläche aufweist.
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Zwei oder mehr Korrekturelemente können hintereinander angeordnet
werden. Beispielsweise kann ein Korrekturelement zwischen der Beleuchtungsquelle
und dem Feld angeordnet werden und ein zweites Korrekturelement zwischen dem Feld
und dem endgültigen Bild der Abbildungsvorrichtung.
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Nachstehend werden beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt: Fig. 1 grafisch
eine typische Veränderung der Beleuchtung von der Mitte bis zum Rand eines Feldes,
das durch eine unkorrigierte Beleuchtungsquelle beleuchtet wird, Fig. 2 eine Beleuchtungsquelle,
die mit einem Korrekturelement gemäß der Erfindung versehen ist, Fig. 3 einen Querschnitt
durch ein Korrekturelement, das als eine nicht fokussierende Linse ausgebildet ist,
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein anderes Korrekturelement, das ebenfalls keine
Fokussierungswirkung aufweist, Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform, bei welcher
eine Maske zwischen der Ausgangspupille der Beleuchtungsquelle und dem Feld angeordnet
ist.
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Die Figuren 5a bis 5c veranschaulichen verschiedene Formen der
Maske.
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Fig. 6 ist eine schaubildliche Ansicht einer Anordnung, die auf Fig.
5 basiert.
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Die Figuren 7a bis 7d veranschaulichen, wie sich die Wirkung der Maske
der Ausführungsform gemäß Fig. 5 für verschiedene Stellungen im Feld verändert.
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Fig. 8 veranschaulicht grafisch, wie die Veränderung des durch die
Maske erzeugten Lichtdurchtritts die Schattierung kompensieren und ein gleichmäßiges
Beleuchtungsmuster erzeugen kann.
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Die Veränderung der Beleuchtung des endgültigen Bildes in einem Iikroskop,
von der Mitte des Blickfeldes bis zum Rand des Blickfeldes, ist in Fig. 1 grafisch
dargestellt. Es wird angenommen, daß die Beleuchtung in der Mitte des Blickfeldes
100 5o' beträgt und am Rand des Blickfeldes um d % abnimmt. Diese Abnahme des Beleuchtungsniveaus
ist nicht notwendigerweise linear und wird in den meisten Fällen eine komplizierte
Kurve sein. Bei einem ersten Grad der Annäherung kann jedoch angenommen werden,
daß die Abnahme eine radiale Symmetrie aufweist und einer Bahn folgt, die einem
Kreissegment entspricht.
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Die durch ein Stück homogenen Filterglases übertragene Lichtmenge
wird von dessen Dicke abhängen. Wenn sich die Dicke verändert, wird sich auch die
durch dasselbe übertragene Lichtmenge verändern. Ein besonderes Stück Filterglas
wird daher ein hohes Lichtleitvermögen aufweisen, wenn der Durchgang des Lichts
durch dasselbe wenig oder keine Beschränkung erfährt. Umgekehrt wird ein geringes
Lichtleitvermögen einem Filterglas entsprechen, welches nur einen kleinen Prozentsatz
des gesamten auffallenden Lichts durchläßt.
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In FiL. 2 der Zeichnung wird ein Feld 10 durch Licht von einer Lainpe
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gebündelt und der Rest des Systems stellt das übliche Beleuchtungssystem von Kohler
durch auffallendes Licht für ein Lichtmikroskop dar. Zu diesem Zweck sind eine Lochblende
16 und eine Blickfeldblende 18 mit den zugehörigen Linsen 20 und 22 vorgesehen.
Das Licht von der Linse 22 wird mittels eines reflektierenden Spiegels 24 durch
das Objektiv 26 des Lichtmikroskops auf die Oberfläche einer Probe reflektiert,
welche das Feld 10 bildet.
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Ein Korrekturelement 28 ist zwischen der Blickfeldblende 18 und dem
Spiegel 24 in einer zweckmäßigen Stellung angeordnet, die der durch die Linse 22
bestimmten Lage des Brennpunkts naheliegt.
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Das Element 28 befindet sich vorzugsweise nicht tatsächlich im Brennpunkt
in der Ebene des Feldes 10 und zu diesem Zweck ist das Element 28 von der Blickfeldblende
18 etwas nach rechts verschoben, welche im Brennpunkt des Feldes 10 liegt.
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Bei einem typischen Bildwandler ist der Mittelpunkt des Feldes stärker
beleuchtet als die Umfangsbereiche. Das Element 28 ist daher in der Form einer positiven
Linse aus Filterglas dargestellt, wobei die erhöhte Dicke im mittleren Bereich 29
der Linse ein vermindertes Lichtleitvermögen in diesem Bereich relativ zu den Umfangsbereichen
ergibt.
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Bei dem dargestellten Beispiel muß das Korrekturelement 28 keine Fokussierungswirkung
auf die Lichtstrahlen haben. Zu diesem Zweck ist in die Lichtbahn ein komplementäres
Element 30 in Form einer negativen Linse eingeschaltet, die eine gleiche, aber negative
Fokussierungswirkung aufweist und die aus einem kein Licht absorbierenden Material
geformt ist, wie zum Beispiel durchsichtigem Glas, das die gleiche Brechungszahl
und die gleichen Dispersionswerte wie deas Filterglas besitzt.
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Die beiden Elemente 28 und 30 können als eine zementier-te Deublette
ausgebildet werden, wie Fig. 3 zeigt. Die Gesamtdicke der Dublette kann klein gemacht
werden, wenn ein entsprechendes Fil--terglas gewählt wird. Der Krümmungshalbme s
se r R der Filterlinse
30 bestimmt die Form der Korrekturcharakteristik,
die auf das durch die Dublette hindurchgehende Licht zur Einwirkung kommt.
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Ein kleiner Wert von R erzeugt eine stärkere Verringerung der Beleuchtung
in der Mitte des Feldes und ein größerer Wert von R eine entsprechend kleinere Verringerung.
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Eine'typische Dicke für die in Fig. 3 dargestellte Dublette ist 1,5
mm bei einem Durchmesser von 20 mm.
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Eine abgeänderte Ausführungsform ist in Fig0 4 dargestellt. Wie bei
der Ausfüh'rungsform gemäß Fig. 3 hat das Element die Form einer Dublette und soll
eine besondere Art der Korrektur nur im mittleren Bereich des Feldes erzeugen. Das
Element kann durch Abschleifen der in Fig. 3 gezeigten Dublette gebildet werden,
um einen kleinen Korrekturbereich 32 zu erzeugen.
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Die äußeren Oberflächen der Korrekturelemente werden vorzugsweise
mit einem antireflektierenden Uberzug bekannter Art versehen.
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Obwohl es nicht dargestellt ist, kann ein Satz von Korrekturlelementen
ausgebildet werden, die alle den gleichen Halbmesser R aufweisen, aber aus Filtergläsern
mit unterschiedlichen Absorptionswerten bestehen. Der Satz der Filter kann dann
in einem Schieber angeordnet werden, welcher in die Optik des Bildwandlers eingesetzt
wird, so daß das Element ausgewählt werden kann, welches die beste Korrektur ergibt.
Der Halbmesser R wird so gewalilt, daß die kugelförmige Oberfläche nahezu mit der
gekrümmten Oberfläche übereinstimmt, welche notwendig ist, um die ungleichmäßige
Beleuchtung vollständig zu korrigieren.
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Eine abgeänderte Ausführungsform des Korrekturelements ist in Fig.
5 dargestellt. In diesem Fall bewirkt die Ausgangspupille 34 die Beleuchtung eines
Feldes 36. Es kann angenommen werden, daß das Licht, welches irgendeine Stelle des
Feldes erreicht, von einer in der Stellung der Ausgangspupille liegenden Quelle
kommt, deren Durchmesser gleich jenem der Ausgangspupille ist und die gewöhnlich
eine ziemlich gleichmäßige Beleuchtung bewirkt.
Infolgedessen kann
angenommen-werden, daß irgendeine Stelle des Feldes, wie zum Beispiel die Stelle
38, von einem Lichtkegel beleuchtet wird (wobei angenommen wird, daß die Ausgangspupille
kreisförmig ist), der in der zweidimensionalen Darstellung der Fig. 5 durch die
beiden Linien 40, 42 begrenzt ist.
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Ebenso würde die Stelle 44 durch den Lichtkegel beleuchtet werden,
der durch die unterbrochenen Linien 46, 48 begrenzt ist.
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Das Korrekturelement 49 besteht aus einem lichtdurchlässigen Umkreis
51 und einer mittleren kleinen kreisförmigen Platte 50.
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Da8 Element ist zwischen der Ausgangspupille 34 und dem Feld 36 angeordnet,
wie Fig. 5 zeigt. Durch Auswahl der Größe des Elements kann der die Stelle 44 beleuchtende
Lichtkegel verringert oder vollständig eliminiert werden, während die die anderen
Stellen, wie zum Beispiel die Stelle 38, beleuchtenden Lichtkegel nicht beeinflußt
werden. Stellen zwischen der mittleren Stelle 44 und dem Umfang des beleuchteten
Teils des Feldes 36 werden eine größere oder kleinere Verringerung der Lichtmenge
erfahren, welche die Stelle erreicht, je nachdem, wie nahe diese Stelle der mittleren
Stelle 44 liegt.
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Die Ausgangspupille kann irgendeine zweckmäßige Form aufweisen.
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In der schaubildlichen Ansicht der Fig. 6 ist eine viereckige Ausgangspupille
52 dargestellt und eine entsprechend geformte Maske 54 ist zwischen der Ausgangspupille
und der Stelle 56 angeordnet, an welcher sich die Ausgangspupille 52 im Brennpunkt
befindet. In Fig. 7a ist die Maske 54 von der Stelle 56 gesehen, das heißt auf der
optischen Achse 58. Die Ausgangspupille 52 ist sichtbarund die Maske 54 ist der
Mitte der Ausgangspupille überlagert. Wenn die Stelle, von welcher die Maske 54
gesehen wird, von der Stelle 56 in Fig. 6 nach links bewegt wird, wird sich die
Maske 54 nach rechts bewegen, wie in Fig. 7b gezeigt ist. Bis zu dem Zeitpunkt,
in dem die Maske 54 einen Rand der Ausgangspupille kreuzt, wird die Wirkung der
Maske an allen Stellen die gleiche sein, da die Gesamtfläche der Maske einen Teil
des Lichts der Ausgangspupille verdunkelt. Für alle Stellen links von jener, welche
der Figur 7b entspricht, bleibt jedoch
ein kleinerer Teil der
Fläche der Maske 54 im Blickfeld und infolgedessen wird für diese Stellen ein immer
größerer Teil der wirksamen Fläche der Ausgangspupille 52 verfügbar, Dies ist in
Fig. 7c dargestellt und der zweite Grenzfall ist in Fig. 7d dargestellt, gemäß welcher
die Maske von der Ausgangspupille vollständig weg bewegt ist, wobei eine weitere
Bewegung von der Stelle 56 nach links die Beleuchtungsstärke nicht vergrößert.
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Die Veränderung der Beleuchtung durch die Bewegung von der Stelle
56 nach links ist in Fig. 8 durch die mit 60 bezeichnete volle Linie grafisch dargestellt.
Ein künstliches Schattierungsmuster 62 ist durch die unterbrochene Umrißlinie dargestellt,
welche der Beleuchtungskurve überlagert ist, und eine strichpunktierte Linie 64
stellt die wirksame Beleuchtung dar (nicht im gleichen Maßstab).
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Da für die Maske 54 eine regelmäßige Form verwendet worden ist, ist
die Stelle, an welcher die Beleuchtung zuzunehmen oder abzunehmen beginnt, genau
abgegrenzt. Ein praktisch ausführbares Schattierungsmuster wird gewöhnlich nicht
solche scharf abgegrenzten Stellen enthalten und eine Maske, die eine gekrümmte
oder eine sternförmige -Umrißlinie aufweist, wird daher bevorzugt.
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In der Mitte der Maske 54 kann aber auch ein Loch vorgesehen werden
und insbesondere, wenn die Form der Maske kreisförmig ist, kann eine allmählichere
Veränderung der Beleuchtungsmusters erzielt werden. Solche Formen der Maske sind
beispielsweise in den Figuren 5a bis 5c dargesXllt.