DE2357813A1

DE2357813A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die bildanalyse

Info

Publication number: DE2357813A1
Application number: DE2357813A
Authority: DE
Inventors: John Alfred Crawley
Original assignee: Image Analysing Computers Ltd
Current assignee: Image Analysing Computers Ltd
Priority date: 1972-11-21
Filing date: 1973-11-20
Publication date: 1974-07-25
Also published as: FR2207601A6; GB1455244A; JPS4997631A; US3980814A

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipi.-lng, H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zurEin₈abevom 19. November 1973 Named.Anm. Image Analysing Compu

ters Limited

Unser Zeichen: M 70/42

Verfahren und Vorrichtung für die Bildanalyse Zusatz zu P 22 22 852.0

Die Erfindung bezieht sich auf Bildanalysesysteme und insbesondere auf eine Verbesserung der Arbeitsweise derartiger Systeme zur Erleichterung der Analyse von Bildfeldern, die als im allgemeinen dunkler Hintergrund dargestellt werden können, auf dem wenige, in großem Abstand voneinander befindliche kleine helle Bildpunkte erscheinen.

Ein Bildanalysesystem umfaßt Einrichtungen zum Abtasten eines Bildes zur Erlangung eines Videosignals sowie Signalverarbeitungseinrichtungen, die mit dem Videosignal gespeist werden, um den sich auf ausgewählte Grautonbereichfe des Bildes beziehenden Videosignalgehalt vom Rest des Bildes zu trennen. Normalerweise ändert sich die Amplitude des Videosignals mit dem Grauton und man kann eine Selektion erreichen durch Schwellenermittlung, bei der die momentane Amplitudenexkursion des Videosignals mit einer Bezugsspannung verglichen wird und es wird ein Zwei-Werte sog. festgestelltes Signal erzeugt, das einen Wert hat, wenn die Amplitude des Videosignals die Schwelle überschreitet, und einen anderen Wert, wenn die Amplitude des Videosignals unter der Schwelle liegt. Man kann Messungen an den festgestellten Signalimpulsen durchführen und so Bildpunkte zählen und Werte messen, etwa die Fläche, den Durchmesser usw. der Bildpunkte.

Der Begriff "Bildpunkt" soll hier einen Bereich in einem Feld oder Bild bezeichnen, der sich durch Helligkeit von seiner Umgebung unterscheidet. So kann ein Bildpunkt eine lichtundurchlässige Fläche in einem durchscheinenden oder transparenten

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Bereich oder umgekehrt oder auch ein farbiger Bereich in einer andersfarbigen Fläche sein ebenso wie die Möglichkeit besteht, daß ein Bildpunkt eine Stelle mit einem bestimmten Grauton in einer umgebenden Fläche mit einem anderen Grauton ist.

Das Videosignal kann auf irgendeine geeignete Weise erzeugt werden, normalerweise benutzt man jedoch eine Fernsehkamera mit einer Fotokathode, auf der ein Bild des Feldes abgebildet wird, so daß die Fotokathode teilweise, d.h. in Abhängigkeit von der Menge des auf sie fallenden Lichtes, entladen wird, und wobei mit einem Elektronenstrahl die Fotokathode abgetastet wird, um deren Ladung wieder herzustellen; das Videosignal wird von den Änderungen des Elektronenstrahlstromes während der Abtastung abgeleitet.

Es wurde vorgeschlagen, das Bildfeld, das zwischen den einzelnen Schrittbewegungen festgehalten wird, oder das sich kontinuierlich bewegt, mit Blitzen zu beleuchten und die Fotokathode mit dem Elektronenstrahl nach jedem Blitz abzutasten. Eine oder mehrere vollständige Abtastungen der Fotokathode können angewendet werden, je nach der Anzahl der vollständigen Bildfelder, die zur Analyse erforderlich sind. Im allgemeinen ist jedoch nur ein einziges Bildfeld erforderlich und jede folgende Abtastung wird nur angewendet, um das auf der Fotokathode vom Bild gebildete Ladungsbild vollständiger zu löschen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Arbeitsweise für ein Bildanalysesystem, die es möglich macht, letzteres mit höherer Geschwindigkeit zu betreiben, als es bisher bei gewissen Analysearten der Fall war.

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Die Erfindung ist anwendbar bei einem Bildanalysesystem, das zur mikroskopischen Untersuchung eines Bereiches geeignet ist, der weitgehend schwarz oder in dunklem Grau erscheint und wenige, in großem Abstand voneinander befindliche kleine helle Bildpunkte hat ο Bisher macht eine solche Anordnung gewöhnlich einen Kompromiß zwischen der Vergrößerung und der erforderlichen Analysezeit notwendige Wenn Messungen an oder unter Verwendung der ermittelten Signalimpulse durchgeführt werdeis sollen, ist es wünschenswert j daß die Bildpunkte so stark wie möglich vergrößert werden, bevor sie der Kamera dargeboten werden. Andererseits bedeutet eine starke Vergrößerung eine große Anzahl verschiedener Bildfelder , lim den gesamten ₉ zu untersuchenden Bereich abzudecken oder zu erfassen₀ Auch wenn die Analyse von statistischer Art ist und es erforderlich ist, Messungen an einer bestimmten Anzahl von Bildpunkten durchzuführen, um deren Verteilung aus den Ergebnissen ableiten zu können, erfordert die Analyse sehr lange Zeitο Wenn die Bildpunkte in großem Abstand voneinander liegen, enthalten außerdem viele der Bildfelder überhaupt keinen BiId-

Daher werden gemäß der vorliegenden Erfindung in einem solchen System zwischen d<sn Afoleseabta.®tragen der Abtastvorrichtung mehrere verschieden®, beleuchtete Bildfelder der Abtastvorrich-

Somit werden bei einem System mit eimern Mikroskop, einem beweglichen Tisch ρ um verschiedene Bilder eisier zu untersuchenden Probe vor das Mikroskop zu bringen, und mit einer Fernsehkamera, auf UQtHBn Fotokathode das Endbild des Mikroskops abgebildet wird, α vollständige Bilder durch schrittweise Bewegung des Mikroskoptisches der Fotokathode der Kamera präsentiert und das Gesamtbilds das von diesen η gesonderten, eines über das andere überIa-

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gerten Bildern gebildet wird, wird dann während einer Ablesungsabtastung des Kamerastrahls "abgelesen". Weitere Abtastungen können durchgeführt werden, um das Ladungsbild vollständig auszulöschen, bevor der Fernsehkamera eine weitere Vielzahl von Bildern dargeboten wird.

Eine Vielzahl gesonderter Bilder erhält man, indem man entweder den Tisch schrittweise bewegt und jeden Bereich, der sich mit dem Bildfeld des Mikroskops deckt, jeweils einzeln beleuchtet. Die andere und bevorzugte Arbeitsweise besteht darin, daß man die zu untersuchende Probe kontinuierlich bewegt und synchron mit der Bewegung der Probe durch Blitze beleuchtet.

Wenn eine hohe Blitzgeschwindigkeit angewendet wird, um größtmöglichen Vorteil aus der Erfindung zu ziehen, kann die Zeit zwischen den Blitzen für eine Ablesungsabtastung und anschließende Löschungsabtastungen nicht ausreichen, so daß die Bewegung der Probe und die Arbeit der Lichtquelle unterbrochen werden muß. Gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung kann man eine solche Unterbrechung vermeiden, wenn man zwei Abtastvorrichtungen verwendet und eine geeignete optische Ablenkvorrichtung benutzt, um aufeinanderfolgende Gruppen von η beleuchteten Feldern abwechselnd den zwei Abtastvorrichtungen zuzuleiten. Auf diese Weise kann man die Probe kontinuierlich bewegen und die Blitzquelle kontinuierlich arbeiten lassen und die ganze Zeitspanne für η Blitze kann für die Ablesungsabtastung und anschließende Löschabtastung benutzt werden.

Wenn die Zeitspanne für η Blitze zum Ablesen und Löschen nicht ausreicht, kann man N Abtastvorrichtungen anwenden (wobei N grosser als 2 ist), wobei die Anzahl der Blitzintervalle, während der

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die Ablesungs- und Löschungsabtastungen jeder Abtastvorrichtung durchgeführt werden können, auf η (N - 1) vergrößert wird.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1-4 die Figuren 1-4 der Hauptanmeldung sind und

Fig. 5 eine Abwandking der Stromkreisschaltung zeigt, mit der das in der Hauptanmeldung beschriebene System zur Durchführung der vorliegenden Erfindung angepaßt werden kann.

Da die Figuren 1-4 den Figuren 1-4 der Hauptanmeldung entsprechen, wird hinsichtlich der Beschreibung dieser Figuren auf den beiliegenden Text der Hauptanmeldung Bezug genommen.

Die Abwandbng der Stromschaltkreise gemäß den Figuren 1, 2 und 4 der Hauptanmeldung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. In dieser Figur werden die Bildfeldsynchronisierungsimpulse an den Knotenpunkt 200 angelegt und von einem ersten Zählwerk 202 gezählt, das ein Überlaufsignal in der Leitung 204 erzeugt, wenn das Zählwerk seine Kapazität erreicht. Vorzugsweise wird ein Zählwerk mit einstellbarer Kapazität benutzt, so daß der Wert von η einstellbar ist. Das Zählwerk weist einen Rückstelleingang auf, der, wenn ein entsprechendes elektrisches Signal über ihn ankommt, das Zählwerk auf Null zurückstellt.

Das Überlaufsignal in der Leitung 204 stellt ein Einstell- oder SET-Signal für eine bistabile Vorrichtung 206 dar, deren Stellausgang zum Knotenpunkt 208 geleitet wird. Das Sginal bei 208 dient als Schließsignal für ein Tor 210 und als Öffnungssignal

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für ein Tor 212. Das Tor 210 steuert den Durchlaß der Bildsynchronisierungimpulse zum Knotenpunkt 48 von Fig. 2 der Hauptanmeldung und zum Knotenpunkt 50 in Fig. 4 der Hauptanmeldung.

Das Tor 212 steuÄ desgleichen den Durchgang der Bildsynchronisier ungs impulse zum Knotenpunkt 48 der Fig. 1 der vorliegenden und der Hauptanmeldung·

Man erkennt, daß, wenn das Tor 210 geschlossen ist, das Tor offen ist und umgekehrt.

Die Zeit, während der das Tor 212 offen ist, wird bestimmt von einem zweiten Zählwerk 214, dem die Bildsynchronisierungsimpulse vom Knotenpunkt 200 auch zugeführt werden. Dieses Zählwerk gleicht dem Zählwerk 202 und hat auch eine einstellbare Zählkapazität. Wenn das Zählwerk seine Kapazität erreicht, erscheint ein Überlaufsignal in der Leitung 216 und dieses wird als Rückstellsignal der bistabilen Vorrichtung 206 und auch als Rückstellsignal dem Zählwerk 202 zugeleitet. Der Rückstellausgang der bistabilen Vorrichtung 206 wird über die Leitung 218 der Rucks teilklemme des Zählwerkes 214 zugeleitet, um das Zählwerk auf Null zurückzustellen.

Man beachte, daß die bistabile Einrichtung 206 in ihrer Rückstellposition das Zählwerk 214 inhibiert und das Überlaufsignal in der Leitung 216 (das anderenfalls das Zählwerk 202 inhibieren würde) weggenommen wird, sobald die bistabile Einrichtung 206 zurückgestellt ist.

Die Wirkung des Schaltkreises besteht darin, daß die ersten η Bildsynchronisierungsimpube, die am Knotenpunkt 200 erscheinen, durch das Tor 210 hindurchtreten können, so daß der Tisch eine

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entsprechende Anzahl von Malen von den x- und y-Antrieben 70 und 72 (siehe Fig. 2) weiterbewegt wird und die Lampe 20 für jedes der Abtastvorrichtung präsentierte Bildfeld zum Aufblitzen gebracht wird. Am Ende dieser η Bildabtastungen wird das Tor 210 geschlossen und das Tor 212 geöffnet, so daß die nächsten m BiIdsynchronisierungsimpulse zum Knotenpunkt 48 von Fig. 1 hindurchtreten können. Wenn der Stromschaltkreis gemäß Fig. 5 eingebaut wird, wird das Tor 40 (das den Thyristor von Fig. 4 umfaßt) nicht langer von Signalen am Knotenpunkt 50 in Fig. 1 gesteuert. Daher muß die Verbindung 220 in Fig. 1 unterbrochen werden. Die Steuersignale für das Tor 40 (d.h. den Thyristor 112) werden auf die zuvor beschriebene Weise über das Tor 210 der Fig. 5 erlangt.

Bei einem Beispiel ist die Kapazität des Zählwerkes 202 auf 5 und die des Zählwerkes 214 auf 2 eingestellte Auf diese Weise werden fünf aufeinanderfolgende Felder der Abtastvorrichtung dargeboten und die fünf Bilder durch die Akkumulierungswirkung der Abtastfotokathode kombiniert, woraufhin eine Ableseabtastung durchgeführt wird, der sich zwei Löschabtastungen mit doppelter normaler Abtastgeschwindigkeit anschlie ßen₉ Am Ende dieser Folge wird der Tisch wieder bewegt und die Lampe blitzt auf, um der Abtastvorrichtung weitere fünf Bildfelder zu präsentieren, woran sich die Ablese- und Löschabtastungen anschließen, wie es oben beschrieben wurde»

Wenn die Bildabtastzeit und das Löschintervall es erlauben, ist eine kontinuierliche Bewegung des Tisches wenigstens in der χ Sichtung möglich, so daß die erforderliche Rückstellzeit verringert wird₀ Wenn die zur Löschabtastung erforderliche Zeit keine kontinuierliche Bewegung zuläßt, kann man zwei Abtastvorrichtungen benutzen und eine (nicht dargestellte) optische Ablenkvorrichtung vorsehen, um das Bild des Bildfeldes von der einen

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zur anderen Abtastvorrichtung zu lenken. Synchron betätigte Tore sind vorgesehen, um die Ausgänge der zwei nicht dargestellten, gesonderten Abtastvorrichtungen zum Knotenpunkt 22 zu leiten. Auf die gleiche Weise werden nicht dargestellte Tore vorgesehen, um die Bildabtastsignale von de η Knotenpunkten 56 und 62 zu den entsprechenden Abtastvorrichtungen zu führen.

Eine weitere Änderung ist in Fig. 1 erforderlich. Es muß die Verbindung 220 und die Verbindung der Steuerkletnme des Tors 40 zum Knotenpunkt 48 in Fig. 1 getrennt werden. Die Lampe 20 wird daher bei Beginn jeder Bildfeldabtastung zum Aufblitzen veranlaßt.

Im Betrieb bewirken die ersten η Bildabtastsynchronisierungsimpulse, die am Knotenpunkt 48 erscheinen, daß η Bildfelder durch Blitz beleuchtet und der ersten Kamera präsentiert werden, die während dieses Intervalls vom Knotenpunkt 22 und auch vom BiIdabtastablenksignalgenerator getrennt ist. Am Ende dieses Intervalls werden die Verbindungen umgekehrt, so daß der erste Abtaster nun mit dem Knotenpunkt 22 und dem Bildabtastgenerator (Knotenpunkte 56 und 62 in Fig. 1) verbunden ist, woraufhin eine Ableseabtastung durchgeführt wird, der mehrere Löschabtastungen folgen, und zwar bestimmt durch die Kapazität der Zweiteilungseinrichtung 46 und des Zählwerkes 64. Die Zählkapazität dieser zwei Vorrichtungen wird so eingestellt, daß nach der Ablesungsabtastung der Rest des Zeitintervalls ganz für Löschabtastungen genutzt wird. Am Ende dieses zweiten Intervalls werden die Verbindungen wieder umgekehrt und die nächsten η Bilder werden der ersten Abtastvorrichtung zugeführt und der Vorgang wiederholt.

Während der Ablesungs- und Löschabtastungen der ersten Abtastvorrichtung werden die nächsten η durch Blitz belaichteten BiId-

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felder der zweiten Abtastvorrichtung präsentiert und am Ende dieser η Bildfelder, wenn die Anschlüsse umgekehrt werden, wird das akkumulierte Ladungsbild auf der zweiten Abtastvorrichtung während der Ablesungsabtastung abgelesen,und die Fotokathode wird durch die anschließende Löschabtastung in der oben beschriebenen Weise freigemacht.

Wenn zwei Abtastvorrichtungen und Torschaltungen in der beschriebenen Weise angewendet werden, ist die Abwandlung gemäß Fig. 5 nicht erforderlich, die nur vorgesehen ist, um die Schaltung gemäß Fig. 1 mit einer Abtastvorrichtung zur Anwendung der vorliegenden Erfindung zu vervollkommnen.

Der Erfolg der Erfindung beruht auf der Annahme, daß während η aufeinanderfolgender Bildfelder niemals zwei der kleinen, in großem Abstand voneinanderliegenden, hellen Bildpunkte die gleiche Stellung im Bildfeld einnehmen. Folglich muß eine entsprechende Vergrößerung und ein Bildfeld verwendet werden, das die Anzahl und Verteilung der kleinen hellen Bildpunkte berücksichtigt, um sicherzustellen, daß eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, daß keine Überlagerung von Bildpunktpositionen zwischen aufeinander f ο Agenden Bildfeldern auftritt.

Ein. kleinerer als der aufgrund der Abstands-ZVergrößerungs-/ Bildfeld-Bedingungen zu wählende Wert für η ist jedoch möglicherweise beim Aufbau elektrischer Geräusche und bei der Entwicklung eines Hintergrundniveaus im Ladungsbild durch die nacheinander der Abtastvorrichtung präsentierten Bildfelder anzusetzen. So ist η möglicherweise begrenzt auf einen Wert, der gewonnen wird durch Teilung der prozentualen Videosignalamplitudenexkursion (einschlejißlich Geräusch) infolge eines typischen Bildpunktes durch

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den dem Hintergrund und Geräusch zuzuschreibenden Wert_o Wenn daher ein typischer Bildpunkt eine 50% ige Modulation erzeugt. einschließlich Geräusche und der Hintergrund und Geräusch erzeugt eine 10%ige Modulation der Videosignalamplitude, dann ist η auf fünf begrenzt»

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Claims

Anmelder: Image Analysing Computers Limited

Unser Zeichen: M 70/42

Datum: 19. November 1973

PATENTANSPRÜCHE

(l) Bildanalyseverfahren zur mikroskopischen Untersuchung einer Fläche, die wenige, in großem Abstand voneinanderliegende Bildpunkte enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen den Ableseabtastungen der Abtastvorrichtung mehrere verschiedene beleuchtete Bildfelder vor die Abtastvorrichtung des Bildanalysesystems bringt.

2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Ableseabtastung und bevor das nächste beLeuchtete Feld der Abtastvorrichtung präsentiert wird eine oder mehrere Löschabtastungen durchgeführt werden.

3, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Mikroskop, mit einem beweglichen Tisch, um verschiedene Bereiche einer auf dem Tisch montierten Probe vor das Mikroskop zu bringen, mit einer Fernsehkamera, auf deren Fotokathode das Endbild des Mikroskops fokussiert wird, mit Einrichtungen zur Bewegung des Tisches, um verschiedene Bildfelder vor das Mikroskop zu bringen, und mit Einrichtungen zur Blitzbeleuchtung jedes der verschiedenen Bildfelder, gekennzeichnet durch eine Stromkreiseinrichtung zur Erzeugung von η Steuersignalen für die Einrichtungen (70,72) zur Bewegung des Tisches (12) und für die Einrichtungen zur Blitzbeleuchtung des Bildfeldes, durch eine zusätzliche Stromkreiseinrichtung zur Verhinderung wenigstens der normalerweise der

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Fernsehkamera während η verschiedener Bildfelder gelieferter Bildabtastablenksignale, durch eine Stromkreiseinrichtung zur Verhinderung des Videosignalausganges der Fernsehkamera während der η verschiedenen Bildfelder und durch eine weitere Stromkreiseinrichtung zur Erzeugung von Ablenksignalen zur Durchführung einer Ableseabtastung der Fernsehkamera und einer Folge von Löschabtastungen, nach dem die η Bildfelder der Kamera dargeboten wurden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß der Tisch (12) kontinuierlich bewegt ist und die Blitzbeleuchtung mit der Bewegung der Probe so synchronisiert ist, daß die zur Darbietung von η aufeinanderfolgenden verschiedenen Bildfeldern vor dem Mikroskop erforderliche Zeit verringert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine zweite Abtasteinrichtung, eine optische Ablenkvorrichtung, um die aufeinanderfolgenden Gruppen von η beleuchteten Bildfeldern jeweils abwechselnd zu zwei Abtastvorrichtungen zu lenken, durch eine Schalteinrichtung zur Verhinderung wenigstens der Bildabtastablenksignale zu einer Abtastvorrichtung und des Videosignalausganges von dieser, während Bildabtastablenksignale der anderen Abtastvorrichtung zugeleitet werden und das von dieser erhaltene Videosignal ausgelöst wird, und durch eine weitere Stromkreiseinrichtung, die geeignet ist, die Anschlüsse an die Abtastvorrichtungen am Ende von jeweils η aufeinanderfolgenden Bildfeldern umzukehren.

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