DE2615841A1

DE2615841A1 - Verfahren zum automatischen nachfuehren der scharfeinstellung eines mit einer fernsehkamera ausgeruesteten mikroskops

Info

Publication number: DE2615841A1
Application number: DE19762615841
Authority: DE
Inventors: Adolf Elger; Alfred Parusel
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1976-04-10
Filing date: 1976-04-10
Publication date: 1977-10-13
Also published as: AT351293B; CH614292A5; ATA233077A; GB1545437A; DE2615841C3; DE2615841B2

Description

FIEMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BBEHZ)

Verfahren zum automatischen Nachführen der Scharfeinstellung eines mit einer Fernsehkamera ausgerüsteten Mikroskops

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Nachführen der Scharfeinstellung eines mit einer Fernsehkamera ausgerüsteten Mikroskops,und zwar ausgehend von einer einmal eingestellten Position.

Die Fokussierung eines Mikroskops, d.h. die Scharfeinstellung des beobachteten Bildes erfolgt üblicherweise durch manuelle Betätigung der entsprechenden Einstellmittel mit Hilfe einer visuell durchgeführten Einstellkontrolle. Es sind auch mehrer Vorrichtungen zum automatischen Fokussieren von Mikroskopen bekannt. Bei diesen wird über einen zusätzlichen optischen Strahlengang oder mit Hilfe elektrischer Abtaster die Entfernung zwischen Mikroskopobjektiv und Objekt laufend gemessen und auf einen konstanten Wert nachgeregelt. Derartige Vorrichtungen sind aufwendig und führen nicht immer zu dem angestrebten Ergebnis, da das Bild selbst nicht zur Beurteilung der Schärfe herangezogen wird.

Es sind Mikroskope bekannt, bei welchen das vergrößerte Bild des Objektes auf" der Kathode einer Fernsehaufnahmeröhre erzeugt wird. Das mikroskopische Bild kann dann an beliebiger Stelle auf beliebig vielen Fernsehgeräten wiedergegeben werden. Auch hier wird üblicherweise die Scharfeinstellung unter visueller Kontrolle manuell vorgenommen.

Es ist auch ein Verfahren zum automatischen Fokussieren von solchen Fernseh-Mikroskopen bekannt. Dabei wird ein Objektdetail von

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annähernd homogener Leuchtdichte ausgewählt und ein Signal erzeugt, dessen Amplitude der Länge oder der Fläche des ausgewählten Details proportional ist. Die Fokussierung des Mikroskops wird dann- so lange verstellt, bis die Signalamplitude einen Minimalwert erreicht.

Dieses Verfahren ist umständlich, da es die Auswahl eines Objektdetails bestimmter Eigenschaft voraussetzt, das nicht in jedem Objektbild ohne weiteres zu finden ist.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Fernseh-Mikroskops ist die automatische Bildanalyse, bei der aus dem bei der Pernsehabtastung gewonnenen Videosignal kennzeichnende Daten, wie z.B. die Zahl der Partikel im Bild, deren Längen- oder Flächenverteilung gewonnen werden. Diese Bildauswertung erfolgt automatisch und sehr schnell.

Besteht die Aufgabe, ein größeres Objekt auszuwerten, so wird dieses Objekt schrittweise bewegt und bei jedem Schritt wird der sich ergebende Bildbereich elektronisch ausgewertet. Das Objekt wird so schließlich aus einer Vielzahl von Bildbereichen zusammengesetzt. Während der Obj'ektbewegung ist nicht gewährleistet, daß stets der optimale, vor Bewegungseinleitung eingestellte Fokussierungszustand behalten bleibt. Wollte man bei Abweichungen den Fokussierungszustand unter visueller Kontrolle wieder auf den optimalen Wert bringen, so würde dieses umständliche Verfahren den ansonsten außerordentlich schnell ablaufenden Auswertevorgang v;e sent lieh verzögern.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Scharfeinstellung eines mit einer Fernsehkamera ausgerüsteten Mikroskops, ausgehend von einem einmal eingestellten Fokussierungszustand automatisch und schnell nachzuführen und dabei ein objektives Einstellkriterium zur Anwendung zu bringen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zur Scharfeinstellung

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des Mikroskops dienende Antrieb motorisch zunächst in «Saep ο 4 I festgelegten Richtung um einen vorbestimmten Betrag und danach in entgegengesetzter Richtung verstellt wird, daß dabei ein höherfrequentes- Band des Videosignals gleichgerichtet und das Maximum dieses gleichgerichteten Signals festgestellt wird und daß ein bestimmtes Zeitintervall nach festgestelltem·Maximum, der Antriebsmotor in seiner Drehrichtung umgesteuert und nach einem weiteren, dem genannten gleichen Zeitintervall, abgeschaltet wird.

Die geschilderte automatische Scharfeinstellung kann vom Beobachter an beliebigen, sich aus der visuellen Beobachtung ergebenden Zeitpunkten ausgelöst werden, es ist jedoch auch möglich, z.B. bei der Abtastung eines größeren Objektes die Scharfeinstellung automatisch nach vorbestimmten Zeitintervallen, auszulösen.

Als Kriterium für die Scharfeinstellung ist bei dem neuen Verfahren der maximale Kontrast im Bildinhalt und damit das Maximum des Anteils an hohen Frequenzen im Videosignal gewählt. Dieses Kriterium führt stets zu einer optimalen Scharfeinstellung, die nur vom Bildinhalt selbst beeinflußt ist.

Das bei dem neuen Verfahren angewandte Einstellkriterium erlaubt es nicht vorherzusagen, nach welcher Richtung der Scharfeinstell-Antrieb verschoben werden muß, um die angestrebte Scharfeinstellung zu erreichen. Aus diesem Grunde wird zunächst der Scharfeinstell-Antrieb schnell in einer festgelegten Richtung um einen vorbestimmten Betrag und danach langsamer in entgegengesetzter Richtung verschoben. Bei diesem Suchlauf wird das Optimum der Scharfeinstellung erreicht, wobei allerdings das Maximum des gleichgerichteten höherfrequenten Videosignalbandes erst erkannt wird, wenn die optimale Einstellung schon durchfahren ist. Aus diesem Grunde wird das Verfahren so geführt, daß nach festgestelltem Maximum der Suchlauf noch während eines be-

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stimmten Zeitintervalls weitergeführt wird, das dann umgesteuert und mit gleicher Geschwindigkeit während desselben Zeitintervalls zurückgefahren wird. Dabei wird die optimale Scharfeinstellung mit großer Genauigkeit erreicht.

Um eine Fehleinstellung zu vermeiden, werden vor der Gleichrichtung des höherfrequenten Videosignalbandes die in diesem enthaltenen Synchron-Impulse ausgetastet.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, ein Frequenzband, dessen Resonanzfrequenz oberhalb 1 MHz liegt und dessen Bandbreite beispielsweise 200 KHz ist, aus dem Videosignal der Fernsehaufnahmeröhre auszufiltern und anschließend gleichzurichten.

Das neue Einstellverfahren wird zweckmäßig so geführt, daß bei einem nicht festgestellten Maximum des höherfrequenten Videosignals der Scharfeinstell-Antrieb automatisch auf den Ausgangswert zurückgeführt wird.

Die Bewegung des Scharfeinstell-Antriebs kann motorisch erfolgen, es ist jedoch auch möglich und bei einer Begrenzung auf kleine Einstellbewegungen vorteilhaft, die Verstellung der Schärfenebene des Mikroskops über Piezöelemente vorzunehmen, welche das Mikroskopobjektiv verschieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Anordnung;

Fig. 2 zwei, über der Zeitachse aufgetragene Einste11bewegung, welche die Anordnung gemäß Fig. 1 durchführt;

Fig. 3 ein Objekt während der Abtastung.

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In Fig. 1 ist mit 1 ein Mikroskop üblicher Bauart bezeichnet, das zur Beobachtung eines mit 2 bezeichneten Objektes dient. Das Mikroskop 1 *ist mit einer Fernsehkamera 3 ausgerüstet, welchp zur Abtastung des mikroskopisch vergrößerten Bildes des Objektes 2 dient. Mit 4- ist der Scharfeinstell-Antrieb des Mikroskopes bezeichnet, mit dessen Hilfe der Objektträger 5 so lange in vertikaler Richtung verschoben wird, bis das Objektbild scharf auf dem mit der Fernsehkamera 3 verbundenen Monitor 6 erscheint.

Das von der Fernsehkamera 3 erzeugte Videosignal wird einem Verstärker 7 zugeführt und gelangt von dort zu einem Frequenzfilter 8, welcher beispielsweise ein Frequenzband einer Bandbreite von 200 KHz und einer Resonanzfrequenz oberhalb 1 MHz ausfiltert und einem Schaltelement 9 zuführt. Von diesem gelangt das im ausgefilterten Frequenzband liegende Videosignal zu einem Gleichrichter 10 und die gleichgerichtete Spannung wird einer Anordnung 11 zur Maximumerkennung zugeführt. Bei 12 wird, gesteuert vom Videosignal, ein Austastimpuls erzeugt, welcher im Schaltelement 9 die Synchronimpulse im Videosignal austastet, so daß lediglich das dem tatsächlichen Bildinhalt entsprechende Videosignal dem Gleichrichter 10 zugeführt wird.

Die Anordnung 11 erkennt das Maximum des glexchgerxchteten Videosignals und gibt bei festgestelltem Maximum ein Stopsignal zur Programmsteuerung 13· Diese ist über die Motorsteuerung mit einem Antriebsmotor -15 verbunden, welcher, wie die gestrichelte Linie andeutet, zum Antrieb der Scharfeinstelleinrichtung 4 des Mikroskopes 1 dient. Ein Schalter 16 dient dazu, die Programmsteuerung 13 in Tätigkeit zu setzen.

In Fig. 3 ist ein größeres Objekt 17 dargestellt, welches auf dem Objekttisch 5 des Mikroskops 1 liegt. Zur Auswertung des Objektes 17 wird der Objekttisch 5 so bewegt, daß die Abtastung des Objektes 17 in Richtung der Pfeile 18, 19 erfolgt. Dabei wird die gesamte Fläche des Objektes 17 aus kleinen Teilbereichen 20 zusammengesetzt. Jeder einzelne Teilbereich wird auf dem

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Monitor 6 dargestellt und mit Hilfe einer in Fig. 1 nicht dargestellten an sich bekannten Auswerteschaltung ausgewertet.

Während der Abtastung des Objektes 1? ist nicht gewährleistet, daß der vor-^r Beginn des Abtastvorganges manuell eingestellte Fokussierungszustand erhalten bleibt. Zur Verdeutlichung dient die in Fig. 2 dargestellte Kurve 21. Diese zeigt den zeitlichen Verlauf der optimalen Fokussierung, welche bei dem neuen Verfahren durch den Kontrast im Bild gekennzeichnet ist.

Der vor Einleitung der Abtastung eingestellte Fokussierungszustand ist in Fig. 2 mit 22 bezeichnet. Wie man erkennt, weicht zum Zeitpunkt ty, der tatsächliche Fokussierungszustand 21 so weit vom eingestellten Fokussierungszustand 22 ab, daß das Objektbild nicht mehr genügend scharf eingestellt ist.

Der Beobachter drückt nun zum Zeitpunkt t,, den Schalter 16. Durch die Programmsteuerung 13 wird nun über den Motor 15 der Scharf einstell-Antrieb 4- des Mikroskopes 1 zunächst in einer festgelegten Richtung schnell entlang des Kurvenastes 23 um einen vorbestimmten Betrag verschoben. Nach einer vorbestimmten Zeit wird danach die Drehrichtung des Motors 15 über die Steuerung 13 umgeschaltet und zugleich seine Drehgeschwindigkeit herabgesetzt. Damit beginnt der eigentliche in Fig. 2 mit 24-bezeichnete Suchlauf. Während dieses Suchlaufes wird der optimale Fokussierungszustand bei 25 erreicht. In diesem Zustand hat das ausgefilterte höherfrequente Videosignal, welches bei 10 gleichgerichtet ist, ein Maximum, welches durch die Anordnung 11 erkannt wird. Sobald dieses Maximum erkannt ist, gibt die Anordnung 11 ein Stopsignal zur Programmsteuerung 13. Diese führt nach diesem Stopsignal den Suchlauf 24- noch während eines bestimmten Zeitintervalls weiter und steuert dann wieder die Drehrichtung des Motors 15 um. Dieser läuft nun entlang des Kurvenastes 26 exakt auf die Maximum-Position 25 zurück. Der jetzt eingestellte Fokussierungszustand ist in Fig. 2 mit 27 bezeichnet.

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Weicht während der weiteren Abtastung des Objektes A? der mit bezeichnete Fokussierungszustand vom tatsächlichen optimalen Fokussierungszustand 21 wieder ab, wie dies beispielsweise zum Zeitpunkt t₂ der Fall ist, so wird durch Betätigen des Schalters 16 einjB weitere automatische Nachführung ausgelöst, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Der bei dieser zweiten Nachführung erreichte Fokussierungszustand ist mit 28 bezeichnet.

Das anhand der Figuren 2 und 3 beschriebene Beispiel umreißt nicht die volle Anwendbarkeit des neuen Verfahrens. Es ist insbesondere möglich,- mit Hilfe des neuen Verfahrens ein Fernsehmikroskop zunächst manuell scharf einzustellen, wobei diese Einstellung nicht optimal sein muß. Durch Betätigen des Schalters 16 wird dann in der beschriebenen Weise die optimale Scharfeinstellung automatisch erreicht.

Es ist zweckmäßig, das Verfahren so auszubilden, daß bei nichtfestgestelltem Maximum des höherfrequenten Videosignals der Scharfeinstell-Antrieb 4- automatisch auf den Ausgangswert zurückgeführt wird, der im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zum Zeitpunkt t. dem Wert 22 entsprechen würde.

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zum automatischen Nachführen der Scharfeinstellung eines mit einer Fernsehkamera ausgerüsteten Mikroskops, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Scharfeinstellung des Mikroskops dienende Antrieb (4-) motorisch zunächst in einer festgelegten Richtung um einen vorbestimmten Betrag und danach in entgegengesetzter Sichtung verstellt wird, daß dabei ein höherfrequentes Band des Videosignals gleichgerichtet und das Maximum dieses gleichgerichteten Signals festgestellt xdlrd, und daß ein bestimmtes Zeitintervall nach festgestelltem Maximum, der Antriebsmotor (15) in seiner Drehrichtung umgesteuert und nach einem weiteren, dem genannten gleichen Zeitintervall, abgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Gleichrichtung des höherfrequenten Videosignalbandes die in diesem enthaltenen Synchron-Impulse ausgetastet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht festgestelltem Maximum des höherfrequenten Videosignalbandes der Scharfeinstell-Antrieb (4) automatisch auf den Ausgangswert zurückgeführt wird.

4·. Verfahren nach Anspruch 1- 3,dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzband, dessen Resonanzfrequenz oberhalb 1 MHz liegt und dessen Bandbreite bei 200 EHz liegt, aus dem Videosignal herausgefiltert und gleichgerichtet wird.

5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Schärfenebene des Mikroskops über Piezoelemente erfolgt, welche das Mikroskopobjektiv verstellen.

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