-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System, mit dem man feststellen
kann, ob ein Objekt, von dem ein Bild realisiert werden soll, mit
einer Kopplungsoptik und einer Bildaufnahmevorrichtung ausgerichtet
ist, und mit dem, falls keine Ausrichtung besteht, die Positionierungseinstellungen
quantifiziert werden können,
die man bei den Elementen des Systems vornehmen muss, um diese Ausrichtung
herzustellen.
-
Die
Erfindung kann auf allen Gebieten angewendet werden, wo Bilder optimaler
Qualität
eines Gegenstand durch eine Optik hindurch in einer Bildebene erzeugt
werden müssen,
insbesondere auf dem medizinischen Gebiet.
-
Stand der Technik
-
Auf
dem Gebiet der Bilderfassung versucht der Fachmann, Bilder von möglichst
hoher Qualität zu
erhalten, das heißt
mit einer guten Fokussierung des Erfassungssystems und der bestmöglichen
Auflösung.
-
Um
ein qualitativ hochwertiges Bild zu erhalten, muss die Bildebene
(das heißt
die Ebene, in der sich die Bilderfassungsvorrichtung befindet) perfekt ausgerichtet
sein mit einerseits der Kopplungsoptik und andererseits dem Objekt.
Nun ist diese Ausrichtung aber nur schwer zu realisieren, denn man
die Rechtwinkligkeit der Bildebene zur optischen Achse und die Fokaldistanz
einstellen.
-
Die
Patentanmeldung
US 4 201 456 beschreibt
zum Beispiel einen Indikator der Fokussierbedingungen eines optischen
Systems, ein Verriegelungsverfahren und eine Wechselbewegung mit
Hebel umfassend, das zwei Bilder erzeugt, die verschmelzen, wenn
das System fokussiert ist.
-
Man
muss also, um Bilder eines Objekts durch eine Optik hindurch auf
einer Bildebene zu erzeugen, die optimale Positionierung zwischen
dem Objekt, der Optik und der Bildebene realisieren. Diese optimale
Positionierung kann man mithilfe von Einstellungen realisieren,
indem man klassischerweise die Positionen der Optik und des Erfassungssystems
(das heißt
der Bildebene) einstellt, wobei die Position des Objekts im Allgemeinen
fix ist. Bei diesen Einstellungen unterscheidet man zwei Arten:
- – eine
Einstellung – mit
Hilfe von Rotationen – der Rechtwinkligkeit
der Bildebene in Bezug auf die optische Achse der Optik; und
- – eine
Einstellung der Position der Bildebene (das heißt des Erfassungssystems) in
Bezug auf die Optik, was der klassischen Einstellung bei einem Fotoapparat
entspricht. Diese Einstellung entspricht einer Parallelverschiebung
in der Achse der Optik und ermöglicht,
die Bildebene (das heißt die
Ebene der Bildaufnahmevorrichtung oder des Erfassungssystems) auf
die Objektebene zu fokussieren, das heißt auf die Ebene, in der sich
das aufzunehmende Objekt befindet.
-
Üblicherweise
kann der Abstand des Objekt von der Optik variieren und die Einstellung
Optik/Bildebene kann folglich entweder annähernd vorgenommen werden oder
visuell durch die Bedienungsperson mit Hilfe von Telemetrie- oder
Reflexeinrichtungen.
-
Gewisse
Bildaufnahmevorrichtungen sind sogar mit einem Objekt/Optik-Distanzmesssystem ausgestattet,
das den Abstand zwischen Objekt und Optik mit Hilfe einer Ultraschall-
oder Infrarotmethode bestimmt. In diesem Fall erfolgt die Einstellung
Optik/Bildebene automatisch.
-
Jedoch
ist bei diesen klassischen Vorrichtungen der Schärtenbereich der Optik groß, was heißt, dass
die Optik/Bildebene-Einstellung nicht immer genau ist.
-
Außerdem gibt
es Anwendungen, bei denen diese Optik/Bildebene-Einstellung feiner
ist, was zum Beispiel in der Elektronenmikroskopie der Fall ist.
In der Elektronenmikroskopie kann die Bedienungsperson die Optik/Bildebene-Einstellung
nämlich
visuell realisieren. Er kann sie auch mit Hilfe einer sogenannten "Wobber focusing aid"-Technik realisieren. Diese Technik wird
insbesondere in dem Dokument "The
principles and practice of electron microscopy" von lan M.WATT, Cambrige University
Press, Seiten 29 bis 31, beschrieben. Diese Technik besteht darin, einen
Lichtstrahl zwischen zwei Positionen in Bezug auf die Linse der
Bildaufnahmevorrichtung oszillieren zu lassen, was eine doppelte
Antwort bzw. Abbildung des untersuchten Objekts in der Bildebene
erzeugt, solange das System nicht optimal fokussiert.
-
Jedoch
sind diese Wobbling-Methoden schwierig durchzuführen, da das Ablenken der Lichtquelle
bzw. des Lichtstrahls nicht einfach ist.
-
Auf
dem Gebiet der Astronomie ist es ebenfalls nützlich, über eine feine Einstellung
zu verfügen, insbesondere
wenn man am Ausgang eines Refraktors eine CCD-Kamera benutzt, wie
dies beschrieben wird in dem Artikel "Une mission haute résolution au T 60" von J. DIJON et
al., erschienen in der Zeitschrift Pulsar Nr. 707, März-April
1995. Dieses Dokument beschreibt nämlich eine Methode, die ermöglicht, eine
relativ empfindliche Optik/Bildebene-Einstellung zu erhalten. Diese
Methode besteht darin, einen einzigen Stern auszuwählen, vor
dem Eingang des Refraktors eine Maske mit zwei Löchern anzubringen und die Anzahl
der Lichtflecke zu verifizieren, die in der CCD-Kamera erscheinen:
wenn die CCD-Kamera
schlecht fokussiert ist in Bezug auf die Optik, erscheinen zwei
Flecke in der Kamera; wenn hingegen die Fokussierung gut ist, erscheint
nur ein einziger Fleck in der CCD-Kamera. Indem man die Projektion des
Sterns über
die verschiedenen Bereiche der CCD-Kamera verschiebt, kann man die
Ausrichtung des Optik/CCD-Kamera-Systems einstellen, das heißt die Einstellung
zwischen der Optik und der Bildebene.
-
Jedoch
ist diese Methode nur bei Objekten mit unendlicher Entfernung anwendbar,
das heißt
in der Astronomie.
-
Andere
optische Methoden ermöglichen,
die Einstellung der Rechtwinkligkeit der Bildebene zur optischen
Achse zu realisieren. Eine dieser Methoden besteht darin, ein Autokollimationsfernrohr
zu benutzen, angeordnet am Eingang der Optik. In diesem Fall muss
die Bildebene eine Reflexion für
diese Art der Einstellung liefern. Außerdem kann es zu Schwierigkeiten
kommen, wenn es andere reflektierende Ebenen gibt, die sich auf
dem Weg zwischen der Optik und der Bildebene befinden, was der Fall ist,
wenn man eine CCD-Kamera benutzt, die mit einem Glasfenster versehen
ist.
-
Eine
solche Methode erweist sich als schwierig anwendbar. Zudem liefert
diese Methode nur die Einstellung der zu realisierenden Planheit;
sie liefert keinesfalls die Einstellung der erforderlichen Fokussierung,
um eine Ausrichtung zu erhalten.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die
Erfindung hat die Aufgabe, die Nachteile der oben beschriebenen
Techniken zu beseitigen. Zu diesem Zweck schlägt sie ein System vor, das
ermöglicht,
die Ausrichtung oder Nichtausrichtung eines Objekts mit der Kopplungsoptik
und der Bilderfassungsvorrichtung zu realisieren und im Falle einer Nichtausrichtung
die Einstellungen zu quantifizieren, die vorgenommen werden müssen, um
die Ausrichtung dieser Elemente zu realisieren.
-
Dazu
benutzt das erfindungsgemäße System
eine Bilderfassungsvorrichtung sowie eine Lichtquelle und eine von
wenigstens zwei Löchern
durchbohrte opake Maske, um ein Lichtpunktesystem zu erzeugen, wobei
die Abbildungen dieser Lichtpunkte in der Bildebene sich im Falle
einer Nichtausrichtung des Systems teilen. Eine Analyse dieser geteilten bzw.
zweigeteilten Abbildungen ermöglicht
dann, die bei dem System vorzunehmende Einstellung zur Realisierung
der Ausrichtung zu quantifizieren.
-
Noch
genauer betrifft die Erfindung ein System zur Ermittlung der Ausrichtung
eines abzubildenden Objekts mit optischen Kopplungseinrichtungen und
einer eine Bildebene definierenden Bilderfassungsvorrichtung. Dabei
ist dieses System durch gekennzeichnet, dass es umfasst:
- – eine
Bilderfassungsvorrichtung, ausgerüstet mit Einstelleinrichtungen
zu ihrer eigenen Positionierung;
- – eine
bewegliche Lichtquelle in der Objektebene, die mindestens zwei nichtfokussierte
Lichtpunkte abstrahlt; dabei erzeugt sie:
• einen Lichtpunkt in dem Fall,
wo die Planheit des Detektors die Qualität der Ausrichtung wenig beeinflusst;
oder
• wenigstens
drei Lichtpunkte im allgemeinen Fall; im Übrigen können diese drei Lichtpunkte
erzeugt werden:
• durch
eine Quelle, die simultan drei Lichtpunkte erzeugt;
• durch die
Verschiebung einer punktförmigen Lichtquelle
an drei Stellen;
- – optische
Kopplungseinrichtungen, die auf eine Objektebene fokussieren und
die Kopplung eines Bildes in der Bildebene mit einem in der Objektebene
erzeugten Bild ermöglichen;
- – eine
bewegliche opake Maske, die mindestens zwei Löcher aufweist und so vor der
Lichtquelle angeordnet ist, dass sie wenigstens einen Teil des durch
diese Lichtquelle abgestrahlten Lichts durchlässt, wobei das von jedem Loch
der Maske durchgelassene Licht mindestens eine Abbildung eines Lichtpunkts
auf der Erfassungsvorrichtung erzeugt und diese Abbildung im Falle
von Nichtausrichtung geteilt bzw. zweigeteilt ist; und
- – Einrichtungen,
um zu ermitteln, ob Ausrichtung besteht und, wenn keine Ausrichtung
besteht, um diese Nichtausrichtung zu quantifizieren.
-
Nach
einer Realisierungsart der Erfindung befindet sich die Maske in
der Fokalebene der optischen Kopplungseinrichtungen.
-
Vorteilhaft
ist, wenn die Löcher
der Maske klein sind, so dass die Größe der Abbildungen jedes Lichtpunkts
in der Bildebene ungefähr
der Größenordnung
der Auflösung
des Systems in der Objektebene entspricht, also dem Zwei- bis Dreifachen
der Auflösung
entsprechen.
-
Nach
einer Realisierungsart der Erfindung umfasst das System einen Objektträger, der
für die Lichtstrahlung
durchlässig
ist und die Objektebene definiert.
-
Nach
einer anderen Realisierungsart der Erfindung ist die Objektebene
virtuell.
-
Das
erfindungsgemäße System
kann zudem einen oder mehrere Spiegel umfassen, angeordnet zwischen
der Objektebene und der Erfassungsvorrichtung.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
Die 1 ist
eine schematische Darstellung des Systems der Erfindung;
-
die 2 zeigt
schematisch den optischen Weg der von der Lichtquelle abgestrahlten
Lichtstrahlen zur Bildebene; und
-
die 3 zeigt
ein Beispiel einer Lichtquelle.
-
Beschreibung von Realisierungsarten
der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung der Ausrichtung oder
Nichtausrichtung zwischen einem aufzunehmenden Objekt, einer Kopplungsoptik
und einer Bilderfassungseinrichtung, welche die Bildebene des Systems
definiert.
-
In
der gesamten nachfolgenden Beschreibung sind die Begriffe Bildebene
und Objektebene wie folgt zu verstehen:
- • die Bildebene
ist die Ebene, in der sich die Abbildung eines Objekts in der Aufnahmevorrichtung ausbildet
(auch Bilderfassungsvorrichtung genannt);
- • Die
Objektebene ist die Ebene, in der sich das Objekt zum Zeitpunkt
der Aufnahme befindet. Jedoch erfolgt die Ermittlung der Ausrichtung
des Systems ohne Objekt. Es ist nämlich kein Objekt notwendig,
um festzustellen, ob ein System ausgerichtet ist oder nicht. Bei
dem erfindungsgemäßen System
wird nur die Ebene benötigt – und auch
Objektebene genannt – in
der sich das Objekt zum Zeitpunkt der Aufnahme befinden wird. Während der
Ermittlung der Ausrichtung wird diese Ebene entweder virtuell definiert,
oder durch den Träger
definiert, auf dem sich das Objekt bei der Aufnahme befinden wird.
-
Während der
Ermittlung der Ausrichtung sowie bei der Aufnahme fokussiert die
Kopplungsoptik, einfach "Optik" genannt, auf diese
Objektebene.
-
Das
Objektiv des erfindungsgemäßen Systems
ist so konzipiert, dass es eine Teilung bzw. Zweiteilung der Abbildung
eines Lichtpunkts in der Objektebene erzeugt, falls keine Ausrichtung
zwischen Objekt, Kopplungsoptik und Bildebene besteht, was einer
schlechten Einstellung des Systems entspricht.
-
Zu
diesem Zweck umfasst das in der 1 dargestellte
erfindungsgemäße System
eine Lichtquelle 1, die wenigstens einen Lichtpunkt 1a abstrahlt.
Diese Lichtquelle befindet sich in der Objektebene (mit Po bezeichnet)
des optischen Systems und an der Stelle, wo das Objekt sich während der
Aufnahme befinden wird.
-
In
dem Fall, wo die Objektebene durch einen Objektträger materialisiert
wird, muss dieser durchlässig
sein für
die durch die Lichtquelle abgestrahlten Strahlen. Wenn diese Strahlen
zum Beispiel Röntgenstrahlen
sind, kann der Objektträger,
der die Objektebene definiert, aus Plexiglas® sein.
-
Das
erfindungsgemäße System
umfasst zudem eine Bilderfassungsvorrichtung 2, die mit
Einrichtungen zur Einstellung ihrer eigenen Position ausgestattet
ist. Diese
-
Einrichtungen
zur Einstellung ihrer eigenen Position können ganz einfach mechanische
Einrichtungen sein, zum Beispiel ein System aus drei Nachstellrädchen; sie
sind in der Figur nicht dargestellt, um die Figur zu vereinfachen.
-
Die
Erfassungsvorrichtung kann zum Beispiel ein CCD-Detektor sein.
-
Festzustellen
ist, dass die Fokussierung auf die Objektebene verknüpft ist
mit der Position des CCD-Detektors in Bezug auf die zwischen der
Objektebene und der Bildebene angeordnete Kopplungsoptik.
-
Das
System der Erfindung umfasst zudem eine Kopplungsoptik 3,
angeordnet zwischen der Objektebene Po und der Bildebene Pi; diese
Optik, einfach "Linse" genannt, ermöglicht,
eine in der Objektebene erzeugte Abbildung mit dem in der Bildebene erhaltenen
Bild zu koppeln.
-
Außerdem umfasst
das erfindungsgemäße System
eine Maske 4, die undurchlässig ist für die durch die Lichtquelle
abgestrahlten Strahlen, die sich vorteilhafterweise in der Nähe der Fokalebene
Pf des Systems befindet, oder auch in der Nähe der Optik 3. Diese
Maske weist wenigstens zwei Löcher 5a und 5b auf,
die eine wenigstens partielle Transmission des durch die Lichtquelle 1 abgestrahlten
Lichts gewährleisten.
Insbesondere definiert jedes der Löcher eine andere Richtung der
einfallenden Strahlung, was im Falle einer schlechten Ausrichtung
die Teilung bzw. Zweiteilung der Abbildung der Lichtpunkte in der Bildebene
Pi verursacht.
-
Es
ist vorteilhaft, wenn die von der Quelle abgestrahlten Lichtpunkte
klein sind, so dass ihr Durchmesser ungefähr der Größenordnung der Auflösung des
Systems in der Objektebene entspricht. Zum Beispiel entsprechen
sie dem Zwei- bis Dreifachen der Auflösung des Systems. Zudem darf
das durch die Lichtpunkte abgestrahlte Licht nicht fokussiert sein.
-
Die
Maske hat auch die Aufgabe, die Menge des bei dem CCD-Detektor eintreffenden
Lichts zu begrenzen, so dass die Dimension der Lichtpunkte reduziert
wird, was dann zu einer noch genaueren Definition der geometrischen
Position dieser Lichtpunkte führt.
-
Nach
der Erfindung ist diese Maske entfernbar. Sie wird nämlich nur
während
des Ausrichtungsschritts benutzt bzw. benötigt.
-
Das
erfindungsgemäße System
umfasst außerdem
Recheneinrichtungen 6, die ermöglichen, die Nichtausrichtung
zu quantifizieren, das heißt
die Einstellungen zu quantifizieren, die vorgenommen werden müssen, um
das System auszurichten. Diese Recheneinrichtungen können klassische
Recheneinrichtungen wie zum Beispiel ein PC sein.
-
Nach
einer Realisierungsart der Erfindung können sich ein oder mehrere
Spiegel auf dem optischen Weg zwischen der Objektebene und der Bildebene
befinden. So ist es bei bestimmten Anwendungen möglich, einen nichtlinearen
optischen Weg zu benutzen.
-
In
der 2 ist schematisch der optische Weg der durch die
Lichtquelle abgestrahlten Lichtpunkte 1a und 1b dargestellt.
Diese beiden Lichtpunkte 1a und 1b, abgestrahlt
durch die Lichtquelle, werden als 2a und 2b in
die Bildebene Pi projiziert, das heißt – nach ihrem Weg durch die
optische Kopplungsvorrichtung 3 – auf die Bilderfassungsvorrichtung.
-
In
dieser 2 ist die Bilderfassungsvorrichtung 2 mit
der Lichtquelle 1 und der Optik 3 ausgerichtet,
da alle von jedem Punkt 1a und 1b der Objektebene
abgestrahlten Lichtstrahlen in Richtung eines einzigen Punkts der
Bildebene – 2a beziehungsweise 2b – konvergieren.
Außerdem
stellt man in diesem Schema fest, dass die eintreffenden Lichtstrahlen
parallel sind zu der optischen Achse der Linse (durchgezogene Striche)
und dass sie alle den Fokalpunkt Fa durchlaufen. Man sieht auch,
dass die schräg
und parallel zueinander eintreffenden Strahlen (in der 2 gestrichelt
dargestellt) einen anderen Fokalpunkt Fb durchlaufen. So entspricht
jeder Fokalpunkt Fa und Fb der Fokalebene Pf einer Richtung von
eintreffenden Strahlen.
-
Man
sieht, dass die Maske 4 sich vorteilhafterweise in der
Fokalebene Pf oder ihrer Nähe
befindet und das Licht dann nur die Löcher 5a und 5b durchqueren
kann, die den Fokalpunkten Fa und Fb entsprechen.
-
Betrachten
wir nun die von dem Lichtpunkt 1a stammenden Lichtstrahlen,
welche die Löcher 5a und 5b der
Maske in Höhe
der Fokalpunkte Fa und Fb durchqueren. Wenn der CCD-Detektor 2 richtig angeordnet
ist in Bezug auf die Optik 3 und die Objektebene Po, das
heißt
wenn die drei Elemente ausgerichtet sind, ist Punkt 2a die
Abbildung des Lichtpunkts 1a.
-
Wenn
hingegen der CCD-Detektor nicht fokussiert ist, besteht die Abbildung
des Lichtpunkts 1a auf dem CCD-Detektor aus zwei Punkten.
In diesem Fall ist der Abstand zwischen den beiden Abbildungspunkten
des Lichtpunkts 1a proportional zu der Fokussierdistanz
des CCD-Detektors. Die Maske 4 ermöglicht dann, die Planheits-
und Fokussierungseinstellung des Systems zu finden, die – für die Gesamtheit
der durch die Lichtquelle abgestrahlten Lichtpunkte – ermöglicht,
die doppelten Abbildungen der Lichtpunkte in der durch den CCD-Detektor
definierten Bildebene Pi einander anzunähern.
-
Aufgrund
der Kenntnis des Abstands der beiden Abbildungen eines Lichtpunkts
für zwei
verschiedene Positionen des CCD-Detektors ist es nämlich möglich, die
optimale Fokussierungsposition zu finden, das heißt die optimale
Position des CCD-Detektors, damit die beiden Abbildungen des Lichtpunkts zusammenfallen.
Diese bei dem System vorzunehmende Einstellung wird entweder durch
die Recheneinrichtungen ermittelt oder durch das auf dem Detektor
erzeugte Bild sichtbar gemacht, aufgrund dessen man visuell die
Größe der Teilung
feststellen kann.
-
Nach
einer Realisierungsart der Erfindung ist die Lichtquelle 1 ein
Testbild, gebildet durch eine Matrix aus n Dioden, angebracht auf
einem scheibenförmigen
Träger.
Bei diesem Beispiel haben die meisten Dioden (oder LEDs) Durchmesser
von 0,3 mm, was ermöglicht,
eine Abbildung der Lichtpunkte mit einem Durchmesser von ungefähr 3 Pixeln
auf dem CCD-Detektor
zu erhalten. Zwei Dioden haben einen größeren Durchmesser und ermöglichen,
die Ausrichtung des Testbilds zu definieren. Insbesondere umfasst
das in der 3 dargestellte Testbild dreizehn
Kalibrierung-LEDs d1 bis d13 mit einem Durchmesser von 0,3 mm und
zwei Bezugs-LEDs d14 und d15 mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm.
-
Bei
einer Anwendung mit automatischer Berechnung, in Kenntnis der relativen
Positionen der LEDs, ermöglichen
die beiden Bezugs-LEDs, schnell die Ausrichtung aller Punkte des
Testbilds zu ermitteln.