SE515676C2 - Mikroskopfilter för automatisk kontrastskärpning - Google Patents

Description

.1..- m... 10 15 20 25 30 35 515 676 2 apparatur och görs i en ledd åt gången eftersom det är besvärligt att göra en tvàdimensionell mätning av över- föringsfunktionen. Dessutom måste mätningen av den optiska överföringsfunktionen göras varje gång något har förändrats i det optiska systemet. Därefter används den inversa Fourier-transformen av de båda kombinerade över- föringsfunktionerna för att beräkna ett en-dimensionellt filter. Filtret används för att filtrera en registrerad bild genom att först applicera filtret i en ledd och därefter i en ledd som är vinkelrät mot den första.

Emellertid erhålls inte tillräckligt bra resultat med de kända teknikerna. Det är inte heller möjligt att mäta överföringsfunktionen för ett mikroskop lika noga som för en kamera.

Ett annat problem med förfarandet och anordningen enligt det amerikanska patentet är att bruset vid höga frekvenser kommer att förstärkas okontrollerat om över- föringsfunktionens värde är litet för höga frekvenser.

Dessutom erhåller man inte ett fullgott resultat med två en-dimensionella filter applicerade efter varandra.

Sålunda finns det ett behov av ett förfarande och ett mikroskop med ett bildbehandlingssystem som ökar skärpan i en bild samtidigt som bruset begränsas.

Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande ansökan är att åstad- komma ett mikroskop, vilket ökar skärpan samtidigt som bruset begränsas i en bild tagen med mikroskopet.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande ansökan är att tillhandahålla ett förfarande för upptagning och behandling av digitala bilder för att erhålla skarpa bilder.

Dessa ändamål uppfylls med ett mikroskop och ett förfarande för ett sådant enligt de vidhängande patent- kraven.

Ett mikroskop med bildbehandlingssystem enligt uppfinningen innefattar en objekthållare, optik som i ett bildplan skapar en bild av ett objekt placerat i objekt- 10 15 20 25 30 35 515 6763 3 hàllaren, och en digital bildsensor, vilken har ett antal sensorelement, för registrering av bilden. Ett mikroskop enligt uppfinningen utmärkes av att bildsensorn och bild- planet är anordnade så att sensorelementens spatial- frekvens är högre än den maximala spatialfrekvensen i bilden. Mikroskopet innefattar vidare åtminstone ett beräkningsorgan kopplat till bildsensorn, varvid ett första beräkningsorgan är anordnat att tillhandahålla en tvâ-dimensionell filterfunktion, vilken väsentligen har ett första värde vid spatialfrekvensen noll, ett värde större än noll vid en spatialfrekvens över bildens maxi- mala spatialfrekvens och ett toppvärde mellan spatial- frekvensen noll-och spatialfrekvensen för det andra vär- det, att beräkna ett digitalt filter som motsvarar en tvà-dimensionell invers transform av filterfunktionen, och att filtrera en registrerad bild med det digitala filtret.

Filterfunktionen avtar mot noll för spatial- frekvenser över toppvàrdets spatialfrekvens.

Det första värdet är företrädesvis ett eftersom ingen dämpning vanligtvis förekommer vid spatialfrek- vensen noll. Det är emellertid möjligt att ha en för- stärkning även vid spatialfrekvensen noll i bilden.

Sensorelementens spatialfrekvens definieras som inversen av det dubbla avståndet mellan tvà närliggande sensorelement. J Företràdesvis är mikroskopet anordnat att beräkna ett digitalt filter då en användare initierar en sådan beräkning. Alternativt är mikroskopet anordnat att be- räkna ett digitalt filter varje gäng en ny bild registre- ras med bildsensorn, vilket emellertid inte ger nâgra större fördelar.

Genom att man använder ett tvàdimensionellt filter är det möjligt att erhàlla ett rotationssymmetriskt resultat. Genom att sensorelementens spatialfrekvens är högre än den maximala spatialfrekvensen i bilden är det möjligt att använda ett digitalt filter vilket motsvarar 4=..= 10 15 20 25 30 35 515 676 4 en filterfunktion som har ett värde skilt från noll vid frekvenser över bildens maximala spatialfrekvens. Använd- ning av ett sådant digitalt filter leder till brusredu- cering i bilden.

Filterfunktionen utgörs enligt en alternativ ut- föringsform av en faltning av två endimensionella filter- funktioner. Det digitala filtret blir då emellertid inte rotationssymmetriskt. .

Bildsensorn är med fördel en halvledarsensor i form av exempelvis en CMOS-sensor eller en CCD (charge coupled device) som är uppbyggd av ett antal sensorelement för- delade på lika inbördes avstånd. Sensorelementens spa- tialfrekvens är-inversen av avståndet mellan två när- liggande sensorelement.

Bildsensorn kan emellertid vara någon annan sorts bildsensor som exempelvis en vidicon. Det väsentliga för uppfinningen är att bildsensorn har en bättre upplösning ån bildens högsta spatialfrekvens.

Företrädesvis har sensorelementen en spatialfrekvens som är åtminstone 1,5 gånger, med fördel åtminstone 2 gånger högre, än den högsta spatialfrekvensen i bilden.

Enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar mikroskopet även ett inmatnings- organ för inmatning av värden som ger information om filterfunktionen.

Företrädesvis är mikroskopet anordnat att göra en uppskattning av gränsfrekvensen för optiken genom re- gistrering av en bild med bildsensorn. Den registrerade bilden Fouriertransformeras så att en bild i frekvens- planet erhålls. Det första beräkningsorganet beräknar utgående från den Fouriertransformerade bilden en gräns- ífrekvens. Den integrerade signalen upp till gränsfrekven- sen utgör huvuddelen av den totala ljusenergin i bilden och med fördel åtminstone 90%, företrädesvis minst 95%, av den totala ljusenergin i den transformerade bilden.

Den på det beskrivna sättet uppmätta gränsfrekvensen är inte densamma som den högsta frekvens det optiska syste- 10 15 20 25 30 35 515 676 5 met släpper igenom, men är en användbar uppskattning av den.

Gränsfrekvensen används vid beräkningen av läget för filterfunktionens toppvàrde. Det är fördelaktigt att låta toppvärdets läge bero även pà de via inmatningsorganet inmatade värdena för filterfunktionens utseende.

Om mikroskopet är anordnat att uppskatta gräns- frekvensen görs uppskattningen företrädesvis då en användare initierar en sädan uppskattning, men alterna- tivt görs uppskattningen varje gäng en ny bild registre- ras.

Filterfunktionen är med fördel strängt växande fram till gränsfrekvensen och därefter strängt avtagande sä att filterfunktionen fram till gränsfrekvensen så långt som möjligt överensstämmer med inversen av en verklig överföringsfunktion. En verklig överföringsfunktion är i allmänhet strängt avtagande fram till den högsta frekvens det optiska systemet släpper igenom.

Det är möjligt att inom ramen för uppfinningen ha en filterfunktion som varken är strängt växande fram till gränsfrekvensen eller strängt avtagande efter gräns- frekvensen.

Det är fördelaktigt att làta filterfunktionen vara kontinuerligt deriverbar eftersom detta möjliggör ett digitalt filter med mindre spatiell utsträckning och därmed en snabbare filtrering. _ Ovanstående särdrag kan givetvis kombineras i samma utföringsform.

För att ytterligare belysa uppfinningen kommer i det följande detaljerade utföringsformer av uppfinningen att beskrivas, utan att emellertid uppfinningen skall anses begränsad härtill.

Kort ritningsbeskrivninq Figur 1 visar en schematisk bild av ett mikroskop i enlighet med en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Figur 2 visar ett blockschema över funktionen hos ett mikroskop enligt uppfinningen. 1.;.» lO 15 20 25 30 35 515 676 6 Figur 3 visar filterfunktionen som funktion av frekvensen i ett mikroskop enligt föreliggande upp- finning.

Figur 4 visar ett digitalt filter enligt före- liggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Fig 1 visar en schematisk bild av ett mikroskop i enlighet med föreliggande uppfinning. Mikroskopet har en ljuskälla 1, som belyser ett objekt 2, placerat på en objekthållare 3. Ljus från objektet samlas in med ett mikroskopobjektiv 4. En digital bildsensor 5 är anordnad på ett avstånd från mikroskopobjektivet 4. Den digitala bildsensorn är enligt denna föredragna utföringsform en CCD. CCD:n 5, mikroskopobjektivet 4 och objektet 2 är an- ordnade på inbördes avstånd så att mikroskopobjektivets bildplan sammanfaller med bildsensorns 5 yta. CCD:n år uppbyggd med ett stort antal sensorelement 6, vilka har ett inbördes avstånd d. Varje bildelement motsvarar en punkt i en digital bild. Bildsensorn 5 är kopplad till ett bildbehandlingsorgan 7, vilket i sin tur är kopplat till en display 8 och ett inmatningsorgan i form av ett tangentbord 9. I bildbehandlingsorganet finns anordnat ett första beräkningsorgan 24 och ett andra beräknings- organ 25. Mellan mikroskopobjektivet 4 och CCD:n 5 finns linser 10 som används för att överföra bilden till CCD:n 5. Det optiska systemet bestående av mikroskopobjektivet 4 och optiken 10 har en sammanlagd överföringsfunktion som beskriver hur olika spatialfrekvenser i objektet 2 överförs till bildplanet. Beroende pà utformningen hos objektivet 4 och linserna 10 överförs olika höga spatial- frekvenser från objektet 2. Den maximala spatialfrekvens som överförs från objektet 2 till CCD:n 5 definieras vanligen som det optiska systemets upplösning. Således kommer endast strukturer som motsvarar en viss minsta storlek hos objektet att kunna urskiljas i bilden. Emel- lertid kan bildens storlek varieras genom att variera den inbördes placeringen av CCD:n 5, mikroskopobjektivet 4 10 15 20 25 30 35 - . - » » u » 515 676 7 och objektet 2. Sensorelementens spatialfrekvens defi- nieras som inversen av deras dubbla inbördes avstånd 2d.

Enligt uppfinningen anordnas objektet 2, mikroskop- objektivet 4, linserna 10 och CCD:n 5 sä att sensor- elementens spatialfrekvens är större än bildens maximala spatialfrekvens. Sensorelementens spatialfrekvens är företrädesvis 1,5 gånger större än bildens maximala spatialfrekvens och med fördel åtminstone tvà gànger större än bildens maximala spatialfrekvens för att erhålla brusreducering.

Då ett objekt 2 placeras pà objekthàllaren 3 kommer en bild att registreras av bildsensorn 5. Den registrera- de bilden kopplas vidare till bildbehandlingsorganet 7, vilket behandlar bilden innan den visas på displayen 8.

Bildbehandlingen i bildbehandlingsorganet 7 pâverkas av parametrar som matas in via tangentbordet 9.

I fig 2 visas ett blockschema över funktionen hos bildbehandlingsorganet 7. Den registrerade bilden fràn CCD:n 5 matas in överst i figuren till block 12 och nederst i figuren till block 13. I block 13 görs en uppdelning i bildens färgkomponenter varefter den upp- delade bilden skickas vidare till block 14 för filtrering med ett digitalt filter. I block 12 bestäms en gräns- frekvens (wo) genom att den registrerade bilden trans- formeras, varefter mo beräknas som den frekvens under vilken 95% av den integrerade signalen i den transfor- merade bilden finns. Beräkningen av wo kan göras varje gäng en ny bild tages eller då en användare av mikro- skopet initierar en bestämning av wo.

Enligt den föredragna utföringsformen beräknas ett digitalt filter dä en användare initierar en sàdan beräk- ning via tangentbordet 9.

I fig 3 visas en filterfunktion som funktion av frekvensen vilken beskriver en förstärkning som funktion av frekvensen.

I block 15 hämtas parametrar för filtrets över- föringsfunktion in fràn tangentbordet eller fràn ett lO 15 20 25 - - : . > ~ 8 minne 23 i bildbehandlingsorganet. Exempel på de para- metrar som kan hämtas in fràn tangentbordet 9 vid block 15 är filtrets förstärkning vid gränsfrekvensen, gräns- frekvensens läge och filterfunktionens utseende över respektive under gränsfrekvensen. I block 16 bestäms filtrets överföringsfunktion 17 utgående från para- metrarna som hämtas in i block 15. Filterfunktionen 17 bestäms enligt: aßu/um)2d1 ”f” e°'2 ~2w~ ”1 ü7f;U%: där a, y och ml är parametrar som användaren kan modifi- era vid inmatningsorganet 9. Parametern wo kan antingen definieras av användaren eller bestämmas automatiskt av systemet och betecknar gränsfrekvensen. Förstärkningen vid gränsfrekvensen bestäms av a. y och an_bestämmer hur snabbt filtret klingar av vid höga frekvenser.

Således är filterfunktionen tvàdimensionell och beroende pä beloppet av frekvensen m men oberoende av någon vinkelparameter, varvid en cirkulärsymmetrisk funktion erhålls.

Filterfunktionen kan dock ha nàgot annat utseende och kan exempelvis beskrivas av ett polynom upp till gränsvärdet och ett annat polynom över gränsvärdet. 30 35 Filterfunktionen 17 har väsentligen värdet 1 för frekven- sen noll och ett toppvärde vid gränsfrekvensen (mo).

Efter gränsfrekvensen wo är funktionen avtagande. Filter- funktionen har dock ett värde skilt från noll över en frekvens som överstiger den maximala spatialfrekvensen i bilden. Gränsfrekvensen överensstämmer huvudsakligen med den maximala spatialfrekvensen i bilden. Åter med hänvis- ning till fig 2 görs i block 18 en två-dimensionell in- vers transform av filterfunktionen som beräknades i block 16. Den inverstransformerade filterfunktionen digitali- seras och skärs av till en lämplig storlek för att utgöra »mfl 10 15 20 | » f ~ v 1 515 676 9 ett digitalt filter för den registrerade bilden. I block 14 filtreras den färguppdelade bilden tvàdimensionellt med det digitala filtret. Därefter görs en frivillig grånivàtransformation i block 19 varefter färgerna i bilden åter sätts samman i block 20. Grånivåtransforma- tionen görs om det finns risk för att grànivàerna har hamnat utanför tillåtna värden vid fitreringen. Efter bildbehandlingen visas bilden på displayen 8 eller lagras i ett lagringsorgan 26.' I fig 4 visas ett exempel på ett digitalt filter 22 som används i block 14. Såsom framgår av fig 4 är filtret cirkulärsymmetriskt runt toppen 21. Då bilden filtreras i block 14 multipliceras värdet i en bildpunkt med ett vä- rde som motsvarar filtret i punkten 21 och adderas till resultatet frànbmultiplikationerna mellan de närliggande bildpunkterna och motsvarande värde i filtret.

En fackman inom området inser att uppfinningen ej är begränsad till den här visade utföringsformen utan att många modifieringar är möjliga inom ramen för uppfinning- en. Exempelvis kan block 12 i fig 2 uteslutas och filter- funktionen bestämmas helt med parametrar som matas in via tangentbordet 9 i fig 1. En fackman inser också att block 13 och 20 kan uteslutas om bilden inte är en färgbild.

Claims (13)

f-»e- 10 15 20 25 30 35 n. *w u » u -ø fv- W: _°'._'*._'_,§ r. . f; f. .i n. u = _ Q g' IïÄ, ' '* °' " ".:,: : f -n v » lv I b (_. ,., ,__n ,: _ . . I D ' 'g 2 _ __ i _ _ ._ . _ . . 10 PATENTKRAV

1. Mikroskop innefattande en objekthållare (3), optik som i ett bildplan skapar en bild av ett objekt (2) som är placerat i objekthållaren, en digital bildsensor (5), vilken har ett antal sensorelement (6), för registrering av bilden, k ä n - n e t e c k n a t av att bildsensorn och bildplanet är så anordnade att sensorelementens (6) spatialfrekvens är högre än den maximala spatialfrekvensen i bilden, varvid mikroskopet vidare innefattar åtminstone ett första beräkningsorgan-(24) vilket är kopplat till bildsensorn (5) och vilket är anordnat att tillhandahålla en tvà-dimensionell filterfunk- tion, vilken väsentligen har ett första värde vid spatialfrekvensen noll, ett andra värde vilket är skilt från noll vid en spatialfrekvens över bildens maximala spatialfrekvens och ett toppvärde mellan spatialfrek- vensen noll och spatialfrekvensen för det andra värdet, att beräkna ett digitalt filter som motsvarar en tvà-dimensionell invers Fouriertransform av filterfunk- tionen, och att filtrera en registrerad bild med det digitala filtret.

2. Mikroskop enligt patentkrav 1, k ä n,n e - t e c k n a t av att det även innefattar ett inmat- ningsorgan (9) kopplat till beräkningsorganet för inmatning av värden som ger information om åtminstone något av filterfunktionens toppvärde, toppvärdets spatialfrekvens, filterfunktionen för spatialfrekvenser under toppvärdets spatialfrekvens, eller filterfunktionen för spatialfrekvenser över toppvärdets spatialfrekvens, varvid inmatningsorganet är kopplat till beräknings- organet och de inmatade värdena används av beräknings- organet för tillhandahållande av filterfunktionen. »«.«ø 10 15 20 25 30 35 . . . , . . 515 676 ll

3. Mikroskop enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n - n e t e c k n a t av att det även innefattar ett andra beräkningsorgan (25), vilket är kopplat till bildsensorn och det första beräkningsorganet, och vilket är anordnat att Fouriertransformera den registrerade bilden, att bestämma en gränsfrekvens under vilken huvud- delen av ljusenergin i den transformerade bilden finns, och att förse det första beräkningsorganet med gräns- frekvensen som ett värde på toppvärdets läge.

4. Mikroskop enligt patentkrav 3, k ä n n e - t e c k n a t av att gränsfrekvensen bestäms som den frekvens under-vilken åtminstone 90% av energin i bilden finns.

5. Mikroskop enligt patentkrav 1, 2 eller 3, k ä n- n e t e c k n a t av att sensorelementens spatial- frekvens är åtminstone 1,5 gånger högre, och företrädes- vis åtminstone 2 gånger högre, än den maximala spatial- frekvensen i bilden.

6. Mikroskop enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n - n e t e c k n a t av att sensorelementens spatial- frekvens är åtminstone 1,5 gånger högre, och företrädes- vis àtminstone 2 gånger högre, än gränsfrekvensen.

7. Mikroskop enligt något av föregående patentkrav, k å n n e t e c k n a t av att filterfunktionen (17) är kontinuerlig och strängt växande från nollfrekvens till toppvärdets läge och strängt avtagande mot noll för ökande frekvenser från toppvärdets läge.

8. Mikroskop enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att filterfunktionen utgörs av en faltning av två en-dimensionella filterfunktioner.

9. Mikroskop enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att den filtrerade bilden lagras i ett lagringsorgan (26).

10. Mikroskop enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att det även innefattar en display (8) på vilken den filtrerade bilden visas. 10 15 20 25 30 515 12

11. Mikroskop enligt nàgot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att det första beräknings- organet är anordnat att dela upp den registrerade bilden i färgkomponen- och att tillhandhàlla ett digitalt filter för var och en ter, av färgkomponenterna.

12. Mikroskop enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a th av att det första värdet väsent- ligen är ett.

13. Förfarande för ett mikroskop, k ä n n e - t e c k n a t av stegen (5) som har ett flertal (2) på inbördes avstånd så att en bild av objektet skapas pá att anordna en bildsensor sensorelement (6), optik (4, 10) och ett objekt bildsensorn (5), varvid sensorelementens (6) spatial- frekvens är högre än den maximala spatialfrekvensen i bilden, att registrera bilden med bildsensorn (5), att tillhandahålla en tvà-dimensionell filter- funktion, vilken väsentligen har ett första värde vid spatialfrekvensen noll, ett andra värde skilt från noll vid en spatialfrekvens som är högre än bildens maximala spatialfrekvens och ett toppvärde mellan spatialfrek- vensen noll och spatialfrekvensen för det andra värdet, att beräkna ett digitalt filter som motsvarar en tvà-dimensionell invers Fouriertransform av filterfunk- tionen, och att filtrera den registrerade bilden med det digi- tala filtret.