WO1996023240A1 - Process and device for imaging an object - Google Patents

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WO1996023240A1
WO1996023240A1 PCT/EP1996/000166 EP9600166W WO9623240A1 WO 1996023240 A1 WO1996023240 A1 WO 1996023240A1 EP 9600166 W EP9600166 W EP 9600166W WO 9623240 A1 WO9623240 A1 WO 9623240A1
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WO
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image
contrasts
image areas
areas
planes
Prior art date
Application number
PCT/EP1996/000166
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Torsten Scheuermann
Peter Eyerer
Peter Elsner
Adam Geissler
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Priority to JP8522591A priority patent/JPH10513287A/en
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/36—Systems for automatic generation of focusing signals using image sharpness techniques, e.g. image processing techniques for generating autofocus signals

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for picking up an object.
  • Optical confocal scanning microscopy is also used for height profile measurement.
  • the laser beam focused on one level scans the object surface point by point and level by level. Only where the object surface coincides with the focus of the laser beam is the light spot imaged on a sensor using special optics and a spatial filter. This emits a corresponding electrical signal. From these signals a height profile and an overall sharp image of the surface are generated. Because of the monochromatic Character of the laser beam, the method does not allow color differentiation.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for, in particular, microscopic viewing of objects, which are simple and enable a color viewing of objects and provide in-depth images of the objects in a suitable form for further electronic processing, in particular also for viewing put.
  • the stated object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that a structure is projected onto the object, in that the object is recorded in several planes (sharpness planes) perpendicular to the direction of observation, and that the contrast of adjacent image areas is determined for each plane, that the contrasts of corresponding image areas of different levels are compared with one another, image areas of maximum contrasts are selected from the different levels and at least these are made available as a maximum contrast image for further processing.
  • the invention provides in particular that the object is recorded in each of the planes with and without a projected structure, that these image areas have maximum contrasts in accordance with the image areas determined from the recordings of the object with the projected structure selected from the associated images of the corresponding plane without a projected structure and an image composed of these selected image areas (depth-of-field image) is made available for viewing and further processing.
  • a device according to the invention is characterized in order to achieve the stated object by a device for imaging a structure on the object, a device for defocusing the structure or the image, in particular by changing the relative position of the
  • a recording device for taking pictures of the object in different planes (sharp planes) and a device for determining contrasts of neighboring picture areas of each plane, for comparing the contrasts of corresponding picture areas of different planes and selecting picture areas of maximum contrasts as well to make available an image composed of these image areas of maximum contrast for further processing or viewing.
  • the method according to the invention is a method for projecting a texture which enables the determination of the sharpness and topography measurement of smooth surfaces by means of lateral contrast determination and axial contrast value comparison.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are used in particular to record non-planar surfaces of microscopic, but also macroscopic objects (incident light method). But they can also be used in transmitted light to record several levels of a transparent object.
  • An essential advantage of the invention lies in the possibility determining the height profile, especially of opaque objects.
  • the structure projected onto the object or its surface should be one that contrasts with the surface.
  • the structure to be projected will have a higher spatial frequency than the structure of the surface of the object itself, but a smaller one than that given by the periodicity of the recording sensor.
  • Different structures to be projected come into consideration here, such as frequency patterns, speckle patterns, stripe patterns, grids, in particular also static grids (dither) to avoid interference.
  • Illumination before taking the pictures - with or without projecting a structure - can take place in the case of fluorescent or phosphorescent objects (if appropriate prepared accordingly), so that the fluorescence or phosphorescence of the object is recorded.
  • the recording is usually done using a conventional video camera.
  • the device can be one that contrasts with the surface.
  • the structure to be projected will have a higher spatial frequency than the structure of the surface of the object itself, but a smaller one than that given by the periodicity of the recording sensor.
  • Different structures to be projected come into consideration here, such as frequency patterns, speckle patterns, stripe
  • recordings are made in at least twenty different focal planes and compared with one another, or that a device is provided for adjusting the object to be examined in the direction of observation on at least twenty different planes.
  • This is the preferred way to defocus or adjust different focal planes.
  • the defocusing can also be done by adjusting the lens and, if necessary, the entire image recording device. If a lens in front of a semi-transparent mirror If the illumination beam path and a lens are arranged in the recording beam path after the entire mirror, then this or the lighting or recording unit can also be adjusted separately for focus adjustment. The same applies if the lens is illuminated and recorded directly without the interposition of a semi-transparent mirror.
  • the focal planes of the illumination optics and / or the recording optics can be changed.
  • Extremely preferred further developments of the invention provide that the recorded images are digitized and that the contrasts of the image areas of the initially recorded level are compared with the contrasts of the corresponding image areas of the subsequently recorded level and the greater contrast is selected and then selected the contrasts obtained in this way are compared with the contrasts of the corresponding image areas of the respectively subsequently recorded plane, it also being possible to assign a height value characterizing the associated recording plane to the selected contrasts of the corresponding areas.
  • the invention provides in a further development that median filtering is carried out.
  • sharp portions for the left stereo image above the base plane are shifted to the left and for a right stereo image above the base plane to the right, specifically higher-lying sharp areas further to the left or further to the right.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are used in the context of light microscopy. They are suitable for both with a high depth of field. The resulting, in particular microscopic, imaging of objects when taking pictures with a shallow depth of field as well as for height profile measurement, not only for diffusely reflecting objects, but also for in particular transparent objects with a glossy surface. The method and device are also suitable for obtaining transmitted light recordings with a high depth of field of the inner structures of transparent objects.
  • a commercially available light microscope can be used, which is provided with a video camera on the tube.
  • the method and device according to the invention have significant advantages. In this way, a sharply defined representation of rough and uneven surfaces in microscopic material examinations or a sharply defined representation of transmitted light preparations in biological, medical or material science microscopic examinations is achieved in a simple manner. Due to the invention, roughness or manufacturing tolerances can occur
  • Components are measured; the quantitative assessment of the effects of corrosion on surfaces is also possible.
  • the invention not only are black and white images to be taken, but also color image processing with color differentiation can be carried out on images with sharp depths. This can be of particular interest when evaluating microscopic images with polarized light or for distinguishing speci? Cally colored specimen zones.
  • the invention is used in particular to record microscopic objects, the performance with regard to the axial resolution being disproportionately important the aperture used increases because the depth of field then decreases.
  • the invention can be used not only with transparent objects and with reflecting surfaces reflecting the incoming light, but in particular also with glossy, ie smooth, surfaces.
  • the pupil is larger than the area depicted on the object.
  • the object is illuminated by the microscope objective. Light rays that do not lie on the optical axis, but rather illuminate the edge of the depicted area, can nevertheless get back into the objective pill (reflection microscopy).
  • a "glossy" surface is an almost smooth surface that either reflects back 100% (metallic) or some of the incident light in a directed manner (angle of incidence equals angle of reflection). In the case of glossy object planes, the normal angle of which is greater than the opening angle (aperture angle), no light can return to the objective. These areas are shown in dark or black. If the surface is rough, the light is reflected diffusely, ie an incident light beam splits up and is reflected back in several spatial directions. There are mixed forms between these extremes. Diffusely reflecting surfaces can still reflect light in the direction of the lens pupil even with a large inclination.
  • the projection of contrasting patterns works with shiny surfaces as well as with diffuse reflecting ones.
  • the object is, for example, a semiconductor structure with a substrate made of silicon and a transparent insulation layer, which is the case with light sensors, the layer thickness of the insulation layer can be determined if the boundary layer between air and insulation layer is shiny. Then only part of the light is reflected by this boundary layer and the rest penetrates unhindered through the insulation layer onto the boundary layer to the silicon, where it is then also reflected.
  • a local contrast maximum can be detected with the method according to the invention in the respective focal planes, because the projected pattern is imaged both on the upper and on the lower boundary layer. If the upper boundary layer (air insulation) were diffusely reflective, then the light would not be able to take the path through the transparent layer that is necessary for imaging. One would only have a contrast maximum whose position would correspond to the upper boundary layer.
  • An invariant illumination depending on the magnification of the objective is achieved by projecting and imaging with one and the same objective.
  • the accuracy of the measurements basically depends on the accuracy of the focusing device (for example the object table).
  • a "new", interpolated position of the contrast maxima is preferably calculated from the detected contrast maxi a and the contrast values from the preceding and following layers by means of parabolic interpolation.
  • the measured topography of the surface is not quantized by the distances between the recorded focus layers, but also allows intermediate values. This allows a reduction in the number of layers and one
  • the layer spacings are matched to the projection grid used, the camera sensor and the microscope objective.
  • the result values of the digital filtering carried out which determines the contrast, have no binary character.
  • a glossy, flat object the surface points of which are all of the same height (relative to the focal plane of the microscope objective), and which is illuminated with a statistical grid in order to obtain an "artificial" texture, laterally different when properly focused Have contrasts.
  • the contrast values When defocusing, the contrast values will also differ laterally, but will be lower relative to the corresponding contrast values from the focused plane. Only the axial comparison of the contrast values provides the correct focus detection.
  • Regular grids can be precisely matched to the camera sensor, e.g. a checkerboard pattern that has the same periodicity of the sensor elements. A precise adjustment is then necessary so that the edges of the checkerboard rectangles are not exactly in the middle of the sensor elements, since the camera would then only see a uniformly gray area.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a sharp image composed of several image planes, including those of FIGS. 3a-d, by the method according to the invention
  • Fig. 5a-c three shots of a glass ball with different levels of focus
  • FIG. 6 shows a sharp image of the image composed of a large number of recordings corresponding to FIGS. 5a-c
  • the device according to the invention has a light source 1.
  • a light source 1 This is usually a source of white light. If necessary, it is also possible to work with monochromatic light.
  • the light source 1 is followed by a collector 2 and an aperture diaphragm 3.
  • a lens 7, for example a tube lens, is arranged downstream of the element 5.
  • a plane glass 8 in the form of a partially transparent mirror is set at an angle of 45 ° to this axis A, which deflects the light from the light source 1 by 90 ° onto a lens 9, which directs the element 4 onto a plane of focus 11 in the area of the surface of the object 6 depicts.
  • the object 6 is arranged on a height-adjustable object table 12 which can be set in the direction of the arrow Z by a drive 13.
  • the drive is controlled by a controller 14.
  • the light reflected from the surface of the object 6 passes through the lens 9 and is received behind the plane glass 8 by a camera 16, specifically through a tube lens 17 along an axis B which is parallel to the direction of movement Z and perpendicular to the plane of focus 11 stands.
  • the camera 16 is in particular a video camera.
  • the recorded images of the individual sharpness levels 11 are brought into digital form in a digitizer 18 (frame grabber).
  • the digitizer 18 is followed by a processing device 19 which, for each set and recorded focus level 11 (for example FIGS. 3a-d), has gray value differences in adjacent image areas of each O 96/23240 _ 13 _
  • the depth-of-field image determined in this way is in digitized form and can be reproduced on the one hand via a monitor 21 according to FIG. 4, and on the other hand can be processed further in a suitable manner.
  • the drive control 14 is connected to the processing device 19, be it that the processing device 19 controls the drive control 14 or be it that the drive control 14 gives the processing device 19 a signal which Sharpness level 11 is currently set and from which sharpness level 11 the individual image just supplied to the processing device originates.
  • the height values of the corresponding image areas can be assigned to the individual image areas of the deeply sharp image or sharp image, that is to say the indication of the plane from which the corresponding image area originates or the indication of the height above an initial plane in the direction of movement Z.
  • the sharp image thus provided with the height profile can then be used to create two stereo images, by shifting the sharp portions to the left for a left stereo image to be created and to the right for a right stereo image to be created, the portions or image regions which originate from higher-lying focus planes or which are at a greater distance from the starting plane by a predetermined amount shift left or right than the lower levels.
  • Monitor 21 are reproduced and viewed through glasses which, with this display frequency, expose the right or left eye to the right or left stereo images that are currently appearing on the monitor; a spatial sharp image is created for the viewer. This approach is particularly preferable for colored pictures.
  • the images can be arranged for a viewer in such a way that each eye of the viewer can only see one of the partial images has, for example, by a partition arranged perpendicular to the forehead of the viewer; this also gives him a spatial impression of the picture.
  • FIG. 2 shows the course of a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the structure 4 is projected onto the surface of the object 6 by the lighting arrangement formed from the parts 1 to 3a (3a converging lens). Areas of the surface of the object 6 lying in the respectively set focal plane 11 and thus also the projected images of the structure 4 which are conspicuous on such areas are seen clearly by the camera 16.
  • a desired focal plane is set.
  • the object 6 is recorded in a first focus plane with and without a projected structure 5.
  • the captured image is digitized via the digitizer 18.
  • a raster image r.image and an original image of the corresponding level k are thus available. If necessary, these images (for all levels) can be stored in the processing device 19 in digital form.
  • a method step 33 the gray value differences of the "neighboring" image areas of the raster image recorded in each case are determined; the contrast image formed corresponds mathematically to a contrast operator of the raster image.
  • the contrast value contrast ⁇ j of each image area (i, j) is compared with an output contrast value (the 0th level, in the flow chart not shown in detail) and the from the respective preceding-level measurements and determinations Kontrast ⁇ resulting maximum contrast value m_kontr j i is compared (step 34). If the current contrast value of the image cell (i, j) is not greater than the existing maximum, the system moves on to the next pixel (to simplify matters, the loops for i, j are not shown separately).
  • the current contrast value is larger, it replaces the previous maximum value Furthermore, its level number k or its height above an output level is assigned to a point z n J of a height image corresponding to the respective image cell (i, j). This therefore contains for all image areas (i, j) the indication of the plane k in which the greatest contrast m_control ⁇ - j was determined. Finally, the image areas of the image are in an in-focus image s ⁇ ⁇ Hild taken über ⁇ structure without projection, was determined for the picture from the grid of the largest contrast (step 35).
  • step 35 i.e. overall in a few seconds - an adjustment or readjustment of the recording or focus plane.
  • step 32 results in a renewed recording of the surface of the object 6 with the focus plane now set according to 31 (via loop 37).
  • digitization takes place and, if necessary, temporary storage.
  • a sharp image s.image results by combining from the images of the different sharp planes stored according to 33 those image areas which have maximum contrasts and which accordingly originate from the focal plane, the associated plane or height information of which come from the focal plane certain maximum contrast was assigned in the manner described.
  • the sharp image s_image therefore only contains depth-sharp image areas from the different levels, i.e. it is composed of the sharp zones of the focus level.
  • a digital sharp image of the object - in the form of a matrix - is made available in step 38 for further processing, which can optionally be reproduced on the monitor 21 (FIG. 4).
  • a height profile can be determined from the height map z n (matrix of the level or height assignment) and, if necessary, also displayed. Furthermore, in the manner described there is a contrast maximum image m_kontr, which assigns each pixel the contrast filter values of the maxima, which are contained in the height image z n as the focus plane number. If necessary, contrast predecessor and successor images can also be generated which assign each image cell the contrast filter values of the predecessor or successor level to the contrast maxima (not shown in detail in FIG. 2). These can be used to determine an interpolated height profile for image areas which cannot be clearly assigned to a height by the contrast determination.
  • the various recordings of a plastic surface according to step 31 for planes selected according to step 34 are shown in FIGS. 3a-d.
  • FIG. 4 shows an overall image that is in-depth defined by steps 34 to 36.
  • 5a-c show corresponding images of a glass ball with a diameter of approx. 600 ⁇ m in the dark field at a height of 0 ⁇ m, 100 ⁇ m and 170 ⁇ m.
  • Fig. 6 shows a created in-depth image.

Abstract

In order to obtain a very sharp image, especially an enlarged image, of an object, a process is proposed in which a structure is projected on the object, the object is imaged in several planes (sharpness planes) perpendicularly to the direction of observation, the contrast between adjacent image regions is determined for each plane, the contrasts of corresponding image regions of various planes are compared, image regions with maximum contrast are selected from different planes and at least these are used as a maximum contrast image for further processing.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Aufnehmen eines Objektes Method and device for picking up an object
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufnehmen eines Objektes.The invention relates to a method and a device for picking up an object.
Es ist bekannt, zur Schärfentiefenerhöhung Objekte mit¬ tels optischer konfokaler Rastermikroskopie zu betrach¬ ten. Dies erfordert eine aufwendige Einrichtung, insbe¬ sondere wenn eine Farbdifferenzierung gewünscht ist, da dann mit mehreren Lasern gearbeitet werden muß. Die optische konfokale Rastermikroskopie wird auch zur Höhen- profilvermessung eingesetzt. Der auf eine Ebene fokus- sierte Laserstrahl tastet Punkt für Punkt und Ebene für Ebene die Objektoberfläche ab. Nur wo die Objektoberflä¬ che mit dem Fokus des Laserstrahls übereinstimmt, wird der Lichtfleck über eine spezielle Optik und einen Raum¬ filter auf einen Sensor abgebildet. Dieser gibt ein entsprechendes elektrisches Signal ab. Aus diesen Signa¬ len wird ein Höhenprofil und eine gesamtscharfe Abbildung der Oberfläche erzeugt. Aufgrund des monochromatischen Charakters des Laserstrahls ermöglicht das Verfahren keine Farbdifferenzierung.It is known to look at objects by means of optical confocal scanning microscopy in order to increase the depth of field. This requires complex equipment, in particular if color differentiation is desired, since it is then necessary to work with several lasers. Optical confocal scanning microscopy is also used for height profile measurement. The laser beam focused on one level scans the object surface point by point and level by level. Only where the object surface coincides with the focus of the laser beam is the light spot imaged on a sensor using special optics and a spatial filter. This emits a corresponding electrical signal. From these signals a height profile and an overall sharp image of the surface are generated. Because of the monochromatic Character of the laser beam, the method does not allow color differentiation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur insbesondere mikroskopischen Betrachtung von Objekten zu schaffen, die einfach sind und eine Farbbetrachtung von Objekten ermöglichen und tiefenscharfe Bilder der Objekte in geeigneter Form zur weiteren elektronischen Verarbeitung, insbesondere auch zur Betrachtung, zur Verfügung stellen.The invention has for its object to provide a method and an apparatus for, in particular, microscopic viewing of objects, which are simple and enable a color viewing of objects and provide in-depth images of the objects in a suitable form for further electronic processing, in particular also for viewing put.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Struktur auf das Objekt projiziert wird, daß das Objekt in mehreren Ebenen (Schärfeebenen) senkrecht zur Beobachtungsrichtung aufgenommen wird, daß für jede Ebene der Kontrast benachbarter Bildbereiche bestimmt wird, daß die Kontraste einander entsprechender Bildbereiche ver¬ schiedener Ebenen miteinander verglichen, Bildbereiche maximaler Kontraste aus den verschiedenen Ebenen ausge¬ wählt und zumindest diese als Kontrastmaximumbild zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Zur direkten Betrachtung eines tiefenscharfen Bildes eines Objekts sieht die Erfindung insbesondere vor, daß das Objekt in jeder der Ebenen mit und ohne aufprojizierte Struktur aufgenommen wird, daß entsprechend den aus den Aufnahmen des Objekts mit aufprojizierter Struktur be¬ stimmten Bildbereichen maximalen Kontraste diese Bildbe¬ reiche aus den zugehörigen Aufnahmen der entsprechenden Ebene ohne aufprojizierte Struktur ausgewählt und ein aus diesen ausgewählten Bildbereichen zusammengesetztes Bild (tiefenscharfes Bild) zur Betrachtung und weiteren Verar¬ beitung zur Verfügung gestellt wird. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Lösung der genannten Aufgabe gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Abbilden einer Struktur auf das Objekt, eine Einrich¬ tung zur Defokussierung der Struktur oder der Abbildung, insbesondere durch Verändern der Relativposition desAccording to the invention, the stated object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that a structure is projected onto the object, in that the object is recorded in several planes (sharpness planes) perpendicular to the direction of observation, and that the contrast of adjacent image areas is determined for each plane, that the contrasts of corresponding image areas of different levels are compared with one another, image areas of maximum contrasts are selected from the different levels and at least these are made available as a maximum contrast image for further processing. For the direct viewing of a deeply sharp image of an object, the invention provides in particular that the object is recorded in each of the planes with and without a projected structure, that these image areas have maximum contrasts in accordance with the image areas determined from the recordings of the object with the projected structure selected from the associated images of the corresponding plane without a projected structure and an image composed of these selected image areas (depth-of-field image) is made available for viewing and further processing. A device according to the invention is characterized in order to achieve the stated object by a device for imaging a structure on the object, a device for defocusing the structure or the image, in particular by changing the relative position of the
Objekts in Aufnahmerichtung, eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen von Bildern des Objekts in verschiedenen Ebenen (Scharfebenen) und eine Einrichtung zum Bestimmen von Konstrasten benachbarter Bildbereiche jeder Ebene, zum Vergleichen der Kontraste einander entsprechender Bildbe¬ reiche verschiedener Ebenen und Auswählen von Bildberei¬ chen maximaler Kontraste sowie zum Zurverfügungstellen eines aus diesen Bildbereichen maximaler Kontraste zusam¬ mengesetzten Bildes zur weiteren Verarbeitung oder Be- trachtung.Object in the recording direction, a recording device for taking pictures of the object in different planes (sharp planes) and a device for determining contrasts of neighboring picture areas of each plane, for comparing the contrasts of corresponding picture areas of different planes and selecting picture areas of maximum contrasts as well to make available an image composed of these image areas of maximum contrast for further processing or viewing.
Wesentlich bei der Erfindung ist der Vergleich der Kon¬ trastwerte aus mehreren Schichten und die Weiterverwen¬ dung der Bildbereiche mit derart bestimmtem maximalem Kontrast.What is essential in the invention is the comparison of the contrast values from several layers and the further use of the image areas with the maximum contrast determined in this way.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Projektion einer Textur, die die Ermittlung der Schärfe und Topografievermessung glatter Oberflächen durch laterale Kontrastermittlung und axialen Kontrast¬ wertvergleich ermöglicht.The method according to the invention is a method for projecting a texture which enables the determination of the sharpness and topography measurement of smooth surfaces by means of lateral contrast determination and axial contrast value comparison.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dienen insbesondere zum Aufnehmen von nicht ebenen Oberflächen von mikroskopischen, aber auch makro¬ skopischen Objekten (Auflichtmethode) . Sie können aber auch im Durchlicht zum Aufnehmen von mehreren Ebenen eines transparenten Objekts eingesetzt werden. Ein we¬ sentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit der Höhenprofilbestimmung insbesondere undurchsichtiger Objekte.The method according to the invention and the device according to the invention are used in particular to record non-planar surfaces of microscopic, but also macroscopic objects (incident light method). But they can also be used in transmitted light to record several levels of a transparent object. An essential advantage of the invention lies in the possibility determining the height profile, especially of opaque objects.
Die auf das Objekt bzw. dessen Oberfläche aufprojizierte Struktur sollte eine solche sein, die zur Oberfläche kontrastiert. Darüber hinaus wird die aufzuprojizierende Struktur eine höhere Ortsfreguenz als die Struktur der Oberfläche des Objekts selbst aufweisen, aber eine klei¬ nere als die durch Periodizität des Aufnahmesensors gegebene. Es kommen hier unterschiedliche aufzuprojizie¬ rende Strukturen in Betracht, so Frequenzmuster, Speckle- muster, Streifenmuster, Raster, insbesondere auch stati¬ stische Raster (Dither) zur Vermeidung von Interferenzen. Eine Beleuchtung vor Durchführung der Aufnahmen - mit oder ohne Projektion einer Struktur - kann bei fluores¬ zierenden oder phosphoreszierenden Objekten (gegebenen¬ falls entsprechend präparierten) erfolgen, so daß die Fluoreszenz bzw. Phosporeszenz des Objekts aufgenommen wird. Die Aufnahme erfolgt in der Regel mittels einer herkömmlichen Videokamera. Die Vorrichtung kann eineThe structure projected onto the object or its surface should be one that contrasts with the surface. In addition, the structure to be projected will have a higher spatial frequency than the structure of the surface of the object itself, but a smaller one than that given by the periodicity of the recording sensor. Different structures to be projected come into consideration here, such as frequency patterns, speckle patterns, stripe patterns, grids, in particular also static grids (dither) to avoid interference. Illumination before taking the pictures - with or without projecting a structure - can take place in the case of fluorescent or phosphorescent objects (if appropriate prepared accordingly), so that the fluorescence or phosphorescence of the object is recorded. The recording is usually done using a conventional video camera. The device can
Einrichtung zur Digitalisierung der aufgenommenen Bilder der Oberfläche des Objekts vorsehen.Provide means for digitizing the recorded images of the surface of the object.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß Auf- nahmen in mindestens zwanzig unterschiedlichen Fokusebe¬ nen vorgenommen und miteinander verglichen werden bzw. daß eine Einrichtung zum Verstellen des zu untersuchenden Objekts in Beobachtungsrichtung auf mindestens zwanzig unterschiedliche Ebenen vorgesehen ist. Dies ist die bevorzugte Weise zur Defokussierung bzw. Einstellung unterschiedlicher Fokusebenen. Die Defokussierung kann aber auch durch Verstellen des Objektivs und gegebenen¬ falls der gesamten Bildaufnahmeeinrichtung erfolgen. Wenn vor einem halbdurchlässigen Spiegel ein Objektiv im Beleuchtungsstrahlengang und nach dem gesamten Spiegel ein Objektiv im Aufnahmestrahlengang angeordnet sind, so können auch diese oder die Beleuchtungs- bzw. Aufnahme- einheit jeweils separat zur FokusdeJustierung verstellt werden. Gleiches gilt, wenn das Objektiv direkt ohne Zwischenschaltung eines halbdurchlässigen Spiegels be¬ leuchtet und aufgenommen wird. Weiterhin können die Fokusebenen der Beleuchtungsoptik und/oder der Aufnahme¬ optik verändert werden. Äußerst bevorzugte Weiterbildun- gen der Erfindung sehen vor, daß die aufgenommenen Bilder digitalisiert werden und daß die Kontraste der Bildberei¬ che der zunächst aufgenommenen Ebene mit den Kontrasten der entsprechenden Bildbereiche der nachfolgend aufgenom¬ menen Ebene verglichen und jeweils der größere Kontrast ausgewählt wird und anschließend die so erhaltenen Kon¬ traste mit den Kontrasten der entsprechenden Bildbereiche der jeweils nachfolgend aufgenommenen Ebene verglichen werden, wobei weiterhin vorgesehen sein kann, daß den ausgewählten Kontrasten der entsprechenden Bereiche ein die zugehörige Aufnahmeebene charakterisierender Höhen¬ wert zugeordnet wird. Darüber hinaus sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, daß eine Medianfilterung durchge¬ führt wird.In a further development of the invention, it is provided that recordings are made in at least twenty different focal planes and compared with one another, or that a device is provided for adjusting the object to be examined in the direction of observation on at least twenty different planes. This is the preferred way to defocus or adjust different focal planes. The defocusing can also be done by adjusting the lens and, if necessary, the entire image recording device. If a lens in front of a semi-transparent mirror If the illumination beam path and a lens are arranged in the recording beam path after the entire mirror, then this or the lighting or recording unit can also be adjusted separately for focus adjustment. The same applies if the lens is illuminated and recorded directly without the interposition of a semi-transparent mirror. Furthermore, the focal planes of the illumination optics and / or the recording optics can be changed. Extremely preferred further developments of the invention provide that the recorded images are digitized and that the contrasts of the image areas of the initially recorded level are compared with the contrasts of the corresponding image areas of the subsequently recorded level and the greater contrast is selected and then selected the contrasts obtained in this way are compared with the contrasts of the corresponding image areas of the respectively subsequently recorded plane, it also being possible to assign a height value characterizing the associated recording plane to the selected contrasts of the corresponding areas. In addition, the invention provides in a further development that median filtering is carried out.
Zur Erzeugung von Stereobildern ist vorgesehen, daß scharfe Anteile für das linke Stereobild oberhalb der Basisebene nach links und für ein rechtes Stereobild oberhalb der Basisebene nach rechts verschoben werden, und zwar jeweils höher liegende scharfe Bereiche weiter nach links bzw. weiter nach rechts.For the generation of stereo images, it is provided that sharp portions for the left stereo image above the base plane are shifted to the left and for a right stereo image above the base plane to the right, specifically higher-lying sharp areas further to the left or further to the right.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden im Rahmen der Lichtmikroskopie einge¬ setzt. Sie eignen sich sowohl zur mit hoher Schärfentiefe erfolgenden, insbesondere mikroskopischen Abbildung von Objekten bei Aufnahmen geringer Schärfentiefe als auch zur Höhenprofilmessung, und zwar nicht nur bei diffus reflektierenden Objekten, sondern auch bei insbesondere transparenten Objekten mit glänzender Oberfläche. Verfah¬ ren und Vorrichtung eignen sich auch zur Erzielung von Durchlicht-Aufnahmen hoher Schärfentiefe der inneren Strukturen von transparenten Objekten.The method according to the invention and the device according to the invention are used in the context of light microscopy. They are suitable for both with a high depth of field The resulting, in particular microscopic, imaging of objects when taking pictures with a shallow depth of field as well as for height profile measurement, not only for diffusely reflecting objects, but also for in particular transparent objects with a glossy surface. The method and device are also suitable for obtaining transmitted light recordings with a high depth of field of the inner structures of transparent objects.
Es kann ein handelsübliches Lichtmikroskop verwendet werden, das mit einer Videokamera am Tubus versehen wird. Gegenüber dem Stand der Technik weisen das erfindungsge¬ mäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentliche Vorteile auf. So wird in einfacher Weise eine gesamtscharfe Darstellung von rauhen und unebenen Ober¬ flächen bei mikroskopischen Materialuntersuchungen bzw. eine gesamtscharfe Darstellung von Durchlichtpräparaten bei biologischen, medizinischen oder werkstoffkundlichen mikroskopischen Untersuchungen erreicht. Durch die Erfin- düng können Rauhigkeiten oder Fertigungstoleranzen anA commercially available light microscope can be used, which is provided with a video camera on the tube. Compared to the prior art, the method and device according to the invention have significant advantages. In this way, a sharply defined representation of rough and uneven surfaces in microscopic material examinations or a sharply defined representation of transmitted light preparations in biological, medical or material science microscopic examinations is achieved in a simple manner. Due to the invention, roughness or manufacturing tolerances can occur
Bauteilen gemessen werden; weiterhin ist die quantitative Beurteilung der Korrosionseinflüsse auf Oberflächen möglich. Mit der Erfindung sind nicht nur Schwarz/Weiß- Aufnahmen vorzunehmen, sondern es kann auch eine Farb- bildverarbeitung mit Farbdifferenzierung an tiefenschar¬ fen Bildern durchgeführt werden. Dies kann insbesondere bei der Auswertung von mikroskopischen Aufnahmen mit polarisiertem Licht oder zur Unterscheidung von spezi¬ fisch gefärbten Präparatzonen von Interesse sein.Components are measured; the quantitative assessment of the effects of corrosion on surfaces is also possible. With the invention, not only are black and white images to be taken, but also color image processing with color differentiation can be carried out on images with sharp depths. This can be of particular interest when evaluating microscopic images with polarized light or for distinguishing speci? Cally colored specimen zones.
Die Erfindung wird insbesondere zur Aufnahme mikroskopi¬ scher Objekte eingesetzt, wobei die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die axiale Auflösung überproportional mit der verwendeten Apertur steigt, da dann die Tiefenschärfe sinkt.The invention is used in particular to record microscopic objects, the performance with regard to the axial resolution being disproportionately important the aperture used increases because the depth of field then decreases.
Die Erfindung kann nicht nur bei transparenten Gegenstän¬ den und bei das eintreffende Licht diffus streuend re¬ flektierenden Oberflächen, sondern insbesondere auch bei glänzenden, also glatten Oberflächen eingesetzt werden.The invention can be used not only with transparent objects and with reflecting surfaces reflecting the incoming light, but in particular also with glossy, ie smooth, surfaces.
Wird eine Mikroskopoptik eingesetzt, die eine vergrößerte Abbildung des Objektes erlaubt, ist die Pupille größer als der abgebildete Bereich auf dem Objekt. Beim Auf¬ lichtmikroskop wird das Objekt durch das Mikroskopobjek¬ tiv beleuchtet. Lichtstrahlen, die nicht auf der opti- sehen Achse liegen, sondern den Rand des abgebildeten Bereichs beleuchten, können trotzdem in die Objektivpu¬ pille zurückgelangen (Reflexionsmikroskopie) .If microscope optics are used that allow an enlarged image of the object, the pupil is larger than the area depicted on the object. In the reflected light microscope, the object is illuminated by the microscope objective. Light rays that do not lie on the optical axis, but rather illuminate the edge of the depicted area, can nevertheless get back into the objective pill (reflection microscopy).
Die Reflexionseigenschaften spielen in der Auflichtmikro- skopie eine große Rolle. Eine "glänzende" Oberfläche ist genau genommen eine nahezu glatte Oberfläche, die entwe¬ der 100 % (metallisch) oder einen Teil des eingefallenen Lichtes gerichtet zurückwirft (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) . Bei glänzenden Objektebenen, deren Normalenwinkel größer als der Öffnungswinkel (Aperturwin¬ kel) ist, kann kein Licht in das Objektiv zurückgelangen. Diese Stellen werden dunkel oder schwarz abgebildet. Ist die Oberfläche rauh, wird das Licht diffus reflektiert, d.h. ein einfallender Lichtstrahl teilt sich auf und wird in mehrere Raumrichtungen zurückgeworfen. Zwischen diesen Extremen gibt es Mischformen. Diffus reflektierende Oberflächen können auch bei großer Neigung noch Licht in Richtung Objektivpupille reflektieren. Die Projektion von kontrastierenden Mustern funktioniert sowohl bei glänzenden Oberflächen als auch bei diffus reflektierenden. Ist das Objekt z.B. eine Halbleiter¬ struktur mit einem Substrat aus Silizium und einer trans- parenten Isolationsschicht, was bei Lichtsensoren der Fall ist, kann die Schichtdicke der Isolationsschicht ermittelt werden, wenn die Grenzschicht zwischen Luft und Isolationsschicht glänzend ist. Dann wird nur ein Teil des Lichtes von dieser Grenzschicht reflektiert und der Rest dringt ungehindert durch die Isolationsschicht auf die Grenzschicht zum Silizium, wo es dann ebenfalls reflektiert wird. In diesem Fall kann mit dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren in den jeweiligen Fokusebenen ein lokales Konstrastmaximum detektiert werden, weil das projizierte Muster sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Grenzschicht abgebildet wird. Wäre die obere Grenzschicht (Luft-Isolation) diffus reflektierend, dann könnte das Licht nicht den für eine Abbildung erforderli¬ chen Weg durch die transparente Schicht nehmen. Man hätte nur ein Konstrastmaximum, dessen Lage der oberen Grenz¬ schicht entspräche.The reflection properties play a major role in incident light microscopy. Strictly speaking, a "glossy" surface is an almost smooth surface that either reflects back 100% (metallic) or some of the incident light in a directed manner (angle of incidence equals angle of reflection). In the case of glossy object planes, the normal angle of which is greater than the opening angle (aperture angle), no light can return to the objective. These areas are shown in dark or black. If the surface is rough, the light is reflected diffusely, ie an incident light beam splits up and is reflected back in several spatial directions. There are mixed forms between these extremes. Diffusely reflecting surfaces can still reflect light in the direction of the lens pupil even with a large inclination. The projection of contrasting patterns works with shiny surfaces as well as with diffuse reflecting ones. If the object is, for example, a semiconductor structure with a substrate made of silicon and a transparent insulation layer, which is the case with light sensors, the layer thickness of the insulation layer can be determined if the boundary layer between air and insulation layer is shiny. Then only part of the light is reflected by this boundary layer and the rest penetrates unhindered through the insulation layer onto the boundary layer to the silicon, where it is then also reflected. In this case, a local contrast maximum can be detected with the method according to the invention in the respective focal planes, because the projected pattern is imaged both on the upper and on the lower boundary layer. If the upper boundary layer (air insulation) were diffusely reflective, then the light would not be able to take the path through the transparent layer that is necessary for imaging. One would only have a contrast maximum whose position would correspond to the upper boundary layer.
Wird im wesentlichen der mikroskopische Aufbau eines Auflichtmikroskopes verwendet, läßt sich leicht eine axiale Objektbewegung durch den Objekttisch bewerkstelli¬ gen. Dies gewährleistet eine einfache Berechnung der Topografie, da keine Umrechnung der Koordinaten für eine Parallelprojektion (Fluchtpunkt im Unendlichen) erfolgen muß.If essentially the microscopic construction of a reflected light microscope is used, an axial object movement can easily be accomplished through the object table. This ensures a simple calculation of the topography, since the coordinates for a parallel projection (vanishing point at infinity) need not be converted.
Eine invariante Beleuchtung in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Objektives erreicht man durch die Pro¬ jektion und Abbildung mit ein und demselben Objektiv. Die Genauigkeit der Messungen hängt grundsätzlich von der Genauigkeit der Fokussiereinrichtung (z.B. der Objekt¬ tisch) ab. In bevorzugter Weise wird aus den detektierten Kontrastmaxi a und den Kontrastwerten aus der Vorgänger- und Nachfolgerschicht mittels Parabelinterpolation eine "neue", interpolierte Lage der Konstrastmaxima errechnet. Die vermessene Topografie der Oberfläche ist dabei nicht durch die Abstände der aufgenommenen Fokusschichten quantisiert, sondern erlaubt auch Zwischenwerte. Dies erlaubt eine Reduzierung der Schichtanzahl und eineAn invariant illumination depending on the magnification of the objective is achieved by projecting and imaging with one and the same objective. The accuracy of the measurements basically depends on the accuracy of the focusing device (for example the object table). A "new", interpolated position of the contrast maxima is preferably calculated from the detected contrast maxi a and the contrast values from the preceding and following layers by means of parabolic interpolation. The measured topography of the surface is not quantized by the distances between the recorded focus layers, but also allows intermediate values. This allows a reduction in the number of layers and one
Erhöhung der axialen Auflösung. Die Schichtabstände sind dabei auf das verwendete Projektionsraster, den Kamera¬ sensor und das Mikroskopobjektiv abgestimmt.Increasing the axial resolution. The layer spacings are matched to the projection grid used, the camera sensor and the microscope objective.
Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen haben die Ergebniswer¬ te der durchgeführten digitalen Filterung, die den Kon¬ trast ermittelt, keinen binären Charakter. Zum Beispiel wird ein glänzendes, ebenes Objekt, dessen Oberflächen¬ punkte alle gleich hoch sind (relativ zur Fokusebene des Mikroskopobjektives) , und das mit einem statistischen Raster beleuchtet wird, um eine "künstliche" Textur zu erhalten, bei richtiger Fokussierung lateral unterschied¬ liche Kontraste aufweisen. Bei Defokussierung werden die Kontrastwerte lateral sich ebenfalls unterscheiden, aber relativ zu den entsprechenden Kontrastwerten aus der fokussierten Ebene niedriger sein. Erst der axiale Ver¬ gleich der Kontrastwerte liefert die korrekte Scharfde- tektion. Durch die Verwendung polarisierten Lichtes kann man Unterschiede im Reflexionsgrad ausgleichen oder durch eine besser aufgelöste Digitalisierung (> 8 bit) der Lichtwerte ein besseres Signal-Rauschverhältnis errei¬ chen. Bei Verwendung eines statistischen Rasters ist keine paβgenaue Justierung des Rasters auf die periodisch angeordneten Sensorelemente des Kamerachips notwendig. Das (statistische) Raster sollte nicht zu "große Flecken" relativ zum Ortsfrequenzspektrum des Kamerasensors mit hohen Frequenzanteilen aufweisen, was einer kleinen Ortsfrequenz entspräche. Ein Raster mit zu "kleinen Flecken" wäre für die Kamera nicht mehr sichtbar oder läge jenseits der optischen Grenzfrequenz. Das optimale Ortsfrequenzspektrum für ein statistisches Raster bein¬ haltet also das Spektrum des Kamerasensors.In the procedure according to the invention, the result values of the digital filtering carried out, which determines the contrast, have no binary character. For example, a glossy, flat object, the surface points of which are all of the same height (relative to the focal plane of the microscope objective), and which is illuminated with a statistical grid in order to obtain an "artificial" texture, laterally different when properly focused Have contrasts. When defocusing, the contrast values will also differ laterally, but will be lower relative to the corresponding contrast values from the focused plane. Only the axial comparison of the contrast values provides the correct focus detection. By using polarized light, differences in the degree of reflection can be compensated for or a better signal-to-noise ratio can be achieved by a better-resolved digitization (> 8 bit) of the light values. When using a statistical grid, it is not necessary to adjust the grid precisely to the periodically arranged sensor elements of the camera chip. The (statistical) grid should not have "large spots" relative to the spatial frequency spectrum of the camera sensor with high frequency components, which would correspond to a small spatial frequency. A grid with too "small spots" would no longer be visible to the camera or would be beyond the optical cutoff frequency. The optimum spatial frequency spectrum for a statistical grid therefore contains the spectrum of the camera sensor.
Regelmäßige Raster können genau auf den Kamerasensor abgestimmt werden, z.B. ein Schachbrettmuster, das die gleiche Periodizität der Sensorelemente hat. Es ist dann eine genaue Justierung erforderlich, damit die Ränder der Schachbrettrechtecke nicht genau in der Mitte der Sensor¬ elemente liegen, da dann die Kamera nur eine gleichmäßig graue Fläche sehen würde.Regular grids can be precisely matched to the camera sensor, e.g. a checkerboard pattern that has the same periodicity of the sensor elements. A precise adjustment is then necessary so that the edges of the checkerboard rectangles are not exactly in the middle of the sensor elements, since the camera would then only see a uniformly gray area.
Unperiodische Rauhigkeiten überlagern sich zum einen mit dem projizierten statistischen Muster, was aber keinen Nachteil für die Scharfdetektion bedeutet. Zum anderen kann bei schrägen Oberflächen durch die Rauhigkeit doch noch Licht in das Mikroskopobjektiv gelangen, obwohl der Normalenwinkel den Aperturwinkel übersteigt. Je nach Grobheit der Rauhigkeit kann allein diese schon zur Scharfdetektion herangezogen werden. In diesem Sinne beeinflußt die Rauhigkeit die Kontrastermittlung bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen sogar positiv.On the one hand, unperiodic roughness overlaps with the projected statistical pattern, but this does not mean any disadvantage for the focus detection. On the other hand, with inclined surfaces, light can still enter the microscope objective due to the roughness, even though the normal angle exceeds the aperture angle. Depending on the coarseness of the roughness, this alone can be used for sharp detection. In this sense, the roughness even has a positive effect on the contrast determination in the procedure according to the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei- bung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:Further advantages and features of the invention result from the claims and from the following description. Exercise in which an embodiment of the invention is explained in detail with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;Fig. 1 is a schematic representation of the device according to the invention;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zum erfindungs¬ gemäßen Verfahren;2 shows a flowchart for the method according to the invention;
Fig. 3a-d entsprechend dem erfindungsgemäßen3a-d according to the invention
Verfahren aufgenommene Ebenen; eine KunststoffOberfläche;Process recorded levels; a plastic surface;
Fig. 4 ein aus mehreren Bildebenen, unter anderem denen der Fig. 3a-d, durch das erfindungsgemäße Verfahren zusam¬ mengesetztes tiefenscharfes Bild;FIG. 4 shows a sharp image composed of several image planes, including those of FIGS. 3a-d, by the method according to the invention;
Fig. 5a-c drei Aufnahmen einer Glaskugel mit verschiedenen Schärfenebenen; undFig. 5a-c three shots of a glass ball with different levels of focus; and
Fig. 6 ein aus einer Vielzahl von Aufnahmen entsprechend Fig. 5a-c zusammenge- setztes tiefenscharfes Bild derFIG. 6 shows a sharp image of the image composed of a large number of recordings corresponding to FIGS. 5a-c
Kugel.Bullet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eine Lichtquelle 1 auf. Hierbei handelt es sich in der Regel um eine Quelle weißen Lichts. Gegebenenfalls kann auch mit monochromati¬ schem Licht gearbeitet werden. Der Lichtquelle 1 sind ein Kollektor 2 und eine Aperturblende 3 nachgeordnet. Dieser folgt eine Linse 4 und hier ein Strukturelement 5, bei- spielsweise in Form eines mit einem Raster versehenen Diapositivs zur Projektion einer Struktur auf das zu untersuchende Objekt 6, wie ein biologisches Präparat, eine MikroStruktur, einen Halbleiter oder dergleichen.In the embodiment shown in FIG. 1, the device according to the invention has a light source 1. This is usually a source of white light. If necessary, it is also possible to work with monochromatic light. The light source 1 is followed by a collector 2 and an aperture diaphragm 3. This is followed by a lens 4 and here a structural element 5, with for example in the form of a slide provided with a grid for projecting a structure onto the object 6 to be examined, such as a biological preparation, a microstructure, a semiconductor or the like.
Dem Element 5 ist eine Linse 7, beispielsweise eine Tubuslinse, nachgeordnet.A lens 7, for example a tube lens, is arranged downstream of the element 5.
Die vorstehenden Elemente sind auf einer Achse A angeord- net. Unter einem Winkel von 45° zu dieser Achse A ist ein Planglas 8 in Form eines teiltransparenten Spiegels angestellt, welches das Licht der Lichtquelle 1 um 90° auf ein Objektiv 9 umlenkt, welches das Element 4 auf eine Schärfenebene 11 im Bereich der Oberfläche des Objekts 6 abbildet.The above elements are arranged on an axis A. A plane glass 8 in the form of a partially transparent mirror is set at an angle of 45 ° to this axis A, which deflects the light from the light source 1 by 90 ° onto a lens 9, which directs the element 4 onto a plane of focus 11 in the area of the surface of the object 6 depicts.
Das Objekt 6 ist auf einem höhenverstellbaren Objekttisch 12 angeordnet, der in Richtung des Pfeiles Z durch einen Antrieb 13 gestellt werden kann. Der Antrieb wird durch eine Steuerung 14 angesteuert.The object 6 is arranged on a height-adjustable object table 12 which can be set in the direction of the arrow Z by a drive 13. The drive is controlled by a controller 14.
Das von der Oberfläche des Objekts 6 reflektierte Licht tritt wiederum durch das Objektiv 9 und wird hinter dem Planglas 8 von einer Kamera 16 empfangen, und zwar durch eine Tubuslinse 17 hindurch entlang einer Achse B, die parallel zur Bewegungsrichtung Z und senkrecht zur Schär- feebene 11 steht. Bei der Kamera 16 handelt es sich insbesondere um eine Videokamera. Die aufgenommenen Bilder der einzelnen Schärfeebenen 11 werden in einem Digitalisierer 18 (Framegrabber) in digitale Form ge¬ bracht. Dem Digitalisierer 18 schließt sich eine Verar¬ beitungseinrichtung 19 an, die für jede eingestellte und aufgenommene Schärfeebene 11 (beispielsweise Fig. 3a-d) Grauwertdifferenzen benachbarter Bildbereiche jeder O 96/23240 _ 13 _The light reflected from the surface of the object 6 in turn passes through the lens 9 and is received behind the plane glass 8 by a camera 16, specifically through a tube lens 17 along an axis B which is parallel to the direction of movement Z and perpendicular to the plane of focus 11 stands. The camera 16 is in particular a video camera. The recorded images of the individual sharpness levels 11 are brought into digital form in a digitizer 18 (frame grabber). The digitizer 18 is followed by a processing device 19 which, for each set and recorded focus level 11 (for example FIGS. 3a-d), has gray value differences in adjacent image areas of each O 96/23240 _ 13 _
dieser Ebenen bestimmt und die Grauwertdifferenzen einan¬ der entsprechender Bildbereiche verschiedener aufgenomme¬ ner Schärfeebenen miteinander vergleicht sowie jeweils den Bildbereich maximaler Grauwertdifferenz auswählt, d.h. den Bildbereich derjenigen aufgenommenen Schärfen¬ ebene 11 auswählt, der gegenüber den entsprechenden Bildbereichen der anderen aufgenommenen Schärfeebenen die größte Grauwertdifferenz aufweist, und weiterhin aus diesen Bildbereichen maximaler Grauwertdifferenzen ein tiefenscharfes Bild der Oberfläche des Objekts 6 zusam¬ mensetzt (Fig. 4) .of these levels and compares the gray value differences of corresponding image areas of different recorded levels of sharpness with one another and selects the image area of maximum gray value difference, i.e. selects the image area of the recorded sharpness plane 11 which has the greatest gray value difference compared to the corresponding image areas of the other recorded sharpness planes, and furthermore composes a deeply focused image of the surface of the object 6 from these image areas of maximum gray value differences (FIG. 4).
Das derart bestimmte tiefenscharfe Bild liegt in digita¬ lisierter Form vor und kann einerseits über einen Monitor 21 entsprechend der Fig. 4 wiedergegeben werden, anderer¬ seits in geeigneter Weise weiterverarbeitet werden. Mit der Verarbeitungseinrichtung 19 steht die Antriebs-Steue¬ rung 14 in Verbindung, sei es, daß die Verarbeitungsein¬ richtung 19 die Antriebs-Steuerung 14 ansteuert, sei es, daß die Antriebs-Steuerung 14 der Verarbeitungseinrich¬ tung 19 ein Signal gibt, welche Schärfeebene 11 gerade eingestellt ist und aus welcher Schärfeebene 11 demgemäß das der Verarbeitungseinrichtung gerade zugeführte Ein¬ zelbild stammt.The depth-of-field image determined in this way is in digitized form and can be reproduced on the one hand via a monitor 21 according to FIG. 4, and on the other hand can be processed further in a suitable manner. The drive control 14 is connected to the processing device 19, be it that the processing device 19 controls the drive control 14 or be it that the drive control 14 gives the processing device 19 a signal which Sharpness level 11 is currently set and from which sharpness level 11 the individual image just supplied to the processing device originates.
Den einzelnen Bildbereichen des tiefenscharfen Bildes oder Scharfbildes können die Höhenwerte der entsprechen¬ den Bildbereiche zugeordnet sein, also die Angabe der Ebene, aus der der entsprechende Bildbereich stammt bzw. die Angabe der Höhe über einer Ausgangsebene in Bewe¬ gungsrichtung Z.The height values of the corresponding image areas can be assigned to the individual image areas of the deeply sharp image or sharp image, that is to say the indication of the plane from which the corresponding image area originates or the indication of the height above an initial plane in the direction of movement Z.
Das derart mit dem Höhenprofil versehene Scharfbild kann dann zur Erstellung zweier Stereobilder verwendet werden, indem die scharfen Anteile für ein zu erstellendes linkes Stereobild nach links und für ein zu erstellendes rechtes Stereobild nach rechts verschoben werden, wobei die Anteile oder Bildbereiche, die aus höher liegenden Scharfebenen stammen bzw. einen größeren Abstand zur Ausgangsebene aufweisen, um einen vorgegebenen Betrag weiter nach links bzw. rechts versetzt werden als die tiefer liegenden Ebenen.The sharp image thus provided with the height profile can then be used to create two stereo images, by shifting the sharp portions to the left for a left stereo image to be created and to the right for a right stereo image to be created, the portions or image regions which originate from higher-lying focus planes or which are at a greater distance from the starting plane by a predetermined amount shift left or right than the lower levels.
Diese Bilder können beispielsweise im Wechsel über denThese images can, for example, alternate with the
Monitor 21 wiedergegeben und durch eine Brille betrachtet werden, die mit dieser Wiedergabefrequenz die Sicht des rechten bzw. linken Auges auf die entsprechend auf dem Monitor gerade erscheinenden rechten bzw. linken Stereo- bilder freigibt; für den Betrachter entsteht ein räumli¬ ches Scharfbild. Diese Betrachtungsweise ist insbesondere bei farbigen Bildern vorzuziehen.Monitor 21 are reproduced and viewed through glasses which, with this display frequency, expose the right or left eye to the right or left stereo images that are currently appearing on the monitor; a spatial sharp image is created for the viewer. This approach is particularly preferable for colored pictures.
Es können auch Aufnahmen der beiden Bilder oder Hartko- pien angefertigt werden, wobei die Bilder mit unter¬ schiedlichen Komplementärfarben (rot/grün, blau/rot, blau/grün) eingefärbt und anschließend zu einem Bild überlagert werden, das mit einer Brille, deren Gläser aus vertauschten Komplementärfarbbildern bestehen, so daß das linke und das rechte Bild für den Betrachter wieder getrennt werden, betrachtet wird, so daß jedes Auge das entsprechende Scharfbild zu sehen bekommt. Auch hierdurch hat der Betrachter den Eindruck eines räumlichen Scharf¬ bildes.It is also possible to take pictures of the two images or hard copies, the images being colored with different complementary colors (red / green, blue / red, blue / green) and then overlaid to form an image with glasses whose Glasses consist of interchanged complementary color images so that the left and right images are separated for the viewer again, so that each eye can see the corresponding sharp image. This also gives the viewer the impression of a spatial sharp image.
Schließlich können die Bilder, sei es durch Anzeige auf dem Monitor, sei es in Form von Papierabzügen, für einen Betrachter derart angeordnet werden, daß jedes Auge des Betrachters nur den Blick auf eines der Teilbilder frei hat, beispielsweise durch eine senkrecht der Stirn des Betrachters angeordnete Trennwand; auch hierdurch kann er einen räumlichen Bildeindruck erhalten.Finally, the images, whether by display on the monitor or in the form of paper prints, can be arranged for a viewer in such a way that each eye of the viewer can only see one of the partial images has, for example, by a partition arranged perpendicular to the forehead of the viewer; this also gives him a spatial impression of the picture.
Das Diagramm der Figur 2 zeigt den Ablauf einer bevorzug¬ ten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch die aus den Teilen 1 bis 3a (3a Sammellinse) gebildete Beleuchtungsanordnung wird die Struktur 4 auf die Ober¬ fläche des Objekts 6 projiziert. In der jeweils einge- stellten Scharfebene 11 liegende Bereiche der Oberfläche des Objekts 6 und damit auch die auf solchen Bereichen auffallenden projizierten Bilder der Struktur 4 werden von der Kamera 16 scharf gesehen.The diagram in FIG. 2 shows the course of a preferred embodiment of the method according to the invention. The structure 4 is projected onto the surface of the object 6 by the lighting arrangement formed from the parts 1 to 3a (3a converging lens). Areas of the surface of the object 6 lying in the respectively set focal plane 11 and thus also the projected images of the structure 4 which are conspicuous on such areas are seen clearly by the camera 16.
In einem ersten Schritt 31 wird eine gewünschte Fokusebe¬ ne eingestellt. Dann wird in einem nächsten Schritt 32 eine Aufnahme des Objekts 6 in einer ersten Scharfebene mit und ohne aufprojizierte Struktur 5 vorgenommen. Das aufgenommene Bild wird gegebenenfalls über den Digitali- sierer 18 digitalisiert. Es steht damit ein Rasterbild r.bild und ein Originalbild der entsprechenden Ebene k zur Verfügung. Gegebenenfalls können diese Bilder (für alle Ebenen) in der Verarbeitungseinrichtung 19 in Digi¬ talform gespeichert werden. Der in Fig. 2 dargestellte Ablauf geht allerdings von einer unmittelbaren Verarbei¬ tung (online) der aufgenommenen Bilder jeder Ebene aus.In a first step 31, a desired focal plane is set. Then, in a next step 32, the object 6 is recorded in a first focus plane with and without a projected structure 5. If necessary, the captured image is digitized via the digitizer 18. A raster image r.image and an original image of the corresponding level k are thus available. If necessary, these images (for all levels) can be stored in the processing device 19 in digital form. The sequence shown in FIG. 2, however, assumes immediate processing (online) of the images taken at each level.
Anschließend werden in einem Verfahrensschritt 33 die Grauwertdifferenzen der "benachbarten" Bildbereiche des jeweils aufgenommenen Raster-Bildes bestimmt; das gebil¬ dete Konstrastbild entspricht mathematisch einem Kon¬ trastoperator des Rasterbildes. Der Konstrastwert kontr^j jedes Bildbereichs (i,j) wird mit einem Ausgangskontrastwert (der 0-ten Ebene, im Ablauf-Diagramm nicht im einzelnen dargestellt) bzw. des sich aus den jeweils vorausgegangenen Ebenenmessungen und Kontrast¬ wertbestimmungen ergebenden maximalen Kontrastwerts m_kontrji verglichen (Schritt 34) . Ist der ak- tuelle Konstrastwert der Bildzelle (i,j) nicht größer als der vorhandene maximale, wird zum nächsten Bildpunkt übergegangen (zur Vereinfachung sind die Schleifen für i,j nicht separat dargestellt). Ist der aktuelle Kon¬ trastwert größer, ersetzt er den bisherigen Maximalwert
Figure imgf000018_0001
weiter wird seine Ebenennummer k bzw. seine Höhe über einer Ausgangsebene einem der jeweiligen Bildzelle (i,j) entsprechenden Punkt zn J eines Höhenbildes zugeordnet. Dieses enthält damit also für alle Bildbereiche (i,j) die Angabe der Ebene k, in der der größte Kontrast m_kontr^-j festgestellt wurde. Schließlich werden in ein Scharfbild s^hild^ die Bildbereiche aus dem Bild ohne Strukturprojektion über¬ nommen, für die aus dem Rasterbild der größte Kontrast ermittelt wurde (Schritt 35) .Then, in a method step 33, the gray value differences of the "neighboring" image areas of the raster image recorded in each case are determined; the contrast image formed corresponds mathematically to a contrast operator of the raster image. The contrast value contrast ^ j of each image area (i, j) is compared with an output contrast value (the 0th level, in the flow chart not shown in detail) and the from the respective preceding-level measurements and determinations Kontrast¬ resulting maximum contrast value m_kontr j i is compared (step 34). If the current contrast value of the image cell (i, j) is not greater than the existing maximum, the system moves on to the next pixel (to simplify matters, the loops for i, j are not shown separately). If the current contrast value is larger, it replaces the previous maximum value
Figure imgf000018_0001
Furthermore, its level number k or its height above an output level is assigned to a point z n J of a height image corresponding to the respective image cell (i, j). This therefore contains for all image areas (i, j) the indication of the plane k in which the greatest contrast m_control ^ - j was determined. Finally, the image areas of the image are in an in-focus image s ^ ^ Hild taken über¬ structure without projection, was determined for the picture from the grid of the largest contrast (step 35).
Anschließend erfolgt nach Schritt 35 zügig - d.h. insge¬ samt in wenigen Sekunden - eine Verstellung bzw. erneute Einstellung der Aufnahme- oder Scharfebene.This is followed quickly after step 35 - i.e. overall in a few seconds - an adjustment or readjustment of the recording or focus plane.
Wenn gemäß 36 die Anzahl der gewünschten Aufnahmen, d.h. die letzte einzustellende Fokusebene noch nicht erreicht ist, so wird durch Wiederholung des Schritts 32 eine erneute Aufnahme der Oberfläche des Objekts 6 mit der nun gemäß 31 eingestellten Scharfebene (über Schleife 37) vorgenommen. Auch hier erfolgt wieder eine Digitalisie¬ rung und gegebenenfalls Zwischenspeicherung.If, according to 36, the number of desired shots, i.e. the last focus plane to be set has not yet been reached, repetition of step 32 results in a renewed recording of the surface of the object 6 with the focus plane now set according to 31 (via loop 37). Here, too, digitization takes place and, if necessary, temporary storage.
Diese Schritte werden wiederholt, bis die letzte ge¬ wünschte Fokusebene eingestellt und bei dieser eine Aufnahme entsprechend 32 durchgeführt wurde (Entscheidung gemäß 36 in Fig. 2) .These steps are repeated until the last desired focal plane is set and one at this Recording corresponding to 32 was carried out (decision according to 36 in FIG. 2).
Dies wird so lange fortgesetzt (Schleife 36) , bis die letzte Fokusebene ausgewertet wurde. Es ergibt sich ein Scharfbild s.bild, indem aus den gemäß 33 gespeicher¬ ten Bildern der verschiedenen Scharfebenen diejenigen Bildbereiche zu dem Scharfbild zusammengesetzt werden, die maximale Kontraste aufweisen und die demgemäß jeweils aus der Fokusebene stammen, deren zugehörige Ebenen- bzw. Höheninformation dem in der beschriebenen Weise bestimm¬ ten maximalen Kontrast zugeordnet wurde. Das Scharfbild s_bild enthält also nur tiefenscharfe Bildbereiche aus den verschiedenen Ebenen, setzt sich also aus den scharfen Zonen der Fokusebene zusammen. So wird ein digitales Scharfbild des Objekts - in Form einer Matrix - im Schritt 38 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung ge¬ stellt, das gegebenenfalls über den Monitor 21 wiederge¬ geben werden kann (Fig. 4) . Aus dem Höhenbild zn (Matrix der Ebenen- bzw. HöhenZuordnung) kann ein Höhen¬ profil bestimmt und gegebenenfalls auch angezeigt werden. Weiter ergibt sich in der beschriebenen Weise ein Kon¬ trastmaximumbild m_kontr, das jedem Pixel die Kon¬ trastfilterwerte der Maxima zuordnet, die im Höhenbild zn als Fokusebenennummer enthalten sind. Gegebenen¬ falls können auch noch Kontrastvorgänger- und -nachfol- gerbilder erzeugt werden, die jeder Bildzelle die Kon¬ trastfilterwerte der Vorgänger- bzw. Nachfolgerebene zu den Kontrastmaxima zuordnet (im einzelnen in Fig. 2 nicht aufgenommen) . Diese können zur Bestimmung eines interpo¬ lierten Höhenprofils für Bildbereiche dienen, die durch die Kontrastbestimmung nicht eindeutig einer Höhe zuge¬ ordnet werden können. Die verschiedenen Aufnahmen einer Kunststoffoberfläche gemäß Schritt 31 für gemäß Schritt 34 ausgewählte Ebenen sind in den Figuren 3a-d dargestellt. Ein durch die Schritte 34 bis 36 erstelltes tiefenscharfes Gesamtbild zeigt die Fig. 4.This continues (loop 36) until the last focus level has been evaluated. A sharp image s.image results by combining from the images of the different sharp planes stored according to 33 those image areas which have maximum contrasts and which accordingly originate from the focal plane, the associated plane or height information of which come from the focal plane certain maximum contrast was assigned in the manner described. The sharp image s_image therefore only contains depth-sharp image areas from the different levels, i.e. it is composed of the sharp zones of the focus level. Thus, a digital sharp image of the object - in the form of a matrix - is made available in step 38 for further processing, which can optionally be reproduced on the monitor 21 (FIG. 4). A height profile can be determined from the height map z n (matrix of the level or height assignment) and, if necessary, also displayed. Furthermore, in the manner described there is a contrast maximum image m_kontr, which assigns each pixel the contrast filter values of the maxima, which are contained in the height image z n as the focus plane number. If necessary, contrast predecessor and successor images can also be generated which assign each image cell the contrast filter values of the predecessor or successor level to the contrast maxima (not shown in detail in FIG. 2). These can be used to determine an interpolated height profile for image areas which cannot be clearly assigned to a height by the contrast determination. The various recordings of a plastic surface according to step 31 for planes selected according to step 34 are shown in FIGS. 3a-d. FIG. 4 shows an overall image that is in-depth defined by steps 34 to 36.
Die Fig. 5a-c zeigen entsprechende Aufnahmen einer Glas¬ kugel mit einem Durchmesser von ca. 600 μm im Dunkelfeld bei einer Höhe von 0 μm, 100 μm und 170 μm.5a-c show corresponding images of a glass ball with a diameter of approx. 600 μm in the dark field at a height of 0 μm, 100 μm and 170 μm.
Die Fig. 6 zeigt ein erstelltes tiefenscharfes Bild. Fig. 6 shows a created in-depth image.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Aufnehmen eines Objektes, wobei eine Struktur auf das Objekt projiziert wird und das Objekt in mehreren Ebenen (Schärfeebenen) senkrecht zur Beobachtungsrichtung aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Ebene der Kontrast benachbarter Bildbereiche bestimmt wird, daß die Kontraste einander entsprechender Bildbereiche verschiedener Ebenen miteinander verglichen, Bildbe¬ reiche maximaler Kontraste aus den verschiedenen Ebenen ausgewählt und zumindest diese als Kontrast- maximumbild zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.1. A method for recording an object, wherein a structure is projected onto the object and the object is recorded in several planes (sharpness planes) perpendicular to the direction of observation, characterized in that the contrast of adjacent image areas is determined for each plane, that the contrasts corresponding to each other Image areas of different levels are compared with one another, image areas of maximum contrasts are selected from the different levels and at least these are made available as a maximum contrast image for further processing.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt in jeder der Ebenen mit und ohne aufprojizierte Struktur aufgenommen wird, daß ent¬ sprechend den aus den Aufnahmen des Objekts mit aufprojizierter Struktur bestimmten Bildbereichen maximalen Kontrasts diese Bildbereiche aus den zugehörigen Aufnahmen der entsprechenden Ebene ohne aufprojizierte Struktur ausgewählt und ein aus diesen ausgewählten Bildbereichen zusammengesetztes Bild (tiefenscharfes Bild) zur Betrachtung und weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the object is recorded in each of the planes with and without a projected structure, that accordingly the maximum contrast areas determined from the recordings of the object with the projected structure, these image areas from the associated recordings of the corresponding ones Level without projected structure is selected and an image composed of these selected image areas (depth-of-field image) is made available for viewing and further processing.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß Aufnahmen in mindestens zwanzig unter-3. The method according to claim 1 or 2, characterized gekenn¬ characterized in that recordings in at least twenty sub-
2 schiedlichen Ebenen vorgenommen und miteinander verglichen werden.2 different levels are made and compared.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommenen Bilder digitalisiert werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the recorded images are digitized.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontraste der Bild¬ bereiche der zunächst aufgenommenen Ebene mit den Kontrasten der entsprechenden Bildbereiche der nachfolgend aufgenommenen Ebene verglichen und jeweils der größere Kontrast ausgewählt wird und anschließend die so erhaltenen Kontraste mit den Kontrasten der entsprechenden Bildbereiche der jeweils nachfolgend aufgenommenen Ebene verglichen werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the contrasts of the image areas of the initially recorded level are compared with the contrasts of the corresponding image areas of the subsequently recorded level and the larger contrast is selected and then the contrasts thus obtained with the contrasts of the corresponding image areas of the level recorded below in each case.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den ausgewählten Kon¬ trasten der entsprechenden Bildbereiche ein die zugehörige Aufnahmeebene charakterisierender Höhen- wert zugeordnet wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the selected contrasts of the corresponding image areas are assigned a height value characterizing the associated recording plane.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Medianfilterung durchgeführt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that median filtering is carried out.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß scharfe Anteile für das linke Stereobild oberhalb der Basisebene nach links und für ein rechtes Stereobild oberhalb der Basis¬ ebene nach rechts verschoben werden, und zwar je¬ weils höherliegende scharfe Bereiche weiter nach links bzw. weiter nach rechts.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that sharp portions for the left stereo image above the base plane are shifted to the left and for a right stereo image above the base plane to the right, each higher-lying sharp areas further to the left or further to the right.
9. Vorrichtung zum Aufnehmen eines Objekts, mit einer9. Device for recording an object, with a
Einrichtung (1, 2, 3, 4, 7, 8, 9) zum Abbilden einer Struktur (5) auf das Objekt (6) , mit einer Einrich¬ tung zur Defokussierung der Struktur oder der Abbil¬ dung, insbesondere durch Verändern der Relativposi- tion des Objekts (6) in Aufnahmerichtung (B) , einer Aufnahmeeinrichtung (9, 17, 16) zum Aufnehmen von Bildern des Objekts in verschiedenen Ebenen (Scharf- ebenen) , gekennzeichnet durch Einrichtungen (19) zum Bestimmen von Kontrasten benachbarter Bildbereiche jeder Ebene, zum Vergleichen der Kontraste einander entsprechender Bildbereiche verschiedener Ebenen und Auswählen von Bildbereichen maximaler Kontraste sowie zum Zurverfügungstellen eines aus diesen Bildbereichen maximaler Kontraste zusammengesetzten Bildes zur weiteren Verarbeitung oder Betrachtung.Device (1, 2, 3, 4, 7, 8, 9) for imaging a structure (5) on the object (6), with a device for defocusing the structure or the image, in particular by changing the relative positions - tion of the object (6) in the recording direction (B), a recording device (9, 17, 16) for taking pictures of the object in different planes (focus planes), characterized by devices (19) for determining contrasts of adjacent picture areas each Layer, for comparing the contrasts of corresponding image areas of different levels and selecting image areas of maximum contrasts, and for making available an image composed of these image areas of maximum contrasts for further processing or viewing.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Bildwiedergabeeinrichtung (21) .10. The device according to claim 9, characterized by an image display device (21).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zum Verstellen des Objekts (6) in Beobachtungsrichtung (B) auf mindestens zwanzig unterschiedliche Ebenen. 11. The device according to one of claims 9 to 10, characterized by a device (13) for adjusting the object (6) in the observation direction (B) on at least twenty different levels.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (18) zur Digitalisierung der aufgenommenen Bilder der Oberfläche des Objekts (6) . 12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized by a device (18) for digitizing the recorded images of the surface of the object (6).
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