JP2004524576A - 画像焦点調節方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、構成された画像のレーザスポットなどの焦点調節を行うための方法および装置に関する。そのような構成画像の焦点の度合いを判断するための方法が開示され、そのために、画像を複数素子から形成される光電アレイに提供し、画像の位置を判断し、画像の位置に関連する素子の位置に従ってアレイの素子に重みを割り当て、素子における画像強度を判断し、重みとそのときの画像の強度とに基づいて素子に関する値を生成する。加えて、複数の素子の値を合計し、画像の焦点の度合いを示す一つの全体的焦点値を見出す。この値は、最良の焦点を探し、維持するために用いられ、これを実現するための方法についても開示される。開示される方法を実施するために、マイクロプロセッサおよびコントローラを用いた装置が示される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像に対する正しい焦点を判断するため、および／または最良の焦点を探すため、および／または見つけた焦点を維持するための方法および装置に関するものである。特にレーザ光画像のためのものであるが、これに限られるものでもない。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡およびカメラは通常、画像の解析に応じて対物レンズの位置を調整することによって自動的に焦点調節される。画像の焦点は、その強度（intensity）のプロフィールまたは高周波成分（high frequency content）を判断することにより解析される。強度の変化がなだらかであれば焦点が外れた画像を示しており（図２ａ参照）、強度変化が急峻であれば焦点が合った画像を示している（図２ａ参照）。画像に高周波成分がないことも焦点が外れた画像を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の画像解析の方法は、レーザ光画像の焦点の度合いを判断しようと試みるときに満足の行くものではなった。そのような画像はスペックルすなわち回折ノイズを生じ易く、さらにこれが強度の急峻な変化および大きな高周波の光成分を与える（画像が焦点外れとなっていたときですら）からである。従って、上記従来の画像解析技術を用いた場合、焦点が外れたレーザ光画像が焦点の合った画像に見えることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
構成された画像の焦点の度合いを判断するために新たなアプローチを開発した。これは次の各ステップにより特徴づけられる。すなわち、複数の素子から形成された光電アレイ（photosensitive array）に画像を提供するステップ；画像の位置を決定するステップ（例えば画像が立ち下がる（fall）位置の観察または画像の解析による）；画像の位置に関連する素子の位置に従ってアレイの素子に重みを割り当てるステップ；素子における画像強度を判断するステップ；および、重みとそのときの画像の強度とに基づいて素子に関する値を生成するステップである。
【０００５】
好ましくは、さらなるステップ、すなわち複数の素子の値を合計して、画像の焦点の度合いを示す所謂「メリット関数」を生成するステップが用いられる。請求の範囲においては、より明確に定義するために「全体的焦点値（overall focus value）」と称している。
【０００６】
焦点合わせに関連する他の問題は、最良の焦点を探し、例えば熱膨張などに起因して形状が変化し得る装置が使用されているときにもその焦点を維持することである。
【０００７】
焦点探しを行う従来の一方法は、第１の方向において対物レンズを僅かに調節し、上述したような画像強度のプロフィールまたはその高周波成分を測定するものである。オリジナルよりプロフィールがなだらかになれば、または高周波光が少なくなれば、第１の方向とは反対方向において対象の他の調節を行う一方、よりコントラストが強くなれば、または高周波光が多くなれば、第１の方向と同じ方向において他の調節を行う。この方法においては、最適の焦点に向かって反復調節が行われる。
【０００８】
最良の焦点を探し、またはこれを維持する新たなアプローチを開発した。これは次のステップにより特徴づけられる：すなわち、
画像のメリット関数（上記定義したようなもの）を判断するステップ；および
画像の焦点を調節し、メリット関数を再判断するステップ、
である。
【０００９】
一測定から次まででメリット関数が減少していれば、調節方向を反転することができる。メリット関数が増加していれば、同じ方向でさらなる調節を行うことができる。
【００１０】
好ましくは、複数の増加量（increment）で調節を行い（例えば１００ミクロン単位の調節）、複数の増加量の各々について全体的焦点値の再判断を行う。ここで、さらなる複数の増加量についての開始位置が最良の全体的焦点値をもつときの前記増加量で決定されるようにするための付加ステップｉ）を設け、開始位置がさらなる複数の増加量のほぼ中間となるまで、請求の範囲のステップｈ）を反復する。
【００１１】
好ましくは、第１の複数の増加量は、初期の全体的焦点値が決定されたときの焦点に対して両方向（すなわちプラスおよびマイナス方向）にあり、さらなる複数の増加量は、開始位置に対して両方向にある。
【００１２】
あるいは、開始位置が第１の複数の増加量の一端点にあるとき、さらなる複数増加量がその端点の方向にあるようにする。
【００１３】
焦点の維持に関して、複数の増加量で調節を行い、複数の増加量の各々について全体的焦点値の再判断を行う。ここで、さらなる複数の増加量についての開始位置が最良の全体的焦点値をもつ２つの前記増加量の間の位置で決定されるようにするための付加ステップｊ）を設け、当該さらなる複数の増加量を開始位置のいずれかの側に用いて、請求の範囲のステップｈ）を反復する。
【００１４】
本発明は、上記方法のための装置を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面を参照して本発明を説明する。
【００１６】
図１を参照するに、対物レンズ１０を矢印Ｆの方向に移動させる自動焦点調節装置を有する顕微鏡が示されている。サンプルＳの画像は電荷結合素子（ＣＣＤ）１２上に結像される。公知の焦点調節機構はコントローラ１４の制御下にあり、後述のようにして作動する。ＣＣＤ１２からの画像はプロセッサ２０により解析および処理され、信号がコントローラ１４に送られて、初期における顕微鏡の焦点調節または顕微鏡使用時の焦点維持が行われる。
【００１７】
顕微鏡の使用は本発明の応用例の一つを示すに過ぎないことが理解されよう。いかなる装置の焦点調節も本発明方法を用いて行うことができる。
【００１８】
図２ａおよび図２ｂは画像焦点を決定する従来方法を示す。画像を通るラインが解析され、その画像強度が測定される。先に述べたように、ラインに沿った画像強度の変化がなだらかであれば焦点が外れた画像を示し（図２ａ）、画像強度が不連続であれば焦点が合った画像を示す（図２ｂ）。
【００１９】
焦点がずれたレーザスポット画像１６が図３に示されている。先に説明したように、そのスポットの焦点が合っていなかった場合であっても、回折スペックル２４は存在する。図にはＣＣＤ１２の一部分が示されている。その部分はいくつかの行および列の画素１８を有している（図では明確化のために大きく拡大して示している）。画像の位置は、例えば観察によって予めを知ることができる。あるいは、画像の解析、すなわちＣＣＤの出力を用いて高強度の光の比較的大きい領域を発見することによって、画像の位置を決定することができる。スポットの位置が決定されれば、焦点の度合いもまた決定できる。
【００２０】
焦点の度合いはまず各画素または画素群に重みを割り当てることで判断できる。重みはスポット画像中央位置までの当該画素（または画素群）の距離に従うものとなる。図３においては値２２が重みを示している。よって、ＣＣＤアレイ１２の中央画素３０は０．０１の重みをもち、その中央画素を囲む８画素は０．１の重みをもち、中央部９画素を囲む１６画素は１の重みをもち、それらを囲む画素は１０の重みをもつ。左側のアレイ内に与えられた値は各画素の光強度である（数のないもの＝強度ゼロ）。図３の右側の合計テーブルは同じ画像についての同じＣＣＤアレイ１２を表しているが、そのテーブル内の値は各画素について光強度を重みの値で除したものを表している。
【００２１】
右側のアレイの下の数値はアレイの各列の合計であり、総計がその右側に示されている。この総計は、本説明においては「メリット関数」として参照され、請求の範囲においては「全体的焦点値」とされる。
【００２２】
同じＣＣＤアレイが図４に示されているが、ここでは焦点の合った画像２６が図示されている。重み付けの値は同じであるが、焦点の合った画像の強度は焦点の合った領域で強調され、従って焦点の合った領域では、重みで除した画像強度の値が増加している一方、回折スペックル領域では、重み付けが低減される（除数が大きくなる）のでメリット関数の全体値に与える影響は僅かである。焦点の合った画像は、焦点のずれた画像より大きなメリット関数を与えることが理解されよう。
【００２３】
図５は画像の焦点の度合いに対するメリット関数の典型的なプロットである。自動焦点維持を提供するためにこのプロットを用いることができる。メリット関数は、焦点維持または探索のために、「良好な焦点（quality of focus）」を示す単一の入力値として用いることができる。
【００２４】
そのような方法は、焦点の調節と、最適な焦点を過ぎてから焦点合わせの調節方向を反転させることで最適な焦点に戻す処理とを含む。
【００２５】
この技術のために、焦点の測定量を提供すべくメリット関数を用い得ることに気付くであろう。
【００２６】
他の技術は二等分法（bisecting method）である。それにより３程度の画像品質が決定され、最低品質のものは無視される。焦点は最良の値の方向において、または最適な焦点に到達するまで最良の２値間の位置に向けて、調節される。この方法のためにも、画像品質の指示を提供すべくメリット関数を用いることができる。
【００２７】
そのほか、方法は、ランダムな方向における焦点の調節、メリット関数の測定、メリット関数が改善された場合の同じ方向における再移動、メリット関数が悪くなった場合の反対方向への移動を含む。これは単純であるが手堅いアルゴリズムであり、図５に示したメリット関数の上り勾配を徐々に辿ることになる。
【００２８】
ここに述べた方法には多くの変更または変形が可能であることは、当業者であれば明らかであろう。請求の範囲では上述した焦点探しおよび維持の方法が定義されている。
【００２９】
本発明を説明するためにレーザ光のスポットを用いたが、コヒーレントなレーザ光であることは必須ではなく、非コヒーレント光、例えば集束した白色光のスポットであってもよい。画像が構成されるもの、ないしは所定の形状をもつものであれば、画像はいかなる形状であってもよく、例えば１ラインの光であってもよい（その場合にはラインの中心からの距離が様々な画素に重み付けを行うための基礎となり得る）。
【００３０】
図３および図４においては、画素１８の数が少ない場合を例示したが、実際は大きな画素アレイが用いられ得るものであり、またそれゆえにより多くの重み付けの数を用いることができる。
【００３１】
本発明は、上述し、かつ請求の範囲に記載した方法を実施するための装置に及ぶものである。その装置は図１に示され、請求の範囲に記載した方法の各ステップに対応したフローチャートは図６に示されている。フローチャートの各ステップは図１に示したマイクロプロセッサおよびコントローラによって実行される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明方法のための代表的な装置を示す。
【図２ａ】公知技術で測定される典型的な画像強度のプロフィールを示す。
【図２ｂ】公知技術で測定される典型的な画像強度のプロフィールを示す。
【図３】光電アレイおよびメリット関数テーブルを示し、両者は焦点スポットが外れた状態で用いられるときの本発明方法を例示している。
【図４】図３に示されたものと同じ光電アレイおよびメリット関数テーブルを示しているが、この図では焦点の合ったスポットが例示されている。
【図５】画像が焦点位置に対して移動および外れるときのメリット関数の典型的なプロットを示す。
【図６】本明細書で説明する焦点調節方法のフローチャートを示す。

Claims (9)

1. 構成された画像の焦点の度合いを判断する方法であって、
   ａ）複数の素子から形成された光電アレイに画像を提供するステップ、
   ｂ）画像の位置を判断するステップ、
   ｃ）前記画像の位置に関連する画素の位置に従って前記アレイの素子に重みを割り当てるステップ、
   ｄ）前記素子における画像強度を判断するステップ、
   ｅ）重みとそのときの画像の強度とに基づいて素子に関する値を生成するステップ
   を適切な順序で具備する方法。
2. さらに、
   ｆ）前記複数の素子の値を合計することで前記画像の焦点の度合いを示すための全体的焦点値を生成するステップ
   を具備する請求項１に記載の方法。
3. 最良の焦点を探しまたは焦点を維持するための方法であって、
   ｇ）請求項２に記載の方法を実行することによって画像の初期全体的焦点値を判断するステップ、
   ｈ）画像の焦点を調節し、前記全体的焦点値を再判断するステップ
   を適切な順序で具備する方法。
4. ステップｈ）では複数の増加量で調節を行い、当該複数の増加量の各々で前記全体的焦点値の再判断を実行するとともに、さらなる複数の増加量についての開始位置が最良の全体的焦点値をもつ増加量で決定されるようにするための付加ステップｉ）を設け、前記開始位置が当該さらなる複数増加量のほぼ中間となるまで、ステップｈ）を反復する、請求項３に記載の焦点探し方法。
5. はじめの前記複数の増加量は、初期全体的焦点値を判断したときの焦点に対して両方向すなわちプラスおよびマイナス方向にあり、前記さらなる複数の増加量は、前記開始位置に対して両方向にある、請求項４に記載の焦点探し方法。
6. ステップｈ）では、前記開始位置が前記はじめの複数増加量の一端点にあるときには前記さらなる複数の増加量が当該端点の方向にあるようにする、請求項４に記載の焦点探し方法。
7. ステップｈ）では複数の増加量で調節を行い、当該複数の増加量の各々で前記全体的焦点値の再判断を実行するとともに、さらなる複数増加量についての開始位置が最良の全体的焦点値をもつ２つの前記増加量の間の位置で決定されるようにするための付加ステップｊ）を設け、さらなる複数増加量を開始位置のいずれかの側に用いて、ステップｈ）を反復する、請求項３に記載の焦点維持方法。
8. 構成された画像の焦点の度合いを判断するための装置であって、
   画像を提供する手段、
   複数の素子から形成された光電アレイ、
   画像位置の決定手段、
   前記画像の位置に関連する画素の位置に従って前記アレイの素子に重みを割り当てる手段、
   ｄ）前記素子における画像強度を判断する手段、および
   ｅ）重みとそのときの画像の強度とに基づいて素子に関する値を生成する手段、
   を具えた装置。
9. 前記複数の素子の値を合計して、前記画像の焦点の度合いを示す全体的焦点値を生成する手段をさらに具えた請求項８に記載の装置。

Images