JP2009109682A - 自動焦点調節装置、および自動焦点調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一度の撮影にて、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を検出できる自動焦点調節装置を提供する。
【解決手段】レンズ１２とカメラ１３からなる撮像部により、被写体とマーカーが配置された撮影領域が撮影されると、マーカー抽出部１４が、その撮影した画像からマーカー領域を抽出し、マーカー画素数カウント部１５が、その抽出したマーカー領域の画素数をカウントする。メモリ１６には、基準面とレンズ１２間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線の情報、およびマーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報が記憶されている。合焦情報検出部１９は、マーカー画素数カウント部１５で算出された画素数とメモリ１６に記憶されている情報を基に、被写体に合焦させるための基準面とレンズ１２間の距離の変化量および変化方向を求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動焦点調節装置、および自動焦点調節方法に関する。

撮影対象物（被写体）に焦点を合わせる従来の技術として、レンズの位置を変化させながら撮影および合焦の判断基準となるコントラスト値の計測（算出）を連続的に行い、コントラスト値が最大となるレンズの位置を見つけ出し、そのレンズの位置を合焦位置として定める技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、このような方法では、レンズの位置を何度も変えながら撮影および計測を繰り返すため、焦点を合わせるまでに時間がかかるという問題があった。そこで従来より、少ないレンズの移動回数・計測回数で高速に合焦を行う技術として、以下で説明する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この従来の自動焦点調節方法は、レーザ加工装置におけるオートフォーカス方法に関するものであり、一旦、被加工部材に対してレンズの位置を変えながら撮影および合焦の判断基準となるコントラスト値の計測（算出）を連続的に行い、その計測したコントラスト値をレンズの位置に対応させてプロットした特性曲線である合焦評価曲線を作成し、その作成した合焦評価曲線を記憶しておく。そして、個々の被加工部材の加工時に、当該被加工部材を撮影した画像からコントラスト値を計測（算出）し、その計測したコントラスト値と予め記憶した合焦評価曲線とを比較して、現在のレンズの位置からコントラスト値が最大となる位置（合焦位置）までの差分量を求め、この差分量が０となるように、レンズの駆動手段を操作してレンズを移動させるというものである。

しかし、この従来の自動焦点調節方法でも、一度の撮影にて、現在のレンズの位置から合焦位置までの差分量、およびレンズを移動させる方向を検出することはできなかった。以下、この問題点について図８を用いて説明する。図８は、従来の自動焦点調節方法に用いる合焦評価曲線を示す。

図８に示すように、従来の合焦評価曲線では、ある測定点で撮影した画像から計測されるコントラスト値に対応するレンズの位置が２点（Ｄ_ａ、Ｄ_ｂ）存在するため、その２点のうちのいずれの位置にレンズが存在するのかを判断するためにレンズの位置を変えて再び撮影および計測を行う必要があった。すなわち、再度、レンズを移動させて撮影およびコントラスト値の計測を行い、コントラスト値が増加すればＤ_ｂ点、逆に減少すればＤ_ａ点であると判断していた。そして、Ｄ_ａ点であれば、Ｄ_ａ点から合焦位置であるＤ_Ｆ点までの差分量Ｚ_ａ、Ｄ_ｂ点であれば、Ｄ_ｂ点からＤ_Ｆ点までの差分量Ｚ_ｂだけレンズを移動させ、焦点を合わせていた。
特開平１１−１６０６１４号公報 特開２０００−９９９１号公報

以上のように、従来は、一度の撮影にて、現在のレンズの位置から合焦位置までの差分量、およびレンズを移動させる方向の両方を求めることはできなかった。そのため、経時変化が激しい被写体を撮影するシステムや、大量の被写体を検査するシステム等、より高速な合焦が求められるシステムには適さなかった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、一度の撮影にて、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を検出でき、高速に焦点調節を行うことができる自動焦点調節装置、および自動焦点調節方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の自動焦点調節装置は、被写体とマーカーが配置された撮影領域を撮影する撮像部と、前記撮影部で撮影した画像からマーカー領域を抽出するマーカー抽出部と、前記マーカー抽出部により抽出したマーカー領域の画素数をカウントするマーカー画素数カウント部と、基準面とレンズ間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線の情報、およびマーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報を予め記憶するメモリと、前記マーカー画素数カウント部で算出した画素数と前記メモリに記憶されている情報とを基に、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を求める合焦情報検出部と、前記合焦情報検出部にて求めた変化量および変化方向を基に、基準面とレンズ間の相対位置を変化させるアクチュエータを駆動するアクチュエータ制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の自動焦点調節装置は、請求項１記載の自動焦点調節装置であって、前記マーカーは、基準面と同一平面上に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の自動焦点調節装置は、請求項１記載の自動焦点調節装置であって、前記マーカーは、基準面とは異なる平面上に配置されており、前記メモリは、さらに、基準面と前記マーカーが存在する平面との高低差の情報を予め記憶していることを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載の自動焦点調節方法は、被写体とマーカーが配置された撮影領域を撮影する撮影ステップと、前記撮影ステップにて撮影した画像からマーカー領域を抽出するマーカー抽出ステップと、前記マーカー抽出ステップにて抽出したマーカー領域の画素数をカウントするマーカー画素数カウントステップと、前記マーカー画素数カウントステップにて算出した画素数、並びにメモリに予め記憶されている基準面とレンズ間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線の情報、およびマーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報を基に、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を求める合焦情報検出ステップと、前記合焦情報検出ステップにて求めた変化量および変化方向を基に、基準面とレンズ間の相対位置を変化させるステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載の自動焦点調節方法は、請求項４記載の自動焦点調節方法であって、前記マーカーは、基準面と同一平面上に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項６記載の自動焦点調節方法は、請求項４記載の自動焦点調節方法であって、前記マーカーは、基準面とは異なる平面上に配置されており、前記合焦情報検出ステップでは、前記マーカー画素数カウントステップにて算出した画素数、並びにメモリに予め記憶されている基準面とレンズ間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線の情報、マーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報、および基準面と前記マーカーが存在する平面との高低差の情報を基に、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を求める、ことを特徴とする。

また、本発明の請求項７記載の自動焦点調節方法は、請求項４ないし６のいずれかに記載の自動焦点調節方法であって、前記合焦評価曲線は、マーカーが配置された撮影領域を、基準面とレンズ間の距離を変化させながら撮影し、各撮影時に得た各画像から各マーカー領域を抽出し、その各マーカー領域の画素数をカウントし、各撮影時における基準面とレンズ間の距離およびマーカー領域の画素数をメモリに記憶することで作成することを特徴とする。

本発明の好ましい形態によれば、基準面とレンズ間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線、およびマーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数をメモリに予め記憶しておき、ある測定点（撮影点）で計測（算出）したマーカー領域の画素数と予め記憶しておいた合焦評価曲線とを比較することで、一度の撮影にて、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を検出でき、高速に焦点調節を行うことができる。

以下に、本発明の自動焦点調節装置、および自動焦点調節方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。本実施の形態では、血液等の検体を検査するための撮像装置に使用される自動焦点調節装置、および自動焦点調節方法を例に説明を行う。

まず、本実施の形態に係る自動焦点調節装置において合焦評価曲線を作成するための構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る自動焦点調節装置において合焦評価曲線を作成するための構成を示す概略ブロック図である。

図１において、自動焦点調節装置は、レンズ１２とカメラ１３から構成される撮像部を備える。ここでは、撮像部においてデジタル画像データが生成されるものとする。

合焦評価曲線の作成時には、撮像部の撮影領域に、検体を表面に載置可能な平面基板、および図示しないマーカーを配置する。本実施の形態では、平面基板の表面（レンズ１２に対向し、検体が載置される平面）が基準面となる。ここでは、平面基板の一例であるスライドガラス１１を配置する場合について説明する。またここでは、スライドガラス１１の表面（レンズ１２に対向し、検体が載置される平面）にマーカーを配置する場合について説明する。なお、スライドガラス１１の表面には、検体が載置されていてもよいし、載置されていなくともよい。

また、自動焦点調節装置は、スライドガラス１１を移動させて、スライドガラス１１の表面（基準面）とレンズ１２間の相対位置を変化させるアクチュエータ１０を備える。

また、自動焦点調節装置は、撮像部で撮影した画像（デジタル画像データ）からマーカー領域を抽出するマーカー抽出部１４と、マーカー抽出部１４によって抽出されたマーカー領域の画素数をカウントするマーカー画素数カウント部１５と、を備える。

また、自動焦点調節装置は、撮影時のスライドガラス１１の表面（基準面）とレンズ１２間の距離、およびマーカー画素数カウント部１５で算出した画素数をメモリ１６に記憶させる機能と、次の撮影点（測定点）へスライドガラス１１を移動させる要求をアクチュエータ制御部１８へ送る機能と、を有する合焦評価曲線作成部１７を備える。

また、自動焦点調節装置は、合焦評価曲線作成部１７からの命令に従ってアクチュエータ１０を駆動して、スライドガラス１１を所望の位置へ移動させるアクチュエータ制御部１８を備える。

図２に、本実施の形態における合焦評価曲線を示す。図２において、横軸は基準面（ここではスライドガラス１１の表面）とレンズ１２間の距離であり、縦軸は合焦評価値である。ここでは、合焦評価値として、デジタル画像中のマーカー領域の画素数を使用する。

基準面−レンズ間距離とマーカー領域の画素数の関係は、基準面とレンズ１２間の距離が増加するにつれて、レンズ１２によってカメラ１３の撮像素子に結像されるマーカーの像の大きさが小さくなるため、マーカー領域の画素数が減少するという特性となる。

よって、マーカー領域の画素数を合焦評価値にした場合の合焦評価曲線は、図２に示すように、基準面とレンズ１２間の距離が増加するにつれて合焦評価値が小さくなる特性となり、図８に示す従来の合焦評価曲線と異なり、基準面−レンズ間距離と合焦評価値は一対一の関係となる。

したがって、予め合焦評価曲線を作成し、その作成した合焦評価曲線を記憶しておけば、ある測定点（撮影点）において算出した合焦評価値に対応する基準面−レンズ間距離が判明する。

以下、本実施の形態に係る自動焦点調節装置において合焦評価曲線を作成するための各構成要素について詳細に説明する。本実施の形態のように血液等の検体を撮像する場合、検体に合焦させると、検体が載置されるスライドガラス１１の表面（基準面）にも合焦する。したがって、マーカーは、スライドガラス１１の表面（基準面）と同一平面上に配置するのが望ましい。このようにマーカーを配置すれば、マーカーに焦点が合うようにスライドガラス１１を移動させることで、被写体である検体に焦点を合わせることができる。

また、マーカーは、マーカー抽出部１４が抽出しやすいように単純な形状であることが望ましい。例えば、マーカーの形が円の場合、スライドガラスが回転しても同様の形状を維持するため、マーカーを検出しやすい。さらに、円形のような単純な形状の場合、非合焦時でもマーカーを認識しやすく合焦評価値として再現性がよい。また、マーカーの色は、輝度値が高い白もしくは輝度値が低い黒であると二値化の際にマーカーを分離しやすい。よって、以下ではマーカーを黒い円として説明するが、マーカーはこれに限定されるものではない。

撮像部は、被写体を結像するレンズ１２と、レンズ１２によって投影された被写体像を二次元のデジタル画像データに変換する撮像素子を備えたカメラ１３とから構成する。撮像素子には、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などを用いる。

マーカー抽出部１４は、撮像部が生成したデジタル画像データを二値化してマーカー領域とマーカー以外の領域に分離することで、マーカー領域を抽出する。マーカー抽出方法について、図３を用いて具体的に説明する。

図３（ａ）はマーカーに合焦しているときの輝度値の分布を表している。また、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、マーカーに合焦していないときの輝度値の分布を表している。図３（ａ）〜図３（ｃ）の各図の上側の黒い円はマーカーを表しており、下側のグラフはマーカーに対して線分ＡＢ、ＣＤ、ＥＦを引いた場合の線分ＡＢ、ＣＤ、ＥＦ上に存在する各画素の輝度値を表している。また、グラフにおけるＳ_ｂはマーカー周辺領域の輝度値、Ｓ_ｍはマーカー領域の輝度値、Ｓ_ｔは二値化の閾値である。

図３（ａ）に示すようにマーカーに合焦したデジタル画像が撮影された場合には、マーカーの像は鮮明であり、マーカーの輪郭部分の輝度曲線（輝度勾配）が急峻であるので、マーカー抽出部１４は、マーカーの輪郭を容易に判定できる。すなわち、ここでは黒いマーカーとしているので、マーカー抽出部１４は、デジタル画像中の輝度値が低い領域を判定することで、デジタル画像中のマーカーが存在する領域を判定することができる。したがって、マーカー領域の輝度値Ｓ_ｍ、マーカー周辺領域の輝度値Ｓ_ｂは、その判定された領域の輝度値と、その判定された領域周辺の領域の輝度値から容易に求めることができる。

これに対して、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すようにマーカーに焦点が合っていないデジタル画像が撮影された場合、マーカーの像は不鮮明であり、マーカーの輪郭部分の輝度曲線が滑らかであるため、マーカーの輪郭の識別が困難となる。

そこで、本実施の形態では、マーカー抽出部１４は、デジタル画像中の輝度値が低い領域、およびその周辺の領域において、図３に示すように、任意に指定した線分上の各画素の輝度値を得、その輝度値の情報から線分上の輝度勾配を求め、輝度勾配が０となる領域の最大輝度値と最小輝度値からＳ_ｂとＳ_ｍを決める。このようにすれば、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すような非合焦時であっても、マーカー領域の輝度値Ｓ_ｍおよびマーカー周辺領域の輝度値Ｓ_ｂを求めることができる。

なお、本実施の形態では、輝度勾配を用いてマーカー周辺領域の輝度値Ｓ_ｂとマーカー領域の輝度値Ｓ_ｍを求める場合について説明したが、これに限らず、例えばデジタル画像の輝度コントラストからマーカー周辺領域の輝度値Ｓ_ｂとマーカー領域の輝度値Ｓ_ｍを求めるなどしてもよい。

マーカー領域の輝度値Ｓ_ｍおよびマーカー周辺領域の輝度値Ｓ_ｂを求めた後、マーカー抽出部１４は、閾値Ｓ_ｔをＳ_ｂとＳ_ｍの中央値と定めて、デジタル画像を二値化する。ここでは、黒いマーカーとしているので、デジタル画像データを閾値Ｓ_ｔによって二値化することで、輝度値が閾値Ｓ_ｔよりも低い領域がマーカー領域として抽出される。

このように閾値Ｓ_ｔをＳ_ｂとＳ_ｍの中央値と定めることで、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すような非合焦時にも、正確にマーカー領域を抽出することができる。すなわち、図３（ａ）に示すようにマーカーに合焦したデジタル画像が撮影された場合、マーカーの輪郭部分の輝度曲線が急峻であるため閾値Ｓ_ｔの値が変化してもマーカーとして抽出する領域に差はでないが、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、マーカーに焦点が合っていないデジタル画像が撮影された場合には、輪郭部分の輝度曲線が滑らかであるため閾値Ｓ_ｔの決め方によりマーカーとして抽出する領域に差が出てしまう。そのため、閾値Ｓ_ｔの決め方が問題となるが、焦点が合わず画像がぼけている場合においても、マーカーの輪郭は輪郭部分の輝度勾配の中央に存在するため、閾値Ｓ_ｔをマーカー周辺領域の輝度値Ｓ_ｂとマーカー領域の輝度値Ｓ_ｍの中央値と定めることで正確にマーカーの領域を抽出できる。

マーカー画素数カウント部１５は、マーカー抽出部１４によって抽出されたマーカー領域の画素数をカウントする。具体的には、マーカー抽出部１４がデジタル画像データを閾値Ｓ_ｔにて二値化することにより黒となった画素の数をカウントする。

ここでは、マーカーを黒にしたため黒の画素数をカウントするが、マーカーの色を白にした場合は、二値化されて白になった画素数をカウントしてもよい。ここでは、このマーカー画素数カウント部１５でカウントした値が合焦評価値となる。

メモリ１６は、マーカー画素数カウント部１５で算出された合焦評価値の情報と、現在（撮影時）の基準面（スライドガラス１１の表面）とレンズ１２間の距離の情報を記憶する。ここでは、現在の基準面ーレンズ間距離として現在のアクチュエータ１０の変位値（座標）を用いる。このように現在のアクチュエータ１０の変位値に対するマーカーの画素数を記憶することで、図２に示す合焦評価曲線上の一点が決定する。

したがって、アクチュエータ１０を駆動して基準面とレンズ１２間の距離を変化させながら、各基準面ーレンズ間距離（各アクチュエータ１０の変位値）におけるマーカー領域の画素数を算出することで、図２に示す合焦評価曲線を得ることができる。

例えば、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すマーカーのうち、図３（ｂ）に示すマーカーが最も大きく、基準面ーレンズ間距離が近いときに撮影されたマーカーを表しており、図３（ｃ）に示すマーカーが最も小さく、基準面−レンズ間距離が遠いときに撮影されたマーカーを表している。図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す各マーカーはそれぞれ図２に示すＡ点〜Ｃ点で撮影されたマーカーに相当する。

このように、基準面とレンズ１２間の距離を変化させ、撮影されたデジタル画像データからマーカー領域を抽出し、抽出されたマーカー領域の画素数をカウントする作業を繰り返すことで、図２に示す合焦評価曲線が完成する。よって、メモリ１６には、合焦評価曲線の情報が記憶される。

さらにマーカー抽出部１４は、合焦評価曲線上の合焦点の情報として、マーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報をメモリ１６に記憶させる。具体的には、輝度勾配が最大となるときのマーカー領域の画素数（図３（ｂ）を参照）、あるいは輝度コントラストが最大となるときのマーカー領域の画素数等を記憶させる。

合焦評価曲線作成部１７は、マーカー画素数カウント部１５で算出された合焦評価値（マーカー領域の画素数）と現在の基準面−レンズ間距離（アクチュエータ１０の変位値）をメモリ１６に記憶させ、その記憶処理が終了すると、次の撮影点（測定点）へスライドガラス１１を移動させる要求をアクチュエータ制御部１８へ送る。すなわち、基準面−レンズ間距離を変えることで、測定点を移動させる。

アクチュエータ制御部１８は、合焦評価曲線作成部１７が要求する基準面−レンズ間距離となるようにアクチュエータ１０を駆動する。このようにアクチュエータ１０の変位値（座標）ごとに合焦評価値が算出されるため、アクチュエータ１０の変位値の変動量に応じたステップで合焦評価曲線が作成される。

以上説明したように、合焦評価曲線は、基準面と同一平面上にマーカーが配置された撮影領域を、基準面とレンズ間の距離を変化させながら撮影し、各撮影時に得た各画像から各マーカー領域を抽出し、その各マーカー領域の画素数をカウントし、各撮影時における基準面とレンズ間の距離およびマーカー領域の画素数をメモリに記憶することで作成することができる。

続いて、本実施の形態に係る自動焦点調節装置において、前述した図１に示す構成によって予め作成されメモリ１６に記憶された合焦評価曲線を用いて合焦を行うための構成について説明する。

図４は、本実施の形態に係る自動焦点調節装置において合焦評価曲線を用いて合焦を行うための構成を示す概略ブロック図である。但し、アクチュエータ１０、スライドガラス１１、レンズ１２、カメラ１３、マーカー抽出部１４、マーカー画素数カウント部１５、メモリ１６、アクチュエータ制御部１８については、前述した図１に示すものと同様であるので、説明を省略する。

図４において、自動焦点調節装置は、マーカー画素数カウント部１５にて算出された画素数とメモリ１６に記憶されている情報とを基に、スライドガラス１１の表面（基準面）に載置された被写体である検体（図示せず）に合焦させるための基準面−レンズ間距離の変化量および変化方向を求める合焦情報検出部１９を備える。アクチュエータ制御部１８は、合焦情報検出部１９にて求められた変化量および変化方向を基に、アクチュエータ１０を駆動してスライドガラス１１を移動させる。

以下、本実施の形態に係る自動焦点調節装置において合焦評価曲線を用いて合焦を行うための各構成要素について詳細に説明する。前述したように、スライドガラス１１の表面にはマーカー（図示せず）が配置されている。また、スライドガラス１１の表面には、被写体である検体（図示せず）が載置されている。

メモリ１６は、前述した合焦評価曲線の情報や、マーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報を予め記憶している。メモリ１６に記憶された合焦評価曲線は、図２に示すように、基準面とレンズ１２間の距離（アクチュエータ１０の変位値）に対する合焦評価値の関係を表しており、合焦評価値が求まれば、合焦評価値に対応する基準面−レンズ間距離が一意に判明する。

合焦情報検出部１９は、現在の測定点における合焦評価値とメモリ１６に記憶されている合焦評価曲線を比較参照することで、現在の測定点における基準面とレンズ１２間の距離を求め、被写体である検体に合焦させるための基準面とレンズ１２間の距離の変化量および変化方向として、マーカーに合焦させるための基準面とレンズ１２間の距離の変化量および変化方向を求める。すなわち、本実施の形態では、検体に合焦するとき、その検体が載置されるスライドガラス１１の表面（基準面）にも合焦するので、スライドガラス１１の表面に配置されているマーカーに合焦させることで、検体に合焦させることができる。

具体的には、検体に合焦させるための基準面とレンズ１２間の距離の変化量として、現在の測定点における基準面とレンズ１２間の距離と、マーカーに合焦するときの基準面とレンズ１２間の距離の差分量を求める。ここでは、現在の測定点におけるアクチュエータ１０の変位値（座標）と、マーカーに合焦するときのアクチュエータ１０の変位値（座標）の差分量を求める。

また、検体に合焦させるための基準面とレンズ１２間の距離の変化方向を、現在の測定点における基準面とレンズ１２間の距離と、マーカーに合焦するときの基準面とレンズ１２間の距離の大小によって決定する。ここでは、現在の測定点におけるアクチュエータ１０の変位値と、マーカーに合焦するときのアクチュエータ１０の変位値の大小によって決定する。

例えば、図２に示すように、現在の測定点における合焦評価値に対応する基準面とレンズ１２間の距離がＤ_Ｃである場合、マーカーに合焦するときの基準面とレンズ１２間の距離Ｄ_Ｆとの差分距離Ｚ_Ｃだけ、図２に示す矢印の方向、すなわち、被写体（検体）をレンズから遠ざける方向へ基準面（スライドガラス）を移動させれば、被写体に合焦させることができる。よって、この場合、合焦情報検出部１９は、基準面とレンズ１２間の距離の変化量および変化方向の情報として、被写体（検体）をレンズから遠ざける方向へＺ_Ｃだけアクチュエータ１０の変位値を変動させるという情報を生成する。

なお、現在の測定点は、図２に示す合焦評価曲線を作成したときにアクチュエータ１０の変位値を変動させた範囲（スライドガラス１１の移動範囲）内に収まる位置とする。すなわち、広い範囲で合焦させたいのであれば、合焦評価曲線を作成する際にアクチュエータ１０の変位値の変動範囲（スライドガラス１１の移動範囲）を広くすればよい。

アクチュエータ制御部１８は、合焦情報検出部１９からの情報をアクチュエータ１０の駆動量に変換し、アクチュエータ１０へ命令を送信する。アクチュエータ１０は、この命令に従って駆動する。すなわち、アクチュエータ制御部１８からの命令に従って、アクチュエータ１０の変位値が変動する。

例えば、前記したように、合焦情報検出部１９が被写体をレンズから遠ざける方向へＺ_Ｃだけアクチュエータ１０の変位値を変動させる情報を生成した場合、基準面とレンズ１２間の距離がＤ_Ｆとなり、被写体である検体に合焦する。

なお、本実施の形態では、マーカーとして黒い円を例に挙げたが、黒い円を配置する手段としては、黒く丸いシールをスライドガラスに接着する手段等がある。また、円形マーカーの他例として、例えば光源から照射された光を集光したものが考えられる。具体的にはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）またはレーザーの発光をレンズで集光し、基準面と同一平面上にスポットしたものである。このように、被写体である検体が載置される平面と同一平面上に光源から照射された光を集光したものをマーカーとすれば、撮影する検体ごとにマーカーを配置せずに済む。

また、マーカーを基準面とは異なる平面上に配置してもよい。この場合、基準面とマーカーが存在する平面との高低差の情報を予めメモリ１６に記憶しておくことで、被写体である検体に合焦させることができる。例えば、図５に示すように、レンズ１２とカメラ１３からなる撮像部の撮影領域内において、検体が載置されるスライドガラス１１の表面（基準面）とは高さの異なる別の平面にマーカー２０を配置しても、スライドガラス１１の表面とマーカーが存在する平面との高低差の情報をメモリ１６に記憶しておけば、検体に合焦させるための基準面−レンズ間距離の変化量および変化方向を一度の撮影で検出することができる。このように、検体が載置される平面とは別の平面にマーカーを配置しておけば、撮影する検体ごとにマーカーを配置せずに済む。

続いて、上記した自動焦点調節装置を用いた自動焦点調節方法について図６、図７に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。なお、図６、図７に示すフローチャートに沿った動作は、ＣＰＵ等の制御部がメインメモリに格納されたプログラムデータを読み出して、各命令信号を生成することで実行される。

まず、合焦評価曲線を作成する方法について図６に示すフローチャートに沿って説明する。合焦評価曲線の作成を開始すると、まずステップＳ１０１において、アクチュエータ１０を駆動して、測定開始点へスライドガラス１１を移動させる。ここで、測定開始点とは、合焦を行う際にスライドガラス１１を移動させる範囲において、スライドガラス１１の表面（基準面）とレンズ１２間の距離が最も近くなる位置または最も遠くなる位置のことである。

なお、測定範囲（スライドガラス１１の移動範囲、すなわちアクチュエータ１−の変位値を変動させる範囲）は、合焦評価曲線を用いて合焦を行うに際し、基準面（スライドガラス１１の表面）をおおよその合焦ポイントへ移動させておき、その後、詳細なフォーカス調節を行うならば、微調整を行う程度の限られた範囲でよい。

次に、ステップＳ１０２において、測定開始点で、レンズ１２とカメラ１３からなる撮像部により、マーカーとスライドガラス１１が配置された撮影領域を撮影して、デジタル画像データを取得する（撮影ステップ）。

次に、ステップＳ１０３において、マーカー抽出部１４により、取得したデジタル画像データをマーカー領域とマーカー以外の領域に分離して、マーカー領域を抽出し（マーカー抽出ステップ）、ステップＳ１０４において、マーカー画素数カウント部１５により、抽出したマーカー領域の画素数をカウントする（マーカー画素数カウントステップ）。

次に、ステップＳ１０５において、マーカー画素数カウント部１５により算出された画素数を、現在の測定点における合焦評価値としてメモリ１６に記憶させる。具体的には、メモリ１６には、測定点における基準面（スライドガラス１１の表面）とレンズ１２間の距離と、カウントしたマーカー領域の画素数を記憶する。なお、ここでは、基準面とレンズ１２間の距離として、アクチュエータ１０の変位値（座標）を記憶する。

次に、ステップＳ１０６において、合焦評価曲線の作成を終了するかどうかの判断を行う。すなわち、現在の測定点が測定終了点であれば、合焦評価曲線の作成を終了し、現在の測定点が測定終了点でなければアクチュエータ１０を駆動してスライドガラス１１を移動させ、測定を続ける。

ここで、測定終了点とは、合焦を行う際にスライドガラス１１を移動させる範囲において、スライドガラス１１の表面（基準面）とレンズ１２間の距離が最も近くなる位置または最も遠くなる位置のことであり、測定開始点とは逆になるので、測定開始点を基準面とレンズ１２間の距離が最も近くなる位置としたならば、測定終了点は基準面とレンズ１２間の距離が最も遠くなる位置となる。一方、測定開始点を基準面とレンズ１２間の距離が最も遠くなる位置としたならば、測定終了点は基準面とレンズ１２間の距離が最も近くなる位置となる。

ステップＳ１０６において、現在の測定点が測定終了点ではなかった場合、次の測定点へスライドガラス１１を移動させる（ステップＳ１０７）。ここで、スライドガラス１１の移動量は、アクチュエータ１０の精度から求まる最小移動可能距離、または、レンズの被写界深度から決定する。なお、このステップＳ１０７における移動量ごとに合焦評価値を算出し、合焦評価曲線を作成するため、移動量が小さいほど精度よく合焦評価曲線を作成でき、合焦精度も向上する。

ステップＳ１０７の後、ステップＳ１０２へ戻り、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０６を繰り返すことで、所望の測定範囲での測定が終了するまで基準面とレンズ１２間の距離を変えながら合焦評価値の算出を繰り返す。よって、図６に示すフローチャートを辿ることで合焦評価曲線が完成し、メモリ１６に記憶される。

続いて、合焦評価曲線を用いて合焦を行う方法について、図７に示すフローチャートに沿って説明する。合焦を開始すると、まずステップＳ２０１において、撮像部により撮影領域を撮影して、デジタル画像データを取得する（撮影ステップ）。

撮影領域には、被写体である検体が表面に載置されたスライドガラス１１が配置されている。また、マーカーがスライドガラス１１の表面に配置されている。なお、合焦を開始する初期位置は、図２に示す合焦評価曲線を作成したときのスライドガラス１１の移動範囲内に収まる位置とする。

次に、ステップＳ２０２において、前述したステップＳ１０３と同様に、マーカー抽出部１４により、取得したデジタル画像データからマーカー領域を抽出する（マーカー抽出ステップ）。

次に、ステップＳ２０３において、前述したステップＳ１０４と同様に、マーカー画素数カウント部１５により、抽出したマーカー領域の画素数をカウントする（マーカー画素数カウントステップ）。

次に、ステップＳ２０４およびステップＳ２０５からなる合焦情報検出ステップを実行する。すなわち、まず、ステップＳ２０４において、予めメモリ１６に記憶されている合焦評価曲線を参照して、マーカー画素数カウント部１５により算出された画素数に対応する基準面とレンズ１２間の距離を求めることで、現在の測定点における基準面とレンズ１２間の距離（アクチュエータ１０の変位値）を求める。

次に、ステップＳ２０５において、被写体（検体）に合焦させるための基準面とレンズ１２間の距離の変化量として、ステップＳ２０４で求めた現在の基準面とレンズ１２間の距離（現在のアクチュエータ１０の変位値）と、メモリ１６に予め記憶しておいたマーカーに合焦するときの基準面とレンズ１２間の距離（マーカーに合焦するときのアクチュエータ１０の変位値）との差分量を求める。さらに、被写体（検体）に合焦させるための基準面とレンズ１２間の距離の変化方向を、現在の基準面とレンズ１２間の距離とマーカーに合焦するときの基準面とレンズ１２間の距離の大小によって決定する。

最後に、ステップＳ２０５で検出した変化量および変化方向を基に、アクチュエータ制御部１８がアクチュエータ１０の駆動量を求め、アクチュエータ１０に命令を送ることで、被写体である検体に合焦させる位置へスライドガラス１１を移動させる（ステップＳ２０６）。

以上のように、本実施の形態によれば、あるポイントで算出したマーカー画素数と事前に求めて記憶しておいた合焦評価曲線から、一度の撮影にて、被写体（検体）に合焦させるための基準面の移動量および移動方向を検出することができる。

なお、本実施の形態では、被写体の表面に焦点が合うときに基準面にも焦点が合う場合について説明したが、被写体の表面に焦点を合わせると基準面には焦点が合わないようなときでも、基準面から被写体の表面（レンズに対向する面）までの高さが事前に判明している場合には、その高さの情報を用いることで、以上説明した本実施の形態と同様に、合成評価曲線を用いて被写体に合焦させることが可能である。

本発明にかかる自動焦点調節装置、および自動焦点調節方法は、一度の撮影にて、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を検出でき、高速な自動焦点調節を必要とする測定装置や検査装置等として有用である。

本発明の実施の形態に係る自動焦点調節装置において合焦評価曲線を作成するための構成を示す概略ブロック図 本発明の実施の形態における合焦評価曲線を表す図 本発明の実施の形態におけるマーカー抽出方法の一例を説明するための図 本発明の実施の形態に係る自動焦点調節装置において合焦評価曲線を用いて合焦を行うための構成を示す概略ブロック図 本発明の実施の形態におけるマーカー配置の一例を説明するための図 本発明の実施の形態における合焦評価曲線作成のフローチャートを示す図 本発明の実施の形態における自動焦点調節のフローチャートを示す図 従来の合焦評価曲線を表す図

符号の説明

１０ アクチュエータ
１１ スライドガラス
１２ レンズ
１３ カメラ
１４ マーカー抽出部
１５ マーカー画素数カウント部
１６ メモリ
１７ 合焦評価曲線作成部
１８ アクチュエータ制御部
１９ 合焦情報検出部
２０ マーカー

Claims (7)

1. 被写体とマーカーが配置された撮影領域を撮影する撮像部と、
   前記撮影部で撮影した画像からマーカー領域を抽出するマーカー抽出部と、
   前記マーカー抽出部により抽出したマーカー領域の画素数をカウントするマーカー画素数カウント部と、
   基準面とレンズ間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線の情報、およびマーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報を予め記憶するメモリと、
   前記マーカー画素数カウント部で算出した画素数と前記メモリに記憶されている情報とを基に、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を求める合焦情報検出部と、
   前記合焦情報検出部にて求めた変化量および変化方向を基に、基準面とレンズ間の相対位置を変化させるアクチュエータを駆動するアクチュエータ制御部と、
   を備えることを特徴とする自動焦点調節装置。
2. 前記マーカーは、基準面と同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の自動焦点調節装置。
3. 前記マーカーは、基準面とは異なる平面上に配置されており、前記メモリは、さらに、基準面と前記マーカーが存在する平面との高低差の情報を予め記憶していることを特徴とする請求項１記載の自動焦点調節装置。
4. 被写体とマーカーが配置された撮影領域を撮影する撮影ステップと、
   前記撮影ステップにて撮影した画像からマーカー領域を抽出するマーカー抽出ステップと、
   前記マーカー抽出ステップにて抽出したマーカー領域の画素数をカウントするマーカー画素数カウントステップと、
   前記マーカー画素数カウントステップにて算出した画素数、並びにメモリに予め記憶されている基準面とレンズ間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線の情報、およびマーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報を基に、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を求める合焦情報検出ステップと、
   前記合焦情報検出ステップにて求めた変化量および変化方向を基に、基準面とレンズ間の相対位置を変化させるステップと、
   を具備することを特徴とする自動焦点調節方法。
5. 前記マーカーは、基準面と同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項４記載の自動焦点調節方法。
6. 前記マーカーは、基準面とは異なる平面上に配置されており、前記合焦情報検出ステップでは、前記マーカー画素数カウントステップにて算出した画素数、並びにメモリに予め記憶されている基準面とレンズ間の距離に対するマーカー領域の画素数の関係を表す合焦評価曲線の情報、マーカーに合焦するときのマーカー領域の画素数の情報、および基準面と前記マーカーが存在する平面との高低差の情報を基に、被写体に合焦させるための基準面とレンズ間の距離の変化量および変化方向を求める、ことを特徴とする請求項４記載の自動焦点調節方法。
7. 前記合焦評価曲線は、マーカーが配置された撮影領域を、基準面とレンズ間の距離を変化させながら撮影し、各撮影時に得た各画像から各マーカー領域を抽出し、その各マーカー領域の画素数をカウントし、各撮影時における基準面とレンズ間の距離およびマーカー領域の画素数をメモリに記憶することで作成することを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の自動焦点調節方法。

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