JP2938515B2

JP2938515B2 - 自動合焦装置

Info

Publication number: JP2938515B2
Application number: JP11063890A
Authority: JP
Inventors: 元一山名; 伸之永沢; 康輝高濱
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1999-08-23
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JPH049810A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、顕微鏡等の光学機器の自動合焦装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来の顕微鏡等における自動合焦装置として、例えば
特開昭61−143710号公報に開示されているものがある。
この自動合焦装置においては、通常使用する標本に対し
て適用できる合焦位置演算法を固定し、これにより第12
図に示すように合焦動作を行って、対物光学系と対象物
体との間隔を自動合焦機能によって位置決めし、その位
置決めされた対象物体の合焦位置が、使用者にとって最
適合焦位置でない場合には、自動合焦機能による合焦位
置に対してオフセットを調整することで、自動合焦機能
による合焦位置を使用者にとって最適なものとするよう
にしている。

また、他の自動合焦装置として、特公昭62−32761号
公報には、位相差光学系による対象物体の像の空間周波
数成分のうち高周波成分を抽出し、その高周波成分が最
大となる位相差光学系と対象物体との相対距離から一定
距離範囲内において、空間周波数成分の高周波成分が第
２のピークを有するとき、空間周波数成分の高周波成分
が最大となる相対距離に基づいて合焦位置を求めるよう
にしたものが開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、特開昭61−143710号公報に開示された
自動合焦装置にあっては、合焦位置演算法を固定してい
るため、例えば特殊な標本等を合焦させる場合には、合
焦位置そのものが安定でなくなり、再現性のよい合焦動
作が望めないという問題がある。

また、特公昭62−32761号公報に開示された自動合焦
装置は、空間周波数成分の高周波成分が最大となる相対
距離に基づいて合焦位置が一義的に決定されるため、使
用者によって微妙に異なる最適合焦位置を反映できない
という問題がある。

この発明は、このような従来の問題点に着目してなさ
れたもので、使用者の意図する最適合焦位置に再現性よ
く常に安定して高精度で位置決めできるよう適切に構成
した自動合焦装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明に係る自動合焦装
置は、光学系の光軸方向に該光学系または対象物体を相
対的に駆動する駆動手段と、前記光学系と対象物体との相対距離を検出する距離検
出手段と、前記光学系より得られた前記対象物体の画像情報に基
づいて合焦位置を自動的に検出する合焦位置検出手段
と、前記画像情報に基づいてそれぞれ異なる合焦位置演算
法により合焦程度を演算する合焦程度評価手段と、前記対象物体に対して手動で調整された合焦位置を前
記距離検出手段で検出し、この合焦位置を含むスキャン
範囲から取り込まれた画像情報に基づいて前記合焦程度
評価手段により演算された各合焦位置演算法の評価値か
ら前記対象物体に対して最適な合焦位置演算法を少なく
とも一つ選択して設定する演算法設定手段とを備え、前記対象物体と同種の対象物体の観察モードにおい
て、前記演算法設定手段で設定された合焦位置演算法を
用いて自動合焦を行なうことを特徴とするものである。

〔作用〕

第１図はこの発明の概念図を示すもので、ステージを
対物光学系の光軸方向（Ｚ方向）に移動させて焦準動作
を行う、通常の光学顕微鏡に適用したものである。この
自動合焦装置は、それぞれ異なる合焦位置演算法によっ
て合焦程度を演算する複数の合焦程度評価手段１−１〜
１−ｎと、自動合焦装置全体の動作を制御する制御手段
（CPU）２と、CPU2の動作プログラムや各種の所要のデ
ータを格納するメモリ３と、サンプル標本を載置するス
テージをＺ方向に駆動するステージ駆動手段４と、ステ
ージのＺ方向の位置を検出するステージ位置検出手段５
とを具える。

この発明では、第２図にフローチャートを示すよう
に、使用者がサンプル標本をステージに載置し、手動に
てステージを使用者の最適合焦位置に位置調整してか
ら、自動合焦装置の初期設定動作をスタートさせる。こ
の初期設定動作においては、先ず、使用者が位置調整し
た最適合焦位置を含むＺ方向の所要の範囲で、ステージ
駆動手段４によりステージをＺ方向にスキャンし、その
スキャン範囲において、ステージ位置検出手段５からの
位置データに対応して、合焦程度評価手段１−１〜１−
ｎによりそれぞれ評価値を求め、それらの評価値をメモ
リ３に格納する。次に、ステージのＺ方向のスキャンが
終了したら、該メモリ３に格納された合焦程度評価手段
１−１〜１−ｎからの評価値をもとに、メモリ３上のプ
ログラムに従って、合焦程度評価手段１−１〜１−ｎか
ら最適合焦位置を与える合焦位置演算法のものを選択す
る。以後、同種の標本については、ステージをＺ方向に
移動させながら、選択した合焦程度評価手段からの評価
値に基づいてステージを対物光学系に対して最適合焦位
置に自動的に位置決めする。

なお、各合焦程度評価手段１−１〜１−ｎによるステ
ージのＺ方向スキャン範囲の各位置での評価値は、ステ
ージをＺ方向にスキャンしながらその各位置での情報、
例えば画像情報等の情報をもとに演算してもよいし、ス
キャン範囲の各位置で情報をメモリし、スキャン終了後
にメモリした情報をもとに演算してもよい。

以上のように、それぞれ異なる合焦位置演算法による
複数の合焦程度評価手段１−１〜１−ｎを設け、使用者
が手動にて調整した最適合焦位置を含む所要の範囲でス
テージをＺ方向にスキャンしてその各位置での評価値を
それぞれ求め、それらの評価値をもとに合焦程度評価手
段１−１〜１−ｎから最適合焦位置を与える合焦位置演
算法のものを選択するようにすれば、使用者の意図が反
映された最適合焦位置に再現性よく常に安定して高精度
で位置決めできると共に、未知の標本に対しても最適な
合焦位置演算法をもって自動合焦することが可能とな
る。

なお、ここではわかり易いように合焦程度評価手段を
別に設けたが、情報入力手段からの情報に基づきメモリ
に格納されている合焦位置演算法のプログラムに応じて
CPU中で処理することもできる。

〔実施例〕第３図はこの発明の第１実施例を示すブロック図であ
る。この実施例は、一般的な光学顕微鏡に適用したもの
で、顕微鏡画像を取り込み、その画像の鮮鋭度を評価す
る周知のコントラスト法によってどの程度合焦に近いか
あるいは遠いかを示す合焦状態を検出するようにしたも
のである。

顕微鏡画像は、画像入力部11に入力して画像信号に変
換する。この画像入力部11は、例えばCCD等の固体撮像
素子をもって構成し、これを演算制御装置（CPU）12に
よりタイミングジェネレータ13およびクロックドライバ
14を介して駆動して、その画像信号をヘッドアンプ15、
サンプルホールド回路16およびアナログ−デジタル（A/
D）変換回路17を経てCPU12に格納するようにする。な
お、画像入力部11における顕微鏡画像の蓄積時間は、CP
U12によりタイミングジェネレータ13およびクロックド
ライバ14を介して制御可能に構成すると共に、ヘッドア
ンプ15のゲインもCPU12によって制御可能に構成する。

この実施例では、標本を載置するステージを対物光学
系の光軸方向（Ｚ方向）に移動させて合焦調整を行う。
このため、ステージをＺ方向に駆動するステージ駆動装
置21を設け、このステージ駆動装置21をCPU12によりコ
ントローラ22およびドライバ23を介して駆動するように
する。なお、ステージ駆動装置21は、例えば直流モータ
やステッピングモータをもって構成する。

また、ステージ駆動装置21によって駆動されるステー
ジのＺ方向の位置を検出するため、ステージ位置検出装
置25を設け、その出力をCPU12に供給する。ステージ位
置検出装置25は、例えばエンコーダ等をもって構成す
る。

さらに、CPU12には、データ格納用のRAM31、プログラ
ム格納用のROM32、キー入力部33および表示装置34を制
御するための入力／表示コントローラ35および、顕微鏡
に対して対物レンズの種類や倍率等の光学系の情報等を
アクセスしたり、その他の情報を送受するためのインタ
ーフェース36を接続して設ける。

以下、この実施例の動作を説明する。

顕微鏡で観察する標本は種々のものがあるが、実際の
使用においては同種の標本を観察する場合が非常に多
い。そこで、この実施例では、種々の標本を観察する場
合の標準の合焦位置演算法と、この標準合焦位置演算法
を含む同種の標本を観察する場合のそれぞれ異なる複数
の合焦位置演算法とをROM32に格納しておき、種々の標
本の観察モードにおいてはその標準合焦位置演算法によ
り自動合焦を行い、同種の標本の観察モードにおいて
は、以下に説明する初期設定によって、複数の合焦位置
演算法から当該標本に最適の合焦位置演算法を選択して
自動合焦を行う。

この同種標本観察モードにおいては、使用者はこれか
ら観察する標本より代表的なものを一つ選んでステージ
に載置し、自分の好む合焦位置にステージを位置調整し
てから、キー入力部33のキー操作によって初期設定動作
をスタートさせる。

初期設定動作が開始すると、先ず、CPU12は使用者が
位置調整した合焦位置のステージ位置データをステージ
位置検出装置25から取り込むと共に、顕微鏡をアクセス
して現在の対物レンズの種類等の対物データをインター
フェース36を介して取り込み、それらのデータをもとに
使用者が位置調整した合焦位置を含むステージのＺ方向
のスキャン範囲を決定する。次に、現在すなわち使用者
が位置調整した合焦状態で画像入力部11に入力している
画像情報に基づいて、CPU12によりヘッドアンプ15のゲ
インおよび画像入力部11における顕微鏡画像の蓄積時間
を設定し、その後上記スキャン範囲でステージを粗くス
キャンして、その設定したヘッドアンプ15のゲインおよ
び画像入力部11の蓄積時間が適当か否かを、CPU12によ
り入力画像情報のレベルに基づいて判断し、設定が不適
当な場合にはそれらを修正する。

以上の動作が終了したら、顕微鏡からの対物データに
基づいてスキャン時のステップ幅を決定し、次にステー
ジを上記のスキャン範囲で移動させながら、そのスキャ
ン範囲で上記のステップ幅毎に画像情報を取り込む。そ
の後、各ステップ位置での画像情報の取り込みが終了し
たら、各ステップ位置での画像情報に基づいて、ROM32
に格納したそれぞれ異なる複数の合焦位置演算法により
コントラスト評価値を求め、それら各合焦位置演算法に
よるコントラスト評価値をRAM31に格納する。

ここで、コントラスト評価値は、得られた画像情報を
もとに、以下に示す式により移動平均を計算し、それら
のデータの差分を計算して求める。

なお、簡単のため上式では、一次元のものについて示
した。上式では入力画素情報x₁のＬ個分の移動平均y₁を
求め、そのy₁をx₂として２番目の式で差分を計算して、
最終的にそれらの絶対値の総括であるV_Lを演算する。

この実施例では、それぞれ異なる複数の合焦位置演算
法として、上式のＬがＬ＝1,5,8,10の４種の合焦位置演
算法をROM32に格納しておく。このようにして、各合焦
位置演算法によりコントラスト評価値を求めると、例え
ば第４図に示すような評価値特性が得られる。

次に、ROM32に格納されたプログラムに基づき、各合
焦位置演算法により求めた評価値特性から、所定の値V
_thよりも高いピーク値を有する合焦位置演算法、第４図
の場合はＬ＝5,8,10の合焦位置演算法を選択する。その
後、これら選択した合焦位置演算法から、例えば第５図
に示すように、対物レンズの焦点深度内のV_Lの変化ΔV_L
が最大となるもの、第４図の場合はＬ＝５の合焦位置演
算法を演算による最適合焦位置演算法として選択してRA
M31に格納し、以後はこのRAM31に格納した最適合焦位置
演算法によって自動合焦を行う。

以上のように、この実施例によれば、使用者が手動に
て調整した合焦位置を含む所要のスキャン範囲でステー
ジをＺ方向にスキャンし、その各位置でそれぞれ異なる
合焦位置演算法により評価値を求め、それらの評価値を
もとに最適合焦位置を与える合焦位置演算法を選択する
ようにしたので、標本を使用者の意図が反映された最適
合焦位置に常に安定して高精度で位置決めすることがで
きる。なお、最適合焦位置演算法を選択した後の自動合
焦動作においては、評価値V_Lが所定値V_thよりも高くな
る範囲（第４図においてZa〜Zb）、サンプル標本の厚み
の誤差、ステージ高さの誤差による影響を考慮して、ス
テージのＺ方向スキャン範囲を決定すれば、高速で自動
合焦させることができる。

第６図はこの発明の第２実施例を示すものである。こ
の実施例は、第３図に示した構成に、高速演算装置とし
てのデジタルシグナルプロセッサ（DSP）41およびこのD
SP41用のメモリ42を付加し、これによりデジタルフィル
タや高速フーリエ変換（FFT）処理の高速化を可能にし
て、合焦位置演算法として画像の空間周波数分布により
合焦状態を検出するようにしたもので、その他の構成は
第３図と同様である。

以下、この実施例の動作を説明する。

第１実施例と同様にしてステージのスキャン範囲を決
定したら、そのスキャン範囲でステージを移動させなが
ら、その各位置での画像情報を取り込んでDSP41によりF
FT処理を行う。ここで、画像情報の画素数を一次元で51
2画素とすると、フーリエ変換された結果の実数部の片
側は、例えば第７図に示すようになる。

そこで、この実施例では、フーリエ変換によって得ら
れる実数部のパワースペクトルの大きさが、スキャン範
囲によって大きく変化する空間周波数を例えばf_a、f_bお
よびf_cとして、それらを予めDSP用メモリ42に格納して
おき、取り込んだ画像情報のf_a、f_bおよびf_cの変化特性
を第８図に示すようにそれぞれ求める。

以上のようにして、スキャン範囲での画像情報のf_a、
f_bおよびf_cの変化特性を求めたら、その変化特性から予
め手動で調整した合焦位置近傍でパワースペクトルが最
大となり、かつレベルの大きい変化特性を与える空間周
波数、第８図の場合には空間周波数f_aを最適合焦位置演
算法として選択してDSP用メモリ42に格納する。以後
は、このDSP用メモリ42に格納した最適合焦位置演算法
に応じて、DSP41でその周波数を中心としたデジタルの
バンドパスフィルタを構成し、これにより入力される画
像情報をフィルタ処理して合焦程度を評価しながら自動
合焦を行う。

このように、この実施例によれば、使用者が手動にて
調整した合焦位置を含む所要のスキャン範囲でステージ
をＺ方向にスキャンして、その各位置で予め設定した異
なる空間周波数（合焦位置演算法）のパワースペクトル
を求め、それらのパワースペクトル変化をもとに最適合
焦位置を与える空間周波数（最適合焦位置演算法）を選
択するようにしたので、サンプル標本に最適なフィルタ
処理を施した画像情報をもとに高精度の合焦程度の評価
を行うことができ、したがってサンプル標本を使用者の
意図が反映された最適合焦位置に常に安定して高精度で
位置決めすることができる。また、上記のように初期設
定によって最適空間周波数を選択することにより、DSP4
1を用いてもリアルタイムでやることが困難なフィルタ
の最適化を行うことができる。

第９図はこの発明の第３実施例を示すものである。こ
の実施例は、第３図に示した構成を有する自動合焦装置
45に画像処理装置46およびコンピュータ47を付加したも
のである。このように、画像処理装置46およびコンピュ
ータ47を付加すれば、それらのメモリおよび演算機能を
利用して、最適合焦位置演算法を選択できるので、自動
合焦装置45の演算能力およびメモリサイズを低減でき、
したがってそのコストダウンおよび小形化を図ることが
できる。また、第１および第２実施例では不可能な複雑
な合焦位置演算法や、より多くの同種または多種類の合
焦位置演算法から最適合焦位置を与える合焦位置演算法
を選択することも可能となる。

なお、この発明は上述した実施例にのみ限定されるも
のではなく、幾多の変形または変更が可能である。例え
ば、上述した実施例では、画像入力部11をCCD等の固体
撮像素子をもって構成したが、汎用のTVカメラをもって
構成することもできる。また、上述した実施例では、エ
ンコーダ等のステージ位置検出装置25を設けてステージ
のＺ方向の位置を検出するようにしたが、ステージ駆動
装置21としてステッピングモータを用いる場合には、そ
の駆動パルスをCPU12によって計数してステージの位置
データを得るようにすることもできる。さらに、サンプ
ル標本と対物光学系との相対距離の調整は、上述したス
テージのＺ方向の移動に限らず、対物光学系をＺ方向に
移動させて行うようにしてもよい。

また、第１実施例では、合焦位置演算法として上式の
コントラスト評価関数のＬがＬ＝1,5,8,10の４種を用い
るようにしたが、４種に限らずそれ以下、あるいはROM3
2の容量が大きければ、より多くの演算法を格納して最
適のものを選択するようにしてもよい。このように、よ
り多くの演算法から選択するようにすれば、より一層の
最適化が期待できる。

また、最適合焦位置を与える合焦位置演算法を選択す
るだけではなく、複数の合焦位置演算法を適宜組み合わ
せて最適な合焦位置演算法として用いることも可能とな
る。例えば、一例をあげると、上述したコントラスト法
の他に輝度ヒストグラムを求めてその分散を求め、求め
た分散から合焦位置を演算する方法等があるが、コント
ラスト法により求めた評価値特性の一つと、輝度ヒスト
グラムから求めた評価値特性の一つとを組み合わせ、加
算等することで両方の特性を利用した最適合焦位置演算
法により合焦制御することもできる。

さらに、通常の合焦方法では安定な動作が難しい比較
的厚めのサンプル標本を観察する場合には、V_L特性が第
10図に示すようになる場合がある。このような場合に
は、dV_L/dZを演算して第11図に示すようなdV_L/dZ特性を
得、そのゼロクロスが１つのものを最適合焦位置演算法
として選択することもできる。また、この場合、選択し
たV_L特性のピークが合焦位置よりずれているいる場合に
は、そのオフセット値を予めセットしておけばよい。な
お、ゼロクロスが１つのものがなく、V_Lが複数のピーク
をもつ場合は、ピークを選択する。

また、最適合焦位置演算法は、複数のサンプル標本を
用い、それらのデータの平均や分散を加味して選択する
ようにしてもよい。このようにすれば、より信頼性の高
い最適合焦位置演算法の選択が可能となる。

さらに、サンプル標本の特定のパターンの合焦が重要
である場合には、初期設定時にその特定パターンを有す
る領域を視野中心に位置させる等の条件を加えれば、初
期設定で合焦程度の評価を効率的に行うことができる。

また、この発明は上述した顕微鏡における自動合焦に
限らず、種々の光学機器における自動合焦を有効に適用
することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、使用者が手動にて
調整した合焦位置を含むスキャン範囲から取り込まれた
画像情報をもとにそれぞれ異なる合焦位置演算法で合焦
度評価を行ない、使用者の意図を反映した合焦位置に対
して最適な合焦位置演算法を設定するようにしたので、
同種の対象物体に対して自動合焦を行なう際に、使用者
の意図する最適合焦位置に再現性よく常に安定して高精
度で位置決めできる。

また、顕微鏡に適用する場合には、使用する検鏡法、
使用する鏡基の特性、サンプル標本等を含めて初期設定
時に評価することができるので、本質的に最適な合焦位
置演算法を選択でき、したがって高精度かつ高速に自動
合焦できると共に、従来対応が困難であった標本、およ
び多種の検鏡法にも有効に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の概念図、第２図はその動作を説明するためのフローチャート、第３図はこの発明の第１実施例を示すブロック図、第４図および第５図はその動作を説明するための図、第６図はこの発明の第２実施例を示すブロック図、第７図および第８図はその動作を説明するための図、第９図はこの発明の第３実施例を示すブロック図、第10図および第11図この発明の変形例を説明するための
図、第12図は従来の技術を説明するための図である。１−１〜１−ｎ……合焦程度評価手段２……制御手段（CPU）、３……メモリ４……ステージ駆動手段、５……ステージ位置検出手段 11……画像入力部、12……演算制御装置（CPU） 13……タイミングジェネレータ 14……クロックドライバ、15……ヘッドアンプ 16……サンプルホールド回路 17……アナログ−デジタル（A/D）変換回路 21……ステージ駆動装置、22……コントローラ 23……ドライバ、25……ステージ位置検出装置 31……RAM、32……ROM 33……キー入力部、34……表示装置 35……入力／表示コントローラ 36……インターフェース、41……DSP 42……DSP用メモリ、45……自動合焦装置 46……画像処理装置、47……コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 21/26 G02B 7/28 - 7/40 G03B 13/18 - 13/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学系の光軸方向に該光学系または対象物
体を相対的に駆動する駆動手段と、前記光学系と対象物体との相対距離を検出する距離検出
手段と、前記光学系より得られた前記対象物体の画像情報に基づ
いて合焦位置を自動的に検出する合焦位置検出手段と、前記画像情報に基づいてそれぞれ異なる合焦位置演算法
により合焦程度を演算する合焦程度評価手段と、前記対象物体に対して手動で調整された合焦位置を前記
距離検出手段で検出し、この合焦位置を含むスキャン範
囲から取り込まれた画像情報に基づいて前記合焦程度評
価手段により演算された各合焦位置演算法の評価値から
前記対象物体に対して最適な合焦位置演算法を少なくと
も一つ選択して設定する演算法設定手段とを備え、前記対象物体と同種の対象物体の観察モードにおいて、
前記演算法設定手段で設定された合焦位置演算法を用い
て自動合焦を行なうことを特徴とする自動合焦装置。