JP3314513B2 - ビデオカメラを備えた顕微鏡 - Google Patents

ビデオカメラを備えた顕微鏡

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光学顕微鏡に関し、特に
ビデオカメラを備え、ビデオカメラが撮像したビデオ信
号を基にして試料ステージを合焦点に自動的に位置決め
するオートフォーカス機能を備えた光学顕微鏡に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】ビデオカメラの撮像したビデオ信号を用
いてオートフォーカス機能を実現するには、対物鏡方向
に接近及び遠ざかる方向のZ方向の各Z位置で、ビデオ
信号をデータとして取り込み、同じ走査ライン内の隣接
データ間の差分を複数乗し、ライン当りの隣同志のデー
タの差分を複数乗し、それを1フレームについて加算し
た値を評価値とする。その評価値を試料ステージのZ位
置に対する関数とするコントラスト関数を作成し、その
コントラスト関数が最大値となる位置に試料ステージを
位置決めする方法が採られている。
【0003】ビデオカメラにはオートゲインコントロー
ル機能が備えられたものがあるが、オートフォーカス機
能で用いるビデオ信号としてはオートゲインコントロー
ルがオフの状態で取り込まれたビデオ信号が用いられて
いる。ビデオ信号は黒レベルと白レベルの間の信号レベ
ルにあるが、オートゲインコントロールではしきい値の
下限よりレベルの低い信号を適当なレベルまで増幅し、
逆にしきい値の上限よりレベルの高い信号を適当なレベ
ルまで下げるように自動的にゲインを調節する。しか
し、コントラスト関数を作成するための評価値を算出す
る基になるビデオ信号としてオートゲインコントロール
をオンにした状態で取り込まれたビデオ信号を用いる
と、合焦点から離れていて本来小さくなるべき評価値
が、オートゲインコントロールにより自動的にビデオ信
号が増幅された結果として大きな評価値となり、従来の
オートフォーカス機能ではコントラスト関数を用いて合
焦点を見つけるのが困難になってしまう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、オートゲイン
コントロールをオフにした状態で試料を観察すると、極
度に反射率の低い試料や極度に透過率の低い試料は、ビ
デオ信号のゲインが低すぎて映像化されなかったり、又
は映しだされてもオートゲインコントロールをオンにし
た状態の映像に比べて見にくいものとなる。同様に、極
度に反射率の高い試料や極度に透過率の高い試料は、ビ
デオ信号がしきい値の上限を超えてしまい、映像化でき
なくなってしまう。
【0005】そこで、本発明はビデオカメラのオートゲ
インコントロール機能を作動させて映像を見やすくする
とともに、その状態で取り込まれたビデオ信号を用いて
も試料ステージを合焦点に自動的に位置決めできるよう
にすることを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】図1に本発明を示す。ビ
デオカメラ2はオートゲインコントロール機能を有し、
対物鏡から入射する光学像を撮像する。試料ステージ2
2は対物鏡方向に接近及び遠ざかる方向のZ方向に移動
する移動機構を備え、ステージ駆動制御部4は試料ステ
ージ22のZ方向の移動を制御する。データ取込み部6
はオートゲインコントロール状態で撮像されたビデオカ
メラ2からのビデオ信号をデジタル信号として取り込
む。試料ステージ22の各Z位置でデータ取込み部6を
経て取り込まれた1フレーム分のビデオ信号は、データ
としてデータ記憶部8に記憶される。評価値算出部10
はデータ記憶部8に記憶されたデータについて同じ走査
ライン内の隣接データ間の差分を複数乗し、それを1フ
レームのデータについて加算して評価値とする。コント
ラスト関数記憶部12は評価値算出部10により算出さ
れた、試料ステージ22のZ位置に対する評価値をコン
トラスト関数として記憶する。合焦点有効範囲算出部1
4はコントラスト関数を平滑化した後、微分し、その微
分値の最大値を示すZ位置と最小値を示すZ位置の間の
Z位置範囲を合焦点が存在する有効範囲として算出し、
合焦点算出部16は合焦点有効範囲算出部14により算
出された合焦点有効範囲内に存在するコントラスト関数
の最大値を合焦点とし、ステージ駆動制御部4に対して
その合焦点に試料ステージを移動させる。
【0007】
【実施例】図2は本発明が適用された顕微鏡の外観側面
図を表わす。顕微鏡の胴体部20に試料ステージ22が
設けられ、試料ステージ22は胴体部20に設けられた
Z方向移動機構24によってZ軸方向に移動させられ
る。Z方向は対物鏡28に入射する光軸に沿って対物鏡
28方向に接近及び遠ざかる方向である。胴体部20内
には光源が設けられ、透過型顕微鏡の場合にはその光源
からの測定光束26が試料ステージ22の下部から試料
ステージ22に載置される試料を透過して対物鏡28に
入射し、反射型顕微鏡の場合は測定光束は対物鏡28か
ら試料上に照射され、その反射光が対物鏡28に入射す
る。胴体部20の上部には三眼鏡筒30が配置され、対
物鏡28に入射した光をビデオカメラ2及び接眼鏡34
へ入射させる。
【0008】図3には図2の胴体部20内に設けられ、
本発明のオートフォーカス機能を実現する制御系を示
す。ビデオカメラはオートゲインコントロール機能がオ
ンの状態で作動する。そのビデオカメラからのビデオ信
号40を増幅するためにビデオバッファ42が設けら
れ、増幅されたビデオ信号をデジタル信号に変換してC
PUの内部バス46に取り込むためにA/Dコンバータ
44が設けられている。ビデオ信号40から同期信号を
分離すために同期信号分離回路48が設けられている。
内部バス46にはさらにDMA(ダイレクト・メモリ・
アクセス)コントローラ50と一時記憶を行なうスタテ
ィックRAM52が接続されており、DMAコントロー
ラ50は同期信号分離回路48で分離されて得られた同
期信号を用いてA/Dコンバータ44でのA/D変換を
制御するとともに、A/Dコンバータ44でデジタル信
号に変換されたビデオ信号をデータとしてRAM52に
転送し、記憶させる。内部バス46にはさらに、全体の
動作を制御するCPU54、動作のプログラムを記憶し
ているROM56の他、試料ステージ移動機構24を駆
動する試料ステージ用モータ58を作動させるドライバ
ー60が接続されている。
【0009】図1と図3の対応関係を示すと、図1にお
けるステージ駆動制御部4はCPU54、ROM56及
びドライバー60に対応し、データ取込み部6はビデオ
バッファ42、A/Dコンバータ44、同期信号分離回
路48及びDMAコントローラ50に対応し、データ記
憶部8はRAM50により実現される。評価値算出部1
0、合焦点有効範囲算出部14、及び合焦点算出部16
はCPU54、ROM56、及びRAM52により実現
され、コントラスト関数記憶部12はRAM52により
実現される。
【0010】次に、本実施例の動作について説明する。
まず、ビデオ信号をA/D変換してデータ記憶部8に記
憶し、その記憶された1フレームのデータから評価値を
算出するまでの手順を図4により説明する。まず、1フ
レームのビデオ信号は(B)に示されるものであり、こ
の1フレームのビデオ信号からDMAコントローラ50
を用いて同期信号を認識し、そのビデオ信号をA/Dコ
ンバータ44を介してデジタル信号として取り込み、R
AM52上に(C)のように記憶する。そして、同じ走
査ライン内の隣接データ間の差分を複数乗し、それを1
フレーム全体のデータについて加算する。それが、試料
ステージのそのZ位置における評価値となる。隣接デー
タ間の差分の複数乗の一例としてデータの差分を4乗す
るものとすると、その評価値を式で表現すると次の
(1)式となる。
【0011】
【数1】
【0012】次に、試料ステージをZ方向に移動させな
がらコントラスト関数を作成し、合焦点に試料ステージ
を位置決めする動作を図5と図6により説明する。図5
に示されるように、試料ステージを最下位にして、図4
で説明したデータのサンプリングと評価値の算出を行な
う。この操作を試料ステージをZ方向の上方に向って移
動させながら各Z位置で行ない、試料ステージの最上位
の位置まで繰り返す。この操作を完了すると、横軸Z位
置に対し、評価値を縦軸とする図6(A)に示されるコ
ントラスト関数が得られる。図6(A)の底部にあるピ
ークMのZ位置が合焦点であるが、その合焦点から離れ
た上下のZ位置ではオートゲインコントロールによりビ
デオ信号のゲインが自動的に増幅される結果、合焦点か
ら離れた上下で大きな評価値をもつコントラスト関数と
なる。このようなコントラスト関数からは、従来のよう
に評価値の最大値の位置を合焦点とする処理では合焦点
を求めることができない。
【0013】実施例ではこの合焦点のピークMのZ位置
を求めるために以下のデータ処理を行なう。まず、この
コントラスト関数の評価値群をRAM52上に複製し、
一方の評価値群を積分する。積分により、図6(B)に
示されるような平滑化されたコントラスト関数となる。
次に、この平滑化されたコントラスト関数を微分する
と、図6(C)に示されるような関数が得られる。この
微分関数(C)の最大値を示すZ位置Zmaxと、最小値
を示すZ位置Zminの間のZ位置範囲Zmax〜Zminを合
焦点が存在する有効範囲として求める。
【0014】次に、RAM52に残っている他方の平滑
化前のコントラスト関数と、図6(C)で求めた合焦点
有効範囲Zmax〜Zminとを照らし合わせ、その合焦点有
効範囲Zmax〜Zmin内に存在するコントラスト関数の最
大値が合焦点での評価値となる。この合焦点での評価値
を示したZ位置に試料ステージを移動させることによ
り、オートフォーカス動作が終了する。
【0015】
【発明の効果】本発明ではビデオカメラのオートゲイン
コントロールをオンにした状態で撮像したビデオ信号か
ら各Z位置での評価値を算出してコントラスト関数を作
成し、そのコントラスト関数から直接合焦点を求めるの
ではなく、いったん平滑化し、その後微分して合焦点が
存在するZ位置の合焦点有効範囲範囲を定めた上で、そ
の合焦点有効範囲内のコントラスト関数の最大値を合焦
点とするようにしたので、オートゲインコントロールに
よりビデオ信号の映像を見やすくするとともに、オート
フォーカス機能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を示すブロック図である。
【図2】一実施例の外観側面図である。
【図3】一実施例の制御系を示すブロック図である。
【図4】データ取込みから評価値算出までの処理手順を
示す図であり、(A)はフローチャート図、(B)は1
フレームのビデオ信号を示す図、(C)はデジタル化さ
れRAMに記憶された1フレームのビデオ信号を示す図
である。
【図5】同実施例におけるオートフォーカス機能を示す
フローチャート図である。
【図6】同実施例で合焦点を見つける過程を示す図であ
り、(A)はコントラスト関数を示す図、(B)は平滑
化後のコントラスト関数を示す図、(C)は微分後のコ
ントラスト関数を示す図である。
【符号の説明】 2 ビデオカメラ 4 ステージ駆動制御部 6 データ取込み部 8 データ記憶部 10 評価値算出部 12 コントラスト関数記憶部 14 合焦点有効範囲算出部 16 合焦点算出部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−191063(JP,A) 特開 昭52−28340(JP,A) 特開 昭60−143313(JP,A) 特開 昭63−243907(JP,A) 特開 平4−314012(JP,A) 特開 平2−295373(JP,A) 特開 平3−287106(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 19/00 - 21/00 G02B 21/04 - 21/36 G02B 7/11

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対物鏡から入射する光学像を撮像するオ
    ートゲインコントロール機能を有するビデオカメラと、 対物鏡方向に接近及び遠ざかる方向のZ方向に移動する
    移動機構を備えた試料ステージと、 試料ステージのZ方向の移動を制御するステージ駆動制
    御部と、 オートゲインコントロール状態で撮像されたビデオカメ
    ラからのビデオ信号をデジタル信号として取り込むデー
    タ取込み部と、 試料ステージの各Z位置でデータ取込み部を経て取り込
    まれた1フレーム分のビデオ信号をデータとして記憶す
    るデータ記憶部と、 データ記憶部に記憶されたデータについて同じ走査ライ
    ン内の隣接データ間の差分を複数乗し、それを1フレー
    ムのデータについて加算して評価値とする評価値算出部
    と、 評価値算出部により算出された、試料ステージのZ位置
    に対する評価値をコントラスト関数として記憶するコン
    トラスト関数記憶部と、 コントラスト関数を平滑化した後、微分し、その微分値
    の最大値を示すZ位置と最小値を示すZ位置の間のZ位
    置範囲を合焦点が存在する有効範囲とする合焦点有効範
    囲算出部と、 合焦点有効範囲内に存在するコントラスト関数の最大値
    を合焦点とし、ステージ駆動制御部に対してその合焦点
    に試料ステージを移動させる合焦点算出部と、を備えた
    ことを特徴とする顕微鏡。
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