JPH03136012A - 合焦検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、カメラや顕微鏡等の一般光学機器、特にカラ
ー電子撮像装置を備えた光学機器に好適な合焦検出装置
に関する。

〔従来の技術〕

近年、顕微鏡観察下で行うマイクロサージエリ−が普及
し、これまで直せなかった疾患が治せるようになってき
た。マイクロサージエリ−に使用される顕微鏡は実体顕
微鏡であり、術者は立体視をしながら手術を行うように
なっている。近年のエレクトロニクスの進歩によりスチ
ルカメラ、ビデオカメラにはオートフォーカス機能がつ
き、自動でピント合わせが行えるようになっているが、
手術用顕微鏡においても操作性向上のためにオートフォ
ーカス機能の付加が望まれている。特に顕微鏡の場合は
、カメラと比較して焦点深度が浅（、観察物体がピント
面から外れると大きくボケてしまい、どちらに照準を動
かせばピントが合うのか分からず、試行錯誤でピントを
合わせる場合が多かったので、上記要望は一層強かった
。

一般に、合焦検出方法にはアクティブ型とパッシブ型と
があるが、アクティブ型としては、実体顕微鏡分野では
特公昭５７−５５１２３号公報や特開昭５７−１５８８
２６号公報に開示されたものがある。どちらも、物体面
上に指標を投影し、その反射光を受光素子で検出し、そ
の検出信号によりピントのずれとその方向を決定するも
のである。又、顕微鏡やカメラに共通のものとしては特
開昭６３−２５６９３２号公報に開示されたように、撮
像面と共役な位置に置かれたスプリットプリズムを該撮
像面と共役な位置にある光電素子上に投影し、その投影
像の分割量を検出してピントずれとその方向を検出する
ものがある。

又、パッシブ型としては、特公昭６２−３７３６４号公
報に開示されているように、異なる光学的開口を通って
きた、夫々の像を比較して合焦検出したり、特公昭６１
−１００４４号公報や実開昭６２−１８８７１９号公報
に開示されているように色収差を利用したものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記特公昭５７−５５１２３号公報や特開昭
５７−１５８８２６号公報に開示された方法による場合
、指標投影光が観察光と同じ波長或は図示されていない
照明系の照明光と同じ波長であると、指標投影光と観察
光とを分離できず、ピント検出も出来なくなるので、指
標投影光は観察光或いは照明光と異なる波長例えば赤外
光等を用いなければならない。又、特開昭６３−２５６
９３２号公報に開示された方法による場合も、同様のこ
とがいえる。さらに、特公昭６１−１００４４号公報、
特公昭６２−３７３６４号公報及び実開昭６２−１８８
７１９号公報に開示された方法による場合はオートフォ
ーカス用の撮像素子を必要としたり、その後の信号処理
が複雑であった。

このように、従来の合焦検出装置は、観察用の照明装置
以外に、指標投影装置や投影光と観察光の分離手段や受
光装置を必要とするため、比較的高価になるという問題
があった。特に、特殊な光学系を必要とするため、これ
を例えば操作性の重視される手術用顕微鏡などの光学機
器に内蔵させると顕微鏡鏡体が大きくなって操作性が悪
くなったり、現存の顕微鏡には容易に取り付けることが
できないため専用の鏡体を購入せざるを得ず非常に不経
済になったりするという問題があった。又、検出精度を
上げようとすると、信号処理が複雑となり高価になると
いう問題があった。

本発明は、上記の如き問題点に鑑み、光学機器を改造し
たり大型化させたりすることなく現状の光学機器システ
ムに付加するだけで、ピント検知ができる合焦検出装置
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に、本発明の合焦検出装置は、
カラー電子撮像装置により得られたＲｌＢ、Ｇ画像のう
ち少なくとも二つの画像の大きさを比較する比較手段と
、比較手段による比較結果からピントズレ量と方向を判
別し得る判別手段とを備えている。

〔作　用〕

本発明の作用を記述するに先立ち、第１図乃至第３図を
用いてカラー画像の性質とそれを利用したピント検出の
原理を説明する。以下手術用顕微鏡を例にとって説明す
れば、第１図において、０日は周知の観察光学系、ＯＰ
は術者の目、Ｓは術部であって、観察光学系ＯＢは、左
右の観察光軸０Ｌ−Ｏｉに対して共通の対物レンズｌと
、観察光軸ＯＬ、Ｏ１上に夫々順次配列された変倍レン
ズ２．２′と、ビームスプリッタ３，３′と、結像レン
ズ４．４′と、接眼レンズ５，５′とから成っている。

６．６′は標本Ｓの結像位置である。

一般にかかる光学系においては色収差が発生するため、
合焦状態での結像位置４，４′近傍における、例えば青
色光ＢＬ　　（左側観察光軸ＯＬに沿う光の青色光成分
）と緑色光Ｇｉ（右側観察光軸ＯＲに沿う光の緑色光成
分）とに着目すると、これら両者は第２図に示すような
関係となる。即ち、第２図において、標本Ｓの表面上の
一点からの光は図の右側から矢印に沿って入射して来る
が、青色光ＢＬと緑色光Ｇ、の各結像点は色収差のため
実際には結像位置６とは異なる６Ｇと６Ｂで示される位
置となる。従って、結像位置６では青色光ＢＬの点像と
緑色光Ｇ寅の点像とは成る面積を持つ分離隣接した二つ
の点像として現われる。この場合、標本Ｓが合焦位置よ
り遠ざかっていれば第３図（ａ）に示した如く緑色光Ｇ
８の結像点６６と青色光ＢＬの結像点６Ｂ′は何れも結
像位置６よりも前方に而も結像点６．′は結像点６．／
よりも前方に生じる。このため、結像位置６に現われる
点像は、青色光によるものよりも緑色光によるものの方
が大きく、青色光は緑色光により覆われる。又、標本Ｓ
が合焦位置より手前にあれば、第３図（ｂ）に示した如
（緑色光Ｇｅｔの結像点６゜′と青色光ＢＬの結像点６
８′は何れも結像位置６よりも後方に而も結像点６゜′
は結像点６゜よりも前方に生じるため、結像位置６に現
われる点像は、緑色光によるものよりも青色光によるも
のの方が大きく、緑色光は青色光により覆われる。

このように、結像位置６の前後で緑色光による像と青色
光による像とでは像の大きさ及び位置が異なり、このこ
とは赤色光による像と青色光による像、赤色光による像
と緑色光による像の場合でも同じである。

本発明装置は、上記のような合焦位置からのズレによる
異なる二色の像の大きさと位置ズレを合焦検出の判断基
準とするものであって、比較手段により上記二色光の像
の大きさが比較され、判別手段によりピントのズレ量と
方向が判別される。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき、従来例と同一の部材に
は同一符号を付して、本発明を詳細に詳述する。先づ、
第４図は第１実施例を示しているが、図中、Ｐは観察光
学系Ｏ３に付設された撮影光学系であって、ビームスプ
リッタ３′により分割された光軸Ｏ３上に配置された結
像レンズ７とミラー８とを含んでいる。９は撮像面が結
像点６′と共役の位置に来るように撮影光学系Ｐの分割
光軸Ｏｓ上に配設されたカラーＴＶカメラ、１０はカラ
ーＴＶカメラ９の駆動を制御すると共に該カメラ９から
の撮像信号ａを受信するカメラコントロールユニット、
ｌｌはカメラコントロールユニット１０に接続されてい
て該ユニット１０からのカラーテレビ信号すを画像表示
するモニタであって、上記各要素によりＴＶ撮影可能の
公知の手術用顕微鏡システムＳＭが構成されている。１
２はカメラコントロールユニット１０に接続されていて
カラーテレビ信号すを受信して例えば緑色光による像と
青色光による像を比較する比較演算部、１３は比較演算
部１２からのピント信号Ｃを受信して図示しない顕微鏡
の照準部へ駆動信号ｄを出力する照準駆動制御部である
。第５図は上記比較演算部１２の構成を示している。図
中、１２１は例えばＮＴＳＣ等のコンポジット信号から
成る上記カラーテレビ信号すをＲ，Ｇ、Ｂ信号に分割す
る信号分解部、１２２は信号分解部１２１から入力され
るか或いはカラーＴＶカメラ９から直接入力されるＲ、
Ｇ、Ｂ信号のうち適時設定可能の二色の画像信号のみを
出力し得るゲート回路であって、ここでは緑色光による
画像信号と青色光による画像信号が出力されるように設
定されているものとする。１２３．はゲート回路１２２
から出力される青色光による画像信号（以下単にＢ像と
いう）を又１２３Ｇはゲート回路１２から出力される緑
色光による画像信号（以下単にＧ像という）を夫々記憶
するフレームメモリ、１２４はフレームメモリ１２３．
．１２３゜からの画像データをもとにＢ像−Ｇ像（以下
、単に（Ｂ−Ｇ）像という）、Ｇ像−Ｂ像（以下、単に
（Ｇ−Ｂ）像という）の演算処理を行う減算部、１２５
は減算部１２４での処理結果をもとに一定輝度以上の像
の面積を測定する面積測定部、１２６は面積測定部１２
５からの出力をもとにピントズレの方向を判定してピン
ト信号Ｃを出力するピント方向判定部である。

次に第６図に基づいて上記装置の作用を説明する。今、
標本Ｓとして第６図（ａ）に示す如き形状の物体を観察
した場合について説明する。標本Ｓがピント面にあれば
、第６図（ｂ）に示す如く、そのＧ像とＢ像は大きさが
ほぼ等しいから（Ｇ−Ｂ）像と（Ｂ−Ｇ）像の面積はほ
ぼ等しく、面積測定部１２５からの出力は実質上同じに
なって、ピント方向判定部１２６からはピント信号Ｃと
してピントが合っていることを示す信号が出力される。

これに対し、標本Ｓがピント面より遠ざかっていれば、
第６図（Ｃ）に示す如く、そのＢ像はＧ像によって覆わ
れるため、（Ｇ−Ｂ）像の面積は大きく、（Ｂ−Ｇ）像
の面積は零となる。又、標本Ｓがピント面より手前にあ
れば、第６図（ｄ）に示す如（、そのＧ像はＢ像によっ
て覆われるため、（Ｂ−Ｇ）像の面積は大きく、（Ｇ−
Ｂ）像像の面積は零となる。この場合、（Ｇ−Ｂ）像及
び（Ｂ−Ｇ）像の面積は標本Ｓのピント面からのズレ量
に比例して変化する（第７図参照）。従って、面積測定
部１２５からの出力が、（Ｇ−Ｂ）像の面積が（Ｂ−Ｇ
）像の面積よりも大きいことを示せば、ピント方向判定
部１２６は標本Ｓがピント面から遠ざかった位置にある
ことを示すピント信号Ｃを出力し、又、（Ｂ−Ｇ）像の
面積が（Ｇ−Ｂ）像の面積よりも大きいことを示せば、
ピント方向判定部１２６は標本Ｓがピント面より手前の
位置にあることを示すピント信号Ｃを出力する。照準駆
動部１３は、受信したピント信号Ｃのズレ方向をもとに
ピントズレのなくなる方向へ顕微鏡の照準部を動かす駆
動信号ｄを出力し、かくして合焦動作が行われる。

以上Ｂ像及びＧ像が選択された場合を例に作用を説明し
たが、本装置は設定可能のゲート回路１２２を備えてい
るので、観察される標本の色調に応じてピントズレの検
出し易い二色を選択することができ、従って常に正確な
ピント検出を行うことができる。例えば、生体観察にお
いては、赤血球の存在のため画像全体はＲ像が支配して
いてＢ像とＧ像の存在する部位は限定されるので、Ｂ像
とＧ像の相関性が高くＢ像とＧ像の比較がピント検出に
最適となる。又、半導体製造ラインにおける半導体の検
査等においては、赤色の色調を帯びている部分は少ない
ので、Ｂ像とＲ像の比較が正確なピント検出を行うのに
最適である。

上記第１実施例では、（Ｇ−Ｂ）像の面積と（Ｂ−Ｇ）
像の面積が等しい時ピントが合っているとした方式のも
のについて説明したが、光学系によりでは、（Ｇ−Ｂ）
像の面積と（Ｂ−Ｇ）像像の面積が等しくない場合にピ
ントが合うようにした方式のものもあるので、その場合
は、ピント検出の基準として（Ｇ−Ｂ）像の面積と（Ｂ
−Ｇ）像の面積との比が所定の一定値になった時ピント
が合っていると判断されるようにピント方向判定部１２
６の設定条件を変更すればよい。又、面積測定の対象を
一定輝度以上の像としたが、（Ｇ−Ｂ）像と（Ｂ−Ｇ）
像とで基準が異なってもよく、例えば、夫々フレームメ
モリ内のＧ像とＢ像の上下のピーク値の中間値としても
よい。

第８図は第２実施例を示している。この実施例は、左側
観察光軸ＯＬ上の結像点６に視野絞りを兼ねた表示部１
４が又右側観察光軸Ｏ８上の結像点６′に普通の視野絞
り１５が夫々設けられている点、カメラコントロールユ
ニット１０にカラーテレビ信号すをもとに比較演算部１
２とは異なる演算を行って比較演算部１２と同様のピン
ト信号Ｃを出力する比較演算部１６が接続されている点
。

及び比較演算部１６にピント信号Ｃをもとに表示部１４
に合焦位置方向を表示させるための表示信号ｅを出力す
る表示制御部１７が接続されている点で、第１実施例と
は異なる。第９図は上記比較演算部１６の構成を示して
いる。図中、１６１及び１６２は既述の信号分解部１２
１及びゲート回路１２２と同様の信号分解部及びゲート
回路、１６３はゲート回路１６２からのＢ像、Ｇ像の走
査信号を成るレベルをしきい値として二値化してＢ像が
ハイレベルの時のみリアルタイムで（Ｂ−Ｇ）像の減算
処理を行う減算部、１６４は減算部１６３に接続されて
いて減算部１６３の処理結果から一走査線内でハイレベ
ルの信号が何秒間持続したかを測定してＢ像をもとに一
フレームの区切りを検出し且つその一フレーム内での測
定された最大秒数を出力するタイムカウンタ、１６５は
タイムカウンタ１６４での測定時間をもとにピント信号
Ｃを出力するピント方向判定部である。第１θ図は上記
表示部１４の詳細を示しており、１４１は視野絞り、１
４２は上方へ照準部を動かすピントが合うことを点灯し
て示す発光ダイオード、１４３は下方へ照準部を動かす
とピントが合うことを点灯して示す発光ダイオードであ
る。

次に、第１１図及び第１２図を用いて上記第２実施例の
作用を説明する。第１１図において、ＳＬａ、ＳＬｂ、
ＳＬｃ、ＳＬｄ及びＳＬｅは夫々走査線を表わしている
。標本Ｓがピント面上にある時、走査線ＳＬａ上の二値
化されたＢ像及びＧ像は、第１２図（ａ）の１８ａ、１
９ａのようになり、（Ｂ−Ｇ）像は２０ａのようになる
。この（Ｂ−Ｇ）像はタイムカウンタ１６４へ送られ、
ハイレベルの時間ｔ、が測定されて、ピント方向判定部
１６５へ出力される。一方、標本Ｓがピント面から遠ざ
かっている時は、第１１図（Ｃ）に示された走査線ＳＬ
ｂ、ＳＬｃ上での二値化されたＢ像、Ｇ像は、夫々第１
２図（ｂ）のｔａｂ。

１９ｂ；１８ｃ、１９ｃのようになるが、（Ｂ−Ｇ）像
は２０ｂ、２０ｃのようにローレベルのままであり、タ
イムカウンタ１６４においてはハイレベルの時ｔｂ、ｔ
、は共に零と測定されて、ピント方向判定部１６５へ出
力される。又、標本Ｓがピント面より手前にある時は、
第１１図（ｄ）に示された走査線ＳＬｄ、ＳＬｅ上での
二値化されたＢ像、Ｇ像は夫々第１２図（ｃ）の１８ｄ
。

１９ｄ；１８ｅ、１９ｅのようになり、（Ｂ−Ｇ）像は
２ｎｄ、２０ｅのようになる。次に、この（Ｂ−Ｇ）像
はタイムカウンタ１６４に送られ、−走査線内でのハイ
レベルの最大値としてｉｄ＋ｔ、が測定されるが、−フ
レーム内での最大値はｔ６となり、この最大値ｔ、がピ
ント方向判定部１６５へ出力される。このように、標本
Ｓがピント面より遠ざかっていればタイムカウンタ１６
４からの出力値はｔ、より小さくなり、標本Ｓがピント
面より手前にあればタイムカウンタ１６４からの出力値
はｔ、より大きくなる。この作用をグラフで示せば第１
３図のようになる。ピント方向判定部１６５は、タイム
カウンタ１６４からの出力値が上記最大値ｔ、より大き
いか小さいかを判別して、ピント信号Ｃを出力する。表
示制御部１７は、ピント信号Ｃをもとに術者に合焦動作
を何れの方向に行えばよいかを知らせるため、表示信号
ｅを表示部１４へ出力して、発光ダイオード１４２．１
４３の何れかを点灯させる。尚、観察視野内に何もない
場合は、二値化されたＢ像はローレベルのままであるた
め減算部１６３での減算処理は行われず、タイムカウン
タ１６４には何も出力されない。従って、ピント方向判
定部１６５では上記時間ｔ、と比較されるべきデータが
ないことになるためピント信号Ｃは出力されず、表示制
御部１７は動作しない。又、上記時間ｔ、は光学系によ
って変わるので、ｔ、とじては使用する光学系に適した
値を設定すればよい。

このように上記第２実施例では、リアルタイムで判別で
きるのでピントズレの判定が早く而も合焦方向を視野内
に表示するだけに留めて合焦操作は術者にゆだねるよう
になっているので、装置が故障した場合でも安全である
。又、回路構成も比較的簡単で済むという利点もある。

尚、上記実施例で示したカラーＴＶカメラ９としては、
単管式又は三管式の何れであってもよいし、固体撮像素
子を用いるものにおいては単板式又は三板式の何れであ
ってもよいことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

上述のように、本発明によれば、合焦検出のために二つ
の像の大きさを比較するだけで済むようになっているか
ら、装置や回路の構成が簡単になるばかりか、合焦動作
を迅速且つ適確に行わせることが可能である。又、本発
明による合焦検出装置は、現在使用に供されているカラ
ーＴＶカメラ付きの手術用顕微鏡システムの如き従来の
光学機器システムにユニットの形で追加することができ
るから、顕微鏡鏡体の如き可動部の操作性を損なうこと
なしに而も比較的廉価にオートフォーカス機能を付与す
ることがで、き、その結果、手術時間の短縮、術者の疲
労軽減、安全な手術の遂行等を実現することができ、そ
の実用的効果は極めて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は手術用顕微鏡光学系の基本構成を示す図、第２
図は色収差による二つの色光の合焦位置のズレを示す図
、第３図は標本がピント面の前後にずれた場合の二つの
色光の合焦位置からのズレを示す図、第４図は本発明の
第１実施例を示す図、第５図は第１実施例における比較
演算部の内部構成を示すブロック図、第６図は標本の形
状の一例とこの標本がピント面にある場合及びピント面
の前後にある場合の二つの色光による結像状態、を夫々
示す図、第７図は表面のピント面からのズレと結像位置
における像の面積の変化との関係を示す線図、第８図は
本発明の第２実施例を示す図、第９図は第２実施例にお
ける比較演算部の内部構成を示すブロック図、第１０図
は第２実施例における表示部の一興体例を示す正面図、
第１１図は第６図と同様の図、第１２図は標本がピント
面にある場合及びピント１０前後にある場合の二つの色
光による画像信号の変化を夫々示すタイムチャート、第
１３図は第２実施例におけるタイムカウンタからの出力
の変化を示す線図である。 ０、・・・・観察光学系、Ｐ・・・・撮影光学系、ＳＭ
・・・・手術用顕微鏡システム、９・・・・カラーＴＶ
カメラ、ｌＯ・・φ・カメラコントロールユニット、ｌ
ｌ・・・・モニター　１２．１６・・・・比較演算部、
１３・・・・照準駆動制御部、１４・・・・表示部、１
５・・・・視野絞り、１７・・・・表示制御部。 第３図 Ｐ４ 図 ｉ ５す 才１１図 ＩＰ１２図 才９図 １Ｐ１３図 才１０図 表示 書（自発） 特願平１−２７５２４０号 合焦検出装置 ６、補正の内容 （１）　　明細書第６頁６行目の「右」をｒ左」と訂正
する。 同第６頁７行目（７）ｒｏｗ　Ｊをｔｏｔ、Ｊと訂正す
る。 同第９頁７行目の「９」の後にｒ又はカメラコントロー
ルユニット１０１を挿入する。 同第１４頁１１行目の「・・・・動かす」の後に１と１
を挿入する。 図面中、第４図を別紙添付の通り訂正する。 （２） （４） （３） （５） 〒１０５東京都港区新橋５の１９

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. カラー電子撮像装置を備えた光学装置において、カラー
   電子撮像装置により得られたＲ、Ｂ、Ｇ画像のうちの少
   なくとも二つの画像の大きさを比較する比較手段と、該
   比較手段による比較結果からピントズレの量と方向を判
   別し得る判別手段とを備えたことを特徴とする合焦検出
   装置。