JPH03217807A - 合焦点条件検出方法 - 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〕 この発明は、撮像光学装置を用いて得られた画像データ
に基いて、撮像光学装置の合焦点条件を検出する方法に
関する。

〔従来の技術〕

撮像光学装置の焦点を自動的に調節する方法としては、
例えば特開昭６１−１２２６１７号公報に開示されてい
るものが知られている。この方法では、画像の隣接画素
間の輝度（または濃度）の差分を求め、その差分が最大
になるようにレンズと結像面との距離を制御している。

この方法は、画像内に輝度変化が大きな輪郭線が存在す
る場合に有効である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の方法では、画像内の輝度の変化が緩やか
な場合には、レンズと結像面との距離を変えても隣接画
素間の輝度の差分に顕著な変化が見られないことがある
。従って、この場合には合焦点となる条件（ここではレ
ンズと結像面との距離）を見出すのが難しいという問題
があった。

また、輪郭線部分における隣接画素間の輝度の差分が大
きい場合でも、解像度を上げるために画素のサイズを小
さくすると、隣接画素間の輝度変化が緩やかとなってし
まい、この結果、合焦点条件を精度良く見出すのが難し
いという問題があった。

〔発明の目的〕

この発明は、従来技術における上述の課題を解決するた
めになされたものであり、隣接画素間の輝度変化が緩や
かな場合でも、合焦点条件を精度良く検出することので
きる合焦点条件検出方法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〕 上述の課題を解決するため、この発明は、撮像光学装置
が合焦点となる条件を検出する合焦点条件検出方法にお
いて、（ａ）前記撮像光学装置を用いて被観察物の画像
の輝度を画素ごとの画像データとして取得し、（ｂ）前
記画像の少なくとも一部の処理領域内において所定の処
理ウィンドウを移動させつつ、前記処理ウィンドウ内に
おいて互いに隣接しない画素同士の画像データの差分を
所定の複数の方向に沿って求めるとともに、前記複数の
方向における前記差分のうちの最大値を前記処理ウィン
ドウの各位置で求め、（Ｃ）前記差分の最大値を前記処
理領域内で加算することによって差分和を求めるととも
に、（ｄ）前記差分和が最大となる前記撮像光学装置の
焦点調整条件を、合焦点条件として検出する。なお、所
定の複数の方向は、４５″おきに配置された第１ないし
第４の方向を含むようにしてもよい。

〔作用〕

処理ウィンドウ内の互いに隣接しない画素同士の画像デ
ータの差分に基いて差分和を求め、この差分和に基いて
合焦点条件を検出するので、輝度を表わす画像データの
変化が緩やかな場合にも差分和が大きな値となり、合焦
点条件を精度良く検出できる。

また、差分和は、複数の方向における差分の最大値を処
理領域内で加算することによって求められているので、
輪郭線の向きに係わらず、合焦点条件を精度良く検出で
きる。特に、複数の方向として前記第１ないし第４の方
向を含むようにすれば、この点でより好ましい。

〔実施例〕

Ａ．装置の構成 第９図は、この発明の一実施例を適用する装置としての
測長装置を示す斜視図である。この測長装置の測定部１
は、４本の脚部１１の上に図示しないエアパッド（空気
ばね）を介して基盤１２が支持されており、この基盤１
２の上には測定テーブルｌ３がＹ方向に移動自在に設け
られている。

基盤１２の後端部の上に立設された箱体１４の前面には
レール板１５が固定されている。レール板１５には移動
体１６がＸ方向に移動自在に取付けられており、この移
動体１６に顕微鏡１７と２次元ＣＣＤカメラ１８とが固
定されている。基盤１２の前面には、Ｘ軸移動ノブ１９
ａとＹ軸移動ノブ１９ｂとが設けられている。オペレー
タがＸ　Ｉｄｌ移動ノブ１９ａを回すことにより、移動
体１６がＸ方向に移動し、Ｙ軸移動ノブ１９ｂを回すこ
とにより、測定テーブル１３がＹ方向に移動するように
なっている。基盤１２の下部には電装部１０が設けられ
ている。この電装部１０には、後述するマイクロコンピ
ュータなどの、測定部ｌを制御する装置が内蔵されてい
る。

この測定部１に隣接して、操作部２が設けられている。

操作部２のテーブル２１の前部には操作バネル２２が設
けられており、また後部にはＣＯＤカメラ１８で撮像し
た画像を表示するためのモニター２３とパーソナルコン
ピュータ２４とが設置されている。操作バネル２２は、
ジョイスティック２２ａやキーボード２２ｂなどを有し
ている。

オペレータは、ジョイスティック２２ａを操作すること
により、移動体１６をＸ方向に、また、測定テーブル１
３をＹ方向に図示しないモータによってそれぞれ移動さ
せることができる。また、キ−ボード２２ｂを操作する
ことによって種々の測定モードや、測定データの統計処
理方法などを選択できるようになっている。また、オペ
レータはこのパーソナルコンピュータ２４を用いて、測
定部１０に自動的に測長を行なわせるための測定プログ
ラムの作成などを行なうことができる。なお、このパー
ソナルコンピュータ２４には周辺機器としてキーボード
２４ａ，マウス２４ｂ．プリンター２４ｃなどが備えら
れている。

第１図は、上述した測長装置の電気的構成の一部を示す
ブロック図である。図において、電装部１０には、Ａ／
Ｄ変換器３０と、画像メモリ４０と、マイクロコンピュ
ータ５０と、バルスモータドライブ回路６０とか備えら
れている。ＣＣＤカメラ１８で撮像して得られた被観察
物ＯＢの画像データＤｉは、Ａ／Ｄ変換器３０でＡ／Ｄ
変換された後、画像メモリ４０に格納される。そして、
マイクロコンピュータ５０は、この画像メモリ４０から
所要の画像データＤ１を読出して後述する処理を行う。

マイクロコンピュータ５ｏは、ＣＰＵ５１とＲＡＭ５２
とを備えている。ＣＰＵ５１は、雑音成分除去手段５１
ａと、輝度差データ演算手段５ｌｂと、輝度差データ加
算手段５１ｃと判定手段５１ｄとを備えている。これら
の手段５１ａ〜５１ｄは、いずれも制御プログラムによ
ってＣＰＵ５１が行なう処理の内容を表わしたものであ
る。なお、これらの手段５１ａ〜５１ｄの処理内容につ
いてはさらに後述する。ＣＰＵ５１は、バルスモータド
ライブ回路６ｏにパルス信号Ｓ　を与え、ｐ パルスモータドライブ回路６ｏは、このパルス信号Ｓ，
に応じて顕微鏡１７の上下位置を調整するためのパルス
モーター７ａを駆動する。

Ｂ．実施例の手順 第２図は、この実施例の手順を示すフローチャートであ
る。

ステップＳ１では、被観察物ＯＢを測定テーブル１３の
上に載置するとともに、測定テーブル１３と移動体１６
とを動かすことにより、被観察物ＯＢ上の所望の測定位
置に顕微鏡１７を位置決めする。なお、被観察物ＯＢは
、例えば、ガラス基板の上に作成された液晶パネル用パ
ターンや、そのパターンの焼付けに使用されるマスクな
どである。

ステップＳ２では、顕微鏡１７の高さを調整し、焦点が
ほほ合うようにする。なお、この調整は、顕微鏡１７に
設けられているノブ（図示せず）を用いてオペレータが
手動で行う。

ステップＳ３では、２次元ＣＣＤカメラ１８によって被
観察物ＯＢの画像を撮像する。これによって、例えば５
１２Ｘ４８５画素からなる画像が得られる。この画像の
輝度を表わす画像データＤ．は、前述したように、Ａ／
Ｄ変換器３０でＡｌ ／Ｄ変換された後、画像メモリ４０に格納される。

ステップＳ４〜Ｓ７は、ＣＰＵ５１によって行なわれる
処理である。ステップＳ４では、画像メそり４０に格納
されている画像データＤＩの中から、所定の処理領域内
の画像データＤ１がＣＰＵ５１によって読出される。第
４図は処理領域ＰＡの例を示す説明図である。この処理
領域ＰＡは５ＯＸ５０個の画素Ｐで構成されている。な
お、１つの画素Ｐの一辺の長さは例えば０．３〜０．４
μｍ程度である。処理領域ＰＡとしては、例えば２次元
ＣＣＤ１８で撮像された画像の中心に存在する５０Ｘ５
０画素の領域が選ばれる。

ステップＳ５では、雑音成分除去手段５１ａによって処
理領域ＰＡの画像データＤ．のスムージ１ ング処理が行なわれる。このスムージング処理には、例
えば３×３画素で構成されてるメディアンフィルタ（中
央値フィルタ）を用いる。メディアンフィルタは、よく
知られているように、フィルタ内の画素の輝度値を小さ
い方から順番に並べて、その中央値（３×３画素のフィ
ルタの場合には５番目の値）をフィルタの中心画素にお
ける輝度値とするフィルタである。このようなスムージ
ング処理を行なうことによって、画像データＤｉの雑音
成分を除去することができる。この実施例では３×３画
素のメディアンフィルタを使用するので、処理領域ＰＡ
の中でスムージング処理を行った後の画像データＤ１ａ
が得られるのは、第４図に示す４８Ｘ４８画素の領域Ｐ
Ａ１　（以下、「第１の有効領域」と呼ぶ。）内の画素
のみてある。

ステップＳ６では、雑音成分が除去された画像データＤ
１，が、雑音成分除去手段５１ａから輝度差データ演算
手段５１ｂに与えられ、ここで輝度差データＢ　（１，
ｊ）が算出される。第５図は、輝度差データＢ　（１．
ｊ）を求めるための処理ウインドウＷを示す説明図であ
る。この処理ウィンドウＷは、３×３画素ブロックで構
成されている。この処理ウィンドウＷの中心画素Ｐ　．
の輝度をＸ（１とし，Ｉ・Ｊ その右隣りの画素Ｐ，　．の輝度をｘ１とする。

１＋１　．　３ そして、処理ウィンドウＷの周辺部の他の画素の輝度を
、画素Ｐ　　．から反時計回りにそれぞれ１＋ｌ．Ｊ ｘ２〜ｘ８であるとする。このとき、中心画素Ｐ　．に
おける輝度差データＢ　（ｉ．ｊ）は、次式でｌ・Ｊ 与えられる。

Ｂ　（ｌ．ｊ）　−ＭＡＸ　（　ｌ　Ｘｋ＋４−　Ｘｋ
＋　）−（１）ここで、ｋ−１〜４てある。

言い換えれば、４つの輝度差の絶対値ｌｘ５Ｘ　１〜ｌ
ｘ　　　ｘ４ｌのうちで、最大のものを１８ 中心画素Ｐ　　の輝度差データＢ　（１，ｊ）とするの
１．ｊ である。なお、上記の４つの輝度差ｌ　Ｘ　５　　Ｘ　
１〜ｌｘ　　　ｘ４　１は、処理ウィンドウＷの周辺８ に存在し、かつ、互いに向い合う画素同士の輝度の差で
ある。スデツプＳ６の処理は、第１の有効領域ＰＡｌ内
で行なわれるが、ここでは処理ウィンドウＷを用いて処
理しているので、輝度差データＢ　（１．ｊ）が得られ
るのは、第４図に示す４６×４６画素の領域ＰＡ２　（
以下、「第２の有効領域」と呼ぶ。）内の画素のみてあ
る。輝度差データＢ（１，ｊ）は、このように、互いに
隣接しない２つの画素同士の輝度の差なので、輝度変化
が緩やかな場合にもその値が比較的大きくなるという利
点がある。

ステップＳ６では、さらに、第２の有効領域ＰＡ２内の
各画素に対する輝度差データＢ　（ｉ，ｊ）が輝度差デ
ータ加算手段５１Ｃによって加算され、次式のように、
コントラストデータＣが得られる。

ここで座標（１．ｊ）は処理領域ＰＡ内の画素について
定義されている。

このコントラストデータＣは、顕微鏡１７の高さを示す
データとともに、判定手段５１ｄに与えられ、ここに格
納される。

以上の処理によって、ステップＳ２でセットされた顕微
鏡１７の高さにおける処理が終了する。

次にステップＳ７において、判定手段５１ｄにより合焦
点の判定を行なう。第８図は、合焦点位置付近における
、コントラストデータＣと顕微鏡１７の高さｈとの関係
を示す図である。この図から明らかなように、コントラ
ストデータＣは、顕微鏡の位置ｈにおける合焦点位置に
おいて最大値をとる曲線となる。

従って、顕微鏡１７の高さｈを、後述するステップＳ８
において、所定の昇降量だけ変化させ、それぞれの高さ
において前述したステップ８３〜Ｓ６をくり返すことに
よりコントラストデータＣを求め、このコントラストデ
ータＣが最大となる点、すなわちこのコントラストデー
タＣの変化量が増加から減少となる点をみつけ出すこと
により、合焦点位置を判定することができる。

第３図は、ステップＳ７における判定手段５１ｄの判定
手順の一例を示すフローチャートであり、このフローチ
ャート においてＣ　は顕微鏡１７の高さがｈ　のときのｎｎ コントラストデータを示す。また、ｎはステップ８３〜
Ｓ６の処理を実行した回数を示す。なお、ステップＳ８
においては、ＣＰＵ５１からパルスモータドライブ回路
６０に、顕微鏡１７の昇降量に相当するパルス数のパル
ス信号Ｓ　を与えるこｐ とによって顕微鏡１７の昇降が行なわれる。具体的には
、例えば、ｌμｍだけ顕微鏡１７の高さを上げるように
する。なお、適度な昇降量は顕微鏡１７の倍率に応じた
焦点深度に依存する。通常は、顕微鏡１７の１回の昇降
量を焦点深度よりも小さく設定しておけば、合焦点とな
る高さをうまく見出すことができる。

ステップＳ７において合焦点の判定ができるまてステッ
プ８３〜Ｓ８の処理が繰返され、所定の回数の処理が行
なわれると、判定手段５１ａによって合焦点位置が判定
される。第６Ａ図と第６Ｂ図とは、顕微鏡高さの異なる
２つの条件における画像の輝度Ｄ１ａ及び輝度差データ
Ｂの分布を示す説明図である。第６Ａ図はピントが合っ
ていない状態に対応しており、第６Ｂ図はピントが合っ
た状態に対応している。なお、これらの図は、図示の便
宜上、１次元の輝度分布について示している。

また、参考のために、隣接画素同士の輝度の差分をとっ
た輝度差ＢＢも併せて示している。これらの図からわか
るように、ピントが合った条件では、輝度差データＢが
大きくなり、従って、コントラストデータＣも大きくな
る。そこで、コントラストデータＣの値が最大となる顕
微鏡高さを合焦点位置と決定することができる。なお、
図からわかるように、この実施例による輝度差データＢ
は、隣接画素同士の輝度差ＢＢよりも大きな値となるの
で、合焦点位置をより正確に判定することができる。

ステップＳ７で合焦点位置が決定されると、スチップＳ
９において、ＣＰＵ５１がパルス信号Ｓ　をパルスモー
タドライブ回路６０に与えるこｐ とによって、顕微鏡１７の高さを合焦点位置に合わせる
。こうして焦点合わせをしたあと、ステップＳ１０にて
測長を行なえば、ピントが合った状態で精密な測長を行
なうことができる。

上述したように、コントラストデータＣは、互いに隣接
しない２つの画素同士の輝度の差として求められた輝度
差データＢ　（１．ｊ）に基いて得られているので、顕
微鏡高さを変化させたときのコントラストデータＣの変
化が従来の方法に比べて大きくなる。従って、合焦点位
置を容易に判定できるという利点がある。特に、偶然的
なノイズ成分によってコントラストデータＣにピークが
発生するような場合にも、これを合焦点位置と誤認する
ことを防止することが容易である。また、輝度差データ
Ｂ　（１．ｊ）は、１方向に沿って配列された画素同士
の輝度の差のみでなく、複数の方向（上記の例では、ｉ
方向１　ｊ方向およびこれらと４５°傾いた２つの方向
）に沿って配列された画素間の輝度の差に基いて得られ
ている。従って、輝度差の大きい輪郭線がｉ方向（また
はｊ方向）に平行な場合にも、輝度差データＢ　（１．
ｊ）の値が大きくなるので、合焦点位置を容易に見出す
ことかできるという利点がある。また、ｉ方向やｊ方向
から４５゜傾いた方向での輝度の差にも基いて輝度差デ
ータＢ　（Ｉ，ｊ）を求めているので、輪郭線がｉ方向
やｊ方向から傾いている場合にも、輝度差データＢ　（
ｔ，ｊ）が大きな値に保たれる。従って、この場合も合
焦点位置を容易に見出すことができるという利点がある
。

Ｃ．変形例 なお、この発明は上記実施例に限られるものではなく、
例えば次のような変形も可能である。

■輝度差データＢ　（１，ｊ）を求めるための処理ウィ
ンドウＷは、第５図に示すものに限らず、種々のちのが
考えらる。第７Ａ図，第７Ｂ図は、それぞれ輝度差デー
タＢ　（１，ｊ）を求めるための他の処理ウィンドウＷ
，Ｗｂを示す説明図である。

ａ 第７Ａ図の処理ウィンドウＷ　では、周辺の１ａ ２個の画素における輝度を反時計回りにｘ１〜ｘ１２で
あるとしている。このとき、輝度差データＢ　は（１）
式のかわりに次式で与えられる。

ａ Ｂ　　−ＭＡＸ　（ｌ　ｘ　　　−ｘ　　Ｉ）　　　−
（３）．　　　　　　　　ｋ＋６　　　ｋ ここで、ｋ−１〜６てある。

なお、この輝度差データＢ　は、前述の輝度差ａ データＢ（ｔ．ｊ）のように特定の画素に対応している
わけではなく、第１の有効領域ＰＡ１内における処理ウ
ィンドウＷ　の位置に対応している。処ａ 理ウィンドウＷ　は、第１の有効領域ＰＡ１の中ａ を移動しつつ、その各位置ごとに、輝度差データＢ　を
求めていく。従って、第７Ａ図の処理ウィａ ンドウＷ　を用いると、第１の有効領域ＰＡ１のａ 中で、４５Ｘ４５個の輝度差データＢａを得ることがで
きる。

第７Ｂ図の処理ウィンドウＷｂでは、中心の画素の輝度
をＸ　，周辺の１６個の画素の輝度を０ ｘ１＝ｘｌＢとしている。このとき、輝度差データＢ５
を次式で与えることもできる。

Ｂ　　−Ｍ　Ａ　Ｘ　（　ｌ　ｘ　ｋＸ　Ｏ　　ｌ　）
　　　　＝・（４）ｂ ここて、ｋ−１〜１６てある。

この輝度差データＢ５は、（１）式で与えられる輝度差
データＢ　（１．ｊ）と同様に、互いに隣接しない画素
同士の輝度の差でる。但し、この処理ウィンドウＷ，を
使用した場合には、第１の有効領域Ｐ　Ａ　１の中で、
４４Ｘ４４個の輝度差データＢｂが得られる。

なお、以上の説明では、処理ウィンドウＷの周辺画素の
輝度をすべて用いて輝度差データを求めていたが、その
一部の画素の輝度のみを用いて輝度差データを求めても
よい。すなわち、処理ウィンドウ内において互いに隣接
しない画素同士の輝度の差を複数の方向で求め、この輝
度の差の最大値を輝度差データとすればよい。

■上記実施例では、２次元ＣＣＤ１７によって画像の輝
度（または濃度）を表わす画像データが得られるものと
した。被観察物ＯＢがカラーの場合には、フィルターを
かけて色分解することにより、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の輝度を
表わす画像データを得ることができる。この場合には、
Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかの１つの色の画像データに基いて
上述の処理を行ってもよく、また、これらの各色の画像
データ間の所定の和に基いて上述の処理を行ってもよい
。

■上記実施例では、顕微鏡１７の高さを調整することに
よって、焦点を合わせるようにした。しかし、このよう
に、光学観察系と被観察物との距離を調整する装置のみ
でなく、光学観察系の焦点距離を変化させることによっ
て、焦点を合わせるような装置にも適用できる。この場
合には、光学観察系の焦点距離が合焦点条件となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、処理ウィンド
ウ内の互いに隣接しない画素同士の画像データの差分に
基いて差分和を求め、この差分和に基いて合焦点条件を
検出するので、輝度を表わす画像データの変化が緩やか
な場合にも差分和が大きな値となり、合焦点条件を精度
良く検出できるという効果がある。

また、差分和は、複数の方向における差分の最できると
いう効果がある。特に、複数の方向として、４５°おき
に配置された第１ないし第４の方向を含むようにすれば
この効果がより大きくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を適用した測長装置の電気的構成の
一部を示すブロック図、 第２図および第３図は、この発明に係る実施例の手順を
示すフローチャート、 第４図は、処理領域を示す概念図、 第５図は、処理ウィンドウを示す概念図、第６Ａ図およ
び第６Ｂ図は、輝度と輝度差データとの分布を示す説明
図、 第７Ａ図および第７Ｂ図は、他の処理ウィンドウの例を
示す概念図、 第８図は、コントラストデータと顕微鏡の位置との関係
を示す説明図、 第９図は、この発明の一実施例を適用する測長装置を示
す斜視図である。 １７・・・顕微鏡、　　１８・・・２次元ＣＣＤ，Ｄ１
ａ・・・輝度データ、Ｂ　（１．ｊ）・・・輝度差デー
タ、Ｃ・・・コントラストデータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）撮像光学装置が合焦点となる条件を検出する合焦
   点条件検出方法であって、 （ａ）前記撮像光学装置を用いて被観察物の画像の輝度
   を画素ごとの画像データとして取得し、（ｂ）前記画像
   の少なくとも一部の処理領域内において所定の処理ウィ
   ンドウを移動させつつ、前記処理ウィンドウ内において
   互いに隣接しない画素同士の画像データの差分を所定の
   複数の方向に沿って求めるとともに、前記複数の方向に
   おける前記差分のうちの最大値を前記処理ウィンドウの
   各位置で求め、 （ｃ）前記差分の最大値を前記処理領域内で加算するこ
   とによって差分和を求めるとともに、（ｄ）前記差分和
   が最大となる前記撮像光学装置の焦点調整条件を、合焦
   点条件として検出することを特徴とする合焦点条件検出
   方法。
2. （２）所定の複数の方向は、４５°おきに配置された第
   １ないし第４の方向を含む請求項１記載の合焦点条件検
   出方法。