JPH06337357A

JPH06337357A - 顕微鏡の自動焦点調整装置

Info

Publication number: JPH06337357A
Application number: JP5127629A
Authority: JP
Inventors: Sorai Ou; 素莉王
Original assignee: Nireco Corp
Current assignee: Nireco Corp
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】測定標本の種類によらず自動焦点調整を可能
とする。【構成】顕微鏡１の測定資料用ステージ１４を移動さ
せる移動機構１５と、顕微鏡１の結像を撮像する撮像装
置１３と、撮像した画像の濃度分布を求め解析処理する
画像処理装置６，７，８と、濃度分布の解析結果により
濃度分布のばらつきが最大となるよう移動機構１５を制
御する制御部６，９から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡の自動焦点調整
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＶカメラなどの撮像装置を光学顕微鏡
に直結し、その生成した画像をＡ／Ｄ変換してディジタ
ル画像メモリに取り込み、解析処理する画像解析装置が
使用されている。撮像対象として金属組織、生物組織な
ど広範囲のものが対象となり、顕微鏡の焦点を合わせた
後、面積、粒度、粒数、各種の径、円形度などを画像解
析を用いて測定するときには、自動計測が行われるが、
この場合、自動焦点機能が必要となる。つまり、同一倍
率で、同一ステージ上の測定資料の多数の箇所を測定す
るとき、各測定箇所ごとに焦点合わせが必要となる。ま
た、同一箇所を倍率を変更して見る時、倍率ごとに焦点
合わせが必要となる。このようなとき、１つの資料、１
つの倍率について手動で焦点を合わせて測定し、その後
移動又は倍率変更のとき自動焦点合わせが行われる。

【０００３】従来行われている焦点合わせの方法は、測
定資料用ステージのある位置において撮像された濃淡画
像の平均濃度変化を求め、ステージを移動し、各位置ご
とに求めた平均濃度変化が最も大きくなるステージの位
置を合焦点とする。これは焦点が合うと輪郭が明るくな
り、明暗の差が最大となることを利用したもので、焦点
深度内に入っているならば焦点は合ったものとしてい
る。各濃淡画像の平均濃度変化を求める方法としては、
走査各ラインにおける画素の濃淡度の微分値の最大値を
求め、これを各走査毎に加算して平均化した値を用い
る。演算速度向上のため、濃淡画像内の適当な範囲を限
定することや、走査線をサンプリングして本数を減らす
ことも行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の方法で
自動焦点合わせを行う場合、図７（ａ）に示す金属標本
のように境界が明瞭な場合、焦点合わせがうまくゆく
が、（ｂ）に示す細胞核のような生物系の標本では焦点
合わせがうまく行えない場合がある。細胞核の場合、核
の周囲は透明な硝子形質となっており、エッジ特性が金
属組織と異なっている。細胞核の場合、倍率を大きくし
て濃度変化の大きい所を求めると、核の周辺に複数のピ
ークが表れ、濃度変化のピークを利用して焦点調整した
ものと、手動により焦点調整したものとが一致しないこ
とが多かった。

【０００５】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、濃度分布のばらつきの最も大きい画像を焦点の合
っている画像とすることにより、標本の種類によらず合
焦点を得ることのできる顕微鏡の自動焦点調整装置を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、顕微鏡の対物レンズの光軸上に設けられた測定資料
用のステージを光軸に添って移動させるステージ移動部
と、前記ステージ上の測定資料に対する顕微鏡の結像を
撮像する撮像装置と、この撮像装置の撮像した濃淡画像
の濃度分布を求め解析処理する画像処理装置と、この画
像処理装置の処理結果により前記ステージ移動部を制御
する制御部とを備え、前記制御部は前記画像処理装置で
得られる濃淡画像の濃度分布のばらつきが最大となるよ
う前記ステージ移動部を制御するものである。

【０００７】また、前記濃淡画像の濃度分布のばらつき
として濃度分布の標準偏差を用いるものである。

【０００８】

【作用】焦点が合っていないぼけた画像は濃度の差が小
さい。焦点が合うと濃淡の差が明確になり、濃淡の分布
が拡大する。特に濃淡画像の原画像を微分した微分画像
を用いると濃淡差大の所と差のない所に分かれて濃淡の
分布が拡大する。図２は横軸に濃度をとり、縦軸に各濃
度を有する画素数をとったヒストグラムで、（ａ）はぼ
けた画像、（ｂ）は合焦点の画像を示す。ぼけた画像は
濃度の差が少ないため、平均濃度の周りに濃度が集中す
るが、合焦点の画像は濃淡の差がはっきりして濃淡の分
布が広くなっている。本発明は、このことを利用して、
濃度のばらつきが最大となる画像を合焦点の画像として
焦点合わせを行う。

【０００９】濃度分布のばらつきを表す指標としては、
画素の濃度分布のヒストグラムを求め、この標準偏差を
用いる。標準偏差の最大となる画像を得るようなステー
ジの位置が合焦点位置である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本実施例の構成を示すブロック図である。
顕微鏡１には接眼レンズ部に撮像用レンズを取り付け、
この撮像レンズを通して撮像する撮像装置１３が取り付
けられている。測定資料を載せるステージ１４は、スタ
ンドに設けたパルスモータで上下方向に移動させる移動
機構１５により位置調整が行われ、位置信号を後述する
オートフォーカスドライバ９に送信し、移動制御信号を
受信してステージ１４の上下方向の移動を行う。Ａ／Ｄ
変換器２は撮像装置１３から入力データをアナログから
ディジタルに変換し、入力バッファ３はこのディジタル
データを一時的に格納する。バス４は信号の伝達を行
い、プログラムメモリ５は本装置の動作を定めるプログ
ラムを格納し、ＣＰＵ６はこのプログラムに従い装置全
体の制御を行う。

【００１１】画像処理プロセッサ７は入力した画像デー
タの濃淡処理、画像解析などを行い、濃淡画像メモリ８
は濃淡画像データを格納する。オートフォーカスドライ
バ９は画像処理プロセッサ７の行う画像解析結果により
ＣＰＵ６から移動機構１５への制御命令を受け、移動機
構１５を制御すると共に、ステージ１４の位置データを
ＣＰＵ６にフィードバックする。出力バッファ１０は出
力するデータを一旦格納し、Ｄ／Ａ変換器１１はこの出
力データをディジタルよりアナログに変換し、ＣＲＴ１
２はこの出力データを画面に表示する。

【００１２】次に画像処理について説明する。撮像装置
１３から出力されるアナログの画像データはＡ／Ｄ変換
器２でディジタルデータに変換され、濃淡値を有する画
素となり、この画素の集まりが画面を構成する。これを
原画像と言うが、画像の濃度変化を調べるには微分画像
の方が好ましい。１次微分画像は濃度変化の特徴を抽出
するのに適しており、２次微分画像は照明やレンズ歪み
などゆっくりした変化を除去してシェーディング補正も
兼用するので、２次微分画像の方が濃度変化を調べるに
は適している。微分は一方向よりもｘ軸、ｙ軸の二方向
で行った方が、像の方向性の影響が除かれるので好まし
い。なお、微分処理をするか否かは測定対象によっても
異なり、金属組織の場合は原画像でもよいが、生物組織
の場合は２次微分画像が好ましい。なお、微分画像を求
める手法については、画像に関する各種文献により公知
である。（例えば、「画像認識のはなし」、木内雄二
著、４３〜４９頁、昭和５９年５月２５日版、日刊工業
新聞社）

【００１３】このような原画像または微分画像の各画素
の濃度分布を調べるためヒストグラムを作成する。図３
はヒストグラムを示し、横軸には画素の濃度を示し、縦
軸にその濃度を有する画素数を示す。図２で説明したよ
うにぼけた画像は濃度差が少ないため、（ａ）に示すよ
うに平均値のまわりに集まり標準偏差σは小さい。これ
に対し焦点が合うと濃度の差が明確になって濃淡の分布
が拡大し、（ｂ）に示すようにばらつきが大きくなり標
準偏差が大きくなる。実測値の一例によると、濃度段階
２５６のとき濃度分布標準偏差は合焦点原画像８．７に
対し、焦点が合っていないと６．２であるが、Ｘ，Ｙ方
向２次微分画像では合焦点時１７．４に対して焦点が合
っていないと８．８と約半分であり、微分の効果は大き
い。

【００１４】そこで本実施例では合焦点位置を含む所定
の範囲についてステージの位置を移動し、各ステージの
位置ごとに得られる画像の原画像または微分画像のヒス
トグラムから標準偏差を求め、この標準偏差が最大とな
る位置を合焦点位置とし、この位置にステージを移動さ
せる。この標準偏差は濃度のばらつきを示す指標の１つ
として用いたものであるが、図３に示すようにヒストグ
ラム分布数最大値の５０％の値の幅Ｌを用いてもよい。
なお、５０％でなくその他一定比率の所でもよい。この
ようにすると統計処理が簡単になるが、領域内に複数の
ピークが存在する時には誤判断をするおそれがある。

【００１５】次にステージを移動させるピッチについて
説明する。顕微鏡１の対物レンズの焦点深度内であれば
どこでも焦点は合っているものとし、この焦点深度をＢ
とし、これを基準にステージを移動させるが、Ｂごとに
移動させるのでは時間がかかり過ぎるのでＡ＝ｋＢとし
（ｋは整数）、距離Ａごとにステージを移動させ、この
最大標準偏差の位置ｆを見出す粗調整を行い、このｆの
位置の上下Ａの範囲をピッチＢで移動して、この範囲の
最大標準偏差の位置を合焦点位置とする。本実施例では
ｋ＝３としたが、これは適宜変更してもよい。なお、対
物レンズ倍率を４０倍とするとＢ＝１μｍである。本実
施例ではステージ１４の移動機構１５のパルスモータ
は、１μｍ＝５パルスに設定してあるので、オートフォ
ーカスドライバ９の指示はパルス数で指示される。この
ため距離Ａのパルス数ａは、ａ＝５Ａ＝５ｋＢ，距離Ｂ
のパルス数ｂは、ｂ＝５Ｂで表される。

【００１６】次に図４、図５に示す自動焦点フロー図に
より焦点位置を定める動作を説明する。ステージ１４の
移動方向を上下方向とし、これをＺ軸とする。ｋ＝３と
し、焦点深度Ｂの３倍で粗調整を行う。また粗調整範囲
は移動ピッチＡ＝３Ｂの２ｎ倍とする。ここにｎは、そ
れぞれの顕微鏡の倍率ごとに定まるステージの概略焦点
位置から上方又は下方への移動調整範囲をＡで割った値
である。

【００１７】図４において、まずスタート位置からステ
ージの上方向にｎａパルス移動する（ＳＴ１）。これは
スタート位置を中心に上方向へｎａパルス、下方向へｎ
ａパルスの範囲を測定範囲とするためである。移動した
ステージ位置でのピクチャー画像（原画像）を入力する
（ＳＴ２）。次にこの画像を１次または２次微分処理し
（ＳＴ３）、この微分画像の各画素の濃度分布の標準偏
差を計算する（ＳＴ４）。カウンタを１つ減じてＮ＝２
ｎ−１とし（ＳＴ５）、Ｎが負でなければ（ＳＴ６）、
ステージをＺ軸下方へ１ピッチ（ａパルス）移動し（Ｓ
Ｔ７）、その位置でのピクチャー画像を入力し、微分処
理して標準偏差を計算する（ＳＴ２〜ＳＴ４）。このよ
うにして、スタート位置より上方へｎ個、スタート位置
の１個、下方へｎ個の合計２ｎ＋１個の標準偏差のデー
タが得られる。

【００１８】次にこの２ｎ＋１個の標準偏差の最大値と
その位置を求める（ＳＴ８）。この標準偏差最大位置へ
ステージを移動する。この位置が粗い調整位置ｆであ
る。（ＳＴ９）。図６はステージの移動位置と標準偏差
の値を示す図である。本図はｎ＝４の場合を示し、スタ
ート位置がｆの位置となっている。

【００１９】図５に移り、焦点深度単位の移動を行う。
まず移動ピッチを焦点深度（ｂパルス）として、ステー
ジをＺ軸下方に１ピッチ（ｂパルス）移動し（ＳＴ１
０）、ピクチャー画像を入力して（ＳＴ１１）、微分処
理し（ＳＴ１２）、微分画像の標準偏差（ｓ，ｄ）を計
算する（ＳＴ１３）。この標準偏差ｓ，ｄがＳＴ８で求
めたｍａｘｆより大きければ（ＳＴ１５）、ＳＴ１０〜
ＳＴ１３をｍａｘｆより小さな標準偏差ｓ，ｄを得るま
で繰り返す。次にステージを標準偏差ｍａｘｆのの位置
（ＳＴ９の位置）に戻し（ＳＴ１５）、次にステージを
Ｚ軸上方向へ１ピッチ（ｂパルス）移動する（ＳＴ１
６）。ピクチャー画像を入力し（ＳＴ１７）、微分処理
を行い（ＳＴ１８）、微分画像の標準偏差ｓ，ｄを計算
し（ＳＴ１９）、このｓ，ｄがｍａｘｆより大きいか調
べ（ＳＴ２０）、大きければＳＴ１６〜ＳＴ１９を繰り
返す。なお、粗い焦点位置ｆより上方、下方ともａパル
ス移動した位置の標準偏差はｍａｘｆより小さいので、
ＳＴ１０〜ＳＴ１３、ＳＴ１６〜ＳＴ１９の繰り返し数
はｋ−１＝ａ／ｂ−１以内の数となる。ＳＴ１３、ＳＴ
１９で求めた粗い焦点位置ｆの上下方向の標準偏差の最
大値ｍａｘ０を求め（ＳＴ２１）、ステージをｍａｘ０
を生じる位置へ移動する（ＳＴ２２）。これにより焦点
深度内へステージを移動することができる。図６の位置
０はこのようにして得られたｍａｘ０の位置を示す。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は画像の濃度分布のばらつきが最大となる位置を合焦点
位置とすることにより、生物系の標本を含む広範囲の測
定対象に対する自動焦点調整を実現することができる。
濃度分布のばらつきとして標準偏差を用いると好ましい
結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の構成を示すブロック図である。

【図２】濃度分布のばらつきの小さい画面と大きい画面
のヒストグラムを示す図である。

【図３】濃度分布のばらつきを表す指標を説明する図で
ある。

【図４】本実施例の自動焦点調整動作を示すフロー図で
ある。

【図５】図４に続くフロー図である。

【図６】ステージの位置と標準偏差の関係を示す図であ
る。

【図７】金属標本と生物の標本を示す図である。

【符号の説明】

１顕微鏡６ＣＰＵ７画像処理プロセッサ８濃淡画像メモリ９オートフォーカスドライバ１３撮像装置１４ステージ１５移動機構

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【手続補正書】

【提出日】平成５年７月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】ＴＶカメラなどの撮像装置を光学顕微鏡
に直結し、その生成した画像をＡ／Ｄ変換してディジタ
ル画像メモリに取り込み、解析処理する画像解析装置が
使用されている。撮像対象として金属組織、生物組織な
ど広範囲のものが対象となり、顕微鏡の焦点を合わせた
後、面積、粒度、粒数、各種の径、円形度などを画像解
析を用いて測定するときには、自動計測が行われるが、
この場合、自動焦点機能があると作業性が著しく向上す
る。同一倍率で、同一ステージ上の測定資料の多数の箇
所を測定するとき、資料が多少上下しているので、各測
定箇所ごとに焦点合わせが必要となる。また、同一箇所
を倍率を変更して見る時、倍率ごとに焦点合わせが必要
となる。このようなとき、１つの資料、１つの倍率につ
いて手動で焦点を合わせて測定し、その後移動又は倍率
変更のとき自動焦点合わせが行われる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】従来行われている焦点合わせの方法は、測
定資料用ステージのある位置において撮像された濃淡画
像の複数の走査線について、その各々の走査線上の濃度
変化の最大値の平均を求め、ステージを移動し、各位置
ごとに求めた濃度変化最大値の平均が最も大きくなるス
テージの位置から少し下げた所で濃度変化最大値の平均
が、ある設定した値になるステージ位置を合焦点とす
る。これは焦点が合う近くで輪郭が明るくなり明暗の差
が最大となる位置から少し離して輪郭の輝きがピークを
過ぎた所が像が最も明確になることを利用したもので、
焦点深度内に入っているならば焦点は合ったものとして
いる。各濃淡画像の濃度変化最大の平均を求める方法と
しては、走査各ラインにおける画素の濃淡度の微分値の
最大値を求め、これを各走査毎に加算して平均化した値
を用いる。演算速度向上のため、濃淡画像内の適当な範
囲を限定することや、走査線をサンプリングして本数を
減らすことも行われる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の方法で
自動焦点合わせを行う場合、図７（ａ）に示す金属標本
のように境界が明瞭で反射光で測定する場合、焦点合わ
せがうまくゆくが、（ｂ）に示す細胞核のような生物系
の標本を透過光で測定する場合には焦点合わせがうまく
行えない場合がある。細胞核の場合、核の周囲は透明な
硝子形質となっており、エッジ特性が金属組織と異なっ
ている。かつ、細胞核の場合、倍率を大きくして濃度変
化の大きい所を求めると、核の周辺に複数のピークが表
れ、濃度変化のピークを利用して焦点調整したものと、
手動により焦点調整したものとが一致しないことが多か
った。また、合焦点と判定する濃度変化の最大値の平均
値の設定は経験に基づいて手動設定する必要があった。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】顕微鏡の対物レンズの光軸上に設けられ
た測定資料用のステージを光軸に添って移動させるステ
ージ移動部と、前記ステージ上の測定資料に対する顕微
鏡の結像を撮像する撮像装置と、この撮像装置の撮像し
た濃淡画像の濃度分布を求め解析処理する画像処理装置
と、この画像処理装置の処理結果により前記ステージ移
動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は前記画像
処理装置で得られる濃淡画像の濃度分布のばらつきが最
大となるよう前記ステージ移動部を制御することを特徴
とする顕微鏡の自動焦点調整装置。
【請求項２】前記濃淡画像の濃度分布のばらつきとし
て濃度分布の標準偏差を用いることを特徴とする請求項
１記載の顕微鏡の自動焦点調整装置。