JPH10232343A - 自動焦点合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被撮像物の所定の領域における合焦位置を正
確に設定し、しかも再現性が良好に保たれるような自動
焦点合わせ方法を提供する。 【解決手段】 対物レンズを被撮像物の設置面に対して
垂直方向に予め設定された移動速度で移動させながら、
予め定められたサンプリング間隔毎に、テレビカメラに
より被撮像物の画像を撮影し、この撮影画像から所定の
領域を抽出し、この抽出画像のコントラスト値を算出す
るとともに対物レンズの位置を検出し、算出されたコン
トラスト値の中から最大コントラスト値を検索し、この
値に基づいて第１及び第２の閾値を設定し、サンプリン
グ間隔毎のコントラスト値の中から第１の閾値以上でか
つ第２の閾値以下のものを抽出し、これを所定の関数に
より近似することによりサンプリング間隔毎のコントラ
スト値のピーク位置を算出し、このピーク位置に基づい
て対物レンズの合焦位置を算出し、この合焦位置に対物
レンズの焦点を自動的に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像計測による寸
法測定や自動アライメント等を行う際に必要とされる、
対物レンズの合焦位置の自動設定作業に適用される自動
焦点合わせ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡を用いて画像計測を行うに
あたっては、顕微鏡の対物レンズを人為的に焦点合わせ
することにより被撮像物の映像を捉え、この映像に基づ
いた各種処理により被撮像物の寸法を測定する作業が行
われていた。しかし、この人為的な焦点合わせでは正確
に合焦位置を求めることは困難であり、寸法測定に大き
な誤差が生ずることを免れ得ないものとなっていた。そ
こで、レーザ光のスポットビームによるフォーカシング
や光路差分離によるフォーカシングを利用することによ
り、焦点合わせを自動的に行わせる方法が考え出され
た。しかし、前者においてはスポットビームの照射位置
によっては目標とする位置にフォーカスすることが難し
く、また後者においては被撮像物が光の反射率の低いも
のである場合には適用できないという問題があった。

【０００３】そこで、これらの問題点を解消するものと
して、被撮像物の画像処理による映像信号からコントラ
ストのピーク値並びに当該ピーク値に対応する位置を求
め、これらの値に基づいて顕微鏡の対物レンズの位置を
自動的に設定する、所謂コントラスト検出による自動焦
点合わせ方法が開発された。このコントラスト検出によ
る自動焦点合わせ方法を用いた技術の一例としては、特
開平５−２３６３１５号で開示される方法がある。この
特開平５−２３６３１５号では、対物レンズを被撮像物
から離間するＺ軸方向に原点より所定量ずつステップ移
動させ、各ステップにおけるテレビカメラにて撮影され
た被撮像物の撮影画像からテレビ走査線上の映像信号を
得ることにより各コントラスト値を求め、これらのコン
トラスト値のピーク値近傍前後に位置するコントラスト
値を重心演算し、その演算値から対物レンズの焦点を合
焦位置に自動設定する際に必要なデータとしての、コン
トラスト値のピーク値並びに当該ピーク値に対応する対
物レンズの位置を割り出すようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】当然のことながら自動
設定される合焦位置は対物レンズの焦点深度の範囲内に
あることになるが、この対物レンズの焦点深度の範囲内
では一般に被撮像物のコントラスト値はあまり変化せ
ず、しかも再現性が悪いことが知られている。ところ
が、前述の特開平５−２３６３１５号による方法では、
重心演算に使用するデータとして、再現性が悪いピーク
値近傍のコントラスト値も用いることになっており、結
局のところ、この再現性が悪いデータに基づいて得られ
たコントラスト値のピーク値並びに当該ピーク値に対応
する位置についても、正確さに欠き、しかも再現性が悪
いという問題を生ずることになる。

【０００５】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、対物レンズを被撮像物から離間あるい
は近接する方向に移動させながら合焦位置を自動設定す
る場合に、被撮像物の所定の領域における合焦位置を正
確に設定し、しかも再現性が良好に保たれるような自動
焦点合わせ方法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】上記の目的を達成するた
めに、請求項１にかかる発明によれば、まず、対物レン
ズを被撮像物の設置面に対して垂直方向に予め設定され
たサーチ開始位置からサーチ終了位置まで予め設定され
た第１の移動速度で移動させながら、予め定められたサ
ンプリング間隔（時間）毎に、テレビカメラにより被撮
像物の画像を撮影し、この撮影画像から抽出画像として
所定の領域を抽出し、この抽出画像のコントラスト値を
算出するとともに対物レンズの位置を検出する。しかる
後、算出されたサンプリング間隔毎のコントラスト値の
中からその最大値である最大コントラスト値を検索し、
この最大コントラスト値に基づいてコントラスト値に関
する第１及び第２の閾値を設定する。そして、算出され
たサンプリング間隔毎のコントラスト値の中から第１の
閾値以上でかつ第２の閾値以下のものを抽出し、この抽
出されたコントラスト値を所定の関数により近似するこ
とによってサンプリング間隔毎のコントラスト値全体の
ピーク位置を算出する。最後に、このコントラスト値の
ピーク位置に基づいて対物レンズの合焦位置を算出し、
この合焦位置に対物レンズの焦点を自動的に設定するよ
うにした。

【０００７】ここで、上記請求項１にかかる発明の構成
について補足説明する。サンプリング間隔は画像データ
を取得するタイミングを規定する時間間隔であり、テレ
ビカメラのフレーム間隔（時間）の正数倍に設定される
数値である。サンプリング間隔を小さく設定するほど、
一般に得られるデータの量は多くなる。対物レンズの第
１の移動速度は任意でよいが、この第１の移動速度を大
きく設定すると得られるデータの量が少なくなるので精
度は低下するが処理は速くなり、逆に第１の移動速度を
小さく設定すると得られるデータの量が多くなるので精
度は高くなるが処理に時間がかかるようになる。このよ
うに得られるデータの量はサンプリング間隔と対物レン
ズの移動速度に依存することになる。対物レンズの位置
は任意に設定した原点を基準にした位置でよく、例えば
不変である被撮像物の設置面を基準にすればよい。コン
トラスト値のピーク位置に基づいて対物レンズの合焦位
置を算出する点については、単純に、算出されたコント
ラスト値のピーク位置を対物レンズの合焦位置としても
よいが、請求項７に記載のようにオフセット値を加算す
ることにより補正を加えるようにしてもよい。

【０００８】コントラスト値に関する第１及び第２の閾
値については、これらの閾値は、対物レンズの合焦位置
を求める際に必要なコントラスト値のピーク位置を算出
するためのデータとして、サンプリング間隔毎に得られ
たコントラスト値の中から必要とするコントラスト値を
抽出する際に使用する閾値であり、第２の閾値は第１の
閾値よりも大きく設定するものである。そして、この第
１及び第２の閾値はサンプリング間隔毎のコントラスト
値の中から検索された最大コントラスト値を基準にした
ときの比率を基に表されるものである。例えば、最大コ
ントラスト値の基準値を１としたときの第１の閾値の比
率を０．７、第２の閾値の比率を０．８とした場合に
は、実際の最大コントラスト値が２００であったとすれ
ば、第１の閾値は１４０（２００×０．７）、第２の閾
値は１６０（２００×０．８）となる。

【０００９】一般に、被撮像物の画像処理による映像信
号から得られたコントラスト値の分布は、図３に示すよ
うに正規分布に類似した山形状を呈するものとなる。こ
のような正規分布に類似した分布において、そのピーク
位置を算出するものとして最も一般的に使用されている
方法は、ピーク位置近傍にある複数のコントラスト値の
データを抽出し、この抽出データを二次関数やガウス関
数などの近似関数により近似することによって、コント
ラスト値の分布全体のピーク位置を算出するというもの
である。ところが、前述したように、対物レンズの焦点
深度の範囲内では被撮像物のコントラスト値はあまり変
化しないので、コントラスト値の分布は図３の実線で示
すように焦点深度の範囲内ではほぼ平坦な山形状とな
り、その結果ピーク位置近傍にある複数のコントラスト
値のデータを基にコントラスト値の分布全体のピーク位
置算出するようにすると、算出されたピーク位置の再現
精度が悪くなり、最終的にこのピーク位置より決定され
る合焦位置の精度についても悪くなるという問題を生じ
ていた。

【００１０】この対物レンズの焦点深度に起因するピー
ク位置の再現性の悪化に対処するために、本発明では、
上記の構成とすることにより、映像信号から得られたコ
ントラスト値の中から、ピーク位置近傍の両側すなわち
図３の斜線部に示す領域のデータを抽出し、この抽出デ
ータを二次関数やガウス関数などの所定の関数により近
似することによって、コントラスト値の分布全体のピー
ク位置を算出するようにした。

【００１１】サーチ開始位置及びサーチ終了位置とによ
り規定されるサーチ範囲は、請求項１に記載の一連の処
理を行わせる前に予め設定しておく必要がある。前述し
たように、コントラスト値のピーク位置を算出する際に
は最大コントラスト値に基づいて設定された２つの閾値
の範囲内にあるコントラスト値のデータが必要となるの
で、対物レンズの移動中に得られたコントラスト値のデ
ータにはこの２つの閾値の範囲内にあるコントラスト値
が含まれるようにするとともに対物レンズの焦点深度の
範囲がその中央部を占めるように、サーチ範囲すなわち
サーチ開始位置及びサーチ終了位置が設定されなければ
ならない。このサーチ開始位置及びサーチ終了位置の設
定は、請求項１に記載の一連の処理の前に自動的に行わ
せることもできる。

【００１２】すなわち、請求項２にかかる発明によれ
ば、請求項１にかかる発明において、サーチ開始位置及
びサーチ終了位置の設定に関し、対物レンズを被撮像物
の設置面に対して垂直方向に予め設定された移動範囲に
ついて予め設定された第２の移動速度で移動させなが
ら、予め定められたサンプリング間隔毎に、テレビカメ
ラにより被撮像物の画像を撮影し、この撮影画像から抽
出画像として所定の領域を抽出し、この抽出画像のコン
トラスト値を算出するとともに対物レンズの位置を検出
し、サンプリング間隔毎のコントラスト値の中からその
最大値である最大コントラスト値を検索し、この最大コ
ントラスト値に基づいてコントラスト値に関する第３の
閾値を設定し、コントラスト値の漸増時における第３の
閾値に最も近傍のコントラスト値に基づいてサーチ開始
位置を設定するとともに、コントラスト値の漸減時にお
ける第３の閾値に最も近傍のコントラスト値に基づいて
サーチ終了位置を設定するようにした。

【００１３】ここで、上記請求項２にかかる発明の構成
について補足説明する。移動範囲については、予想され
るサーチ範囲をすべてカバーできるものであればよく、
極端に言えば対物レンズの移動可能な全範囲を設定して
もよいが、現実的にはサーチ範囲をある程度推定した上
で設定することが好ましい。コントラスト値に関する第
３の閾値については、この閾値は、サーチ範囲を規定す
るサーチ開始位置及びサーチ終了位置を求める際に必要
なコントラスト値を算出するためのデータとして、サン
プリング間隔毎に得られたコントラスト値の中から必要
とするコントラスト値を抽出する際に使用する閾値であ
り、第１の閾値よりも小さく設定する。

【００１４】この第３の閾値からサーチ開始位置及びサ
ーチ終了位置を求める方法について図５を参照して説明
すると、コントラスト値の分布は対物レンズの移動開始
位置からピーク位置までは漸増し、一方、ピーク位置か
ら対物レンズの移動終了位置までは漸減しているので、
サーチ開始位置はコントラスト値の漸増時における第３
の閾値に最も近傍のコントラスト値に対応する対物レン
ズの位置とし、一方、サーチ終了位置はコントラスト値
の漸減時における第３の閾値に最も近傍のコントラスト
値に対応する対物レンズの位置とする。この第３の閾値
についても、前記第１及び第２の閾値と同様に、サンプ
リング間隔毎のコントラスト値の中から検索された最大
コントラスト値を基準にしたときの比率を基に表され
る。例えば、最大コントラスト値の基準値を１としたと
きの第３の閾値の比率を０．５とした場合には、実際の
最大コントラスト値が２００であったとすれば、第３の
閾値は１００（２００×０．５）となる。

【００１５】この請求項２にかかる発明により、サーチ
範囲を規定するサーチ開始位置及びサーチ終了位置につ
いても自動的に算出できるので、種類の異なる被撮像物
がランダムに流れてくるようなラインにおいても、被撮
像物の種類毎に事前にサーチ範囲を設定する必要性はな
くなる。なお、このサーチ範囲を設定する処理において
はコントラスト値のデータを必要以上に多く取得する必
要性はないので、請求項２で規定する第２の移動速度は
請求項１で規定する第１の移動速度よりも大きく設定し
ても構わない。ただし、取得データの信頼性を確保する
ために、対物レンズの焦点深度の範囲内で少なくとも２
点以上のデータを取得できる必要がある。

【００１６】請求項３にかかる発明によれば、請求項２
にかかる発明において、第２の移動速度にサンプリング
間隔を乗じた値をオフセット値として算出し、このオフ
セット値を補正値として請求項２において算出されたサ
ーチ開始位置及びサーチ終了位置のそれぞれを補正する
ようにした。本発明ではコントラスト値は対物レンズの
移動途中にサンプリング間隔毎に得るようにしているか
ら、得られたコントラスト値のデータは対物レンズの移
動速度の影響を受けることになる。この影響を加味する
ためには、請求項２に記載の対物レンズの第２の移動速
度にサンプリング間隔を乗じた値をオフセット値とし、
このオフセット値を補正値として、算出されたサーチ開
始位置及びサーチ終了位置のそれぞれに加算するように
すればよい。

【００１７】請求項４にかかる発明によれば、請求項１
乃至３のいずれかにかかる発明において、サンプリング
間隔はテレビカメラのフレーム間隔と同一とするように
した。一般に、サンプリング間隔はテレビカメラのフレ
ーム間隔の正数倍となるようにすればよいが、サンプリ
ング間隔をテレビカメラのフレーム間隔と同一とするよ
うに設定すれば、得られるコントラスト値が多くなるの
で、コントラスト値のピーク位置をより正確に算出する
ことができるようになるばかりでなく、サンプリング間
隔をテレビカメラのフレーム間隔と同期させることによ
り、演算装置内の処理が簡素化される。

【００１８】請求項５にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、算出されたサ
ンプリング間隔毎のコントラスト値は抽出画像の標準偏
差より求めるようにした。一般に標準偏差は領域全体の
特徴を示す指標として用いられているので、抽出画像の
標準偏差よりコントラスト値を求めるようにすれば、コ
ントラスト値のピーク位置を算出する際には不要な要素
であるゴミやほこり等の局所的な影響を排除したコント
ラスト値を得ることができる。

【００１９】請求項６にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、算出されたサ
ンプリング間隔毎のコントラスト値は抽出画像を微分処
理した後の画像中の濃度上位部分の平均値より求めるよ
うにした。これにより、濃度上位部分の範囲を抽出画像
に応じて適切に選択することにより、請求項５にかかる
発明と同様に、コントラスト値のピーク位置を算出する
際には不要な要素であるゴミやほこり等の局所的な影響
を排除したコントラスト値を得ることができる。

【００２０】請求項７にかかる発明によれば、請求項１
乃至６のいずれかにかかる発明において、請求項１に記
載の対物レンズの第１の移動速度にサンプリング間隔を
乗じた値をオフセット値として算出し、このオフセット
値をコントラスト値のピーク位置に加算した値を対物レ
ンズの合焦位置とするようにした。理論的には算出され
たコントラスト値のピーク位置を対物レンズの合焦位置
とすればよいわけであるが、実際には、前述の請求項３
にかかる発明と同様に、対物レンズの移動速度の影響を
加味した方がよい。すなわち、この影響を加味するため
には、請求項１に記載の対物レンズの第１の移動速度に
サンプリング間隔を乗じた値をオフセット値とし、この
オフセット値を算出されたコントラスト値のピーク位置
に加算することにより、対物レンズの合焦位置を正確に
算出するようにすればよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図２は本発明の自動焦点合
わせ方法が適用される自動焦点合わせ機構の概略図を示
したものである。図示しない対物レンズを有する顕微鏡
１及び顕微鏡１に連結装備されたテレビカメラ２は、顕
微鏡１を保持するステージ３に付属の駆動モータ４によ
り、図示しないボールねじを介して、被撮像物Ｗが載置
された設置面１０に対して垂直方向に移動可能にされて
いる。リニアスケール５は顕微鏡１の位置を検出するも
のであり、この検出値を基に対物レンズの設置面１０に
対する位置を検出できるようにされている。フレームメ
モリ６はテレビカメラ２により撮影された被撮像物Ｗの
画像を記憶するメモリであり、このフレームメモリ６に
接続されたモニタテレビ８により撮影画像をモニタでき
るようにされている。

【００２２】演算制御装置７は本発明の自動焦点合わせ
方法の処理を統括する装置であり、フレームメモリ６に
記憶された撮影画像やリニアスケール５により検出され
た顕微鏡１の位置に基づいて後述する所定の処理を行っ
たり、駆動モータ４に対して顕微鏡１の位置を移動させ
るための移動指令を出力したりする。演算制御装置７に
接続されたワークメモリ９は演算制御装置７により算出
されたデータ、例えばコントラスト値や対物レンズの位
置などを一時的に記憶しておくためのメモリである。

【００２３】次に、本発明の自動焦点合わせ方法の一実
施形態について、図１に示すフローチャート、及び図３
に示すコントラスト値の分布の一例を示すグラフに基づ
いて説明する。

【００２４】ステップ１１：対物レンズをサーチ開始位
置へ移動する。図３に示すサーチ開始位置とサーチ終了
位置とにより規定されるサーチ範囲は、コントラスト値
のデータを得るための対物レンズの動作範囲を示すもの
である。本発明では、前述したように、コントラスト値
のピーク位置を算出する際には最大コントラスト値に基
づいて設定された２つの閾値の範囲内にあるコントラス
ト値のデータが必要となるので、対物レンズの移動中に
得られたコントラスト値のデータにはこの２つの閾値の
範囲内にあるコントラスト値が含まれるようにするとと
もに対物レンズの焦点深度の範囲がその中央部を占める
ように、サーチ範囲すなわちサーチ開始位置及びサーチ
終了位置が設定されなければならない。このサーチ範囲
は、図１に示す一連の処理を行わせる前に予め設定して
おけばよいが、後述するように自動的に設定するように
してもよい。

【００２５】ステップ１２：対物レンズの移動を開始す
る。対物レンズをサーチ終了位置へ向けて、予め設定さ
れた移動速度にて移動させる。対物レンズは、駆動モー
タ４を正逆いずれかの方向に回転させることによって、
顕微鏡１及びテレビカメラ２を保持するステージ３を被
撮像物Ｗに対して近接ないし離間する方向に移動され
る。この場合の対物レンズの移動速度すなわち第１の移
動速度は予め任意に設定することができる。サンプリン
グ間隔の設定値にも影響されるが、一般に、移動速度を
大きく設定すると得られるデータの量が少なくなるので
精度は低下するが処理は速くなり、逆に移動速度を小さ
く設定すると得られるデータの量が多くなるので精度は
高くなるが処理に時間がかかるようになる。したがっ
て、この第１の移動速度の設定に際しては、精度と処理
時間の釣り合いを考慮する必要がある。なお、以下のス
テップ１３〜１５の処理は、対物レンズの移動中に行わ
れるものである。

【００２６】ステップ１３：サンプリング間隔毎に被撮
像物の画像を撮影する。テレビカメラ２にて被撮像物Ｗ
の画像を撮影し、撮影画像を得る。サンプリング間隔は
画像データを取得するタイミングを規定する時間間隔で
あり、テレビカメラのフレーム間隔（時間）の正数倍に
設定される数値である。サンプリング間隔をテレビカメ
ラのフレーム間隔と同一とするように設定すれば、得ら
れるコントラスト値が多くなるので、コントラスト値の
ピーク位置をより正確に算出することができるようにな
る。また、サンプリング間隔をテレビカメラのフレーム
間隔と同期させることにより、演算装置内の処理が簡素
化されるとうい利点もある。

【００２７】ステップ１４：サンプリング間隔毎に撮影
画像から抽出画像を得る。ステップ１３において得られ
た撮影画像の中の所定の領域の画像データを抽出し、こ
れを抽出画像としてフレームメモリ６に記憶する。抽出
領域は任意に設定してよいが、抽出領域内に被撮像物Ｗ
の輪郭が含まれるようにすることにより、図３に示すコ
ントラスト値の分布の山形状が急峻となり、コントラス
ト値のピーク位置の算出精度が高くなる。

【００２８】ステップ１５：サンプリング間隔毎に抽出
画像のコントラスト値を算出するとともに、対物レンズ
の位置を検出する。演算制御装置７はフレームメモリ６
に記憶された抽出画像のデータを読み込み、コントラス
ト値を算出する。コントラスト値の算出にはいくつかの
方法があるが、このうち抽出画像の標準偏差により算出
する方法を用いれば、コントラスト値のピーク位置を算
出する際には不要な要素であるゴミやほこり等の局所的
な影響を排除したコントラスト値を得ることができる。
また、別の方法として、抽出画像を微分処理した後の画
像中の濃度上位部分の平均値よりコントラスト値を算出
する方法を用いれば、濃度上位部分の範囲を抽出画像に
応じて適切に選択することにより、標準偏差を用いる場
合と同様な効果が得られる。一方、演算制御装置７はリ
ニアスケール５によりこのサンプリング点における対物
レンズの位置を検出する。なお、対物レンズの位置の検
出は、図１のフローチャートのステップ１３〜１６のル
ープ内であればよく、例えばステップ１３やステップ１
４において行わせるようにしてもよい。求められたコン
トラスト値及び検出された対物レンズの位置はワークメ
モリ９内に一時的に記憶される。

【００２９】ステップ１６：対物レンズがサーチ終了位
置に到達したか？。対物レンズがサーチ終了位置に到達
していない場合（ステップ１６Ｎ）は、再度ステップ１
３以降の処理を繰り返す。一方、対物レンズがサーチ終
了位置に到達していた場合（ステップ１６Ｙ）は、ステ
ップ１７の処理を行う。

【００３０】ステップ１７：最大コントラスト値を検索
する。ワークメモリ９内に記憶されたコントラスト値の
中から、その最大値である最大コントラスト値を検索す
る。

【００３１】ステップ１８：最大コントラスト値を基準
にして第１及び第２の閾値を設定する。コントラスト値
に関する第１及び第２の閾値については、これらの閾値
は、対物レンズの合焦位置を求める際に必要なコントラ
スト値のピーク位置を算出するためのデータとして、サ
ンプリング間隔毎に得られたコントラスト値の中から必
要とするコントラスト値を抽出する際に使用する閾値で
あり、第２の閾値は第１の閾値よりも大きく設定するも
のである。そして、この第１及び第２の閾値はステップ
１７において検索された最大コントラスト値を基準にし
たときの比率を基に表される。例えば、最大コントラス
ト値の基準値を１としたときの第１の閾値の比率を０．
７、第２の閾値の比率を０．８とした場合には、実際の
最大コントラスト値が２００であったとすれば、第１の
閾値は１４０（２００×０．７）、第２の閾値は１６０
（２００×０．８）となる。

【００３２】ステップ１９：第１の閾値以上でかつ第２
の閾値以下のコントラスト値を抽出する。ワークメモリ
９内に記憶されたコントラスト値の中から、ステップ１
８において設定された２つの閾値の範囲内にあるコント
ラスト値を抽出する。具体的には、図３の斜線部の領域
に含まれるコントラスト値が抽出されることになる。

【００３３】ステップ２０：抽出されたコントラスト値
よりピーク位置を算出する。ステップ１９において抽出
されたコントラスト値より、ステップ１５において算出
されたコントラスト値全体のピーク位置を算出する。こ
のピーク位置の算出にあたっては、一般によく知られて
いる二次関数やガウス関数などの近似関数を用いればよ
い。

【００３４】ステップ２１：ピーク位置を基にして対物
レンズの合焦位置を設定する。ステップ２０において算
出されたコントラスト値のピーク位置に基づいて対物レ
ンズの合焦位置を算出し、この合焦位置に対物レンズの
焦点を自動的に設定するようにする。ここで、算出され
たコントラスト値のピーク位置に基づいて対物レンズの
合焦位置を算出する点について詳述すると、単純に、算
出されたコントラスト値のピーク位置を対物レンズの合
焦位置としてもよいが、対物レンズの移動速度による影
響を考慮し、対物レンズの移動速度にサンプリング間隔
を乗じた値をオフセット値とし、このオフセット値を算
出されたコントラスト値のピーク位置に加算することに
より、対物レンズの移動速度による影響を排除した合焦
位置を算出するようにすれば、より精度が高くなる。

【００３５】次に、本発明の自動焦点合わせ方法におけ
る、サーチ範囲を自動的に算出するための一実施形態に
ついて、図４に示すフローチャート、及び図５に示すサ
ーチ範囲を説明するためのコントラスト値の分布を示す
グラフに基づいて説明する。

【００３６】ステップ３１：対物レンズを移動開始位置
へ移動する。移動開始位置及び移動終了位置で規定され
る移動範囲については、予想されるサーチ範囲をすべて
カバーできるものであればよく、極端に言えば対物レン
ズの移動可能な全範囲を設定してもよいが、現実的には
サーチ範囲をある程度推定した上で設定することが好ま
しい。

【００３７】ステップ３２：対物レンズの移動を開始す
る。対物レンズを移動終了位置へ向けて、予め設定され
た移動速度にて移動させる。このサーチ範囲を設定する
処理においては、前述の図１に示したピーク位置を算出
する処理と比してコントラスト値のデータを必要以上に
多く取得する必要性はないので、対物レンズの移動速度
すなわち第２の移動速度は、前述のピーク位置の算出処
理過程における第１の移動速度よりも大きく設定しても
構わない。ただし、得られたデータの信頼性を確保する
ために、対物レンズの焦点深度の範囲内で少なくとも２
点以上のデータを取得できるようにする。なお、以下の
ステップ３３〜３５の処理は、対物レンズの移動中に行
われるものである。

【００３８】ステップ３３：サンプリング間隔毎に被撮
像物の画像を撮影する。テレビカメラ２にて被撮像物Ｗ
の画像を撮影し、撮影画像を得る。サンプリング間隔は
テレビカメラのフレーム間隔（時間）の正数倍に設定す
る。サンプリング間隔をテレビカメラのフレーム間隔と
同一とするように設定すれば、得られるコントラスト値
が多くなるので、サーチ範囲をより正確に算出すること
ができるようになる。

【００３９】ステップ３４：サンプリング間隔毎に撮影
画像から抽出画像を得る。ステップ３３において得られ
た撮影画像の中の所定の領域の画像データを抽出し、こ
れを抽出画像としてフレームメモリ６に記憶する。抽出
領域は任意に設定してよいが、抽出領域内に被撮像物Ｗ
の輪郭が含まれるようにする。

【００４０】ステップ３５：サンプリング間隔毎に抽出
画像のコントラスト値を算出するとともに、対物レンズ
の位置を検出する。演算制御装置７はフレームメモリ６
に記憶された抽出画像のデータを読み込み、コントラス
ト値を算出する。この場合も前述の図１に示したピーク
位置を算出する処理と同様に、抽出画像の標準偏差や抽
出画像を微分処理した後の画像中の濃度上位部分の平均
値より、コントラスト値を算出する。一方、演算制御装
置７はリニアスケール５によりこのサンプリング点にお
ける対物レンズの位置を検出する。なお、対物レンズの
位置の検出は、図４のフローチャートのステップ３３〜
３６のループ内であればよく、例えばステップ３３やス
テップ３４において行わせるようにしてもよい。求めら
れたコントラスト値及び検出された対物レンズの位置は
ワークメモリ９内に一時的に記憶される。

【００４１】ステップ３６：対物レンズが移動終了位置
に到達したか？。対物レンズが移動終了位置に到達して
いない場合（ステップ３６Ｎ）は、再度ステップ３３以
降の処理を繰り返す。一方、対物レンズが移動終了位置
に到達していた場合（ステップ３６Ｙ）は、ステップ３
７の処理を行う。

【００４２】ステップ３７：最大コントラスト値を検索
する。ワークメモリ９内に記憶されたコントラスト値の
中から、その最大値である最大コントラスト値を検索す
る。

【００４３】ステップ３８：最大コントラスト値を基準
にして第３の閾値を設定する。第３の閾値は、サーチ範
囲を規定するサーチ開始位置及びサーチ終了位置を求め
る際に必要なコントラスト値を算出するためのデータと
して、サンプリング間隔毎に得られたコントラスト値の
中から必要とするコントラスト値を抽出する際に使用す
る閾値であり、第１の閾値よりも小さく設定する。この
第３の閾値についても、前記第１及び第２の閾値と同様
に、サンプリング間隔毎のコントラスト値の中から検索
された最大コントラスト値を基準にしたときの比率を基
に表される。例えば、最大コントラスト値の基準値を１
としたときの第３の閾値の比率を０．５とした場合に
は、実際の最大コントラスト値が２００であったとすれ
ば、第３の閾値は１００（２００×０．５）となる。

【００４４】ステップ３９：コントラス値の漸増時と漸
減時のそれぞれにおいて、第３の閾値に最も近傍のコン
トラス値を抽出する。ワークメモリ９内に記憶されたコ
ントラスト値の中から、ステップ３８において設定され
た第３の閾値に最も近傍のコントラス値を抽出する。詳
しくは、図５に示すように、移動開始位置からピーク位
置までのコントラスト値の漸増時における第３の閾値に
最も近傍のコントラス値（Ｐ₁ ）、及びピーク位置から
移動終了位置までのコントラスト値の漸減時における第
３の閾値に最も近傍のコントラス値（Ｐ₂ ）をそれぞれ
抽出する。

【００４５】ステップ４０：抽出されたコントラスト値
よりサーチ範囲を設定する。ステップ３９において抽出
された漸増時におけるコントラスト値（Ｐ₁ ）に対応す
る対物レンズの位置をサーチ開始位置とし、一方、漸減
時におけるコントラスト値（Ｐ₂ ）に対応する対物レン
ズの位置をサーチ終了位置とする。

【００４６】なお、第２の移動速度にサンプリング間隔
を乗じた値をオフセット値として算出し、このオフセッ
ト値を補正値として、ステップ４０において算出された
サーチ開始位置及びサーチ終了位置のそれぞれを補正す
るようにしてもよい。これにより、対物レンズの移動速
度の影響を加味したサーチ開始位置及びサーチ終了位置
を求めることができる。

【００４７】以上、本発明の実施形態について説明し
た。なお、図３において、サーチ開始位置はサーチ終了
位置よりも基準点（Ｚ位置の０点）に近く設定されてい
るので、この場合対物レンズは基準点から離間する方向
に移動しながらサンプリング間隔毎にデータを得ること
になるが、これとは逆に、サーチ終了位置をサーチ開始
位置よりも基準点（Ｚ位置の０点）に近く設定すること
により、対物レンズを基準点へ接近する方向に移動しな
がらデータを得るようにしてもよい。また、上記実施形
態においては、対物レンズは顕微鏡本体とともに移動す
るようにされているが、対物レンズのみが移動されるよ
うな構成であってもよい。

【００４８】

【発明の効果】請求項１にかかる発明によれば、対物レ
ンズの焦点深度に起因するピーク位置の再現性の悪化に
対処するために、撮影画像から得られたコントラスト値
の中から、対物レンズの焦点深度内に位置するデータを
除く、ピーク位置近傍の両側のデータを抽出し、この抽
出データを二次関数やガウス関数などの所定の関数によ
り近似することによって、コントラスト値の分布全体の
ピーク位置を算出するようにしたので、ピーク位置近傍
のデータを利用する方法に比して、コントラスト値のピ
ーク位置すなわち対物レンズの合焦位置の精度及び再現
性が向上するものとなった。

【００４９】請求項２にかかる発明によれば、請求項１
にかかる発明において、コントラスト値のデータを得る
ための対物レンズのサーチ範囲を自動的に設定するよう
にしたので、種類の異なる被撮像物がランダムに流れて
くるようなラインにおいても、被撮像物の種類毎に事前
にサーチ範囲を設定する必要性はなくなった。

【００５０】請求項３にかかる発明によれば、請求項２
にかかる発明において、対物レンズの移動速度にサンプ
リング間隔を乗じた値をオフセット値とし、このオフセ
ット値を補正値として算出されたサーチ開始位置及びサ
ーチ終了位置のそれぞれに加算するようにした。そのた
め、対物レンズの移動速度による影響が排除された、よ
り正確なサーチ開始位置及びサーチ終了位置が算出され
るものとなった。

【００５１】請求項４にかかる発明によれば、請求項１
乃至３のいずれかにかかる発明において、サンプリング
間隔はテレビカメラのフレーム間隔と同一とするように
した。そのため、得られるコントラスト値の数について
はサンプリング間隔をテレビカメラのフレーム間隔の正
数倍としたときよりも多くなるので、コントラスト値の
ピーク位置をより正確に算出することができるようにな
るばかりでなく、サンプリング間隔をテレビカメラのフ
レーム間隔と同期させることにより、演算装置内の処理
が簡素化されるものとなった。

【００５２】請求項５にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、コントラスト
値は抽出画像の標準偏差より求めるようにした。そのた
め、コントラスト値のピーク位置を算出する際には不要
な要素であるゴミやほこり等の局所的な影響を排除した
コントラスト値を得ることができるものとなった。

【００５３】請求項６にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、コントラスト
値は抽出画像を微分処理した後の画像中の濃度上位部分
の平均値より求めるようにした。そのため、濃度上位部
分の範囲を抽出画像に応じて適切に選択することによ
り、請求項５にかかる発明と同様に、コントラスト値の
ピーク位置を算出する際には不要な要素であるゴミやほ
こり等の局所的な影響を排除したコントラスト値を得る
ことができるものとなった。

【００５４】請求項７にかかる発明によれば、請求項１
乃至６のいずれかにかかる発明において、対物レンズの
移動速度にサンプリング間隔を乗じた値をオフセット値
として算出し、このオフセット値をコントラスト値のピ
ーク位置に加算した値を対物レンズの合焦位置とするよ
うにした。そのため、コントラスト値を得る際の対物レ
ンズの移動速度による影響が排除された、より正確な合
焦位置が算出されるものとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動焦点合わせ方法の一実施形態を示
すフローチャートである。

【図２】本発明の自動焦点合わせ方法が適用される自動
焦点合わせ機構の一例を示す概略図である。

【図３】コントラスト値の分布の一例を示すグラフであ
る。

【図４】本発明の自動焦点合わせ方法における、サーチ
範囲を自動的に算出するための一実施形態を示すフロー
チャートである。

【図５】サーチ範囲を説明するための、コントラスト値
の分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 顕微鏡 ２ テレビカメラ １０ 被撮像物の設置面 Ｗ 被撮像物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｎ 5/232 Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対物レンズを備える顕微鏡に搭載されたテ
   レビカメラにより撮影された被撮像物の撮影画像からコ
   ントラスト値を求めることにより、前記対物レンズの焦
   点を合焦位置に自動的に設定するようにした自動焦点合
   わせ方法において、 前記対物レンズを被撮像物の設置面に対して垂直方向に
   予め設定されたサーチ開始位置からサーチ終了位置まで
   予め設定された第１の移動速度で移動させながら、予め
   定められたサンプリング間隔毎に、前記テレビカメラに
   より被撮像物の画像を撮影し、該撮影画像から抽出画像
   として所定の領域を抽出し、該抽出画像のコントラスト
   値を算出するとともに対物レンズの位置を検出し、 該サンプリング間隔毎のコントラスト値の中からその最
   大値である最大コントラスト値を検索し、 該最大コントラスト値に基づいてコントラスト値に関す
   る第１及び第２の閾値を設定し、 前記サンプリング間隔毎のコントラスト値の中から前記
   第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下のものを抽出し、 該抽出されたコントラスト値を所定の関数により近似す
   ることによって前サンプリング間隔毎のコントラスト値
   全体のピーク位置を算出し、 該コントラスト値のピーク位置に基づいて前記対物レン
   ズの合焦位置を算出し、 該合焦位置に前記対物レンズの焦点を自動的に設定する
   ようにしたことを特徴とする自動焦点合わせ方法。
2. 【請求項２】前記サーチ開始位置及びサーチ終了位置の
   設定に関し、 前記対物レンズを被撮像物の設置面に対して垂直方向に
   予め設定された移動範囲について予め設定された第２の
   移動速度で移動させながら、予め定められたサンプリン
   グ間隔毎に、前記テレビカメラにより被撮像物の画像を
   撮影し、該撮影画像から抽出画像として所定の領域を抽
   出し、該抽出画像のコントラスト値を算出するとともに
   対物レンズの位置を検出し、 該サンプリング間隔毎のコントラスト値の中からその最
   大値である最大コントラスト値を検索し、 該最大コントラスト値に基づいてコントラスト値に関す
   る第３の閾値を設定し、 前記コントラスト値の漸増時における前記第３の閾値に
   最も近傍のコントラスト値に基づいて前記サーチ開始位
   置を設定するとともに、前記コントラスト値の漸減時に
   おける前記第３の閾値に最も近傍のコントラスト値に基
   づいて前記サーチ終了位置を設定するようにしたことを
   特徴とする請求項１に記載の自動焦点合わせ方法。
3. 【請求項３】前記第２の移動速度に前記サンプリング間
   隔を乗じた値をオフセット値として算出し、該オフセッ
   ト値を補正値として請求項２において算出されたサーチ
   開始位置及びサーチ終了位置のそれぞれを補正するよう
   にしたことを特徴とする請求項２に記載の自動焦点合わ
   せ方法。
4. 【請求項４】前記サンプリング間隔は前記テレビカメラ
   のフレーム間隔と同一とするようにしたことを特徴とす
   る請求項１乃至３のいずれかに記載の自動焦点合わせ方
   法。
5. 【請求項５】前記サンプリング間隔毎のコントラスト値
   は前記抽出画像の標準偏差より求めるようにしたことを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の自動焦点
   合わせ方法。
6. 【請求項６】前記サンプリング間隔毎のコントラスト値
   は前記抽出画像を微分処理した後の画像の濃度上位部分
   の平均値より求めるようにしたことを特徴とする請求項
   １乃至４のいずれかに記載の自動焦点合わせ方法。
7. 【請求項７】前記第１の移動速度に前記サンプリング間
   隔を乗じた値をオフセット値として算出し、該オフセッ
   ト値を前記コントラスト値のピーク位置に加算した値を
   対物レンズの合焦位置とするようにしたことを特徴とす
   る請求項１乃至６のいずれかに記載の自動焦点合わせ方
   法。