JPS6398615A - 自動焦点調節方法 - 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〕 本発明は、自動焦点調節方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、Ｂｆｆ　徽鏡等の光学機器において行われる自動
焦点調節方法は、ＴＶカメラ、ラインスキャン型固体撮
像素子等の撮像装置が出力する映像輝度信号をハード（
回路）的又はソフト（計算）的に微分又は差分して得ら
れるコントラストが最大となるように標本（被写体）と
対物レンズとの間の距離を調節することにより焦点合わ
せを行う方法である。そして、この方法には以下の通り
三つの方法がある。

（１）　　全スキャン方式 対物レンズ又は標本を十分に前ビンの位置から十分に後
ビンの位置まで移動させ、その移動範囲の中で得られた
最大のコントラストの位置を記憶しておき、対物レンズ
又は標本をその位置に戻して焦点合わせを行う方式であ
る。

（２）　　ピーク停止方式 対物レンズ又は標本を前ビンの位置から移動させ、コン
トラストが最大となる位置で対物レンズ又は標本を停止
させて焦点合わせを行う方式である。

（３）　　山登りサーボ方式 対物レンズ又は標本を最初任意の一方向に移動させ、コ
ントラスト値を移動の前後で比較し、移動後コントラス
ト値が増加すれば同方向に、移動後コントラストが減少
すれば逆方向に移動させる。このようにして、対物レン
ズ又は標本を移動させ、コントラストが変化しなくなっ
た位置で停止させて、焦点合わせを行う方式である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

通常、これらのピーク停止方式と山登りサーボ方式が用
いられているが、実際の場合、合焦位置以外にもコント
ラストのサブピークが多く存在するため、自動焦点調節
を行うと合焦位置の検出前にサブピークを合焦位置と判
断して自動焦点動作を停止してしまう即ち誤動作を起こ
し易いという問題点があった。

本発明は、以上の問題点に鑑み、コントラストのサブピ
ークを無視し、最大コントラストの位置（合焦位置）を
正確に検出することができる自動焦点調節方法を提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明による
自動焦点調節方法は、（ａｌ対物レンズ又は標本をその
光軸に沿って基準点から一定のステップ移動量で移動さ
せつつコントラスト測定を行い且つその位置でのコント
ラストを記憶し、（ｂｌ移動した後のコントラストと既
に移動した過去の位置での記憶されたコントラストとの
差と、予め設定された判定値と比較し、（ｃ）この比較
結果が正の値（コントラストが減少）で、而も定められ
た回数ｎ（振り返り回数）に対応する複数の位置上の比
較結果が全て正の値になったならば、そのステップ移動
量での動作上最大コントラストの位置を乗り越えたと判
断して、コントラストのサブピークが無視されるように
したものである。

〔実施例〕

以下、図示した各実施例に基づき本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明方法に用いる自動焦点調節装置の基本構
成図であって、顕微鏡１の鏡筒に取り付けられたライン
スキャン型固体撮像装置２（例えばＣＣＤカメラ）から
出力された映像輝度信号をＡ／Ｄコンバータ３を介して
マイクロコンピュータ４へ入力し、前記ラインスキャン
型固体撮像装置２内の固体撮像素子で撮像した映像輝度
信号のうち隣接する画素間の差分値の絶対値を水平走査
１ラインの全画素に対して求め、これらの合計値を求め
る。その合計値をコントラストとする。この操作を、パ
ルスモータ５　（駆動モータ）により顕微鏡１の対物レ
ンズ又は標本をステップ移動させながら行い、それによ
って得られたコントラスト情報をもとにコンピュータ４
によりパルスモータ５を制御して対物レンズと標本との
間の距離りを調節し、合焦位置Ｆ　Ｐ　（Ｆｏｃａｌ　
Ｐａ１ｎｔ　）を求める。

第２図及び第３図にコントラストＣと対物レンズ−標本
間の距離りとの関係を表わす曲線を示す。

第２図はコントラストのビークＴｐが一つだけの理想的
な場合であり、この場合は簡単な方法で正確に焦点調節
を行うことができる。しかし、実際には第３図に示すよ
うに複数のサブピークＳｐを持ったコントラスト曲線と
なり、従来の方法ではサブピークＳｐを最大コントラス
トの位置即ち合焦値ｆｆ１ＦＰと判断してしまうことが
あった。

そこで本発明方法は、対物レンズと標本との間の距離り
を調節するための移動方法とコントラストの比較方法と
を下記の如く改善することにより、従来方法の問題点を
解決したものである。

まず、第１実施例について説明する。第４図に示した如
く、合焦位置より手前の位！（前ピン）で任意に設定し
た原点ＨＰより、パルスモータ５を駆動させて対物レン
ズを合焦値ｉ［ＦＰの方向に予め定めたステップ移動ｆ
ｆ１ｓ＋　で連続的にステップ移動させながらコントラ
ストを測定し、各ステップ移動した位”ＪＩ　Ｄ　ａと
その位置のコントラストＣａのデータをマイクロコンピ
ュータ４の記憶部に入力する。そして、ある位置Ｄ　ａ
より手前の位置であって定められた回数ｎ（振り返り回
数）に対応する複数の位置り、−７のコントラストｃ、
−，ｌ（既に記憶されているデータ）を前記コンピュー
タ４の記憶部より出力し、位置Ｄａを基準としてコント
ラストの大小比較を行なう、これを数式で記述すると次
の通りである。

ΔＣｎａ＝Ｃ，−、−Ｃａ （ｎ＝１．２．・・・・、ｎ） このΔＣｎａ全部が予め設定された判定値ε（ε≧０）
より大きい場合は、コントラスト曲線の下り部分の位置
にあることを示し、ステップ移動量Ｓ１でのステップ移
動において最大コントラストの位１を乗り越えたと判定
することができる。

この後、第５図に示した如く、今までステップ移動した
位ｌ　Ｄ　ａの中で、コントラストＣａが最大の位置Ｄ
　ａｍａｘ　　（Ｃａ　＝＝Ｃａｍａｘ　）の次のステ
ップ移動した位置Ｄａ　ｓ　　（Ｄａ　ｓ　＝Ｄａｍａ
ｘ　＋Ｓ＋　＋Ｄａ側）まで、対物レンズを一挙に移動
（戻す）させてから、合焦位置の方向（最初のステップ
動作の移動方向とは逆の方向）にステップ移動量Ｓｌよ
り小さいステップ移動ｆｆ１ｓ＊で前記と同じ操作を行
う、そして、予め設定した焦点深度以下の最小のステッ
プ移動Ｓ　ｗｉｎまで、前記操作を連続的に繰り返し行
って操作を終了し、最後に停止した位置が合焦位置とな
る。従って、この方法によれば、コントラストのサブピ
ークが無視されるので真のピーク値を求めることができ
、精度の良い自動焦点調節を行うことができる。

ここで、第４図はステップ移動１ｓ＋　、振り返り回数
ｎ（−４）回で最大コントラストの位置を乗り越えたと
判定した位１ｆｆｉ（判定条件はＣａ−１−Ｃａ、Ｃ，
、−Ｃａ、Ｃ，−、−Ｃａ、Ｃｍ−ａ　−Ｃａ全てが判
定値εをより大きいこと）Ｄａを示している。又、第５
図はステップ移動量を変更しなから合焦位置を求めるプ
ロセスを示している。

尚、判定値εと振り返り回数ｎはステップ移動ＭＳを変
更した時にコントラスト変化量を考慮して変更する必要
があり、具体的な値は標本サンプルのコントラストデー
タと電気的ノイズ等のデータ（コントラストのバラツキ
）より決定される。

以下、前述の如く振り返りながらコントラスト判定を行
う方法の略称を「振り返り法」とする。

次に、第１実施例の変形例である第２実施例について述
べる。この方法は、合焦時間を短縮する方法であり、そ
れを第６図、第７図により説明する。まず、ステップ移
動量Ｓ１の振り返り法を行い、コントラストＣａが最大
の位ｆＤｍａｘの次のステップ移動した位置Ｄａｓ（第
４図のｐａ　ｓ）を求め、この位置に対物レンズを移動
させる０次に、第６図及び第７図に示した如（、このＤ
ａｓ位匠を始点として、合焦位置の方向（最初のステッ
プ移動方向とは逆の方向）に、ステップ移動量Ｓ、より
小さいステップ移動１ｓｔでコントラストを測定しなが
ら、予め設定した移動回数ｍだけ対物レンズを移動させ
る（以下の説明において指定移動と記述する）。移動し
た後、ｍ回移動した中で最大のコントラストＣ’ｍａｘ
（この位置はＤ’ｍａｘ　とする）とＤ’ｗａｘの位置
の両側の位置Ｄ　　’ｔ　　、　　Ｄ　　’＊　　　（
Ｄ　　’Ｌ　　−Ｄ　　″　−ａｘ　　−３ｔ　　、　
　Ｄ　　’＋＋＝Ｄ　’ｎ＋ａｘ　＋Ｓｚ　）のコント
ラストｃ’、、ｃ′。

から、補間法の近似式により合焦位ＷＦＰを算出し、算
出後にこの算出した合焦位置まで対物レンズを移動させ
る。

補間法には種々の方法が知られているが、本発明を実施
した結果、最も単純な直線近似でも十分な結果が得られ
たので、直線近似式のみを記述する。

Ｃ’　Ｌ　　≧Ｃ′にのとき Ｃ’　Ｌ　≦Ｃ′真のとき ２　（Ｃ′ｍａｘ−Ｃ’Ｌ） ここでは、振り返り法の適用は１回のステップ移動量Ｓ
Ｉのみとしたが、焦点合わせの精度をよりよくするには
、振り返り法の適用回数を増やす（例えばステップ移動
１ｉｓｔ　　（＜３１　）の場合にも適用）方法及び／
又は前記の指定移動の適用回数を増やしつつ補間法を適
用する方法を用いると共にその場合のステップ移動量を
以前より小さくして分解能を上げればよい。

次に第３実施例として、特に標本のコントラストが低い
場合の方法について説明する。通常低コントラストの標
本の場合、コントラストの差が判定価よりも小さく又ピ
ーク巾も小さくて第１回目の振り返り法（ステップ移動
量Ｓ＋）で最大コントラスｌ−Ｃｍａｘの位置Ｄ　ｗａ
ｘを求めることができないことがある。この場合の自動
焦点調節方法は予め設定された限界位置ＬＰ（焦点位置
より後ピン側の位置即ち第４図のＬＰ）を検出する手段
を顕？ｉｋ鏡装置に予め設けておき、限界位置ＬＰを検
出した後金までステップ移動した位置Ｄａにおける最大
コントラストＣＩ！ｌａ×を求め、このＣ＋ａａｘが予
め設定したコントラストＣｔより大きい場合は、第１及
び第２実施例のように今までのステップ移動した位］Ｄ
ａの中で最大コントラストＣｍａｘの位ｆＤｍａｘの次
の位１ｆｆＤａｓまで対物レンズを移動させ、その後第
１又は第２実施例と同じ方法で合焦点位置を求める。こ
の方法を第１実施例に適用したときの合焦プロセスを第
８図に示す。

一方、前述のコントラストＣｍａｙが設定コントラス）
Ｃｔより小さい場合は、限界位置ＬＰを仮原点とすると
共にステップ移動量をＳ、より小さいＳ２に再設定して
、振り返り法を再度行う、後は第１又は第２実施例と同
じ方法で合焦位置を求める。この方法を実施例１に適用
したときの合焦プロセスを第９図に示す。

尚、本実施例では限界位置ＬＰを仮原点として再合焦を
行っているが、厚みのある標本等の場合、限界位ｉ！Ｌ
Ｐを仮原点にすると標本の裏面に合焦してしまうので、
仮原点を初回の本原点ＨＰにして同一面（例えば表面）
にたいする合焦操作を行うのがよい。

以上の説明では対物レンズと標本間の距ＨＤを１１節す
るのに対物レンズを動かしたが、標本側を移動させても
同じであるのは言うまでもない。

又、駆動モーターをパルスモータ５としたが他のＤＣモ
ータ等でもよいし、ラインスキャン型盪像装ＷＩＰＡ／
Ｄコンバータ３．マイクロコンピュータ４の電気信号処
理が高速にできればステップ移動でなくても連続移動の
合焦操作も可能となる。

又、電気的ノイズが大きくコントラストがバラツク場合
は、同一位置で複数回コントラスト測定を行い、平均操
作を行うことによりバラツキの少ないコントラストを求
めるようにして、精度のよい合焦位置を求めることもで
きる。

更に、本説明では顕微鏡の場合について述べたが、他の
光学機器にも適用できるのは言うまでもない。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による自動焦点調節方法によれば、
コントラストにサブピークがあったとしても真のピーク
値を求めることができ、精度の良い自動焦点調節を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に用いる自動焦点調節装置の基本構
成図、第２図及び第３図は夫々コントラストのピークが
一つだけの場合及び複数のサブピークが存在する場合の
コントラストと対物レンズ−標本間の距離との関係を示
すグラフ、第４図は本発明方法の第１実施例の振り返り
法の原理を示す図、第５図は第１実施例のプロセスを示
す図、第６図は第２実施例の補間法の原理を示す図、第
７図は第２実施例のプロセスを示す図、第８図及び第９
図は夫々第３実施例において最大コントラストが設定コ
ントラストよりも大の場合及び小の場合のプロセスを示
す図である。 １・・・・顕微鏡、２・・・・ラインスキャン型固体撮
像装置、３・・・・Ａ／Ｄコンバータ、４・・・・マイ
クロコンピュータ、５・・・・パルスモータ、Ｄ・・・
・対物レンズと標本との間の距離、Ｃ・・・・コントラ
スト、ＨＰ・・・・原点、ＬＰ・・・・限界位置、ＦＰ
・・・・合焦位置、Ｓ・・・・ステップ移動量。 第１図 −ビ　　　　　Ｌ）　　　　　　　　　　　ＦＰ　　　
　　　Ｄ第４図 １−５図 り１物Ｌンス杉１力匡１１ 十〇図 １−７図 １−８図 り１１つしン７：希ヤ創１コ殻 １−９図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）被写体のコントラストが最大となるように被写体
   と対物レンズとの間の距離を調節することにより焦点合
   わせを行う自動焦点調節方法において、（ａ）対物レン
   ズ又は被写体をその光軸に沿って基準点から一定のステ
   ップ移動量で移動させつつコントラスト測定を行い且つ
   その位置でのコントラストを記憶し、（ｂ）移動した後
   のコントラストと既に移動した過去の位置での記憶され
   たコントラストとの差と、予め設定された判定値とを比
   較し、（ｃ）この比較結果が正の値（コントラストが減
   少）で而も定められた回数（振り返り回数）に対応する
   複数の位置との比較結果が全て正の値になったならば、
   そのステップ移動量での動作上最大コントラストの位置
   を乗り越えたと判定するようにしたことを特徴とする自
   動焦点調節方法。
2. （２）上記（ｃ）の操作の後、（ｄ）対物レンズ又は被
   写体の位置を最大コントラストの位置の次のステップ移
   動位置まで戻してから上記と逆方向に上記ステップ移動
   量よりも小さい移動量で上記（ａ）乃至（ｃ）と同様の
   操作を行い、（ｅ）予め設定した焦点深度以下の最小ス
   テップ移動量まで上記（ａ）乃至（ｄ）の操作を繰り返
   すことにより焦点を調節するようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲（１）に記載の自動焦点調節方法。
3. （３）上記（ｃ）の操作の後、（ｆ）対物レンズ又は被
   写体の位置を最大コントラストの位置の次のステップ移
   動位置まで戻してから上記と逆方向に上記ステップ移動
   量よりも小さい移動量で予め設定した移動回数（指定移
   動回数）だけコントラストを測定しながらステップ移動
   させ、（ｇ）この移動の中で測定された最大コントラス
   トの値と該最大コントラストの位置の両側の位置のコン
   トラストの値とを用いて補間法の近似式により合焦位置
   を算出し、（ｈ）この算出した位置に対物レンズ又は被
   写体の位置を変更することにより焦点を調節するように
   したことを特徴とする特許請求の範囲（１）に記載の焦
   点調節方法。
4. （４）基準点の反対側に対物レンズ又は被写体の移動上
   の限界位置を設定し、上記（ｃ）の操作において最大コ
   ントラストの位置を乗り越えたと判定し得なかった場合
   、（１）上記ステップ移動の中での最大コントラストの
   値を求めて予め設定した値と比較し、（ｊ）その最大コ
   ントラストの値の方が大きい場合は上記（ｄ）乃至（ｅ
   ）の操作又は上記（ｆ）乃至（ｈ）の操作を実施し、（
   ｋ）その最大コントラストの値の方が小さい場合は限界
   位置又は基準点を第二基準点として上記ステップ移動量
   より小さいステップ移動量で上記（ａ）乃至（ｅ）の操
   作又は上記（ａ）乃至（ｃ）と（ｆ）乃至（ｈ）の操作
   を行うようにしたことを特徴とする特許請求の範囲（２
   ）又は（３）に記載の自動焦点調節方法。