TWI781490B - 對焦位置檢測方法、對焦位置檢測裝置、記錄媒體及對焦位置檢測用程式 - Google Patents

對焦位置檢測方法、對焦位置檢測裝置、記錄媒體及對焦位置檢測用程式 Download PDF

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Abstract

本發明係根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊由攝像部拍攝攝像對象物所取得複數的對象影像，進行對焦位置檢測的對焦位置檢測技術；為了安定地檢測對焦位置，依每個對象影像，從對象影像求取焦點之對焦程度指標的對焦度之第2步驟係包括有：將對象影像分割為複數局部區域的分割步驟；依每個局部區域，從局部區域求取焦點之對焦程度指標之局部值的局部值計算步驟；以及根據複數局部值求取對焦度的對焦度計算步驟。

Description

對焦位置檢測方法、對焦位置檢測裝置、記錄媒體及對焦位置檢測用程式
本發明係關於根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物所取得的複數對象影像，而檢測聚焦位置的對焦位置檢測技術。
參照以下所示日本申請案的說明書、圖式及申請專利範圍之揭示內容，並將全部內容融入於本說明書中： 日本專利特願2020-031528(2020年2月27日申請) 日本專利特願2020-031529(2020年2月27日申請)。
在細胞的培養及解析時，有時使用拍攝含有細胞之試料的影像。試料係使用通稱「孔培養盤或微量盤」等設有複數孔(凹部)的平板狀容器、或者具有單一孔之通稱「培養皿」的平盤狀容器製成。為能良好地拍攝屬於攝像對象物之細胞，必需檢測對焦位置進行焦點位置調整。所以提案有根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊由攝像部拍攝攝像對象物所取得的複數對象影像，進行對焦位置檢測的對焦位置檢測技術(日本專利特開平7-318784號公報、特開2016-223931號公報等)。
於上述對象影像係局部性含有攝像對象物影像。此處，在攝像對象物影像的亮度極端低之條件下，即使使用上述習知技術仍難以正確地檢測對焦位置。特別係當對攝像對象物照射激發光而使其螢光發光後，取得含攝像對象物影像之螢光影像(對象影像)時，一般螢光影像大多會變暗。所以，攝像對象物影像的亮度與雜訊之差變小，容易受背景雜訊的影響。
再者，試料中含有不同於原本攝像對象物的死細胞等。拍攝該試料取得的影像中，有時含有死細胞等所對應之像素亮度極端變高的高亮度區域。所以，相關含有高亮度區域的影像(參照後述圖7中(a)欄與(b)欄)，亦考慮排除高亮度區域而檢測聚焦位置，但此並無法充分排除死細胞等的影響。
此處，若調整攝像部所含之照明元件或照相機設定條件(發光時間、曝光時間等)並進行再度拍攝，便可解除上述問題。即，攝像對象物影像相對於雜訊的亮度差變大。又，抑制高亮度區域之發生。但因為攝像對象物係細胞的緣故，若重複再度拍攝，則發生對細胞之問題(光毒性、螢光退色)、或拍攝待機時間等問題。所以，期待能避免為了檢測對焦位置而重複進行再度拍攝。
本發明係有鑑於上述課題而完成，係關於根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊由攝像部拍攝攝像對象物所取得的複數對象影像，進行對焦位置檢測的對焦位置檢測技術。本發明之目的係在於提供：尤其在對象影像較暗的情況、或含有高亮度區域的情況，仍不需重複檢測動作，可安定地檢測對焦位置的技術。
本發明第1態樣的對焦位置檢測方法，係包括有：(a)一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得複數對象影像的步驟；(b)針對每個對象影像，根據將對象影像分割的複數局部區域、或排除了超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從對象影像求取焦點對焦程度指標之對焦度的步驟；以及(c)根據複數對焦度特定對焦位置的步驟。
再者，本發明第2態樣係根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得的複數對象影像，檢測對焦位置的對焦位置檢測裝置；其特徵為具備有：對焦度計算部，係針對每個對象影像，根據將對象影像分割的複數局部區域、或排除了超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從對象影像計算出攝像部焦點對焦程度指標的對焦度；對焦位置特定部，係根據由對焦度計算部所計算的複數對焦度而特定對焦位置。
再者，本發明第3態樣係電腦可讀取的非暫態性記錄媒體，記錄著使電腦執行上述對焦位置檢測方法的對焦位置檢測用程式。
再者，本發明第4態樣係對焦位置檢測用程式，使電腦執行上述對焦位置檢測方法。
如上述，根據本發明，即使在一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得的複數對象影像為較暗的情況、或含有高亮度區域的情況，仍不需重複檢測動作，可安定地檢測對焦位置。
上述本發明各態樣所具有之複數構成要件並非全部為必需，為了解決上述課題其中一部分或全部，或者為了達成本說明書所記載效果之其中一部分或全部，可適當地針對上述複數構成要件其中一部分之構成要件進行變更、刪除、替換其他新的構成要件、刪除部分限定內容。又，為了解決上述課題其中一部分或全部、或為了達成本說明書所記載效果之其中一部分或全部，亦可將上述本發明一態樣所含技術特徵其中一部分或全部，與上述本發明其他態樣所含技術特徵之其中一部分或全部組合，作為本發明獨立一形態。
以下，分別針對適用於對象影像較暗之情況的實施形態A、與適用於對象影像含有高亮度區域之情況的實施形態B進行說明。
[實施形態A] 以下，實施形態A係針對1個實施形態(第1實施形態)進行說明。
圖1所示係具備本發明對焦位置檢測裝置第1實施形態的攝像裝置的概略構成圖。圖2A與圖2B所示係攝像裝置所使用之孔培養盤一例圖，圖2A所示係孔培養盤的俯視圖，圖2B所示係立體示意圖。此處，為了統一表示各圖的方向，如圖1所示般設定XYZ正交座標系。例如可將XY平面視為水平面，將Z軸視為鉛直軸。以下將(-Z)方向設為鉛直朝下。
攝像裝置1係針對在孔培養盤9上面所形成之所謂「孔91」的凹部中所載持的培養基中，所培養的細胞、細胞菌落、細菌等(以下稱「細胞等」，並加註元件符號C)生物樣品進行拍攝的裝置。孔培養盤9係如圖2A與圖2B所示，為具有複數孔91的略板狀試料容器。孔培養盤9的材料係例如使用光能穿透的透明樹脂。在孔培養盤9的上面規則性排列複數孔91。孔91係與培養基一起保持成為攝像對象物的複數細胞。另外，該攝像裝置1之對象的孔培養盤的尺寸、孔數目並不侷限於該等而可為任意，一般係使用例如6至384孔。又，並不侷限於設有複數孔的孔培養盤，例如利用通稱「培養皿」的平型容器所培養之細胞等的拍攝，亦可使用該攝像裝置1。其中，本實施形態係針對孔91之俯視形狀呈圓形者進行說明。但，孔91的形狀亦可為矩形、圓角矩形等其他形狀。
在孔培養盤9的各孔91中，如圖1所示般依既定量注入培養基M之液體，在該液體中依既定培養條件培養的細胞等C，係成為該攝像裝置1的攝像對象物。培養基M亦可添加適當試劑，又亦可依液狀投入於孔91中之後進行膠化。該攝像裝置1可例如將在孔91內底面所培養的細胞等C作為攝像對象。
攝像裝置1係具備有：保持孔培養盤9的支撐架11、配置於支撐架11上方的照明部12、配置於支撐架11下方的攝像部13、以及具有對該等各部動作進行控制之CPU141的控制部14。支撐架11係抵接於在各孔91中一起載持著試料與培養基M的孔培養盤9之下面周緣部，呈略水平姿勢保持著孔培養盤9。
照明部12係朝向由支撐架11保持的孔培養盤9射出照明光。照明光的光源係可使用例如白色LED(Light Emitting Diode，發光二極體)。光源與適當照明光學系統的組合可使用為照明部12。利用照明部12，從上方照亮在孔培養盤9中所設置之孔91內的細胞等。
在由支撐架11所保持之孔培養盤9的下方設置攝像部13。在攝像部13中，於孔培養盤9正下方位置，配置未圖示之攝像光學系統，攝像光學系統的光軸係朝向鉛直方向(Z方向)。
利用攝像部13拍攝孔91內的細胞等。具體而言，從照明部12射出並從孔91上方射入於液體中的光照亮攝像對象物，從孔91底面穿透至下方的光，經由含有攝像部13之物鏡131的攝像光學系統，射入於攝像元件132的受光面。利用攝像光學系統在攝像元件132的受光面上成像之攝像對象物之影像，係被攝像元件132所拍攝。攝像元件132係具有二維受光面的區域影像感測器，可使用例如CCD感測器或CMOS感測器。
攝像部13係利用控制部14中所設置的機械控制部146，可在水平方向(XY方向)與鉛直方向(Z方向)上移動。具體而言，機械控制部146係根據來自CPU141的控制指令使驅動機構15產生動作，而使攝像部13在水平方向上移動，藉此攝像部13相對於孔91朝水平方向移動。又，藉由朝鉛直方向的移動而進行焦距調整。該焦距調整係根據由後詳述之對焦位置檢測方法所檢測的對焦位置執行。當依在攝像視野內納入了單1個孔91全體之狀態進行拍攝時，機械控制部146係依光軸與該孔91中心一致的方式，將攝像部13於水平方向上進行定位。
再者，驅動機構15係在使攝像部13朝水平方向移動時，如圖中虛線水平箭頭所示，使照明部12與攝像部13一體性移動。即，照明部12係配置呈其光中心與攝像部13的光軸略一致，當攝像部13在水平方向上移動時，便與其連動進行移動。藉此，不管拍攝哪一孔91的情況，該孔91的中心與照明部12的光中心均經常位於攝像部13的光軸上，若使對各孔91的照明條件設為一定，可良好地維持拍攝條件。
從攝像部13的攝像元件132輸出的影像訊號，被傳送給控制部14。即，影像訊號被輸入於控制部14所設置的AD轉換器(A/D)143中，並轉換為數位式影像資料。CPU141具有根據所接收到的影像資料，執行適當影像處理的影像處理部機能。控制部14更進一步設有：用於記憶儲存影像資料的影像記憶體144、以及用於記憶儲存待由CPU141執行之程式與由CPU141所生成之資料的記憶體145，該等亦可形成為一體。CPU141係藉由執行由記憶體145所記憶的控制程式，而執行後述的對焦度計算處理與對焦位置特定處理等，以進行對焦位置檢測。即，CPU141係具有本發明的「對焦度計算部」與「對焦位置特定部」之機能，控制程式其中一部分係相當於本發明「對焦位置檢測用程式」一例。
此外，在控制部14中設有介面(IF)部142。介面部142係除了受理來自使用者的操作輸入、對使用者提示處理結果等資訊的使用者介面機能，亦具有與經由通訊線路所連接之外部裝置間進行資料交換的機能。為了實現使用者介面機能，於介面部142係連接有：受理來自使用者之操作輸入的輸入受理部147、對使用者顯示輸出訊息與處理結果等的顯示部148、以及從電腦可讀取的非暫態性(non-transitory)記錄媒體M中進行讀取的讀取裝置149。
另外，控制部14亦可為具備有上述硬體的專用裝置，又亦可在個人電腦或工作站等通用處理裝置中，組裝用於實現後述處理機能的控制程式。即，該攝像裝置1的控制部14係可利用通用電腦。於使用通用處理裝置的情況，攝像裝置1只要具備有用於使攝像部13等各部位產生動作的必要最小極限之控制機能便足夠。
圖3所示係由圖1所示攝像裝置執行的對焦位置檢測方法一實施形態的流程圖。又，圖4所示係對焦位置檢測方法所執行步驟其中一部分的示意圖。對焦位置檢測方法係由在控制部14中所設置的CPU141執行預先安裝的控制程式，藉由使裝置各部位執行既定動作而實現。
首先，由驅動機構15驅動攝像部13，依特定孔91、例如位於中心部的孔91納入於視野的方式設定攝像部13的水平位置，且依物鏡131的焦點位置成為既定初始位置之方式，使攝像部13在鉛直方向Z上定位於攝像部高度H1處。在此狀態下進行孔91的拍攝，並將對象影像G1的影像資料記憶於影像記憶體144中(步驟S1)。另外，圖4中，對象影像G1所含細胞等C的影像GC依點陣示意圖示。又，後述所說明之對象影像G2~G4所含有細胞等C的影像GC亦相同。又，同圖中括號內數字係表示對應的攝像部高度。
於下一步驟S2，從對象影像求取焦點之對焦程度指標的對焦度。例如在如上述般剛取得對象影像G1後，即進行對象影像G1的分割(步驟S2-1)，依每個局部區域計算局部對焦度(局部值)(步驟S2-2)，以及根據複數局部對焦度計算對象影像G1所對應的對焦度(步驟S2-3)。即，如圖4所示，對象影像G1被分割為複數個(本實施形態中為4×3矩陣狀，合計12個)局部區域PR(步驟S2-1)。然後，依每個局部區域PR計算出焦點之對焦程度指標的對焦度(步驟S2-2：局部值計算步驟)。本說明書中，為了與習知周知之對焦度、亦即從對象影像G1計算的對焦度有所區別，將依此由局部區域PR計算的對焦度稱為「局部對焦度」，此相當於本發明的「局部值」。即，本實施形態係藉由執行步驟S2-2而計算12個局部對焦度。
局部對焦度係可使用習知周知者，例如：(1)構成局部區域PR的像素亮度所對應之指標值(亮度平均值、對比、邊緣強度等)、(2)上述指標值乘上配合局部區域PR之面積與值之係數的指標值、(3)從構成局部區域PR的像素亮度直方圖分析性地計算的指標值等。本實施形態中，將構成對象影像G1的像素亮度依0至255色階表示，將每個局部區域PR的亮度平均值設為局部對焦度。所以，由圖4中「局部區域」與「局部對焦度」的關聯性進行觀察得知，對象影像G1全體的局部對焦度較低，而細胞等C的影像GC所對應之局部對焦度則稍微提高。
若依此對對象影像G1求取複數局部對焦度，則在進行配合局部對焦度大小的校正之下，計算將攝像部13定位於攝像部高度H1時的對焦度(步驟S2-3：對焦度計算步驟)。本實施形態中，將配合局部對焦度大小的係數乘上局部對焦度而計算出校正值。更詳言之，將上述12個局部對焦度依照攝像部13的焦點對焦程度之順序進行排序，對從上位起至一定順序(上位50%)為止的局部對焦度，乘上大於零之值的係數(本實施形態係「1」)而計算出複數校正值，另一方面，剩餘的局部對焦度因為乘上係數零而實質上由用於計算出對焦度的校正值被排除。即，圖4所示「局部對焦度」中，陰影線所示上位6個局部對焦度被擷取作為校正值，求取該等平均值，並設為攝像部13被定位於攝像部高度H1時的對焦度。依此，步驟S2相當於本發明「步驟(b)」一例，步驟S2-1、S2-2、S2-3分別相當於本發明「步驟(b-1)」、「步驟(b-2)」、「步驟(b-3)」一例。
於下一步驟S3，判定攝像部13是否到達最低攝像部高度H4。在判定為尚未到達的期間，重複執行步驟S4與步驟S2。即，於步驟S4，係藉由使鉛直方向Z上的攝像部13下降，而使攝像部高度下降1段之後，被定位於變更後之攝像部高度H2(H3或H4)的攝像部13拍攝孔91，取得對象影像G2(G3或G4)。依此執行相當於本發明「步驟(a)」一例的處理。
然後，執行(步驟S2)：所取得對象影像G2(G3或G4)的分割(步驟S2-1)、依每個局部區域計算局部對焦度(局部值)(步驟S2-2)、以及根據複數局部對焦度計算對象影像G2(G3或G4)所對應的對焦度(步驟S2-3)。依此，分別求取攝像部13被定位於攝像部高度H2~H4時的對焦度。另外，本實施形態中，每1段的攝像部高度變更間距設為一定。
另一方面，若步驟S3判斷為「YES」、亦即依每個攝像部高度H1~H4求取對焦度，則與習知技術同樣地，將對焦度最高的攝像部高度特定為對焦位置(步驟S5：步驟(c))。在例如圖4所示般對焦度出現分佈的情況，將表示最高值時的攝像部高度H3特定為對焦位置。
此處，若於每個對象影像G1~G4中將以構成對象影像的全像素亮度之單純平均值設為對焦度的比較例(圖4中的左側)、與本實施形態(圖4中的右側)進行比較，可得知本實施形態具有如下述優越性。比較例僅止於單純平均而已，較容易受背景雜訊的影響。所以，隨攝像部高度H1~H4的變更所造成之對焦度變化量較小，對焦位置發生檢測失誤的可能性提高。相對於此，本實施形態中，係將局部對焦度未滿上位50%區域、亦即未含有細胞等C之影像GC的機率較高之背景雜訊區域除外，求取每個對象影像G1~G4的對焦度。所以，隨攝像部高度H1~H4變更所造成對焦度變化量較大，可更正確地檢測對焦位置。結果，即使對象影像G1~G4較暗的情況，仍不需重複檢測動作，可安定地檢測對焦位置。
[實施形態B] 其次，參照圖5至圖11，針對實施形態B進行說明。以下，實施形態B係針對4個實施形態(第2實施形態~第5實施形態)進行說明，關於相同構成係加註相同或相當元件符號，並省略說明。
圖5所示係裝設有本發明對焦位置檢測裝置之第2實施形態的攝像裝置之概略構成圖。第2實施形態不同於第1實施形態之處在於：CPU141具有飽和區域取得部、與由CPU141所執行之處理其中一部分不同。即，CPU141係藉由執行記憶體145所記憶的控制程式，執行後述飽和區域取得處理、對焦度計算處理及對焦位置特定處理等，而檢測對焦位置。即，CPU141係具有本發明的「飽和區域取得部」、「對焦度計算部」及「對焦位置特定部」之機能，控制程式其中一部分係相當於本發明「對焦位置檢測用程式」一例。
圖6所示係圖5所示攝像裝置執行的對焦位置檢測方法之第2實施形態的流程圖。又，圖7所示係由攝像部所取得對象影像之一例圖。對焦位置檢測方法係由在控制部14中所設置的CPU141執行預先安裝的控制程式，藉由使裝置各部位進行既定動作而實現。
首先，由驅動機構15驅動攝像部13，依特定孔91、例如位於中心部的孔91納入於視野的方式設定攝像部13的水平位置，且依物鏡131的焦點位置成為既定初始位置之方式，使攝像部13在鉛直方向Z上定位於攝像部高度H1處。在此狀態下進行孔91的拍攝，並將對象影像G1的影像資料記憶於影像記憶體144中(步驟S21)。針對依此取得的對象影像G1，如圖7中(a)欄位所示，包含有原本所欲拍攝的細胞等C之影像GC1、與死細胞之影像GC2。該等之中，構成影像GC1的像素亮度相當於從經照射激發光的細胞等C進行螢光發光的光，成為較低值。相對於此，構成影像GC2的像素亮度則極端提高。結果，在為了以細胞等C為攝像對象物進行拍攝而檢測對焦位置時，像GC2的存在將成為檢測精度降低的主要原因之一。
此處，本實施形態係在執行上述步驟S21之後，更進一步重複執行步驟S22~S24。藉此，一邊使攝像部13至細胞等C的距離依4段不同、亦即一邊使焦點位置沿光軸進行變化，一邊利用攝像部13拍攝細胞等C，而取得4個對象影像G1~G4(相當於本發明「步驟(a)」)。又，執行取得超過既定亮度Lmax的飽和區域、亦即飽和區域取得處理(相當於本發明的「步驟(b-4)」)。
圖8所示係飽和區域取得處理內容、以及對焦度計算對象之影像與飽和區域間的關係的示意圖。下一步驟S22中，將對象影像G1分割為複數個(本實施形態為4×3矩陣狀合計12個)局部影像PG(步驟S22-1：步驟(b-5-1))。然後，求取超過既定亮度Lmax之局部影像PG所存在的區域、亦即高亮度區域HR)(步驟S22-2：步驟(b-5-2))。相關各局部影像PG是否超過既定亮度Lmax的判定，例如可根據構成局部影像PG的複數像素中超過既定亮度Lmax的像素數實施。相關此點，在後述所說明的第3實施形態中亦相同。
另外，將超過既定亮度Lmax的高亮度之局部影像PG，適當地稱為「高亮度局部影像PGs」。又，為了明確表示高亮度區域HR與高亮度局部影像PGs，在圖8的(S22-2)中，高亮度區域HR係用粗線框住，另一方面，高亮度局部影像PGs則標示陰影線。若依此求取高亮度區域HR，則根據高亮度區域HR取得飽和區域(步驟S22-3：步驟(b-5-3))。此種飽和區域取得處理(相當於步驟(b-5)一例)係接著上述對象影像G1之後，亦依序針對對象影像G2~G4執行。
本實施形態中，如圖8所示，對象影像G2的高亮度區域HR係較對象影像G1的高亮度區域HR存在於更廣範圍。即，由對象影像G2的高亮度區域HR所構成之飽和區域SR，係包含由對象影像G1的高亮度區域HR所構成之飽和區域(未圖示)。且，如圖7的「亮度分佈」欄位所示，影像GC2的亮度分佈係在焦點位置(攝像部高度H1)具有清晰輪廓，但隨著遠離焦點位置，輪廓周邊或全體亮度隨之降低，並具有曲線底部部分擴展的輪廓。所以，雖對象影像G3、G4所含死細胞影像GC2的亮度為既定亮度Lmax以下，但與細胞等C的影像GC1之亮度為同等級或以上，對對焦位置檢測造成影響的可能性較高。所以，本實施形態係將上述飽和區域SR設為於各對象影像G1~G4中阻礙對焦位置檢測的範圍，如後所說明，考慮飽和區域SR之後計算對焦度。
另一方面，當所有對象影像G1~G4均未含有死細胞影像GC2等情況，因為不存在飽和區域SR，因而可與習知技術同樣地直接使用對象影像G1~G4施行對焦位置檢測。
所以，下一步驟S25中，判定是否存在飽和區域SR。若於該步驟S25判定不存在飽和區域SR，則針對攝像部高度H1~H4均分別由對象影像G1~G4計算出對焦度(步驟S26：步驟(b-5))。
相對於此，若於步驟S25判定存在飽和區域SR，則對於攝像部高度H1~H4均將飽和區域SR的影像排除於對焦度計算對象外。即，從對象影像G1中飽和區域SR外的影像G1A求取焦點對焦程度指標的對焦度。又，從對象影像G2中飽和區域SR外的影像G2A求取焦點對焦程度指標的對焦度。又，從對對象影像G3中飽和區域SR外的影像G3A求取焦點對焦程度指標的對焦度。又，從對象影像G4中飽和區域SR外的影像G4A求取焦點對焦程度指標的對焦度。此種對焦度取得步驟相當於本發明「步驟(b-6)」一例。
若依此完成攝像部高度H1~H4的對焦度計算，則與習知技術同樣地將對焦度最高的攝像部高度特定為對焦位置(步驟S28：步驟(c))。
如上述，根據第2實施形態，當如死細胞影像GC2等高亮度影像包含於對象影像中的情況，係將飽和區域SR的影像設為對焦度計算的對象外。且，如圖8所示，不僅止於出現了高亮度區域HR的對象影像G1、G2，對於所有對象影像G1~G4均將飽和區域SR的影像設為對焦度計算的對象外。所以，可確實地排除死細胞等影響，可更正確地檢測對焦位置。結果，即使於對象影像G1~G4全部或其中一部分含有高亮度區域HR的情況，仍不需要重複檢測動作，可安定地檢測對焦位置。
圖9所示係本發明對焦位置檢測方法之第3實施形態的飽和區域取得處理內容、以及對焦度計算對象之影像與飽和區域間之關係的示意圖。該第3實施形態與第2實施形態的差異在於：求取僅使高亮度區域HR膨脹既定量的膨脹高亮度區域EHR，以及根據該膨脹高亮度區域EHR決定飽和區域SR之處。另外，其他構成與動作基本上均相同。所以，以下以差異處為中心進行說明，針對相同構成與動作加註相同元件符號並省略說明。
第3實施形態的步驟S22中，係與第2實施形態同樣地，將各對象影像G1~G4分割為12個局部影像PG(步驟S22-1：步驟(b-5-1))，求取超過既定亮度Lmax的局部影像PG所存在區域、亦即高亮度區域HR(步驟S22-2：步驟(b-5-2))。接著，第3實施形態中，係使各高亮度區域HR僅膨脹既定量(步驟S22-4：步驟(b-5-4))。該經膨脹後的區域為膨脹高亮度區域EHR，根據膨脹高亮度區域EHR取得飽和區域SR(步驟S22-5：步驟(b-5-5))。
然後，在如圖9所示般存在飽和區域SR的情況，與第2實施形態同樣地，針對攝像部高度H1~H4全部均將飽和區域SR的影像排除在對焦度計算的對象外。然後，從飽和區域SR外的影像G1A、G2A、G3A、G4A求取焦點對焦程度指標的對焦度。然後，與習知技術同樣地將對焦度最高的攝像部高度特定為對焦位置。
如上述，第3實施形態可獲得與第2實施形態同樣的作用效果。且，對應於影像GC2的亮度分佈如圖7所示般具有下緣擴展之輪廓的情形，使高亮度區域HR膨脹而使曲線底部部分含於膨脹高亮度區域EHR中，納入於飽和區域SR中。所以，相關曲線底部部分、亦即雖然為既定亮度Lmax以下但仍較細胞等C之影像GC1亮度具有充分高之亮度的影像，亦排除於對焦度計算的對象外。結果，可更確實地排除死細胞等之影響，可使對焦位置檢測更高精度。
另外，第3實施形態中，係使各高亮度區域HR膨脹而求取膨脹高亮度區域EHR，但亦可使複數之高亮度區域HR相互連接形成的區域(例如圖9中由2個高亮度區域HR排列的區域、或由4個包圍的區域等)僅膨脹既定量，而取得膨脹高亮度區域EHR。針對此點，在下述所說明的第4實施形態亦同。
圖10所示係本發明對焦位置檢測方法第4實施形態的飽和區域取得處理內容、以及對焦度計算對象之影像與飽和區域間之關係的示意圖。該第4實施形態與第2實施形態的不同處在於：對象影像在未分割為複數局部影像之情況下求取高亮度區域HR，以及與第3實施形態同樣地根據膨脹高亮度區域EHR決定飽和區域SR。另外，其他構成與動作基本上均相同。所以，以下以差異處為中心進行說明，針對相同構成與動作係加註相同元件符號並省略說明。
第2實施形態與第3實施形態中，係依局部影像PG單位導出飽和區域SR，第4實施形態的步驟S22係經由以下階段導出飽和區域SR。即，將依第1段超過既定亮度Lmax的區域設為高亮度區域HR並取得(步驟S22-6：步驟(b-5-6))。然後，使高亮度區域HR僅膨脹既定量，取得膨脹高亮度區域EHR(步驟S22-7：步驟(b-5-7))，再根據膨脹高亮度區域EHR取得飽和區域SR(步驟S22-8：步驟(b-5-8))。此處，求取膨脹高亮度區域EHR的技術性意義，係與第3實施形態相同，藉由將亮度分佈之曲線底部部分(雖為既定亮度Lmax以下但仍較細胞等C之影像GC1亮度具有充分高之亮度的區域)設為對焦度計算對象外，而提高焦位置檢測的精度。
然後，在如圖10所示般存在飽和區域SR的情況，與第2實施形態及第3實施形態同樣地，對於攝像部高度H1~H4全部均將飽和區域SR的影像排除在對焦度計算對象外。然後，從飽和區域SR外的影像G1A、G2A、G3A、G4A求取焦點對焦程度指標的對焦度。然後，與習知技術同樣地將對焦度最高的攝像部高度特定為對焦位置。
如上述，第4實施形態可獲得與第2實施形態及第3實施形態同樣的作用效果。且，第4實施形態係僅取得超過既定亮度Lmax的區域、以及從該區域經膨脹的區域作為飽和區域SR，所以可獲得如下述作用效果。第2實施形態與第3實施形態中，因為依局部影像PG單位求取高亮度區域HR，因而雖在屬於局部影像PG的範圍內，但由超過既定亮度Lmax的區域充分遠離的區域亦被認定為高亮度區域HR。因而有成為焦度計算基礎的亮度資料不足的情況。相對於此，第4實施形態中，由超過既定亮度Lmax區域充分遠離的區域(膨脹高亮度區域EHR以外的區域)的亮度資料係將成為對焦度計算基礎。所以，可根據更多資料進行對焦位置檢測。
但是，利用上述第2實施形態至第4實施形態雖可獲得飽和區域SR除外的影像G1A、G2A、G3A、G4A，但該等所含的主要影像係對攝像對象物照射激發光而使其進行螢光發光的細胞等C之影像GC1，影像G1A~G4A一般為較暗。所以，影像GC1的亮度與雜訊之差較小，容易受背景雜訊的影響。此處，亦可如下所說明般構成從影像G1A~G4A計算對焦度(第5實施形態)。
圖11所示係本發明對焦位置檢測方法的第5實施形態中所執行之步驟其中一部分的示意圖。第5實施形態中，係依每個對象影像G1A~G4A進行對象影像分割、依每個局部區域進行局部對焦度(局部值)計算、以及根據複數局部對焦度計算對象影像所對應的對焦度。此處，針對對象影像G1A的處理進行說明，其餘則省略說明。如圖7所示，將對象影像G1A依照與取得高亮度區域HR時相同的分割態樣分割為複數局部區域PR，而取得合計8個局部區域PR。當然，分割態樣(分割數、分割形狀等)亦可與取得高亮度區域HR時不同。
其次，依每個局部區域PR，計算焦點對焦程度指標的對焦度。本說明書中，為了與習知周知之對焦度、亦即從對象影像G1A計算的對焦度有所區分，將依此由局部區域PR計算的對焦度稱為「局部對焦度」。即，本實施形態係計算8個局部對焦度。
作為局部對焦度，可使用習知周知者，例如：(1)構成局部區域PR的像素亮度所對應之指標值(亮度平均值、對比、邊緣強度等)、(2)上述指標值乘上配合局部區域PR面積與值之係數的指標值、(3)從構成局部區域PR的像素亮度直方圖分析計算的指標值等。本實施形態中，將構成對象影像G1A的像素亮度依0至255色階表示，將每個局部區域PR的亮度平均值設為局部對焦度。所以，由圖11中「局部區域」與「局部對焦度」的關聯性進行觀察可得知，對象影像G1A全體的局部對焦度較低，而細胞等C的影像GC1所對應之局部對焦度則稍微提高。
若依此對於對象影像G1A求取複數局部對焦度，則在進行配合局部對焦度大小的校正之下，計算將攝像部13定位於攝像部高度H1時的對焦度。本實施形態中，將配合局部對焦度大小的係數乘上局部對焦度而計算出校正值。更詳言之，將上述8個局部對焦度依照攝像部13的焦點對焦程度之順序進行排序，對從上位起至一定順序(上位50%)為止的局部對焦度，乘上大於零之值的係數(本實施形態係「1」)而計算出複數校正值，另一方面，剩餘的局部對焦度因為乘上係數零而實質上由用於計算出對焦度的校正值被排除。即，圖11所示「局部對焦度」中，陰影線所示上位4個局部對焦度被擷取作為校正值，求取該等平均值，並設為攝像部13被定位於攝像部高度H1時的對焦度。另外，將攝像部13定位於攝像部高度H2~H4時的對焦度，亦分別根據對象影像G2A~G4A求取。 若依此對每個攝像部高度H1~H4求取對焦度，然後，則與習知技術同樣地將對焦度最高的攝像部高度特定為對焦位置(相當於本發明「步驟(c)」一例)。在例如圖11所示般對焦度具有分佈的情況，將表示最高值時的攝像部高度H3特定為對焦位置。
此處，若於每個對象影像G1A~G4A中將以構成對象影像的全像素亮度之單純平均值設為對焦度的第2實施形態(圖11中的左側)、與本實施形態(圖11中的右側)進行比較，得知第5實施形態具有如下述優越性。第2實施形態僅止於單純平均而已，較容易受背景雜訊的影響。所以，隨攝像部高度H1~H4的變更所造成之對焦度變化量較小。相對於此，第5實施形態係將局部對焦度未滿上位50%區域、亦即未含有細胞等C之影像GC1的機率較高之背景雜訊區域除外，求取每個對象影像G1A~G4A的對焦度。所以，隨攝像部高度H1~H4變更所造成之對焦度變化量較大，可更正確地檢測對焦位置。結果，即使對象影像G1A~G4A較暗的情況，仍不需重複檢測動作，可安定地檢測對焦位置。
另外，本發明並不侷限於上述實施形態，在不脫逸主旨之前提下亦可進行上述以外的各種變更。例如上述實施形態A，係每次將攝像部13定位於攝像部高度H1~H4時即計算局部對焦度、及在該攝像部高度處的對焦度，但亦可在完成取得4個對象影像G1~G4後，才統括地計算局部對焦度、及攝像部高度處的對焦度。
再者，上述實施形態B，係每次將攝像部13定位於攝像部高度H1~H4時即取得飽和區域SR，但亦可在完成取得4個對象影像G1~G4後，才統括地計算飽和區域SR。
再者，上述實施形態中，係在連續拍攝孔91內的細胞等C之前，使用特定孔91執行上述對焦位置檢測動作，但亦可在每次拍攝孔91的細胞時執行上述對焦位置檢測動作。
再者，上述實施形態中，係使攝像部13至攝像對象物(細胞等C)的距離依4階段變更，惟，攝像部高度的段數並不侷限於此，在多階段前提下可為任意。
再者，上述實施形態中，含有對焦位置檢測用程式的控制程式係預先記憶於記憶體145中，但亦可構成為利用電氣式耦接於介面部142的光碟機驅動器等讀取部149讀取安裝程式。即，亦可構成為可讀取插入於該光碟機驅動器的CD-ROM(=Compact Disc - Read Only Memory，唯讀式微縮光碟)、DVD-ROM(=Digital Versatile Disk - Read Only Memory，數位影音光碟)等記錄媒體M中所記錄之上述對焦位置檢測用程式，使光碟機驅動器具有讀取部149的機能。即，即使為無法執行上述對焦位置檢測方法的攝像裝置1，亦可藉由安裝上述對焦位置檢測用程式而組裝對焦位置檢測用程式，則可升級成為能執行上述對焦位置檢測方法。另外，作為記錄媒體M亦可使用CD-ROM、DVD-ROM以外的記錄媒體，進行對焦位置檢測用程式的讀取。又，亦可構成利用通訊手段讀取對焦位置檢測用程式。
以上沿用特定實施例說明了本發明，惟，該說明並非限定解釋。若參照發明說明，如同本發明其他實施形態，所揭示之實施形態的各種變化例均屬於熟習此技術可輕易思及。故，可認為所附申請專利範圍係在不脫逸本發明真正範圍的範疇內，均涵蓋該變形例或實施形態。
本發明係全盤適用於根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得的複數對象影像，進行對焦位置檢測的對焦位置檢測技術。
1:攝像裝置 9:孔培養盤 11:支撐架 12:照明部 13:攝像部 14:控制部 15:驅動機構 91:孔 131:物鏡 132:攝像元件 141:CPU(飽和區域取得部、對焦度計算部、對焦位置特定部) 142:介面部 143:AD轉換器(A/D) 144:影像記憶體 145:記憶體 146:機械控制部 147:輸入受理部 148:顯示部 149:讀取裝置 C:細胞等(攝像對象物) EHR:膨脹高亮度區域 G1~G4:對象影像 G1A~G4A:對象影像 H1~H4:攝像部高度 HR:高亮度區域 M:記錄媒體 PG:局部影像 PR:局部區域 SR:飽和區域 Z:鉛直方向
圖1係具備本發明對焦位置檢測裝置一實施形態的攝像裝置之概略構成圖。 圖2A係攝像裝置所使用之孔培養盤的俯視圖。 圖2B係攝像裝置所使用之孔培養盤的立體示意圖。 圖3係由圖1所示攝像裝置執行的對焦位置檢測方法之一實施形態的流程圖。 圖4係對焦位置檢測方法所執行步驟之其中一部分的示意圖。 圖5係裝設本發明對焦位置檢測裝置第2實施形態的攝像裝置之概略構成圖。 圖6係由圖5所示攝像裝置執行的對焦位置檢測方法第2實施形態的流程圖。 圖7係由攝像部所取得對象影像之一例圖。 圖8係飽和區域取得處理內容、以及對焦度計算對象的影像與飽和區域間之關係的示意圖。 圖9係本發明對焦位置檢測方法第3實施形態中，飽和區域取得處理內容、以及對焦度計算對象之影像與飽和區域間之關係的示意圖。 圖10係本發明對焦位置檢測方法第4實施形態中，飽和區域取得處理內容、以及對焦度計算對象之影像與飽和區域間之關係的示意圖。 圖11係本發明對焦位置檢測方法第5實施形態所執行步驟之其中一部分的示意圖。
G1~G4:對象影像
GC:(細胞等之)影像
H1~H4:攝像部高度
PR:局部區域

Claims (12)

  1. 一種對焦位置檢測方法，係包括有：(a)一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得複數對象影像的步驟；(b)針對上述每個對象影像，根據將上述對象影像分割的複數局部區域、或排除超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從上述對象影像求取焦點之對焦程度指標之對焦度的步驟；以及(c)根據上述複數對焦度特定對焦位置的步驟；上述步驟(b)係包括有：(b-1)將上述對象影像分割為複數局部區域的步驟；(b-2)依上述每個局部區域，從上述局部區域求取焦點之對焦程度指標的局部值之步驟；以及(b-3)根據上述複數局部值而求取上述對焦度的步驟；上述步驟(b-3)係依上述每個局部值，配合上述局部值的大小進行校正而計算校正值，且從上述複數校正值計算上述對焦度的步驟。
  2. 如請求項1之對焦位置檢測方法，其中，上述步驟(b-3)係將配合上述局部值大小的係數乘上上述局部值，而計算出上述校正值。
  3. 如請求項2之對焦位置檢測方法，其中，上述步驟(b-3)係將上述複數局部值依照上述攝像部之焦點的對焦程度順序進行排序，將從上位至一定順位的上述局部值乘上大於零之值的上述係數，而計算出上述複數校正值，其餘的上述局部值則乘上零之上述係數，由計算上述對焦度之上述校正值排除。
  4. 如請求項1至3中任一項之對焦位置檢測方法，其中，上述步驟(b-3)係將上述複數校正值平均而求取上述對焦度。
  5. 一種對焦位置檢測方法，係包括有：(a)一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得複數對象影像的步驟；(b)針對上述每個對象影像，根據將上述對象影像分割的複數局部區域、或排除超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從上述對象影像求取焦點之對焦程度指標之對焦度的步驟；以及(c)根據上述複數對焦度特定對焦位置的步驟；上述步驟(b)係包括有：(b-4)從上述複數對象影像取得超過既定亮度之飽和區域的步驟；(b-5)依上述每個對象影像，在上述對象影像中，從上述飽和區域外的影像求取焦點之對焦程度指標的對焦度之步驟；以及(b-6)根據上述複數對焦度而特定對焦位置的步驟；上述步驟(b-5)係包括有：(b-5-1)將上述對象影像分割為複數局部影像的步驟；(b-5-2)求取上述超過既定亮度之上述局部影像所對應之高亮度區域的步驟；(b-5-4)求取使上述高亮度區域僅膨脹既定量之膨脹高亮度區域的步驟；以及(b-5-5)根據上述膨脹高亮度區域，決定上述飽和區域的步驟。
  6. 如請求項5之對焦位置檢測方法，其中，判定上述局部影 像是否超過上述既定亮度，係根據構成上述局部影像的複數像素中超過上述既定亮度的像素之數量所進行。
  7. 一種對焦位置檢測方法，係包括有：(a)一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得複數對象影像的步驟；(b)針對上述每個對象影像，根據將上述對象影像分割的複數局部區域、或排除超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從上述對象影像求取焦點之對焦程度指標之對焦度的步驟；以及(c)根據上述複數對焦度特定對焦位置的步驟；上述步驟(b)係包括有：(b-4)從上述複數對象影像取得超過既定亮度之飽和區域的步驟；(b-5)依上述每個對象影像，在上述對象影像中，從上述飽和區域外的影像求取焦點之對焦程度指標的對焦度之步驟；以及(b-6)根據上述複數對焦度而特定對焦位置的步驟；上述步驟(b-5)係包括有：(b-5-6)求取上述超過既定亮度之高亮度區域的步驟；(b-5-7)求取使上述高亮度區域僅膨脹既定量之膨脹高亮度區域的步驟；以及(b-5-8)根據上述膨脹高亮度區域而決定上述飽和區域的步驟。
  8. 一種對焦位置檢測裝置，係根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得的複數對象影像，檢測對焦位置的對焦位置檢測裝置；其具備有： 對焦度計算部，其係依每個上述對象影像，根據將上述對象影像分割的複數局部區域、或排除超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從上述對象影像計算出上述攝像部之焦點之對焦程度指標的對焦度；以及對焦位置特定部，其係根據由上述對焦度計算部所計算的上述複數對焦度而特定上述對焦位置；上述對焦度計算部係依將上述對象影像分割所取得的每個局部區域，從上述局部區域求得焦點之對焦程度指標的局部值之後，根據上述複數局部值求取上述對焦度，上述對焦度計算部係依上述每個局部值，配合上述局部值的大小進行校正而計算校正值，且從上述複數校正值計算上述對焦度。
  9. 一種對焦位置檢測裝置，係根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得的複數對象影像，檢測對焦位置的對焦位置檢測裝置；其具備有：對焦度計算部，其係依每個上述對象影像，根據將上述對象影像分割的複數局部區域、或排除超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從上述對象影像計算出上述攝像部之焦點之對焦程度指標的對焦度；以及對焦位置特定部，其係根據由上述對焦度計算部所計算的上述複數對焦度而特定上述對焦位置；更進一步具備有：從上述複數對象影像取得超過既定亮度之飽和區域的飽和區域取得部； 上述對焦度計算部係依上述每個對象影像，在上述對象影像中，從上述飽和區域外的影像求取焦點之對焦程度指標的對焦度，上述對焦度計算部係將上述對象影像分割為複數局部影像，求取上述超過既定亮度之上述局部影像所對應之高亮度區域，並求取使上述高亮度區域僅膨脹既定量之膨脹高亮度區域，根據上述膨脹高亮度區域，決定上述飽和區域。
  10. 一種對焦位置檢測裝置，係根據一邊使焦點位置沿光軸變化、一邊利用攝像部拍攝攝像對象物而取得的複數對象影像，檢測對焦位置的對焦位置檢測裝置；其具備有：對焦度計算部，其係依每個上述對象影像，根據將上述對象影像分割的複數局部區域、或排除超過既定亮度之飽和區域的飽和區域外的影像，從上述對象影像計算出上述攝像部之焦點之對焦程度指標的對焦度；以及對焦位置特定部，其係根據由上述對焦度計算部所計算的上述複數對焦度而特定上述對焦位置；更進一步具備有：從上述複數對象影像取得超過既定亮度之飽和區域的飽和區域取得部；上述對焦度計算部係依上述每個對象影像，在上述對象影像中，從上述飽和區域外的影像求取焦點之對焦程度指標的對焦度，上述對焦度計算部係求取上述超過既定亮度之高亮度區域，並求取使上述高亮度區域僅膨脹既定量之膨脹高亮度區域，根據上述膨脹高亮度區域而決定上述飽和區域。
  11. 一種記錄媒體，係電腦可讀取的非暫態性記錄媒體，其記錄著使電腦執行請求項1至7中任一項之對焦位置檢測方法的對焦位置檢測用程式。
  12. 一種對焦位置檢測用程式，係使電腦執行請求項1至7中任一項之對焦位置檢測方法。
TW109143140A 2020-02-27 2020-12-08 對焦位置檢測方法、對焦位置檢測裝置、記錄媒體及對焦位置檢測用程式 TWI781490B (zh)

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