JPH0237313A

JPH0237313A - 自動焦点位置検出方法

Info

Publication number: JPH0237313A
Application number: JP18545488A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shinoda; 誠信田; Masaichi Baba; 馬場　政一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-07-27
Filing date: 1988-07-27
Publication date: 1990-02-07

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〕本発明は画像認識する顕微鏡装置における焦点位置検出
方法にかかわり、特に、焦点合わせ用駆動源のバックラ
ッシュやヒステリシス特性が温度変化する場合でも高精
度な焦点位置検出を可能とする自動焦点位置検出方法に
関する。

〔従来の技術〕

画像認識する顕微鏡装置における測定対象物の焦点位置
検出方法は、従来、例えば石田順−ほかによる「山登り
サーボ方式によるテレビカメラの自動焦点調整Ｊ　（Ｎ
ＨＫ技術研究、第１７巻、第１号、昭和４０年、第２１
頁−第３７頁）に記載のように、現在位置での画像の鮮
明度（以下コントラストと称する）と、所定時間レンズ
を移動させた位置でのコントラストとを比較し、このと
きの傾き（コントラスト変化／移動距離）から次に移動
すべき距離を決定し、コントラスト変化が減少して移動
すべき距離が一定値以下となったらその位置を焦点位置
とする焦点位置検出方法であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、焦点位置検出用の駆動源の位置偏差（
指令値に対する移動量の誤差。すなわち、モータの場合
は直線性およびバックラッシュ、ピエゾ素子の場合は直
線性およびヒステリシス特性に起因する誤差、）ならび
に位置偏差の環境温度に対する変化について配慮がされ
ておらず、環境温度が変化すると駆動源の位置偏差が変
化してしまうという問題がある。このため、環境温度変
化によって駆動源の位置偏差に変化が生じても、高精度
な焦点位置検出ができるということが課題となっていた
。

本発明の目的は、環境温度が変化した場合でも焦点位置
の検出値が変化しない自動焦点位置検出方法を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、一定距離の指令値による移動を所定回数だ
け行ってコントラストの検出を行うとともに、各コント
ラストを検出するごとに検出位置とコントラストとを記
憶しながら場合分けを続け。

最後に１度だけ前記の記憶した各位置でのコントラスト
と位置との関係を曲線近似し、その曲線から焦点位置を
計算して求めることにより、達成される。

〔作用〕

上記構成において、前記した所定回数のコントラスト検
出は、一定指令値により移動した位置で行う、このとき
、環境温度の変化によって駆動源モータの直線性やバッ
クラッシュなどによる位置偏差が変化して移動位置に誤
差を生じるが、各検出位置での位置情報とその位置での
コントラストを記憶するので、各検出位置誤差がコント
ラストに反映されている。従って、これら各検出位置に
おけるコントラストと位置情報との関係を曲線近似し、
計算して焦点位置を求めれば、環境温度変化による焦点
検出位置の誤差を除去することができる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を図に基づいて説明する。

第４図は該実施例の自動焦点位置検出を実施するための
装置全体を示す構成図である。図において、光源９３に
はハロゲンランプのようにランダムな位相で光束を発生
するインコヒーレント光を使用する。光源９３からの光
はレンズ９４により平行光にされ、半透鏡９５、対物レ
ンズ９６を経て対象物９０上に照射される。ここで対象
物９０から反射した反射光は、対物レンズ９６．半透鏡
９５を経てイメージセンサ９７の受光面に結像する。イ
メージセンサ９７からの電気信号は、画像処理装置９８
に入力し、信号処理される。画像処理装置９８では、実
行される自動焦点位置検査アルゴリズムに従ってイメー
ジセンサ９７からの信号を処理し、その結果に基づいて
載置台駆動装置９９を介して対象物９０を載置した載置
台９１を駆動し、載置台９１に取り付けられた位置セン
サ９２からの位置信号８９を画像処理装置９８に入力す
る。

ここで、上記した自動焦点位置検出アルゴリズムを実行
する画像処理装置用の構成を説明する。

第６図、第７図はそれぞれ該装置の外観構成、電気的構
成を示したものである０両図において、イメージセンサ
９７から入力された画像電気信号は。

インターフェイス回路１０３でＡ／Ｄ変換された後、補
助画像処理装置９８ａ内の画像メモリ１０４に格納され
ると同時に、インターフェイス回路１０６を介してモニ
タ１００に表示される。画像メモリ１０４に格納された
データは、専用回路１０５でコントラスト検出される。

次に、画像処理装置９８ｂにおいては。

ＣＰＵ１０７がプログラムメモリ１０８に格納されてい
るプログラムに従って自動焦点位置検出アルゴリズムを
実行し、インターフェイス回路１０９、載置台駆動装置
９９を介して発生する電気信号８８により、第４図に示
した対象物９０を載置した載置台９１を制御する。なお
、フロッピディスク駆動装置１０１はそのフロッピディ
スクに記憶されている各種プロダラムをプログラムメモ
リ１０８にロードするためのものである。また、キーボ
ード１０２は、操作内容や各種データを入力するための
ものであり、その内容はＣＲＴ上に表示されることによ
り確認されるものとなっている。

ここで、自動焦点位置検出アルゴリズムで焦点の合い具
合を表すコントラストについて説明する。

イメージセンサ９７から得られる画像信号がインターフ
ェイス回路１０３でＡ／Ｄ変換されて画像メモ音用０４
に格納されたデータＷ（Ｘ、Ｙ）をモニタ１００に表示
したものを第５図の符号８４に示す。コントラストＣは
、この画像の一部８５を矢印方向にオペレータ８６を用
いＣＰＵ１．０７で次式の演算をし＋Ｗ（Ｘ、Ｙ）Ｘ０
Ｐ２＋Ｗ（Ｘ、Ｙ＋１）Ｘ０Ｐ２＋Ｗ（Ｘ＋１．Ｙ−１
）ｘ○Ｐ１＋Ｗ（Ｘ＋１．Ｙ）　Ｘ０Ｐ２＋Ｗ（Ｘ＋１
．Ｙ＋１）ＸＯＰ３　］　　　　　・−・−・−（１）
この式のオペレータは、処理領域の画像８５のある画面
点（Ｘｉ、　Ｙｉ）　（７）明るさＷ　（Ｘ　ｉ　、　
Ｙ　ｉ　）　Ｉｃ対して周辺画面点の明るさがどれだけ
違っているかを抽出するために使用するものであれば任
意に選ぶことができる０本実施例では、０Ｐ１＝○Ｐ３
；１．０Ｐ２＝−２とする。なお、式（１）ニオイテ、
記号〔〕は、演算値が正の場合はそのままの値とし、負
の場合は零とする。従って、コントラストＣは非負の値
をとる。

次に、画像処理装置９８で実行される自動焦点位置検出
アルゴリズムを図面を用いて説明する。

本発明にかかわるアルゴリズムは、大別して２つの部分
からなるが、この分類を第８図によりまず説明する。焦
点ずれに対するコントラストは。

一般に第８図に示す曲線のような関係をもっている。す
なわち、焦点位置（焦点ずれ距離＝Ｏ）でコントラスト
は最大となり、焦点位置から離れるに従ってコントラス
トが低下するとともに５画像信号中の雑音によりバラツ
キの大きい値となる。

そこで、自動焦点位置検出を高信頼化、高速化するため
、コントラストの大きい範囲１と、雑音によってバラツ
キの大きいコントラストを示す焦点位置から離れた範囲
２とに大別してアルゴリズムを実行する。また、範８３
は、焦点位置検出が不可能な領域である。アルゴリズム
の実行に当っては、まず載置台９１を移動させるごとに
コントラストを検出し、コントラストがしきい値以上か
否かによりその位置が範囲１にあるか範囲２にあるかを
判定して範囲１を探索し、載置台９１の位置を範囲１内
に持って行き、次に範囲１内について精密に焦点位置検
出を行う、ここで、範囲１と範囲２とを合わせた範囲か
ら範囲１を探索する場合の載置台の移動量ＭＸ２は、範
囲１の距離ｄ１に対し、下式のように設定する。

ＭＸ　２＜ｄエ　　　　　　　　　・・・・・・（２）
従って、範囲１を探索する最大回数ＭＧは、範囲２のマ
イナス側、プラス側の距離をそれぞれｄ　２　＋ｄ、と
すれば５次式で与えられ、焦点位置検出時間を限定する
。

ＭＣ＝（ｄ１＋ｄ２＋ｄ、）／ＭＸ２　　・・・・・・
（３）次に、コントラストがしきい値以上である範囲１
における焦点位置検出の基本動作を第９図を用いて説明
する。まず、焦点位置を検出するため。

３点の位置とその位置でのコントラストを求める。

第９図では、載置台９１をプラス方向に順次ＭＸＩずつ
移動させて、コントラストＣ１，Ｃ，、Ｃ，と位置Ｓ１
．Ｓ、、Ｓ、を得た場合を示してあり、この３点の位置
とコントラストから２次曲線近似を行い、その曲線上の
コントラストが最大となる位置を焦点位置Ｓ０として検
出する。ここで、位置Ｓ１．Ｓ、、Ｓ、は、同一の移動
指令値ＭＸＩにより移動させるため、理想的には等間隔
のはずである。しかしながら、実際の駆動源では、移動
指令値と実際の移動値との間には第１０図に示すような
偏差が生じる。すなわち、直線性の誤差εい分解能の誤
差ε２．およびバックラッシュによる誤差Ｅ、である。

これらの誤差が不変であれば、指令値と移動値との関係
をテーブル化しておき、各指令値に対してテーブルルッ
ク操作すれば誤差が除去できるが、実際には環境温度が
変化すると各誤差が変化してしまう。そこで、本発明で
は、各コントラストと共にそれぞれの位置を記憶し、こ
れら情報から次のようにして焦点位置を算出する。

まず、（Ｓｌ、　Ｃ工）、（Ｓｚ、Ｃｚ）、（Ｓｌ、Ｃ
□）の３点の２次連立方程式を立て、これを解いて焦点
位置ＳＩ、を求める。すなわち、３点の２次連立方程式
は −ａ　Ｓ１２＋２ａ　ＳｏＳ、−ａ　ＳＱ！＋Ｃｒａ＝
Ｃ１・−・（４）−ａＳ、”＋２ａＳ、Ｓ２−ａＳ、”
＋ｃｍ＝ｃ、　　　　・−・−（５）−ａ８３２＋２ａ
ＳＩ、Ｓ、−ａＳｏ”＋Ｃｒｔｒ＝Ｃ，−＝　（６）た
だしＳ、＝Ｓ、＋ｍ、　　　　　　　　　　　　　＋＋＋＋
・＋　（７）Ｓ、＝Ｓ１＋ｍ、＋ｍ、　　　　　　　　
　　　−・・（８）である。これを解いてＳ。を求める
とが得られる。

本アルゴリズムは、コントラストが増加する方向に載置
台９１を一定距離ＭＸＩずつ移動させ、いったん焦点位
置を越えてコントラストが減少を示す位置まで行き過ぎ
させ、その後ピークとなる焦点位置を２次曲線近似によ
って算出する方法である。ここで、範囲１内における載
置台９１の単位移動量ＭＸＩは、範囲１の距離ｄ８に対
して、次式に設定する。

（ｄ□／２）＞Ｍ　ｘ　ｉ　＞（ｄ、／３）　　　・・
・・・・（１０）次に、第１図ないし第３図に従って詳
細フローを説明する。第１図において、符号１で示す終
了コードの初期値設定処理は、自動焦点位置検出が正常
終了か否かの状態を検出するための終了コードＣ０ＤＥ
を正常終了値Ｏに初期化する。このコードは、本アルゴ
リズムの所定動作の最後で予定したコントラストが得ら
れない場合に異常終了コードを値１に設定し、本アルゴ
リズムを終了するものである。符号２で示す処理では、
イメージセンサ９７を用いて画像データを画像処理装置
９８に入力し、その信号を処理して専用回路１０５でコ
ントラストＣ１を得るとともに、載置台９１に取り付け
られた位置センサ９２の出力する位置信号８９を画像処
理装置９８に入力し、その信号から位置情報Ｓ□を得る
。符号３で示す処理では、処理２で得られたコントラス
トＣ１がしきい値以上か否かを判定し、その現在位置Ｓ
１が第８図に示した範囲１にあるか範囲２にあるかを判
定する。この判定処理３において、肯定出カフが出力さ
れた場合には、結合子■を経て、第８図に示した範囲１
内の焦点位置検出を処理８以降で実行する。また、否定
出力４が出力された場合には、符号５で示す処理を実行
し、コントラストがしきい値以上となる位置を探索する
。

ここで、符号５で示す処理の詳細を第２図を用いて説明
する。この処理では、コン１−ラストがしきい値以上と
なる位置を探索するために、載置台９１の移動をプラス
方向、マイナス方向の順で同様の処理を行う。すなわち
、符号２０から３０までの処理はプラス方向について探
索する処理であり、もしプラス方向にしきい値以上のコ
ントラストを検出する位置が見つからなかった場合には
、符号３１から４２の処理でマイナス方向について探索
を行い、もし両方向とも見つからなかった場合には、処
理４３で異常終了コードを値１にして終了する。

まず、プラス方向の処理について説明する。符号２０で
示す処理では、探索移動回数ＭＮをカウンタＣＴに設定
し、符号２１から２７までの処理を繰り返す、すなわち
、処理２１でカウンタをデクリメントシ、処理２２でカ
ウント値が零以上か否かにより。

設定した繰り返し回数に達したか否かを判定し、繰り返
し回数に達した場合にはマイナス方向の探索に移る。も
し達していない場合には、処理２５で載置台９１を単位
移動量ＭＸ２だけプラス方向に移動させ、処理２６でコ
ントラストＣｘおよび位置Ｓｘの検出を行い、処理２７
でコントラストＣｘがしきい値以上か否かを判定する。

もし、しきい値以上でなければ、結合子■に戻り、一連
の処理を続行する。もし、しきい値以上であれば、ルー
プを抜は出し、処理３０では、ループの最後で得られた
コントラストＣｘ、位置Ｓｘを第８図に示した範囲１内
での焦点位置検出の初期コントラストＣ１、初期位置Ｓ
１に置き換え、結合子■以降の処理に移る。また、マイ
ナス方向の探索の詳細は、まず処理３１でカウンタＣＴ
に探索移動回数ＭＮを設定し、処理３２でプラス方向に
行き過ぎた載置台旧を距離（−ＭＸ２８ＭＮ）だけ戻し
、プラス方向の探索開始位置にする。次に、符号３３か
ら３９までの処理を設定回数ＭＮ繰り返す。すなわち、
処理３３でカウンタをデクリメントし、載置台９１を単
位移動量Ｍ×２だけマイナス方向に移動させ、処理３８
でコントラストＣｘと位置Ｓｘを検出し、処理３９でコ
ントラストＣｘがしきい値以上であるか否かを判定し、
しきい値以上でなければ結合子■に戻って処理を繰り返
し、しきい値以上であれば、処理４２で初期コントラス
トＣ１（Ｃ，＝Ｃｘ）、初期位置　　５１（Ｓ、＝Ｓｘ
）を設定し、結合子■以降の処理に移る。

なお、処理３４で、設定した繰り返し回数に達したと判
定した場合は、処理４３で異常終了コードを値１に設定
して終了する。

以上の処理でコントラストＣ１がしきい値以上となる位
置Ｓ１まで載置台９１を持ってきたところで、第１図の
結合子■から、第８図に示した範囲１についての処理を
続ける。まず、処理８では。

載置台９１をプラス方向に距離ＭＸＩだけ移動し、処理
９でコントラストＣ２、位置Ｓ２を検出する。

処理１０では１以上の処理で得られたコントラストＣ１
とＣ２を比較し、範囲１内の同一位置でのコントラスト
の３σのバラツキΔに比べてのコントラスト差１　Ｃ２
−ｃｌｌの大小を判定し、バラツキΔよりもコントラス
ト差が大きい場合には結合子■以降の処理を行う。また
、コントラスト差がバラツキより小さい場合には、コン
トラストＣ工、Ｃ２を検出した位置ＳよＴＳ２が焦点位
置から相反する方向に等距離だけ離れていると想定し、
処理１３で載置台９１を距離（ＭＸＩ／２）だけマイナ
ス方向に移動させ、コントラストＣ工、Ｃ２を求めた位
置Ｓ１．Ｓ２の中間点に持って行く。処理１４では、再
びコントラストＣ３、位ＩＳ、を求め、その位置が処理
１０で想定したコントラストＣ工、Ｃ２を得た位ＩＳ工
＋ＳＺの中間点であるか否かを上記コントラストのバラ
ツキΔとコントラスト差（Ｃ，−Ｃ１）とを比較して判
定する。もし、バラツキ（−Δ）に比べてコントラスト
差が正に大きい場合には、処理１９にお、いて前出の式
（９）によって焦点位置を計算し、正常終了する。また
、負に大きい場合には、処理１８で異常終了コードを値
１に設定して終了する。

次に、結合子■以降の処理を第３図に従って説明する。

ここで説明する処理は、第１図に示す処理１０でコント
ラストのバラツキΔに比べてコントラスト差Ｉ　Ｃ２−
０１１が大きいと判定された場合の処理であり、まず、
処理５０で、処理８で行った載置台９１の（＋ＭＸ１）
の移動でコントラストが増加する方向に移動したか減少
する方向に移動したかを判定する。そして、増加する方
向であった場合には、さらにプラス方向にコントラスト
が増加する焦点位置があると想定し、符号６８以降の処
理を続け、逆に減少した場合には、マイナス方向に焦点
位置があると想定して、符号５３以降の処理を実行する
。まず、処理５３では、載置台９１を距離（−２ＸＭＸ
１）だけ移動させ、処理５４でコントラストＣ１、位置
Ｓｆｆを検出する。処理５５では、バラツキΔとコント
ラスト差（Ｃ，−Ｃ工）とを比べてコントラストが増加
する傾向にあるか否かを判定し、増加する場合は符号５
８以降の処理を続け、載置台９１をさらにマイナス方向
へ移動する。逆に減少の場合は、処理６５において前出
の式（９）によって焦点位置Ｓ０を計算し、処理６６で
載置台９１を焦点位置Ｓ０に移動させ、終了する。処理
５８で載置台９１をマイナス方向に移動した後は、処理
５９で再びコントラストＣ４、位［Ｓ、の検出を行う。

そして、処理６０でバラツキΔに対してコントラスト差
（ｃ　４−　Ｃ）　）が増加する傾向にあるか否かを判
定し、増加する場合には、処理６７で異常終了コードを
値１に設定して終了し、減少する場合には。

処理６３で前出の式（９）によって焦点位Ｉ　Ｓ　Ｏを
計算し、処理６４で載置台９１を焦点位置Ｓ０に移動さ
せて終了する。

次に、処理５０でさらにプラス方向に焦点位置があると
判定された場合に戻って、処理６８以降を説明する。ま
ず、処理６８で載置台９１をプラス方向に距１１１ＭＸ
１だけ移動させ、処理６９でコントラストＣ１１位置Ｓ
、の検出を行う。処理７０では、バラツキΔに比べてコ
ントラスト差（Ｃ３ｃ−）が増加するか否かを判定する
。減少する場合には、処理８０で前出の式（９）によっ
て焦点位置Ｓ０を計算し、処理８１で載置台９１を焦点
位置Ｓ０に移動させ終了する。増加する場合には、処理
７３で載置台９１をさらにプラス方向にＭＸＩだけ移動
させ、処理７４でコントラストＣ４、位ＩＳ４の検出を
行う６処理７５では、バラツキΔに比べてコントラスト
差（Ｃ４Ｃ３）が増加しているか否かを判定する。

増加の場合には、処理８２で異常終了コードを値１にし
て終了する。減少の場合には、処理７８で前出の式（９
）によって焦点位置Ｓ０を計算し、処理７９で載置台９
１を焦点位置Ｓ。に移動させ、終了する。

以上説明した実施例では、コントラストがしきい値以上
となる第８図に示した範囲１を探索する際、初めにプラ
ス方向を探索し、範囲１となる位置が見つからなかった
場合にマイナス方向を探索するものとしたが、逆に探索
をマイナス方向、プラス方向の順にしても、同様に処理
が可能である。

また、プラス方向、マイナス方向を交互に探索しても、
同様に処理が可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、所定回数以内の載置台の移動だけで焦
点位置検出が可能であるとともに、雑音等により異常動
作する場合にはエラーとして検出でき、自動打切りが可
能であるため、焦点位置検出時間を短縮できるとともに
、所要時間のバラツキの小さい焦点位置検出が可能とな
り、しかも載置台の駆動源にバックラッシュやヒステリ
シスが存在し、かつバックラッシュ等が環境温度の変化
に依存して変化しても、その影響を受けることなく高精
度な自動焦点位置検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の一実施例のアルゴリズム
を示す流れ図、第４図は本発明の自動焦点位置検出方法
を実施するための装置全体の構成図、第５図はコントラ
ストの算出方法の説明図、第６図および第７図は第４図
中の画像処理装置のそれぞれ外観構成、電気的構成を示
す外観図および構成ブロック図、第８図は焦点ずれ時の
コントラストの変化曲線を示す図、第９図は演算による
焦点位置の算出法を説明するための説明図、第１０図は
対象物載置台の制御特性を説明するための図である。符号の説明９０・・・対象物　　　　　　９１・・・載置台９２・
・・位置センサ　　　　９３・・・光源９４・・・レン
ズ　　　　　　９５・・・半透鏡９６・・・対物レンズ
　　　　９７・・・イメージセンサ９８・・・画像処理
装置　　　９９・・・載置台駆動装置代理人弁理士　　
中　村　純之助ｆ￥デ台イ〉　屓１ど；！イＬ光譚しＺ−スギ古姓りす物し〉ズ９８　　画凌＆Ｆ丁蒸テ９９　１ｔ’ｆ含「動喉１第４図弗図 ↑ 第図第９図寸Ｌｌ”ｌｈの

Claims

【特許請求の範囲】１、被観察試料の像を形成するための光学系と、該光学
系で得られる光学像を光電変換する撮像素子と、該撮像
素子から得られる電気信号をＡ／Ｄ変換して記憶素子に
画像データを記憶させる手段とを有し、該画像データを
処理して得られるコントラストから対象物体面と顕微鏡
合焦面との位置関係を検出し、該位置関係により上記対
象物体面を移動させて合焦を行うための自動焦点位置検
出方法において、対象物体を載置する載置台をあらかじ
め定めた一定距離ずつあらかじめ定めた所定回数を限度
として一定移動させるとともに、各移動位置でのコント
ラストと位置情報とを検出・保持し、該コントラストと
該位置情報との関係を曲線近似し、該曲線に基づいて焦
点位置を演算することにより焦点位置を検出することを
特徴とする自動焦点位置検出方法。２、特許請求の範囲第１項に記載の自動焦点位置検出方
法において、載置台を一定移動してコントラストがあら
かじめ定めたしきい値以上となる位置範囲を探索し、該
探索結果を基に載置台をあらかじめ定めた一定距離ずつ
移動して、コントラストが上記しきい値以上となる範囲
で、その中間位置でのコントラストが最大となる連続し
た３位置を求めるとともに、該３位置でのコントラスト
と位置情報とを検出し、そのコントラストと位置情報に
より曲線近似を行って焦点位置を演算することを特徴と
する自動焦点位置検出方法。３、特許請求の範囲第２項に記載の自動焦点位置検出方
法において、載置台を一定移動して移動ごとにコントラ
ストと位置情報を検出する動作をあらかじめ定めた所定
回数行っても、コントラストがあらかじめ定めたしきい
値以上となる位置が求められなかった場合、またはコン
トラストが該しきい値以上となる範囲で、その中間位置
でのコントラストが最大となる連続した３位置が求めら
れなかった場合、異常として検出する手段を動作させる
ことを特徴とする自動焦点位置検出方法。