JPH0527154A - 自動焦点調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １次元イメ−ジセンサの高速性と２次元イメ
−ジセンサの汎用性とを最大限に生かすことができる自
動焦点調整装置を提供する。 【構成】 映像信号入力部３５に２次元イメ−ジセンサ
部３０からの出力信号が供給されているかどうかに応じ
て、２つの１次元イメージセンサ部３１からの出力信号
と２次元イメ−ジセンサ部３０からの出力信号の一方ま
たは両方に基づいて結像光学系１の合焦度を検出して焦
点調整を行う制御部３４を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は顕微鏡等の自動焦点調整
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、顕微鏡等を中心に構成されるシス
テムにおいては、ＴＶカメラによる顕微鏡像の観察が増
加している。そして、それらのシステムにおける自動焦
点調整装置は、２次元イメ−ジセンサとしてのＴＶカメ
ラのビデオ信号を利用したものと、専用の焦点検出用イ
メ−ジセンサを使用したものに大別される。

【０００３】前者のシステムの一例として特開昭６４−
５４４０８号がある。これは山登り方式を改善したもの
であり、顕微鏡等を中心に構成されるシステムにおいて
は、図４に示すような構成を有する。また、後者のシス
テムは図５に示すような構成を有し、ＴＶカメラとこれ
に接続されたモニタとで構成される顕微鏡ＴＶカメラシ
ステムと、イメ−ジセンサ部と制御部とから構成される
自動焦点調整装置とはそれぞれ独立したシステムとして
構成されている。このようなシステムの自動焦点調整装
置としての先行例としては、特開昭５３−５０８５１号
と特開昭５５−１０６４２１号がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記したＴＶカメラの
ビデオ信号を利用した山登り方式のオートフォーカスシ
ステムにおいては、（１）合焦度検出に際し、合焦位置
が前ピン、後ピン側のどちらにあるかが、一ケ所で得ら
れる情報からは判断できず何ケ所かの合焦度検出値より
方向を判断するので合焦位置を検出するまでの所要時間
が比較的長い。（２）ＴＶカメラにはモニタに映像を良
好に写すためにＣＣＤを使用した撮像部が構成されてい
るが、ＣＣＤを使用したＴＶカメラはオートフォーカス
用としての観点から見ると以下のような問題を有してい
る。 （ａ）顕微鏡等の高精細画像の全空間周波数にわたる情
報をサンプリングしきれない場合がある。

【０００５】（ｂ）開口率が低く、暗い物体に対するオ
ートフォーカスの場合、出力信号のＳ／Ｎレベルをオー
トフォーカスに使用するのに十分確保できない場合があ
る。 （ｃ）フレーム周波数（フィールド周波数）が一定であ
り、このことは高速のオ−トフォ−カスに適さない。

【０００６】また、前記した専用の焦点検出用イメ−ジ
センサを使用したシステムは、一般に光路差方式と呼ば
れているが、調整のしやすさ、コストの面から１次元イ
メ−ジセンサとしてのリニアセンサが使用される場合が
多い。しかしながら、リニアセンサを用いた場合、
（ａ）リニアセンサ部以外に物体が存在する場合、リニ
アセンサに物体像が結像せず合焦不能となる。（ｂ）リ
ニアセンサの画素配列方向に、物体像が空間周波数成分
をもたない時は合焦不能となる等の欠点がある。

【０００７】本発明の自動焦点調整装置はこのような課
題に着目してなされたもので、その目的とするところ
は、１次元イメ−ジセンサの出力と２次元イメ−ジセン
サの出力とを適宜選択的に使用することによって、１次
元イメ−ジセンサの高速性と２次元イメ−ジセンサの汎
用性とを最大限に生かすことができる自動焦点調整装置
を提供することにある。

【０００８】

【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、本発明の自動焦点調節装置は、結像光学系と、こ
の結像光学系の予定結像面の近傍の２つの物体像をそれ
ぞれ撮像する２つの１次元イメ−ジセンサと、結像面の
物体像を撮像する２次元イメ−ジセンサと、前記１次元
及び２次元イメ−ジセンサに物体像を投影するための光
学系と、前記２次元イメ−ジセンサからの出力信号を受
ける映像信号入力部と、前記映像信号入力部に前記２次
元イメ−ジセンサからの出力信号が供給されているかど
うかに応じて、前記２つの１次元イメージセンサからの
出力信号と前記２次元イメ−ジセンサからの出力信号の
一方または両方に基づいて前記結像光学系の合焦度を検
出して焦点調整を行う制御手段とを具備する。

【０００９】

【作用】すなわち、本発明においては、映像信号入力部
に２次元イメ−ジセンサからの出力信号が供給されてい
るかどうかに応じて、２つの１次元イメージセンサから
の出力信号と２次元イメ−ジセンサからの出力信号の一
方または両方に基づいて結像光学系の合焦度を検出して
焦点調整を行うものである。

【００１０】

【実施例】図２は本発明の自動焦点調整装置を顕微鏡に
適用した場合のシステム構成図である。図において、本
発明の自動焦点調整装置は２次元イメ−ジセンサ部（Ｔ
Ｖカメラ）３０と、１次元イメージセンサ部３１と、映
像信号入力部３５と制御部３４と、ステージ上下駆動部
３３とから構成される。図２では、１次元イメージセン
サ部３１と制御部３４とが別個に構成されているが、こ
れらを同一ユニットとしても何ら変わりはない。また、
１次元イメ−ジセンサ部３１としてはリニアセンサが用
いられる。

【００１１】顕微鏡３２に取り付けられた２次元イメ−
ジセンサ部３０の出力信号は映像信号入力部３５に入力
されており、同時にモニタ３６にも映像信号入力部３５
を介して出力されている。図２ではステージ上下駆動部
３３によってステ−ジを上下に移動して顕微鏡３２の結
像光学系と物体との相対距離を可変しているが、顕微鏡
３２の結像光学系、又はその一部を上下駆動しても何ら
変わりはない。以下に、図１を参照して本発明の第１の
実施例にかかる自動焦点調整装置の詳細な構成を説明す
る。

【００１２】１は結像光学系であり、３１は予定結像面
近傍の２つの物体像を撮像する１次元イメージセンサで
ある。投影光学系４ａ，４ｂは物体からの光線を受けて
１次元イメージセンサ部３１に２つの物体像を投影する
ものであり、ハーフミラーとミラー、又はプリズムなど
によって構成される。補正回路５は、１次元イメージセ
ンサ部３１の出力について、固定パターン雑音、暗電流
成分などを補正する回路であり、第１タイミングコント
ロ−ラ１０からのクロック信号に同期して各画素に対し
て補正を行う。可変ゲインアンプ６は第１タイミングコ
ントロ−ラ１０からのコントロール信号によってゲイン
をコントロールする。第１Ａ／Ｄコンバータ７は第１タ
イミングコントロ−ラ１０からのクロック信号に同期し
てＡ／Ｄ変換を行う。ドライバ８は第１タイミングコン
トロ−ラ１０からのクロック信号を受けて１次元イメー
ジセンサ部３１をドライブ可能な信号に変換して１次元
イメージセンサ部３１に供給する。

【００１３】メモリ回路９は高速で読み出される映像信
号を一時蓄積するものである。蓄積動作は第１タイミン
グコントロ−ラ１０からのクロック信号に同期して行わ
れる。

【００１４】投影光学系４ｃは物体からの光線を分割し
て２次元イメ−ジセンサ部３０に投射する。２次元イメ
−ジセンサ部３０からの映像信号は映像信号入力部３５
に入力され以下の処理がなされる。すなわち、この映像
信号はゲート回路１６、同期分離回路１４に入力され
る。ゲート回路はＴＶカメラの撮像面中の合焦度評価用
サンプリングエリアを決定するためのものである。そし
てサンプリングエリア内の映像信号はＨＰＦ１７によっ
て高域の周波数成分のみとなり、次の検波回路１８で振
幅検波される。振幅検波された信号は第２Ａ／Ｄコンバ
−タ１９によってＡ／Ｄ変換され、データラッチ積算回
路２０によって、１フィールド分の合焦度評価値が生成
される。

【００１５】第２タイミングコントローラ１５は制御部
３４よりサンプリングエリア設定のためのデータを受
け、同時に、同期分離回路１４より水平垂直同期信号を
受けてサンプリングエリア設定のためのゲート制御信号
を生成しゲート回路１６に送る。 又、同時に、第２Ａ
／Ｄコンバータ１９、データラッチ積算回路２０、さら
に２次元イメ−ジセンサ部３０を駆動するためのドライ
バ−２１にタイミング信号を送る。そして、１フィール
ド分の焦点評価値が生成されると、第２タイミングコン
トローラ１５より制御部３４に割込み信号を出力する。

【００１６】制御部３４は、第１、第２タイミングコン
トローラ１０，１５の制御や、メモリ回路９より画像デ
ータを読み出し、合焦評価の演算を行ったり、データラ
ッチ積算回路２０よりＴＶカメラ入力による合焦評価値
を読み込み、モータドライバー１２に制御信号を送りモ
ータ１３によって焦点調整を行う。

【００１７】すなわち、制御部３４は映像信号入力部３
５に映像信号がきていない場合は、１次元イメージセン
サ部３１に入力される画像情報をもとに、自動焦点調整
を行う。このとき、１次元イメージセンサ部３１には前
ピン、後ピン像が入力されており、光電変換されたイメ
ージセンサ出力は補正回路５によって暗電流ノイズなど
がキャンセルされ、可変ゲインアンプ６によって前ピン
像出力、後ピン像出力のバランスを調整する。このよう
に前処理が施された信号を用いて、前ピン、後ピン信号
それぞれから隣接画素差分の和などの合焦評価値を求
め、それらの差より自動焦点調整を行う。

【００１８】一方、映像信号入力部３５に２次元イメ−
ジセンサ（ＴＶカメラ）３０からの映像信号が入力され
ている場合は、最初のステップとして映像信号入力部３
５に映像信号がきていない場合と同様に、１次元イメー
ジセンサ部３１の出力によって自動焦点調整を行う。そ
して、その結果、合焦不能となった場合は、第２ステッ
プとして映像信号入力部３５に入力される２次元の映像
情報を使って自動焦点調整を行う。これより、最初のス
テップで自動合焦調整が終了した場合は最も高速に合焦
動作を完了することができるとともに、１次元イメージ
センサ部３１上に対象物体が結像しない場合や、１次元
イメージセンサ部３１上の対象物体の情報が非常に少な
い場合でも、第２ステップを実行することによって自動
合焦ができるようになる。

【００１９】また、上記した実施例において、１次元イ
メ−ジセンサからの評価値でデフォ−カス方向を判断
し、２次元イメ−ジセンサによってデフォ−カス量を判
断してもよい。図３は本発明の第２の実施例の構成図で
あり、映像信号入力部の構成をデジタル化し高機能にし
たものである。

【００２０】図３において、図１と同様のゲート回路１
６を通過したサンプリングエリア内の映像信号は第２タ
イミングコントローラ１５からのタイミング信号に応答
して第２Ａ／Ｄコンバータ１９によってＡ／Ｄ変換さ
れ、ＤＳＰ用メモリ２４に画像データとして、蓄積され
る。ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）２２は、第
２タイミングコントローラ１５からのタイミング信号に
応答して画像データの蓄積を認識し、ＤＳＰ用メモリ２
４よりデータをロードし、合焦度の評価値を演算する。

【００２１】制御部３４は、デュアルポートＲＡＭ２３
を介して、ＤＳＰ２２が演算した合焦度評価値をロード
する。第１実施例とは異なり、２次元の画像データがＤ
ＳＰ用メモリ２４に蓄積されるので、映像信号の走査方
向のみではなく、縦、横、斜め方向の画像の空間周波数
成分について、コントラストなどの評価ができることに
なる。

【００２２】これによって、第１実施例の２ステップ方
式で合焦動作を行った場合、２ステップ目で、物体像が
空間周波数成分をもたずリニアセンサで合焦が困難であ
る物体でも合焦可能となる。なぜなら、第１実施例では
２次元イメ−ジセンサ（ＴＶカメラ）３０の走査方向と
１次元イメ−ジセンサ（ラインセンサ）３１のピッチ方
向がほぼ一致しているからである。

【００２３】以下に、本発明の第３実施例を説明する。
第３実施例においては、顕微鏡の対物倍率が変換された
場合や、検鏡法が変えられる場合などについての適用例
であり、その構成は第１実施例と同様である。

【００２４】顕微鏡の対物倍率が低倍〜高倍にわたって
変化されうる場合、前ピン、後ピン用のセンサー間の光
路差は一種類で対応するのは困難であり、低〜中倍用
に、光路差を設定し、高倍では山登りサーチ方式を行う
ことが、オートフォーカスの適用範囲を広げる一つの解
決策であると考えられる。よって高倍においては正確に
結像面にあるＴＶカメラの出力信号をもとに合焦動作を
行い、低〜中倍ではイメージセンサの出力を使用するこ
とが有効である。又、検鏡法によって標本分布の特性が
顕著なものがあり、例えば、蛍光検鏡で標本分布が非常
に粗い場合は、最初から映像信号を使ってオートフォー
カスをかけることによって、第１、第２実施例の２ステ
ップ方式で行った場合の第１ステップにおける合焦不能
によるロスタイムを軽減できる。

【００２５】以上の説明から明らかなように、本発明の
実施例によれば、光路差方式の自動焦点調整装置に映像
信号入力を可能とすることにより、以下のような効果が
ある。

【００２６】（１） 光路差方式ではセンサとしてリニ
アセンサが用いられることが多いが、例えば、ａ）リニ
アセンサ上に物体像がないと合焦不能となったり、ｂ）
リニアセンサの画素配列方向に物体像が空間周波数成分
をもたないとき合焦不能となるといった従来の問題点を
解決することができる。

【００２７】（２） 一般にリニアセンサなどは可視光
線の受光が中心であるので、可視域外の波長を受光する
場合、センサーとしては、安定動作は望めない。しかし
ながら、不可視画像を可視化するＴＶカメラシステムの
出力を本装置の映像信号入力に入力すれば、例えば赤外
線や紫外線などによる不可視画像に対しても合焦動作が
可能となる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、１
次元イメ−ジセンサの出力と２次元イメ−ジセンサの出
力とを適宜選択的に使用することによって、１次元イメ
−ジセンサの高速性と２次元イメ−ジセンサの汎用性と
を最大限に生かすことができる自動焦点調整装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる自動焦点調整装置
の構成図。

【図２】本発明の自動焦点調整装置を顕微鏡に適用した
場合のシステム構成図。

【図３】本発明の第２実施例にかかる自動焦点調整装置
の構成図。

【図４】従来の自動焦点調整装置を適用した場合のシス
テム構成図。

【図５】従来の自動焦点調整装置を適用した場合のシス
テム構成図。

【符号の説明】

３０…２次元イメ−ジセンサ部（ＴＶカメラ部）、３１
…１次元イメ−ジセンサ部、３２…顕微鏡、３３…ステ
−ジ上下駆動部、３４…制御部、３５…映像信号入力
部、３６…モニタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｎ 5/232 Ｚ 9187−5Ｃ 7811−2Ｋ Ｇ０２Ｂ 7/11 Ｄ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結像光学系と、 この結像光学系の予定結像面の近傍の２つの物体像をそ
   れぞれ撮像する２つの１次元イメ−ジセンサと、 結像面の物体像を撮像する２次元イメ−ジセンサと、 前記１次元及び２次元イメ−ジセンサに物体像を投影す
   るための光学系と、 前記２次元イメ−ジセンサからの出力信号を受ける映像
   信号入力部と、 前記映像信号入力部に前記２次元イメ−ジセンサからの
   出力信号が供給されているかどうかに応じて、前記２つ
   の１次元イメージセンサからの出力信号と前記２次元イ
   メ−ジセンサからの出力信号の一方または両方に基づい
   て前記結像光学系の合焦度を検出して焦点調整を行う制
   御手段とを具備したことを特徴とする自動焦点調整装
   置。
2. 【請求項２】 前記２つの１次元イメージセンサの受光
   部を同一半導体基板上に形成したことを特徴とする請求
   項１記載の自動焦点調整装置。