JPH08320438A - 位相差検鏡用自動焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、位相差検鏡における被写体像の様に
複数のサブピークを持つコントラスト特性を示す被写体
像からも確実に合焦位置を検出可能で、装置を大型化せ
ず、且つ合焦速度及び合焦精度の高い自動焦点検出装置
を提供することを目的とする。 【構成】本発明は、位相差検鏡用対物レンズ１４を通過
し、２分割され、光路差が異なり互いに予定焦点面に結
像された共役な２つの被写体光像（前ピン像、後ピン
像）から、入射光量と蓄積時間に基づくアナログ画像信
号を出力するＣＣＤセンサ１８と、増幅及びフィルタ処
理を行うアナログ処理部１９と、デジタル化し被写体像
のコントラスト値を算出する演算回路２３と、コントラ
ストの最大をとるステージ駆動信号を求めるＣＰＵ２４
と、駆動信号を受けてステージ１０を駆動する駆動回路
２６とからなる自動焦点検出装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡等の光学機器に
適用可能な自動焦点検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より各種光学機器における焦点検出
方式には様々なものが提案されている。例えば、特開昭
５９−１８２４０９号公報には、映像信号の高周波成分
に着目した焦点検出装置が記載されている。

【０００３】この焦点検出装置は、映像信号の高周波成
分に現れるコントラスト値をデフォーカス量として扱い
焦点検出を行う。つまり、映像信号の高周波成分に現れ
るコントラスト値は、図９に示すように、合焦位置では
コントラスト値が最大となり、デフォーカス量の増大と
共にコントラスト値が減少していく特性を有するもの
で、この特性を利用していわゆる「山登りサーボ方式」
でオートフォーカス（以下ＡＦと略す）制御を行ってい
る。

【０００４】また、特開昭６４−４２４１６号公報に
は、いわゆる光路差方式のＡＦ制御が記載されている
が、この焦点検出方式においても、図９に示すものと同
様の特性を示す前ピン／後ピンのコントラスト特性を利
用している。

【０００５】前述した焦点位置検出装置は、基本的には
予定結像面に対して前後２ケ所にイメージセンサ等の受
光素子を配し、それぞれの受光素子で撮像される受光像
のコントラストに対応する信号に基づいて光学系のサー
ボ機構を作動させてＡＦ制御を行うものである。

【０００６】また図１０（ａ）には、基準結像面より前
に配置された受光素子によって、撮像した光像（以下、
このボケ像を前ピン像と称する）のコントラスト信号
と、基準結像面より後に配置された受光素子によって撮
像した光像（以下、このボケ像を後ピン像と称する）の
コントラスト信号との特性をそれぞれ示している。

【０００７】図１０（ａ）に示す様に、前ピン像のコン
トラスト値は、合焦位置から＋側へ離れたステージＺ位
置で最大となり、後ピン像のコントラスト値は合焦位置
から少し−側に離れたステージＺ位置で最大となる。こ
の時、合焦位置前後の２ケ所のセンサは、基準結像面か
ら等距離に配置されているので、前ピン像及び後ピン像
のコントラストの最大値をとる場所は合焦位置から等距
離となる。

【０００８】また、図１０（ｂ）は後ピンコントラスト
値（Ａ）から前ピンコントラスト値を差し引いた信号の
特性（以下、Ｓ字カーブと称する）を示している。同図
（ｂ）に示す様に、合焦点は（Ａ−Ｂ）の値が０となる
点と一致する。この点をクロスポイントと呼び、被写体
が合焦点より対物レンズ側に近づいている場合、（Ａ−
Ｂ）は正となり、一方、被写体が合焦点より離れている
場合は（Ａ−Ｂ）は負となる。

【０００９】そして光路差方式によるＡＦ制御は、前ピ
ン／後ピン像のコントラスト値の差分をとり、この差分
値の極性に応じた方向で被写体または撮像レンズを移動
させ、前ピン／後ピンのコントラスト値の差分が０近く
なるまで、この動作を繰り返すものである。

【００１０】一方、最近は顕微鏡の分野においても自動
合焦技術が適用されている。顕微鏡では、検鏡法により
被写体像を形成する為の光学条件が大きく異なる為、被
写体のコントラスト特性には様々なものが現れる。

【００１１】特に位相差検鏡における被写体像のコント
ラスト特性は、図１１に示す様に合焦ピークの他に複数
のピーク（以下、サブピークと呼ぶ）を持つ形状とな
る。そこで特開昭５６−３５１１１号公報には、コント
ラスト特性において最大ピークをとる位置からある所定
の範囲だけスキャンして最大ピークより小さなピークが
存在するかを検出し、この検出信号に基づきＡＦ制御を
行う事が記載されている。更に位相差検鏡におけるＡＦ
制御として、例えば位相差検鏡における特有の空間周波
数成分に着目し、ＡＦ制御を行うものがある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが前述した従来
の自動合焦技術は、複数のサブピークを持つコントラス
ト特性に対しては、サブピークを合焦点と誤認識する可
能性がある為、サブピークが発生する位相差検鏡に適用
するには非常に問題がある。位相差検鏡における被写体
のコントラスト特性にサブピークが発生する主な要因
は、リングスリットによる輪帯照明である事が、実験、
シミュレーション等により明らかになっている。

【００１３】リングスリットにより以下の現象が生じ
る。 （１）焦点深度が増大する。 （２）コントラスト特性においてサイドスロープが増大
する。 （３）焦点深度内においてデフォーカス量が増大するに
も関わらず被写体像に含まれる空間周波数のうち特定の
空間周波数強度が増大する。

【００１４】図１２乃至図１４は、位相差検鏡における
ＭＴＦ（Modulasion Transfer Function）シミュレーシ
ョン結果モデルであり、上記（３）項の現象を証明する
ものである。

【００１５】これらの図の各パラメータは、被写体像の
空間周波数［本／mm］を撮像素子の画素ピッチとスキャ
ンレートから電気的周波数［Ｈｚ］に換算したものであ
り、電気的周波数と空間周波数は比例関係にある。ま
た、縦軸はその強度を示したＭＴＦ値であり、横軸はデ
フォーカス量を表している。さらに、図１２乃至図１４
では対物レンズの倍率をパラメータ別に示している。

【００１６】これらの図より、対物レンズの倍率に関わ
らず、どの空間周波数（電気的周波数）成分において
も、その強度はデフォーカス量の増加に伴い、振動しな
がら減衰する。また、それぞれの倍率において、周波数
が高い程、強度の減衰は早く振動の周期は短くなってい
る。さらに同一の周波数においてその強度は対物レンズ
の倍率が高くなる程すぐに減衰し、振動の周期も短くな
っている。

【００１７】以上の様な強度の減衰振動により、デフォ
ーカス量が減衰するにも関わらずコントラスト値が増大
するサブピーク現象が生じる。この様なサブピークを持
つコントラスト特性に対して、従来の山登りサーボ方式
を適用すると、サブピークを合焦と判断する可能性が生
じる為、ＡＦ制御が不完全な状態で終了する等の不具合
が生じる可能性がある。

【００１８】また、図１５（ａ），（ｂ）を参照して位
相差検鏡の場合に従来の光路差方式のＡＦ制御を適用し
た場合を考える。図１５（ａ）は位相差検鏡における前
ピン／後ピンのコントラスト特性を示したものである。
同図に示す様に、位相差検鏡におけるコントラスト特性
は前ピン／後ピンの合焦点における極大値（同図中Ａ，
Ａ’）の他に極大値（同図中Ｂ，Ｂ’，Ｃ，Ｃ’）を持
っている。同図の様にＡ，Ａ’は前ピン／後ピンのコン
トラスト値の最大点となる。

【００１９】図１５（ａ）に示したピン／後ピンのコン
トラスト特性より算出したＳ字カーブを図１５（ｂ）に
示す。同図（ｂ）に示すＳ字カーブを使用してＡＦ制御
をかけた場合、同図中の点Ｍ１に被写体が存在した時の
ＡＦ制御は、（１）Ｓ字カーブの符号が正なので（Ｄ
１）方向へステージ、または撮影レンズを移動させ、
（２）偽合焦点(i) でＳ字カーブのゼロクロスポイント
が発生する為、偽合焦点（ｉ）にてＡＦ動作は完了す
る。というものになる。

【００２０】しかし、偽合焦点(i) は本来の合焦点とは
異なった位置でありＡＦ制御としては不完全な状態で終
了してしまう事となる。又、図１５（ｂ）中のＭ３の位
置に被写体が存在した場合、従来のＡＦ制御では偽合焦
点（ii）を合焦点とみなし、不完全なＡＦとなる。

【００２１】すなわち、被写体がＭ２の範囲にある場合
にのみ従来のＡＦ制御で完全な焦点検出が可能になる。
この為、従来の光路差方式を位相差検鏡に適用するのは
困難である。

【００２２】これに対して、前ピン、後ピンのコントラ
ストカーブが複数重ならない様に基準合焦点から前ピ
ン、後ピンの各センサを遠ざけて図１６に示す様な特性
を持たせる事が考えられる。

【００２３】しかし、この様な方法では、撮影レンズの
倍率毎に前ピン／後ピンの各センサ位置を変化させる駆
動機構が必要となり、装置の複雑化によるコストアップ
や大型化が生じる事になる。

【００２４】そこで特開昭５６−３５１１１号公報で開
示される様にピーク周辺の範囲をスキャンして確実に最
大ピークに移動させる方法が考えられるが、この方法で
はスキャン時間が必要になる為、合焦速度が低下する欠
点を持つ。

【００２５】さらに図１２乃至図１４で示した様に、サ
ブピークの出現位置は被写体の持つ空間周波数や対物レ
ンズ倍率によって異なり、スキャン幅は一概には決定で
きないという困難を生じる為、ＡＦには適さない。

【００２６】また、位相差検鏡における特有の空間周波
数成分に着目する方法では、以上の点はクリアされてい
るが、サブピークはどの周波数帯域においても発生する
為、これを除去する事は不可能であり、特定の空間周波
数帯域を抽出しただけではＡＦ誤動作の恐れがある。さ
らに抽出周波数成分によっては、ＭＴＦ特性が合焦位置
に対して前、後フォーカスで非対称となる場合があるの
で合焦精度の低下につながる。

【００２７】そこで本発明は、位相差検鏡における被写
体像の様に複数のサブピークを持つコントラスト特性を
示す被写体像からも確実に合焦位置を検出可能で、装置
を大型化せず、且つ合焦速度及び合焦精度の高い自動焦
点検出装置を提供することを目的とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
する為に、被写体を輪体照明する為の光源及びリングス
リットと、上記被写体からの直接光と回折光との位相差
を調整する位相差膜と、対物レンズと、上記対物レンズ
を通過した被写体からの光を所定の位置に結像させる結
像光学系と、被写体と対物レンズを含む光学系との距離
を調節する距離調節手段と、上記結像光学系における予
定結像面に対して共役な前後の光像（前ピン像及び後ピ
ン像）の画像信号を生成する画像生成手段と、上記画像
信号処理手段からの画像信号から所定の周波数帯域を抽
出する少なくとも１つのフィルタ手段と、上記フィルタ
手段からの前ピン像、後ピン像の画像信号を所定の評価
関数に基づいて両者のコントラスト値を求める第１の演
算手段と、上記第１の演算手段からの前ピン像、後ピン
像のコントラスト値のどちらか一方を選択し、所定の移
動距離で上記距離調節手段を移動させ、該コントラスト
値のピークを検出するピーク検出手段と、上記ピーク検
出手段においてピークが検出された場合、上記フィルタ
手段において設定した周波数帯域と上記対物レンズ、及
び上記リングスリットの種類に応じて所定の移動距離を
選択し、これに基づいて上記距離調節手段を移動させ、
上記コントラスト値の最大ピークを検出する最大ピーク
検出手段と、上記最大ピーク検出手段において最大ピー
クが検出された場合、上記第１の演算手段からの前ピン
像、後ピン像のコントラスト値から合焦評価値を算出す
る第２の演算手段と、上記第２の演算手段からの合焦評
価値に基づいて、上記距離調節手段を移動させる合焦動
作駆動手段とで構成された位相差検鏡用自動焦点検出装
置を提供する。

【００２９】

【作用】以上の様な構成の位相差検鏡用自動焦点検出装
置では、被写体がリングスリットより輪帯照明され、被
写体内の回折体で回折した回折光と回折体以外の領域を
通過した直接光とが対物レンズに向かって被写体から出
射される。被写体からの光は、対物レンズを通して結像
光学系に導かれ、予定結像面に結像する。

【００３０】上記対物レンズへの入射前、又は通過後に
配置された位相差膜により回折光と直接光との位相差が
調整される。又、結像光学系の予定結像面の光軸に対し
て共役な前後の２位置に形成される前ピン像、後ピン像
が、イメージセンサより画像信号に変換される。

【００３１】この２つの画像に対する画像信号はフィル
タ手段に送られる。フィルタ手段に送られた画像信号は
対物レンズ、あるいはリングスリットの種類によって決
定されるフィルタ定数に従って所定の周波数帯域が選択
される。フィルタ手段を通過した画像信号は第１の演算
手段に入力される。

【００３２】第１の演算手段では、前ピン像、後ピン像
の画像信号から所定の評価関数に基づいて両者のコント
ラスト値を算出し、その結果をピーク検出手段へ出力す
る。ピーク検出手段では、上記第１の演算手段からの前
ピン像、後ピンのコントラスト値の内、どちらか一方を
選択し、このコントラストのピークを検出するまで、所
定の移動幅でステージ若しくは光学系の少なくとも一方
を移動させる。

【００３３】ピーク検出手段においてピークが検出され
たら、上記フィルタ手段において設定した周波数帯域と
対物レンズ、及びリングスリットの種類から、最適な移
動幅を選択し、これに基づいて上記コントラスト中の最
大ピークを検出するまで、ステージ若しくは、光学系の
少なくとも一方を移動させる。最大ピークを検出した
後、上記フィルタ手段にフィルタ切り換え信号を送り、
広範囲の周波数帯域を使用して上記コントラスト値を算
出し、結果を第２の演算手段へ送る。

【００３４】第２の演算手段では、前ピン、後ピンのコ
ントラスト値の和分、あるいは差分から、対物レンズの
倍率に応じて一方を選択し、これに基づいて、合焦評価
値を算出し、演算結果を合焦動作駆動手段に送る。

【００３５】合焦動作駆動手段では、上記第２の演算手
段からの結果が前ピン、後ピンのコントラスト値の和分
である場合にはその最大値、差分の場合にはこの値が所
定の閾値以下になる位置まで、上記相対距離を変化さ
せ、合焦検出が行われる。

【００３６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１には、本発明による第１実施例として
の位相差顕微鏡に搭載した自動焦点検出装置の概略的な
構成を示し説明する。

【００３７】この位相差顕微鏡は、観察標本である被写
体Ｓを上下方向へ移動可能な距離調整手段としてのステ
ージ１０を備えている。このステージ１０には、透過照
明の為の開口部が形成されている。透過用光源１１で発
生した照明光はリングスリット１２で輪体照明光に形成
され、この輪帯照明光がコンデンサレンズ１３によりス
テージ開口部を通して被写体Ｓを下方から照明するよう
になっている。さらに、被写体上方の位相差検鏡用の対
物レンズ１４が配置される。この位相差検鏡用対物レン
ズ１４は、輪体照明光が入射するリング状の領域に位相
差膜が形成されている。この位相差検鏡用対物レンズを
通過した光束を接眼プリズム１５で分岐して、一方の光
束を接眼レンズ１６へ導いている。

【００３８】この接眼プリズム１５を分岐した対物レン
ズ１４からの光束は、結像レンズ１７を通した後に光路
差プリズム２０に入射して２分割され、２つの平行光束
となる。そして受光面上に、光路差が異なり、互いに予
定焦点面に対して共役な２つの被写体光像（前ピン像、
後ピン像）が投影される位置にＣＣＤセンサ１８を配置
している。

【００３９】一方、本実施例における自動焦点検出装置
において、ＣＣＤセンサ１８は投影された光像の入射光
量と蓄積時間に応じた電圧をもつアナログ画像信号を出
力する。このＣＣＤセンサ１８の出力は後述するフィル
タ手段としてのアナログ処理部１９で増幅及びフィルタ
処理等のアナログ処理が施され、Ａ／Ｄ変換器２１によ
りデジタル化された後にメモリ２２に取り込まれる。メ
モリ２２の記憶内容は演算回路２３から読出可能になっ
ている。演算回路２３は、メモリ２２に記憶された被写
体像のデジタル信号を用いて被写体像のコントラスト値
を算出し、コントラスト値を表すビットデータをＣＰＵ
２４へ送信する。

【００４０】そしてＣＰＵ２４は、ＣＣＤセンサ１８が
出力する被写体像のアナログ画像信号がアナログ処理部
１９のレンジに適しているか否かをＡ／Ｄ変換器２１を
介して監視している。そして被写体像のアナログ画像信
号がアナログ処理部のレンジに適していない場合には、
レンジに適合する様な蓄積時間とする命令をタイミング
ジェネレータ２５へ送信する。

【００４１】さらにＣＰＵ２４は、演算回路２３からの
前ピン像／後ピン像のコントラスト値に基づいて、被写
体のコントラストが最大となる様なステージ駆動信号を
求めて駆動回路２６へ送信する。駆動回路２６はＣＰＵ
２４からの駆動信号を受けてステージ１０を駆動する。
また、ＣＰＵ２４には外部コントローラ２７が接続され
ており、ＣＰＵ２４に対して各種の指示を与える事がで
きる様になっている。

【００４２】ここで、図２を参照して、アナログ処理部
１９の構成について具体的に説明する。フィルタ手段と
してのアナログ処理部１９は、位相差検鏡時用の第１の
処理ブロック３１ａと、非位相差検鏡時用の第２の処理
ブロック３１ｂと、アナログスイッチ３２とから構成さ
れている。第１の処理ブロック３１ａは、バンドパスフ
ィルタ３３を備えている。バンドパスフィルタ３３には
１００ｋＨｚの通過帯域が設定され、ＣＣＤセンサ１８
からのアナログ画像信号から１００ｋＨｚ帯域のみを抽
出しアナログスイッチ３２の一方の入力端子３２ａへ出
力する。

【００４３】第２の処理ブロックは、ハイパスフィルタ
３４を備えている。ハイパスフィルタ３４はＣＣＤセン
サ１８からアナログ信号が入力すると共に、ハイパスフ
ィルタ３４を通過したアナログ画像信号をアナログスイ
ッチ３２の他方の入力端子３２ｂへ出力する。

【００４４】またアナログスイッチ３２の切り換えはＣ
ＰＵ２４により行われる。第１、第２の処理ブロック３
１ａ，３１ｂの出力はアナログスイッチ３２を介してＡ
／Ｄ変換器２１へ入力する。

【００４５】以上の様に構成された位相差顕微鏡に搭載
した自動焦点検出装置の動作について、図３，４に示す
フローチャートを用いて説明する。まず、外部コントロ
ーラ２７からＣＰＵ２４へＡＦ制御信号のトリガが与え
られるとＡＦ制御が開始され（ステップＳ１）、予め検
鏡者が外部コントローラ２７に入力してある検鏡法をＣ
ＰＵ２４が検知し、検知した検鏡法が位相差検鏡か否か
判断する（ステップＳ２）。位相差検鏡であれば（ＹＥ
Ｓ）、アナログスイッチ３２を、位相差検鏡用である第
１の処理ブロック３１ａ側の入力端子３２ａに切り換え
る（ステップＳ３）。

【００４６】またステップＳ２で、位相差検鏡以外であ
れば（ＮＯ）、位相差検鏡以外の一般用アナログ処理部
である第２の処理ブロック３１ｂ側の入力端子３２ｂに
アナログスイッチ３２を切り換える（ステップＳ４）。
アナログスイッチ切り換え後、ＣＣＤセンサ１８からア
ナログ画像信号を読み出し（ステップＳ５）、ＣＣＤセ
ンサ１８のアナログ画像信号がアナログ処理部１９のレ
ンジに適合しているか否かチェックする（ステップＳ
６）。

【００４７】ここで、レンジが適合していない場合には
（ＮＯ）、タイミングジェネレータ２５にレンジが適合
する様な蓄積時間とする指令を出す。この動作は、ＣＣ
Ｄセンサ１８の出力がアナログ処理部１９のレンジに適
合するまで繰り返し行われる。

【００４８】一方、レンジが適合している場合には（Ｙ
ＥＳ）、合焦制御が完了するまでの期間、レンジ適合し
ている蓄積時間に対応したサンプリング時間で、ＣＣＤ
センサ１８からのアナログ画像信号をアナログ処理部１
９でアナログ処理した信号をＡ／Ｄ変換器２１を介して
メモリ２２に記憶する。

【００４９】ここで、位相差検鏡時には、第１の処理ブ
ロック３１ａで１００ｋＨｚを抽出したアナログ画像信
号がサンプリングされる。また、位相差検鏡以外の場合
には、第２の処理ブロック３１ｂで通常のアナログ処理
がなされたアナログ画像信号が出力される。

【００５０】演算回路２３は以上の様にしてメモリ２２
に記憶されたＣＣＤセンサ１８からのアナログ画像信号
より前ピン像、後ピン像のコントラスト値（ＦＰ，Ｂ
Ｐ）を、ＣＰＵ２４から指定された所定の評価関数に従
って算出する（ステップＳ７，ステップＳ８）。そして
算出されたコントラスト値をＣＰＵ２４へ入力する。

【００５１】そして、現在の検鏡法が位相差検鏡か否か
判断し（ステップＳ９）、位相差検鏡でない場合（Ｎ
Ｏ）、ＣＰＵ２４は合焦評価値として、前ピン像、後ピ
ン像のコントラスト値の差分を計算し（ステップＳ１
０）、差分値と所定閾値αとを比較する（ステップＳ１
１）。

【００５２】この比較において、差分値が所定閾値α以
上の場合には（ＮＯ）、差分値の極性すなわち前ピン／
後ピンコントラスト値の大小関係からステージ１０の移
動方向を、また差分値の絶対値から駆動量を算出し、所
定のステップ幅Ａでステージを駆動し（ステップＳ１
２，Ｓ１３）、ステップＳ５に戻る。このステージ駆動
動作は前ピンと後ピンのコントラスト値の差分が±α以
下となるまで繰り返される。位相差検鏡以外の検鏡で
は、ここでＡＦ動作が終了する（ステップＳ１４）。
一方、ステップＳ９で位相差検鏡である場合には（ＹＥ
Ｓ）、ＣＰＵ２４は前ピン、後ピンのコントラスト値の
内、どちらか一方を選択し（ステップＳ１５）、ＦＬＧ
１に１がたっているか否かチェックして（ステップＳ１
６）、ＦＬＧ１が１でなければ（ＮＯ）、この値が極大
値か否か判断する（ステップＳ１７）。極大値でなけれ
ば（ＮＯ）、ピーク位置付近の値を検出するまで所定の
ステップ幅Ｂでステージを駆動し（ステップＳ１８，Ｓ
１９）、ステップＳ５に戻る。また、ステップＳ１７で
極大値であった場合（ＹＥＳ）、その時のコントラスト
値をβ、ステージ位置をγとしてＣＰＵ２４に格納する
（ステップＳ２０，Ｓ２１）。

【００５３】さらにＣＰＵ２４は、現在の位相対物レン
ズの種類、リングスリットの種類、及び第１の処理ブロ
ック３１ａにおいて設定したバンドパスフィルタ３３の
周波数帯域から所定のステージ移動ステップ幅Ｃを決定
し（ステップＳ２２）、ＦＬＧ１に１を設定（ステップ
Ｓ２３）した後、これに基づいてステージを駆動する
（ステップＳ１９）。

【００５４】さらに上記ステップＳ１６において、ＦＬ
Ｇ１が１であれば（ＹＥＳ）、ＣＰＵ２４がステップ幅
Ｃで駆動されたステージ位置における、ステップＳ１５
で選択された前ピン／後ピンコントラスト値のどちらか
一方のコントラスト値すなわち、検出値を、先に保持し
ている極大値βと比較する（ステップＳ２４）。

【００５５】この比較において、検出値の方が大きい場
合には（ＹＥＳ）、この検出値をβ、この時のステージ
位置をγとして以前に記憶している値を更新する（ステ
ップＳ２５）。そしてＦＬＧ２に１を立てた後（ステッ
プＳ２６）、ステップＳ２２に移行し、ステージを更に
同方向にステップ幅Ｃで駆動し、検出したコントラスト
値が記憶されているコントラスト値βよりも小さくなる
まで、これらの処理を繰り返し行う。

【００５６】また、上記ステップＳ２４において、検出
値が極大値βよりも小さいコントラスト値を検出したら
（ＮＯ）、ＦＬＧ２が１か否か判断し（ステップＳ２
７）、ＦＬＧ２に１が立っていなければ（ＮＯ）、ＣＰ
Ｕ２４はステージをγまで戻し（ステップＳ２８）、ス
テージを前回までとは逆方向に駆動した後（ステップＳ
２９）、ステップＳ２２に移行する。

【００５７】一方、ＦＬＧ２に１が立っていれば（ＹＥ
Ｓ）、それまでに更新、記憶されているコントラスト値
βに対応するステージ位置γまでステージを戻す（ステ
ップＳ２８）。

【００５８】そして、前述した位相差検鏡以外のＡＦ動
作と同様に、ＣＰＵ２４は第２の処理ブロック３１ｂ側
の入力端子３２ｂにアナログスイッチ３２を切り換え
（ステップＳ３１）、ハイパスフィルタ３４を通過した
アナログ画像信号から算出した前ピン像、後ピン像のコ
ントラスト値の差分を合焦評価値として計算する（ステ
ップＳ３２）。

【００５９】求められた差分値と所定閾値αを比較し
（ステップＳ３３）、差分値が所定閾値α以上の場合に
は（ＮＯ）、ステップＳ１２に移行し、差分値の極性す
なわち前ピン／後ピンコントラスト値の大小関係からス
テージ１０の移動方向を、また差分値の絶対値から駆動
量を算出し、所定のステップ幅Ａでステージを駆動す
る。このステージ駆動動作は、前ピンと後ピンのコント
ラスト値の差分が±α以下となるまで繰り返され、差分
値（±α）がと所定閾値α以下であった場合に（ＹＥ
Ｓ）、現在のステージ位置が合焦位置であると判断し、
ＡＦ動作は終了し（ステップＳ３４）、一連のルーチン
を終了する。

【００６０】次に図５を参照して、位相差検鏡の場合の
ＡＦ動作を詳細に説明する。例えば、前述した図３のス
テップＳ１５において、ＣＰＵ２４が前ピン像のコント
ラスト値を選択した場合について考える。

【００６１】図５（ａ）は、前ピン像のアナログ画像信
号からバンドパスフィルタにより１００ＫＨｚの周波数
帯域を抽出し、この信号を基に算出したコントラスト値
の一例を示し、縦軸はコントラストレベル、また横軸は
ステージ位置をそれぞれ示している。また、実線、破線
はそれぞれ前ピン像、後ピン像のコントラスト特性であ
る。

【００６２】いま、図５（ａ）中のａ位置からＡＦ動作
を開始し、ステージが下方へステップ幅Ｂで移動すると
き、ｂ位置で (i)の極大値を検出する。ＣＰＵ２４は
(i)のコントラスト値と、それに対応するステージ位置
ｂをそれぞれβ，γとして記憶し、さらに現在の対物レ
ンズ、リングスリットの種類、及び抽出した周波数帯域
（１００ｋＨｚ）からステップ幅Ｂよりも広いステップ
幅Ｃを決定する。

【００６３】このステップ幅Ｃは、現在の環境下で発生
するピークとサブピーク、又はサブピーク間の距離に相
当する値であるので、ステージはｂからＣだけ移動し
て、ｃ位置となり（ii）のコントラスト値を検出する。
次にＣＰＵ２４は、先に記憶している (i)のコントラス
ト値と（ii）のコントラスト値を比較し、（ii）の方が
大きい事を検知すると、（ii）のコントラスト値及びこ
れに対応するステージ位置ｃを、それぞれβ，γとして
先の値を更新する。次に更にＣだけステージを移動さ
せ、ｄの位置における(iii) のコントラスト値を検出、
この値がβ、即ち（ii）のコントラスト値よりも小さい
事を検知すると、再びステージをγ、即ちｃの位置まで
戻す。

【００６４】次にＣＰＵ２４は、アナログスイッチを非
位相差検鏡用フィルタ側に切り換え、ハイパスフィルタ
を通過したアナログ画像信号を基に前ピン像、後ピン像
のコントラスト値の差分値（Ｓ字カーブ）を合焦評価値
として算出する。

【００６５】図５（ｂ）は、前述したＳ字カーブの一例
を示す図であり、縦軸は差分値の相対量、横軸はステー
ジ位置である。また図５（ａ）と図５（ｂ）は、同一の
ステージ位置としている。従って、ＣＰＵ２４は図５
（ｂ）に示すｃ´位置における（iv）の差分値を検出す
る。そしてこの位置からスイッチ幅Ａでいわゆる光路差
方式でのＡＦ動作を行い、差分値が±α以下となる(v)
に対応するステージ位置ｄを合焦位置と判断する。

【００６６】ところでステップＳ１５において、ＣＰＵ
２４が後ピン像のコントラスト値を選択しても、同様に
図５（ａ）中の破線上の（ii）’に対応するｅのステー
ジ位置で光路差ＡＦに切り換わる事になる。

【００６７】この様に本実施例によれば、予め所定の周
波数帯域を抽出して算出した前ピン／後ピンのどちらか
一方のコントラスト特性における最大ピークを検出して
から、光路差によるＡＦ方式に切り換えるので、図５
（ｂ）中に示す様な、Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ等のサブピークに
よる偽合焦位置でＡＦが終了してしまう事がない。ま
た、最終的にはバンドパスフィルタを取り除き、広帯域
周波数成分を持つ画像信号を使用するので、コントラス
トレベル不足による合焦精度の低下の恐れもない。さら
に、抽出する周波数帯域に対応した移動距離を使用する
為、特開昭５６−３５１１１号公報の様に、ピーク位置
から一定範囲をスキャンする方法に比べて合焦時間を非
常に短縮できるという利点を持つ。

【００６８】また本実施例は、位相差検鏡用である第１
の処理ブロック３１ａにおいて、バンドパスフィルタ３
３の周波数帯域を１００ｋＨｚにしてあるが、この値は
対物レンズ、リングスリットの種類と、所望のステージ
移動幅との関係によって変更可能である。また、特に被
写体に含まれる空間周波数成分が一義的に決定できない
ので、数種類の抽出周波数帯域を選択できる様に、複数
のフィルタを用意し、アナログスイッチにより順次切り
換えながらＡＦ動作を行ってもよい。さらに、本実施例
ではフィルタ手段をアナログで構成したが、これを演算
回路やデジタルで構成すれば、特別なハードを付加する
事なく実施可能である。さらに本実施例では、合焦サー
チはステージ駆動により行っているが、これを対物レン
ズ駆動としても同様の効果を得る事ができる。

【００６９】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。この第２実施例の構成は前述した第１実施例とは、
コントラスト値の演算方法、ステージ駆動シーケンスの
みが異なり、それ以外の構成部材は同等である為、図
６，図７のフローチャートを参照して、コントラスト値
の演算方法、ステージ駆動シーケンスについて説明す
る。なお第１実施例と同一部分には同一符号を付してい
る。

【００７０】まず、外部コントローラ２７からＣＰＵ２
４へＡＦ制御信号のトリガが与えられるとＡＦ制御が開
始され（ステップＳ４１）、予め検鏡者が外部コントロ
ーラ２７に入力してある検鏡法をＣＰＵ２４が検知し、
その検鏡法が位相差検鏡か否か判断し（ステップＳ４
２）、検鏡法が位相差検鏡であれば（ＹＥＳ）、アナロ
グスイッチ３２を位相差検鏡である第１の処理ブロック
３１ａ側の入力端子３２ａに切り換える（ステップＳ４
３）。また、位相差検鏡用でなければ（ＮＯ）、位相差
検鏡以外の一般用アナログ処理部である第２の処理ブロ
ック３１ｂ側の入力端子３２ｂにアナログスイッチ３２
を切り換える（ステップＳ４４）。 そして、アナログ
スイッチ切り換え後、ＣＣＤセンサ１８からアナログ画
像信号を読み出し（ステップＳ４５）、ＣＣＤセンサ１
８のアナログ画像信号がアナログ処理部１９に適合して
いるか否かチェックする（ステップＳ４６）。レンジが
適合していない場合には（ＮＯ）、タイミングジェネレ
ータ２５にレンジが適合する様な蓄積時間とするように
指令を出しステップＳ４５に戻る。この動作は、ＣＣＤ
センサ１８の出力がアナログ処理部１９のレンジに適合
するまで繰り返し行われる。

【００７１】一方、レンジが適合している場合には（Ｙ
ＥＳ）、合焦制御が完了するまでの期間、レンジ適合し
ている蓄積時間に対応したサンプリング時間で、ＣＣＤ
センサ１８からのアナログ画像信号をアナログ処理部１
９でアナログ処理した信号をＡ／Ｄ変換器２１を介して
メモリ２２に記憶する。ここで、位相差検鏡時には、第
１の処理ブロック３１ａで１００ｋＨｚを抽出したアナ
ログ画像信号がサンプリングされる。また、位相差検鏡
以外の場合には、第２の処理ブロック３１ｂで通常のア
ナログ処理がなされたアナログ画像信号が出力される。

【００７２】演算回路２３は、以上の様にしてメモリ２
２に記憶されたＣＣＤセンサ１８からのアナログ画像信
号より前ピン像、後ピン像のコントラスト値（ＦＰ，Ｂ
Ｐ）を、ＣＰＵ２４から指定された所定の評価関数に従
って算出する（ステップＳ４７，ステップＳ４８）。算
出されたコントラスト値はＣＰＵ２４へ入力する。

【００７３】次に、現在の検鏡法が位相差検鏡か否か判
断し（ステップＳ４９）、位相差検鏡でない場合（Ｎ
Ｏ）、ＣＰＵ２４は前ピン像、後ピン像のコントラスト
値の和分を合焦評価値として計算する（ステップＳ５
０）。さらにこの値を基に今回得られた和分値と前回の
和分値との相関等の所定の評価法により、今回得られた
和分値が最大値α以上であるか否か判断する（ステップ
Ｓ５１）。

【００７４】この判断で、得られた和分値が最大値でな
い場合には（ＮＯ）、所定のステップ幅Ｄを選択し（ス
テップＳ５２）、駆動回路２６の制御により所定方向に
上記所定ステップ幅Ｄでステージ１０を駆動する（ステ
ップＳ５３）。この後、ステップＳ４５に戻る。このス
テージ駆動動作は前ピンと後ピンのコントラスト値の和
分が最大値であると認識されるまで繰り返され、ＣＰＵ
２４は和分が最大であると判断した時のステージ位置を
合焦位置とする。一方、ステップＳ５１で得られた和分
値が最大値であると判断された場合には（ＹＥＳ）、こ
こでＡＦ動作が終了する（ステップＳ５４）。

【００７５】また、上記ステップＳ４９において、現在
の検鏡法が位相差検鏡である場合には（ＹＥＳ）、ＣＰ
Ｕ２４は前ピン、後ピンのコントラスト値のうち、どち
らか一方を選択する（ステップＳ５５）。この時にＦＬ
Ｇ１が１であるか否か判断し（ステップＳ５６）、ＦＬ
Ｇ１が１でない場合（ＮＯ）、選択されたコントラスト
値が極大値か否か判断し（ステップＳ５７）、極大値で
なければ（ＮＯ）、ピーク位置付近の値を検出するまで
所定のステップ幅Ｂでステージを駆動する（ステップＳ
５８，ステップＳ５９）。極大値を検出した場合（ＹＥ
Ｓ）、その時のコントラスト値をβ、ステージ位置をγ
としてＣＰＵ２４に格納する（ステップＳ６０，ステッ
プＳ６１）。

【００７６】さらにＣＰＵ２４は現在の位相対物レンズ
の種類、リングスリットの種類、及び第１の処理ブロッ
ク３１ａにおいて設定したバンドパスフィルタ３３の周
波数帯域から所定のステージ移動ステップ幅Ｃを決定し
（ステップＳ６２）、ＦＬＧ１に１を設定し（ステップ
Ｓ６３）、ステップＳ５９に移行して、ステップ幅Ｃで
ステージを駆動する。

【００７７】しかし、ステップＳ５６でＦＬＧ１が１で
ある場合（ＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は、ステップ幅Ｂで駆
動されたステージ位置における、ステップＳ５５で選択
された前ピン／後ピンコントラスト値のどちらか一方の
コントラスト値を、以前に保持している極大値βと比較
する（ステップＳ６４）。選択されたコントラスト値の
方が極大値βより大きい場合には（ＹＥＳ）、この値で
β、この時のステージ位置をγとして更新し（ステップ
Ｓ６５）、ＦＬＧ２に１を設定して（ステップＳ６
６）、上記ステップと６２に移行する。そしてステージ
を更に同方向にステップ幅Ｃで駆動し、検出したコント
ラスト値が記憶されているコントラスト値βよりも小さ
くなるまでこれを繰り返す。

【００７８】また、ステップＳ６４において、選択され
たコントラスト値の方が極大値βよりも小さい場合には
（ＮＯ）、ＦＬＧ２が１であるか否か判定し（ステップ
Ｓ６７）、ＦＬＧ２が１でなければ（ＮＯ）、ＣＰＵ２
４はステージをγまで戻し（ステップＳ６８）、ステー
ジを前回までとは逆方向に駆動して（ステップＳ６
９）、ステップ幅Ｂでコントラスト値の検出を行い、こ
の値がβよりも大きい場合にはβ及びγを更新、記憶す
る作業を、検出されたコントラスト値がβよりも小さく
なるまでを繰り返す。

【００７９】しかしＦＬＧ２が１であれば（ＹＥＳ）、
それまでに更新、記憶されているコントラスト値βに対
応するステージ位置γまでステージを戻し（ステップＳ
７０）、次のステップＳ７１に移行する。

【００８０】このステップＳ７１以降は、位相差検鏡以
外のＡＦ動作と同様であり、ＣＰＵ２４は第２の処理ブ
ロック３１ｂ側の入力端子３２ｂにアナログスイッチ３
２を切り換え（ステップＳ７１）、ハイパスフィルタ３
４を通過したアナログ画像信号から算出した前ピン像、
後ピン像のコントラスト値の和分を合焦評価値としてと
して計算する（ステップＳ７２）。さらに、この値を基
に今回得られた和分値と前回の和分値との相関等の所定
の評価法により、今回得られた和分値が最大であるか否
か判断する（ステップＳ７３）。この判断で、今回の和
分値が最大でないと判断すると（ＮＯ）、上記ステップ
Ｓ５２に戻り、所定方向に所定のステップ幅Ｄでステー
ジ１０を駆動する様に駆動回路２６を制御する。このス
テージ駆動動作は、前ピンと後ピンのコントラスト値の
和分が最大値であると認識されるまで繰り返される。一
方、ステップＳ７３の判断で和分値が最大であると判断
した場合には（ＹＥＳ）、ステージ位置を合焦位置と
し、ＡＦ動作は終了する（ステップＳ７４）。

【００８１】この様に本実施例によれば、前記第１実施
例と同様にコントラスト特性にピークが複数存在する場
合でも高精度のＡＦ動作が可能であり、装置の小型化、
合焦動作の高速化を図ることができる。

【００８２】また、本実施例におけるバンドパスフィル
タ３３の周波数帯域も第１実施例同様、対物レンズ、リ
ングスリットの種類、及び所望のステージ移動幅との関
係によって変更可能である。数種類の抽出周波数帯域を
選択できる様に、複数のフィルタを用意し、アナログス
イッチにより順次切り換えながらＡＦ動作を行ってもよ
い。

【００８３】さらに、本実施例ではフィルタ手段をアナ
ログで構成したが、これを演算回路やデジタルで構成す
れば、特別なハードを付加する事なく実施可能である。
さらに本実施例では、合焦サーチはステージ駆動により
行っているが、これを対物レンズ駆動としても同様の効
果を得る事ができる。

【００８４】ところで、位相差検鏡に限らず、前ピン像
／後ピン像のコントラスト特性、特にそれぞれのピーク
位置は、対物レンズの倍率によって変化する。そこで、
図８（ａ）には、１０倍の対物レンズを使用した例、図
８（ｂ）には４０倍の対物レンズを使用した例として、
前ピン像／後ピン像のコントラスト特性の一例を示す図
である。これらの図において、縦軸はコントラスト量、
横軸はステージ位置を表している。

【００８５】また図８（ｃ）は、それぞれの倍率におけ
る前ピン像／後ピン像のコントラスト値の差分を算出し
たＳ字カーブである。これらの図から判るように、１０
倍に比べ、４０倍の方が、前ピン、後ピンそれぞれのコ
ントラストカーブのピーク間の距離が狭くなっている。
従って、同図（ｃ）の様に、Ｓ字カーブのピークにおけ
る値も４０倍は１０倍に比べ非常に小さい。この様な特
性を持つ倍率の対物レンズを使用した際、第１実施例の
様ないわゆる光路差方式を用いてＡＦを行うと、誤動作
や、合焦精度の低下につながる可能性がある。

【００８６】そこで、比較的倍率が高い対物レンズを使
用する際には、前述した第２実施例の様に、いわゆる山
登り方式を採用することにより、これらの問題が解決さ
れる。従って、本発明の場合には、外部コントローラ２
７に入力された現在使用している対物レンズの倍率をＣ
ＰＵ２４が検知し、これに応じて第１実施例、または第
２実施例のシーケンスのどちらかを選択できる様にすれ
ば良い。また、本発明では上記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形
実施可能である。

【００８７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、位
相差検鏡における被写体像の様に複数のサブピークを持
つコントラスト特性を示す被写体像からも確実に合焦位
置を検出する事ができ、しかも装置の大型化を伴う事な
く合焦速度及び合焦精度の高い自動焦点検出装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例としての位相差顕微鏡
に搭載した自動焦点検出装置の概略的な構成を示す図で
ある。

【図２】図１に示したアナログ処理部の具体的な構成を
示す図である。

【図３】第１実施例の自動焦点検出装置の動作について
説明するためのフローチャートの前半である。

【図４】第１実施例の自動焦点検出装置の動作について
説明するためのフローチャートの後半である。

【図５】位相差顕微鏡に搭載した自動焦点検出装置のＡ
Ｆ動作を詳細に説明するためのコントラスト値の特性を
示す図である。

【図６】第２実施例の自動焦点検出装置の動作について
説明するためのフローチャートの前半である。

【図７】第２実施例の自動焦点検出装置の動作について
説明するためのフローチャートの後半である。

【図８】図８は、１０，２０，４０倍の対物レンズを使
用した時の前ピン像／後ピン像のコントラスト特性を示
す図である。

【図９】ステージｚ方向位置とコントラスト値の特性を
示す図である。

【図１０】図１０（ａ）は、基準結像面に対して前後の
光像のコントラスト特性を示す図、図１０（ｂ）は後ピ
ンコントラスト値（Ａ）から前ピンコントラスト値を差
し引いた信号の特性を示す図である。

【図１１】位相差検鏡における被写体像のコントラスト
特性を示す図である。

【図１２】対物倍率１０倍における位相差検鏡のＭＴＦ
シミュレーションの結果を示す図である。

【図１３】対物倍率２０倍における位相差検鏡のＭＴＦ
シミュレーションの結果を示す図である。

【図１４】対物倍率４０倍における位相差検鏡のＭＴＦ
シミュレーションの結果を示す図である。

【図１５】図１５（ａ）は位相差検鏡における前ピン／
後ピンのコントラスト特性を示す図、図１５（ｂ）は、
同図（ａ）に示したピン／後ピンのコントラスト特性よ
り算出したＳ字カーブを示した図である。

【図１６】前ピン、後ピンのコントラストカーブが複数
重ならない様に基準合焦点から前ピン、後ピンの各セン
サを遠ざけたコントラスト特性を示す図である。

【符号の説明】

１０…ステージ、１１…透過用光源、１２…リングスリ
ット、１３…コンデンサレンズ、１４…位相差検鏡用対
物レンズ、１５…接眼プリズム、１６…接眼レンズ、１
７…結像レンズ、１８…ＣＣＤセンサ、１９…アナログ
処理部、２０…光路差プリズム、２１…Ａ／Ｄ変換器、
２２…メモリ、２３…演算回路、２４…ＣＰＵ、２５…
タイミングジェネレータ、２６…駆動回路、２７…外部
コントローラ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体を輪体照明する為の光源及びリン
   グスリットと、 上記被写体からの直接光と回折光との位相差を調整する
   位相差膜と、 対物レンズと、 上記対物レンズを通過した被写体からの光を所定の位置
   に結像させる結像光学系と、 被写体と対物レンズを含む光学系との距離を調節する距
   離調節手段と、 上記結像光学系における予定結像面に対して共役な前後
   の光像（前ピン像及び後ピン像）の画像信号を生成する
   画像生成手段と、 上記画像信号処理手段からの画像信号から所定の周波数
   帯域を抽出する少なくとも１つのフィルタ手段と、 上記フィルタ手段からの前ピン像、後ピン像の画像信号
   を所定の評価関数に基づいて両者のコントラスト値を求
   める第１の演算手段と、 上記第１の演算手段からの前ピン像、後ピン像のコント
   ラスト値のどちらか一方を選択し、所定の移動距離で上
   記距離調節手段を移動させ、該コントラスト値のピーク
   を検出するピーク検出手段と、 上記ピーク検出手段においてピークが検出された場合、
   上記フィルタ手段において設定した周波数帯域と上記対
   物レンズ、及び上記リングスリットの種類に応じて所定
   の移動距離を選択し、これに基づいて上記距離調節手段
   を移動させ、上記コントラスト値の最大ピークを検出す
   る最大ピーク検出手段と、 上記最大ピーク検出手段において最大ピークが検出され
   た時、上記第１の演算手段からの前ピン像、後ピン像の
   コントラスト値から合焦評価値を算出する第２の演算手
   段と、 上記第２の演算手段からの合焦評価値に基づいて、上記
   距離調節手段を移動させる合焦動作駆動手段と、を具備
   した事を特徴とする位相差検鏡用自動焦点検出装置。
2. 【請求項２】 上記フィルタ手段は、 対物レンズ、あるいはリングスリットの種類によってフ
   ィルタ定数を切り換え可能としたフィルタ定数切り換え
   手段と、 現在設定されている検鏡法、あるいは上記最大ピーク検
   出手段からの信号に応じて、位相差検鏡用フィルタと、
   位相差検鏡以外の検鏡用フィルタとの切り換えを可能と
   した切り換え手段を具備する事を特徴とする請求項１記
   載の位相差検鏡用自動焦点検出装置。
3. 【請求項３】 上記第２の演算手段は、上記第１の演算
   手段からの前ピン像、後ピン像のコントラスト値から両
   者の差分値または和分値を算出して合焦評価値とし、上
   記合焦動作手段は、上記合焦評価値が差分値の場合は、
   所定の閾値以下となるように、また和分値の場合はそれ
   が最大となるように上記距離調節手段を移動して合焦動
   作を行うことを特徴とする請求項１記載の位相差検鏡用
   自動焦点検出装置。