JPS626204B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の利用分野 本発明は、例えば顕微鏡などの撮像装置によつ
て、試料面のパターンを観察する場合に必要とな
る合焦点度の検出方法およびこれを用いた自動的
に焦点を合せる装置に関するものである。

(2) 従来技術 従来、顕微鏡などの自動焦点合せ方式として広
く利用されているものに、空気マイクロメータを
検出器として使用し、顕微鏡対物レンズと試料表
面との距離を一定に保つものがある。この他、テ
レビジヨンカメラを検出器として使用するものに
黒白パターンの黒色部面積がピント状態により変
化することを利用したものがある。またテレビジ
ヨンカメラを検出器として使用する別の方式で
は、焦点が合つた状態ではテレビジヨンカメラの
出力映像信号の高周波成分が最大となることを利
用し、上記高周波成分が最大となる点を探索する
ことで顕微鏡の焦点調整を行なわせるものがあ
る。しかしながら、この方法では、例えば、単純
なパターンを有する試料に対して焦点合せを自動
的に行なうことは困難であり、従来技術では試料
表面のパターンに制約があつた。

(3) 発明の目的 本発明は、テレビジヨンカメラを検出器として
用い、一般のパターンを有する試料に対して、顕
微鏡などの撮像装置の焦点合せを自動的に行なう
のに適したパターンに依存しないで合焦点度を検
出する方法およびそれを用いた自動焦点合せ装置
を提供することを目的とする。

(4) 実施例 以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。第１図は本発明の原理を説明する図面であ
る。顕微鏡などの撮像装置で試料表面のパターン
を観察すると、例えば１に示すように黒い部分１
１と白い部分１２とが存在するパターンの場合、
その試料表面のパターンをテレビジヨンカメラで
とられえた映像信号の一部は２に示すごとくな
る。この映像信号２を時間的に微分すれば、３に
示す微分信号が得られる。さらに、上記微分信号
３を整流した信号４をあるクリツプレベル８で、
クリツプすれば信号５が得られる。このクリツプ
された微分信号５の積分結果は６に示す波形とな
る。上記積分された結果は、１５および１６の振
幅値に変換されており、振幅値１５および１１６
の総和１７が、クリツプされた微分信号５の積分
値である。また、上記クリツプされた微分信号５
の非零値区間１３および１４の時間長を測定し、
それを振幅値に変換した波形が７である。時間長
を振幅値に変換する回路は、反転増幅器及び積分
器で構成され、入力信号が零値を越えた場合に一
定の振幅値を有する矩形波を反転増幅器が発生
し、その矩形波の積分量を入力信号の非零値時間
として出力する。１８の振幅値は、信号５の非零
値区間１３の時間長を振幅値に変換したものであ
り、１９に示す振幅値は区間１４の時間長を振幅
値に変換したものである。上記振幅値１８および
１９の総和、つまり振幅値２０は、信号５の非零
値区間１３および１４の時間長の総和を振幅レベ
ルに変換したものである。クリツプされた微分信
号５の積分値の総和、つまり振幅値１７を、上記
信号５の非零値区間長、つまり振幅値２０で割つ
た結果を自動焦点合せを行なうための評価値とす
ることが本発明の方法である。すなわち、この評
価値はパターンの複雑さに関係なく、合焦点度に
依存する値なので、この値の大小により合焦点度
を判別できる。すなわち、この評価値がパターン
の複雑さに関係なくあらかじめ定めた所定値をこ
えていれば焦点が合つた状態と判別できる。した
がつて、この評価値を用いて自動焦点合せするに
は、この評価値が所定値以上になるまで撮像装置
と対象パターンとの間の距離を探索的に変化させ
ればよい。

より具体的に言うと、この評価値を映像信号の
フイールド毎に求め、先のフイールドの評価値と
現在のフイールドにおける評価値とを比較し、次
のフイールドの評価値が増大する方向に対象物と
撮像装置の相対距離を一定距離だけ移動させると
いう処理をフイールド毎に行なえばよい。つま
り、焦点が合つていない状態では、映像信号２の
波形の立ち上がり部分の傾きがゆるやかであり、
焦点が合つた状態では立ち上がり部分の傾きが急
になるので、合焦点度を判定するのに、クリツプ
された微分信号５の積分値１７を基準にすればよ
いことになるが、 試料面のパターンが変わり、異なつたパターン
間で合焦点度を判定するような場合、上記積分値
１７は、パターンの複雑さに依存するので、合焦
点度の判定は困難となる。

そこで、本発明の方法では、上記積分値１７を
非零値区間の積分値２０で除し、この値を焦点合
せのための評価値とすることにより、パターンの
複難さに関係なく合焦点度の判定が行える。

第２図は、本発明の実施例を示す自動焦点合せ
装置のブロツク図である。信号の流れに従つて本
実施例を説明する。テーブル３８の上に置かれた
試料３７の表面パターンを光学レンズ３５を通し
て、テレビジヨンカメラ３３の撮像面上に結像さ
せる。テレビジヨンカメラの映像信号６１は微分
回路２１に入る。また、同期信号６０は同期分離
回路５３において、垂直同期信号１６０と水平同
期信号１６１に分離され制御回路論理部３２に入
る。映像信号６１は、微分回路２１で微分されそ
の微分信号６２は整流回路２２で整流され整流信
号６３となる。この整流信号６３はクリツプ値設
定回路２９で設定されるクリツプ値７３でクリツ
プされる。クリツプ回路２３の出力信号６４は、
積分回路２４と入力信号の非零値時間を測定する
時間測定回路２６の入力となる。積分回路２４
で、入力信号６４を積分し、その結果、積分信号
６８が得られる。信号６４を積分する区間は、画
面のある領域を指定する領域指定回路３１の出力
信号、即ち画面の横方向の領域境界を示す１６
２，１６３および画面の縦方向の領域境界を示す
１６４，１６５を入力信号とする制御回路論理部
３２で発生する信号６５，６６で決められる。ク
リツプ回路２３の出力信号６４は入力信号の非零
値時間を測定する回路２６に入り、信号６４が非
零値である時間区間が測定される。非零値時間測
定回路２６は、反転増幅器及び積分器で構成され
ており、上記回路２６の入力信号が零値を越えて
いる場合に反転増幅器は一定の振幅値をもつ矩形
波を積分器に送り、その積分量を入力信号の非零
値時間として出力する回路である。その測定され
た時間は信号６９の振幅値に変換されている。入
力信号６４が非零値である時間区間は、積分回路
２４の積分実行区間と同一の区間において、制御
回路論理部３２の指令信号６５，６６で決定され
る。積分結果６８は、割算回路２５において、非
零値時間長６９で割算される。割算の実行時刻
は、制御回路論理部３２の指令信号４４で決定さ
れる。

割算結果１３１は、比較回路２８において、保
持回路２７の出力信号１３０と比較される。上記
比較回路２８の比較実行は、制御回路論理部３２
の指令信号４６で決定される。また割算結果１３
１は、保持回路２７でその値が保持される。比較
回路２８においては、割算結果１３１および、割
算実行前に保持回路２７に保持されていた出力値
１３０との大小関係を比較し、モータ制御信号１
３３と反転信号１３２とを出力する。さらに、比
較回路２８において、割算回路出力１３１をあら
かじめ設定されたある設定値とその大小を比較
し、クリツプレベル７３の変更が必要かどうか判
定し、クリツプレベル変更信号１３４を制御回路
論理部３２に送る。制御回路論理部３２は、クリ
ツプレベル変更信号１３４を受け、クリツプレベ
ル設定回路２９の入力信号４３を発生する。モー
タ制御回御３０は、モータの回転量を制御する、
すなわちモータを一定量回転させるモータ制御信
号１３３とモータの反転信号１３２を入力としモ
ータ３９を、駆動する駆動回路３４を制御する。
モータ３９は、試料が置かれているテーブル３８
をレンズ３５の光軸方向４０に移動させ、試料と
テレビジヨンカメラの撮像面との光路長を変化さ
せ焦点合せを行なう。

第３図に示すパターンを有する試料に対し、本
装置で自動焦点合せを行なつた際の各回路の信号
波形を第４図に示す。第３図に示すパターンは、
明度の低い領域５１と明度の高い領域５０を有す
る。また試料表面の左半面と右半面とは点線で示
す段差を有する。上記試料表面のパターンのある
領域、例えば、第３図において一点鎖線で囲まれ
た領域５２を領域設定回路３１であらかじめ設定
しておき、上記領域５２の内のパターンに対して
焦点合せを自動的におこなう。第４図を参照しな
がら、本実施例の各信号を説明する。テレビジヨ
ンカメラ３３で第３図に示す試料パターンを観察
した時、得られる映像信号６１は、微分回路２１
で微分され６２に示す微分信号となる。但し、同
期信号部分は別のゲートによりサプレスしたもの
として描いてある。微分信号６２は整流回路２２
で整流され６３の波形がえられる。信号６３はあ
る設定されたクリツプ値７３でクリツプされ６４
の信号となる。上記クリツプされた信号６４を画
面中の領域を指定する信号６５および６６で示さ
れた時間区間内、すなわち６５を始点とし６６を
終点とする時間内で積分した結果が６８の信号で
ある。また上記クリツプされた信号６４が非零値
である時間長を画面の指定された領域内で測定し
た信号が６９である。制御回路論理部３２から送
られる信号６５は積分開始時刻を示し、信号６６
は積分を実行せず積分値を保持する時刻を示して
いる。さらに積分回路を初期状態にする信号６７
により積分回路は初期値に復帰する。振幅値で示
された積分結果７１および、非零値時間長７２
は、割算回路２５で割算が実行される。その割算
実行時刻は、制御回路論理部３２の指令信号４４
で決定される。割算結果１３１は、比較回路２８
に入る。また比較回路２８が実行後、上記割算結
果１３１を保持する保持回路２７において割算結
果１３１が保持される。比較回路２８では、保持
回路出力１３０と割算結果１３１とがそれらの大
小を比較される。保持回路の出力が割算結果より
大きいと上記比較回路２８で判定された場合、モ
ータ３９を反転させる反転信号１３２を出力す
る。また、上記回路２８において、割算結果１３
１が保持回路の出力１３０と等しいかまたはそれ
以上の値であると判定された場合、反転信号１３
２は出力されない。モータ３９の回転量を制御す
るモータ制御信号１３３は、パルスの個数が一定
であるパルス列である。

モータ３９の回転方向を制御するのは、反転信
号１３２であり、この信号によりモータ３９の正
回転及び逆回転が決定される。

モータ３９の停止位置の制御は、モータ反転信
号１３２とモータ制御信号１３３により行う。映
像信号のあるフイールドにおける割算回路２５の
出力信号１３１と保持回路２７で保持されている
フイールド前の割算回路出力１３０とを、比較回
路２８で比較し、その大小関係に応じて、モータ
反転信号１３２を出力する。このモータ反転信号
１３２により、モータ３９の回転方向を決定す
る。また、割算結果出力信号１３１が出力される
タイミングに合わせて、モータ３９を一定角度だ
け回転させるたのモータ制御信号１３３が出力さ
れる。

このモータ３９の停止位置の制御を、映像信号
のフイールド毎に行うことになるが、フイールド
毎にモータ３９を一定角度だけ正方向、又は逆方
向に回転させるため、これにより割算回路２５の
出力が最大に近い状態を、維持することができ
る。以上の説明から分かるように、保持回路２７
には先のフイールドでの割算結果が保持され、比
較回路２８において現在のフイールドでの割算結
果が比較され、次のフイールドの割算結果が増大
する方向にモータの回転方向が制御される。した
がつて、割算結果が最大の近辺で、モータがフイ
ールド毎に一定の微小角度だけ正転又は反転とを
繰り返すため、合焦点に近い状態を維持できる。
第５図は上記比較回路２８の構成図である。保持
回路出力１３０と割算回路出力１３１とは、それ
らの値の大小を減算回路１２０、正負判定回路１
２１で比較され、反転信号１３２を出力する。ま
た、割算回路出力１３１は、パルス発生回路１２
２に入力され、一定数のパルス信号が発生し、制
御信号１３３となる。さらに割算結果１３１があ
る設定値１２４と大きさが比較判定回路１２３で
比較される。クリツプレベル７３を大きく設定す
ると、割算回路２５における除数である、クリツ
プされた信号６４の非零値の時間区間の長さを測
定した信号６９が、零値近くになり割算結果の値
１３１が非常に大きくなる場合がある。これは、
クリツプレベル７３が不適切であつたために生ず
る。従つて割算結果の値１３１が、予め定めた設
定値１２４より大きいと比較判定回路１２３で判
定された場合、クリツプ値７３が不適切であると
判定してクリツプレベル変更信号１３４を出力
し、クリツプレベル設定回路２９によりクリツプ
レベルを変更する。

第６図は、制御回路論理部３２を示す。垂直同
期信号１６０は、増幅器１４０で増幅され割算実
行信号４４を発生する。また上記信号１６０は遅
延回路１４１で時間を遅らせ、積分回路を初期状
態に復帰させる初期信号６７となる。また保持回
路２７、比較回路２８およびモータ制御回路３０
の実行時刻を指定する信号４５，４６，４８も上
記遅延回路１４１で発生する。

積分区間を指定する始点信号６５および終点信
号６６は、画面内の領域の横方向位置座標を与え
る信号１６２，１６３と縦方向位置座標を与える
信号１６４，１６５とから発生される。始点信号
発生回路１４３および終点信号発生回路１４７
は、計数器と比較器とから構成されており、画面
領域信号１６２，１６３，１６４，１６５および
クロツク発生回路１４２の出力とを入力信号とし
て、それぞれ始点信号６５および終点信号６６を
発生する。クリツプ値変更信号１３４が入力され
ると、レジスター１５７にあらかじめ設定されて
いる値１６６と、ある一定値１５０とが、加算回
路１５１で加算され、新しいクリツプ値４３が出
力されるとともに、レジスター１５７に上記クリ
ツプ値４３が入力される。

(5) まとめ 以上説明したごとく本発明によれば、映像信号
の微分値の絶対値をある設定値でクリツプし、こ
のクリツピングされた信号を指定された走査区間
内において、積分し、その積分結果を上記クリツ
プされた信号が零値でない時間区間の長さで除す
るなどにより正規化した値を評価値として、焦点
合せ機構を制御するものであるため、試料表面の
パターンにかかわらず安定に焦点合せを行なうこ
とができる。また画面上で領域を指定し、その領
域内のパターンに対して焦点合せを行なうため、
試料表面に段差を有するものに対しても有効に焦
点合せを行なうことができる。また、映像信号の
微分信号の積分値と上記非零値時間区間の長さの
総和とを夫々独立のデータとして、これら２つの
評価量をもとに、焦点調節方向を決定するなど、
多様な構成がとれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す図、第２図は本発
明の装置を示すブロツク図、第３図は本発明の説
明に使用した試料のパターン図、第４図は第２図
に示した各ブロツクの主要信号波形を示す図、第
５図は比較回路のブロツク図、第６図は制御回路
論理部のブロツク図である。 ２……映像信号、３……微分信号、４……整流
信号、５……クリツプされた信号、６……積分信
号、７……振幅変換波形、８……クリツプレベ
ル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 指定された１つまたは複数個の走査区間にお
   いて対象物を撮像する撮像装置からの映像信号の
   微分値の絶対値をある設定値でクリツプし、上記
   クリツプされた信号の積分値を、クリツプされた
   信号が零値でない時間区間の長さの総和で正規化
   した結果を求め、該結果を合焦点度とすることを
   特徴とする撮像装置の合焦点度検出方法。 ２ 指定された１つまたは複数個の走査区間にお
   いて対象物を撮像する撮像装置からの映像信号の
   微分値の絶対値をある設定値で、クリツプする手
   段と、該クリツプされた信号の積分値を、クリツ
   プされた信号が零値でない時間区間の長さの総和
   で正規化した結果を評価値として、映像信号の各
   フイールドごとに求める手段と、該映像信号の所
   定のフイールドで求めた評価値の所定のフイール
   ドの１つ前のフイールドで求めた評価値からの増
   加を、所定のフイールドを順次変えながら検出す
   る手段と、該検出ごとに、該対象物と該撮像装置
   との相対距離を予め定めた一定距離だけ順次移動
   させる手段と、 該検出手段の出力の正負を判定し、該出力が負
   の場合に該移動手段による移動方向を反転させる
   正負判定手段とを有することを特徴とする自動焦
   点合せ装置。