(57)【要約】【課題】ワーク表面の影響を受けずに、好適に焦点合わせを行うことができるオートフォーカス装置を提供することにある。【解決手段】硬さ試験機１００において、ＣＣＤカメラ１２により試料Ｓの表面が撮像され、ＣＰＵ６１が、パターン作成プログラム６３ａを実行することによって、その試料Ｓの表面に投影する任意のパターンをユーザが作成することができる。そして、ＣＰＵ６１が、パターン投影プログラム６３ｂを実行することによって、その任意のパターンを投影し、合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行することによって、試料もしくは対物レンズの少なくとも一方がＡＦ（Ｚ）ステージ４（昇降機構部５）により移動される度に、任意のパターンに基づいたＡＦ値が算出され、自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することによって、そのＡＦ値がピークとなった位置に焦点を合わせることができる。【選択図】図４
2010026212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面を照射する光源と、
前記試料もしくは対物レンズの少なくとも一方を前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、
前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を、前記移動手段により移動させて前記対物レンズの焦点合わせを行う自動焦点合わせ手段と、
を備えるオートフォーカス装置において、
前記試料表面を撮像する撮像手段と、
前記試料表面に投影する任意のパターンを作成するパターン作成手段と、
前記試料表面に、前記パターン作成手段により作成された任意のパターンを投影するパターン投影手段と、
前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方が前記移動手段により移動される度に、前記パターン投影手段により投影される任意のパターンに基づいて合焦度合いを算出する合焦度合い算出手段と、
を備え、
前記自動焦点合わせ手段は、
前記合焦度合い算出手段により算出される合焦度合いのピークが得られた位置に焦点を合わせることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項２】
請求項１記載のオートフォーカス装置において、
前記合焦度合い算出手段により算出される合焦度合いのピークと所定範囲にある合焦度合いが一以上算出されたか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段により、前記合焦度合いのピークと所定範囲にある合焦度合いが算出されたと判断された場合に、前記試料表面に投影された任意のパターンとは異なる任意のパターンを、前記パターン作成手段により作成することを促す旨を、所定の表示手段に表示させる表示制御手段と、
を備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のオートフォーカス装置において、
前記パターン作成手段は、
前記任意のパターンのパターン形状、前記任意のパターンの周期、前記任意のパターンの方向角のうち少なくともいずれか一つを指定できることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、
前記撮像手段は、
前記パターン投影手段により投影される任意のパターンを含む画像を撮像可能であり、
前記合焦度合い算出手段により算出される合焦度合いは、
前記撮像手段により撮像された画像の画素ごとに、前記画素と所定画素数離間した画素との光強度の差分値を導出し、前記差分値に基づいて算出されることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、
前記合焦度合い算出手段は、前記パターン作成手段により作成された任意のパターンが縞状である場合に、前記任意のパターンに対して感度が相対的に高くなる評価関数を用いて算出することを特徴とするオートフォーカス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オートフォーカス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学顕微鏡の焦点合わせを自動で行う硬さ試験機には、レーザーを使用してフォーカスを合わせるレーザーフォーカス法や、ＣＣＤカメラを使用して試料表面のコントラストを検出して、フォーカスを合わせるコントラスト法が知られている。
【０００３】
上述したレーザーフォーカス法では、コントラストの低いものにもフォーカスを合わせることが可能であるが、レーザーがあたっている点でしかフォーカスできない。また、装置自体が高価であり、当該装置を組み込むことにより、硬さ試験機の機構が複雑となる。一方、コントラスト法では、鏡面やガラス面などのコントラストの低いものにはフォーカスを合わせることが困難であった。
【０００４】
そして、上述したレーザーフォーカス法やコントラスト法の問題点を解決するオートフォーカス法として、グリッドフォーカスと呼ばれる、ワークの表面に結像する任意パターンを照明系の光路上に配置し、かかる任意パターンを測定面に投影してオートフォーカス値を計算し、オートフォーカス処理を行う手法が知られている（特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平９−３０４６８５号公報
【特許文献２】特開２００４−２９０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術の場合、例えば、ワーク表面に引き目や傷が形成されている場合、ワークの表面に投影したパターンの選択によっては、そのワーク表面の引き目によって計算されたオートフォーカス値と、ワークの表面に投影した任意パターンから計算されたオートフォーカス値と、が近似した値となる場合があり、その場合は、どちらのオートフォーカス値が、真の焦点位置を指し示すものであるのかが判別できず、フォーカス処理エラーとなり、上記オートフォーカス処理機能を備えた試験機器や測定機器が停止してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、ワーク表面の影響を受けずに、好適に焦点合わせを行うことができるオートフォーカス装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
試料表面を照射する光源と、
前記試料もしくは対物レンズの少なくとも一方を前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、
前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を、前記移動手段により移動させて前記対物レンズの焦点合わせを行う自動焦点合わせ手段と、
を備えるオートフォーカス装置において、
前記試料表面を撮像する撮像手段と、前記試料表面に投影する任意のパターンを作成するパターン作成手段と、
前記試料表面に、前記パターン作成手段により作成された任意のパターンを投影するパターン投影手段と、
前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方が前記移動手段により移動される度に、前記パターン投影手段により投影される任意のパターンに基づいて合焦度合いを算出する合焦度合い算出手段と、
を備え、
前記自動焦点合わせ手段は、
前記合焦度合い算出手段により算出される合焦度合いのピークが得られた位置に焦点を合わせることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のオートフォーカス装置において、前記合焦度合い算出手段により算出される合焦度合いのピークと所定範囲にある合焦度合いが一以上算出されたか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により、前記合焦度合いのピークと所定範囲にある合焦度合いが算出されたと判断された場合に、前記試料表面に投影された任意のパターンとは異なる任意のパターンを、前記パターン作成手段により作成することを促す旨を、所定の表示手段に表示させる表示制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のオートフォーカス装置において、前記パターン作成手段は、前記任意のパターンのパターン形状、前記任意のパターンの周期、前記任意のパターンの方向角のうち少なくともいずれか一つを指定できることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、前記撮像手段は、前記パターン投影手段により投影される任意のパターンを含む画像を撮像可能であり、前記合焦度合い算出手段により算出される合焦度合いは、前記撮像手段により撮像された画像の画素ごとに、前記画素と所定画素数離間した画素との光強度の差分値を導出し、前記差分値に基づいて算出されることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、前記合焦度合い算出手段は、前記パターン作成手段により作成された任意のパターンが縞状である場合に、前記任意のパターンに対して感度が相対的に高くなる評価関数を用いて算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、撮像手段により試料表面が撮像され、その試料表面に投影する任意のパターンをユーザが作成することができる。そして、パターン投影手段によりその任意のパターンを投影し、合焦度合い算出手段により試料もしくは対物レンズの少なくとも一方が、移動手段により移動される度に、パターン投影手段により投影される任意のパターンに基づいて合焦度合いが算出され、自動焦点合わせ手段により、合焦度合い算出手段により算出される合焦度合いがピークとなった位置に焦点を合わせることができる。
従って、例えば、試料表面に引き目や傷が形成されていたとしても、ユーザは、予め撮像手段により撮像されたその引き目パターンを確認した上で、その引き目や傷に適した任意のパターンを作成することが出来、その任意のパターンに基づいて合焦度合いが算出され、自動的に焦点が合わされる。
つまり、本発明にかかるオートフォーカス装置によると、ワーク表面の影響を受けずに、好適に焦点合わせを行うことができるといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図１から図１０に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るオートフォーカス装置としての硬さ試験機１００の全体構成を示す斜視図であり、図２は、硬さ試験機１００の試験機本体１０を示す模式図であり、図３は、試験機本体１０の硬さ測定部１を示す模式図であり、図４は、硬さ試験機１００の主要動作に必要な構成を示すブロック図であり、図５は試料Ｓの表面の模式図で、（ａ）は試料Ｓの表面に引き目パターンが形成された状態を、（ｂ）は試料Ｓの表面に任意のパターンを投影した状態を示しており、図６は、本発明に係る任意のパターンの変形例を示す図で、（ａ）は図５（ｂ）の任意のパターンの幅を変更したものを示し、（ｂ）は図５（ｂ）の任意のパターンの傾斜させたもの示しており、図７は、強度の差分Ｉδ(x,y)のヒストグラムＨ（δ）と合焦度合いとの関係を説明する図であり、（ａ）がデフォーカス時、（ｂ）がデフォーカス時とフォーカス時の中間時点、（ｃ）がフォーカス時を示し、図８は、本発明に係る試料の位置とＡＦ値の関係を説明する図で、（ａ）がＡＦ値のピークと所定範囲にあるＡＦ値が存在する場合を、（ｂ）がＡＦ値のピーク値と所定範囲にあるＡＦ値が存在しない場合を示し、図９は、本発明に係る任意のパターンの一例を示す図であり、図１０は、本発明に係る自動焦点合わせ方法に関するフローチャートである。
なお、図１における試験機本体１０の左右方向をＸ方向、前後方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向とする。
【００１４】
硬さ試験機１００は、例えば、図１、２に示すように、試験機本体１０を有し、試験機本体１０は、硬さ測定部１と、試料Ｓを載置する試料台２と、試料台２を移動させるＸＹステージ３と、試料Ｓの表面に焦点を合わせるためのＡＦ（Ｚ）ステージ４と、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦ（Ｚ）ステージ４）を昇降する昇降機構部５等を備えている。また、硬さ試験機１００は試験機本体１０の外部に、制御部６と、操作部７と、モニタ８等を備えている。
【００１５】
硬さ測定部１は、例えば、図３に示すように、試料Ｓの表面を照明する照明装置１１と、試料Ｓの表面を撮像するＣＣＤカメラ１２と、試料Ｓの表面に任意のパターンを投影するためのパターン投影部１３と、圧子１４ａを備える圧子軸１４と対物レンズ１５を備え、回転することにより圧子軸１４と対物レンズ１５との切り替えが可能なターレット１６等により構成されている。
【００１６】
照明装置１１は、光を照射することにより試料Ｓの表面を照明するものであり、照明装置１１から照射される光は、レンズ１ａ、レンズ１ｂ、レンズ１ｃ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｅ、対物レンズ１５を介して試料Ｓの表面に到達する。
これにより、照明装置１１は、光源として機能する。
【００１７】
ＣＣＤカメラ１２は、対物レンズ１５、ミラー１ｅ、ハーフミラー１ｄ、レンズ１ｆ、ミラー１ｇ、及びレンズ１ｈを介して、試料Ｓの表面からの反射光に基づき、当該試料Ｓの表面の所定の撮像範囲を撮像して、画像データを取得し、複数フレームの画像データを同時に蓄積、格納可能なフレームグラバ１７を介して、制御部６に出力される。
これにより、ＣＣＤカメラ１２は、撮像手段として機能する。
【００１８】
パターン投影部１３は、レンズ１ｂとレンズ１ｃとの間に配置された液晶パネル１３ａと、液晶パネル１３ａを駆動するＬＣＤドライバ１３ｂ等を備えている。パターン投影部１３は、制御部６に接続されており、制御部６がＬＣＤドライバ１３ｂへ出力する制御信号に応じて、液晶パネル１３ａを駆動し、任意のパターンを投影する。ここで、「任意のパターン」とは、後述のパターン作成プログラム６３ａの実行により作成される、縞パターン、同心円パターン、格子パターン、斜め格子パターン等である。なお、任意のパターンは、これらに限らず、複数の三角形パターンや波状パターン等であっても良い。
これにより、パターン投影部１３は、パターン投影手段として機能する。
【００１９】
圧子軸１４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動される負荷機構部（図示省略）により、試料台２に載置された試料Ｓに向け移動され、先端部に備えた圧子１４ａが試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付ける。
【００２０】
試料台２は、載置される試料Ｓを試料台２に固定する試料固定部２ａを有している。
ＸＹステージ３は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動する駆動機構部（図示省略）により駆動され、試料台２を圧子１４ａの移動方向に垂直な方向に移動する。例えば、鉛直方向に備えられた圧子軸１４が、鉛直方向に移動するように圧子１４ａを移動させる場合、試料台２を水平方向（前後左右方向）に移動する。
ＡＦ（Ｚ）ステージ４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、ＣＣＤカメラ１２が撮像した画像データに基づき試料台２を微細に昇降させ、試料Ｓの表面に焦点を合わせる。
昇降機構部５は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦ（Ｚ）ステージ４）を上下方向に移動させる。
この昇降機構部５及びＡＦ（Ｚ）ステージ４により、移動手段が構成される。
【００２１】
操作部７は、キーボード７１、マウス７２等により構成されており、硬さ試験を行う際の操作入力や、後述のパターン作成プログラム６３ａの実行による任意のパターン作成における操作入力が行われる。そして、操作部７により所定の入力操作がなされると、その入力操作に応じた所定の操作信号が制御部６に出力される。
この操作部７は、パターン作成手段を構成する。
【００２２】
モニタ８は、例えば、ＬＣＤなどの表示装置により構成されており、操作部７において入力された硬さ試験の設定条件、硬さ試験の結果、ＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面や引き目パターン、任意のパターンの画像等を表示する。また、モニタ８は、後述の表示制御プログラム６３ｅの実行時にメッセージを表示する表示手段として機能している。
【００２３】
制御部６は、図４に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）６１，ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）６２，記憶部６３等を備えて構成され、記憶部６３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。
【００２４】
ＣＰＵ６１は、記憶部６３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ６２に展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。
【００２５】
ＲＡＭ６２は、ＣＰＵ６１により実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ６２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。
【００２６】
記憶部６３は、例えば、プログラムやデータ等が予め記憶されている記録媒体（図示省略）を有しており、この記録媒体は、半導体メモリ等で構成されている。また、記憶部６３は、ＣＰＵ６１が硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ，各種処理プログラム，これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。より具体的には、記憶部６３は、例えば、図４に示すように、パターン作成プログラム６３ａ、パターン投影プログラム６３ｂ、合焦度合い算出プログラム６３ｃ、判断プログラム６３ｄ、表示制御プログラム６３ｅ、自動焦点合わせプログラム６３ｆ等を格納している。
【００２７】
パターン作成プログラム６３ａは、ＣＰＵ６１に、試料Ｓの表面に投影する任意のパターンを作成する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、図５（ａ）に示すように、試料Ｓの表面に引き目パターンが形成された画像がＣＣＤカメラ１２に撮像されて、モニタ８に表示され、ＣＰＵ６１がパターン作成プログラム６３ａを実行すると、後述のパターン投影プログラム６３ｂにより試料Ｓの表面に投影する、引き目パターンに対応した任意のパターンを、ユーザに操作部７を介して作成させることが出来る。また、上記任意のパターンの作成にあっては、操作部７のキーボード７１やマウス７２を操作することにより、任意のパターンの形状（例えば、縞状、格子状、同心円状、逆三角形状等）、任意のパターンの周期、及び／又は任意のパターンの方向角等を指定し、例えば、図５（ｂ）に示すような任意のパターン（例えば、Ｙ方向に１０画素数おきに等間隔で並んだ縞状のパターン）が投影される。
さらに、図５（ｂ）に示すような任意のパターンが投影され、モニタ８に表示された状態で、キーボード７１等の操作により、任意のパターンの線の太さや、任意のパターンの線と線との間隔を画素単位で指定入力したり、任意のパターンの方向角を指定入力することにより、図６（ａ）に示すように、間隔の広いパターンや、また、図６（ｂ）に示すように、任意のパターンを４５度回転させたパターンを作成することが出来る。
ＣＰＵ６１は、かかるパターン作成プログラム６３ａを実行することで、操作部７とともに、パターン作成手段として機能する。
【００２８】
パターン投影プログラム６３ｂは、ＣＰＵ６１に、パターン作成プログラム６３ａの実行により作成される任意のパターンを、試料Ｓの表面に投影する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、図５（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面の画像がモニタ８に表示された際、ＣＰＵ６１がパターン作成プログラム６３ａを実行し、ユーザにより操作部７が操作され、試料Ｓの表面に投影される任意のパターンの形状や周期、及び／又は任意のパターンの方向角が指定入力されると、ＣＰＵ６１はパターン投影プログラム６３ｂを実行し、ＬＣＤドライバ１３ｂへ制御信号を送信し、当該制御信号に応じて液晶パネル１３ａを駆動し、図５（ｂ）に示すように、試料Ｓの表面を投影するとともに、試料Ｓの表面に任意のパターンを投影する。
ＣＰＵ６１は、かかるパターン投影プログラム６３ｂを実行することで、パターン投影部１３とともにパターン投影手段として機能する。
【００２９】
合焦度合い算出プログラム６３ｃは、ＣＰＵ６１に、パターン投影プログラム６３ｂの実行により投影された任意のパターンに基づいて、ＡＦ値（合焦度合い）を算出する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、ＣＰＵ６１は、合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行すると、デフォーカス位置から合焦位置までＡＦ（Ｚ）ステージ４を駆動させ、ＣＣＤカメラ１２により、パターン投影プログラム６３ｂの実行によって試料Ｓの表面に投影された任意のパターンを連続画像として撮像する。そして、得られた各画像に対して、ＡＦ値を算出し、最もＡＦ値が高い画像を焦点位置とする。ここで、「ＡＦ値」とは、所定の評価関数による合焦度合いを示す値である。
【００３０】
上記ＡＦ値の算出方法は、例えば、画像の任意の点に着目したとき、当該任意の点の画素とその画素から所定画素数離間した位置にある画素との光強度の差（微分画像）の評価により行う。
より具体的には、例えば、始めに得られた画像の各画素の光強度Ｉ(x,y)に対して、Δｘ、Δｙ離れた画素に対する光強度の差分Ｉδ(ｘ，ｙ)を、評価関数を示す式（１）に基づき計算し、Ｉδ(x,y)のヒストグラムＨ（δ）を得る。
【数１】
2010026212.tif 000003
なお、上記評価関数を示す式（１）は、式（２）に示すように、総サンプル数をｎとし、ｋｉを光強度の差分を算出する際の方向角に応じた感度をコントロールするための重み係数として、Δｘｉ、Δｙｉだけ離間した画素に対する光強度との差分の総和をＩδ(ｘ，ｙ)と定義しても良い。
【数２】
2010026212.tif 000004
【００３１】
そして、式（１）に基づいて得られたヒストグラムＨ（δ）は、図７に示すようになり、（ａ）のように光強度の変化が緩やかな場合（ピンボケ状態）、差分値δの低い所に多く分布されるが、（ｂ）から（ｃ）へと光強度の変化が急になるにつれて（合焦状態に近づくにつれて）、差分値δは全体的に散らばる関係を有することから、Ｈ（δ）の分散Ｄ（式（３））、或いは、標準偏差Ｓｄ（式（４））を計算し、得られた分散Ｄ、或いは、標準偏差ＳｄをＡＦ値とし扱い、最もＡＦ値が高い（即ち、ＡＦ値がピークとなる）画像の撮像された位置を焦点位置とする。
【００３２】
【数３】
2010026212.tif 000005
【数４】
2010026212.tif 000006
なお、δ＝０まわりで、Ｈ（δ）の一次モーメントＣ（式（５））、或いは、二次モーメントＣ２（式（６））を計算し、得られた一次モーメントＣ、或いは、二次モーメントＣ２をＡＦ値として扱ってもよい。
【数５】
2010026212.tif 000007
【数６】
2010026212.tif 000008
ＣＰＵ６１は、かかる合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行することで、合焦度合い算出手段として機能する。
【００３３】
判断プログラム６３ｄは、ＣＰＵ６１に、合焦度合い算出プログラム６３ｃの実行により、ＡＦ値のピークと所定範囲にあるＡＦ値が一以上算出されたか否かを判断する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、図５（ａ）に示すように、試料Ｓの表面に、Ｘ方向に所定間隔の略縞状の引き目パターンが形成されている場合に、ＣＰＵ６１がパターン作成プログラム６３ａを実行して、ユーザにより任意のパターンが作成され、ＣＰＵ６１が合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行し、そのパターンに基づいてＡＦ値が算出されると、例えば、図８（ａ）に示すように、試料ＳのＺ方向位置ごとのＡＦ値が算出される。この図８（ａ）における点Ｐ１は、試料Ｓの表面に形成された引き目パターンに起因して算出されるＡＦ値のピークを示し、点Ｐ２は、試料Ｓの表面に投影された任意のパターンに基づいて算出されるＡＦ値のピークを示しており、点Ｐ１及び点Ｐ２の値に殆ど差異がない（例えば、Ｐ１とＰ２の誤差が数パーセント程度である）ことがわかる。このような状態で、ＣＰＵ６１が判断プログラム６３ｄを実行すると、ＡＦ値のピーク（図８（ａ）では、点Ｐ２）と所定範囲内にあるＡＦ値（図８（ａ）では、点Ｐ１）が存在すると判断して後述の表示制御プログラム６３ｅを実行する。
なお、ＣＰＵ６１が、ＡＦ値のピークと所定範囲内にあるＡＦ値は存在しないと判断した場合は、後述の自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行する。
ＣＰＵ６１は、かかる判断プログラム６３ｄを実行することで、判断手段として機能する。
【００３４】
表示制御プログラム６３ｅは、ＣＰＵ６１に、判断プログラム６３ｄの実行によりＡＦ値のピークと所定範囲内にあるＡＦ値が算出されたと判断された場合に、試料Ｓの表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを作成することを促すメッセージを、モニタ８に表示する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、図８（ａ）における点Ｐ１及び点Ｐ２の様に、ＡＦ値のピークと略等しい値が存在する状態で、ＣＰＵ６１が後述の自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行すると、点Ｐ１と点Ｐ２の何れの点を基準として試料Ｓの焦点位置を調整すべきか判断できない（フォーカス処理エラーとなる）。そのため、ＣＰＵ６１が判断プログラム６３ｅを実行し、ＡＦ値のピークと所定範囲内にあるＡＦ値が算出されたと判断される場合は、ＣＰＵ６１は表示制御プログラム６３ｅを実行し、試料Ｓの表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを作成することを、モニタ８を介してユーザに促す。
ＣＰＵ６１は、かかる表示制御プログラム６３ｅを実行することで、表示制御手段として機能する。
【００３５】
自動焦点合わせプログラム６３ｆは、ＣＰＵ６１に、対物レンズ１５の焦点合わせを行う機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、ＣＰＵ６１は、自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することによって、合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行することにより算出される、ＡＦ値のピークの撮像された位置を焦点位置として、その焦点位置までＡＦ（Ｚ）ステージ４を駆動させ焦点を合わせることができる。
ＣＰＵ６１は、かかる自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することで、自動焦点合わせ手段として機能する。
【００３６】
（感度が高いＡＦ値が算出される任意パターンの例示）
次に、試料Ｓの表面に引き目パターンが形成されている場合に、ユーザの作成する任意パターンによって、感度が高いＡＦ値が算出される一例を示す。
例えば、図５（ａ）に示すように、試料Ｓの表面に、Ｙ方向に略縞状に引き目パターンが形成されている場合に、ユーザが作成する任意のパターンとして、図９に示すように引き目パターンとは異なる方向角を備えた縞状のパターンを作成し、前述の式（１）におけるΔｘ、Δｙを、作成した縞の周期の半分の値（例えば、各縞のＹ方向の厚みを１０画素数とすると、Δｘ＝０、Δｙ＝５）となるように設定することにより、当該縞状のパターンに対して、式（１）は感度の高い評価関数となり、図８（ｂ）に示すようなＡＦ値が算出される。
つまり、この図８（ｂ）における点Ｐ１は、試料Ｓの表面に形成された引き目パターンに起因して算出されるＡＦ値のピークを示し、点Ｐ３は、試料Ｓの表面に投影された縞状のパターン（任意のパターン）に基づいて算出されるＡＦ値のピークを示しており、前述の図８（ａ）における点Ｐ１と点Ｐ２のＡＦ値のピーク差と比較して、点Ｐ１及び点Ｐ３のＡＦ値のピーク差の方が遥かに大きくなっていることがわかる。
そのため、この状態で、ＣＰＵ６１が自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行すると、点Ｐ３を基準として試料Ｓの焦点位置を適切に合わせることが可能となる。
【００３７】
（自動焦点合わせ方法について）
次に、試料Ｓの表面に引き目パターンが形成されている時の自動焦点合わせ方法について、図１０のフローチャートを用いて説明する。
まず、ＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面がモニタ８に表示されると（ステップＳ１）、ＣＰＵ６１は、パターン作成プログラム６３ａを実行し、ユーザに試料Ｓの表面に形成された引き目パターンに対応した任意のパターンを作成させる（ステップＳ２）。
次いで、ＣＰＵ６１は、パターン投影プログラム６３ｂを実行し、液晶パネル１３ａを駆動して、ステップＳ２で作成された任意のパターンを試料Ｓの表面に投影する（ステップＳ３）。
次いで、ＣＰＵ６１は、合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行し、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を駆動させながら、試料Ｓの表面に任意のパターンが投影された画像のデフォーカス位置から合焦位置までの連続画像を撮像し、その画像ごとにＡＦ値を算出する（ステップＳ４）。
次いで、ＣＰＵ６１は、判断プログラム６３ｄを実行し、ステップＳ４で算出されたＡＦ値のピークと所定範囲内にあるＡＦ値が一以上算出されたか否かを判断し（ステップＳ５）、算出された場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、表示制御プログラム６３ｅを実行し、現在試料Ｓの表面に投影されている任意のパターンとは異なるパターンの作成を促す旨をモニタ８に表示し（ステップＳ６；Ｎｏ）、ステップＳ２以降の処理を繰り返す。
一方で、算出されなかった場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、ＣＰＵ６１は、自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行し、ＡＦ値のピークが得られた画像の撮像された位置を焦点位置として、その焦点位置までＡＦ（Ｚ）ステージ４を駆動させて焦点を合わせる。
【００３８】
このように、本発明に係る硬さ試験機１００によれば、ＣＣＤカメラ１２により試料Ｓの表面が撮像され、ＣＰＵ６１が、パターン作成プログラム６３ａを実行することによって、その試料Ｓの表面に投影する任意のパターンをユーザが作成することができる。そして、ＣＰＵ６１が、パターン投影プログラム６３ｂを実行することによって、その任意のパターンを投影し、合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行することによって、試料もしくは対物レンズの少なくとも一方がＡＦ（Ｚ）ステージ４（昇降機構部５）により移動される度に、任意のパターンに基づいたＡＦ値が算出され、自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することによって、そのＡＦ値がピークとなった位置に焦点を合わせることができる。
従って、例えば、試料表面に引き目パターンが形成されていたとしても、ユーザは、予め撮像手段により撮像されたその引き目パターンを確認した上で、その引き目パターンに適した任意のパターンを作成することが出来、その任意のパターンに基づいて合焦度合いが算出され、自動的に焦点が合わされる。
つまり、本発明にかかるオートフォーカス装置によると、ワーク表面の影響を受けずに、好適に焦点合わせを行うことができるといえる。
【００３９】
また、ＣＰＵ６１が、判断プログラム６３ｄを実行することによって、合焦度合い算出プログラム６３ｃの実行によって算出されたＡＦ値のピークと所定範囲にあるＡＦ値が一以上算出されたか否かが判断され、ＡＦ値のピークと所定範囲にあるＡＦ値が一以上算出されたと判断された場合は、表示制御プログラム６３ｅが実行され、試料Ｓの表面に投影された任意のパターンとは異なる任意のパターンを作成することを促す旨を、モニタ８に表示することが出来る。
これによって、ＡＦ値のピークが複数算出され、自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することによって、フォーカス処理エラーとなる事態を未然に防止することが可能となる。
【００４０】
また、ＣＰＵ６１が、パターン作成プログラム６３ａを実行することによって、任意のパターンの形状（例えば、縞状、格子状、同心円状、逆三角形状等）、任意のパターンの周期、及び／又は任意のパターンの方向角等を、ユーザは操作部７のキーボード７１やマウス７２を操作することにより指定することが出来る。
これによって、試料Ｓの表面に多様な引き目パターンが形成される場合にあっても、ユーザは自由度の高い作成条件下で、その引き目パターンごとに最適となる任意のパターンを作成することが可能となる。
【００４１】
また、上記合焦度合い算出プログラム６３ｃで算出されるＡＦ値は、式（１）又は（２）に示すように、パターン投影プログラム６３ｂの実行により投影される任意のパターンの画像の各画素ごとに、その画素と所定画素数離間した画素との光強度の差分値を導出し、その差分値に基づいて算出されるものである。
そのため、式（１）におけるΔｘ、Δｙ、又は（２）におけるΔｘｉ、Δｙｉを、試料Ｓの表面に形成される引き目パターンごとに適した値に設定することにより、引き目パターンに起因して算出されるＡＦ値のピークより十分大きな値を持つ、感度の高いＡＦ値のピークを算出することが可能となり、自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することによって、フォーカス処理エラーとなる事態を確実に防止することが可能となる。
【００４２】
また、試料Ｓの表面に、略縞状に引き目パターンが形成されている場合に、ユーザが作成する任意のパターンとして、図９に示すように引き目パターンとは異なる方向角を備えた縞状のパターンを作成し、前述の式（１）におけるΔｘ、Δｙを所定値（例えば、作成した縞の周期の半分の値となるような値）に設定することにより、ＣＰＵ６１が合焦度合い算出プログラム６１ｃを実行することにより、感度が高いＡＦ値を算出することができる。
【００４３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、硬さ試験機は、ビッカース硬さ試験機、ブリネル硬さ試験機、ヌープ硬さ試験機等に利用することができる。
また、硬さ試験機に限定されるものではなく、例えば、本発明に係るオートフォーカス装置を用いたものであれば、画像測定機器や顕微鏡等であっても当然良い。
また、予め記憶部６３にパターン投影プログラム６３ｂにより投影するパターンを複数記憶しておき、ＣＰＵ６１の判断プログラム６３ｄの実行によって、ＡＦ値のピークと所定範囲にあるＡＦ値が一以上算出された場合に、感度の高いＡＦ値のピークが算出されるまで、その記憶部６３に記憶された投影パターンを、ＣＰＵ６１が所定の順番で選択し、それを任意のパターンとしてパターン投影プログラム６３ｂにより投影するものであってもよい。
また、上記実施の形態において、移動手段として、昇降機構部５及びＡＦ（Ｚ）ステージ４により試料を移動させたが、対物レンズ１５側を移動させてもよい。その他、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で自由に変更、改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る硬さ試験機の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。
【図３】本発明に係る硬さ試験機の硬さ測定部を示す模式図である。
【図４】本発明に係る硬さ試験機の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る硬さ試験機における試料表面へのパターン投影の一例を示す図であり、（ａ）は、パターン投影前の試料表面、（ｂ）は、パターン投影後の試料表面を示す図である。
【図６】本発明に係る任意のパターンの変形例を示す図であり、（ａ）は図５（ｂ）の任意のパターンの幅を変更したものを示し、（ｂ）は図５（ｂ）の任意のパターンの傾斜させたもの示す図である。
【図７】光強度の差分Ｉδ(x,y)のヒストグラムＨ（δ）と合焦度合いとの関係を説明する図であり、（ａ）がデフォーカス時、（ｂ）がデフォーカス時とフォーカス時の中間時点、（ｃ）がフォーカス時を示す図である。
【図８】本発明に係る試料の位置とＡＦ値の関係を説明する図で、（ａ）がＡＦ値のピークと所定範囲にあるＡＦ値が存在する場合を、（ｂ）がＡＦ値のピーク値と所定範囲にあるＡＦ値が存在しない場合を示す図である。
【図９】本発明に係る任意のパターンの一例を示す図である。
【図１０】本発明に係る自動焦点合わせ方法に関するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１００    硬さ試験機（オートフォーカス装置）
１        硬さ測定部
１１      照明装置（光源）
１２      ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１３ａ    液晶パネル（パターン投影手段）
１３ｂ    ＬＣＤドライバ（パターン投影手段）
１５      対物レンズ
４        ＡＦ（Ｚ）ステージ（移動手段）
５        昇降機構部（移動手段）
６１      ＣＰＵ（パターン作成手段、パターン投影手段、合焦度合い算出手段、判断手段、表示制御手段、自動焦点合わせ手段）
６３ａ    パターン作成プログラム（パターン作成手段）
６３ｂ    パターン投影プログラム（パターン投影手段）
６３ｃ    合焦度合い算出プログラム（合焦度合い算出手段）
６３ｄ    判断プログラム（判断手段）
６３ｅ    表示制御プログラム（表示制御手段）
６３ｆ    自動焦点合わせプログラム（自動焦点合わせ手段）
７        操作部（パターン作成手段）
８        モニタ
Ｓ        試料
【図１】
2010026212.tif 000009
【図２】
2010026212.tif 000010
【図３】
2010026212.tif 000011
【図４】
2010026212.tif 000012
【図５】
2010026212.tif 000013
【図６】
2010026212.tif 000014
【図７】
2010026212.tif 000015
【図８】
2010026212.tif 000016
【図９】
2010026212.tif 000017
【図１０】
2010026212.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月18日(2009.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
そして、式（１）に基づいて得られたヒストグラムＨ（δ）は、図７に示すようになり、（ａ）のように光強度の変化が緩やかな場合（ピンボケ状態）、差分値δの低い所に多く分布されるが、（ｂ）から（ｃ）へと光強度の変化が急になるにつれて（合焦状態に近づくにつれて）、差分値δは全体的に散らばる関係を有することから、Ｈ（δ）の分散Ｄ、或いは、標準偏差Ｓｄを計算し、得られた分散Ｄ、或いは、標準偏差ＳｄをＡＦ値とし扱い、最もＡＦ値が高い（即ち、ＡＦ値がピークとなる）画像の撮像された位置を焦点位置とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
なお、δ＝０まわりで、Ｈ（δ）の一次モーメントＣ、或いは、二次モーメントＣ２を計算し、得られた一次モーメントＣ、或いは、二次モーメントＣ２をＡＦ値として扱ってもよい。
ＣＰＵ６１は、かかる合焦度合い算出プログラム６３ｃを実行することで、合焦度合い算出手段として機能する。