(57)【要約】【課題】  凹凸があり複雑な形状の被写体像の場合であっても、処理を行う対象の被写体部の焦点位置を検出することができる自動焦点位置検出方法及び装置、及びそれを用いた画像処理方法及び装置を提供する。【解決手段】  顕微鏡により形成された第１の被写体像を撮像して得られた領域内であって、上記第１の被写体の画像処理の対象となる第１の部分の像とは異なる位置に形成される第２の被写体の像を用い、第１の部分とエリアセンサからの距離が同一の上記第２の被写体の第２の部分を含む領域を焦点位置検出用のエリアとして設定する。エリアセンサからの映像信号から上記エリアセンサの上記第２の被写体の上記第２の部分に対する焦点位置を検出し、該検出された焦点位置を上記エリアセンサの上記第１の被写体の画像処理対象となる上記第１の部分に対する焦点位置とする。【選択図】  図１
2004226994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡とこの顕微鏡により形成された被写体像を撮像するエリアセンサとを組み合わせて寸法測定等の画像処理を行う装置において、
寸法測定等の画像処理を行う被写体の撮像されたエリア内の、寸法測定対象被写体とは異なる位置の、該寸法測定対象被写体と同一高さ位置の焦点検出用被写体像から、該寸法測定対象被写体と同じ段差１つのみを有する焦点検出エリアを設定し、この焦点検出エリアにて合焦点位置を検出し、これを寸法測定対象被写体の合焦点位置とすることを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の自動焦点検出方法において、焦点検出用被写体像の位置は測定等の種類に応じて、基準パターン画像、合焦点エリア、測定エリアについてデータを登録しておくことを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の自動焦点検出方法において、合焦点位置の検出手段として、寸法測定等画像処理を行う寸法測定対象被写体を撮像する媒体にエリアセンサであるテレビカメラを使用し、テレビカメラが撮像した被写体像すなわち映像信号から被写体部における濃淡エッジが最も急俊となる位置を合焦点位置とする微分成分抽出方式を採用したことを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の自動焦点検出方法おいて、合焦点位置の検出手段として、焦点検出エリア内の映像信号の微分成分を抽出し、この微分成分の絶対値信号の積分を行い、積分信号が最大となる位置を合焦点位置として検出することを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の自動焦点検出方法において、合焦点位置の検出手段として、ある任意の範囲で焦点位置を上下サ−チし、その範囲内で被写体像すなわち映像信号から被写体部における濃淡エッジが最も急俊となる位置を合焦点位置とするようにしたことを特徴とする自動焦点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は顕微鏡により拡大された被写体の像をテレビカメラ等のエリアセンサにより撮像する際に、エリアセンサの該撮像対象である被写体に対する焦点位置を検出する方法及び装置に関し、更に該検出された焦点位置に該エリアセンサを配置して該エリアセンサにより被写体を撮像して得た被写体像について寸法測定等の画像処理を行う方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば TFT（ Thin Film Trasistor ）液晶パネルの製造工程において、各画素ごとに形成される薄膜トランジスタのパターンの線幅等の寸法が高精度で測定され、管理されることは製品の歩留まり、性能の向上をはかる上で極めて重要である。そのため上記のように顕微鏡とテレビカメラ等を組み合わせて画像処理により被写体の寸法等の測定を行う場合、測定対象部分の正確な焦点位置を検出することが不可欠となる。
【０００３】
従来の焦点検出技術の１つとしては、顕微鏡の光軸上に投入されたレーザー光または被写体像の反射光を焦点位置前後に実装されたラインセンサやエリアセンサ等の受光素子で受光し、前ピンと後ピン位置の受光範囲や受光光強度により合焦点検出を行う一般的にボケ方式と称する自動焦点検出装置がある。
【０００４】
さらに、顕微鏡と組み合わされたラインセンサやエリアセンサ等の受光素子で得られる被写体像の一画面内の輝度レベル差または微分成分レベルを検出し、輝度レベル差が最も急峻となる位置または微分成分レベルが最大となる位置を焦点位置として検出する微分成分抽出方式の自動焦点検出装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図２A 〜 F により、微分成分抽出方式の原理を説明する。図２A のように白地に黒地の被写体が撮像されている場合の映像信号波形を図２B に、該信号波形の微分波形を図２C 、該微分波形を絶対値化処理した波形を図２D 、図２D の波形の積分波形を図２E にそれぞれ示す。この積分波形は焦点検出動作中に被写体と顕微鏡対物レンズの位置関係（間隔）を変化させた場合の一時点における積分レベルを示すものである。図２F は被写体の対物レンズに対する位置を変化させた場合の上記積分レベル（積分信号 V の値）の変化を連続的に示すものであり、積分レベルが最大となる位置を焦点位置としている。
【特許文献１】特開平７−６３５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の従来技術であるボケ方式では、レーザー光を使用した場合、レーザー光が照射する被写体部のスポット範囲の位置に対して、また、被写体像の反射光強度を受光する受光素子の範囲に対して、焦点を合わせてしまう。また、被写体像の微分成分抽出方式でも、同様に被写体像の反射光を受光する受光素子の範囲全ての微分成分の積分された位置に焦点を合わせてしまう。従って、これらの方式では被写体が平面の場合には問題ないが、凹凸があり複雑な形状の被写体像の場合は、被写体像に基づき寸法測定等の画像処理を行う場合に、処理を行う対象の被写体部だけに焦点を合わせることが困難である。
【０００７】
本発明の目的は上記従来技術の問題点を解消しうる自動焦点位置検出方法及び装置、及びそれを用いた画像処理方法及び装置を提供するにある。本発明の別の目的は、凹凸があり複雑なパターンの被写体像においても、処理対象となる被写体の部分の焦点位置を自動的に検出する方法及び装置を提供するにある。
本発明の別の目的は、凹凸があり複雑なパターンの被写体像においても、処理対象となる被写体の部分の焦点位置を自動的に検出し、該検出された焦点位置にエリアセンサを配置して該エリアセンサにより被写体を撮像して得た被写体像について画像処理を行う方法及び装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的は、本発明の一面によれば、顕微鏡と、該顕微鏡により形成された第１の被写体の像を撮像して該第１の被写体の像の映像信号を出力するエリアセンサとを有し、該映像信号に基づき該撮像された第１の被写体の第１の部分の像の画像処理を行う装置における、上記エリアセンサの該第１の被写体の第１の部分に対する焦点位置を自動的に検出する方法において、
ａ）上記第１の被写体像を上記エリアセンサにより撮像して得られた映像エリア内であって上記第１の被写体の第１の部分の像とは異なる位置に像が形成される第２の被写体であって、上記第１の被写体の画像処理の対象となる第１の部分と同一の焦点位置を有する上記第２の被写体の第２の部分を含むエリアを焦点位置検出用のエリアとして設定し、
ｂ）上記エリアセンサからの映像信号のうち上記焦点検出用エリア内の映像信号に基づいて、上記エリアセンサの上記第２の被写体の上記第２の部分に対する焦点位置を検出し、
ｃ）該検出された焦点位置を上記エリアセンサの上記第１の被写体の画像処理対象となる上記第１の部分に対する焦点位置として得る、ことにより達成される。
【０００９】
本発明の一例によれば、上記第２の被写体の第２の部分に対する焦点位置は、上記第２の被写体の像の映像信号の微分成分に基づき微分成分抽出方式により求める。また、本発明の一例によれば、焦点位置検出用エリア内の第２の被写体の像は極めて簡単な構成のものであり、第１の被写体の画像処理対象となる第１の部分と同一焦点位置にある第１の面と、該第１の面とは異なる焦点位置にある第２の面と、これら第１、第２の面を結ぶ１つのみの段差（ステップ部）とを有するものである。
【００１０】
このように、本発明においては、測定処理等の画像処理対象となる第１の被写体の部分と同一の焦点位置にある第２の被写体の部分を含むエリアの像を焦点位置検出用エリアの像として抽出し、該エリア内の映像信号の微分成分に基づき該第２の被写体の部分の焦点位置を検出し、該検出した焦点位置を第１の被写体の部分の焦点位置として得るものである。
【００１１】
また、焦点位置検出用エリア内の第２の被写体は極めて簡単な構成のものであり、かつ微分成分抽出方式により焦点位置を検出する場合に極めて精度良く検出できる構成のものである。従って、画像処理対象となる第１の被写体の部分またはその周辺部が凹凸があり、複数の層から成る極めて複雑な構成であっても、極めて容易にかつ精度良く第２の被写体の焦点位置が検出できるため、画像処理対象となる第１の被写体の部分の焦点位置は極めて精度良く検出される。従って、寸法測定等の画像処理も精度良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を TFT 液晶パネルのパターン寸法測定に適用することにより測定精度を従来の 0.1 μm から 0.02μm へ向上させることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明による自動焦点位置検出装置を用いた画像処理装置の一実施例の構成
を示すブロック図である。本実施例においては、本発明による自動焦点位置検出装置を被写体の寸法等を測定する画像処理装置に適用したものである。
【００１４】
図１に示す画像処理装置は顕微鏡 3 、顕微鏡 3 で拡大された被写体像を撮像し光学像を示す映像信号に変換するエリアセンサ 4 、エリアセンサ 4 からの映像信号を処理する画像処理回路 5 、画像処理回路に接続されたモニタ 2 、エリアセンサ 4 からの映像信号の一部を抽出する映像信号抽出回路 6 、微分回路 7 、絶対値化回路 8 、積分回路 9 、A/D 変換回路 10 、CPU 11 、モータ駆動回路 12 を備える。
【００１５】
図１において、寸法測定等の対象となる被写体 1 の像は顕微鏡 3 の対物レンズ 32 で拡大され、ハーフミラー 35 、アダプタ 38 を介してエリアセンサ、例えばテレビカメラ 4 にて撮像され、テレビカメラ 4 からは被写体像の映像信号が出力される。顕微鏡 3 においてハーフミラー 35 で反射された被写体像はミラー 36 を介して接眼レンズ 34 に入射される。
【００１６】
ここで、被写体 1 としては、複数の層で形成されたパターンであり、例えば、TFT 型液晶パネルにおける薄膜トランジスタを構成するパターンと該パターン間の間隙部分であるとする。例えば、この場合のパターン幅または間隙は数μm 〜数十μm であり、また、該パターンが層状に構成されている場合の各層毎の段差は 26 μm である。
【００１７】
本実施例では、複数層、例えば３層からな
り層毎に段差を有するパターンの所定領域（測定処理対象の領域）の焦点位置（即ち、テレビカメラ 4 の該所定領域に対する焦点位置）を検出して、テレビカメラ 4 の該所定領域に対する位置が該焦点位置となるようにテレビカメラと被写体 1 の相対位置、即ち、相対距離を制御して、該領域に対するテレビカメラの焦点合わせを行い、該領域のある寸法を測定するようにした画像処理装置に本発明を適用した例について説明するものとする。
【００１８】
図３A はこのような被写体の一例の全体像であり、符号 14A は該被写体をテレビカメラ 4 で撮像した全体画像である。図中、斜線で示した領域 14C は被測定対象の被写体像であり、また領域 14B 内の斜線部分 16 は領域 14C と同一の焦点位置（即ち、テレビカメラから同一の距離）にある別の領域の被写体像とする。該部分 16 は後述するように焦点位置検出用被写体像である。本実施例においては、例えば、領域 14C 間の間隙の幅 X を測定するものとする。
【００１９】
図１の画像処理装置の動作を図３A 〜図３G  を用いて説明する。図３A に示す被写体像において、測定対象である領域 14C が各パターンの例えば最上部（最上層）に形成されているとする。ここで、図３C 、図３D はそれぞれ図３A に示す被写体の図３A における線 IIIC-IIIC ，線 IIID-IIID に沿った断面図である。また、図３E は図３A に示す被写体像の線 IIIC-IIIC に沿った走査線の映像信号を示し、図３F は図３A の領域 17 内での走査線の映像信号を示す。また、図３D において、Ha ，Hb ，Hc はそれぞれ最上層、中間層、最下位層の面（層面）を示す。
【００２０】
ここで、従来の微分成分抽出方式による焦点位置検出方法で被写体 1 を撮像した場合について説明する。先ず、層面 Ha ，Hb ，Hc の間の各段差が対物レンズ 32 の焦点深度よりも十分大きい場合は、被写体１のテレビカメラ 4 に対する相対位置（即ち、相対距離）Z を連続的に変化した場合に、積分信号のレベルは図３G の実線波形 20 で示すようになり、テレビカメラの焦点位置が各面 Ha ，Hb ，Hc と一致する毎に積分信号はピークとなる。
【００２１】
このように、積分信号のレベルがピークとなる焦点位置 Z が複数存在するため、積分信号がピークとなる位置に被写体を位置合わせしても、必ずしも測定対象の領域 14C に対して焦点合わせができたとは限らない。尚、図３G において、符号 Ha ，Hb ，Hc はそれぞれテレビカメラ 4 が面 Ha ，Hb ，Hc に対して焦点合わせされている位置 Z を示す。
【００２２】
一方、例えば、面 Ha と Hb との段差が焦点深度以内の場合には、積分信号のレベルは点線波形 21 のようになり、テレビカメラの焦点位置が面 Hc と一致すると積分信号のレベルはピークとなるが、面 Hb ，Ha と一致してもピークとならずその中間位置付近でピークとなる。従って、この場合には、テレビカメラ 4 は面 Ha ，Hb に焦点合わせを行えず、従って測定対象の領域 14C に焦点合わせを行えず、正確な寸法測定が行えない。
【００２３】
このような問題点を解決すべく、本発明では、被測定対象の被写体の領域 14C の段面 19 と同一の焦点位置（即ち、テレビカメラから同一の距離）にある、別の領域 14B 内の比較的単純な斜線部分領域 16 を含む領域 17 の像を、上記領域 14C の焦点位置検出用の被写体像として用いるものである。図３C ，図３D から明らかなように焦点位置検出用の領域 17 内の領域 16 の面 Ha は被測定対象の領域 14C の面 19 と同一高さ、即ち、テレビカメラから同一の距離にあるものである。即ち、本実施例においては、焦点位置検出用の領域 17 の映像信号を抽出して、該抽出した映像信号を基に微分成分抽出方式により該領域 17 内の領域 16 に対する焦点位置を検出し該領域 16 に対して焦点処理を行う。これにより、テレビカメラ 4 は被写体 1 の領域 16 に、従って測定用の領域 14C にも焦点を合わせることとなり、その後の測定処理が正確に行えるものである。
【００２４】
以下、具体的に図１の画像処理装置の動作を説明する。通常、寸法測定等を行う画像処理システムにおいては、顕微鏡 3 に被写体 1 を搭載した初期状態ではテレビカメラ 4 は被写体に対して焦点が合っておらず、従って対象となる被写体像のパターンを検出できない。そこで、先ず、上記従来の微分成分抽出方式に従って、テレビカメラで撮像された被写体の全体画像（被写体の全体像）の映像信号から微分成分を抽出し、該微分成分がピークとなる位置に被写体 1 を移動する。こうして、被写体に対して粗い焦点処理を行う。
【００２５】
ついで、テレビカメラ 4 からの映像信号が画像処理回路 5 に与えられる。画像処理回路 5 においては、被写体像 14A と同一の被写体像を基準パターン（図３B ）として予めメモリに有している。画像処理回路 5 は CPU 11 からの制御信号 S1 に応答して、該基準パターンに基づき映像信号の被写体像 14A をパターンマッチング処理することにより、被写体像 14A における上記領域 14B 内の焦点位置検出用の被写体像領域 16 を含む焦点位置検出用映像領域 17 の位置を自動的に認識して、該領域 17 の位置情報を映像信号抽出回路 6 に与える。映像信号抽出回路 6 では、該位置情報に従いテレビカメラ 4 からの映像信号のうち該被写体像領域 16 を含む領域 17 内の映像信号だけを抽出し、微分回路 7 に与える。微分回路 7 では抽出された領域 17 内の映像信号、即ち、被写体像 16 の濃淡エッジ部の微分成分を検出して微分信号として絶対値化回路 8 に与え、該絶対値化回路 8 においては負の微分成分の絶対値信号を得て積分回路 9 に与える。積分回路 9 では絶対値化された微分信号の積分を行い、A/D（ analog-to-digital ）変換回路 10 においては積分回路 9 からの積分信号の A/D 変換を行い CPU 11 に与える。尚、モニタ 2 は画像処理回路 5 の後述するフレームメモリにストアされている映像等をモニター等するために表示する表示部である。
【００２６】
CPU 11 では A/D 変換回路 10 からの積分信号のデジタル値を一時的に内蔵のメモリ 11A にストアする。その後、CPU 11 は、モータ駆動回路 12 に制御信号を与え、それにより該モータ駆動回路 12 からの駆動信号により顕微鏡 3 の焦点距離移動機構部（被写体移動機構部）13 を駆動して、被写体 1 を上方又は下方に所定距離移動する。その後、CPU 11 は再び制御信号 S1 を画像処理回路 5 に与えてパターンマッチング処理を行わせて領域 17 の位置情報を得させて、映像信号抽出回路 6 に与えさせる。以後、各回路 6 〜 10 で上記と同様の処理を行い CPU 11 のメモリ 11A に積分信号のデジタル値をストアする。こうして対物レンズ 32 の倍率に対応した移動範囲で、被写体 1 を上方又は下方に所定距離（各層面の段差未満の距離）移動する毎に上記動作を繰り返す。こうしてメモリ 11A にストアされている積分信号のデジタル値に基づき、上記対物レンズ 32 の倍率に対応した移動範囲内において、A/D 変換された積分信号が最大値となる被写体 1 の処理対象領域 14Cの位置を検出し該位置を焦点位置として得る。従って、該焦点位置に被写体 1 の領域 14C を位置させるよう被写体 1 を移動することで、テレビカメラ 4 は焦点位置検出用の領域 16 に、従って測定用の領域 14C に焦点を合わせることができる。
【００２７】
このように、焦点位置検出用の被写体像領域 16 を含む焦点位置検出用映像領域 17 は図３A ，図３D 及び図５A から明らかなように１つの段差のみを有するパタ
ーンであるので、積分信号は図３G の点線波形 22 のように１つのみのピークを有する波形となる。従って、積分信号がピークとなる位置に被写体 1 を位置合わせすることで、必ず測定対象の領域 14C に対して焦点合わせが
できるものである。
【００２８】
従って、焦点位置検出用映像領域 17と しての条件は、該領域 17 は、被測定対象の被写体の領域 14C の面 19 と同一の焦点位置（即ち、テレビカメラから同一の距離）にある、別の領域（面）及びそれとは異なる焦点位置の別の面を含むこと、及び該領域 17 は是れ等面の間を結ぶ１つのみの段差を有するものであることである。このような条件を満たす領域であれば、テレビカメラ 4 で撮像された画像の任意の領域で良い。なお、領域 17 内のこれらの面は好ましくは平面である。
【００２９】
次に、図１に示す本発明による自動焦点位置検出装置を用いた画像処理装置の動作を図４のフローチャート及び図５A 〜図５F を用いて説明する。先ず、ステップ 400 において、粗い焦点位置合わせ処理を行う。上記したように、顕微鏡 3 に被写体 1 を搭載した初期状態ではテレビカメラ 4 は被写体 1 に焦点が合っていないため、被写体 1 を上下に広い範囲（例えば±200 μm ）にわたり移動して被写体 1 の焦点位置を求める。この粗い焦点位置合わせ処理を図６H を参照して説明する。ここで、この例では面 Ha ，Hb の差が焦点深度以内であり、積分信号レベルは図３G の波形 21 のようになるものとする。
【００３０】
即ち、先ず、CPU 11 は制御信号をモータ駆動回路 12 に与えて被写体 1 を焦点位置（テレビカメラから被写体 1 を最も接近させた位置）Z1 に位置させる。次に、CPU 11 は制御信号 S2 を映像信号抽出回路 6 に与える。すると、該回路 6 はテレビカメラからの映像信号を切り出しせずにそのまま、即ち、被写体 1 の撮像画像の全体をそのまま微分回路 7 に与え、その後回路 8 〜 10 で処理がされ積分信号のデジタル値 Svz1 がメモリ 11A にストアされる。次いで、被写体 1 を焦点位置 Z2（テレビカメラに対して被写体を焦点位置 Z1 より更に所定距離離した位置）に位置させ、同様に被写体 1 の撮像画像の全体を回路 7 〜 10 で処理し積分信号のデジタル値 Svz2 をメモリ 11A にストアする。こうして被写体 1 のテレビカメラ４に対する位置を順次ずらして処理を行い、被写体 1 を位置 Zmax（テレビカメラに対して被写体を最も離した位置）に位置させるまで同様な処理を行う。これにより、積分信号のレベルは、図６H の実線波形に示されるように、面 Hc に焦点が合う位置 Zc 付近と面 Ha ，Hb の中間位置付近に焦点が合う位置付近でピークとなる事が分かる。本例では積分信号のレベルが最大ピークとなる位置に焦点合わせを行うこととする。本実施例では図示しない光源からの光が被写体 1 の上面側から被写体 1 に照射されているものとし、従って、層 Ha 、Hb 、Hc のうち、最上層 Ha からの反射光が最も強い。従って、この場合には位置 Zc 付近が最大ピーク（ Svzc ）であるので、位置を Zmax より徐々に減少させながら同様の処理を行い位置 Zc 付近で最大ピークとなることを確認する。即ち、再度、位置を Zc とした時の積分信号レベル Svzc′と前回求めた積分信号レベル Svzc とを比較し、その差が所定値 Sverror 未満であるかどうかチェックし、未満であれば検出された最大ピークは正しいと判断する。差が所定値 Sverror 以上の場合は検出された最大ピークは誤りと判断して再び位置を Z1 にして最大ピークを求める処理を初めから行う。こうして、最大ピーク（ここでは位置 Zc とする）が求まると、該位置 Zc を中心として所定範囲（例えば、±3 μm ）の範囲において位置を順次ずらして、焦点位置検出用映像抽出領域 17 内の映像信号の積分信号レベル Svz がピーク値となる位置（即ち、領域 16の 段面 Haの 焦点位置）を求める処理を行う。
【００３１】
先ず、ステップ 402 において、CPU 11 は制御信号をモータ駆動回路 12 に与えて被写体 1 を位置 Z-p（被写体 1 を位置 Zc よりテレビカメラ側に例えば 3 μm 接近させた位置）（図６I 参照）に位置させる。次に、ステップ 404 において、CPU 11 は制御信号 S1 を画像処理回路 5 に与える。画像処理回路 5 は CPU 11 からの制御信号 S1 に応答して、該基準パターンに基づき映像信号の被写体像 14A をパターンマッチング処理することにより、被写体像 14A における被写体像領域 16 を含む焦点位置検出用映像抽出領域 17（図５A ）の位置を自動的に認識して、該領域 17 の位置情報を映像抽出回路 6 に与える。映像抽出回路 6 では、該位置情報に従いテレビカメラ 4 からの映像信号のうち領域 17 内の映像信号（図５D ）だけを抽出し、微分回
路7に与える。ステップ 406 において、微分回路 7 は抽出された領域 17 内の映像信号の微分成分を検出して微分信号（図５E ）として絶対値化回路 8 に与え、該絶対値化回路 8 においては負の微分成分の絶対値信号（図５F ）を得て積分回路 9 に与える。積分回路 9 では絶対値化された微分信号の積分を行って積分信号（図５G ）を得、A/D 変換回路 10 においては積分回路 9 からの積分信号の A/D 変換を行い CPU 11 に与える。CPU 11 は積分信号のデジタル値 Svzx 、ここでは Svz-p をメモリ 11A にストアする（ステップ 408 ）。
【００３２】
次ぎに、CPU 11 はモータ駆動回路 12 を制御して、被写体 1 を現在の位置 Zx から Zx+1 に更新する。即ち、ここでは被写体 1 を位置 Z-p から位置 Z-p+1（被写体 1 を位置 Z-p よりテレビカメラから離した位置）（図６I 参照）に移動させる（ステップ410 ）。次いで、ステップ404 〜 408 と同様の処理を行う。こうして順次、被写体 1 を下の方向（テレビカメラ 4 より離れる方向）に所定距離ずつ移動して積分信号レベルをストアする処理を繰り返し行
う。こうして被写体 1 を位置 Zp（被写体 1 を位置 Zc よりテレビカメラから離れる方向に例えば 3μm 離した位置）まで移動して積分信号レベルを求める処理を行うと、メモリ 11A にストアされたデータにより、図６H の点線波形及び図６I の実線波形に示すように積分信号レベルの波形が求まる。こうして、段面 Ha に対応する位置 Za にピーク値 Svzx（ max ）があることが分かる（ステップ 413 ）。
【００３３】
そこで、次に、位置を Zp より徐々に減少させながら同様の処理を行い位置 Za 付近でピークとなることを確認する。そこで、ステップ 412 において更新された位置 Zx+1 が Zp+1 かどうか判定し、Zp+1 であれば、位置を Zp-1（被写体 1 を位置 Zp よりテレビカメラに接近させた位置）に戻し（ステップ 414 ）、ステップ 404 、406 と同様の処理を行う（ステップ 416 ）。こうして求めた積分信号のデジタル値 Svzx 、即ち Svzp-1 をメモリ 11A にストアする。同様にして、順次位置 Zx を Zx-1 に更新して（ステップ 420 ）同様の処理を行う。こうして、位置がピーク値 Svzx（ max ）が検出された位置 Za にくると、該位置での積分信号レベル Svzx（ max ）′を求める（ステップ 424 ）。
【００３４】
ついで、ステップ 424 で求めた積分信号レベルとステップ 413 で求めた積分信号レベルを比較し、その差が所定値 Sverror 未満であるかどうかチェックし（ステップ 426 ）、未満であれば検出されたピークは正し
いと判断する。差が所定値 Sverror 以上の場合は検出された最大ピークは誤りと判断して再び位置を Z-p にしてピークを求める処理を初めから行う。ここで、所定値 Sverror は許容誤差であり、あまり小さく設定すると検出精度は向上するがハンチングの原因となるため、最終的には実際のパターン寸法測定時の精度が許容される範囲の値に設定される。
【００３５】
こうして、ピークが求まると、該ピークに対応する位置 Za（即ち Zx（ max ））が領域 16 の焦点位置、即ち測定用の領域 14C に対する焦点位置となる。従って、被写体 1 の位置を該焦点位置 Za に設定することで、テレ
ビカメラ 4 は被写体 1 の領域 16 に、従って測定用の領域 14C にも焦点を合わせることとなり、その後の測定処理が正確に行えるものである。そこで、ステップ 428 では、CPU 11 はモータ駆動回路 12 を制御して、被写体 1 を焦点位置 Za（即ち Zx（ max ））に位置させる。次いで、ステップ 430 において、CPU 11 は画像処理回路 5 に制御信号 S3 を送る。すると、画像処理回路 5 はテレビカメラ 4 からの映像信号から測定対象領域 14C の画像を抽出し、領域 14C 間の間隙 X の幅を測定する（ステップ 432 ）。
【００３６】
次ぎに、上記の画像処理装置における画像処理回路 5 及び映像切替回路 6 の構成、動作を図７、図８ の構成図及び図９、図１０のタイミングチャート等を用いて説明する。図７は図１の画像処理回路と映像信号抽出回路の具体的構成例を示すブロック図であり、図８は図７の焦点位置検出用エリア検出回路及び切換信号生成回路の具体的構成例を示す回路図である。図７において、映像信号抽出回路 6 は、ビデオカメラ 4 からの映像信号から垂直同期信号 VD 、水平同期信号 HD 、クロック信号 CLK を分離抽出する同期信号分離回路 61 と、画像処理回
路 5 からの位置情報に従い同期信号分離回路 61 からの映像信号から焦点位置検出用エリア 17 の映像を抽出する映像信号切替回路 62 とを有する。画像処理回路 5 は、ビデ
オカメラ 4 からの映像信号を同期信号分離回路 61 からの垂直同期信号 VD 、水平同期信号 HD 、クロック信号 CLK に応答してアナログ／デジタル変換を行う A/D 変換器 52 と、A/D 変換器 52 からのデジタル映像信号の１画面分をストアす
るフレームメモリ 53 と、被写体像 14A の基準パターン（図３B ）をストアする基準パターンメモリ 54 と、フレームメ
モリ 53 内の画像から焦点位置検出用エリア 17 を検出する焦点位置検出用エリア検出回路 55 と、フレームメモリ 53 
の映像と基準パターンメモリ 54 内の基準パターンとの間でパターンマッチング処理を行い焦点位置検出用エリア検出回路 55 に設定値を設定する central processing unit（ CPU ）50 と、焦点位置検出用エリア検出回路 55 からの出力に従い焦点位置検出用エリアの位置情報（切換信号）を出力する切換信号生成回路 56 、測定エリアパターンメモリ 57 とを有する。
【００３７】
また、図８に示すように、焦点位置検出用エリア検出回路 55 は、例えば４つのカウンタ 71 〜74 （例えば日立製作所製の８ビットカウンタ HD74HC592 ）を有し、切換信号生成回路 56 は例えば２つのフリップフロップ回路 75 、76 と AND ゲート 77 を有する。映像信号切換回路 62 は該 AND ゲート 77 からの切換信号に応答して同期信号分離回路 61 からの映像信号を選択的に通すスイッチである。
【００３８】
ここで、CPU 50 の上記動作を図１１のフローチャート、図１２等を参照して説明する。先ず、上記図４のステップ 402 において説明したように、制御信号 S1 が CPU 50 に与えられると（ステップ 902 ）、CPU 50はフレームメモリ 53 の画像（図１２の 14D ）と基準パターンメモリ 54 内の基準パターン（図１２の 14D′）とを取り込み、これらの画像の間でパターンマッチング処理を行い（ステップ 904 ）、これら画像の領域 14B 間のずれ、即ち焦点位置検出用エリア 17 間のずれ（即ち、水平走査方向のずれ△X ,垂直走査方向のずれ△Y ）を検出する（ステップ 906 ）。
【００３９】
ここで、基準パターン 14D′における焦点位置検出用エリア 17 の水平走査方向開始点位置 X1 、垂直走査方向開始点位置 Y1 は既知であるので、フレームメモリ 53 の画像における焦点位置検出用エリア 17 の水平走査方向開始点位置 XH1′、垂直走査方向開始点位置 YV1′はそれぞれ（ X1 −ΔX ），（ Y1 −ΔY ）として求まる（ステップ 908 ）。次に、このようにして求めたフレームメモリ 53 の画像における焦点位置検出用エリア 17 の水平走査方向開始点位置 XH1′，垂直走査方向開始点位置 YV1′に基づき各カウンタ 71 〜 74 の設定値を求め（ステップ 910 ）、求めた設定値を対応するカウンタ 71 〜 74 にそれぞれストアする（ステップ 912 ）。
【００４０】
ここで、カウンタ 71 〜 74 の設定値を求める方法を図９A 〜 G 、図１０H 〜N を参照して説明する。図９A 、図１０H の参照符号 14D はビデオカメラ 4 からの映像信号で構成される画像を示し、この中にフレームメモリ 53 
内の画像 14A が含まれる。図９B は図９A の画像 14D に対応する水平映像信号を示し、図１０I は画像 14D に対応す
る垂直映像信号を示す。また、図９C は図９B の水平映像信号から抜き出された水平同期信号 HD を示し、図１０J は図１０I の垂直映像信号から抜き出された垂直同期信号 VD を示す。図９D は水平映像信号のクロックパルス信号 CLK 、図１０K は垂直映像信号に対応した水平同期信号 HD を示す。図中、XH2 ，YV2 はそれぞれ焦点位置検出用エリア 17 の水平走査方向の長さ，垂直走査方向の長さを示す。また、XH ，XH1 はそれぞれ水平同期信号 HD の立ち上が
りからフレームメモリの画像の開始点までの水平方向距
離、水平同期信号 HD の立ち上がりから焦点位置検出用エリア 17 の開始点 PH1 までの水平方向距離を示す。また、Y V ，YV1 はそれぞれ垂直同期信号 VD の立ち上がりからフレームメモリの画像の開始点までの垂直方向距離、垂直同期信号 VD の立ち上がりから焦点位置検出用エリア 17 の開
始点 PV1 までの垂直方向距離を示す。ここで、距離 XH ，YV は既知であり、従って上記フレームメモリ 53 の画像における焦点位置検出用エリア 17 の水平走査方向開始点位置（距離）XH1′，垂直走査方向開始点位置（距離）YV1′はそれぞれ（ XH1 - XH ）、（ YV1 - YV ）として求まる。
【００４１】
ここで、図９（ A 〜D ）、図１０（ H 〜 K ）から明らかなように、画像 14D 内の焦点位置検出用エリア 17 の水平方向位置（距離）、垂直方向位置（距離）はそれぞれクロックパルス信号 CLK（図９D ）の所定のパルス数、水平同期信号 HD（図１０K ）の別の所定のパルス数に対応する。そこで、本実施例では、水平同期信号の立ち上がり時点 t1 から、水平映像信号が焦点位置検出用エリア 17 の水平方向開始点 PH1 に達する時点 t2 までのクロック CLK の数を CH1 として求め、水平映像信号が焦点位置検出用エリア 17 の水平方向開始点 PH1 にある時点 t2 から水平方向終点 PH2 に達する時点 t3 までのクロック CLK の数を CH2 として求める。
【００４２】
同様に、垂直同期信号の立ち上がり時点 t4 から、垂直映像信号が焦点位置検出用エリア 17 の垂直方向開始点 PV1 に達する時点 t5 までの水平同期信号 HD のパルス数を CV1 として求め、垂直映像信号が焦点位置検出用エリア 17 の垂直方向開始点 PV1 にある時点 t5 から垂直方向終点 PV2 に達する時点 t6 までの水平同期信号 HD のパルス数を CV2 として求める。
【００４３】
次に、図８の焦点位置検出用エリア検出回路 55 及び切換信号生成回路 56 の動作を説明する。上記のように CPU 50 により各カウンタ 71 、72 、73 、74 にそれぞれ設定値 CH1 ，CH2 ，CV1 ，CV2 が設定されると、これらカウンタは以下のように計数動作を開始する。先ず、カウンタ 71 は水平同期信号 HD がそのトリガ入力 CL に入力されるとリセットされてクロック CLK の計数を開始し、該計数値が設定値 CH1 に達すると出力信号 71S を図９E のようにハイレベルとする。カウンタ 72 は該出力信号 71S がそのトリガ入力 CL に入力されるとその立ち上がりによりリセットされてクロック CLK の計数を開始し、該計数値が設定値 CH2 に達すると出力信号 72S を図９F のようにハイレベルとする。これら出力信号 71S ，72S はフリップフロッ
プ 75 のD 入力、クロック入力 CP にそれぞれ入力され、従
ってフリップフロップ 75の出力は図９G のように水平映像信号が焦点位置検出用エリア 17 の開始点位置と終点位置の間にある間ハイレベルとされる。
【００４４】
カウンタ 73 は垂直同期信号 VD がそのトリガ入力 CL に入力されるとリセットされて水平同期信号 HD の計数を開始し、該計数値が設定値 CV1 に達すると出力信号 73S を図１０L のようにハイレベルとする。カウンタ 74 
は該出力信号 73S がそのトリガ入力 CL に入力されるとその立ち上がりによりリセットされて水平同期信号 HD の計数を開始し、該計数値が設定値 CV2 に達すると出力信号 74S を図１０M のようにハイレベルとする。これら出力信号 73S ，74S はフリップフロップ 76 の D 入力、クロック入力 CP に入力され、従ってフリップフロップ 76 の出力は図１０N のように垂直映像信号が焦点位置検出用エリア 17 の開始点位置と終点位置の間にある間ハイレベルとされる。
【００４５】
フリップフロップ 75 、76 の出力は AND ゲート 77 を介して映像信号切換回路 62 に与えられる。従って、AND ゲート 77 の出力はビデオカメラ 4 からの映像信号
が焦点位置検出用エリア 17 内にある間のみハイレベルとなる。映像信号切換回路 62 は AND ゲート 77 からの出力である位置情報、即ち切換信号に応答してオン、オフされるもので、切換信号がハイレベルの間オンされてビデオカメラ 4 から同期信号分離回路 61 を介して入力された映像信号を微分回路 7 に与える。従って、映像信号切換回路 62 からは焦点位置検出用エリア 17 内の映像信号のみが抽出されて微分回路 7 に与えられる。
【００４６】
次に、図４のステップ 432 における測定処理について図３A 、図７、図１３を参照して説明する。図１３は該測定処理動作を説明するためのフローチャートである。図７の測定エリアパターンメモリ 57 は測定対象のパターン、例えば領域 14C のパターンを記憶している。CPU 50 は制御信号 S3 が入力されると（ステップ 102 ）、それに応答してフレームメモリ 53 内の画像と測定エリアパターンメモリ 57 内の測定対象のパターンとをパターンマッチング処理し（ステップ 104 ）、フレームメモリ 53 内の画像の測定対象パターンを検出（ステップ 106 ）する。その後、該検出された測定対象パターン内の測定対象である、例えば、領域 14C の間隙 X の幅を測定する（ステップ 108 ）。
【００４７】
なお、上記実施例では焦点距離移動機構部 13 は被写体を上下に移動するようにしたが、焦点距離移動機構部 13 は被写体とテレビカメラとの相対距離が変化するようにすればよいので、被写体の変わりにテレビカメラを上下に移動するようにしてもよい。上記実施例において、焦点位置はテレビカメラ 4 から被写体 1 までの距離として焦点位置を求める処理を行っているが、顕微鏡 3 の対物レンズからの距離等として焦点位置を求める処理を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による自動焦点位置検出装置を用いた画像処理装置の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】自動焦点位置検出方法における微分成分抽出方式を説明するための図である。
【図３】本発明の動作を説明するための図である。
【図４】図１の画像処理装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の動作を説明するための図である。
【図７】図１の画像処理回路と映像信号抽出回路の具体的構成例を示すブロック図である。
【図８】図７の焦点位置検出用エリア検出回路及び切り換え信号生成回路の具体的構成例を示す回路図である。
【図９】図８の焦点位置検出用エリア検出回路及び切り換え信号生成回路の動作を説明するための図である。
【図１０】図８の焦点位置検出用エリア検出回路及び切り換え信号生成回路の動作を説明するための図である。
【図１１】被写体像の焦点位置検出用エリアを検出する動作を説明するためのフローチャートである。
【図１２】被写体像の焦点位置検出用エリアを検出する動作を説明するための図である。
【図１３】測定処理動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
1：被写体、  2：モニタ、  3：顕微鏡、  4：テレビカメラ、  5：画像処理回路、  6：映像信号抽出回路、  7：微分回路、  8：絶対値化回路、  9：積分回路、  10：A/D 変換回路、  11：CPU、  12：モータ駆動回路、  13：焦点距離移動機構部、  14A：被写体像、  14B 焦点位置検出用被写体を含む領域、  14C：被測定対象被写体部分、  16：焦点位置検出用被写体像領域、  17：焦点位置検出用被写体映像領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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