JPH08320430A

JPH08320430A - 自動焦点検出装置

Info

Publication number: JPH08320430A
Application number: JP7148227A
Authority: JP
Inventors: Haruto Sakai; 春人酒井; Aiichi Ishikawa; 愛一石川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【目的】物体面上の物体が少ない場合や光電変換素子
が僅かに傾いている場合でも、合焦状態を正確に検出す
ることができる自動焦点検出装置を提供する。【構成】光源からの光を物体面に照射する照射光学系
と、物体面からの反射光を光路差を有する２つの光束に
分割し、一方の光束を第１結像位置に、他方の光束を第
２結像位置に夫々結像させる結像光学系と、両結像位置
間に配置され、２つの光束を受ける光電変換素子とを備
えた自動焦点検出装置において、光電変換素子としてＣ
ＣＤエリアセンサ５を用い、かつＣＣＤエリアセンサ５
によって２次元的に走査する２つの走査領域を設定する
走査領域設定部１０と、この設定部１０により設定され
た２つの走査領域で受光された２つの光束の高周波成分
を比較して合焦制御を行う制御回路とを備える。２つの
光束に含まれる物体の像をＣＣＤエリアセンサ５の２つ
の走査領域で確実に受光することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は顕微鏡等の光学機器に
使用可能な自動焦点検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動焦点検出装置としては、例え
ば、光源と、この光源からの光を物体面に照射する照射
光学系と、物体面からの反射光を光路差を有する２つの
光束に分割し、前記２つの光束の一方を第１結像位置に
結像させると共に、前記２つの光束の他方を第１結像位
置に対し光軸方向にずれた第２結像位置に結像させる結
像光学系と、第１結像位置と第２結像位置との間に配置
され、前記２つの光束の光学像を受光する光電変換素子
とを備え、光電変換素子により受光した２つの光束（２
つの光学像）を２つの電気信号に変換し、各電気信号の
高周波成分のみを取り出し、その絶対値を積分し、その
両積分値の差をとって合焦ずれ信号を得、この信号に基
づいて合焦状態を検出するように構成されたものが知ら
れている。そして、前記光電変換素子としては、図７に
示すようなＣＣＤラインセンサ７０が使用されている。
このＣＣＤラインセンサ６７は、１列に並んだ複数の素
子を有し、各素子から光電変換された電気信号が時系列
的に（順次）出力されるように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術では、光電変換素子として図７に示すようなＣＣ
Ｄラインセンサ７０を使用しているので、（１）物体面
上の物体が少ないと、光路差を有する２つの光束（２つ
の光学像）７１、７２に含まれる物体の像７１ａ、７２
ａがＣＣＤラインセンサ７０に受光されない場合があ
り、この場合には前記合焦ずれ信号が得られないので、
合焦状態を検出することができず、また、（２）ＣＣＤ
ラインセンサ７０が図７に示すように僅かでも傾いてい
ると、ＣＣＤラインセンサ７０に受光される２つの光学
像７１、７２が一致しないので、合焦状態を正確に検出
できないという問題がある。

【０００４】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は物体面上の物体が少ない場合や光
電変換素子が僅かに傾いている場合でも、合焦状態を正
確に検出することができる自動焦点検出装置を提供する
ことである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め請求項１記載の発明の自動焦点検出装置は、光源と、
この光源からの光を物体面に照射する照射光学系と、前
記物体面からの反射光を光路差を有する２つの光束に分
割し、前記２つの光束の一方を第１結像位置に結像させ
ると共に、前記２つの光束の他方を前記第１結像位置に
対し光軸方向にずれた第２結像位置に結像させる結像光
学系と、前記第１結像位置と前記第２結像位置との間に
配置され、前記２つの光束を受光する光電変換素子とを
備え、前記光電変換素子により得られる前記２つの光束
の光情報を比較することにより合焦状態を検出する自動
焦点検出装置において、前記光電変換素子は二次元的に
走査可能に構成され、かつ前記光電変換素子によって二
次元的に走査する２つの走査領域を設定する走査領域設
定手段と、前記走査領域設定手段により設定された前記
光電変換素子の２つの走査領域で受光された前記２つの
光束の光情報を比較して合焦ずれ信号を求め、この合焦
ずれ信号に基づいて合焦制御を行う制御回路とを備えて
いる。

【０００６】請求項２記載の発明の自動焦点検出装置
は、前記走査領域設定手段は、前記光電変換素子の、所
定間隔離れた２つの走査領域を二次元的に走査させるよ
うに構成されている。

【０００７】請求項３記載の発明の自動焦点検出装置
は、前記制御回路は、前記２つの走査領域内の対応する
１つの走査ラインで得られる２つの光情報を比較して得
られる合焦ずれ信号を、前記走査領域内の全ての走査ラ
インについて積算する積算手段を含んでいる。

【０００８】

【作用】請求項１記載の自動焦点検出装置では、光電変
換素子は二次元的に走査可能であり、走査領域設定手段
により設定された光電変換素子の２つの走査領域で光路
差を有する２つの光束を受けるので、物体面上の物体が
少ない場合でも、２つの光束に含まれる物体の像を光電
変換素子の２つの走査領域で確実に受光することができ
ると共に、光電変換素子が僅かに傾いている場合でも、
光電変換素子の２つの走査領域内で一致した２つの光学
像を受光することができる。

【０００９】請求項２記載の自動焦点検出装置では、走
査領域設定手段により、光電変換素子の、所定間隔離れ
た２つの走査領域を二次元的に走査させるので、光電変
換素子の全面を二次元的に走査する場合よりも走査時間
及び信号処理時間が短縮され、高速に合焦状態を検出す
ることができる。

【００１０】請求項３記載の自動焦点検出装置では、積
算手段が、設定された２つの走査領域内の対応する１つ
の走査ラインで得られる２つの光情報を比較して得られ
る合焦ずれ信号を、各走査領域内の全ての走査ラインに
ついて積算するので、広い範囲に亘ってレベルの高い合
焦ずれ信号が得られる。

【００１１】

【実施例】以下この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１２】図２はこの発明の一実施例に係る顕微鏡用
の自動焦点検出装置の光学系を、図１は同装置に使用さ
れる合焦制御を行う制御回路のブロック図をそれぞれ示
している。

【００１３】図２に示す顕微鏡用の自動焦点検出装置
は、光源１と、ハーフミラー２及び対物レンズ３を有
し、光源１からの光を被検物４の物体面４ａに照射する
照射光学系と、物体面４ａからの反射光を光路差を有す
る２つの光束に分割し、２つの光束の一方を第１結像位
置ｘに結像させると共に、２つの光束の他方を第１結像
位置ｘに対し光軸方向にずれた第２結像位置ｙに結像さ
せる結像光学系と、第１結像位置ｘと第２結像位置ｙと
の間に配置され、光路差を有する２つの光束（２つの光
学像）を受ける光電変換素子５とを備えている。結像光
学系には、物体面４ａからの反射光を結像する対物レン
ズ３と、対物レンズ３を通ってくる物体面４ａからの反
射光を透過光と反射光とに分割するハーフプリズム６
と、ハーフプリズム６で反射された光を光路差を有する
２つの光束に分割するハーフプリズム７とが設けられて
いる。前記ハーフプリズム６を透過した物体面４ａから
の反射光は不図示の像面に結像され、この像面を観察光
学系によって観察可能である。

【００１４】なお、前記物体面４ａが合焦位置（図２の
Ｂ位置）にあるとき、ＸーＹ＝０（Ｘ：第１結像位置ｘ
と光電変換素子５の受光面との間の距離、Ｙ：第２結像
位置ｙと前記受光面との間の距離）となるように光電変
換素子５の位置を予め調整してある。

【００１５】前記光電変換素子５として、二次元的に走
査可能なＣＣＤエリアセンサが用いられている。このＣ
ＣＤエリアセンサ５は、図５に示すように、ｎ個（例え
ば１０個）の素子が１列に並んだＮ本の走査ライン（例
えば、１番目の走査ラインＬ１から２０番目の走査ライ
ンＬ２０までの２０本の走査ライン）を有し、各走査ラ
インＬ１〜Ｌ２０の各素子から光電変換された電気信号
が時系列的に（順次）出力されるように構成されてい
る。図４及び図５において、符号５ａは仮想の中心線５
０で分割されたＣＣＤエリアセンサ５の左半分の受光範
囲を、符号５ｂはＣＣＤエリアセンサ５の右半分の受光
範囲をそれぞれ示している。また、図４及び図５におい
て、２つの光学像の一方４１が受光する左半分の受光範
囲５ａ内に、２つの光学像の他方が右半分の受光範囲５
ｂ内にそれぞれ受光されている。

【００１６】図１に示す制御回路は、ＣＣＤエリアセン
サ５によって二次元的に走査する２つの走査領域（左半
分の受光範囲５ａ内での走査領域と、右半分の受光範囲
５ｂ内での走査領域）を任意に設定可能な走査領域設定
部１０を備えている。この走査領域設定部１０は、例え
ば、左半分の受光範囲５ａ内では２番目の走査ラインＬ
２から９番目の走査ラインまでの走査領域を設定すると
共に、右半分の受光範囲５ｂ内では１２番目の走査ライ
ンＬ１２から１９番目の走査ラインまでの走査領域を設
定することができる。また、走査領域設定部１０は、後
述するタイミングコントロール回路１８で制御されるタ
イミングで、１つの走査ライン毎に、図３のＡ１〜Ｃ１
で示すような受光量に応じて光電変換された電気信号３
１又は３１′を読み出して出力するようになっている。

【００１７】図３のＡ１〜Ｃ１において、電気信号３１
は、図５に示す一方の走査領域内における１つの走査ラ
イン（例えば走査ラインＬ３）の各素子から時系列的に
出力される信号（光情報）であり、電気信号３１′は他
方の走査領域内における１つの走査ライン（例えば走査
ラインＬ３と対応する走査ラインＬ１３）の各素子から
時系列的に出力される信号（光情報）である。そして、
図３のＢ１は、物体面４ａが合焦位置（図２のＢ位置）
にあるときの状態を、同図のＡ１及びＣ１は物体面４ａ
が合焦位置からずれた図２のＡ位置及びＣ位置にあると
きの状態をそれぞれ示している。

【００１８】前記制御回路は、さらに、走査領域設定部
１０の出力信号からＤＣ成分を取り除くＤＣオフセット
除去回路１１と、ＤＣオフセット除去回路１１の出力信
号を増幅する増幅器１２と、増幅器１２の出力信号から
高周波成分（光学像４１、４２のコントラストを表す光
情報）を取り出し、図３のＡ２〜Ｃ２でそれぞれ示す信
号３２又は３２′を出力するバンドパスフィルタ１３と
を備えている。図３のＡ２〜Ｃ２は図３のＡ１〜Ｃ１に
それぞれ対応している。

【００１９】さらに、制御回路は、バンドパスフィルタ
１３の出力信号の絶対値を検出する絶対値回路１４と、
絶対値回路１４の出力信号を積分する積分器１５と、２
つのサンプルホールド回路１６、１７と、タイミングコ
ントロール回路１８とを備えている。

【００２０】タイミングコントロール回路１８は、走査
領域設定部１０、積分器１５、及び２つのサンプルホー
ルド回路１６、１７の動作タイミングを制御している。

【００２１】タイミングコントロール回路１８は、走査
領域設定部１０により２番目の走査ラインＬ２から９番
目の走査ラインＬ９までの走査領域と１２番目の走査ラ
インＬ１２から１９番目の走査ラインＬ１９までの走査
領域とを設定した場合、２番目の走査ラインＬ２、走査
ラインＬ２と対応する１２番目の走査ラインＬ１２、３
番目の走査ラインＬ３、走査ラインＬ３と対応する１３
番目の走査ラインＬ１３…及び１９番目の走査ラインの
順に各走査ラインから前記電気信号３１または３１′が
出力されるように、走査領域設定部１０の動作タイミン
グを制御するように構成されている。

【００２２】また、タイミングコントロール回路１８
は、２番目〜９番目の走査ラインＬ２〜Ｌ９から前記電
気信号３１がそれぞれ出力されるときに積分器１５を動
作させ、このときの積分値を表す信号（図３のＡ３〜Ｃ
３に示す信号３３）を一方のサンプルホールド回路１６
で保持させると共に、１２番目〜１９番目の走査ライン
Ｌ１２〜Ｌ１９から前記電気信号３１′がそれぞれ出力
されるときに積分器１５を動作させ、このときの積分値
を表す信号（図３のＡ３〜Ｃ３に示す信号３３′）を他
方のサンプルホールド回路１７で保持させるように構成
されている。

【００２３】前記制御回路は、さらに、サンプルホール
ド回路１６、１７の出力信号（積分値を表す信号）を比
較し、その差を表す信号（被検物４の合焦位置からのず
れ量を表す合焦ずれ信号で、設定された２つの走査領域
内の対応する１つの走査ライン、例えば走査ラインＬ
３、Ｌ１３からの電気信号３１、３１′を信号処理して
得られる図６の信号６１）を出力する差動増幅器１９
と、差動増幅器１９からの合焦ずれ信号６１を各走査領
域内の全ての走査ラインについて積算して合焦ずれ信号
６２（図６参照）を出力する積算回路２０と、被検物４
と対物レンズ３との光軸方向における相対位置を制御す
る焦準用モータ２２と、積算回路２０からの出力信号に
より焦準用モータ２２を制御するモータ制御回路２０と
を備えている。

【００２４】次に、上記構成を有する一実施例の動作を
説明する。

【００２５】光源１からの光は、ハーフミラー２及び対
物レンズ３を経由して物体面４ａに照射される。物体面
４ａからの反射光は、対物レンズ３、ハーフミラー２及
びハーフプリズム６を経由した後、ハーフプリズム７に
よって光路差を有する２つの光束に分割される。２つの
光束の一方は第１結像位置ｘに結像され、２つの光束の
他方は第１結像位置ｘに対し光軸方向にずれた第２結像
位置ｙに結像される。これによって、光路差を有する
２つの光束（図４及び図５に示す２つの光学像４１、４
２）の一方及び他方がＣＣＤエリアセンサ５の左半分の
受光範囲５ａ及び右半分の受光範囲５ｂ内でそれぞれ受
光される。

【００２６】いま、ＣＣＤエリアセンサ５によって二次
元的に走査する任意の２つの走査領域が走査領域設定部
１０によって設定されている（例えば、左右の受光範囲
５ａ、５ｂの全面を走査するように設定されている）も
のとする。このとき、走査領域設定部１０は、最初に一
方の走査領域５ａ内にある１番目の走査ラインＬ１で得
られる電気信号３１（図３のＡ１〜Ｃ１参照）を出力
し、次に他方の走査領域５ｂ内にある走査ラインＬ１と
対応する１１番目の走査ラインＬ１１で得られる電気信
号３１′（同図参照）を出力し、次に走査領域５ａ内に
ある２番目の走査ラインＬ２で得られる電気信号３１を
出力し、次に走査領域５ｂ内にある走査ラインＬ２と対
応する１２番目の走査ラインＬ１２で得られる電気信号
３１′を出力する。以下同様に、２つの走査領域５ａ、
５ｂ内の対応する１つの走査ラインで得られる電気信号
３２、３２′を交互に出力させ、最後に走査ラインＬ２
０で得られる電気信号３２′を出力させる。

【００２７】このようにして信号３１、３１′が走査領
域設定部１０から交互に出力されると、ＤＣオフセット
除去回路１１は信号３１、３１′からＤＣ成分を取り除
き、この信号を増幅器１２が増幅した後、バンドパスフ
ィルタ１３が高周波成分を取り出すと、図３のＡ２〜Ｃ
２でそれぞれ示す信号３２、３２′が得られる。Ａ２の
信号３２、３２′がＡ１の信号３１、３１′に、Ｂ２の
信号３２、３２′がＢ１の信号３１、３１′に、Ｃ２の
信号３２、３２′がＣ１の信号３１、３１′にそれぞれ
対応する。バンドパスフィルタ１３の出力信号の絶対値
を絶対値回路１４により検出し、絶対値回路１４の出力
信号を積分器１５により積分すると、図３のＡ３〜Ｃ３
でそれぞれ示す積分値を表す３３、３３′が得られる。
Ａ３の信号３３、３３′がＡ２の信号３２、３２′に、
Ｂ３の信号３３、３３′がＢ２の信号３２、３２′に、
Ｃ３の信号３３、３３′がＣ２の信号３２、３２′にそ
れぞれ対応する。

【００２８】Ａ３〜Ｃ３の信号３３、３３′は２つの光
学像４１、４２（図４参照）にそれぞれ対応しており、
信号３３はサンプルホールド回路１６により保持され、
信号３３′はサンプルホールド回路１７により保持され
る。サンプルホールド回路１６、１７の出力信号（積分
値を表す信号）を差動増幅器１９が比較して図６に示す
合焦ずれ信号６１を出力する。この合焦ずれ信号６１
は、設定された２つの走査領域内の対応する１つの走査
ライン（例えば、対応する走査ラインＬ３とＬ１３）毎
に得られる信号である。積算回路２０は、差動増幅器１
９からの合焦ずれ信号６１を走査領域内の全ての走査ラ
インについて積算して図６に示す合焦ずれ信号６２を出
力する。モータ制御回路２１は、積算回路２０からの合
焦ずれ信号６２により焦準用モータ２２を制御する。す
なわち、モータ制御回路２１は、合焦ずれ信号６２が０
になるように、焦準用モータ２２を制御して結像光学系
の光軸方向における被検物４と対物レンズ３との相対位
置を制御する。

【００２９】このように、上記一実施例に係る自動焦点
検出装置では、積算回路２０から出力される合焦ずれ信
号６２が０になるように、結像光学系の光軸方向におけ
る被検物４と対物レンズ３との相対位置を焦準用モータ
２２によって制御することにより自動合焦動作がなされ
る。

【００３０】上記一実施例によれば、ＣＣＤエリアセン
サ５は二次元的に走査可能であり、走査領域設定部１０
により設定されたＣＣＤエリアセンサ５の２つの走査領
域で光路差を有する２つの光束（２つの光学像４１、４
２）を受けるので（図４及び図５参照）、物体面４ａ上
の物体が少ない場合でも、２つの光学像４１、４２に含
まれる物体の像をＣＣＤエリアセンサ５の２つの走査領
域で確実に受光することができる。また、ＣＣＤエリア
センサ５が図４の実線で示すように僅かに傾いている場
合でも、ＣＣＤエリアセンサ５の２つの走査領域内で一
致した２つの光学像を受光することができる。したがっ
て、物体面４ａ上の物体が少ない場合やＣＣＤエリアセ
ンサ５が僅かに傾いている場合でも、合焦状態を正確に
検出することができる。

【００３１】また、上記一実施例によれば、積算回路２
０が、差動増幅器１９からの合焦ずれ信号６１をＣＣＤ
エリアセンサ５の２つの走査領域内の全ての走査ライン
について積算して図６に示す合焦ずれ信号６２を出力す
るように構成してあるので、図６から明らかなように合
焦ずれの検出範囲を広くすることができる。

【００３２】なお、上記一実施例において、走査領域設
定部１０による走査領域の設定によって、ＣＣＤエリア
センサ５の所定間隔（例えば、図４に示す間隔ｍ）だけ
離れた２つの走査領域を二次元的に走査すれば、ＣＣＤ
エリアセンサ５の受光範囲全体を二次元的に走査する場
合よりも、走査時間及び信号処理時間が短縮され、高速
に合焦状態を検出することができる。

【００３３】さらに、上記一実施例において、予め基準
となる物体を図４に示す前記２つの光学像４１、４２と
同様にＣＣＤエリアセンサ５の受光面上に結像させ、２
つの光学像４１、４２の間隔ｍを不図示のメモリー部に
記憶させておく。そして、実際に合焦検出を行う際に、
記憶した間隔ｍだけ離れた対応する２つの走査ライン５
ｃ、５ｄで前記２つの光学像４１、４２の高周波成分を
検出するように、走査領域設定部１０を構成すれば、走
査時間及び信号処理時間がさらに短縮され、より高速に
合焦状態を検出することができる。

【００３４】なお、上記一実施例において、ＣＣＤエリ
アセンサ５に代えて二次元的に走査可能に構成された他
の光電変換素子を用いることもできる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明に係る自動焦点検出装置によれば、光電変換素子は二
次元的に走査可能であり、走査領域設定手段により設定
された光電変換素子の２つの走査領域で光路差を有する
２つの光束を受けるので、物体面上の物体が少ない場合
でも、２つの光束に含まれる物体の像を光電変換素子の
２つの走査領域で確実に受光することができると共に、
光電変換素子が僅かに傾いている場合でも、光電変換素
子の２つの走査領域内で一致した２つの光学像を受光す
ることができる。したがって、物体面上の物体が少ない
場合や光電変換素子が僅かに傾いている場合でも、合焦
状態を正確に検出することができる。

【００３６】請求項２記載の発明に係る自動焦点検出装
置によれば、走査領域設定手段により、光電変換素子
の、所定間隔離れた２つの走査領域を二次元的に走査さ
せるので、光電変換素子の全面を二次元的に走査する場
合よりも走査時間及び信号処理時間が短縮され、高速に
合焦状態を検出することができる。

【００３７】請求項３記載の発明に係る自動焦点検出装
置によれば、積算手段が、設定された２つの走査領域内
の対応する１つの走査ラインで得られる２つの光情報を
比較して得られる合焦ずれ信号を、各走査領域内の全て
の走査ラインについて積算するので、広い範囲に亘って
レベルの高い合焦ずれ信号が得られる。したがって、合
焦ずれの検出範囲が広くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の一実施例に係る自動焦点検出
装置の主要部をなす制御回路のブロック図である。

【図２】図２はこの発明の一実施例に係る自動焦点検出
装置の光学系を示す概略構成図である。

【図３】図３は合焦制御を説明するための信号波形図で
ある。

【図４】図４はＣＣＤエリアセンサが傾いた状態を示す
説明図である。

【図５】図５はＣＣＤエリアセンサを示す動作説明図で
ある。

【図６】図６は一実施例に係る自動焦点検出装置によっ
て得られる合焦ずれ信号を示す図である。

【図７】図７は従来の自動焦点検出装置におけるＣＣＤ
ラインセンサを示す平面図である。

【符号の説明】

１光源４ａ物体面５ＣＣＤエリアセンサ（光電変換素子）１０走査領域設定部（走査領域設定手段）２０積算回路（積算手段）ｘ第１結像位置ｙ第２結像位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、この光源からの光を物体面に照
射する照射光学系と、前記物体面からの反射光を光路差
を有する２つの光束に分割し、前記２つの光束の一方を
第１結像位置に結像させると共に、前記２つの光束の他
方を前記第１結像位置に対し光軸方向にずれた第２結像
位置に結像させる結像光学系と、前記第１結像位置と前
記第２結像位置との間に配置され、前記２つの光束を受
光する光電変換素子とを備え、前記光電変換素子により
得られる前記２つの光束の光情報を比較することにより
合焦状態を検出する自動焦点検出装置において、前記光電変換素子は二次元的に走査可能に構成され、か
つ前記光電変換素子によって２次元的に走査する２つの
走査領域を設定する走査領域設定手段と、前記走査領域設定手段により設定された前記光電変換素
子の２つの走査領域で受光された前記２つの光束の光情
報を比較して合焦ずれ信号を求め、この合焦ずれ信号に
基づいて合焦制御を行う制御回路とを備えていることを
特徴とする自動焦点検出装置。
【請求項２】前記走査領域設定手段は、前記光電変換
素子の、所定間隔離れた２つの走査領域を二次元的に走
査させるように構成されていることを特徴とする請求項
１記載の自動焦点検出装置。
【請求項３】前記制御回路は、前記２つの走査領域内
の対応する１つの走査ラインで得られる２つ光情報を比
較して得られる合焦ずれ信号を、前記走査領域内の全て
の走査ラインについて積算する積算手段を含んでいるこ
とを特徴とする請求項１記載の自動焦点検出装置。