JPS6042725A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、カメラ、顕微鏡、硬性鏡、眼底カメラ等の光
学機器や医療機器に適する焦点検出装置であって、光学
系中の異なる経路を通過する光束を用いて像の位置ずれ
を生じさせて焦点位置を検出するようにして成る焦点位
置検出装置に関するものである。

この種焦点検出装置には種々のものがあるが、例えば特
願昭５６−６４０６５号、特願昭５７−　″１１６８１
６号、特願昭５８−２８５９４号、特願昭５８−２８５
９５号、特願昭５８−２８５９９号、特開昭５７−１７
９８０９号、特開昭５７−１７９８１０号等に記載の如
く瞳を分割して像の位相差を生じさせる方式のものは、
光学系の瞳位置の近傍に瞳を分割するための機械的手段
や液晶等の電気的手段を設ける必要があったため、光学
系が複雑になるという問題があった。又、特開昭５５−
１２６２２１号に記載の如く光学系に瞳分割手段が入る
のを避けるためにレンズによって瞳の一部を見る方式に
したものは、像のずれＦ検出する受光素子が複数個必要
となり、調整が難しくなるという問題があった。又、特
開昭５５−１３０５０６号に記載の如く像面上に小さい
レンズを配置し且つ一画素ごとに瞳の異なる部分を見る
素子の組合せを設けたものは、それ専用の複雑な受光素
子が必要とな如、信号処理系が複雑になるという問題が
あった。又、以上のものけ物体光を利用する方式である
ため、物体が暗い場合に焦点検出が不可能になるという
問題があった。一方、光を投射する方式のものも提案さ
れているが、これは距離計方式であったため、ＴＴＬ方
式のものが望ましい一眼レフカメラや顕微鏡には不向き
であった。

本発明は、上記問題点に鑑み、光学系や信号処理系が簡
単となり調整も容易である焦点位置検出装置を提供せん
とするものであって、それは像面と共役な位置を通り異
なる経路を通過して物体面に向う一対の光束を交互に生
成し得る光源と、像面に配置されていて物体面で反射し
た前記一対の光束の像の位置を検出する受光素子と、前
記受光素子からの信号により前記像の位置ずれを検出す
る信号処理回路とから基本的に構成されている。

丑ず、第１図及び第２図により本発明による焦点位置検
出装置の基本原理について説明すれば、第１図は合焦状
態を示しており、発光素子７による点像は微小レンズ５
を経た後撮像レンズｌの像面と共役な位置Ｐを通り、ビ
ームスプリッタ−４を経て撮像レンズ（対物レンズ）１
から光束Ａとなって合焦位置にある物体２上に点像Ｑと
して形成される。点像Ｑは、物体２が散乱体の場合は撮
像レンズ１の開ロ一杯の光束となって像面に配置された
受光素子３上に点像Ｑ′として結像される。又、物体２
が鏡面の場合は光束Ｂとなって受光素子３上に点像Ｑ′
として結像される。一方、発光素子８による点像も微小
レンズ６を経た後同様にし−て受光素子３上に点像Ｑ′
として形成される（光束Ｂ参照）。従って、合焦状態の
場合は、発光素子７による点像も発光素子８による点像
も受光素子３上では全く同一の点像となることがわかる
。

一方、第２図は非合焦状態を示しており、発光素子７に
よる点像は微小レンズ５を経た後撮像レンズ１の像面と
共役な位置Ｐを通シ、ビームスプ、リッター４を経て撮
像レンズ（対物レンズ）１から光束Ａとなって合焦位置
にない物体２上にピントのずれた点像ＱＡとして形成さ
れる。尚、合焦位置は２′で示されている。点像ＱＡは
、物体２が昔乱体の場合は撮像レンズ１の開口に等しい
光束となって受光素子３上にピントのずれた点像Ｑλと
して形成される。又、物体２が鏡面の場合は光束Ｃとな
って受光素子３上にピントのずれた点像Ｑスとして形成
される。一方、発光素子８による点像も微小レンズ６ｆ
！：経た後同様に物体２上にピントのずれた点像ＱＢと
して形成された後受光素子３上にピントのずれた点像Ｑ
６として形成される（光”束Ｂ。

Ｄ参照）。この様に非合焦時の場合は受光素子３上の発
光素子７及び発光素子８の点像Ｑλ及びＱ吊具なった位
置に形成され、又合焦時の場合は同じ位置に形成される
。

ここで発光素子７及び発光素子８を交互に点滅させると
、合焦時には受光素子３上の点像の位置は変化しないが
、非合焦時には受光素子３上の点像は交互にＱ、；　、
　Ｑ６となって位置変化を生じる。従って、合焦を行な
う場合には受光素子３上の点像の移動が生じないように
撮像ンンズｌ（顕微鏡の場合は物体２）を移動すれば良
い。

又、点像の移動方向及び移動量から前ピン、後ビンの判
定及びデフォーカス量の測定が可能である。特にデフォ
ーカス量が小さい場合には、発光素子７及び発光素子８
による光束のなす角を０゜点像の移動量をδとすれば、
像側のデフォーカスよりめることが出来る。尚、以上は
点像として話を進めたが、必ずしも点像である必要は無
い。

次に、第３図乃至第７図により、第一の実施例として上
記原理を一眼レフカメラに応用した場合について説明す
る。第３図はその光学系を示しており、９は撮像レンズ
、１０はクイックリターンミラー中に設けられたビーム
スプリッタ、１】はミラー、１２はビームスプリッタ、
１３は受光素子、１４　、　］、　５は微小レンズ、１
６．１７は発光素子である。以上のように第１図と同様
な光学系がカメラの中に設置されている。この場合、受
光素子１３としては、ラテラル・フォト・エフエフ）　
（Ｌａｔｅｒａｌ　Ｐｈｏｔｏ　Ｅｆｆｅｃｔ　）を利
用した半導体装置検出器が用いられている。

第４図は上記第一の実施例の信号処理回路を示している
が、先づ、第５図により受光素子１３の詳細な構造につ
いて説明すれば、３０は高抵抗Ｓｉ基板、３１はｐ型抵
抗層、３２はｎ十層、３３は共通電極、３４．３５は電
極であって、表面層はｐ−ｎ接合により光電効果を発揮
するようになっている。従って、図示の如く光がｐ型抵
抗層３１に入射すると、その入射位置に応じて電極３４
．３５から各々出力電流ＩＡ　、　ＩＢが得られる。こ
こで電極３４及び３５の間の距離をｅ、抵抗をＵとし、
更に電極３４から光の入射位置までの距離をＸ、その部
分抵抗をＲＸ　、入射光により発生した光電流を１０と
すれば、 となり、抵抗層が均一であれば、次式が得られる従って
、電極３４．３５の出力電流ＩＡ　、　ＩＢからＩＡ−
ＩＢ　１−２ｙ □　＝　□　（４） ＩＡ十ＩＢ　ｌ！ なる演算を行うことにより、入射エネルギー即ち入射光
量に無関係に光の入射位置即ち距離Ｘがめられる。尚、
入射光量は、次式 ％式％（５１ 再び第４図において、１８．１８’は受光素子１３の二
つの電極３４．３５からの出力電流ｒｈ　、　ＩＢを増
幅する為の電流増幅器であって、出力はＶＡ　、ＶＢと
なる。１９は（ＶＡ　−ＶＢ　）を演算する減算器、２
゜は（ＶＡ−１−ＶＢ　）を演算する加算器、２１は（
ＶＡ−Ｖｌｌ）／　（ＶＡ−１−ＶＢ　）　（式（４）
に相当する）の演算を行なう除算器である。２２は除算
器２１の出力信号がら直流バイアス成分を除去した後そ
の出力信号に応じてレンズ駆動回路２３を制御する制御
回路であって、その回路構成は例えば第６図に示すよう
になっている。即ち、３６は整流回路、３７は微分回路
、３８はコンパレーター、３９はゼロレベル検出回路で
あり、除算器２１からの交流出力信号は整流回路３６に
より直流信号に変換され、微分回路３７を介してコンパ
レーター３８により正負の判定が行われ、前記信号が減
少しつＸあるのか増加しつメあるのかを判別して増加し
つ５ある場合はレンズ駆動の方向を反転させ、該信号が
「ゼロ」になったことをゼロレベル検出回路３９が検出
することにより合焦が検出され、レンズ駆動が停止され
るようになっている。尚、２４は発光素子１６及び１７
を交互に点滅させるドライブ回路である。

本発明による焦点検出装置は上述の如く構成されている
から、撮像レンズ９を一定の位置において、捷ず光源１
６．１７を交互に発光させると、非合焦状態では例えば
第７図（ａ）に示した如き一定振幅の信号が除算器２１
から出力される。ここで、この信号の振幅は合焦点から
の外れの目安となり、もし振幅−〇であれば合焦状態で
あることを意味している。そこで、撮像レンズ９をわず
かずつ光軸に沿って移動させると、除算器２Ｉの出力信
号は第７図（ｂ）又は第７図（ｃ）に示した如き信号に
変化する。そして、この信号を整流回路３６により整流
して平滑化すれば、第７図（ｄ）又は第７図（ｅ）に示
した如き信号に変化する。従って、これを微分回路３７
により微分すれば信号変化の包絡線の傾きが得られる。

そして、この傾きが負であれば合焦点に近づきつ＼あシ
、正であれば合焦点から離れつ＼あることになる。そこ
で、この正負をコンパレータ３８で判定し、正の場合に
は反転信号を。

負の場合には正転信号をレンズ駆動回路２３に夫夫加え
れば、撮像レンズ９は合焦点に向って移動せしめられる
。そして、振幅−〇となった時に撮ｒ象レンズ９の移動
を停止すれば合焦状態となる。

かくして、本発明装置による焦点検出が行われるが、本
発明装置は、瞳分割手段を必要としないので光学系が簡
単となり、而も受光素子は簡単な構造のもの一個で済む
ので信号処理系が簡単になると共に調整も容易となる。

そして、光学系も信号処理系も簡単となることから全体
の構成が簡単となり、その結果光学機器や医療機器に無
理なく組み込むことが出来る。又、受光素子として半導
体装置検出器を用いているので、実時間で信号が入力さ
れるようになりその結果合焦速度が向上する。

第８図は上記制御回路２２として簡単なマイクロプロセ
ッサを用いた場合のフローチャートを示しており、まず
発光素子１６’１ＯＮｌ、てその時の点像位置Ｑスを入
力し、次に発光素子１７をＯＮしてその時の点像位置鼾
を入力する。次にその差（像のずれ）δ−Ｑ、Ｈ−改を
める。δの符号がデフォーカスの方向（前ピン、後ビン
）を示し、δの絶対値がデフォーカス量に対応している
ことになる。次に（１）式の計算を行ない、像のずれδ
をデフォーカス量ｄに換算し、レンズ９を駆動すること
により合焦を得ることが出来る。この時、デフォーカス
量ｄが大きい場合は、物体から反射して戻ってくる発光
素子１６．１７からの光束がレンズ枠等でけられて光量
が少なくなる。そこで、デフォーカス量ｄが大きい場合
には受光素子１３が得る光量（ＶＡ＋Ｖ１１　）を検出
して、この値が太きくなる様にレンズ９を駆動せしめて
受光素子１３が点像蘇とＱ６の位置を検出できるように
すれば合焦むお゛ 速度を速くすることができる。参尭、発光素子１６、Ｉ
Ｔは普通のランプ、ＬＥＤ　、レーザー。

半導体レーザー等測を用いても良いが、実用的には赤外
Ｌ　Ｅ　Ｄ、、赤外半導体レーザーが適している。

又、受光素子１３は半導体装置検出器でなくとも、いわ
ゆるＣＣＤ型、ＭＯＳ型等のイメージセンサ−を用いて
も良い。

第９図は第二の実施例として上記原理を落射型の顕微鏡
に応用した場合の基本光学系を示しており、４０は図示
しないステージ上に置かれた試料、４１は対物レンズ、
４２．４３はビームスプリッタであって、他の部材で第
一の実施例と同一の部材には同一符号を付してその説明
は省略する。以上のように第１図と同様な光学系が顕微
鏡内に設置されている。

この場合、信号処理系は第一実施例で示した処理系と同
じ作用をするものであれば良いが、金魚信号によって駆
動されるのは対物レンズ４１でけなく試料４０をのせた
ステージである。また対物レンズ４１を含めた系の倍率
をβとすると、ステージの移動量ｄ′は（１）式から よりめることが出来る。尚、顕微鏡対物の場合、色収差
補正が違うタイプのレンズがあるので、赤外光で合焦を
調整した場合の可視光との焦点位置の差が各タイプによ
り一定でない場合が生じる。

との場合発光素子１６．１７を可視光にすると問題は無
いが、その場合は視野外の軸外光で第１図の光学系が構
成されるようにすると良い。

上述の如く、本発明による焦点検出装置は、光学系や信
号処理系が簡単となり調整も容易であるという実用上重
要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による焦点位置検出装置の基本原理を説
明するための図、第３図は第一の実施例の光学系を示す
図、第４図は」二記第−の実施例の信号処理回路を示す
図、第５図は上記光学系中の受光素子の構造を示す図、
第６図は上記信号処理回路中の制御回路の構成を示す図
、第７図は上記制御回路による信号処理過程を示す図、
第８図は上記制御回路としてマイクロプロセッサを用い
た場合のフローチャー）ｋ示す図、第９図は第二の実施
例の光学系を示す図である。 ９・・・・撮像レンズ、１０・・・・ビームスプリッタ
−１１１・・・・ミラー、１２・・・・ビームスプリッ
タ−１１３・・・・受光素子、１４．１５・・・・微小
レンズ、１６．１７・・・・発光素子、１８．１８’・
・・・電流増幅器、１９・・・・減算器、２０・・・・
・加算器、２１・・・・除算器、２２・・・・制御回路
、２３・・・・レンズ駆動回路、２４・・・・ドライブ
回路。 オＩ　図 第３図 第４図 第５図 （ θ 第６図　０ ９ （ オフ図 手続補正書（方式） 昭和５８年１２月８日 １、事件の表示 特願昭５８−１５０７４１号 公昭　号 ２、発明の名称　焦点検出装置 ３、補正をする者　特許出願人 東京都渋谷区幡ケ谷２の４３の２ ５、補正命令の日付　昭和５８年１１２９日６、補正の
対象 明細書の図面の簡単な説明の欄。 ７、補正の内容 （１）明細書第１３頁下から４行目の「第１図は」を「
第１図及び第２図は」と訂正する。 手続補正書（自発） １．事件の表示 特願昭５８−１５０７４１号 公昭　号 ２、発明の名称　焦点検出装置 ３、補正をする者　特許出願人 東京都渋谷区幡ケ谷２の４３の２ ４、代　理　人 〒１０５東京都港区新橋５の１９ ５、補正の対象 明細書の特許請求の範囲の欄及び発明の詳細な説明の欄
。 ６、補正の内容 （１）特許請求の範囲を別紙添付の通シ訂正する。 （２）明細書第３頁１０〜１１行目の「像面と共役な位
置を通り」を削除する。 （３）明細書第１０頁９〜１１行目の「正の場合には・
・・・加えれば」を「負の場合にはレンズ駆動回路２３
がそのｉｔ作動するようにし、正の場合には反転信号を
レンズ駆動回路２３に加えるようにすれば」と訂正する
。 特許請求の範囲 光学系中の異なる経路を通過する光束を用いて像の位置
ずれを生じさせて焦点位置を検出するようにして成る焦
点位置検出装置において、異なる経路を通過して物体面
に向う一対の光束を交互に生成し得る光源と、像面に配
置されていて物体面で反射した前記一対の光束の像の位
置を検出する受光素子と、前記受光素子からの信号によ
り前記像の位置ずれを検出する信号処理回路とから構成
されていることを特徴とする焦点検出装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学系中の異なる経路を通過する光束を用いて像の位置
   ずれを生じさせて焦点位置を検出するようにして成る焦
   点位置検出装置において、像面と共役な位置を通り異な
   る経路を通過して物体面に向う一対の光束を交互に生成
   し得る光源と、像面に配置されていて物体面で反射した
   前記一対の光束の像の位置を検出する受光素子と、前記
   受光素子からの信号により前記像の位置ずれを検出する
   信号処理回路とから構成されていることを特徴とする焦
   点検出装置。