JP2001166202A - 焦点検出方法及び焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザを光源とし、集光レンズを備え
たコリメータ光学系のコリメート調整を容易に高精度に
行うことができるようにする。 【解決手段】 コリメータ光学系１０１，１０２からの
射出光を集光レンズ１で集光させ、この集光レンズ１の
焦点の前後それぞれにおいて撮像素子２，３により光束
断面の光強度分布に対応した像を撮像し、これら撮像素
子２，３における各画素列または各画素行について検出
された光強度を積算し、該各画素列または各画素行につ
いての積算値に基づいて光束径を算出して焦点位置を検
出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学系の焦点位置
を検出する方法及び装置に関し、コリメータによる光束
の平行度（コリメート度）の測定にも適用できるもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、点光源とコリメータレンズ（集光
レンズ）とを用いて、平行光束を射出するように構成さ
れた光源装置（コリメータ）が提案されている。このよ
うな光源装置においては、点光源をコリメータレンズの
焦点位置上に正しく位置させることにより、射出される
光束が正確に平行な光束となるように調整する必要があ
る。近年においては、点光源の位置調整誤差は、コリメ
ータレンズの焦点距離に対して、０．１％程度以下とす
ることが要求されている。

【０００３】このような調整は、従来、オートコリメー
タを用いることによって行われている。オートコリメー
タは、光束が入射される集光レンズと、この集光レンズ
の焦点面上に配置されたスクリーンとを備えて構成され
たものである。すなわち、光源装置からの射出光をオー
トコリメータの集光レンズに入射させてスクリーン上を
観察し、このスクリーン上に形成される光スポットの直
径が最小になるように、光源装置における点光源と集光
レンズとの位置関係を調整するものである。

【０００４】また、オートコリメータを使用して調整を
行う場合において、このオートコリメータの焦点面上に
回転操作されるナイフエッジを配置する方法も行われて
いる。このナイフエッジの背後には、光軸上に位置する
境界線によって受光面が２分割され各受光面ごとに独立
した光検出出力が得られる２分割フォトダイオード（Ｐ
Ｄ）を配置する。焦点面上のナイフエッジを回転させる
と、コリメータが作る光束が断続的に切断される。光源
装置からの出射光束が平行光束ではない場合には、この
出射光束は、オートコリメータの焦点面上のナイフエッ
ジから少し外れた場所にピントを結ぶ。すると、ナイフ
エッジが切断する場所は光束の焦点から外れたところと
なり、２分割フォトダイオードからの２つの光検出出力
の変動は、互いに一定の位相差を有するものとなる。こ
の位相差及び遮断時間を計測することにより、焦点ずれ
量を定量化することができる。

【０００５】さらに、上述のオートコリメータにおい
て、いわゆるシュリーレン法を用いることもできる。す
なわち、オートコリメータの焦点面上に固定ナイフエッ
ジを配置し、このナイフエッジの背後に、固体撮像素子
（ＣＣＤ）や感光フィルムなどの二次元光センサを配置
する。この二次元光センサにより得られる像を観察しな
がら調整を行うことにより、非常に高精度の調整を行う
ことができる。

【０００６】また、フィゾー、トワイマングリーン、マ
ッハシュナイダ、シェアリングなど、干渉計を使用する
調整方法も考えられる。これは、光源装置からの出射光
束の波面を光の干渉を利用して定量化する方法である。
すなわち、光源装置からの出射光束が平行光束である場
合には、干渉計において発生する干渉縞は直線群とな
る。しかし、出射光束が平行光束から僅かでも狂ってい
る場合には、干渉縞は、曲線群となる。この方法は、感
度が非常に高く、干渉縞解析装置を併用すれば、光源装
置の集光レンズの焦点距離の１／１００，０００程度の
感度を実現することができる。

【０００７】なお、上述のような光源装置の調整に使用
されるオートコリメータを調整するには、調整するオー
トコリメータの集光レンズよりも長焦点のコリメータレ
ンズを用いる方法がある。すなわち、調整されるべきオ
ートコリメータの集光レンズの焦点距離の２倍以上の長
い焦点距離を持つコリメータレンズを用意し、このコリ
メータレンズの焦点位置に、透過型の指標板を配置し、
これらオートコリメータとコリメータレンズとを相対向
させる。まず、コリメータレンズ側の光源を点灯して指
標板を照らし、オートコリメータの接眼指標板にコリメ
ータレンズ側の指標板の像が正しく重なるように該接眼
指標板の位置を調整する。次に、オートコリメータ側の
光源を点灯し、コリメータレンズ側の光源を外してルー
ペで観察する。そして、オートコリメータの接眼指標板
の像がコリメータレンズ側の指標板に正しく重なるよう
に、オートコリメータの接眼指標板の位置を調整するこ
とにより、オートコリメータの調整を行うことができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に、光源装置からの出射光束を平行光束とする調整にお
いて、オートコリメータを用いる場合には、充分に正確
な調整ができない。これは、この調整方法が、ランプを
光源とする出射光束径が充分に大きい光源装置には適し
ているが、レーザ光学系のように光束径が小さい光源装
置の場合には、ピント調節を行っても光スポットの大き
さが変化しない領域があるためである。また、光スポッ
ト径が最小となったことの判断は、人間の目視により行
われるので、作業者によって個人差があり、この個人差
が誤差要因の一つになる。

【０００９】また、上述のように、回転操作されるナイ
フエッジを用いる場合には、オートコリメータの光軸に
対して光源装置の光軸が傾いている場合には、誤差が大
きくなるという欠点がある。

【００１０】さらに、固定ナイフエッジと二次元光セン
サとを用いる場合においては、固定ナイフエッジの位置
調整を頻繁に行う必要があるなどにより、焦点ずれ量の
定量化が難しく、また、光軸の傾きが誤差の要因になる
とともに、装置が大型化することも欠点である。

【００１１】そして、干渉計を用いる調整方法において
は、装置のセットアップが難しく、加えて、半導体レー
ザ光学系などのように、若干、波面にエラーを伴う場合
には、感度の高さが災いし、複雑な曲線群が現れてしま
い、正確なピント位置が特定できなくなることがある。
また、装置が大型で高価であることも欠点である。

【００１２】また、上述したようなオートコリメータの
調整方法は、作業者の熟練を必要とし、焦点ずれ量の定
量化が難しい。加えて、焦点距離の比較的短いオートコ
リメータを調整する場合には、指標板像の倍率が低くな
るため、大きな誤差が生ずる虞れがある。さらに、装置
が大型化することも欠点である。

【００１３】そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提
案されるものであって、比較的調整の難しい、半導体レ
ーザを光源とする半導体レーザ光学系で、しかも、波面
誤差を伴いやすい焦点距離１０ｍｍ前後の集光レンズを
備えて構成されるコリメータ光学系の調整を容易に高精
度に行うことができる焦点検出方法及び焦点検出装置を
提供しようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明は、入射される光束を集光させて焦点を結ぶ
集光レンズの該焦点位置を検出する焦点検出方法におい
て、検出する焦点の前後それぞれにおいて撮像素子によ
って光束断面の光強度分布に対応した像を撮像し、この
撮像素子における各画素列または各画素行について検出
された光強度を積算し、該各画素列または各画素行につ
いての積算値に基づいて光束径を算出して焦点位置を検
出することを特徴とする。

【００１５】また、本発明に係る焦点検出装置は、入射
される光束を集光させて焦点を結ぶ集光レンズと、この
集光レンズの焦点の前後それぞれにおいて光束断面の光
強度分布に対応した像を撮像する撮像素子と、この撮像
素子における各画素列または各画素行について検出され
た光強度を積算し該各画素列または該各画素行について
の積算値に基づいて光束径を算出して焦点位置を検出す
る演算手段とを備えていることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。

【００１７】本発明に係る焦点検出方法は、本発明に係
る焦点検出装置において実施される。この焦点検出装置
は、図１に示すように、光束が入射される集光レンズ１
と、この集光レンズの焦点の前位置に配置される第１の
撮像素子２と、該集光レンズの焦点の後位置に配置され
る第２の撮像素子３とを備えて構成される。

【００１８】第１及び第２の撮像素子としては、固体撮
像素子（ＣＣＤ）などを使用することができるが、固体
撮像素子に限られず、種々の方式のイメージセンサを使
用することができる。また、これら第１及び第２の撮像
素子は、同時に双方が存在している必要はないので、１
個の撮像素子を用いて、まず、集光レンズの焦点の前位
置に配置した状態で第１の撮像素子２として使用し、次
に、該集光レンズの焦点の後位置に移動させて第２の撮
像素子３として使用することとしてもよい。

【００１９】そして、各撮像素子２，３から出力される
光検出信号は、演算手段となる演算回路４に送られる。
この演算回路４は、図２に示すように、各撮像素子２，
３における各画素列、または、各画素行について、検出
された光強度を積算する演算を行う。すなわち、撮像素
子の画素は、複数画素からなる画素列が平行に複数行配
列された状態で、マトリクス状に配列されており、演算
回路４は、同一画素列に属する画素に応じた光強度を全
て積算し、行数と同数の積算値を得、または、同一画素
行に属する画素に応じた光強度を全て積算し、列数と同
数の積算値を得るものである。なお、これら各画素列に
ついての演算と、各画素行についての演算とは、その両
方を行うこととしてもよい。

【００２０】このようにして演算回路によって得られた
撮像素子における画素行数と同数の積算値、または、撮
像素子における画素列数と同数の積算値は、１次元の配
列メモリ５に格納される。

【００２１】この焦点検出装置は、図１に示すように、
半導体レーザの如き点光源１０１とコリメータレンズ
（集光レンズ）１０２からなり平行光束を射出するよう
に構成された光源装置（コリメータ）における射出され
る光束が正確に平行な光束となるようにする調整、すな
わち、コリメート調整に使用することができる。このコ
リメート調整は、点光源１０１のコリメータレンズ１０
２に対する位置を調整して、該コリメータレンズ１０２
の焦点位置上に正しく位置させることにより行う。

【００２２】本発明に係る焦点検出装置を用いて光源装
置のコリメート調整を行うには、図１に示すように、こ
の光源装置からの射出光束を集光レンズ１に入射させ
る。すなわち、光源１０１より発せられた拡散光束は、
コリメータレンズ１０２により、理想的には平行光束と
なり、焦点検出装置の集光レンズ１に入射し、この集光
レンズ１により集光される。このとき、集光レンズ１に
入射される光束が平行光束であれば、この光束は、集光
レンズ１の焦点において集光される。すなわち、集光レ
ンズ１の後側主点から集光点までの距離が、該集光レン
ズ１の後側焦点距離に等しくなる。

【００２３】したがって、この焦点検出装置において
は、本発明に係る焦点検出方法を実施することによって
集光レンズ１により形成される集光点の位置を検出すれ
ば、コリメータレンズ１０２より射出された光束が平行
光束であるか、すなわち、光源装置におけるコリメート
度の良否を判断することができる。

【００２４】ここで、光源装置から焦点検出装置に至る
全ての光学系において、塵挨や傷などが全く存在しない
理想的な状態であれば、第１及び第２の撮像素子２，３
において検出される像は、図３に示すように、（コリメ
ータレンズ１０２及び集光レンズ１が円形であるとし
て、）円形開口を経た光束として理想的な強度分布を示
すはずである（光束断面の光強度分布を断面内及びＡ−
Ａ断面で示す）。この場合には、光束の径を判定するこ
とは容易であり、該光束の焦点位置を特定することも容
易である。すなわち、第１及び第２の撮像素子２，３
は、集光レンズ１の焦点の前後において光束の断面像を
検出するので、各撮像素子２，３が検出する光束の径が
等しくなっていれば、これら各撮像素子２，３の中間位
置に焦点が存在していることになる。また、各撮像素子
２，３が検出する光束の径が等しくなくとも、それら径
の比率から、焦点位置を算出することができる。

【００２５】しかしながら、実際の測定においては、空
気中に浮遊する塵挨や、レンズ表面に付着または生じて
いる塵挨や傷によって、第１及び第２の撮像素子２，３
において検出される像は、図４に示すように、これら塵
挨や傷による回折の影響を受けた像となる（光束断面の
光強度分布を断面内及びＢ−Ｂ断面で示す）。この場合
には、光束の径を判定することは容易ではなく、したが
って、該光束の焦点位置を特定することも容易ではな
い。

【００２６】この焦点検出装置においては、上述のよう
に、演算回路４により、各撮像素子２，３について、各
画素列、または、各画素行についての積算値を求め、図
５に示すように、この積算値の分布をガウシャン分布と
みなして、光束の径を算出する。この算出は、メモリ５
に格納された積算値のデータを用いて行う。積算値は、
各画素列、または、各画素行に含まれる全ての画素にお
ける光強度を平均したものに相当するので、塵挨や傷に
よる回折の影響が分散されて少なくなっているのであ
る。したがって、このようにして算出される光束径に基
づいて、焦点位置を特定することができる。

【００２７】なお、演算回路４により、各撮像素子２，
３について、各画素列及び各画素行の両方について積算
値を求め、これらを平均した値に基づいて光束の径を算
出すれば、より制度の高い算出を行うことができる。

【００２８】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る焦点検出方
法及び焦点検出装置においては、披検レンズ系の１／１
０，０００程度という高い感度を有し、光学系内の塵挨
等による回折の影響を受けずに、正確に焦点位置の検出
を行うことができる。

【００２９】また、本発明に係る焦点検出装置は、セッ
トアップが簡単で、被検体の予備調整が不要であり、さ
らに、小型化、廉価化が容易である。

【００３０】本発明に係る焦点検出方法及び焦点検出装
置は、特に、短焦点距離、高ＮＡレンズを用いて単色点
光源から発せられる光を平行光束にする場合に、非常に
有効である。

【００３１】すなわち、本発明は、比較的調整の難し
い、半導体レーザを光源とする半導体レーザ光学系で、
しかも、波面誤差を伴いやすい焦点距離１０ｍｍ前後の
集光レンズを備えて構成されるコリメータ光学系の調整
を容易に高精度に行うことができる焦点検出方法及び焦
点検出装置を提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る焦点検出方法を実施するための本
発明に係る焦点検出装置の要部の構成を示す側面図であ
る。

【図２】上記焦点検出装置における撮像素子の構成を示
す正面図である。

【図３】上記焦点検出装置において検出される光束断面
の像であって理想的な状態における光強度分布を示すグ
ラフである。

【図４】上記焦点検出装置において実際に検出される光
束断面の像における光強度分布を示すグラフである。

【図５】上記焦点検出装置において本発明に係る焦点検
出方法に基づいて算出された光強度分布を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ 集光レンズ ２ 第１の撮像素子 ３ 第２の撮像素子 ４ 演算回路 ５ メモリ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射される光束を集光させて焦点を結ぶ
   集光レンズの当該焦点位置を検出する焦点検出方法であ
   って、 検出する焦点の前後それぞれにおいて、撮像素子によっ
   て光束断面の光強度分布に対応した像を撮像し、 上記撮像素子における各画素列、または、各画素行につ
   いて、検出された光強度を積算し、 各画素列、または、各画素行についての積算値に基づい
   て光束径を算出して、焦点位置を検出することを特徴と
   する焦点検出方法。
2. 【請求項２】 入射される光束を集光させて焦点を結ぶ
   集光レンズと、 上記集光レンズの焦点の前後それぞれにおいて、光束断
   面の光強度分布に対応した像を撮像する撮像素子と、 上記撮像素子における各画素列、または、各画素行につ
   いて、検出された光強度を積算し、該各画素列、また
   は、該各画素行についての積算値に基づいて光束径を算
   出して、焦点位置を検出する演算手段とを備えたことを
   特徴とする焦点検出装置。