JP2678457B2 - 合焦位置検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、結像光学系の予定結像面を検出するため
の合焦位置検出方法に関し、より詳細には受光素子等の
受光面を予定結像面に高精度で一致させるための合焦位
置検出方法に関するものである。

発明が解決しようとする課題 第11図は結像光学系の模式図であり、物体１が結像レ
ンズ２を介して受光面３上に結像する構成となってい
る。

このような結像光学系においては、物体に対する像の
倍率が低い場合、物体側の深度に比較して像側の深度が
浅いため、受光面３の位置設定に厳しい精度が要求され
る。例えば前記の倍率が10:1であると、深度の比率は10
²:1となり、像側では物側に比べて100倍の位置精度が求
められることとなる。このような精度で位置決めを行う
には、単に距離を計って各部品を配置するだけでは不十
分であり、光学的に合焦位置を検出しつつ位置決めを行
うことが望ましい。

そこで、受光面３上に形成される像のコントラストを
利用して合焦位置の微調整を行うことが考えられた。

レンズを介して結像される物体の光学像は、合焦時に
その像の明暗の差、すなわちコントラストが最大になる
という特性を持っている。これは物体像の各空間周波数
における光強度が合焦時に最大になるために起こる現象
である。

コントラストの分布は第11図のグラフに示したように
一般的には合焦時で最大値となる単峰状の分布を示して
いる。受光面３を光軸ｌに沿って前後に移動させてレン
ズ２から受光面３までの距離Ｄを変更すると、受光面３
上でのコントラストのレベルＣはピーク値を境に漸次減
少してゆくが、ここでは簡単のため分布形状が対称形で
あることを前提として説明する。

ここで検出能力、すなわちどの程度のコントラストの
差を検出できるかの分解能を一定値ｄとすると、ピーク
を含む範囲で検出を行った場合に特定できる受光面の位
置は比較的広い範囲A₁に分布して不確定性が強くなり、
前述したような厳しい精度の位置決めには利用できな
い。

これに対し、ピーク外の斜面部分で同一の検出能力ｄ
をもって特定される位置範囲A₂は比較的狭く確定性が増
加するが、１つのコントラスト曲線を一箇所で検出する
ことによって直接的に予定結像面を検知することができ
ない。

本発明の目的は、合焦位置を容易に且つ精度良く検出
することのできる合焦位置検出方法を提供することにあ
る。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明の合焦位置検出方
法は、透明部分と模様を有する第１チャートを結像光学
系の予定物体面より像面側に配置し、前記第１チャート
の模様とは方向が異なる模様を有する第２チャートを前
記予定物体面を挟んで前記第１チャートの反対側に配置
し、前記結像光学系による前記第１チャートの共役面と
前記第２チャートの共役面との間に受光面を配置し、 前記結像光学系と前記受光面の少なくとも一方を結像
光学系の光軸に沿って移動させて、前記第１チャートに
おける模様が前記結像光学系を介して前記受光面上に形
成される像のコントラストと、前記第２チャートにおけ
る模様の前記第１チャートの透明部分を通して前記結像
光学系によって前記受光面上に形成される像のコントラ
ストとを観察する一方、 前記両コントラストが同一となる、前記結像光学系ま
たは前記受光面の位置を求めることにより、前記予定物
体面と共役な予定結像面を合焦位置として検出すること
を特徴としている。

また、本発明の合焦位置検出方法は、透明部分と模様
を有する第１チャートを結像光学系の予定物体面より像
面側に配置し、前記第１チャートの模様とは空間周波数
が異なる模様を有する第２チャートを前記予定物体面を
挟んで前記第１チャートの反対側に配置し、前記結像光
学系による前記第１チャートの共役面と前記第２チャー
トの共役面との間に受光面を配置し、 前記結像光学系と前記受光面の少なくとも一方を結像
光学系の光軸に沿って移動させて、前記第１チャートに
おける模様が前記結像光学系を介して前記受光面上に形
成される像のコントラストと、前記第２チャートにおけ
る模様の前記第１チャートの透明部分を通して前記結像
光学系によって前記受光面上に形成される像のコントラ
ストとを観察する一方、 前記両コントラストが同一となる、前記結像光学系ま
たは前記受光面の位置を求めることにより、前記予定物
体面と共役な予定結像面を合焦位置として検出すること
を特徴としている。

発明の原理 第１図に基づいてこの発明の原理を説明する。

図中の符号４は結像光学系の予定物体面であり、符号
５は結像レンズ６を介して予定物体面４と共役な予定結
像面である。ここで光軸ｌに沿って光線の進む方向を
＋、レンズの主点を原点Ｏとする座標系を設定し、予定
物体面４の座標をａとする。

結像レンズ６の焦点距離をｆとすると、薄レンズの結
像公式、 から予定結像面５の座標ｂは理論的に定まることとな
る。但し、前述したように倍率によっては予定結像面５
の位置精度が相当厳しいものとなるため、理論的な座標
ｂが定まったとしても実際の位置決めが困難な場合があ
る。

そこでこの発明の方法では予定物体面４の前後に第１
チャート７と第２チャート８とを配置し、結像レンズ６
を介してこれらのチャートの像を結像させている。な
お、第１チャート７は透明部分を有しており、第２チャ
ート８からの光束はこの第１チャート７の透明部分を透
過して結像レンズ５によって結像される。

受光面は第１チャートの共役面７′と第２チャートの
共役面８′との間に配置され、光軸ｌに沿って移動され
る。移動に伴って第1,第２チャートの像のコントラスト
が互いに異なる方向に変化する。すなわち、受光面が図
中右側へ移動する際には第１チャートの像のコントラス
トが向上すると共に第２チャートの像のコントラストが
低下し、図中左側へ移動する際にはこれと反対に変化す
る。

前述したようにコントラスト曲線のピークを含まない
部分で検出しているため受光面の移動量に対応するコン
トラストの変化が大きく、また、相反する方向に変化す
る２つの像のコントラストを同時に検出しているため、
両者のコントラスト差の変化を見ることにより検出の精
度は更に高くなる。

ここで両者のコントラストが等しくなる位置、すなわ
ち光軸に沿う共役面７′と共役面８′との中点位置に予
定結像面を位置させるためには、第1,第２チャート面7,
8の座標a₁,a₂を下式のように定める必要がある。なお、
下式中、所定結像面から第１チャートの共役面７′及び
第２チャートの共役面８′までの距離をそれぞれ＋Δ，
−Δとしている。

a₁＝（ｂ＋Δ）・f/（ｆ−ｂ−Δ） …… a₂＝（ｂ−Δ）・f/（ｆ−ｂ＋Δ） …… 但し、上記の説明では簡単のため結像レンズ５を薄レ
ンズとして取扱っているが、厚レンズの場合にはa,a₁,a
₂は前側主点を原点とし、ｂは後側主点を原点とすれば
よい。

このような配置とすることにより、受光面上に形成さ
れる第1,第２チャートの像のコントラストが同一となる
位置を予定結像面５、すなわち合焦位置として検出する
ことができる。

なお、以上の説明では簡単のためにデフォーカス位置
Ｄに対応するコントラストの分布形状を対称形で説明し
たが、レンズ６に球面収差、色収差等が存在してコント
ラストの分布形状が非対称となった場合にも本質的な説
明には変わりがない。

実施例 以下、この発明の実施例を説明する。

〔第１実施例〕 第２図〜第５図はこの発明の第１実施例を示したもの
である。

ここではレンズシャッターカメラにおけるレンズユニ
ットのカメラボディに対する組付けにこの発明を適用し
た例を説明する。

一般にカメラでは物体に対する像倍率が小さいため像
側でのスペックが厳しく、撮影者がファインダーを介し
て実際にピントの確認をすることのできないレンズシャ
ッターカメラでは組立時に撮影レンズとフィルム面との
位置関係を正確に調整しておく必要がある。

側距型のオートフォーカス機能を備えるレンズシャッ
ターカメラでは、被写体距離に対応するレンズの繰り出
し量が段階的に定められている。それぞれの段階（ラッ
チ）は所定の被写体距離範囲をカバーするようになって
おり、合焦動作時に測距データに基づいて撮影レンズの
少なくとも一部を光軸に沿って移動させる。被写体距離
は、例えば赤外LEDと受光機構とによって三角測距の原
理を用いて検出している。

このような構成であるため、第２図に示したように撮
影レンズ９の特定のラッチにおける予定物体面を挟んで
透明なフィルムにパターンを描いた第１チャート10と不
透明なフィルムにパターンを描いた第２チャート11とを
配置し、これらがフィルム面12上で形成する像のコント
ラストを比較しつつ、撮影レンズ９を移動することによ
り特定のラッチにおける撮影レンズの正確な位置決めを
行うことができる。

２つのチャートは直線状の縞パターンであり、両者の
縞が撮影レンズ９の光軸方向に沿って互いに直交するよ
うに構成されている。また、縞パターンの空間周波数
は、それぞれのチャートの位置による予定結像面上での
像倍率に応じて第１チャート10の方が第２チャート11よ
り高く設定されている。

ここで、撮影レンズ９を焦点距離を35mmの薄肉系と仮
定し、複数の繰り出し段数のうち特定のラッチにおける
予定物体面と予定結像面との距離（式の−ａ＋ｂに相
当する）を2.5mとする。

撮影レンズ９が上記のラッチまで繰り出した状態にあ
る場合、予定結像面の結像レンズからの距離は６ページ
の式から35.5mmとなる。結像面の深度を±0.1mmとす
ると、このラッチでは前記の、式から約2.1〜3.1m
の被写体距離範囲をカバーしているものと考えられるこ
とができる。従って、撮影レンズ９の位置決めを行うに
は、第１チャート10を撮影レンズ９から2.1mの位置に配
置し、第２チャート11を3.1mの位置に配置する。なお、
この場合フィルム面12はカメラボディと一体であるた
め、撮影レンズ９を光軸方向に移動させて調整を行う。

上記のような配置とすれば、両チャートのコントラス
トが一致する位置を特定のラッチにおける予定結像面と
して検出することができる。コントラストの検出は、実
際にフィルムの装填して撮影する方法、あるいは、フィ
ルム面に二次元の撮像素子を配置して検出する方法等が
考えられる。

次に、上記の構成による実際の合焦位置検出について
説明する。なお、ここでは、撮像素子をフィルム面に配
置してその受像信号をテレビモニターで視認する方法を
例にとって説明する。

まず、少なくとも第２チャート11を照明する。第１チ
ャート10は前述したように透明フィルム上にパターンを
描いたものであるため、第２チャート11を照明すれば第
１チャート10の縞パターンは撮影レンズ９側から認識す
ることができる。

両チャートの像は撮影レンズ９を介してフイルム面12
の位置にある撮像素子上に形成され、その出力はモニタ
ーに表示される。

ここで、撮像レンズ９の位置を調整して撮像素子と撮
影レンズ９との位置関係を変化させる。

撮影レンズ９を図中の（−）方向に移動してゆくと、
徐々に第１チャート10の像のコントラストが高くなり、
モニターには第３図に示したような縦縞の画像が表示さ
れ、反対に（＋）方向に移動してゆくと徐々に第２チャ
ート11の像のコントラストが高くなり、モニターには第
４図に示したような縦縞の画像が表示される。

撮像素子が予定結像面に位置した際には、第５図に示
すように両チャートの縞パターンが同一のコントラスト
をもって表示される。第１図に示したようにレンズと受
光面との距離の変化に対するコントラストの変化が大き
い部位で、しかも２つのコントラストが反対方向に変化
する部位で検出を行っているため、両チャート像のコン
トラストが同一と認識できる範囲がかなり狭く、製品の
規格に合致した合焦位置検出を容易に行うことができ
る。

このような方法により、フィルム面を特定のラッチに
おける合焦位置とすることができる。なお、ラッチ相互
間の位置関係は部品精度を確保することによって保証で
きるため、１つのラッチにおける合焦位置を保証するこ
とにより他のラッチに対しても合焦位置を保証すること
ができる。

〔第２実施例〕 第６図〜第10図はこの発明の第２実施例を示したもの
である。

ここではファクシミリの光学系におけるラインセンサ
の位置の微調整にこの発明を適用した例を示している。
第６図の符号13は読取対象である原稿14を照明する蛍光
灯であり、原稿14の送り方向Ｓに直交して設けられ、原
稿14を幅方向にスリット照明する。照明された原稿14か
らの反射光は第1,第2,第３ミラー15,16,17を介して結像
レンズ18に入射し、この結像レンズ18によってCCDライ
ンセンサ19上に結像する。なお、ラインセンサ19は、第
６図を展開した第７図に示すように、原稿の幅方向Ｐに
沿って一列に並ぶ多数の受光素子を有しており、スリツ
ト照明された原稿14からの反射光によって形成されるス
リット像を受光して信号を出力する構成とされている。

この例のファクシミリはB4サイズの縦長原稿を送信で
きるように物体面で約260mmの幅を検出範囲とし、その
像を約28mm幅のラインセンサ19で受光するようにしてい
る。従って、物体に対する像の倍率は約0.1倍となり、
前述したようにラインセンサ19の受光面の位置決精度が
物体面に比べてかなり厳しく要求されることとなる。

そこで、受光面の位置決めに際して原稿14が配置され
る予定物体面を、透明フィルムに縦縞パターンが描かれ
た第１チャート20と、不透明フィルムに第１チャートと
は異なる空間周波数の縦縞パターンが描かれた第２チャ
ート21とによって挟み込み、これらのチャートのコント
ラストを検出することによって正確な位置決めを行う。

なお、第1,第２チャート20,21と結像レンズ18、ライ
ンセンサ19の受光面との位置関係は８ページの、式
を満たすものとされている。

ところで、ラインセンサ19は上述したように一次元的
なパターンの検出しかできないため、第１実施例のよう
に第１チャートのパターンと第２チャートのパターンと
を直交させることはできず、そのため上記のように両チ
ャートのパターンをラインセンサの受光素子の配列方向
に直交する縦縞パターンとしている。更に、合焦時に第
２チャート21のパターンが第１チャート20のパターンと
重なってコントラストの比較が不能となることを回避す
るため、予定結像面上での第１チャート20の縞パターン
の像と第２チャート21の縞パターンの像とが交互に配列
するように、すなわち、予定結像面上での空間周波数が
等しくなるように両チャートの空間周波数を以下のよう
に定めている。

第１、第２チャート、結像レンズ、受光面を第１図に
示したような配置とした場合、第１チャートの予定結像
面における像倍率m₁、第２チャートの予定結像面におけ
る像倍率m₂は、下記、式で表すことができる。

m₁＝b/a₁ …… m₂＝b/a₂ …… 従って、第１チャート20の空間周波数をF₁、第２チャ
ート21の空間周波数をF₂とすると、予定結像面には＋
Δ，−Δのデフォーカスを伴う各チャート像が形成さ
れ、その空間周波数F₁′,F₂′は F₁′＝F₁/m₁ F₂′＝F₂/m₂ で表される。

また、予定結像面上での各像の空間周波数F₁′,F₂′
の各々をＦ′として一致させるため、下記、式を満
たすようF₁、F₂が定められている。

F₁＝Ｆ′・m₁ …… F₂＝Ｆ′・m₂ …… 例えば、結像レンズ19の焦点距離をｆ＝27mm、結像レ
ンズ18を原点とした原稿面14、予定結像面の各座標をａ
＝−270、ｂ＝30とし、予定結像面と第1,第２チャート2
0,21の共役面との距離ΔをΔ＝0.2とすると、，式
から第1,第２チャート20,21の座標はa₁＝−254.8、a₂＝
−287.4となり、，式から像倍率はm₁＝−0.1177,m₂
＝−0.1044となる。

ここで、予定結像面上の両チャート像の空間周波数を
20Lines/mmで一致させる場合には、第１チャート20の空
間周波数F₁、第２チャート21の空間周波数F₂を、式
により、 F₁＝2.35Lines/mm F₂＝2.09Lines/mm とすればよいこととなる。

なお、上述した例では第1,第２チャートをそれぞれ別
個のフィルムとして構成したが、同一機種の製品の検査
にのみ使用する場合には、第８図に示したような直方体
状のガラスブロックの平行な対向面にそれぞれ第１チャ
ート、第２チャートのパターンを描いてもよい。

なお、重なり像の解析を容易とするためには、予定結
像面上で空間周波数20Lines/mmのチャート像が第９図
（ａ）、（ｂ）に示すように黒レベルが狭く、白レベル
が広くなるよう各チャートを設定し、重なり合った際の
像の空間周波数が40Line/mmで白黒のピッチが第９図
（ｃ）に示すようにほぼ等しくなるようにすればよい。

さて、次に上記のような条件で設定されたチャートを
利用した合焦位置検出の過程を説明する。

ラインセンサ19の出力は、２つのチャート像のコント
ラストに応じて以下のように変化する。

ラインセンサ19の受光面が第１チャート20の共役面に
位置する場合、第１チャート20の像は空間周波数が19.8
6Lines/mmでコントラストは第10図（ａ）に示すように
最大となり、第２チャート21の像のコントラストはこれ
に比べてかなり低く第10図（ｂ）の状態となっている。
従って、ラインセンサ19の出力は理論的には第10図
（ｃ）に示すように、コントラストの高い像と低い像と
が繰り返される形状となる。但し、実際には回折等の影
響により、これよりやや崩れた形となる。

反対にラインセンサ19の受光面が第２チャート21の共
役面に位置する場合、上記とは本体に第２チャート21の
像は空間周波数が20.14Lines/mmでコントラストが最大
となり、第１チャート20の像のコントラストは低下す
る。

次に、ラインセンサ19の受光面を第１チャート20の共
役面から第２チャート21の共役面へ向けて移動すると、
センサの出力信号は第10図（Ｃ）に示すように第１チャ
ート像に対応する振幅の大きな信号と、第２チャート像
に対応する振幅の小さな信号との複合となる。

これらの信号の振幅が同一となる位置がコントラスト
の等しい位置、すなわち合焦位置であり、この例ではそ
の場合に各像のパターンの空間周波数も等しくなる。検
出方法としては、前述の実施例のようにラインセンサ19
の出力をモニター表示して視認してもよいし、出力信号
をそのまま電気的に処理して比較を行ってもよい。

電気的に処理するためには、コントラストに対応して
変化する出力信号の振幅を検出し、各チャートに対応す
る２つの信号の振幅が一致した点を合焦位置とする方法
等が考えられる。

なお、上記のような構成とした場合には、予定結像面
に形成される第1,第２チャートの像の合成周波数（40Li
nes/mm）をＦ−Ｖ変換した基準電圧と、実際に出力され
る周波数をＦ−Ｖ変換した測定電圧とを比較することに
よっても受光面が合焦位置にあるか否かを判断すること
ができる。

また、上記の合焦位置検出に加えて、以下のような付
随的な検出も行うことができる。

第１に、結像レンズが複数の単レンズの集合として構
成される場合、レンズが相対的に偏心していると、場所
によって信号波形が崩れるため、上記の合焦位置検出に
連続して簡単に偏心の検出をも行うことができる。第２
に、軸上と軸外とのコントラストを比較することによっ
て結像レンズの像面湾曲を検出することができる。

発明の効果 以上、説明してきたようにこの発明の合焦位置検出方
法によれば、互いに異なる方向に変化する２つのチャー
トのコントラストを比較することにより、容易に、しか
も精度良く合焦位置の検出を行うことができる。

また、所定の条件を満たせば、合焦時に両チャート像
のコントラストを一致させることができ、より明確に合
焦位置を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る合焦位置検出方法の原理を示す
説明図、第２図はこの発明の第１実施例を示す説明図、
第３図〜第５図は受光面に置かれた撮像素子の出力画像
を示す説明図、第６図はファクシミリの光学系を示す説
明図、第７図は第６図の展開図、第８図はチャートが画
面に形成された光学ブロックの斜視図、第９図（ａ）
（ｂ）（ｃ）は予定結像面上でのチャート像を示す説明
図、第10図（ａ）（ｂ）（ｃ）は受光面に置かれたライ
ンセンサの出力信号を示すグラフ、第11図はコントラス
トのピーク検出の原理を示す説明図である。 ４……予定物体面 ５……予定結像面 6,9,18……結像レンズ 7,10,20……第１チャート 8,11,21……第２チャート ７′……第１チャートの共役面 ８′……第２チャートの共役面

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明部分と模様を有する第１チャートを結
   像光学系の予定物体面より像面側に配置し、前記第１チ
   ャートの模様とは方向が異なる模様を有する第２チャー
   トを前記予定物体面を挟んで前記第１チャートの反対側
   に配置し、前記結像光学系による前記第１チャートの共
   役面と前記第２チャートの共役面との間に受光面を配置
   し、 前記結像光学系と前記受光面の少なくとも一方を結像光
   学系の光軸に沿って移動させて、前記第１チャートにお
   ける模様が前記結像光学系を介して前記受光面上に形成
   される像のコントラストと、前記第２チャートにおける
   模様の前記第１チャートの透明部分を通して前記結像光
   学系によって前記受光面上に形成される像のコントラス
   トとを観察する一方、 前記両コントラストが同一となる、前記結像光学系また
   は前記受光面の位置を求めることにより、前記予定物体
   面と共役な予定結像面を合焦位置として検出することを
   特徴とする合焦位置検出方法。
2. 【請求項２】結像光学系の光軸に沿って光束の進行方向
   を＋とする座標を設定した場合、前側主点を原点とした
   予定物体面の座標をａ、後側主点を原点とした予定結像
   面を座標をｂ、前記結像光学系の焦点距離をｆとし、後
   側主点を原点とした第１チャートの共役面及び第２チャ
   ートの共役面の座標をそれぞれｂ＋Δ,b−Δとしたとき
   に、前記前側主点を原点とした前記第１チャートの座標
   a₁と、前記前側主点を原点とした前記第２チャートの座
   標a₂とを、 a₁＝（ｂ＋Δ）・f/（ｆ−ｂ−Δ） a₂＝（ｂ−Δ）・f/（ｆ−ｂ＋Δ） とし、前駆受光面上に形成される第1,第２チャートの像
   のコントラストが同一となる位置を合焦位置として検出
   することを特徴とする請求項１記載の合焦位置検出方
   法。
3. 【請求項３】透明部分と模様を有する第１チャートを結
   像光学系の予定物体面より像面側に配置し、前記第１チ
   ャートの模様とは空間周波数が異なる模様を有する第２
   チャートを前記予定物体面を挟んで前記第１チャートの
   反対側に配置し、前記結像光学系による前記第１チャー
   トの共役面と前記第２チャートの共役面との間に受光面
   を配置し、 前記結像光学系と前記受光面の少なくとも一方を結像光
   学系の光軸に沿って移動させて、前記第１チャートにお
   ける模様が前記結像光学系を介して前記受光面上に形成
   される像のコントラストと、前記第２チャートにおける
   模様の前記第１チャートの透明部分を通して前記結像光
   学系によって前記受光面上に形成される像のコントラス
   トとを観察する一方、 前記両コントラストが同一となる、前記結像光学系また
   は前記受光面の位置を求めることにより、前記予定物体
   面と共役な予定結像面を合焦位置として検出することを
   特徴とする合焦位置検出方法。
4. 【請求項４】結像光学系の光軸に沿って光束の進行方向
   を＋とする座標を設定した場合、前側主点を原点とした
   予定物体面の座標をａ、後側主点を原点とした予定結像
   面の座標をｂ、前記結像光学系の焦点距離をｆとし、後
   側主点を原点とした第１チャートの共役面及び第２チャ
   ートの共役面の座標をそれぞれｂ＋Δ,b−Δとしたとき
   に、前記前側主点を原点とした前記第１チャートの座標
   a₁と、前記前側主点を原点とした前記第２チャートの座
   標a₂とを、 a₁＝（ｂ＋Δ）・f/（ｆ−ｂ−Δ） a₂＝（ｂ−Δ）・f/（ｆ−ｂ＋Δ） とし、前駆受光面上に形成される第1,第２チャートの像
   のコントラストが同一となる位置を合焦位置として検出
   することを特徴とする請求項３記載の合焦位置検出方
   法。