JP2902283B2

JP2902283B2 - 自動合焦装置

Info

Publication number: JP2902283B2
Application number: JP30477093A
Authority: JP
Inventors: 寿玉村
Original assignee: Sony Tektronix Corp
Current assignee: Tektronix Japan Ltd
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1993-11-10
Publication date: 1999-06-07
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: JPH07134025A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】自動合焦装置に関し、特に対象物
が近接している場合でも的確に焦点を合わせることがで
きる自動合焦装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来の自動焦点装置のブロック
図である。対象物１８は例えば光ディスクであり、光デ
ィスク上のピットをこのレーザ光線で読み取るととも
に、同じレーザ光線が光ディスクに対する焦点合わせの
ための焦点検出用光線としても使用される。レーザ・ダ
イオード（ＬＤ）１０が出力する光線は、通常点光源と
みなすことができる。その光線は、コリメータ・レンズ
１２で平行光線にされた後、対物レンズ１６を介して対
象物１８の表面上でほぼ１点に集光する。対象物１８か
らの反射光は、逆の光路で対物レンズ１６に入射され、
偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）１４により一部が焦
点検出回路１００に送られ、また一部は例えばピット読
出回路等（図示せず）に送られる。

【０００３】対象物１８からの反射光は、ビーム・スプ
リッタ１４及び２２を介して焦点検出回路１００の４分
割光検出器（焦点検出用受光素子）３０に入射される。
無偏光ビーム・スプリッタ（ＮＰＢＳ）２２には、この
場合鏡を用いても良い。この４分割光検出器３０は、そ
の光検出面がそれぞれ同じ特性を有する４つの光検出領
域から構成されている。４分割光検出器３０は、レンズ
系２４〜２８と共に焦点検出回路１００を構成する。図
３に示すＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ領域は、それぞれ光検出面上
の４つの光検出領域に対応し、それぞれが検出した光量
に対応する電圧を発生する。対象物１８からの反射光
は、対物レンズ１６と対象物１８との距離により、図４
に示すように４分割光検出器３０の光検出面上に集光す
る。即ち、対物レンズ１６が対象物１８に焦点が合う焦
点位置を中心として、対物レンズ１６と対象物１８の距
離が遠いとＡ及びＣ領域を横切るように集光し、距離が
近いとＢ及びＤ領域を横切るように集光する。そして、
対物レンズ１６の焦点が合うと、ほぼ円形の光となって
集光する。円形に集光するのは、ＬＤ１０が点光源だか
らである。

【０００４】図５は、夫々フォト・ダイオード等で構成
される光検出領域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ領域で発生したそれ
ぞれの電圧から（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）の関係式で求め
た電圧Ｖｆを、焦点位置を中心とする距離との関係で示
している。この電圧Ｖｆのレンズの位置に関する信号を
一般にフォーカス誤差信号と呼んでいる。焦点位置（図
５中の原点）では、４分割光検出器３０の光検出面上で
ほぼ円形の光となり、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ領域で発生する
電圧がほぼ等しくなるため、電圧Ｖｆはほぼ０となる。
一方、焦点位置を中心として、対物レンズ１６と対象物
１８の距離が遠すぎる、又は近すぎる場合には、対象物
１８の表面での光の反射が弱くなるので、各光検出領域
で検出する光も弱くなる。従って、電圧Ｖｆはかなり小
さくなる。ところが図４からわかるように、対物レンズ
１６と対象物１８の距離が焦点位置から所定範囲内にあ
る場合には、Ａ及びＣ領域、又はＢ及びＤ領域のどちら
かで発生する電圧のために、電圧Ｖｆにａ又はｂで示す
ピークが生じる。

【０００５】対象物１８が対物レンズ１６に対して前後
に変動する場合には、レンズ駆動装置１２で対物レンズ
１６を移動させて焦点が合うように常にその位置を制御
する必要がある。レンズ駆動部２０はコイルによる電磁
石になっており、サーボ回路３４がフォーカス誤差信号
に応じてレンズ駆動部２０に電流を送りその磁力を変化
させる。対物レンズ１６は、レンズ駆動部２０からの磁
力の変化に反応してその位置が変化するようになってい
る。よって、フォーカス誤差信号がピークａ及びｂの間
にあれば、電圧Ｖｆの値を常に０に保つようにサーボ回
路３４中にある焦点位相補償回路によって対物レンズ１
６の位置を制御することにより、対象物１８の対物レン
ズ１６に対する変動にかかわらず焦点を合わせ続けるこ
とができる。

【０００６】例えば顕微鏡で対象物を観測する場合を考
えると、その観測の対象物が静止している場合には、手
動によって焦点を合わせることも比較的容易である。し
かし、対象物を移動させながら観測する場合であって、
対象物表面に微妙な凹凸がある場合には、移動の度に焦
点を合わせる必要があり、対象物に的確に焦点を合わせ
続けるのは非常に煩雑である。そこで上述のような自動
合焦装置を使用すれば、常に焦点を合わせ続けることが
できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところでレーザ・ダイ
オード１０が点光源であれば、上述の自動合焦装置でも
なんら問題はないが、発光面積の広いレーザ・ダイオー
ドを使用する場合には、次のような問題があった。即
ち、発光面積の広いレーザ・ダイオードは、レーザの発
光輝度が発光面で一様ではなく、まばらに広がってい
る。このような発光面積の広いレーザ・ダイオードで
は、レンズの焦点を合わせてもレーザ光線が光検出面で
広がってしまうため、従来の自動合焦装置では合焦でき
ているのか判断できなかった。即ち、焦点検出用光線と
しては使用できないのである。なお、本明細書中おい
て”発光面積が広い”とは、ミクロン単位である４分割
光検出器（焦点検出用受光素子）の光検出面の面積と比
較して、焦点検出に使用するには広いという意味であ
る。また、発光面積の広いレーザ・ダイオードとしては
例えば高輝度レーザ・ダイオードがあり、これは素子の
溶融を防ぐため発光面積が広くなっている。

【０００８】また、図２のレーザ・ダイオード１０の位
置に電荷結合素子（ＣＣＤ）を配置して、例えば顕微鏡
の映像をビデオ信号として出力するために自動合焦装置
を適用しようとする場合を考える。これによれば、対象
物を移動させながら観測する場合であって、対象物表面
に微妙な凹凸がある場合でも、対象物に焦点を合わせ続
けることができるので非常に有効であるが、次のような
問題がある。即ち、対象物に焦点を合わせるのに、対象
物がメートル単位の遠くにある場合には、ＣＣＤと焦点
合わせのための光線は、近似的に同軸上にあると見なせ
るため、ＣＣＤと焦点合わせのための光線とを対象物に
対して同じ光軸上にする必要はない。しかし、顕微鏡の
ように観測の対象物が非常に小さく、対物レンズに対し
て近接している場合には、合焦のために使用する焦点検
出用光線の光軸はＣＣＤに入射する光線と対象物に対し
て同一である必要がある。この場合、焦点検出用光線に
可視光線を単純に使用すると、ＣＣＤにも焦点検出用光
線が写ってしまうため、何らかの工夫が必要である。

【０００９】そこで本発明の目的は、焦点を合わせる対
象物が近接している場合に適した自動合焦装置を提供す
ることである。本発明の他の目的は、合焦が必要な発光
又は受光素子でありながらそれ自身の光を焦点合わせに
使用できない場合に適用する自動合焦装置を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の自動合焦装置
は、対象物１８に対して発光又は受光手段１１の焦点を
合わせる自動合焦装置である。このとき対物レンズ１６
は、対象物１８から発光又は受光手段１１に達する光路
上に配置される。ビーム・スプリッタ１４もこの光路上
に配置され、焦点検出用発光源４２はこれを介して対象
物１８に焦点検出用光線を出力する。焦点検出用発光源
４２には、点光源を使用する。焦点検出回路１００は、
焦点検出用光線の対象物１８による反射光線を検出して
フォーカス誤差信号を出力する。このフォーカス誤差信
号に基づいてレンズ駆動手段２０は対物レンズ１６を駆
動し、対象物１８に対して発光又は受光手段１１の焦点
を合わせる。動作時間制御手段３４は、時分割信号を出
力して発光又は受光手段１１と焦点検出用発光源４２を
時分割で動作させる。これによって、発光又は受光手段
１１の光と焦点検出用発光源４２の光は、対象物に対し
て同軸の光路を持ちながら互いに干渉することがないの
で、発光又は受光手段１１に影響を及ぼすことなく焦点
を合わせ続けることができる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の自動合焦装置の一実施例の
ブロック図である。図２と対応するブロックには、同じ
符号を付している。本発明では図２において、レーザ・
ダイオード（ＬＤ）１０を配置した位置にＣＣＤなどの
受光素子１１、又は発光面積の広いレーザ・ダイオード
などの発光素子１１を配置することができる。発光面積
の広いＬＤは点光源でないため、その出力する光線が焦
点検出に使用できないことは上述の通りである。即ち、
この発光又は受光素子（発光又は受光手段）１１は、い
ずれもそれ自体では焦点合わせに使用できないことが特
徴である。

【００１２】本発明の位置実施例としては、焦点検出回
路に新たに焦点検出用発光源４２として焦点検出用レー
ザ・ダイオード（ＬＤ）が設けられる。焦点検出用ＬＤ
４２には、点光源を使用する。焦点検出用ＬＤ４２が出
力する焦点検出用光線は、コリメータ・レンズ４０、無
偏光ビーム・スプリッタ（ＮＰＢＳ）２２、偏光ビーム
・スプリッタ（ＰＢＳ）１４及び対物レンズ１６を介し
て対象物１８に照射される。その反射光は、無偏光ビー
ム・スプリッタ２２で４分割光検出器３０のある方向へ
曲げられる。焦点検出及び対物レンズ駆動の機構は、従
来例で説明した通りである。

【００１３】本発明のサーボ回路３４は、レンズ駆動部
２０を制御する他に発光又は受光素子１１及び焦点検出
用ＬＤ４２の動作タイミングについても制御する。即
ち、発光又は受光素子の入出力光と、焦点検出用ＬＤの
出力光の干渉を防止するため、発光又は受光素子１１及
び焦点検出用ＬＤ４２を交互に時分割で動作させるべ
く、時分割信号を供給する。時分割信号は、例えば所定
のデューティー比を有するパルス信号とし、発光又は受
光素子１１及び焦点検出用ＬＤ４２のどちらかに一方に
供給する時分割信号をインバート・ゲートで反転させれ
ば、交互に動作させることができる。

【００１４】本発明によれば、発光素子１１に発光面積
の広いＬＤ、例えば高輝度ＬＤを使用しても焦点を正確
に合わせることができるので、生地、金属など種々の部
材を高い出力で精密加工することができる。この場合、
発光面積の広いＬＤは、焦点検出用受光素子３０にとっ
ては太い光線であるが、ミクロン単位であるから部材の
精密加工には充分に細い光線である。また、受光素子１
１としてＣＣＤ等を用いれば、対物レンズ１６に対して
近接した対象物に対しても焦点を合わせることができ
る。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、発光素子１１に発光面
積の広いＬＤを使用しても焦点を正確に合わせることが
できるので、生地、金属など種々の部材を高い出力で精
密加工することができる。また、受光素子１１としてＣ
ＣＤ等を用いれば、焦点検出用光線の光路と受光素子の
光路が対象物に対して同軸になっているので、対物レン
ズ１６に対して近接した対象物に対しても焦点を合わせ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動合焦装置の一実施例のブロック図
である。

【図２】従来の自動合焦装置の一例のブロック図であ
る。

【図３】焦点検出用受光素子の光検出面を示す図であ
る。

【図４】焦点検出用受光素子の光検出面上に集光した焦
点検出用光線が焦点位置との距離によって変化するよう
すを示した図である。

【図５】フォーカス誤差信号と焦点位置との距離の関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

１１発光又は受光手段１２コリメータ・レンズ１４偏光ビーム・スプリッタ１６対物レンズ１８対象物２０レンズ駆動手段３０焦点検出用受光素子３４動作時間制御手段（サーボ回路）４０コリメータ・レンズ４２焦点検出用発光源１００焦点検出回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物に対して発光又は受光手段の焦点
を合わせる自動合焦装置であって、上記対象物から上記発光又は受光手段に達する光路上に
配置される対物レンズと、上記光路上に配置されるビーム・スプリッタと、該ビーム・スプリッタを介して上記対象物に焦点検出用
光線を出力する焦点検出用発光源と、上記焦点検出用光線の上記対象物による反射光線を検出
してフォーカス誤差信号を出力する焦点検出回路と、上記フォーカス誤差信号に基づいて上記対象物に対して
上記発光又は受光手段が焦点を合わせる方向に上記対物
レンズを駆動するレンズ駆動手段と、上記発光又は受光手段と上記焦点検出用発光源を時分割
で動作させる動作時間制御手段とを具えることを特徴と
する自動合焦装置。