JP5962062B2 - 自動合焦方法及び装置 - Google Patents
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本発明を例示する自動合焦装置の別態様は、被写体の像を所定面上に形成する対物光学系と、前記像の虚像を観察眼に観察させる観察光学系と、2次元状のドット光からなるパターンの像を前記観察眼に投影するパターン投影手段と、前記観察眼の網膜からの戻り光であるパターン画像のうちの網膜中心近傍のドット画像の大きさに基づいて前記網膜中心に対するピント位置、又はそのずれ方向を検出する焦点検出手段と、前記焦点検出手段からの情報に基づいて、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは、前記所定面上に形成される像を離れて表示する表示面とを共役関係にし、且つ、前記対物光学系による前記所定面との共役面と、前記被写体との相対位置を変化させる焦点合焦手段と、を備えるものである。なお、焦点検出手段が網膜中心に対するピント位置を検出する場合には、観察光学系を構成する接眼レンズの屈折率や位置に基づいて算出すればよい。
パターンは、第1部分透過ミラー12、結像レンズ13、フィールドレンズ14、空間フィルタ15、第2部分透過ミラー16、接眼レンズ18、及び観察眼23のレンズ24からなる投影光学系を介して網膜Reに投影される。ここで、チャート用表示パネル11と投影光学系とがパターン投影手段を構成する。
尚、人間の目に入射した光は、角膜と水晶体により屈折されるが、ここでは、原理説明のために眼のレンズを単純化して、単レンズとして描いてある。
観察眼23は、観察用表示パネル17、第2部分透過ミラー16、接眼レンズ18、及び観察眼23のレンズ24で構成される観察光学系により観察用表示パネル17で表示した観察画像を拡大した虚像30を観察する。第1可変焦点部21は、結像レンズ13の焦点距離を可変する。第2可変焦点部22は、接眼レンズ18の焦点距離を可変する。
なお、空間フィルタ15と観察用表示パネル17の表示面17aとは、接眼レンズ18から光学的に等距離に配置されている。また、チャート用表示パネル11の表示面11aと撮像センサ19の撮像面19aは結像レンズ13から光学的に等距離に配置されている。
図5に示すように、観察眼のピントがピント面Mfに合っているとすると、ピント面Mfと綱膜中心Foは互いに共役関係を満たしていることになる。この状態で、撮像センサ19から取得する画像を解析して、網膜中心Fo近傍にあるドット光37aが鮮明かつ最小の像になるように、接眼レンズ18の焦点距離fを調節することで、撮像面19aが網膜中心Foと共役になる。更に、撮像面19aと空間フィルタ15が共役で、且つ、空間フィルタ15と観察用表示パネル17の表示面17aが、接眼レンズ18から光学的に等距離に配置されていることより、表示面17aも網膜中心Foと共役になる。また、観察用表示パネル17の表示面Miはピント面Mfとも共役となる。つまり、表示面17a上に表示される絵の虚像がピント面Mfに形成される。したがって、表示面Miから接眼レンズ18までの距離Liと接眼レンズ18の焦点距離fを知ることができれば、接眼レンズ18から観察眼23のピント面Mfまでの距離Lfを[数1]に記載の式により求めることができる。
Lf=(f×Li)/(f−Li)
f’=f’o+Δf’×sinω×t (Δf’≪f’o)
但し、「f’o」は定数、「Δf’」は振幅(定数)、「ω」は角周波数、「t」は時間である。
よって、網膜中心Foと撮像センサ19の撮像面19aとを共役関係にすることができ、結果的に、表示面Miとピント面Mfとが共役になる。
また、[数1]に示す式において、f=foとすることにより、距離Lfを求めることができる。
上記実施形態では、結像レンズ13と接眼レンズ18との両方を可変焦点レンズとして説明しているが、本発明ではこれに限らず、接眼レンズ18を単焦点レンズ(焦点距離f)とし、観察用表示パネル17の表示面17aからの距離Liが変わるように接眼レンズ18を光軸18a方向に移動させてもよい。この場合、第2可変焦点部の代わりに、図8に示すように、レンズ移動部81を設ける。レンズ移動部81は、合焦回路26からの駆動信号に基づいて接眼レンズ18を光軸18a方向に移動させる。
なお、結像レンズ13の焦点距離f’の変化は、接眼レンズ18の移動に比べて十分に速いものとする。また、この例では、接眼レンズ18の光軸18a方向への移動量を検出するレンズ移動量検出手段を設け、接眼レンズ18の光軸18a方向への位置に基づいて前述した[数1]に示す式を用いて距離Lfを算出することができる。
よって、網膜中心Foと撮像センサ19の撮像面19aとの位置を共役関係にすることができ、結果的に、表示面Miとピント面Mfとが共役になる。
また、[数1]に示す式において、Li=Lioとすることにより、距離Lfを求めることができる。
図10に示す例は、結像レンズ13を単焦点レンズ(焦点距離f’)とし、接眼レンズ18を可変焦点レンズにした例である。この場合、図5で説明した例と比べて、第1可変焦点部21を省略し、接眼レンズ18の焦点距離fを可変する可変焦点部83を設けている。結像レンズ13は、単焦点レンズになっており、第2のパターン像をフィールドレンズ14の近傍に結像させる位置に固定して配されている。
また、[数1]に示す式において、f=foとすることにより、距離Lfを求めることができる。
なお、この例においても接眼レンズ18の焦点距離fの可変量を大きさSnと大きさSpの差に応じて変化させるとよい。また、この例においても、網膜Reとほぼ共役関係にある位置に空間フィルタ15を配置しているため、迷光を除去することができる。
この例は、図15に示すように、結像レンズ13を単焦点レンズにして固定して配置し、接眼レンズ18を単焦点レンズにして光軸18a方向に可動自在に配置した例であり、レンズ駆動部91により接眼レンズ18を移動させることで距離Liを変化させる。また、透明板85を有する空間フィルタ155を用いている。ここで、Li+>Lio>Li−として、Li=Lioの時に、透明板85を通らずに撮像面19a上に形成されるドット像37aの大きさSnと、透明板85を通って撮像面19a上に形成されるドット像37bの大きさSpとが等しくなるように調整されているものとする。
このように接眼レンズ18を移動させて大きさSnとSpとを比較する手順を繰り返すことで、大きさSnとSpとが同じになる距離Li、つまり距離Li=距離Lioに落ち着く。
よって、網膜中心Foと撮像面19aとを共役関係にすることができる。
また、[数1]に示す式において、Li=Lioとすることにより、距離Lfを求めることができる。
ところで、観察眼23は、接眼レンズ18により観察用表示パネル17に表示される画像を拡大した虚像を面Mfの位置に見ているが、パターン画像が可視光であれば虚像と重なって見えてしまう。
そこで、チャート用表示パネル11は、不可視光、例えば赤外光でパターン画像を表示すればよい。さらに、図1及び図5で説明した、観察用表示パネル17と接眼レンズ18との間に配した第2部分透過ミラー16の代わりに、ダイクロイックミラーを設け、ダイクロイックミラーで観察用表示パネル17からの可視光を透過させ、チャート用表示パネル11からの赤外光を反射させればよい。チャート用表示パネル11としては、液晶表示パネルを用いることができる。この場合には、バックライトを赤外線LEDで構成してもよいし、赤外線を光源とした導光板で構成してもよい。
また、チャート用表示パネル11で、眼23が感知しない程の短時間の表示を可視光で繰り返し表示してもよい。この場合は、第2部分透過ミラー16を入射光の一部を透過と反射に振分ける部分透過ミラー、或いは、偏光プリズムとすればよい。偏光プリズムを用いる場合は、観察用表示パネル17からの入射光の成分のうちP偏光成分を透過させ、チャート用表示パネル11からの入射光の成分のうちS偏光成分を反射させれば良い。
また、パターン光生成手段が生成するパターン光としては、各ドット光がマトリックス状に整列されてない状態、すなわち2次元状にバラバラに配されている状態のパターン光でもよい。この場合には、空間フィルタを通過するドット光の群が撮像センサにより撮像される。焦点検出部は、ドット像の群単位に対称性を調べて網膜中心を検出すればよい。
本発明を顕微鏡に適用した例を図17に示す。顕微鏡170は、試料171の実像を、対物光学系を構成する対物レンズ172により実像面(所定面)Mi付近に形成し、更にそれを接眼レンズ173で拡大した虚像を観察眼(以下、「眼」と称す)174で観察する。この場合、図5で説明した表示パネル17は省略され、面Miが表示パネル17の表示面17aに相当する。試料171の縦横方向の寸法をγ倍した理想的な像(実際には、縦倍率は横倍率の二乗倍となるが、ここでは観察者に知覚させたい像)を像175とする。眼174は、像175上の注視点Pwを注視しようとしている。注視点Pwのある面を面Mwとする。眼174のピントが合っている面をピント面Mfとする。つまり、ピント面Mfと眼174の網膜Reは、共役関係になっている。また、試料171側の面moと実像面Miは互いに共役関係であり、実像面Mi上に最も良好に結像するように設計されている。
なお、ステージ160を移動させているが、代わりに対物レンズ172を光軸O方向に移動してもよい。また、ステージ160と対物レンズ172との両方を移動してもよい。すなわち、ステージ160と対物レンズ172との間隔を変えるようにすればよい。
図18に示す実施例は、図17で説明した顕微鏡の例と以下の点で異なる。顕微鏡の例では、試料171の実像が対物レンズ172により実像面Mi付近に形成されており、それをさらに接眼レンズ173で拡大した虚像を眼174が観察している。一方、図18に示す実施例では、カメラ部188と表示パネル190とを備える電子的観察システム180の例を示す。試料(被写体)181をカメラ部188で撮像しており、対物レンズ(撮影レンズ)182により撮像素子189の撮像面に実像を形成する。その実像は、表示パネル190に表示される。また、表示パネル190の表示面190aに表示された像を接眼レンズ183で拡大して、ピント面Mf上に虚像を形成し、その虚像を眼184が観察している。なお、表示面190aが、本発明の「所定面上に形成される像を離れて表示する表示面」に相当する。表示面190aは、対物光学系を構成する対物レンズ182の光軸上とは異なる位置に設けられている。
図18〜図21には、ピント面Mcから注視点pwまでの距離が変化した場合の様子を示している。また、それらに対応する注視点Pwの見え具合は、それぞれ図17で説明した(A)〜(D)の見え具合に対応している。
he/hc=α
He/Hc=γ
Le+U=γLc
この場合、図22(A)で中の距離leが固定で、焦点距離fが変化する。この時のアイポイントをU=leとなる位置とする。[数3]〜[数5]に記載の式に加えて、結像の基本式を考慮すると、接眼レンズ183の焦点距離fが[数6]に記載の式を満たし、且つ、αが[数7]に記載の式を満たすように制御されなければならない。なお、ここでは、焦点検出ユニット186の制御により距離Leが求まるため、[数6]及び[数7]に記載の式をLeの関数として表してある。
f=(Le×le)/(Le−le)
α=(le/lc)×(1+le/Le)
この場合、接眼レンズ183の焦点距離fが固定である。この時のアイポイントをU=leとなる位置とする。[数3]〜「数5」に記載の式に加えて、結像の基本式を考慮すると、接眼レンズ183から表示面190aまでの距離leが[数8]に記載の式を満たし、且つ、αが[数9]に記載の式を満たすように制御されなければならない。
le=(Le×f)/(Le+f)
α=(le/lc)×(1+le/Le)
一眼レフカメラ220は、図23に示すように、跳ね上げミラー224を備えている。跳ね上げミラー224は、撮影レンズ223の光軸上に挿入されるミラーダウン位置と、前記光軸上から脱するミラーアップ位置との間で回転自在であり、ミラーダウン位置の時に、奥行きのある被写体222の実像を撮影レンズ223により焦点板225上に生成する。さらに、焦点板225上に実像を形成する光束は、フィールドレンズ226により進行方向を変えられた後、ペンタブリズム227の内部で反射して接眼レンズ230により前記実像の虚像が生成される。この虚像を眼240が観察している。
以上のように考えると、図24の光学系は、図17の光学系と原理的に等価とみなせるが、図17で説明した顕微鏡の装置では、対物レンズ172を固定したのに対して、この例では撮影レンズ223のピント面mfが調節可能になっている点で異なる。
本発明の他の効果を説明する。従来、所定面上に結像された被写体像を、主に可視光のみを反射若しくは透過させ赤外光束を遮光するダイクロイックな特性を有する光学部材を介して観察する撮影者の眼球に、光源からの赤外光束を前記光学部材を介して導光し、前記撮影者の眼球の屈折力状態を屈折力検出手段により検出し、該屈折力検出手段からの信号に基づいて、前記被写体像の結像状態を調整する調整手段を駆動する為の信号を形成するようにした自動合焦装置が提案されている(特開昭63−40112号公報)。
従来の自動合焦装置では、撮影範囲の中心を注視した時に光軸が眼軸に一致するように、光学部材を固定している。このため、光学部材の光軸に一致する眼軸上の網膜中心に結像する像に対して撮影レンズのピントを正確に合わせることができる。
d≡2r×sin2θ
但し、rは眼球の半径、θは眼軸に対する検出光の入射角度。
また、図2に示すマトリックス状に複数配列されたパターン画像を全て同時に表示せず、幾つかのブロックに分けて順に表示するようにして、信号を検出しても良い。このようにすれば、信号に比べてノイズの割合が低下するので更にS/Nが向上する。
また、カメラと撮像素子は大きく離れていても良く、遠隔操作で試料を観察するような用途にも適している。さらに、図17で説明したと同様に、本発明による2台のシステムを、視差を有するように配置すると、輻輳と焦点調節が自動的に一致するような立体ディスプレイを構築することも可能である。このような立体ディスプレイでは、自然に立体像を観察することが出来るので、眼の疲労も生じ難い。
11 チャート用表示パネル
12,16 部分透過ミラー
13 結像レンズ
14 フィールドレンズ
15 空間フィルタ
17 観察用表示パネル
18 接眼レンズ
23 観察眼
Claims (13)
- 被写体の像を所定面上に形成する対物光学系と、
前記像の虚像を観察眼に観察させる観察光学系と、
2次元状のパターンの光を前記観察眼に投影するパターン投影手段と、
前記観察眼の網膜からの戻り光のうち、前記パターン光の像の変形に基づいて、前記観察眼における前記網膜中心の位置を検出する焦点検出手段と、
前記焦点検出手段からの情報に基づいて、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは、前記所定面上に形成される像を離れて表示する表示面とを共役関係にし、且つ、前記対物光学系による前記所定面との共役面と、前記被写体との相対位置を変化させる焦点合焦手段と、
を備えたことを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項1に記載の自動合焦装置において、
前記対物光学系は、前記被写体の実像を前記所定面上に形成させ、
前記観察光学系は、前記所定面上に形成される被写体の実像を接眼レンズにより虚像として観察眼に観察させるとともに、
前記焦点合焦手段は、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは前記表示面とが共役関係になるように、前記接眼レンズの曲率を電気的に制御して、当該接眼レンズの焦点距離を調整する、又は前記接眼レンズを光軸方向に移動させることを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項2に記載の自動合焦装置において、
前記焦点合焦手段は、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼から離れることを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズに近づく方向に移動させるとともに、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼に近づくことを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズから離れる方向に移動させるように制御することを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項2又は3に記載の自動合焦装置において、
前記対物光学系は、撮像手段を備え、前記対物レンズにより前記被写体像を撮像手段の撮像面に結像させ、また、前記観察光学系は、前記表示面を有する表示部を備え、前記撮像手段で撮像した前記被写体画像を前記表示面に表示し、前記表示面に表示された画像の虚像を前記接眼レンズにより観察眼に観察させるとともに、
前記焦点検出手段の代わりに、前記網膜中心に対するピント位置と前記表示面とが共役関係になるように前記接眼レンズの曲率を電気的に制御して、当該接眼レンズの焦点距離を調整する、又は前記接眼レンズを光軸方向に移動させる焦点検出手段を備えることを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の自動合焦装置において、
前記対物光学系と前記観察光学系とによる総合倍率をγ倍とする時、前記観察眼のピント面の移動量の略1/γ倍に比例して、前記対物光学系に対する前記被写体の相対位置を変えることを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の自動合焦装置において、
前記焦点検出手段は、前記網膜からの戻り光の像を撮像する撮像部と、前記撮像した像を構成する前記パターンの変形の度合いから前記パターン画像の上下左右の対称性を調べてパターン画像のうちの対称中心を前記網膜中心として検出する注視点検出手段と、前記網膜中心近傍に対する前記パターンの大きさに基づいて前記網膜中心に対するピント位置を検出する合焦手段と、を備えることを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の自動合焦装置において、
前記パターン投影手段は、2次元状の前記パターン光を生成するパターン光生成手段と、前記パターン光を前記所定面、若しくは前記表示面と共役関係になる面に結像させる結像レンズと、前記面、若しくは、前記面と共役な面の近傍に配置され前記パターン光のうちの一部又は全部を通過させる空間フィルタと、を備えることを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の自動合焦装置において、
前記パターン光生成手段は、前記パターン光を不可視光で生成することを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の自動合焦装置において、
前記パターン光生成手段は、可視光で前記パターン光を発光するとともに、間隔を空けて繰り返し発光することで断続的なパターン光を生成することを特徴とする自動合焦装置。 - 請求項4から9のいずれか1項に記載の自動合焦装置において、
前記撮像手段の撮像面に結像する被写体の実像の大きさ(hc)と、前記表示部の表示面に表示される前記被写体の画像の大きさ(he)との比(α=he/hc)が以下の式を満足することを特徴とする自動合焦装置。
α=(le/lc)×(1+le/Le)
但し、leは、接眼光学系から表示面までの距離、lcは、撮像面から対物光学系までの距離、Leは、接眼レンズから観察眼のピント面までの距離。 - 被写体の像の虚像を観察させる観察眼に、2次元状のパターンの光をパターン投影手段により投影するステップと、
前記観察眼の網膜からの戻り光のうち、前記パターン光の像の変形に基づいて、前記観察眼における前記網膜中心の位置を検出する焦点検出ステップと、
前記焦点検出ステップからの情報に基づいて、前記網膜中心に対するピント位置と前記被写体の像が形成される所定面、若しくは、前記所定面上に形成される像を離れて表示する表示面とを共役関係にし、且つ、前記対物光学系による前記所定面との共役面と、前記被写体との相対位置を変化させる焦点合焦ステップと、
を含むことを特徴とする自動合焦方法。 - 請求項11に記載の自動合焦方法において、
前記被写体の実像を前記所定面上に形成させるステップと、
前記所定面上に形成される被写体の実像を接眼レンズにより虚像として観察眼に観察させるステップと、を含み、
前記焦点合焦ステップは、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは前記表示面とが共役関係になるように、前記接眼レンズの曲率を電気的に制御して、当該接眼レンズの焦点距離を調整する、又は前記接眼レンズを光軸方向に移動させることを特徴とする自動合焦方法。 - 請求項12に記載の自動合焦方法において、
前記焦点合焦ステップは、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼から離れることを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズに近づく方向に移動させるとともに、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼に近づくことを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズから離れる方向に移動させるように制御することを特徴とする自動合焦方法。
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