JPH01235911A - 合焦位置検出方法 - 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】 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１皿 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
１０２：　１となり、像側では物価に比べて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Ｑに沿って前後に移動させてレン
ズ２から受光面３までの距離りを変更すると、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ｉ・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。

課題を解決するための手段 この発明に係る合焦位置検出方法は、上記の課題に鑑み
てなされたものであり、その過程は以下の通りである。

第１に、結像光学系の予定物体面より像面側に透明部分
を有する第１チヤー１〜を配置し、予定物体面を挟んで
第１チャートの反対側に第２チャートを配置し、第１チ
ャートの共役面と第２チヤー）・の共役面との間に受光
面を挟み込む状態で配置する。

第２に、結像光学系と前記受光面と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つつ、結像光学系を
介して受光面上に形成される第１チャートの像のコント
ラストと、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第２チャートの
像のコントラストとを電気的に、あるいは視覚的に検知
する。

第３に、検知されたコン１へラストを比較することによ
り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。

発明のｌ 第１図に基づいてこの発明の詳細な説明する。

図中の符号へ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Ｑ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５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６の座標す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６の
位置精度が相当厳しいものとなるため、理論的な座標す
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５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チヤ、　−ドアの透明部分を透
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ρ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Ｉ
〜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１−の像のコン１
−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１
〜ラス１〜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１〜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ａ’ｘ＋ａ２を下式のように定める必要があ
る。なお、下式中、予定結像面から第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。

ａｌ−（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ａｌａｌ、
１ａｌｌ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１−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り
に対応するコンｌ−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、この発明の詳細な説明する。

〔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１〜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。

４１す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１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
か撮影レンズ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チヤーｈｌｏ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３５．ｍｍの薄肉系
と仮定し、複数の繰り出し段数のうち特定のう、ツチに
おける予定物体面と予定結像面との距離（０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
０式から３５．５ｍｍとなる。結像面の深度を±０．１
ｍｍ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
．１′ｍ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。

上記のような配電とすれば、両チャートのコン１−ラス
Ｉ−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、
実際にフィルムを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１−１１を照明する。

第１チヤー１〜１０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を介してフィルム面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、撮影レンズ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−・１１− 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＆呻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４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１．５
，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、スリット照明された原稿
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
ヤー１〜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ｈ２０，２１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チヤーＩ〜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１−２０
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■、０式％式％ 従って、第１チャート２０の空間周波数をＦｌ、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のテ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Ｆ　１　’　ｌ　Ｆ　２′はＦ１
′＝　Ｆｌ、／　ｍｌ Ｆ　１”：ｌ：　Ｆ　、／　、ｍ。

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Ｆ５、Ｆ２が定められている。

Ｆ□＝Ｆ゛′・ｍ□　・・・・■ Ｆ２＝Ｆ’・ｍ、　・・・・■ 例えば、結像レンズ１９の焦点距離ｊ、ｊ　＝２７ｍｍ
、結像レンズ１８を原点とした原稿面１４．７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２０．２１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ａ　１＝　−２５４，８、ａ　
２＝　−２，８７，４となり、■、■式から像倍率はｍ
□−−０，１１７７、ｍ、＝、−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２
０　Ｌｉｎｅｓ／ｍｍで一致させる場合には、第１チャ
ー１−２０の空間周波数Ｆよ、第２チャート２１の空間
周波数Ｆ２を■、■式により、 Ｆ、＝’２．３５　ＬｉｎｅＳ／ｍｍ −１６〜 Ｆ２＝２Ｊ１９　Ｌｊｎｅｓ／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奪
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１−１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２０　Ｌｉｎｅｓ／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４０１ｊｎｅ／ｍ、ｍ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；ント
ラストに応じて以下のように変化する。

う・インセンサ１９の受光面が第１チャート２０の共段
面に位置する場合、第１チャート２０の像は空間周波数
が１９．８６　Ｌｉｎｅｓ／ｍｍでコントラストは第１
０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１
９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、上記とは反対に第２チャート２
１の像は空間周波数が２０．１４　Ｌｉｎｅｓ／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９図（Ｂ）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（４０
Ｌｉｎｅｓ／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１〜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図はチャートが両
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　１−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 (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）結像光学系の予定物体面より像面側に透明部分を
   有する第１チャートを配置し、前記予定物体面を挟んで
   前記第１チャートの反対側に第２チャートを配置し、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との少なくとも一方を前記結像光学
   系の光軸に沿って移動させつつ、前記結像光学系を介し
   て前記受光面上に形成される第１チャートの像のコント
   ラストと、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第２チャー
   トの像のコントラストとを比較す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. （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ａ＿
   １と、前記前側主点を原点とした前記第２チャートの座
   標ａ＿２とを、 ａ＿１＝（ｂ＋Δ）・ｆ／（ｆ−ｂ−Δ） ａ＿２＝（ｂ−Δ）・ｆ／（ｆ−ｂ＋Δ） とし、前記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。