JPH03168712A

JPH03168712A - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JPH03168712A
Application number: JP31044089A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Yamashita; 山下　秀範; Ryoichi Ote; 大手　亮一
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1991-07-22

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１本発明は、例えば、ビデオデッキの組立調整検査工程で
用いられる高倍率顕微鏡装置のフォーカシング等に使用
される高速高精度の才一トフォーカス装置に関する。

〔従来の技術〕

カメラ等により捕らえようとする対象物、即ち被検物に
対し、自動的にフォーカシングを行なう装置は、従来よ
りビデオカメラ、その他各種の装置に使用されている。

ビデオデッキの組立調整検査工程において、例えば被検
物であるビデオヘッドに高倍率顕微鏡装置をフォーカシ
ングする場合にも、やはり才一トフォーカス装置が使用
される。

第１０図に、従来のオートフォーカス装置のブロック図
を示す。

この装置は、ビデオカメラ等に広く使用されているもの
で、映像信号中に含まれる高周波成分のピークを捕らえ
てフォーカシングを行なうものである。

図の装置は、被検物１に対向配置された対物レンズ２と
撮像装置３を有し、対物レンズ２及び撮像装置３は鏡筒
４に収容されている。この鏡筒４の側壁には、光源５が
配置され、ハーフミラー６を介して被検物１を照射する
よう構成されている。鏡筒４は、矢印７方向に可動に支
持されており、鏡筒位置Ｌを変化させてフォーカシング
が行なわれる。このフォーカシングのために、図の各ブ
ロックが設けられている。

撮像装置３にて得たビデオ信号は図示しないモニタＴＶ
等に供給されて表示されるが、このビデオ信号は、微分
回路１１にも供給される。

微分回路１１には、ハイパスフィルタｌ２、Ａ／Ｄ変換
回路１３、制御部１４、モータ駆動回路１５及びバルス
モータ１６が順に接続されている。

撮像装置３は、例えば従来よりよく知られた固体撮像素
子などである。撮像装置３にて得た第１１図（ａ）に示
すようなビデオ信号は、微分回路１１により第１１図（
ｂ）に示すような高周波成分を強調された信号■とされ
、さらにハイバスフィルタ１２により、微分回路１１の
出力より高周波成分が抽出される。そして、Ａ／Ｄ変換
回路１３は、ハイバスフィルタ１２の出力をディジタル
変換して制御部１４に入力する。また、制御部１４は、
マイクロプロセッサ等から成る。

ここで、例えば、制御部１４の制御によりモータ駆動回
路１５を介してパルスモータ１６を駆動する。パルスモ
ータ１６が駆動されると、ボール螺子機構１７によって
鏡筒４が矢印７方向に移動する。鏡筒位置の変更には、
この他に圧電素子等が用いられることもある。

ここで、鏡筒位置Ｌを変化させながら、ハイバスフィル
タ１２の出力電圧■をプロットすると、第１１図（Ｃ）
に示すような特性が得られる。この特性を見ると、鏡筒
位置Ｌを変化させていくと、出力電圧■がある点でピー
クを示し、ほぼ左右対象の山状の特性となる。このピー
ク値が合焦位置であり、同ピーク値となるように鏡筒位
置Ｌを変化させてフォーカシング動作を行なう。

第１２図に、第１０図に示した従来装置のフォーカシン
グ動作フローチャートを示す。また、第１３図には、鏡
筒位置に応じた出力電圧■を表示したヒストグラムによ
る、信号取込み動作説明図を示す。

第１２図及び第１３図を用いて、第１０図の装置の具体
的な動作を説明する。

先ず、フォーカシング動作開始に当たり、制御部ｌ４に
内蔵されたメモリの初期化を行なう（ステップＳｌ）。

次に、パルスモータ１６を駆動して、１ステップ分鏡筒
を微動させる（ステップＳ２）。１ステップの微動後、
出力電圧■の取込みを行ないメモリに格納する（ステッ
プＳ３）。

次に、ｎステップの微動が完了したか否かが判断される
（ステップＳ４）。これは、第１３図に示すように、ス
タート位置からストップ位置の間をｎステップに区分し
、このｌステップ微動毎に出力電圧■を取込むための動
作である。

即ち、ステップＳ２からステップＳ４のループをｎ回繰
返すことによって、出力電圧■をｎ回取込み、これらを
メモリに格納する。そして、第１３図に示すようなヒス
トグラムを得て、合焦位置の演算を行なう（ステップＳ
５）。合焦位置が求められると、制御部１４はモータ駆
動回路１５を介してバルスモータ１６を駆動し、合焦位
置までカメラを移動させる（ステップＳ６）。

以上のようにして、第１０図に示すオートフォーカス装
置が動作する。

【発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記のような従来のオートフォーカス装置に
おいては、撮像装置３により得られたビデオ信号を用い
てフオーカシングを行なうため、出力電圧■の取込み間
隔が１ステップ当たりｌ／６０秒と制限されてしまう。

従って、フオーカシング速度が遅くより高速化すること
が難しい。

また、ビデオ信号の高周波或分の増減を用いてフォーカ
シングな行なうため、被検物はコントラストがある程度
高いものに限られる。即ち、ミラー面等の低コントラス
トの被検物については、フォーカシングが困難となる。

また、使用対物レンズの被写界深度内では、コントラス
トの変化がほとんどないため、フォーカシングの検出精
度を被写界深度以上に上げることができない。

従って、使用対物レンズの間口角（ＮＡ）によりフォー
カシング精度が定まってしまうという問題点があった。

本発明は以上の点に着目してなされたもので、より高速
高精度のフォーカシングを行なうオートフォーカス装置
を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のオートフォーカス装置は、被検物及び参照ミラ
ーに対し白色光を照射する光源と、被検物及び参照ミラ
ーからの反射光を導いて結像させ、干渉縞を形成させる
結像部と、この結像部において前記干渉縞を検出する干
渉縞検出部と、前記干渉縞のコントラストが最大となる
ようフォーカシングな行なうフォーカシング制御部とを
備えたことを特徴とするものである。

［作用］以上のオートフォーカス装置は、対物レンズに２光束干
渉対物レンズを用いている。そして、白色光源により干
渉縞を形成させた場合、合焦点で干渉強度がピーク値を
とることを利用している。

即ち、干渉縞のコントラストにより合焦点を決定するた
め、データ取込み間隔は映像信号の内容に左右されない
。また、干渉縞のコントラストは、被検物の面やレンズ
の被写界深度に影響されず、あらゆる被検物に対するフ
ォーカシングの高精度化が可能で゛あ−る。

〔実施例１以下、本発明を図の実施例を用いて詳細に説明する。

第ｌ図は、本発明のオートフォーカス装置の実施例を示
すブロック図である。

図の装置は、被検物ｌに対し対物レンズ２１を配置する
一方、参照ミラー２２に対し対物レンズ２３を配置して
いる。鏡筒２０の側壁に設けられた光源２７は、白色光
を照射するハロゲンランプ等から成る。この先源２７に
より、被検物１及び参照ミラー２２が照射されると、そ
の反射光はハーフミラー２４を介し結像部２５に達する
。結像部２５には、スリット２５ａが設けられ、その背
後にフォトダイオード等から成る干渉縞検出部２６が配
置されている。

尚・被検物１の光像は、ハーフミラー２８を介して撮像
装置３１に達し、モニタテレビ３２に映し出されるよう
構成されている。

この装置においても、先に説明した従来装置と同様に、
被検物１に対する鏡筒２０の位置Ｌを、矢印７方向に可
変するフオーカシング制御部３０が設けられている。

先ず、干渉縞検出部２６の出力は、アンブ３３に入力し
、更にＡ／Ｄ変換回路３４を介して制御部３５に入力す
る。また、制御部３５は、モータ駆動回路３６を介して
パルスモータ３７を駆動し、ボール螺子機構３８により
鏡筒２０を矢印７方向に駆動するよう構戊されている。

即ち、上記のフォーカス検出用光学系は、対物レンズに
いわゆる２光束干渉対物レンズを使用し、光源２７には
白色光源を使用している。

第２図に、２光束干渉対物レンズを使用した場合の動作
原理説明図を示す。

図において、被検物１とハーフミラー２４との間の光路
長をＬ＋　とじ、参照ミラー２２とハーフミラー２４と
の間の光路長をＬ２とすると、両光路長Ｌｌ，Ｌ２の差
がλ／２（λは光源の波長）毎に１本の干渉縞が現われ
る。

第３図（ａ）及び（ｂ）にその干渉縞の一例を示す。

第３図は、何れも被検物としてビデオデッキの磁気ヘッ
ド（以下、ビデオヘッドと呼ぶ）を使用した場合の像を
示している。図のように、ビデオヘッドＭの光像に対し
、楕円形の縞状に干渉縞Ｋが現われている。

尚、光源２７に白色光を用いると、干渉縞の総本数（可
干渉距離）を小さくすることができる。この可干渉距離
は、白色光の場合、通常１．５〜２．４μｍ程度となる
。

従って、以上の場合、Ｌ　ｒ　＝　Ｌ　２のとき、干渉
強度が最大となり、干渉縞のコントラストが最大となる
。そして、Ｌ１とＬ２の差が大きくなるにつれて、コン
トラストが次第に減少していく。第３図のように、被検
物としてビデオヘッドＭを用いた場合、第１図の結像部
２５においては数本の干渉縞が観察できる。Ｌｌ＝Ｌ２
となったとき、中央付近には真っ白の縞が現われ、その
周辺ではビデオヘッドＭの正面に曲率に対応した干渉縞
Ｋが等高線のように見える。この干渉縞Ｋは、周辺部へ
行くほどコントラストが低くなる。また、観察できる干
渉縞Ｋの総本数は、最大でも８本程度となる。

ここで、第１図の結像部２５に、第３図（ｂ）に示すよ
うな干渉縞Ｋの幅よりも狭い幅のスリット２５ａを設け
ておく。このスリット２５ａを透過する像を干渉縞検出
部２６で受け、その出力信号を処理する．スリット２５
ａの幅を干渉縞Ｋの幅よりも狭く選定したのは、スリッ
ト２５ａの幅が広いと、干渉縞検出部２６でその像を受
けた場合、出力が平均化されて、干渉縞Ｋのコントラス
ト変化を検出できなくなるからである。

干渉縞検出部２６の出力信号は、第４図に示すようにな
る。即ち、鏡筒位置Ｌを変化させながら、第１図に示す
■の出力電圧を周期的に取込むと、その信号は干渉縞の
明暗変化に合わせて振幅し、中央にピークを持ち、ほぼ
左右に対象に減衰していく振動波形となる。上記の原理
より、合焦位置は、■の出力電圧のピークと一致する．
これは即ち、干渉縞のコントラストが最大となる位置に
他ならない。

尚、図中、４で示した部分が先に説明した可干渉距離と
なる。

また、被検物がビデオヘッドのような曲面でなく、フラ
ットな面を持つものであっても、可干渉距離は変わるこ
となく、干渉縞の間隔もλ／２となる。従って、全く同
一の条件のフォーカシングを行なうことができる．また
、被検物がフラット面の場合、干渉縞は視野内で１本以
下になる場合がある。この場合、結像部２５にスリット
２．５ａを設ける必要はなくなる。

第５図に、本発明の装置の動作フローチャートを示す。

また、第６図に、本発明の装置の動作時における鏡筒位
置Ｌに対する出力電圧■を示し、その信号取込みタイミ
ング説明図を表わした。

第５図において、先ず、制御部３５（第１図）に内蔵さ
れたメモリの初期化が行なわれる（ステップＳ１）．次
に、モータ駆動回路３６を介してパルスモータ３７を駆
動し、鏡筒２０の１ステップずつの微動が行なわれる（
ステップＳ２）。この１ステップは、第６図に示した鏡
筒のスタート位置とストップ位置の間を１　／　ｎに分
割した長さとする。そして、ステップＳ３において、■
の出力信号の取込みを行なう。この信号は、メモリに順
次格納される。

ステップＳ４において、信号の取込みがｎ回行なわれた
否かが判断される。即ち、ステップＳ２〜Ｓ４で先に従
来技術で説明したと同様に、鏡筒のスタート位置からス
トップ位置までの移動の間に、ｎ回の信号取込みが繰返
される。こうして得られた第６図に示すようなヒストグ
ラムに従って、制御部３５が合焦位置の演算を行なう（
ステップＳ５）。そして、信号のピーク点を合焦位置と
判断し、ストップ位置からの光学系移動量を演算して、
光学系の移動を行なう（ステップＳ６）。

尚、上記実施例において、スリット窓の太きさは被検物
の実寸法換算でＩＯＸ　４ＱＬＬｍとし、１ステップ当
たりの信号取込み時間を５ｍ秒．鏡筒のスタート位置か
らストップ位置までの移動量を２０００ステップ，ｌス
テップ当たりの送り量を０．０５μｍとした．その結果
、再現性が±０６３μｍ程度の高精度なフォーカシング
を実現することができた。

第７図に、本発明のオートフォーカス装置をビデオヘッ
ド調整器に組込んだ応用例を示す。

図において、被検物１として使用されるビデオヘッドは
、フレーム６０内に固定され、θ軸駆動部６１θにより
矢印θ方向に移動可能とされ、Ｘ軸方向駆動部６１ｘに
より矢印Ｘ方向に移動可能に支持されている。

光学系は、対物レンズ４１．４３と、参照ミラー４２と
、シャッタ４９と、ハーフミラー４４と、直角プリズム
５０と、結像部２５Ｒ，２５Ｌと、干渉縞検出部２６Ｒ
，２６Ｌと、光源４７とから構或され、鏡筒４０内にこ
れらが収容されている。

対物レンズ４１．４３、参照ミラー４２、ハーフミラー
４４、光源４７等の作用は、先に説明した第１図の装置
の対応する部分と同様である。

尚、ここで、シャッタ４９は、被検物１を撮像装置５１
を用いて撮影する場合の干渉縞を消去するために使用さ
れる。

また、直角プリズム５０は、被検物１及び参照ミラー４
２の反射光を、それぞれ右側のフォーカシング用結像部
２５Ｒと、左側のフォーカシング用結像部２５Ｌに振分
けるよう配置されている。

各結像部２５Ｒ，２５Ｌには、それぞれ先に第１図で説
明したと同様のスリットが設けられており、その背後に
、干渉縞検出部２６Ｒ，２６Ｌが設けられている．そし
て、干渉縞検出部２６Ｒ．２６Ｌの出力は、それぞれＲ
アンブ５３ＲとＬアンブ５３Ｌに入力し、何れもＡ／Ｄ
変換回路５４に入力するよう結線されている。Ａ／Ｄ変
換回路５４の出力は、制御部５５に入力し、制御部５５
は、θモータ駆動部５６θとＸモータ駆動部５６ｘを制
御するよう構威されている。

この装置は、被検物１であるビデオヘッドをアッパード
ラムに組み付ける際のヘッド組み付けと姿勢を制御する
ためのものである。

即ち、ビデオヘッドの右側部分Ｒと左側部分Ｌについて
、それぞれ干渉縞検出部２６Ｒ及び２６Ｌを用いてフォ
ーカシングを行ない、被検物１を支持するフレーム６０
をθ軸方向とＸ軸方向に駆動し、姿静制御を行なうよう
構成されている。尚、実際には、ギャップ位置合わせを
行なうためにＹ軸方向の調整を行なうこともあるが、こ
こでは、その説明を省略している。

第８図には、位置調整動作原理図を示す。

先ず、第８図（ａ）に示すように、被検物１（ビデオヘ
ッド）がＸ軸に対して傾斜して配置されていた場合に、
被検物の１ａ点と１ｂ点と基準線Ａとの間の距離を測定
する．これは、フォーカシングにより測定される。その
距離をＤ　ｔ　，　Ｄ　ｚとすると、先ず、被検物ｌを
角度θ，だけ回転させ、更に　（ＤＩ”Ｄ２）／２だけ
被検物をＸ軸方向に移動させる。このようにすれば、第
８図（ｂ）に示す姿勢に制御される。

具体的には、第９図に示すような動作が行なわれる。

即ち、Ｗギャップビデオヘッドの調整では、ヘッドの右
側部分Ｌと左側部分Ｒを所定の位置に位置出しする必要
がある。この所定の位置は、第９図に示したように、ス
タート位置から一定の距離にある設定位置Ａに定められ
ている。

ここで、第７図に示した干渉縞検出部２６Ｈの出力及び
２６Ｌの出力を用いて、それぞれ、既に第１図で説明し
たと同様の合焦位置を求める動作を実行する。これによ
り、第９図に示すように、合焦位置が、それぞれＲ側測
定位置Ｂ及びＬ側測定位置Ｃとして得られる。このＲ側
測定位置Ｂと設定位置の差をΔＲ，Ｌ側測定位置Ｃと合
焦位置の差をΔＬとすると、このΔＲ．ΔＬが、それぞ
れＲ側補正量，Ｌ側補正量となる。こうして求められた
補正量をＸ，θ軸の移動量に変換し、第７図の制御部５
５がθモータ駆動部５６θ及びＸモータ駆動部５６ｘを
制御して、所定の位置合わせを行なう。

以上の作業は、高速かつ高精度に行なうことが要求され
る。この目的のために、本発明の装置はきわめて有効に
その機能を発揮する。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明のオートフォーカス装置は、信号の
取込みが映像信号の内容に影響されないため、取込みを
高速に行ない、フォーカシングスピードを従来のものに
比べ高速化することができる．上記実施例では、従来の
十数倍程度の高速化が可能である．また、信号取込み速
度が干渉縞検出部の性能とＡ／Ｄ変換スピードにより決
まるが、ｌステップ当たり約１ｍ秒で実行することがで
き、従来１ステップ当たり　１７ｍ秒程度であったもの
を大幅に高速化できる。

また、干渉縞を検出するため、合焦精度が対物レンズの
開口角に関係しない。即ち、合焦精度は、白色光源の中
心波長のみに依存する。従って、従来４０倍の対物レン
ズを使用した場合に±１μｍ程度の合焦精度であったも
のを、上記実施例では±０．３μｍ程度に押えることが
できる。

また、干渉縞を検出しているため、被検物が鏡面状態の
もので低コントラストのものでも、高コントラストのも
のと同様の精度で合焦が可能である。

また、干渉縞検出部にフォトダイオード等の安価な素子
を使用することができ、システム価格を大幅に低下させ
ることができる。

更に、既存の顕微鏡にハーフミラーを追加し、光路を分
岐する等の改造により、簡単にフォーカス用光学系が構
築でき、製造コストも比較的安価になる。特に、ビデオ
ヘッド等の調整などに用いる干渉対物レンズに本発明を
使用した場合、既存の装置にハーフミラーや干渉縞検出
部を追加するだけで、簡単にフォーカス機能を付加でき
、安価な実施が可能となる。

また、カメラを使って映像を取出す必要がないので、種
々の機器に簡単に応用が可能である。即ち、例えば、被
測定物をモニタ等に表示する必要がない場合、フォーカ
ス装置単独として、本発明の装置を、従来のオートフォ
ーカス装置に代えて使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明のオートフォーカス装置の実施例を示す
ブロック図、第２図はその２光束干渉原理を説明する説
明図、第３図は干渉縞の像説明図、第４図は鏡筒位置Ｌ
と出力電圧との関係を示すグラフ、第５図は本発明の装
置の動作フローチャート、第６図は本発明の装置の信号
取込み動作説明図、第７図は本発明の装置の応用例を示
すブロック図、第８図は第７図の装置の被検物位置調整
動作説明図、第９図は第７図の装置の動作説明図、第１
０図は従来のオートフォーカス装置ブロック図、第１１
図は従来装置中の信号説明図、第１２図は従来装置の動
作フローチャート、第１３図は従来装置の信号取込み動
作説明図である．１・・・被検物、２１．２３・・・対物レンズ、２２・
・・参照ミラー　２４．２８−・・ハーフミラー　２５
・・・結像部、２５ａ・・・スリット、２６・・・干渉
縞検出部、２７・・・光源、３０・・・フォーカシング制御部。第ｌ図第２図第３図（ａ）（ｂ）Ｍへ．−．一．一．−．一．−・″ ゛′・一．一．一．一．一．一・′゛第５図第８図（ａ）（ｂ）第９図 ΔＲ：Ｒ釦補正量 ΔＬ：Ｌｔｌ補正量第ｌ０図第ｌｌ図時間時間鏡筒位置し時間第ｌ２図第ｌ３図

Claims

【特許請求の範囲】

被検物及び参照ミラーに対し白色光を照射する光源と、
被検物及び参照ミラーからの反射光を導いて結像させ、
干渉縞を形成させる結像部と、この結像部において前記
干渉縞を検出する干渉縞検出部と、前記干渉縞のコント
ラストが最大となるようフォーカシングを行なうフォー
カシング制御部とを備えたことを特徴とするオートフォ
ーカス装置。