JPH04310909A - 合焦位置検出装置 - Google Patents

合焦位置検出装置

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JPH04310909A
JPH04310909A JP3077809A JP7780991A JPH04310909A JP H04310909 A JPH04310909 A JP H04310909A JP 3077809 A JP3077809 A JP 3077809A JP 7780991 A JP7780991 A JP 7780991A JP H04310909 A JPH04310909 A JP H04310909A
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detection device
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Genichi Yamana
元一 山名
Koichi Konishi
宏一 小西
Nobuyuki Nagasawa
永沢 伸之
Yasuteru Takahama
高濱 康輝
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡等の合焦位置検
出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の顕微鏡の合焦位置検出装置におい
ては、結像点の前後のインフォーカスとアウトフォーカ
スの位置に1次元イメージセンサが配置されている。イ
メージセンサからの像出力のうち高周波成分が最大とな
るのはイメージセンサ上に像が結像された時である。こ
れより、試料ステージの移動に対するインフォーカス用
とアウトフォーカス用イメージセンサからの高周波成分
出力が結像点に関して対称となることを仮定すれば、両
出力の高周波成分の差をとることによりそのゼロ・クロ
ッシングポイントが結像点となる。
【0003】このように、ゼロ・クロッシングポイント
が結像点であるというにはインフォーカス用とアウトフ
ォーカス用のイメージセンサの出力が結像点に関して完
全に対称である事を前提としている。しかし、従来の配
置・構成においては両センサ上の像の大きさに差が生じ
(インフォーカスイメージセンサ上の像の方がアウトフ
ォーカスイメージセンサ上の像より小さい)、従ってセ
ンサの長さか同じであればとらえる情報量に差が生じる
こと、又、アウトフォーカス像の方が空間周波数分布が
低周波なのでその高周波成分出力は小さい事等より両出
力は結像点に関して非対称となるのでその差のゼロ・ク
ロッシングポイントが結像点に正確に対応しなくなって
しまう。
【0004】このため、特公昭61−13722号は、
第1と第2のイメ−ジセンサにおいて、この第1のイメ
−ジセンサに受光される光像の大きさと、前記第2のイ
メ−ジセンサに受光される光像の大きさとを、合焦の際
にほぼ等しくするために倍率補正光学系を新たに設けて
上記の問題を解決している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術においては、インフォーカス像、アウトフ
ォーカス像の大きさをそろえるために新たに光学部品を
追加しており、スペース的にも、コスト的にも問題があ
る。
【0006】本発明の合焦位置検出装置はこのような課
題に着目してなされたもので、その目的とするところは
、新たな光学部品を追加せずに精度の良い制御が可能な
合焦位置検出装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、結像光学系と、この結像光学系の予定
結像面の近傍の2つの物体像をそれぞれ撮像する2つの
イメージセンサと、この2つのイメージセンサに前記2
つの物体像を投影するための光学系と、前記2つのイメ
ージセンサの出力によって、前記結像光学系の合焦度を
検出する合焦位置検出装置において、前記2つの物体像
を撮影する各イメージセンサの受光部の画素寸法、画素
ピッチが2つのイメージセンサ間で一定の比率となるよ
うに構成する。
【0008】
【作用】すなわち、本発明においては、2つの物体像を
撮影する各イメージセンサの受光部の画素寸法、画素ピ
ッチが2つのイメージセンサ間で一定の比率となるよう
に構成したので、新たに光学部品を設けることなく合焦
位置検出誤差を取り除くことができる。
【0009】
【実施例】まず、本発明の基本的概念を図1(a)、(
b)を参照して説明する。
【0010】図1(a)において1は結像光学系であり
、3,3′は予定結像面近傍の2つの物体像をそれぞれ
撮像する2つのイメージセンサである。4は前記2つの
イメージセンサに前記2つの物体を投影するための光学
系である。2,2′は結像光学系1の予定結像面を示す
【0011】図1(b)は、前記2つのイメージセンサ
3,3′の撮像面を10個の画素のラインセンサを例に
とって示したものであり、イメ−ジセンサ3の撮像面は
画素寸法が縦横の順にa,bで画素ピッチがpである。 そして、イメ−ジセンサ3′の撮像面は、画素寸法が縦
、横の順にka,kbで、画素ピッチがkpである。 このように、本発明においては、2つのイメージセンサ
間で、画素寸法、画素ピッチの比率を一定値kとしたこ
とを特徴とする。
【0012】すなわち、本発明においては、物体像が入
射したとき、結像光学系1より、イメージセンサ3,3
′上に、インフォーカス像とアウトフォーカス像が形成
され、アウトフォーカス像はインフォーカス像のk倍と
なる。kは結像光学系1によって決定されるが、通常の
顕微鏡では1.1以上となる。また、2つのイメージセ
ンサ3,3′の撮像面は図1(b)のように形成されて
いるので、インフォーカス像は図1(b)下段の画素寸
法、画素ピッチで撮像される。そしてインフォーカス像
のk倍のアウトフォーカス像は、図1(b)上段で示さ
れるようなk倍の画素寸法、画素ピッチで撮像される。 従って、k倍の倍率比のある2つの物体像を、物体がも
ともともつ空間周波数分布に対して同レベルの分解能で
撮像することが可能となる。以下に、図2を参照して、
本発明の第1の実施例を詳細に説明する。
【0013】1は結像光学系であり、3は予定結像面近
傍の2つの物体像を撮像するイメージセンサである。投
影光学系4は前記イメージセンサ3に2つの物体像を投
影するものであり、ハーフミラーとミラー、又はプリズ
ムなどによって構成される。補正回路5は、イメージセ
ンサ3の出力について、固定パターン雑音、暗電流成分
などを補正する回路であり、外部よりのクロック信号に
同期して各画素に対して補正を行う。可変ゲインアンプ
6は外部コントロール信号によってゲインをコントロー
ルする。A/Dコンバ−タ7は外部よりのクロック信号
に同期してA/D変換を行う。ドライバ8は外部からク
ロック信号を受けてイメージセンサ3をドライブ可能な
信号に変換してイメ−ジセンサ3に供給する。メモリ回
路9は高速で読み出される映像信号を一時蓄積するもの
である。蓄積は外部よりのクロック信号に同期して行わ
れる。タイミングコントローラ10は、補正回路5、可
変ゲインアンプ6、A/Dコンバ−タ7、ドライバ8、
メモリ回路9の各々にクロック信号などを供給する。
【0014】CPU11は、タイミングコントローラ1
0の制御や、メモリ回路9より画像データを読みだし、
合焦評価の演算を行ったり、その結果を出力したりする
。表示回路12はCPU11の合焦評価の演算結果を合
焦検出装置使用者に対して表示を行う。
【0015】図3はイメージセンサ3の受光部を示す図
であり、本実施例では図示するようなラインセンサを使
用する。インフォーカス像受光用として画素21が20
0ヶ、アウトフォーカス像受光用として画素22が20
0ヶ同一直線上に配置されている。画素21のサイズは
縦a,横bであり、ピッチpで配置される。画素22の
サイズは縦a′,横b′でありピッチp′で配置される
【0016】よって受光エリアはインフォーカス像用と
して縦b、横lとなり、アウトフォーカス像用として縦
b′、横l′となる。ここでa,b,p,l,a′,b
′,p′,l′は以下の関係を満たす。 a′=ka b′=kb p′=kp l=200×p−(p−a) l′=200×p′−(p′−a′) 上式でkは結像光学系によって決まる定数であり、本実
施例では約1.2である。以下に、図2〜4を参照して
本実施例の作用を説明する。
【0017】結像光学系1に入射された物体像は光学系
4によってイメージセンサ3上に、インフォーカス像、
アウトフォーカス像として投影される。この投影像のパ
ターン例を図4(a)に示す。横軸はラインセンサのピ
ッチ方向の物理的位置を示す。図で示されるようにイン
フォーカス像、アウトフォーカス像の輝度分布はそのレ
ベル、大きさが異なっている。そして大きさはインフォ
ーカス像のk倍がアウトフォーカス像の大きさとなり、
レベルはインフォーカス像の1/k2 倍がアウトフォ
ーカス像のレベルとなる。kは前記結像光学系によって
決まる定数である。
【0018】イメ−ジセンサ3の蓄積時間はタイミング
コントローラ10によって適切なものとされるので、物
体像を光電変換したイメージセンサ3の出力は、図4(
b)で示すようなものとなり、インフォーカス像とアウ
トフォーカス像の像の大きさは同じとなる。イメージセ
ンサ3の出力を補正回路5によって補正すると、図4(
c)で示すような信号となる。インフォーカス像、アウ
トフォーカス像はセンサの感度誤差、光学系4の光量分
割比の誤差などによって図4(c)のΔEなどの誤差が
あるので次段の可変ゲインアンプ6によって、インフォ
ーカス像出力時、アウトフォーカス像出力時でゲインを
変えてやり、図4(d)のように出力レベルをそろえる
ことができる。以上のようにして新たに光学部品を追加
することなく、物体像は合焦評価のための演算に適切な
ものとなる。
【0019】ここで、CPU11は、タイミングコント
ローラ10にイメージセンサ3の画像蓄積の開始、終了
、さらに蓄積終了した画像データの読み出しをスタート
させるための制御信号を送る。画像データの読み出しが
スタートすると、前記したように可変ゲインアンプ6よ
り適切な状態に変換されたデータが時系列的に出力され
る。可変ゲインアンプ6の出力はA/Dコンバ−タ7に
よって順次デジタルデータに変換されメモリ回路9に画
像データとして蓄積される。タイミングコントローラ1
0は画像データの読み出しが終了すると、終了信号をC
PU11にステータス信号として送る。
【0020】CPU11はさらにメモリ回路9より画像
データを読み出し、合焦度を評価するための演算を行い
、その結果を表示回路12に表示する。表示としては前
ピン、後ピン、合焦の3種類のいずれか1つを表示して
もよいし、合焦位置までの距離を表示してもよい。
【0021】上記の撮像、撮像信号処理、合焦度評価演
算、合焦度評価結果の表示をくり返し行うことにより、
リアルタイムに合焦度を表示可能なフォーカスインジケ
−タを構成できる。又、合焦度評価結果をもとにフォー
カシング動作(自動合焦動作)を行えば、自動合焦装置
が構成できることは言うまでもない。又、本発明実施例
では結像光学系1とイメージセンサ3のアライメントを
容易にするめ、インフォーカス像検出部とアウトフォー
カス像検出部を同一シリコン基板上に形成したが、イン
フォーカス像検出とアウトフォーカス像検出を別個のイ
メージセンサで行うことも可能である。次に、本発明の
第2の実施例を図5を参照して説明する。
【0022】本実施例は、イメージセンサとして2次元
のエリアセンサを用いて合焦評価エリアの選択を行う例
である。システムのブロック構成は、図2の第1実施例
と同じであり、イメージセンサの受光面の形状は、図で
示すようなものである。インフォーカス像受光用画素2
3が200×200=40000画素、アウトフォーカ
ス像受光用画素24が200×200=40000画素
配置されている。画素23のサイズは縦、横Cでピッチ
Px,Pyで配置され、画素24のサイズは縦、横C′
でピッチPx′,Py′で配置される。
【0023】一般的にはx方向、y方向のサンプリング
ピッチを等しくするようにPx=Py、Px′=Py′
に設定する。そしてC、C′、Px、Py、Px′、P
y′は以下の関係を満たす。 C′=kC Px′=kPx    (Py′=kPy)上式でkは
第一実施例と同じく結像光学系によって決まる定数であ
り、約1.2である。
【0024】本実施例においては、第1実施例と同様に
、適切な状態となった画像データがメモリ回路9に書き
込まれる。ここで合焦評価エリアの選択を行なった場合
、インフォーカス像データ数とアウトフォーカス像デー
タ数を等しく対応させることができ、CPU11による
演算及びメモリ回路9からの画像データのロードを簡単
にすることができる。インフォーカス像検出エリアとア
ウトフォーカス像検出エリアの画素サイズ、及び画素ピ
ッチが等しい場合はエリア選択時に、物体像の同一部分
の画素データをロードし演算することは非常に複雑とな
る。
【0025】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
新たに光学部品を設けることなく、インフォーカス像、
アウトフォーカス像の大きさの違いによる、合焦位置検
出誤差を取り除くことができ、そのスペース削減効果、
コスト低減効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)、図1(b)は本発明の基本的概念
を説明するための図。
【図2】本発明に係る合焦位置検出装置の一構成例を示
す図。
【図3】イメ−ジセンサの受光部を詳細に示す図。
【図4】図4(a)は撮影像のパタ−ンを示す図であり
、図4(b)は蓄積時間が調整されたイメ−ジセンサの
出力波形図であり、図4(c)は補正されたイメ−ジセ
ンサの出力波形図であり、図4(d)はゲインを変える
ことによって2つのレベルが同一とされた出力波形図。
【図5】本発明の第2実施例におけるイメ−ジセンサの
受光部を示す図。
【符号の説明】
1…結像光学系、2,2′…予定結像面、3,3′…イ
メ−ジセンサ、4…投影光学系、5…補正回路、6…可
変ゲインアンプ、7…A/Dコンバ−タ、8…ドライバ
、9…メモリ回路、10…タイミングコントロ−ラ、1
1…CPU、12…表示回路。21,22,23,24
…画素。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  結像光学系と、この結像光学系の予定
    結像面の近傍の2つの物体像をそれぞれ撮像する2つの
    イメージセンサと、この2つのイメージセンサに前記2
    つの物体像を投影するための光学系と、前記2つのイメ
    ージセンサの出力によって、前記結像光学系の合焦度を
    検出する合焦位置検出装置において、前記2つの物体像
    を撮影する各イメージセンサの受光部の画素寸法、画素
    ピッチが2つのイメージセンサ間で一定の比率となるよ
    うに構成されていることを特徴とする合焦位置検出装置
  2. 【請求項2】  前記2つのイメージセンサの受光部を
    同一半導体基板上に形成したことを特徴とする請求項1
    記載の合焦位置検出装置。
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AT92907544T ATE194871T1 (de) 1991-03-29 1992-03-30 Vorrichtung zum ermitteln der automatischen fokussierung
EP92907544A EP0531543B1 (en) 1991-03-29 1992-03-30 Apparatus for sensing automatic focusing
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007187809A (ja) * 2006-01-12 2007-07-26 Olympus Corp 自動焦点機構を備えた顕微鏡およびその調整方法
US7345706B2 (en) 2002-08-23 2008-03-18 Fuji Photo Optical Co., Ltd. Auto focus system

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