JPH10221592A - 焦点位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対物光学系が交換された場合でも、焦点検出
用の像の明るさおよび焦点位置検出精度が変わらないよ
うにするとともに低照度時の焦点位置検出精度を向上さ
せる。 【解決手段】 対物レンズ１により形成される像をハー
フミラー３、再結像光学系５、トリプルビームスプリッ
タ８を経てセンサ９に導き、光路長の違いにより生ずる
センサ９上への像７、７’および７”の結像状態の差に
よりコントラスト差を検出して対物レンズ１による像の
結像位置を検出する。このとき、再結像光学系５の後群
レンズ５ｂの前側焦点位置に絞り６を配設する。この絞
り６の開口形状はセンサ９の画素の並び方向に対して直
角方向に長くし、センサ９の画素の並び方向に対する開
口数は絞り６の短辺方向の開口により一定にして焦点ず
れ時のボケ量を規定する一方、絞り６の長辺方向の開口
によりセンサ９に対して十分な光量を導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦点位置検出装置
に関するもので、特に顕微鏡、スチルカメラ、ビデオカ
メラ等のオートフォーカス装置に適用して好適な焦点位
置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】対物光学系が交換された場合でも、焦点
位置検出用の像の明るさおよび焦点ずれの検出精度が変
わらないようにした焦点位置検出装置が本出願人による
特開平６−１８６４７２号公報に提案されている。

【０００３】ここで従来の技術に係る焦点位置検出装置
について図７を参照して説明する。図７は顕微鏡やスチ
ルカメラ等に組み込まれた焦点位置検出装置の概略の構
成を示す図である。この図７に示す焦点位置検出装置
は、不図示の遠方物体からの光が対物レンズ１によって
撮像面２に形成される像の一部を、ハーフミラー３によ
り撮像面２の共役面上にある像面４に導き、この像面４
に形成される像からの光を再結像光学系５、トリプルビ
ームスプリッタ８によって像７、７’および７”として
形成し、これらの像７、７’、７”のコントラストをセ
ンサ９で検出して比較することにより焦点の位置ずれ方
向を検出するものである。そしてこの検出された焦点位
置ずれ方向に基づいて、制御装置１０を介して対物レン
ズ１を光軸方向に前後させることにより、焦点位置を調
節する。

【０００４】続いて再結像光学系５に配設された絞り６
６の作用について説明する。この絞り６６は再結像光学
系５の後群の開口数を、使用する対物レンズ１の種類に
よらず一定にするためのものであり、図８に示すような
直径ｄの円形開口形状となっている。この絞り６６によ
り、再結像光学系５による像７、７’あるいは７”の結
像位置がセンサ９の受光面に対してずれていたときに、
このずれ量とセンサ９の上で生ずる像のボケ量との関係
を、使用する対物レンズによらず一定にすることがで
き、これにより一定の焦点位置検出精度を維持すること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の焦点
位置検出装置では、絞り６６によって対物レンズ１から
の光束を制限しているため、特に被写体や観察対象物が
暗い場合にセンサ９に達する光量が不足し、高精度の焦
点検出機能を維持できなくなる場合がある。これに対し
て絞り６６の開口を大きくすると、僅かな焦点ずれに対
してもセンサ９の上で生ずるボケ量、すなわち錯乱円径
が大きくなり、センサ９で得られる像７、７’および
７”のコントラスト値に差がなくなってしまう。対物レ
ンズの光軸方向に位置をずらして配置した複数のセンサ
から得られるコントラスト値の大小で焦点ずれの方向を
判定する焦点位置検出方式において、各センサより得ら
れるコントラスト値の間に差が検出できなかった場合、
前ピンあるいは後ピンの判定ができない。

【０００６】本発明の目的は、センサの上で生ずるボケ
量を、使用する対物レンズの明るさによらず一定の値に
規制すると同時にセンサに対して十分な光量を導くこと
により、安定した焦点位置検出の可能な焦点位置検出装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図
１、図２および図４に対応づけて本発明を説明すると、
請求項１に記載の焦点位置検出装置は、物体からの光を
集光して像を形成する対物光学系１と；少なくとも前側
レンズ群５ａと後側レンズ群５ｂとで構成され、対物光
学系１により形成される物体像４を再結像する再結像光
学系５と；再結像光学系５により形成される像７のコン
トラストを検出する複数の画素からなる光電検出器９
と；再結像光学系５から出射した光束を複数の光束に分
割し、複数の光束を異なる光路長を有する光路を経て光
電検出器９の受光面に導く光路分割手段８と；再結像光
学系５の後側レンズ群５ｂの前側焦点位置近傍に配設さ
れ、対物レンズの種類によらず、焦点ずれ量に対するボ
ケ量の関係を一定に保つための絞り６とを有し、異なる
光路を経て光電検出器９の受光面上に形成される像７、
７’および７”のコントラスト差をもとに、対物光学系
１により形成される物体像４の結像位置を検出する焦点
位置検出装置に適用される。そして、絞り６には、図２
（ａ）に示す１の方向と、図２（ｂ）に示すように１の
方向と直交する他の方向とに異なる寸法ｄおよびｈを有
する開口６ａが図４に示すように設けられ、開口寸法ｄ
およびｈのうち、より大きい方の寸法の開口ｈが光電検
出器９の複数の画素の配列方向に対して直角方向に延在
する。以上のような構成として、光電検出器９の画素の
並び方向に対する開口数は絞り６の、より小さな寸法ｄ
側の開口により一定として焦点ずれ時のボケ量を規定す
る。そして絞り６の、より大きな寸法ｈ側の開口によっ
て光電検出器９の各画素へ十分な光量を導くことにより
上述の目的を達成する。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る
焦点位置検出装置の構成を示す概念図であり、１が対物
レンズ、６が絞り、９が焦点位置検出用のセンサであ
る。図２（ａ）はセンサ９付近の拡大図で、図２（ｂ）
は図１のＩＩ方向矢視図、図３は対物レンズ１の位置に
応じてセンサ９により検出されるコントラスト値の変化
を示す図、図４（ａ）は絞り６の開口形状を示す図、図
４（ｂ）は絞り６の開口６ａよりセンサ９の画素９ｅに
光が導かれる様子を示す図である。なお、従来の技術に
係る焦点位置検出装置を示す図７と同様の部分には同じ
番号を付し、その説明を省略する。

【００１０】図１において、図７に示す従来の技術に係
る焦点位置検出装置との相違点は、図８に示す開口形状
の絞り６６を図４に示す開口形状の絞り６に置き換えた
点である。そして、撮像面２と共役な位置にある像面４
の上に形成された像からの光は、前群レンズ５ａと後群
レンズ５ｂとで構成される再結像光学系５、再結像光学
系５の中に配設された絞り６、トリプルビームスプリッ
タ８を経て３分割され、センサ９の近傍に像７、７’、
７”として再結像する。

【００１１】トリプルビームスプリッタ８は、図２
（ａ）に示すように再結像光学系５の後群レンズ５ｂか
ら出射した光をそれぞれ光路Ｌ’、Ｌ、Ｌ”に沿う光に
３分割する。このとき、トリプルビームスプリッタの入
射面８ａからセンサ９の受光面に至るまでの光路長は
Ｌ’、Ｌ、Ｌ”の順で長くなる。従って、像７、７’、
７”の結像位置は図２（ａ）に示すようにセンサ９の受
光面に対してずれを生ずる。本実施の形態においては、
像７の再結像位置がセンサ９の受光面と一致したとき
に、対物レンズ１の結像面と撮像面２とが一致した状
態、すなわち合焦状態になる。また、この合焦状態にお
いて、像７’の結像位置と像７”の結像位置とはセンサ
９の受光面を挟んで等距離になるように構成されてい
る。

【００１２】図２（ａ）において、センサ９は１次元方
向に感度を有するＣＣＤで構成され、これを３つの分割
領域９ａ、９ｂおよび９ｃに分割して用いられる。そし
て、像７、７’および７”のいずれかの結像位置とセン
サ９の受光面とが一致したときに、一致した像に対応す
る分割領域９ａ〜９ｃのいずれかのコントラスト値が最
大値を示す一方、それ以外の分割領域から得られるコン
トラスト値は、像とセンサ９の受光面とのずれ量に応じ
て低下する。このときのコントラスト値の低下の度合い
があまり急峻であると、従来の技術で説明したように、
少しの焦点ずれが生じただけでもセンサ９の分割領域９
ａ〜９ｃで得られるコントラスト値は極端に低下してし
まい、それぞれの分割領域９ａ〜９ｃで得られるコント
ラスト値に差がなくなり、焦点ずれの方向の判定ができ
なくなる。このような場合には対物レンズを少しずつ移
動させながら逐次コントラスト値の検出を繰り返す必要
があり、焦点調節の迅速性が損なわれる。従って、この
ような不具合をなくすために、コントラスト値の低下量
は適度に緩やかにすることが望ましい。

【００１３】ここで図４に示す絞り６の開口形状６ａに
ついて説明する。開口形状６ａの幅ｄは、従来の技術に
係る焦点位置検出装置に用いられる絞り６６の開口径φ
ｄと同じ寸法にしてあり、長手方向の寸法ｈは、幅ｄに
対して十分に大きくしてある。また、開口形状６ａの長
手方向がセンサ９の並び方向に対して直角になるように
配置されている。これにより、図２（ａ）に示すように
センサ９の並び方向には絞り６の開口寸法ｄによってデ
フォーカス時のビームの広がり（ボケ）を従来の技術に
係る焦点位置検出装置と同様に抑制することができる。
一方、図２（ｂ）に示すようにセンサの高さ方向に対し
ては、十分に大きな開口寸法ｈが与えられているため、
センサ９を構成する画素９ｅに対して、図４（ｂ）に示
すように十分な光量な光量を導くことが可能となる。

【００１４】上述の絞り６および再結像光学系５の後群
レンズ５ｂを通過した光がトリプルビームスプリッタ８
にて３分割され、センサ９の各分割領域９ａ〜９ｃに像
が形成されたときに、センサ９によって検出されるコン
トラスト値の様子を図３に示す。対物レンズ１によって
撮像面２上に被写体像が形成される合焦状態において
は、センサ９の分割領域９ａにより検出されるコントラ
スト値がピーク値ｐを示す一方、センサ９の分割領域９
ｂおよび９ｃにより検出されるコントラスト値は等し
く、ｉとなっている。

【００１５】また、対物レンズ１の位置がａの位置にあ
るとき、すなわち前ピン状態にあるときにはセンサ９の
分割領域９ｃにより検出されるコントラスト値が最大値
となり、分割領域９ａおよび分割領域９ｂにより検出さ
れるコントラスト値が低い値となる。逆に対物レンズの
位置がｂの位置にあるとき、すなわち後ピン状態にある
ときには分割領域９ｂにより検出されるコントラスト値
が最大値となり、分割領域９ａおよび９ｃにより検出さ
れるコントラスト値が低い値となる。このように対物レ
ンズ１が撮像面２に対して合焦、前ピン、後ピンとなる
のに応じてセンサ９の分割領域９ａ〜９ｃから得られる
コントラスト値の大小関係が変化するので、焦点ずれの
方向が予測可能となり、これにより迅速な焦点調節が可
能となる。

【００１６】以上の実施の形態の説明において絞り６の
開口形状６ａは、その長手方向をセンサ９の並び方向に
対して直交させた長方形形状としたものについて説明し
たが、図５（ａ）、（ｂ）に示すような長円型あるいは
中くびれ状の開口形状としてもセンサ９の画素９ｅに十
分な光量を導くことができ、なおかつ焦点ずれ時に生ず
る錯乱円径の過度な広がりを抑制することができる。こ
れにより低照度の被写体や観察対象物に対しても良好な
焦点位置検出性能を維持することができ、また使用する
対物レンズによらず焦点位置検出精度を一定にすること
ができる。

【００１７】また、以上の実施の形態の説明ではトリプ
ルビームスプリッタ８を用いて対物レンズ１からの光束
を３つの光束に分割するとともに、画素が１列に配列さ
れたセンサ９を３つの領域に分割し、３分割された光束
をセンサ９の分割されたそれぞれの領域に導くようにし
たものであったが、光束の分割数は２以上であれば焦点
位置検出は可能であり、またセンサ９についても図６
（ａ）に示すように独立したセンサを一直線上に配列し
て用いてもよいし、あるいは図６（ｂ）に示すように平
行に配列して用いてもよい。なお、これら図６（ａ）お
よび（ｂ）において、絞り６の開口の長手方向は図６
（ａ）あるいは（ｂ）に示すそれぞれのセンサ９の画素
の並び方向に対して直交する方向に延在している。

【００１８】以上の発明の実施の形態と請求項との対応
において、対物レンズ１が対物光学系を、前群レンズ５
ａが前側レンズ群を、後群レンズ５ｂが後側レンズ群
を、センサ９が光電検出器を、トリプルビームスプリッ
タ８が光路分割手段をそれぞれ構成する。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、絞
り６の開口形状をセンサ９の画素の並び方向に対して直
角方向に長くしたので、センサ９の画素の並び方向に対
する開口数は絞り６の短辺方向の開口により一定にし、
焦点ずれ時のボケ量を規定することができる。同時に絞
り６の長辺方向の開口によりセンサ９に対して十分な光
量を導くことができ、これにより対物レンズが交換され
た場合でも焦点検出用の像の明るさおよび焦点位置検出
精度が変わらないようにするとともに低照度時の焦点位
置検出精度を良好に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係る焦点位置検出装置
の全体を示す概念図。

【図２】 本発明の実施の形態に係る焦点位置検出装置
の要部を示す概念図であり、（ａ）はその正面図を、
（ｂ）は図１におけるＩＩ方向矢視側面図を示す。

【図３】 対物レンズの光軸方向の位置変化にともな
い、センサ９の各分割領域で検出されるコントラスト値
が変化する様子を示す図。

【図４】 本発明の実施の形態に係る焦点位置検出装置
で用いられる絞りを示す図であり、（ａ）がその開口形
状を、（ｂ）がその開口形状からセンサ９の画素９ｅに
光が導かれる様子を示す図である。

【図５】 本発明の実施の形態に係る焦点位置検出装置
で用いられる絞りの別の開口形状例を示す図で、（ａ）
が長円型とした場合を、（ｂ）が中くびれ状とした場合
を示す。

【図６】 本発明の実施の形態に係る焦点位置検出装置
で用いられるセンサの別の形態を示す図で、（ａ）が３
つの独立した受光部を一直線上に配設した場合を、
（ｂ）が３列に配設した場合を示す。

【図７】 従来の技術に係る焦点位置検出装置の全体を
示す概念図。

【図８】 従来の技術に係る焦点位置検出装置で用いら
れる絞りを示す図であり、（ａ）がその開口形状を、
（ｂ）がその開口形状からセンサ９の画素９ｅに光が導
かれる様子を示す図である。

【符号の説明】

１ 対物レンズ ２ 撮像面 ３ ハーフミラー ４ 像面 ５ 再結像光学系 ６ 絞り ８ トリプルビームスプリッタ ９ センサ １０ 制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体からの光を集光して像を形成する対
   物光学系と、 少なくとも前側レンズ群と後側レンズ群とで構成され、
   前記対物光学系により形成される物体像を再結像する再
   結像光学系と、 前記再結像光学系により形成される像のコントラストを
   検出する複数の画素からなる光電検出器と、 前記再結像光学系から出射した光束を複数の光束に分割
   し、前記複数の光束を異なる光路長を有する光路を経て
   前記光電検出器の受光面に導く光路分割手段と、 前記再結像光学系の前記後側レンズ群の前側焦点位置近
   傍に配設され、前記対物レンズの種類によらず、焦点ず
   れ量に対するボケ量の関係を一定に保つための絞りとを
   有し、前記異なる光路を経て前記光電検出器の受光面上
   に形成される像のコントラスト差をもとに、前記対物光
   学系により形成される物体像の結像位置を検出する焦点
   位置検出装置において、 前記絞りには、１の方向と、前記１の方向と直交する他
   の方向とに異なる寸法を有する開口が設けられ、前記開
   口寸法のうち、より大きい方の寸法の開口が前記光電検
   出器の前記複数の画素の配列方向に対して直角方向に延
   在することを特徴とする焦点位置検出装置。