JPS6032846B2 - 光学装置の自動焦点合せ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、走査格子を使って光学装置を自動的に焦点合
わせする装置に関するものである。

器械の１画像平面内に空間周波数フィル夕として働く走
査格子（センサ）を配置し、これにより格子定数に相当
する空間周波数を中間画像から炉出し、これを受光器に
通して電子的信号を発生させることによって、光学器械
を自動的に焦点合わせさせることは公知である。この場
合、格子は中間画像の上をまたぐように移動し、器械の
焦点合わせまたは焦点合はずれに応じて被写体上に、所
要の焦点合わせ直しの目安となる別々の信号が生じる。
しかしながら、このような自動焦点合わせの方法におい
ては、ごく僅かの格子定数しかまたがらない格子が振動
するときとか、または、焦点合わせすべき被写体の位置
がズレるようなときに再三再四、センサがごく僅かしか
応動せずしたがって、ほとんど信号を発生させ得ないよ
うな場所が現われることがある。

したがって、このような場所では焦点合わせは不可能で
あり、焦点ズレが生じることが、すでに明らかにされて
いる。かかる被写体場所は、眼では見えないが、プリズ
ムラス夕を走査格子として使用する場合、両方の受光器
で測定した光東が同等であることを明らかにしている。
換言すれば、走査格子に対応する空間周波数を、被写体
と格子との相対移動の最中に該被写体の中で把えること
ができないことを明らかにしている。２番目の表現形式
は、走査格子としての振幅格子にも当てはまる。

中間画像の位置ズレが比較的小さい場合は、再びきわめ
て良好な信号が発生できる。このような現像は、顕微鏡
の自動焦点合わせの際に確認されたが、他の光学器械の
焦点合わせの際、たとえば写真機の自動ピント調整の際
にも明らかになる。

よって、本発明の目的は、上記のような困難ないしは欠
点を消除して、ほとんど信号を発出しない被写体場所に
対しても焦点合わせを行ないうるような方法、ならびに
該方法を実施するための装置を提供することにある。

さらにまた、対物レンズの焦点合わせのためには、適当
な被写体の像が上を移動する１つのスリットだけを利用
し、これでもつて、被写体の中にある線がその空間周波
数においてスＩＪット幅に合致するときに必ず１つの最
大電気信号を発生させるようにすることは、すでに公知
である。

スリットが１つだけであると、光の収量は比較的僅かの
ままである。だが他面、１つの完全な多線格子 （Ｌｉｎｉｅｎｇｉｔにｒ）を使って焦点合わせを実行
することも公知である。

この場合、格子線の数と共に、すなわち格子定数が与え
られる場合、格子の長さと共に透過光量が増すことは明
らかである。だが同時に選択度も格子線の本数につれて
増加するので、信号振幅は、格子線の本数の根数につれ
て増すに過ぎない。よって、本発明の目的はまた、十分
な選択度と十分な幅の空間周波数スペクトルとの間に妥
当な歩み寄りを示すような格子を提供し、一方では被写
体の空間周波数が十分に大きい帯城幅を与え、他方にお
いては十分に大きな信号振幅を与えるようにし、それに
より、できる限り簡単、確実かつ安価な形の信号処理が
可能であるようにすることにある。

本発明によれば、かかる目的は、中間画像の広がりに比
して短かし、格子を使って、中間画像と格子との間にい
くつかの格子定数にまたがるような相対移動を生じさせ
ることによって解決される。

普通は、格子を１／勿格子周期で又はそれより僅か大な
る周期で振動させれば十分であると見なされる。そのと
きは、基本波と第１高調波としか得られない。これに対
応する形で提案されるのが、格子の走査路を格子周期に
して約２０周期分にまで伸ばすことである。このように
長くした振動路は、発出信号の小さに画像場所と発出信
号の大きい画像場所とを交互に走査し、その際に必ず１
つの調節信号（Ｓに１ｌｓｉ則ａｌ）を発出するという
利点をもたせる。従って、信号のない場所はいわば「打
ち負かされて無くなる」ことになる。本発明の別の特徴
によれば、帯城幅がテルッ（企ｒｚ）からオクターブ（
０ｋｔａｖｅ）までの通過空間周波数曲線を持つ格子を
使えば、十分な選択度と十分な幅の空間周波数スペクト
ルの間で妥当な歩み寄りが得られることになる。

ここで特に提案されるのは、格子に２〜５本の格子スリ
ットなりプリズムなりを備えつけることである。そこで
、本発明による方法を実施する装置としては、中間画像
の広がりに比して短かく、かつ、いくつかお格子定数に
またがって移動できるように作られた格子を使用する。

以下に図面にしたがって行なう本発明の詳細な説明は、
格子が往復振動運動を行う１実施例にしたがって、さら
にまた、格子が回転円板上に配置してある別の１実施例
にしたがって説明してある。

以下に図面に示した実施例について本発明を詳細に説明
する。

第１図において符号１で表示してあるのが中間画像で、
その平面内で格子２が振動する。

実際の格子、すなわち多数のスリット２ａおよびウェブ
２ｂは、格子の振動幅に比較して短かし、。

符号ｄで表示してあるのが格子定数、ａで表示してある
のが振幅で、ａ》ｄが成立する。通常、この格子が様々
の明るさの画像場所の上を走査すなわち、なでてゆくよ
うに動かされるので、格子の振動周波数でもつて信号周
波数が変調されることになる。ａ》ｄであるゆえ、比較
的大きい周波数間隔が存在し、従って、電気的なカット
オフに困難を伴うことはない。中間画像１は絞りｌａに
より境界され、その絞り内で格子２は振動する。

このぱあい、絞りの縁部によって妨害信号が生起するよ
うなことがないように、格子がその振動時に常に絞りｌ
ａによって制限された平面の中を移動するような配慮が
なされている。格子のなす通常は正弦形の運動によって
生じる周波数スペクトルを制限し、障害となり得る要因
を締め出し、かくして、いっそう好ましい電子信号処理
を行なうことを保証するために、格子の運動かち得られ
る信号によって格子逆転点とその周囲の信号の帰線消去
（ゲート制御）（Ａｕｓｔａｓねｓｔｕｎｇ）を行なっ
てよい。

これにより、測定信号は、格子の振幅の全体のうち、格
子の連動がある程度直線的に推移する部分だけに限定さ
れることになる。第２図は、格子通路全体に、格子の空
間周波数と一致する構造が一様に存在する被写体場所に
おける信号推移を示している。

この場合、信号振幅は全部同じ大きさであるが、周波数
はわずかに中心部においてある程度線状であるに過ぎな
い。その結果、格子が反転運動をする反転点付近では、
信号の帰線消去が行われることになる。だが、信号推移
の線状化は、格子運動自体を線状化することによっても
達成可能である。第３図は、上記とは反対に、格子の空
間周波数が被写体内に一様に存在しない場合に生じる信
号推移を示している。

このときは、格子振動通路の一部でほとんど信号振幅が
得られないが、そのすぐ脇のところから再び、器械の焦
点合わせに十分な信号振幅が得られる。ａ》ｄであるか
ら、暗い場所はそこで前述のように「打ち負かされる」
ことになる。周期的格子の代わりに非周期的格子を使用
してもよい。

このときは、画像の相異なる空間周波数が評価できると
いう利点がもたらされる。本発明の通り、格子定数に比
して大きい振幅全体にわたって格子を振動させる方法は
、振幅格子にもプリズムラスタ格子にも当てはまる。

篤点を合わせ直そうとする方向を求めるためには、いわ
ゆる瞳孔（ヒトミ）分割の方法を用いることが可能であ
る。

ここでは、それぞれ２個の受光体を、振幅格子の背後に
集光レンズによって模写された瞳孔の中に持込む。そう
すると、焦熱まずれの際に受光体の両方の信号の間に位
相差が生じ、その向きと大きさが焦点はずれの尺度とな
る。プリズムラスタ使用の場合は、同様に２×２個の受
光体を使用する。

そうすると、ここでも焦点はずれの際に２つの信号の間
に位相ずれが生じる。ここに提案した振動形格子の場合
は、方向が逆転するだけで信号の位相ずれにも逆転が生
じる。

かかる理由から、信号処理のために電子整流子を採用す
ることを提案する。そこでは、格子の戻り振動の際に格
子運動からのトリガ信号によって瞳孔画像の両半分から
の信号のチャンネルが置換される。第４図は、顕微鏡使
用の場合の、本発明による方法を実行するための装置を
もう１度はっきり示している。

同図において１０で示してあるのは、コンデンサ１を介
して被写体１２を照らす光源である。被写体１２からは
、対物レンズ１３を介して２つの中間画像が平面１７お
よび１９に投影される。その間には、ビームスプリツタ
１７およびレンズ１５ａおよび１８が介在する。中間画
像平面１４においては、画像を薮眼レンズ１５で見るこ
とができる。他方、中間画像平面１９には、プリズムラ
スタの形をなす走査格子２０が移動できるように配置し
てある。その格子移動は、振動ェレメント２１を使って
行われる。ここでも、振動行程はａ》ｄである。走査格
子から出てくる光東は、公知の仕方（従って詳細に説明
しない）で、視野レンズ２２を介して２個の複式受光体
２３，２４に送られ、その信号は、調整ェレメント２５
に達し、さらに増幅器２６を越えて駆動モータ２７に達
する。かかる駆動モータが、自動．焦点合わせの目的で
対物レンズなりテーブルなりを矢印２８の方向に移動さ
せる。以下の図は、スリット本数の異なる格子における
透過度の違いを説明するものである。

第５図には、１つの大きな円板の中に３本のスリットを
有する振幅格子の透過度が示してあり、第６図には、対
応する差動格子の透過度が示してある。かかる菱動格子
は、たとえば３個のプリズムが１枚の不透明円板の上に
配置してあってこれと一緒に移動し、それによって光を
２通りの方向に分散できるような形に作ってあってよい
。また、第６図に示した透過度推移は、第５図における
と同様のスリットを含んだ円板が一部鏡になっており、
そこで反射された光から生じる信号が薄過する光の信号
によって減じられることで説明がつこう。第７図は、第
５図および第６図に示した推移のフーリエススベクトル
を示している。すなわち、第５図および第６図が透過度
と場所×との関係を示しているのに対し、第７図は透過
度と空間周波数Ｒとの関係を示している。この図は、生
じる奇数高調波を省略する形で簡略化してある。曲線推
移３０はスリット１本だけの場合に得られるもので、曲
線推移３１はスリット数本の場合に得られるものである
。曲線３２は第６図に示した差動格子の場合に得られる
。同じ曲線は第５図に示した振幅格子の場合にも得られ
るが、その場合はさらに曲線推移３３も現われる。曲線
３０と曲線３１との比較から、格子線がきわめて多い場
合は確かに一周波数にとってきわめて大きい伝送度が得
られるが、その代わり帯城幅が極端に狭くなることが明
らかになる。

これに対し、格子線３本使用の場合は、これだけですで
にかなりの“共振高騰”が生じるが、これは、８度（１
オクターブ）の１／３〜１／２塁度の帯城幅と給付いて
いる。従って、被写体の測定部分においてスペクトル線
がかかる空間周波数範囲に蕗込む確率は、ある一定の周
波数しか炉出しない場合のそれよりも大きい。光学器械
を電気光学的に焦Ｖ点合わせするについては、すでに、
瞳孔（ヒトミ）の直径方向に配置した２個の受光体が受
取る信号から位相差を求め、かかる差の±符号と大きさ
とを利用して焦点はずれの方向と大きさとを突止める方
法が提案されている。

そのような配置を第９図に示しておく。

対物レンズ○が、焦点合わせすべき対象を振動格子ＳＧ
上に写し出し、その振動格子ＳＯが振動駆動装置Ｓによ
って移動させられるようになっている。振動駆動装置Ｓ
の方は、発電機Ｇから給電される。視野レンズＦが対物
レンズを通して見える画像を平面Ａ′上に写し出す。平
面Ａ′内には２個の光電池Ｐ２およびＰ，が設けてあり
、これらが関口部城んおよびＡ，に並列させてある。両
方の光電池Ｐ２およびＰ，から発せられた光東は、増幅
器Ｖ，およびＶ２によって増幅された後、それぞれ１個
の帯域フィルタＢＰに送られる。帯域フィルタＢＰは、
第７図の曲線３２に基づく空間周波数範囲および格子振
動速度かち得られる周波数をぶるし・分ける。位相計◇
が、帯城フィルタ背後の準正弦形の波列の位相差に比例
する出力信号を送出し、これを表示装置に表示させる。
この場合の表示装置は、たとえば公知様式の光秤ＬＷか
らなるものであってよい。但し、位相成形器と光秤の間
には、表示装置の極性を振動格子の往路と復路に従じて
切換える転極器Ｕが接続してある。受光体から送出され
る信号、すなわちその周波数組成およびその時間推移‘
ま、格子の運動の時間推移×ｔによって異なる。

振動運動がいくつかの格子定数にまたがる場合は、走査
周波数の数倍の信号周波数が得られる。ｎ個の格子定数
にまたがる正弦形運動の場合、ゼロ通過の瞬間における
周波数は、走査周波数の２汀ｎ倍である。時間推移の２
′３については、ほぼ正弦形の電圧推移が得られる。そ
こでは、求めるべき局部的な位相周波数が、一時的な気
位相周波数とほぼ類似する形で得られる。その結果、簡
単な測定処理が可能である。格子を使っての走査は、根
本的に走査結果が多義的である（まぎらわしい）という
危険を含んでいる。

かなり大きい焦点はずれの場合には位相差が３６０ｏに
および、従って、誤ったゼロ表示の生じる可能性がある
。本発明の通りかなりの数の格子定数にまたがった格子
運動が行われるならば、そのような誤ったゼロ表示の可
能性を続出すことができる。格子粗目体は勿論、第７図
に曲線部分３３で示してある通り、広幅のスリットであ
る。依然低周波数成分を含んでいる両光電池Ｐ，，Ｐ２
（第９図）の信号は、正しい焦点合わせのあった場合に
しか同期でない。すなわち硯差なしである。換言すれば
、格子組をスリットとして用できるのは、まぎらわしい
結果が生じない大雑把な焦点合わせのときである。第９
図は、本発明による装置の簡単な−実施形態を示してい
る。

両帝城フィル夕の手前の両信号電圧は、周波数がある一
定の最４・値に達すると光秤を遮断する差分形成器Ｄに
送られる。この差分形成器Ｄは、焦点合わせの際に先ず
対物レンズを、光秤が応答して両方のランプが点くまで
、移動させる働きを持つ。すなわち、両方の光電池信号
がほぼ等しくなるように働く（粗調整）。そこで、対物
レンズをさらに移動させれば、両方のランプの明るさを
等しくする微調整が行われる。本実施例においては、両
低周波信号の相互のずれが誤ったゼロ表示を防ぐのにし
か役立たないが、低周波信号自体から大雑把な表示形式
、それも、対物レンズ移動範囲全体において両ランプの
一方が点さ、それによって、対物レンズがどんな位置に
あるときでもそれがどの方向に移動すべきかを利用者に
表示するように論理的な形で位相成形器◇の信号とつな
がる表示形式を作出すことも可能である。このような装
置が必要とされるのは、対物レンズを任意のいかなる当
初位置からでも全自動的に合わせようとするときである
。勿論、まぎらわしさを抑えるためにこのような装置を
プシュプル格子と一緒に用いることも可能である。信号
周波数が走査周波数の数倍であることにより、格子を単
純なスリット格子の形とする、すなわち微測定にとって
望ましくない低周波成分（第７図の曲線３３）を残して
おくことも可能である。

場所的推移と時間的推移の間にほぼ比例的な関係がある
場合、すなわち速度ほぼ一定の場合、望ましくない低い
空間周波数を電気的にふるい落とすことが可能である。
また、曲線部分３３を１００％なくすことが多くの理由
から不可能であることも考えねばならない。従って、振
動幅の大なることによって、準直流残分を炉出できるこ
とになる。これに対し、運動振幅がほぼ１つの格子定数
にしかならないときは、事情が違う。

そのときは、信号周波数が走査周波数に等しいが、全く
低い空間周波数が同じ信号周波数を供給する。従って、
周波数フィル夕によるカットオフが不可能である。信号
周波数と走査周波数とが異なることのもう１つの利点は
、別の障害、たとえば漏話（Ｕｂｅ岱ｐｒｅｃｈｅｎ）
を締出すことにある。

格子線の本数を少なくすることを除けば、スリット間隔
を別々にする、すなわち２つの格子定数ｇ，および＆を
選ぶことによっても所要の帯域幅を得ることができる。
すでに提案されているこの措置は、いくつかの格子定数
にまたがる走査運動と結付かない限り、不可能である。
第８図に示したそのような格子に小さな運動行程しか与
えないとすると、画像の左の部分は格子定数９で、右の
部分は格子定数段でそれぞれ走査されることになる。だ
がそれは、アソド結合の意味においてである。本発明の
別の一実施形態では、第１０図に示す通り、回転円板５
０を使ってこの上にいくつかの格子組５１を並置するこ
とも可能である。

この場合、格子組は順次画像面５２を通り抜けてゆく。
格子が画像面の絞りを走査するのを防ぐため、格子組が
画像面に入いってからそこを出るまでの時間のあいだに
電気后号帰線消去の措置を講じることを提案する。格子
が画像面を通過する最中のいわゆる婦線消去は、公知の
仕方で、回転数安定化に利用できる円板上のパイロット
トラック５３を使って行ってよい。本発明の別の一実施
形態を第１１図に示す。

振動形の走査円板６０が、格子定数の異なる２つのスリ
ット列６１および６２を含んでおり、これらに別々の光
電池が従属させてある。これで、走査円板の往復時に前
記転極の代わりに（然るべ〈分極された）両受光体の切
換えが行われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は格子を重ね合わせた中間画像の説明図、第２図
はあらゆる被写体場所が十分な明るさを有する場合の、
振動する格子にとって代表的であるような理想的信号推
移を例示したグラフ、第３図は被写体が一部黒い場所を
有する場合の信号推移を示したグラフ、第４図は顕微鏡
について本発明方法を実施する装置を示した概略説明図
、第５図は３本のスリットを持つ格子の透過度推移を示
した略図、第６図はプッシュプル格子の透過度推移を示
した略図、第７図はそれに付属する周波数推移を示した
略図、第８図は２通りの格子定数を持つ格子の走査用円
板、第９図は本発明に使用する焦点合わせ検出器、第１
０図は本発明による回転形の格子走査円板、第１１図は
別々の格子定数を持つ２つの格子を走査するようにした
本発明による振動形走査円板の説明図である。 これらの図において、１・・・・・・中間画像、２・・
・…格子、１１……コンデンサ、１５……接眼レンズ、
２０・・・・・・走査格子、２２・・・・・・視野レン
ズ、２３〜２４…・・・複式受光体、２６・・・・・・
増幅器、２７・・・・・・駆動モータ、３０〜３３・・
・・・・曲線推移、５０・・・・・・回転円板、５２・
・・・・・画像面、５３・・・・・・パィロットトラッ
ク、６０・・…・走査円板、６１〜６２・・・・・・ス
リット列。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 焦点合せすべき装置の光線路の中間像面に光軸に垂
   直にそして格子マークの長手拡がりに対して垂直に可動
   に配置され、少なくとも１つの受光体を有する光電式受
   光装置に付属している空間周波数フイルタとして作用す
   る格子を有し、前記光電式受光装置が格子を出る光束を
   走査し焦点合せするための制御信号として使用される適
   当する電気信号に変換する光学装置の自動焦点合せ装置
   において、格子が中間像の拡がりに比して短く且つ１テ
   ルツから１オクターブの帯域幅を有することと、格子を
   移動させる駆動装置が格子を多くの格子定数にわたつて
   往復動するように構成されていることを特徴とする光学
   装置の自動焦点合せ装置。