JPS6161178B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は対象となる物体と光学系との距離を測
定することによつて焦点調節を行なう自動焦点調
節法に関するものである。

自動焦点調節を行なうに当たつて光ビームを物
体に照射、その反射光を利用して物体との距離を
測定して自動焦点調節を行なう方法に関しては
種々の方法が考案されているがいずれも複雑な光
学系を必要としたり、高精度が得られなかつたり
する欠点があつた。

従来の自動焦点調節方法の内、非点収差を持つ
た光束を発生させるために従来の方法では円筒レ
ンズを用いるものが既知である（特開昭50―
104539号公報参照）。また本発明者等はホログラ
ムを用いて非点収差を持つた光束を発生させるこ
とを提案している。しかし、このような方法では
円筒レンズやホログラムを製造するのが面倒であ
り、高価になると共にピント検出の感度を簡単に
は調整することができないという欠点がある。

本発明の目的は簡単な構成で高精度の焦点合わ
せを行なうことができる自動焦点調節方法を提供
することにある。

本発明は非点収差を利用した焦点検出方法にお
いて、光源と光検出器間の光路中であつて集束光
や発散光のような非平行光束の光路中に平行平面
板を光軸に傾斜させて配置したことを特徴とする
ものである。

以下図面につき本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明方法を実施する自動焦点調節装
置の光学系の構成を線図的に示したものである。
ここではある物体１の表面に対物レンズ２を用い
て非点収差をもつ光束を集束させ、その反射像を
検出器３を用いて分析して、対物レンズ２と物体
１との距離を検出するようにしている。まずレー
ザ光のような平行光束４をビーム拡大レンズ５で
拡げ、ハーフミラー６で反射させて対物レンズ２
で物体１上に集束させる。この時後述するような
適当な方法でこの集束された光に非点収差を生じ
させておく。物体で反射された光は再び対物レン
ズ２で集束されハーフミラー６を透過して検出器
３の上に集束する。この時上記非点収差のために
物体１のレンズ２に対する距離によつて検出器３
上の像の形が変化するのでこれを検出して物体１
とレンズ２との距離を測定し、レンズ２または物
体１を移動させて自動的に焦点を調節することが
できる。

第２図のように、非点収差に関連して子午像面
１０及び球欠像面１１があり、これ等の面の位置
は光学系によつて決定されている。子午像面１０
及び球欠像面１１に物体１がある時は物体１上の
像、検出器３の上の像は理論的にはそれぞれ線分
となり、これ等は互いに直交する。又物体１が子
午像面１０、球欠像面１１の前後にある時は像は
楕円となる。これ等の様子を第３図に示す。第３
図において破線で示す各面における光束の断面図
を右側に示している。子午像面１０と球欠像面１
１においては光束の断面は線分状になつているこ
とがわかる。もちろん実際には他の収差等のため
に線分になるとは限らない。又これら両面の中間
では光束の断面がほぼ円状になる面１２がある。
この面１２を以後最良結像面と呼ぶことにする。

このような光像の変化を捕える検出器３として
は例えば第４図に示すようなものが考えられる。
この検出器３は４つの受光領域Ａ〜Ｄをもつもの
で、各領域に入射する光量を別々に検出するもの
である。検出器３の中心を光学系の光軸と一致さ
せておけば物体面がレンズに対して子午像面側に
ずれていると第４図ａ、球欠像面側にずれている
と第４図ｃに示すように楕円形像ができ、Ａ，Ｃ
領域とＢ，Ｄ領域とに照射される光量に差が生じ
る。球欠像面と子午像面との中間の上記最良結像
面１２においては円形の像が形成され、Ａ，Ｃ領
域とＢ，Ｄ領域とに照射される光量はほぼ等しく
なる。第５図に検出器３の出力信号を処理する回
路のブロツク図を示す。検出器３の受光領域Ａ〜
Ｄの出力をそれぞれ同じＡ〜Ｄで表わす。信号
Ａ，Ｃは増幅器２１に入り、Ａ＋Ｃに対応する出
力が増幅器２１から得られる。同様に信号Ｂ，Ｄ
は増幅器２２で加算されＢ＋Ｄに対応する出力が
得られる。これらの信号は差動増幅器２３に供給
され、差動増幅器２３の出力は（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋
Ｄ）を表わすものとなる。この出力をレンズ駆動
部２４に供給する。レンズ２が駆動されて物体１
との距離を変えると検出器３上の像が第４図に示
すように変化し、差動増幅器２３の出力（Ａ＋
Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）は第４図ａの状態では正、ｃの状
態では負、ｂの状態では零となる。したがつて第
５図に示す系には帰還がかかり、これが負帰還と
なるように構成すればレンズ駆動部２４は物体が
最良結像面１２にきた時、すなわち第４図ｂの状
態で停止する。所望により差動増幅器２３にオフ
セツトを設けて（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）がある一定
のレベルになつ時にレンズ駆動を停止させるよう
にすることもできる。

第６図に（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）の値とレンズ２
と物体１の距離との関係を示す。本実施例におい
てははじめの状態において物体１とレンズ２との
距離が最良画像面から大きくはずれ、例えば符号
３０で示す点にある時等を考慮し、最初はレンズ
駆動部２４と差動増幅器２３とを切り離し、レン
ズ駆動部２４を検出器３の出力とは関係なく動作
させる。レンズ２をこのようにして動かし、（Ａ
＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）が零となる点を捜す。このよう
にして物体１が球欠像面１１と子午像面１０との
間に入り、さらに（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）が零とな
つた時レンズ駆動部２４を差動増幅器２３に接続
し、上述したフイードバツクループを働かせ、
（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）を零に保つか、あるいは零
でない一定レベルに保ようにする。こうして物体
１を子午像面１０と球欠像面１１との間の所定の
位置に保つことができる。

以上で物体１を光束の子午像面、球欠像面の間
の所定の位置に保つ方法を述べたが、これは物体
１とレンズ２の距離を一定に保つことに他ならな
いので自動焦点調節に利用することができる。例
えばビデオデイスク読取装置においては読取ビー
ムをデイスク上に集束させデイスク上に読取用光
点を形成する必要があるが、デイスクのたわみ等
によつて光学系とデイスク面の距離が変動するた
めに、光学系を常に操作して読取ビームがデイス
ク上に集束するようにしなければならない。この
操作はもちろん自動的に行なう必要があり、本発
明による方法を応用することができる。例えば第
１図において物体１としてビデオデイスクを用
い、検出器３をビデオ信号読取器と兼用させるよ
うにすればよい、この場合はビデオ信号読取用の
光束と、焦点検出用の光束として同じ光束を用い
ていることになる。

次に本発明において非点収差を生じさせる方法
について述べる。第７図ａ〜ｃに非点収差を生じ
させる方法を列挙した。これは光学系に光軸に対
して傾いたガラス平面板５１を挿入して非点収差
を生じさせる。この場合ガラスの平行度等につい
てはあまり高精度を要求されないので安価に構成
することができる。又平面板５１の傾きを変える
ことによつて非点収差の大きさを容易に変化さ
せ、装置全体の感度を変えることもできる。又ａ
〜ｃの場合のように非点収差をもつ光学系を通つ
て物体面に投影された光点が反射して再び非点収
差をもつ光学系を通つて検出器に到達することに
なる場合は、非点収差がより拡大されて検出器で
検出されるので好都合である。

本発明は上述した実施例に限られるものではな
く、種々の変形、変更が可能である。例えば第４
図に示した検出器の代わりに、第８図に示すよう
な２分割された検出器を用いることもできる。こ
の検出器は第４図に示した検出器の受光面Ａ，Ｄ
のみを取り出したものである。これでもＡ―Ｄを
求めてやれば第４図に示したものと同じ動きがあ
る。

次に本発明の平面板５１を光路中に傾けて配置
することにより非点収差を発生させる原理をより
詳細に説明する。

第９図は凸状のレンズ６０から出た集束光路中
に平面板５１を光軸に対し傾けて配置した図であ
り、第１０図は第９図に比較し、レンズ６０と平
面板５１の位置を逆転させた場合である。第９図
において、レンズ６０より出た集束光６１は平面
板５１の屈折作用を受け点Ｐに集光する。第９図
の様な方向で平面板５１を傾け、且つこの平面板
５１に集束光を入射させる場合、集束光６１のう
ち光軸の下側の光線６１′の方が、光軸の上側の
光線６１″よりも平面板５１による大きな屈折の
影響を受け集光点Ｐは光軸よりも下側にｙだけ変
位した位置に形成される。また光線６１′と６
１″が平面板５１を出射したときそれぞれの入射
光と平行であるが位置ズレを生じるから本来点Ｑ
に集光すべきものが、点Ｑより右側にｘ変位した
位置に集光することになる。

以上より、平面板５１の配置により、平面板５
１が無いとしたときの集光点Ｑは点Ｑより光軸方
向右側へｘ、光軸垂直方向の下側にｙ変位する。
即ち平面板５１は集光点Ｑを光軸右方向にｘ、光
軸下方向にｙ平行移動する作用を成す。一方光軸
の上からみた光路の変化、即ち光軸を含み紙面に
垂直な面上でのレンズ６０から出射した光束の変
化について検討すると、この場合は平面板５１の
屈折の影響はほとんど無視できるから、平面板５
１に入射した以降の光束は二点鎖線で示され、集
光点はほぼ点Ｑとなる、ここで点Ｐ，Ｑの各点を
通りレンズ光軸に垂直な平面をそれぞれｃ，ａと
し、この平面ａと平面ｃの垂直二等分する平面を
ｂとする。この各平面ａ，ｂ，ｃ上での光像は第
９図の集光点Ｐ，Ｑに達する２つの光路（実線と
二点鎖線で示される）の平行移動に基づくズレに
より平面ｂでは円形状、平面ａ，ｃでは互に直交
する線分となる。

一方第１０図では平面板６０への入射光６１は
発散光であるから、光軸より上側の光線６１″の
方が光軸より下側の光線６１′よりも平面板６０
によるより大きな屈折作用を受ける。この結果集
光点Ｐは光軸の上側に生じる。その他の点では第
１０図と同様である。

以上の様に平面板を光軸に対し傾斜させて配置
し、この平面板に集束あるいは発散光を入射させ
ることにより結像の形状は以上のように変化す
る。即ち、円形状の結像位置から光軸上を一方の
方向に進めば縦長の楕円から縦方向の線分に結像
が変化し、他の方向に進めば横長の楕円から横方
向の線分に結像が変化する。

次に平面板５１を光束が２度通過する場合の非
点収差発生の原理を、第７図ｂの光学系を用いて
説明する。

第１１図ａでは線図を簡略化して第７図ｂの半
透鏡を省略し、見かけ上の点光源をＬとして示し
てある。かかる点光源Ｌから発した光束は平面板
５１が無いとすればレンズ６０の作用だけで点Ｓ
に集光するのであるが、平面板５１の配置により
前記第１０図で説明した原理に従い点Ｔに集光す
る。一方レンズ光軸を含み且つ紙面に垂直な平面
上における光束は平面板５１の屈折作用を受けな
いため点Ｓに集光する。点Ｓを含み光軸に垂直な
平面をａ、点Ｔを含み光軸に垂直な平面をｃと
し、同様に光軸に垂直な面で面ａと面ｃ間の中点
を通る面を面ｂとする（面ａ，ｂ間の間隔＝面
ｂ，ｃ間の間隔＝l₁とする）。いま物体１の面が
面ｂの位置にある場合を考える。ここで物体１の
表面はミラーとしての機能を有するから集光点
Ｓ，Ｔはそれぞれ点S′，T′に見かけ上変位す
る。即ち反射光はS′，T′から光が発すると同じ
ことになる。

点T′から発した光束は点光源Ｌよりレンズ６
０から遠ざかる方向に向つてほぼレンズ光軸上の
点T″に集光する。一方点S′から発した光束は点
光源Ｌよりレンズ６０に近ずく方向でレンズ光軸
上の点S″に集光する。ここで二つの光束の交点
Ｖ，Ｗを含みレンズ光軸に垂直な面に光検出器３
を配置すると、この光検出面で光像は円形状とな
る。

次に物体１が第１１図ａの位置からレンズ６０
に近ずく方向に微少距離l₂（l₂＝ｌ_１／２とする）変位 したとする。このとき点Ｓ，Ｔは第１１図ｂの様
に点S′，T′に見かけ上変位し、これら２つの点
は共に第１１図ａに比較しレンズ６０に近ずく方
向に変位する。この結果点S″，T″は第１１図ａ
の場合に比較し、共にレンズ６０から遠ざかる方
向に変位する。このとき光検出器３では縦長の楕
円形のビームスポツトが形成される。

次に物体１が第１１図ａの位置からレンズ６０
から遠ざかる方向に微少距離l₃（l₃＝ｌ_１／２とする） 変位したとする。このとき点Ｓ，Ｔはそれぞれ第
１１図ｃの様に点S′，T′に見かけ上変位する。
このときこれら点S′，T′から発する光はレンズ
６０、平面板５１を通過しそれぞれ点S″，T″に
集光する。ここで点S″，T″は共に第１１図ａの
場合に比較しレンズ６０に接近する様に変位す
る。このとき光検出器３での光スポツトの形状は
横長の楕円形状となる。

以上の様に第１１図ａ，ｂ，ｃの物体１の変位
に対し光検出器の出力（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）は第
６図の曲線を描くことにより焦点誤差信号を得る
ことができる。

以上より本発明の基本原理は光源と光検出器間
の光路中であつて非平行光束の光路中に平行平面
板を光軸に傾斜させて配置することを基本とし、
光検出面に非点収差に基づく光像を形成させ、物
体の変位に関連した当該光検出面上の結像パター
ンの光量分布を検出する点にある。

即ち、非平行光束の光路中に配置された平行平
面板は光検出器上に非点収差を形成させる役割を
果し、一方物体はミラーとしての機能に基づき物
体の面振れに応じて光検出器における非点収差に
かかる集光点（例えば第１１図の点S″と点T″）
を共に光軸同一方向に向つて変位させる役割を果
すものである。

本発明によれば、簡単に製造できる平面板によ
つて作ることのできる非点収差を利用できるので
構成が著しく簡単になり、さらに平面板の傾きや
入射光の傾きで非点収差を変えて焦点調節の感度
を変化させることができる。実験的には倍率40の
対物レンズを用いて±１μ程度の精度で焦点調節
をすることができるのを確かめている。又上述し
た実施例のように反射光学系を用いれば、非点収
差が少ない光束を用いても対物レンズの倍率を高
くして信号検出面における収差を大きくして焦点
調節の感度を上げることができるので非点収差の
小さな良質の光束を使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動焦点調節方法を実施
する装置の一例の光学系の構成を示す線図、第２
図は非点収差をもつ光学系の子午像面と球欠像面
の位置関係の一例を示す線図、第３図は非点収差
をもつ光学系を通つた光束の各部の断面図、第４
図は本実施例に用いる検出器の構成を示す線図、
第５図は本実施例の電気的構成を示す線図、第６
図は本実施例による焦点検出信号とレンズと物体
の距離との関係を示すグラフ、第７図は本発明に
おいて非点収差をもつた光束を得るための方法を
示す線図、第８図は本発明の別な実施例に用いる
検出器の構成を示す線図、第９図〜第１１図は本
発明の原理を説明するための線図である。 １……物体、２……対物レンズ、３……検出
器、４……光束、５……ビーム拡大用レンズ、６
……ハーフミラー、１０……子午像面、１１……
球欠像面、１２……最良結像面、２１，２２……
増幅器、２３……差動増幅器、２４……レンズ駆
動部、４０……光点、４１……ピツト、５０……
対物レンズ、５１……ガラス平面板、６０……レ
ンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光束を対物レンズにより集束させて光スポツ
   トを対象となる物体表面に投影し、その反射光を
   前記対物レンズにより集光して物体表面上の光ス
   ポツトの像を少なくとも２個の受光領域を有する
   光検出器に結像させ、この光検出器からの出力信
   号により自動的に焦点調節を行なうに当り、 光源と前記光検出器との間の光路中であつて、
   非平行光束の光路中に平行平面板を光軸に傾斜さ
   せて配置することを特徴とする自動焦点調節法。