JPS6291914A - 可変焦点光学系と、これを利用した自動焦点合わせ装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、可変焦点光学系を、これを利用シた自動焦点
合わせ装置に係り、特に光学系の倍率を変化させず、微
動調整することなく焦点合わせを行うために好適な可変
焦点光学系を、これの性質を利用した自動焦点合わせ装
置に関する。

〔発明の背景〕

近年、エレクトロニクス技術の高度化に伴い、組み立て
製品の茜密度化、高精度化が進められう計測技術の高精
度化か必要となってきている。

計測技術の中でも非接触計測が可能な光学計測技術は、
その計測精度か高いこともあって広く使われているが、
ｍ密な計測を行なうためには光学系の自動焦点合わせが
大きな問題となっている。

ところで、この他光学計測の先行技術としては、次のよ
うな技術がある。

すなわち１特開昭５６−１９０５５号公報に開示されて
いるように、焦点を結像面に合わせるために結像面に受
光素子を設け、そのコントラスト信号の強弱を調べ、適
当な信号が得られるように、レンズを微動させて行う技
術がある。しかし、この先行技術ではレンズ全微動させ
ることにより結像面に結像させるため倍率変化が生じ、
常に一定倍率の像を得ることができなかった。

また、特開昭５９−０５４０９公報に開示されているよ
うに、主レンズ糸を含む撮像光学系の光軸上に副レンズ
糸を出し入れさせて焦点距離を切り換え可能とした可変
焦点光学系や、特開昭５９−６２８３５号公報に開示さ
れているように、レンズ糸の後方に平行平面ガラスを出
し入れさせて焦点距離を切り換え可能とした焦照調Ｗｎ
装置があるか１これらは共に連続的に焦点を変化させる
ことができないという欠点を有していた。

さらに１…１述の三つの先行技術は、そのいずれも機械
的にレンズを微動させたり、副レンズ系または平面ガラ
スご出し入れさせたりしているため、高精度化ニーズに
対して位置決め誤差および光軸合わせ誤差があり、また
微動調整機能に寿命がある等の欠点をもっていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記先行技術の欠点をなくし、光学系
の倍率を変化させることなく、かつ光学系を機械的に微
動調整することなく焦点距離を自由に変化させ得る可変
焦点光学系号提供することにあり、本発明の他の目的は
、前記可変焦点光学系の性質ご利用して試料の目標位置
に精確に、かつ自動的に焦点合わせが可能な自動焦点合
わせ装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明可変焦点光学系は、レンズ糸を含む光学系と可変
屈折率板とを備え、この可変屈折率板Ｆ、複数枚の光透
過板を、この光透過板間に設けられかつ印加電圧を変化
させることにより屈折率が変化する透明な強誘電体素子
を、可変電源に接続されかつ前記強誘電体素子に電圧を
印加する透明な電極板とを組み合わせて構成したところ
に特徴Ｐ有するもので、この構成により、印加電圧を変
化させることによって光学系の倍率を変えることなく、
かつ光学系を機械的に移動させることなく焦点距離を自
由に変化させることができる。

また、本発明自動焦点合わせ装置は、撮像光学系を、こ
の撮像光学内に設置され、かつレンズ系を含む光学系と
可変屈折率板とを備え、この可変屈折率板をＳ複数枚の
光透過板を、この光透過板間に設けられかつ印加電圧を
変化させることにより屈折率が変化する透明な強誘電体
素子を、可変電源に接続されかつ前記強誘電体素子に電
圧を印加する透明な電極板とを組み合わせて構成した可
変焦点光学系を、前記撮像光学系から映像信号を取り込
み１この映像信号から試料の目標位置に前記可変焦点光
学系の焦点が合致しているが、否かを判別し、その判別
結果に基づいて屈折率補正信号を出力する焦点合致判別
回路を、この焦点合致判別回路からの屈折率補正信号に
基づいて前記可変焦点光学系の強誘電体素子に対する印
加電圧を調整し、試料の目標位置に１１１記可変焦点光
学系の焦点が合致するように屈折率を変化させる制御器
とを備えているところに特徴を有するもので、この構成
により、試料の目標位置に精確に・かつ自動的に焦点合
わせすることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明可変焦点光学系の一実施例の構成図・第
２図は同要部の詳細を示す斜視図である０ これらの図に示す可変焦点光学系は、レンズ系１を、可
変屈折率板２を、可変交流電源７と？備えて構成されて
いる。

前記可変屈折率板２は、第１図に示すように、前記レン
ズ系１から目標焦点位置Ｆに至る光学系内に設置されて
いる。また、可変屈折率板２は第２図に詳細に示すよう
に、光透過板としての平面ガラス板３を、透明な強誘電
体素子４を、これの両側に設けられた透明な電極板５，
５′を、光透過板としての偏光板６とを有して構成され
ている。

前記強誘電体素子４は、ＡＤＰ（第２リン酸アンモニウ
ム）や液晶のような素子で形成されており、この強誘電
体素子４はその結晶に電圧号印加すると印加電圧によっ
て誘起される複屈折のため結晶の光学的性質が変わる。

これは、光学的−軸性結晶（正方黒糸結晶）が電荷によ
り光学的二軸性結晶に変化したことによるもので、騙形
奄気光学効果と呼んでいる。

前記電極板５は、平面ガラス板６と強誘電体素子４間に
設けられ、電極板ｂ′は強誘電体素子４と偏光板６間に
設けられている。

前記可変交流五り諒７は、可変屈折率２の電極板５，５
′間に印加する電圧を変化させ、強誘電体素子４の屈折
率を変化させるようになっている。

前記実施例の可変焦点光学系は、次のように操作され、
作用する。

いま、レンズ糸１から目標焦点位置Ｆに至る光学系にお
いて、可変屈折率板２の現在の焦点位ｔｒｔｌが第１図
に破線で示す位置にあり、前記目標焦点位置Ｆに対して
焦点位置ｙが距離αずれているものとする。

前記焦点位ｆｆｉ　Ｆを目標焦点位１１Ｆに合わせるた
めには、可変屈折率板２の電極板５，５′間に印加する
電圧を調整し１強誘電体素子４の屈折率を変化させてや
れはよい。

光学系全体の倍率は、レンズ糸１によって決定されるも
ので、可変屈折率板２の屈折率が印加電圧の変化によっ
て変化しても常に一定値を保つ。

ここで、可変交流？ａ＃１７により可変屈折率板２の′
遊極板５，５′を通じて強誘電体素子４に第２図に示す
ごとく、そのｚ軸に平行に電界をかけるを、もしＸＬｌ
！ｌＩｌ、ｙ軸に偏光された光が入射された４分、強誘
電体素子４内の複屈折によってソｈ、　ソｎ　ｘ軸、ｙ
軸に光の偏光成分は変化する。

新しい座標軸方向への屈折率ｎ′は、 ｎ−（ｎ’、／′±ｆＥｎ２） で求められる。

ただし、ｎ：元の座標糸での屈折率（定数）ｆ：電気光
学定数（定数） Ｅ：ｚ方向の電界 である。

ｓｆＪ記式において、ｎ、ｆは定数であるから、新しい
座標軸方向への屈折率ｎ′は２万回のｔ界Ｅによって決
定されることが分かる。

したかって、可変屈折率板２の電極板５．５′間に印加
する４圧を変化させ、強め′と体素子４の屈折率ご変化
させることにより、ｎ’ｌ記焦点位置Ｆを目標焦点位ｉ
Ｆに一致させることができる。

そして、この実施例によれば１光学系の階率？変えずに
焦点合わせが可能であり、したがって高イｎ度に焦点合
わせを行うことができる。

また、この実施例によれば、光学系を機械的に微動調整
する必要が７いりで、位置決め精度の問題、光軸合わせ
の問題、および微動調整機能の寿命の問題を全て解消す
ることができる。

次に、第３図および第４図は、それぞれ本発明可変焦点
光学系の吏用例を示す図である。

その第３図は、照明系に使用した例を示すもので、レン
ズ系１と可変屈折率板２と可変交流電源７とを備えた可
変焦点光学系８により、光源９を捜し出し、平行照明１
０を得るようにしている。

また、第４図は集光糸に使用した例２示すもので、可変
焦点光学系８のレンズ系１に入射してくる光１１ヲＦ４
点からＦ２点に集光させるようにしている。

続いて、第５図は本発明自動焦点合わせ装置の一実施例
を示す系統図である。

この第５図に示す実施例のものは、試料としてのスピン
ドル１２との間に設定間隔をおいて設置された受光素子
１５を有する撮像光学系を、前記スピンドル１２と受光
素子１３間に設置された可変焦点光学系８を、前記受光
素子１５に接続された焦点合致判別回路１５を、これに
接続された制御器としての可変屈折率板ドライバ１７と
を備えて構成されている。

前記可変焦点光学系８は、前記第１図および第２図に示
すものと同様、レンズ系１を、可変屈折率板２を、可変
交流奄＃７とを備えて構成されている。前記可変屈折率
板２は、平面ガラス板３を、強誘電体素子４を、電極板
５，５′を、偏光板Φとを組み合わせて構成されている
。そして、この可変焦点光学系ｄはスピンドル１２に定
められた目標位置Ｆ５に対向させて設Ｗされている。

前記受光素子１３は、スピンドル１２に定められた位置
を撮影し、その映像信号１４を焦点合致生別（ロ）路１
５に送り込むようになっている。

前記焦点合致判別回路１５は、受光素子１３から映像信
号１４を取り込み、その映像信号１４から可変焦点光学
系８の現在の焦点位置Ｆ４がスピンドル１２に定めうし
た目標位ｆＭＦ５に合致しているか、否かを判別するよ
うになっている。そして、焦点合致判別回路１５はもし
現在の焦点位置Ｆ４が目標位ａＦｓと合致していない時
は、屈折率の補正値を演算し・その演算結果としての屈
折率補正信号１６ｆ：可変屈折率板ドライバ１７に送り
込むようにｆＡ成さ０ている。

前記可変屈折率板ドライバｌ　７４、焦点合致判別回路
１５から屈折率補正１ｇ号１６を収り込み、可変焦点光
学系８の可変交流電源７に制御信号１８を送り、電極板
５，５′を通じて強誘電体素子４に印加する電圧ご調整
し、可変焦点光学系８の現在の焦点位置Ｆ４がスピンド
ル１２に定められた目標位ＭＦ、と合致するように、強
誘電体素子４の屈折率を変化させるようになっている。

ｎｉｌ記実施例の自動焦点合わせ装置は、次のように操
作され、動作する。

すなわち、スピンドル１２に定められた目標位ＦｆＦＳ
に対向させて設置された可変焦点光学系８からの出力光
は受光素子１６に入り１受光素子１３は前記可変焦点光
学系８を通じて撮影した映像信号１４ト焦点合致判別回
路１５に送り込む。

前記焦点合致判別回路１５では、前記映像信号１４を取
り込み、可変焦点光学系８の現在の焦点位ＭｔＦｔがス
ピンドル１２に定められた目標位置Ｆ３に合致している
か、否がを判別する。そして、前記焦点位置Ｆ４が目標
位ｆｆｆ　Ｆ　５に合致していない場合は、補正値を演
算し、その演算結果としての屈折率補正信号１６を可変
屈折率板ドライバ１７に送り込む。

前記可変屈折率板ドライバ１７では、前記屈折率補正ｆ
」号１６を取り込み・この屈折率補正信号１６に基づい
て、可変焦点光学系８の可変交流電源７にＭＪ？ｘＪ信
号１８？送り込む。

その結果、前記可変交流嵐＃７から電極板５゜５′を通
じて強誘電体素子４に印加される電圧が制御され、強誘
電体素子４の屈折率が変化し、前記焦点位１ｉＦ４か目
標位：ｆｊＦｓに合致了るように調整される。

したがって１この実施例の自動焦点合わせ装置によれば
、可変焦点光学系８の性質を利用して、スピンドル１２
の目標位Ｗ　Ｆ　ｓに焦点を精確に、かつ自動的に合わ
せることができる。

なお為本発明自動焦点合わせ装置は、図面に示すスピン
ドル１２に定められた目儀位ｋ　Ｆ　ｓの撮影に限らず
、試料全般に適用・コ゛きること勿論である０ 〔発明の効果〕 以上説明した本発明可変焦点光学系によれば、レンズ；
？、を言む光学系と可変屈折率板とを備え、この可変屈
折率板を、俵数枚の光透過板を、この光透過板間に設け
られがつ印加電圧ご変化させることにより屈伏率が変化
する透明な強誘電体素子を、可変電源に接読されかつ前
記強誘電体素子に電圧を印加する透明な電極板と２組み
合わせて構成しており、光学系の倍率を変化させる必要
がないので、焦点合わせを高精度に行い得る効果があり
、また機械的な微動調整を必要としないので、位置決め
精度の問題、光軸合わせの問題、および微動調整機能の
寿命問題を全て解消し得る効果がある。

また、本発明自動焦点合わせ装置によれば、撮像光学系
を、この撮像光学系内に設置され、かつレンズ系を含む
光学系と可変屈折率板とを備え、この可変屈折率板を、
腹故枚の光透過板を、この光透過板間に設けられかつ印
加電圧を変化させることにより屈折率が変化する透明な
強誘電体素子を、可変電源に接続されかつ前記強誘電体
素子に電圧？印加する透明な電極板とを組み合わせて構
成した可変焦点光学系を、前記撮像光学系から映像信号
を取り込み、この映像信号から試料の目標位置に前記可
変焦点光学光の焦点が合致しているか、否かを判別し、
その判別結果に基づいて屈折率補正信号を出力する焦点
合致判別回路を、この焦点合致判別回路からの屈折率補
正信号に基づいて前記可変焦点光学系の強誘電体素子に
対する印加電圧を調整し、試料の目標位置に＋ｆｒＪ記
可変焦点光学系の焦点が合致するように屈折率を変化さ
せる制御器とを備えて構成しているので、前記可変焦点
光学系の性質を利用し、試料に定められた目標位置に精
確に、かつ自動的に焦点合わせを行い得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明可変焦点光学系の一実施例の側面図、第
２図は可変焦点光学系の可変屈折率板の構成を詳細に示
す斜視図、第３図および第４図は前記可変焦点光学系の
色々な使用例を示す図、第５図は本発明自動焦点合わせ
装置の一実施例を示す系統図である。 １・・・光学系ご構成しているレンズ糸２・・・可変屈
折率板 ３・・・可変屈折率板の光透過板としての平凹ガラス板 ４・・・同透明なｇ！誘電体素子 ５．５・・・同透明な電極板 ６・・・同光透過板としての偏光板 ７・・・可変交流′電源 Ｆ・・・目標焦点位置 Ｆ′・・・可変焦点光学系の現在の焦点位置８・・・可
変焦点光学系全体 １２・・・試料としてのスピンドル １３・・・撮像光学系を構成している受光素子１４・・
・映像４４号 １５・・・焦点合致判別回路 １６・・・屈折率補正信号 １ノ・・・制御器としての可変屈折率板ドライバ１８・
・・可変焦点光学系の制御信号 Ｆ３・・・目標位置 Ｆ４・・・現在の焦点位置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レンズ系を含む光学系と可変屈折率板とを備え、こ
   の可変屈折率板を、複数枚の光透過板と、この光透過板
   間に設けられかつ印加電圧を変化させることにより屈折
   率が変化する透明な強誘電体素子と、可変電源に接続さ
   れかつ前記強誘電体素子に電圧を印加する透明な電極板
   とを組み合わせて構成したことを特徴とする可変焦点光
   学系。 ２、（ｉ）撮像光学系と、 （ｉｉ）この撮像光学系内に設置され、かつレンズ系を
   含む光学系と可変屈折率板とを 備え、この可変屈折率板を、複数枚の光 透過板と、この光透過板間に設けられか つ印加電圧を変化させることにより屈折 率が変化する透明な強誘電体素子と、可 変電源に接続されかつ前記強誘電体素子 に電圧を印加する透明な電極板とを組み合 わせて構成した可変焦点光学系と、 （ｉｉｉ）前記撮像光学系から映像信号を取り込み、こ
   の映像信号から試料の目標位置に前記可 変焦点光学系の焦点が合致しているか、否 かを判別し、その判別結果に基づいて屈折 率補正信号を出力する焦点合致判別回路と、（ｉｖ）こ
   の焦点合致判別回路からの屈折率補正信号に基づいて前
   記可変焦点光学系の強誘 電体素子に対する印加電圧を調整し、試料 の目標位置に前記可変焦点光学系の焦点が 合致するように屈折率を変化させる制御器 と、 を備えている特徴とする自動焦点合わせ装置。