JP3239343B2

JP3239343B2 - 焦点位置検出装置

Info

Publication number: JP3239343B2
Application number: JP33483792A
Authority: JP
Inventors: 達朗大滝
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 2001-12-17
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: JPH06186472A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば顕微鏡、ビデオ
カメラ又はスチルカメラ等の光学機器のオートフォーカ
ス機構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】顕微鏡、ビデオカメラ又はスチルカメラ
等の光学機器においては、対物光学系により物体の像を
所定の結像面上に結像し、この結像面上の像を例えばＣ
ＣＤ等の２次元の撮像素子を用いて撮像している。斯か
る光学機器では、常にその所定の結像面上に物体の像を
鮮明に結像するために、オートフォーカス機構が備えら
れている。そのオートフォーカス機構の中で重要な部分
が、対物光学系により結像された像と本来の像面との位
置ずれ（焦点ずれ）を検出するための焦点位置検出装置
である。

【０００３】図５は従来の焦点位置検出装置を示し、こ
の図５において、観察対象物としての標本１からの光が
対物レンズ２により集光され、この集光された光の一部
がビームスプリッター３により分離されて観察面４に達
する。標本１が対物レンズ２に対して合焦されている状
態では、観察面４上に対物レンズ２による標本１の像が
結像され、この像が例えば２次元の撮像素子により光電
変換される。一方、ビームスプリッター３を透過した光
は、更にハーフプリズム５によって２分割され、２分割
された光がそれぞれラインセンサー等の受光素子６Ａ及
び６Ｂの受光面に入射する。

【０００４】標本１が対物レンズ２に対して合焦してい
る状態で、ハーフプリズム５によって２分割された光に
より、結像面７Ａ及び７Ｂ上にそれぞれ対物レンズ２に
よる標本１の像が結像されるものとすると、一方の受光
素子６Ａは結像面７Ａに対して対物レンズ２から遠避か
る方向に間隔Δだけ離れた位置に配置され、他方の受光
素子６Ｂは結像面７Ｂに対して対物レンズ２に近づく方
向に間隔Δだけ離れた位置に配置されている。この場
合、受光素子６Ａで検出される標本１からの結像光束の
分布と、受光素子６Ｂで検出される標本１からの結像光
束の分布とが等しくなるように、標本１と対物レンズ２
との間隔を変える等の動作を行うことにより、受光素子
６Ａ上の像のぼけと受光素子６Ｂ上の像のぼけとが等し
くなる。即ち、標本１の鮮明な像が結像面７Ａ及び７Ｂ
上に結像され、同時に観察面４上にも標本１の鮮明な像
が結像される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
において、対物レンズ２を別の対物レンズと交換したよ
うな場合には、倍率及び開口数N.A.の相違から、交換後
の対物レンズのハーフプリズム５側の開口数N.A.′が先
の対物レンズ２の開口数とは異なる。その開口数N.A.′
の違いにより、受光素子６Ａ及び６Ｂの配置面、即ち本
来の結像面から焦点ずれした位置における像のぼけの程
度が異なってしまう。このため、対物レンズにより焦点
合わせの精度が異なるという不都合があった。

【０００６】また、像の明るさは対物レンズのハーフプ
リズム５側の開口数N.A.′の２乗に比例するため、その
開口数N.A.′が異なると受光素子６Ａ及び６Ｂの受光面
における像の明るさが大きく異なることになる。そこ
で、対物レンズを交換したような場合には、受光素子６
Ａ及び６Ｂの感度特性に合わせるために、光路の途中に
配置されているＮＤフィルター等を交換するか、又は標
本１を照明するための光源の明るさを変える必要があ
り、動作が複雑化するという不都合があった。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、対物光学系が交
換された場合でも、検出用の像の明るさが変わらないと
共に、焦点ずれの検出精度が変わらない焦点位置検出装
置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による焦点位置検
出装置は、物体（１）からの光を集光し物体（１）の像
を形成する対物光学系（２）と、対物光学系（２）によ
り形成される像を光電的に検出する光電検出器（１３）
とを有し、対物光学系（２）の結像位置を検出する焦点
位置検出装置において、対物光学系（２）と光電検出器
（１３）との間に対物光学系（２）により形成される物
体（１）の像を再結像する再結像光学系（８ａ，８ｂ，
８ｃ）を配置し、この再結像光学系は、対物光学系
（２）からの光を集光する第１光学系（８ａ，８ｂ）
と、この第１光学系からの集光された光を結像する第２
光学系（８ｃ）と、この第２光学系で結像するリレー像
を分割して、第１リレー像と第２リレー像とを生成する
光路分割プリズム（１２）とを有し、光電検出器（１
３）は、その対物光学系が合焦している状態で見ると、
その第２光学系の結像位置の前後に配置され、その第１
光学系とその第２光学系との間に形成される対物光学系
（２）の瞳面と共役な面に、かつその第１光学系とその
第２光学系との間にあり、その第１リレー像とその第２
リレー像とがテレセントリックとなるような位置に絞り
手段（１０）を配置したものである。

【０００９】この場合、その第１光学系の少なくとも一
部の光学要素（８ａ１，８ａ２）を可動に構成し、この
可動の光学要素を動かすことにより、対物光学系（２）
の瞳面（９）と絞り手段（１０）の配置面との共役を保
つようにしてもよい。また、その第１光学系の可動な光
学要素（８ｄ，８ｅ）がガリレオ系であってもよい。

【００１０】

【作用】斯かる本発明によれば、例えば図１に示すよう
に、対物光学系（２）により結像される像（７）が再結
像光学系（８ａ，８ｂ，８ｃ）により一度リレーされ
る。そして、その再結像光学系の光路中の対物光学系
（２）の瞳面（９）と共役な位置に、絞り手段（１０）
が配置されているため、この絞り手段（１０）によって
その再結像光学系の像（１１Ａ）側の開口数N.A.′を一
定に維持することができる。これによって、対物光学系
（２）を交換した場合でも、焦点合わせの精度を光電検
出器（１３）の受光面で一定にすることができる。ま
た、光電検出器（１３）上の明るさは、その開口数N.
A.′の２乗で定まるので、絞り手段（１０）により、光
電検出器（１３）の受光面上の明るさを一定にすること
ができる。

【００１１】また、その第１光学系の少なくとも一部の
光学要素（８ａ１，８ａ２）を可動に構成し、この可動
の光学要素を動かすことにより、対物光学系（２）の瞳
面（９）と絞り手段（１０）の配置面との共役を保つよ
うにした場合には、対物光学系（２）が交換されて瞳面
（９）の位置が変化しても、絞り手段（１０）の配置面
は交換後の対物光学系の瞳面と共役である。従って、そ
の再結像光学系の像側の開口数N.A.′が一定に維持され
る。

【００１２】また、その第１光学系の可動な光学要素
（８ｄ，８ｅ）がガリレオ系である場合には、対物光学
系（２）が交換されて瞳面の位置が変化した際に、その
ガリレオ系を移動させることにより、絞り手段（１０）
の配置面を交換後の対物光学系の瞳面と共役にする。こ
のようにしても、再結像光学系により再結像される物体
の像（１１Ａ）の倍率が変化せず、焦点ずれの検出精度
が一定に維持される。

【００１３】また、絞り手段（１０）は、再結像光学系
によりリレーされる像（１１Ａ）が像側でテレセントリ
ックとなる位置に配置することが望ましい。このような
配置により、焦点ずれが生じても、光電検出器（１３）
における像の大きさが変わらないため、焦点ずれの検出
精度が一定に維持される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明による焦点位置検出装置の第１
実施例につき図１及び図２を参照して説明する。本実施
例は、例えば種々の対物レンズを交換して使用できる顕
微鏡のオートフォーカス機構に適用される。図１は本実
施例の概略の構成を示し、この図１において、観察対象
物としての標本１の対物レンズ２による像７と、対物レ
ンズ２との間にビームスプリッター３を配置して、この
ビームスプリッター３により分岐した対物レンズ２から
の結像光束を観察面４に導く。標本１が対物レンズ２に
対して合焦している状態で、観察面４上に標本１の像が
結像され、観察面４上には例えば２次元の撮像素子の受
光面が配置される。

【００１５】本例では、ビームスプリッター３の上部
に、順にレンズ８ａ、レンズ８ｂ及びレンズ８ｃよりな
るリレーレンズ系（これを「リレーレンズ系８」で表
す）を配置し、このリレーレンズ系８によって、標本１
の像７を再結像してリレー像１１Ａを形成する。この場
合、対物レンズ２の瞳面（フーリエ変換面）９のレンズ
８ａ及びレンズ８ｂによる共役面が、レンズ８ｂとレン
ズ８ｃとの間に形成されるようにして、その瞳面９と共
役な面に絞り１０を配置する。この絞り１０により、リ
レーレンズ系８の像１１Ａ側の開口数N.A.′を所定の値
に制限する。これにより、対物レンズ２が交換された場
合でも、交換後の対物レンズの瞳面が瞳面９と同じ位置
にある限り、絞り１０を通過してレンズ８ｃによりリレ
ー像１１Ａを結像する光束の開口数は常に一定である。
従って、焦点ずれの検出精度が変わらないと共に、検出
用のリレー像１１Ａの明るさが変わらない。

【００１６】なお、図１の構成だけでは焦点ずれが検出
できないので、レンズ８ｃの次に図２に示すような光学
系を配置する。図２は、図１の対物レンズ１による像７
に続く光学系の一例を示し、この図２において、リレー
レンズ系８の後端のレンズ８ｃの上に光路分割プリズム
１２を配置する。光路分割プリズム１２は、断面が直角
三角形のプリズムの斜面に断面が平行四辺形のプリズム
の斜面を貼り合わせて形成し、その貼り合わせ面１２ａ
をハーフミラー面としたものである。

【００１７】この配置で、レンズ８ｃから射出される光
束が、その光路分割プリズム１２のハーフミラー面１２
ａで２分割され、ハーフミラー面１２ａを透過した光束
によりリレー像１１Ａが結像される。また、ハーフミラ
ー面１２ａで反射された光束が、光路分割プリズム１２
中の断面が平行四辺形のプリズムの他方の斜面１２ｂで
全反射され、この全反射された光束によりリレー像１１
Ｂが結像される。リレー像１１Ａ及び１１Ｂは、共に像
７をリレーレンズ系８により再結像したものである。

【００１８】図１において、標本１が対物レンズ２に対
して合焦している状態では、図２において、一方のリレ
ー像１１Ａは光路分割プリズム１２から所定間隔の位置
に結像され、他方のリレー像１１Ｂは光路分割プリズム
１２の内部に結像され、リレー像１１Ａの結像位置とリ
レー像１１Ｂの結像位置との中間の位置が、光路分割プ
リズム１２の外部に来るようにする。そして、その中間
の位置に１次元ＣＣＤ又はラインセンサー等の受光素子
１３の受光面を配置する。即ち、標本１が対物レンズ２
に対して合焦している状態では、受光素子１３の受光面
からリレー像１１Ａまでの光路長と、受光素子１３の受
光面からリレー像１１Ｂまでの光路長とは等しい。従っ
て、受光素子１３で、リレー像１１Ａのぼけた像及びリ
レー像１１Ｂのぼけた像を受光して、例えば両者の光量
分布を等しくすることにより、標本１の合焦が行われ
る。なお、受光素子１３として、２次元の撮像素子等を
使用してもよい。

【００１９】この図２の例において、レンズ８ｂとレン
ズ８ｃとの間の絞り１０の配置面は図１の対物レンズ１
の瞳面９と共役である。更に、絞り１０の位置は、リレ
ー像１１Ａ及び１１Ｂがテレセントリックとなるような
位置、即ちレンズ８ｃの前側焦点面の位置の近傍である
ことが望ましい。このようにリレー像１１Ａ及び１１Ｂ
をテレセントリックにすることにより、焦点ずれが生じ
た場合でも、受光素子１３の受光面でのリレー像１１Ａ
及び１１Ｂのぼけた像の倍率が同じになる。従って、リ
レー像１１Ａの前及びリレー像１１Ｂの後における像の
ぼけの状態がほぼ完全に等しくなり、合焦精度が増す。

【００２０】次に、本発明の第２実施例につき図３を参
照して説明する。本実施例は図２の実施例において、リ
レーレンズ系８の構成を変えたものであり、この図３に
おいて図２に対応する部分には同一符号を付してその詳
細説明を省略する。図３は、図１の像７に続く本例の光
学系を示し、この図３において、像７から絞り１０の方
向に順に、光軸ＡＸに沿って可動なレンズ８ａ１、光軸
ＡＸに沿って可動なレンズ８ａ２及び固定されたレンズ
８ｂを配置する。他の構成は図２と同じである。そし
て、レンズ８ａ１，レンズ８ａ２，レンズ８ｂ及びレン
ズ８ｃよりなるリレーレンズ系（これをも「リレーレン
ズ系８」と呼ぶ）によって、像７からリレー像１１Ａ及
び１１Ｂを再結像する。

【００２１】また、像７の前の対物レンズが交換され
て、対物レンズの瞳面（図１の瞳面９に対応する）の位
置が変化した場合には、レンズ８ａ１とレンズ８ａ２と
をそれぞれ独立に光軸ＡＸに沿って動かすことにより、
その瞳面と絞り１０の配置面との共役を保つようにす
る。これにより、種々の対物レンズが交換して使用され
るような場合でも、レンズ８ｃから受光素子１３に入射
する結像光束の開口数N.A.′が一定の値に維持されて、
焦点ずれの検出精度が一定に維持される。これに関し
て、一般に高倍率の対物レンズは倍率に対して像側の開
口数が小さいために焦点合わせの精度が比較的悪いが、
その絞り１０を高倍率の対物レンズの像側の開口数に合
わせて焦点ずれの検出精度を設定しておけば、対物レン
ズを交換した場合でも一定の検出精度が得られる。

【００２２】本実施例のように、リレーレンズ系８の一
部であるレンズ８ａ１及び８ａ２を動かして、広い範囲
の対物レンズの瞳面（入射瞳）の位置の変動に対応でき
るようにしておけば、顕微鏡のように入射瞳の位置変動
が大きい場合でも焦点合わせの精度を一定に維持でき
る。更に、絞り１０によりリレー像１１Ａ及び１１Ｂの
明るさは常に一定となり、受光素子１３の飽和現象等が
生じなくなるため、標本を照明するための光源の明るさ
の調整を行う必要がなくなる。

【００２３】次に、例えばレンズ８ｂから絞り１０を経
てレンズ８ｃに至る光束が平行光束となっている場合、
像面７と絞り１０との間のレンズ８ａ１、レンズ８ａ２
及びレンズ８ｂよりなるレンズ系の合成焦点距離をｆと
する。そして、レンズ８ａ１、レンズ８ａ２及びレンズ
８ｂよりなるレンズ系の合成の物側主点が、常に、像面
７から距離ｆの位置になるように、可動のレンズ８ａ１
及び可動のレンズ８ａ２を動かす。このようにすれば、
像７の前にある対物レンズの瞳面（入射瞳）の位置が変
化したときに、リレー像１１Ａ及び１１Ｂの位置を変え
ることなく、その瞳面に共役な面（射出瞳）の位置を絞
り１０の配置面に維持することができる。勿論、この場
合の射出瞳は、テレセントリックとなっていることが最
も望ましく、これにより合焦精度が向上する。

【００２４】次に、本発明の第３実施例につき図４を参
照して説明する。本実施例も図２の実施例において、リ
レーレンズ系８の構成を変えたものであり、この図４に
おいて図２に対応する部分には同一符号を付してその詳
細説明を省略する。図４は、図１の像７に続く本例の光
学系を示し、この図４において、像７から絞り１０の方
向に順に、固定されたレンズ８ｂ、光軸ＡＸに沿って可
動な凹レンズ８ｄ及び光軸ＡＸに沿って可動な凸レンズ
８ｅを配置する。凹レンズ８ｄ及び凸レンズ８ｅはガリ
レオ系として一体的に光軸ＡＸに沿って移動する。他の
構成は図２と同じである。そして、レンズ８ｂ、凹レン
ズ８ｄ、凸レンズ８ｅ及びレンズ８ｃよりなるリレーレ
ンズ系（これをも「リレーレンズ系８」と呼ぶ）によっ
て、像７からリレー像１１Ａ及び１１Ｂを再結像する。

【００２５】この場合、像７からの光束はレンズ８ｂに
より平行光束になり、この平行光束が更に、凹レンズ８
ｄ及び凸レンズ８ｅよりなるガリレオ系によって径の大
きな平行光束に変換される。そして、そのガリレオ系か
ら射出された平行光束が絞り１０を経てレンズ８ｃに至
る。即ち、レンズ８ｂとそのガリレオ系との間は平行系
であり、そのガリレオ系とレンズ８ｃとの間も平行系で
ある。従って、凹レンズ８ｄ及び凸レンズ８ｅよりなる
ガリレオ系を光軸ＡＸに沿って移動させた場合でも、リ
レー像１１Ａ及び１１Ｂの位置及び倍率は変化しない。

【００２６】しかも、対物レンズが交換されて瞳面（入
射瞳）の位置が変化した場合には、それに応じてそのガ
リレオ系を移動させることにより、その瞳面と共役な面
（射出瞳）の位置を絞り１０の配置面に維持することが
できる。従って、焦点合わせの精度がより安定に維持さ
れる。

【００２７】なお、上述実施例は対物レンズが交換でき
る顕微鏡のオートフォーカス機構に本発明を適用したも
のであるが、その他にも、例えば種々の開口Ｆ値が異な
る交換レンズが取り替えて使用されるビデオカメラやス
チルカメラ等のオートフォーカス機構にも本発明は同様
に適用される。このように、本発明は上述実施例に限定
されず本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得る。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、対物光学系の瞳面と共
役な位置に配置された絞り手段によって、再結像光学系
の後ろ側の開口数を常に一定にできるため、光電検出器
の受光面での像のぼけを常に一定にすることができる。
即ち、対物光学系の種類に依らずに、光電検出器による
焦点ずれの検出精度を一定にできる。また、絞り手段に
より開口数が一定となっているため、再結像光学系によ
りリレーされた像の光電検出器上での明るさは常に一定
となり、物体を照明するための光源を使用した場合に、
光電検出器の感度により、その光源の明るさの調整を行
う必要がない利点がある。

【００２９】また、第１光学系を構成する可動の光学要
素を動かすことにより、対物光学系の瞳面と絞り手段の
配置面との共役を保つようにした場合には、対物光学系
が交換されて瞳面の位置が変化しても、光電検出器によ
る焦点ずれの検出精度を一定にできる。更に、その可動
の光学要素がガリレオ系である場合には、このガリレオ
系を動かして対物光学系の瞳面と絞り手段の配置面との
共役を保つようにしても、再結像光学系によりリレーさ
れる像が変化しないので、焦点ずれの検出精度がより安
定に維持される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による焦点位置検出装置の第１実施例の
全体の構成を示す一部を省略した光路図である。

【図２】第１実施例のリレーレンズ系以降の構成を示す
光路図である。

【図３】本発明の第２実施例のリレーレンズ系以降の構
成を示す光路図である。

【図４】本発明の第３実施例のリレーレンズ系以降の構
成を示す光路図である。

【図５】従来の焦点位置検出装置の全体の構成を示す光
路図である。

【符号の説明】

１標本２対物レンズ７標本１の像８ａ，８ｂ，８ｃレンズ９対物レンズ１の瞳面１０絞り１１Ａ，１１Ｂリレー像１２光路分割プリズム１３受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−1809（ＪＰ，Ａ) 特開平２−6709（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−65415（ＪＰ，Ａ) 特開平４−98233（ＪＰ，Ａ) 特開平４−174410（ＪＰ，Ａ) 特開平４−338711（ＪＰ，Ａ) 特開平５−72467（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−133018（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 7/28 - 7/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】物体からの光を集光し前記物体の像を形
成する対物光学系と、該対物光学系により形成される像
を光電的に検出する光電検出器とを有し、前記対物光学
系の結像位置を検出する焦点位置検出装置において、前記対物光学系と前記光電検出器との間に前記対物光学
系により形成される物体の像を再結像する再結像光学系
を配置し、前記再結像光学系は、前記対物光学系からの光を集光す
る第１光学系と、該第１光学系からの集光された光を結
像する第２光学系と、該第２光学系で結像するリレー像
を分割して、第１リレー像と第２リレー像とを生成する
光路分割プリズムとを有し、前記光電検出器は、前記対物光学系が合焦している状態
で見ると、前記第２光学系の結像位置の前後に配置さ
れ、前記第１光学系と前記第２光学系との間に形成される前
記対物光学系の瞳面と共役な面に、かつ前記第１光学系
と前記第２光学系との間にあり、前記第１リレー像と前
記第２リレー像とがテレセントリックとなるような位置
に絞り手段を配置したことを特徴とする焦点位置検出装
置。
【請求項２】前記第１光学系の少なくとも一部の光学
要素を可動に構成し、該可動の光学要素を動かすことに
より、前記対物光学系の瞳面と前記絞り手段の配置面と
の共役を保つようにしたことを特徴とする請求項１記載
の焦点位置検出装置。
【請求項３】前記第１光学系の可動な光学要素がガリ
レオ系であることを特徴とする請求項２記載の焦点位置
検出装置。