JPS59155807A - 自動焦点検出装置 - 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】 本発明は、顕微鏡やカメラ等の光学系に用いられる自動
焦点検出装置であって、異なる光路を通って形成された
二つの像を多数の素子を配列して成る光電変換装置によ
シ個別に光電出力信号に変換し、該光電出力信号に基い
て二つの像の相対位置関係を検出することにより合焦検
出を行うようにした自動焦点検出装置に関するものであ
る。

この種従来の自動焦点検出装置には、三角測量を応用し
た距離計式のものや瞳を通る光束を分割して二つの像を
得るＴＴＬ方式のものがあり、いずれも二つの像の合致
を検出するのに二つの像についてデジタル的に相関を求
め、その相関値の極、値をもって一合致となし且つその
合致まで二つの像の相対移動量をもって像の位相差量と
するものであった。

第１図はその一例を示しており、図示しないイメージセ
ンサ−により撮られた二つの像のデータＡ、Ｂはサンプ
ルホールド回路、Ａ−Ｄ変換器くいずれも図示せず）等
を通ってリング状のシフトレジスタ１ａ、１ｂに夫々記
憶される。この例では画像データを１２８ビツトで構成
している。

両画像データＡ、Ｂが夫々シフトレジスタｌａ。

１ｂに格納されると、続いて差の絶対値を求める回路２
によυ各ビット毎の差の絶対値が求められ、更に加算器
３によってそれらの和が求められて二つの像の相関値と
なる。次に、クロックＯＬからのパルスによりシフトレ
ジスタ１ｂの画像データＢが１ピツト分移動されて再び
回路２．加算器３ニヨり相関値が求められる。このよう
にして、クロックＯＬにより次々と一方の画像データを
移動させるたびに相関値が求められ、更にピークディテ
クタ４によって相関値の極値が求められ、極値を検出し
た位置が合焦位置となる。又、極値の場合のクロック数
がカウンタ５によって求められ、とのクロック数即ちシ
フトレジスタ１ｂの画像データＢの移動量が二つの画像
の位相差量となり、これからデフォーカスの方向と量を
知ることが出来る。

ところが、と刀従来装置では、イメージセンサ−が一定
の大きさを有せざるを得ないためイメージセンサ−に写
る二つの像は単に位置がずれているだけでなく周辺部分
が異なったものとなり、その結ｉ二つのシフトレジスタ
ｌａ、ｌｂに記憶される画像データＡ　４．　Ｂも単に
位置がずれでいるだけでなく端部において異なったもの
となり、而もこの一方の画像データをリング状に回転さ
せながら相関を計算するので、正確な像の位相差が求め
られ得なかった。この点を第２図に基づき詳細に説明す
れば、（ａ）及び（ｂｌはシフトレジスタ１ａに格納さ
れた画像データＡ及びシフトレジスタ１ｂに格納された
画像データＢを夫々用していて、焦点が合っていない場
合両方の画像データＡ、Ｂがずれ従ってビー、りｐ、、
ｐ／もずれていると共に、両方の画像データＡ’、Ｂｉ
ｌ″ｔｉ部において異なったものと壺 なっている。又、（Ｃ）シフトレジスタ１ｂの画像デー
タＢをαビット移動せしめたものを示している。

従って、ピークＰ、Ｐ“が一致していることがら両画像
テークＡ、Ｂの位相差がαビットであることがわかるが
、（Ｃ）の画像データのうち０〜αビツトの部分は（ｂ
）の状態におけるβ〜１２７ビツトの部分であり、（ａ
）と（Ｃ）の画像データは完全には一致しない。即ち、
相関の計算を０〜１２７ビツトの全ての画像データにつ
いて行うと、像の位相差が零の場合即ちピークＰ、Ｐ“
が一致した場合に相関の値が極−値になるとは限らない
。従って、この装置では正確な像の位相差を求めること
は困難である。

父、この装置では画像データの移動を１ピツトずつでし
か行っていないので、大きカブフォーカス量を検出する
場合に時間がかかつてしまうという欠点もあった。

本発明は、上記間順点に鑑み、光電変換装置の一部の素
子の光電出力信号を用いて相対位置関係を検出すると共
に、デフォーカス量が大きい場合は該光電変換装置の複
数個ずつずれた素子の光電出力信号を用いて相対位置関
係を検出するようにして、検出精度及び検出速度の大巾
な向上を実現した自動焦点検出装置を提供せんとするも
のであるが、以下第３図乃至第１５図に示した一実施例
に基づきこれを説明すれば、第３図は本実施例に用いら
れる瞳分割法の原理を示しており、（ａ）において、６
は結像レンズ、７は結像レンズ６の前側で瞳の近傍に配
設された開ロアａを有する遮光板、８は像面であり、合
焦時には像面８上に像Ｑが結像されるが、非合焦時には
前ピン、後ピンに対応して像Ｑに関して各々光軸０に垂
直な方向で反対方向にずれた位置にボケた像Ｑ１　＋　
Ｑ２が像面８上に形成される。（ｂ）は遮光板７の開ロ
アａを光軸Ｏに関して反対側に移動させた場合を示して
おり、合焦時には像面８上に像Ｑ′が結像されるが、非
合焦時には各々前ピン、後ピンに対応してボケた像Ｑ１
′。

Ｑ２１が像面８上に形成される。従って、遮光板７の開
ロアａを例えば（ａ）の位置からｆｂ）の位置へ移動さ
せると、合焦時には像Ｑ及びＱ′が同じ位置にあって移
動しないが、前ピンの場合には像はＱｌからＱ１′の位
置へ移動し、まだ後ピンの場合にはＱ２かうＱ２′の位
置へ移動する。そして、８の像面上にいわゆるイメージ
センサ−を設けることにより像の状態を測定できる。

以上のことから、前ピン、後ピンの判別が可能となると
共に、その時の非合焦の量を像の移動方向及び量（すな
わち位相差）から知ることができる。

給４図は上記原理を顕微鏡に用いた場合の実施例の全体
図であり、５１は光源、５２はコンデンサージングであ
る。５３はステージで、この上に標本をのせて観察を行
なう。５４は対物レンズ、５５は焦点検出系へ光を導く
ビームスプリッタ−１５６は接眼レンズに光の一部を導
くプリズム、５７は接眼レンズである。５８は写真用接
眼レンズ、５９はフィルムである。ここまでは、普通の
顕微鏡と何ら異なるところは無い光学系である。６０は
ビームスプリッタ−５５からの光を検出光学系に導くリ
レーレンズ、６１は瞳をつくるレンズ、６２はレンズ６
１によってつくられた瞳の位置におかれる瞳分割器であ
る。６３は結像レンズで、これを通る光をフィルター６
４を介してイメージセンサ−６５上に結像させる。６６
は瞳分割器駆動回路、６７はステージ駆動回路であり、
それぞれマイクロコンピュータ７０によって制御される
。

６８はイメージセンサ−駆動回路、６９はイメージセン
サ−６５からの画像データをマイクロコンピュータ７０
に入力するインターフェイス回路である。７１は自動焦
点動作を行なったり、合焦表示や不可能表示を行なうコ
ンソールである。相関の演算や合焦の判定等は全てマイ
クロコンピュータ７０が行なっている。相関の演算は最
近開発され市場に出ている計算専用ＬＳＩを用いると良
い。

次に各部分の動作について詳述する。第５図は二つの像
を形成する為に瞳を通る光束を分割する瞳分割器の具体
的な二つの例を示しており、（ａ）はガラス基板に連光
部分（斜線部）を設は且つ軸Ｏを中心に回転させること
により瞳９を半分ずつ交互に開閉す、るようにしたもの
であり、（ｂ）は開口部】０を有した扇形のもので軸Ｏ
を中心に左右に回転させることにより瞳９を半分ずつ交
互に開閉するようになっている。（ａ）の場合は、ＤＣ
モータ等によって回転させつつ回転する瞳分割器による
同期信号に応じてイメージセンサ−で撮像する方法に適
している。（ｂ）はマイクロコンピュータ等の制御装置
に従って瞳分割器を動かしながらそれと同期してイメー
ジセンサ−で撮像する方法に適している。かくして、以
上の様な瞳分割器によって第３図における（ａ）、（ｂ
）の状態を作り出し、その（ａ）。

（ｂ）の状態それぞれの場合の画像データをイメージセ
ンサ−によって得ることが可能となる。

父、一般に合焦の対象となる被写体や標本は視野の中心
にあるとは限らないので、イメージセンサ−は視野の中
心だけでなくなるぺ〈広範囲にわたっていることが望ま
しい。しかし、視野全体をカバーしようとするとイメー
ジセンサ−の素子数を増やす必要がある。これは合焦精
度を一定に保つためには素子のピッチをある程度の大き
さにしなければならないところからくる。

この点について以下説明する。第６図は二つの像の位相
差量とデフォーカス量との関係を示す図である。こ＼で
は、説明を簡単にする為に点像を考える。１３は光学系
の光軸であり、後側聞口数がＮ　Ａ’の光学系によって
点像１１が形成されているとする。今デフォーカス量δ
ｄの位置にイメージセンサ−１２があるとすると、二つ
の像１１Ａ。

１１ＢはＳｐだけ位相差をもって形成されるから、δｄ
とＳｐの関係は となる。今１０×の対晩レンズを用いた場合の合焦精度
を考える。１０×対物レノズのＮＡを０．４０とすると
ＮＡ’は０．０４となり、（１）式からδｄ〒２５８ｐ
　　　　　　　　　　　　　　（２）が導かれる。一方
、１０×対物レンズの焦点深度ｔは ｔ　＝　’□　　　　　　　　　　　　　（８）ＮＡ’ で表わされる（εは最小錯乱円である）から、ε−０，
０５ｍｍ（２０本／ｍｍ）分解能Ｋ　相当）　ｔ４＋＋
ｈ’ｔ　＝　’　１．２５ｍｍ　　　　　　　　　　　
　　（４）となる。この焦点深度以内の合焦検出精度が
必要であるから、 δｄ＝−−（５） として δａ　＝　０．６２５ｍｍ　　　　　　　　　　　　（
６）よって Ｓｐ　＝　２５１＋ｍ　　　　　　　　　　　　　（７
）となる。この程度の像の位相差量を精度良く求めるに
は、イメージセンサ−１２のダイオードアレイのピッチ
がやはり２５μｍ程度である必要がある。

以上の様に合焦精度の要求からイメージセンサ−１２の
ピッチが決定される。この場合板に１２８個のダイオー
ドアレイを有するイメージセンサ−を用いたとすると、
イメージセンサ−がカバーする範囲は１２８　Ｘ　０．
０２５　＝　３．２ｍｍとなり、これは視野数２１（視
野が直径２１ｍｍ　）に比べて非常に小さく、合焦の対
象となる被写体をイメージセンサ−の位置（一般的には
中心）に移動させて合焦を行う必要が生じる。

第７図は本実施例に使用したイメージセンサ−とそこに
おける処理方法を示したものである。本実施例は５１２
個のフオ、トダイオードアレイを有するイメージセンサ
−を使用しているが、このイメージセンサ−によると５
１２　Ｘ　（１，０２５＝　１２．８ｍｍとなり、視野
のか々りの部分をカバーすることができる。

しかし、全てのビット（ダイオードアレイ）を用いて相
関演算すると非常に演算時間が長くなるし、意味も無い
。そこで５１２ビツトを１２８ビツトの五つのブロック
ａ　−ｄに分け、その内股もコントラストの高いブロッ
クで相関の演算を行なう。

ここで、コントラスト計算方法の一例について説明する
。一般にコントラスト評価の評価関数としては、’ｆ　
（ｘ）をセンサーのＸビット目の出力とした場合 Ｃ−Σｌ　ｆ（ｘ）　−ｆ　（Ｘ＋１　）　Ｉ又は、 Ｃ−Σ（ｆ（Ｘ）　−ｆ　（Ｘ＋１　）　）２となるこ
とが知られている。本実施例の場合、コントラストの変
化を精度良く知る必要のあるコントラスト法による川魚
合わせとは異なり、各ブロック間の相対的コントラスト
強度を知れば良いから、必ずしも隣りのビットの差を計
算する必要はない。例えば Ｃ−Σ′１ｆ（Ｘ）−ｆ（Ｘ＋５）Ｉ とする（Σ′はＸを４つおきに計算するという意味−Ｉ
ｆ（６４）−ｆ（６９）ｌ＋・・・・＋ｌ　ｆ　（１８
４）−ｆ　（１８８）　ｌとなり、差の絶対値を３１回
計算しながら加算すれば良いことになる。従来の計算法
なら１２１回心要となる。

尚、ここで５ビット隣りの値との差の絶対値を４ピツト
おきに計算しているのは、ただ単に隣りの値の差の絶対
値を４ビツトおきに計算するよりもコントラストの感度
を良くするためである。この点に関し、例えば第８図に
示したイメージセンザー上の光の強度分布ｌに基づき比
較計算を行ってみると、本実施例の場合は Ｃ＝　Ｉｆ（６４）−ｆ（６９）ｌ＋１ｆ（６８）−ｆ
（７３）ｌ＝　１１３−３０１＋１２５−６０１ ＝５２ となるのに対し、従来の場合は ０’−１ｆ（６４）−ｆ（６５）ｌ＋１ｆ（６８）−ｆ
（６９）１＝　１１３−１４１＋１２５−３（］ ＝　６ となることから、・本実施例の方が従来の場合よりコン
トラスト感度が良くなっている。

更に、計８算量を少なくする為にＸビット隣りの値との
差を求め、これをＸビットおきに計算する場合は、ｘ＞
Ｙが好ましい。本実施例はＸ二５＞４＝Ｙである。

なお、上記関数ｆに用いるデータは画像データＡ、Ｂの
どちらか一方で良い。

かくして、以上の様な方法でブロックａ、ｂ。

・・・・、ｅのコントラストを計算してその内の一番コ
ントラストの良いものを選ぶが、ここで第７図から明ら
かなようにブロックａとｂが１２８〜１９２ビツトで重
なっているので、無駄な計算をしないように６４〜１２
８　ピッ　ト　、１２８〜１９２ピッｌ−，１９２〜２
５６ビツトのコントラストを各々計算し、ブロックａの
コントラストは６４〜１２８ビツトと１２８〜１９２ビ
ツトのコントラストの和、ブロックｂのコントラストは
１２８〜１９２ビツトと１９２〜２５６ビツトのコント
ラストの和としても良い。尚、ブロックａ　、　ｂ　、
　ｃ　、　ａ。

ｅが各々の半分ずつ重なり合っているのは、ブロックの
境界に画像強度変化の著しい部分がある場合でもその変
化を含んだブロックを設定できるようにする為である。

例えばブロックａ、ｃの境界すなわち１９２ビット近辺
に画像強度変化の著しい部分があった場合、ブロックａ
あるいはブロックＣでは情報を全て使うことは出来ない
が、ブロックｂが設定されていれば情報の全てがブロッ
クｂに含まれることになり都合が良い。コントラストを
求める演算は相関の演算に比べて非常に短時間で済むの
で、本実施例の演算時間は１２８ビツトだけの相関演算
時間＋α程度の時間で済む。父、両側のそれぞれ６４ビ
ツトにブロックを設定していないのは、像をずらして相
関を計算する場合に第２図で述べたことが起こらないよ
ってする為である。

以上のように処理を行なえば、必ずしも合焦させるべき
被写体や標本が視野の中心になくとも被写体のおる部分
（ブロック）が自動的に選ばれて焦点検出が行われる。

以上のことは特に固定的なブロックを定めておく必要は
なく、視野の大部分をカバーするように配設されたイメ
ージセンサ−の数多くの７オトダイオードアレイの中か
ら、相関演算に必要なフォトダイオードアレイを含んだ
部分をコントラスト等で選べば良い。寸だ観察用の視野
中にマーク等を設は手動で設定するようにしても良い。

この様にすると視野中に立体的な標本があって（、ある
いはゴミがあっても、使用者の合わせたい被写体に焦点
を合わせることができる。

次に、全体の動作について説明する。捷ず、第４図のイ
メージセンサ−６５からの二つの画像データＡ及びＢは
インターフェイス６９を通してマイクロコンピュータ７
０のメモリに格納される。そして、五つのブロックの内
設もコントラストの高いブロックが選択され、そのブロ
ックの画像データによって相関が演算される。仮に第７
図のブロックａを選択したとして話を進める。

相関演算はメモリに格納された二つの画像に対応する画
像データＡと画像データＢとを相対的に１ビツトずつず
らしながら計算し、何ビット分ずらしたら画像が重なっ
たかを判定して像の位相差量を求める。相関の１式は、
例えば となり、ＡＢＳは絶対値を表わし、関数ｆＡ（Ｘ）、ｆ
Ｂ（Ｘ）は夫々画像データＡ、ＢのＸビット目の値を表
わしている。そして、−組の関数ｆＡ、ｆＢについてδ
としている。又、この例では一６４≦δ≦６４としてい
る。このδの範囲は合焦点近くでは狭くすることができ
るので、演算時間の短縮となる。

実際のδの値はイメージセンサ−の１ビツトごとの値し
かとらないので、さらに精度良く検出する為には相関の
離数的な値をカーブフイテイングとその前後の圧点Ｏ９
ｐ、ｑを用いて二次曲線近似ヲ行うことによって求める
こともできる１、（第１０図）。

以上の結果、視野の多くの部分をカッ＜−シ且つ合焦の
精度を維持しながら、演算時間をほとんど増加させない
で済む。

上記の例ではδが−６４〜６４の範囲にあり、この範囲
のデフォーカス量は（６）式から０．６２５Ｘ６４＝４
０ｍｍとなり１．対物側では４０／１０２＝　０−４＝
４００μｍである力・らデフォーカス量が±４００μｍ
となる。これ以上の広い範囲のデフォーカス量を検出範
囲に入れようとする場合、δの範囲を増やすことが考え
られるが、これは計算量が増大し好捷しくない。捷だそ
の様にデフォーカス量が大きい場合に上記の様な精度の
高い計算をしても意味が無い。

そこで、本実施例では画像データとして取込んだデータ
の内の数ビットごとのデータを用いてコントラストや相
関の計算を実行している。具体的には５ビットおきにデ
ータを用いるとすると、画像メモリ中−のデータｆ（０
）　！　ｆ　（１）　、　ｆ　（２）　、・・・・、ｆ
（５１０）。

ｆ　（５１１）の内のｆ（０）？　ｆ（５）　、　ｆ（
ＩＱ　９・・・・、　ｆ　（５０５）　、ｆ　（５１０
）が使用するデータになると考えれば良い。実際には計
算の際［５ヒツトおきのデータを用いるに過きない。例
えば（８）弐に Ｒ（δ）二　Σ　ｌｆ　　（９６＋４ｎ）−ｆＢ（９６
＋４ｎ＋δ）＋　　　（９）ｎ、＝ＯＡ の様になる。この場合は、デフォーカス量が大きく像も
ぼやけて低周波成分しかないから、ブロック分けは行な
っていない。この場合のδの変化雁も５つおきに言１算
するから、ノの範囲を例えば−２００≦δ≦２００とし
た場合でも相関計算の回数は８１回となり少なくて済む
。検出範囲は±１．２５ｍｍとなる。

以上の様に、画像データを数ビットおきに用いることに
より計算量を増やすことなく検出範囲を広げられる。こ
の様にデフォーカス量の大きい時は数ビットごとの計算
により焦点位置の近くに合わせ、その後に前述の精度を
考えた計算を行なうと、合焦可能範囲が広く且つ合焦精
度の良い自動焦点検出を行なうことが出来る。

さらにデフォーカス量が大きい場合には、画像データか
らコントラスト（計算量が少なくて済む）だけを計算し
つつステージを移動し、コントラストが一定の　値にな
ってから相関による焦点合わせを行なうようにすると良
い。才だこれは、コントラストが一定以上ないと相関計
算が誤った像位相を計算する恐れもあるので、それより
低いコントラストの場合は計算しないなどの判断に用い
てもよい。

尚、カメラ等対物光学系を移動して焦点合わせを行なう
装置の場合は、光学系を駆動するのは言う捷でもない。

上記の実施例の場合、瞳を通る光束を分割して二つの像
を得るので、光学系の偏芯や瞳の偏芯等で画像データＡ
とＢの光量が異なる場合がある。

特に合焦系をアタッチメント形式にすると影響が出やす
い。また瞳位置に瞳分割器が無い場合には、第１１図の
ように画像データＡとＢで光量にむらが出来る。第１２
図は光量むらを模式的に説明する図である。（ａ）の場
合、瞳と瞳分割器が一致しているから各像高り、ｉ、ｊ
に対して瞳を通過する光量は全てａに等しい。（ｂ）の
場合、瞳と瞳分割器が一致していないから、各像高り、
ｉ、ｊに対して瞳を通過する光量はそれぞれす、ａ、ｃ
となって不均一となり、光量むらが生じる。

以上のような光量差や光量むらがあると、画像データＡ
とＢの二つの像の相似性が悪化し、相関処理結果の精度
が著しく低下することになる。そこで補正か必要となる
。補正の一つの例は、イメージセンサ−の固定パターン
ノイズの除去によく用いられている方法で、あらかじめ
均一な光でイメージセンサ−を露光しその画像データを
得る。

入射光が均一であることにより画像データは固定パター
ンノイズそのものであるから、その逆数によって補正係
数をつくれば、その後画像データに補正係数をかけるこ
とにより固定パターンノイズの影響を除くことができる
。本実施例の場合、合焦光学系を通した均一な光で画像
データＡ及びＢを得ると画像データＡとＢは偏芯等によ
り第１１図の様に光量むらのあるデータとなっている。

従って、その逆数等によって補正係数をつくり同様な処
理を行なえば、光量むらの影響を除くことが出来る。光
量差がある場合もその光学系を通して同様な処理・を行
なえば同様々効果を得るととができる。付随的にはイメ
ージセンサ−の固定パターンノイズの除去にもなる。均
一光で露光する具体的方法としては、ステージ５３上に
試料をおかない状態での画像データを入力する方法が簡
単である。

以上のように、上記の補正には一度均一光によるデータ
入力を行なう必要がある。とれはめんどうな操作ではな
いが、それでも補正用のデータ入力を行ないたくない場
合は計算によって補正することも出来る。第１３図はそ
れを説明する図で、ｙ軸をセンサーアレイの並び方向に
ｙ軸を画像データの強度の方向に夫々とっである。画像
データＡ。

Ｂの値は、第１２図の説明でもわかる通りある一定の傾
きをもつ直線と考えることが出来る。それデれをｅＡ、
ｌＢとする。画像データｌＡの傾きをβ９とすると、画
像データｌＡの式は、ｌＡをｌＡの光量の平均として、 ｙ−βＡＸ十ハ ら求めることか出来る。ｋはその光学系の特性により決
−まるもので、あらかじめ測定しておけば良い。画像デ
ータＡ、Ｂの光量の平均を工ａｌ）ｌ！とすると、補正
係数αば となり、これによって光量差の補正及び光量むらの補正
ができる。

以上の様に、均一光を用いたりあるいは計算することで
、光学系の偏芯あるいは瞳の偏芯の影響や瞳と瞳分割器
が一致していない影響を補正し除去することが出来る。

その結果、合焦の精度が向上し、検出範囲も拡がる。更
には合焦検出部もアタッチメント形式にしても使用出来
る。最も大きな効果としては、瞳位置の異なる各種各倍
率の対物レンズが使用出来ることである。

また、顕微鏡のように多くの種類の対物レンズを用いる
とそれぞれの対物レンズによシ瞳位置が違うので、瞳分
割器を瞳位置に全ての対物レンズについて正しく設置す
ることが難しい。この不具合の解決法の一つとして１童
分割器を複数個設けることが考えられる。複数の瞳分割
器をそれぞれの対物しン・ズの瞳位置に設けることによ
り瞳と瞳分割器とを一致させる。一つの瞳分割器を使用
している場合、他の瞳分割器が瞳をけらないように構、
成されているのは言うまでもない。例えば第１４図のよ
うに第５図と同じ瞳分割器を二枚連結したものを用いて
もよい。

第４図において、フィルター６４は赤外カットフィルタ
ー或いはバンドパスフィルターであって、イメージセン
サ−及び光源５１等の分光感度１分光分布が比想感度と
異なるので、そのことによる焦点ずれの現象を防ぐ役目
をする。

以上のような自動焦点装置の制御、演算処理を行つ場合
、マイクロコンピュータ及び演算処理ユニットによる方
法が最も設計容易で安価である。

これについて、第１５図のフローチャートで説明を補足
す・る。これは最も基本的な場合を示している。合焦が
開始されると、まず顕微鏡の状態が合焦動作に適した状
態になっているかをチェックし、対物の種類３倍率を判
別する。これは、光量むら補正の場合対物の種類及び倍
率によってパラメータが異なり、像位相差量をステージ
移動量に変換する変換の係数も倍率によって違うからで
ある（（１）式参照）。次に、イメージセンサ−からへ
及びｆＢのデータを得てメモリに格納する。その後、光
量むらを補正し、再びメモリに格納する。合焦開始時は
焦点が大きくずれていることがあるので、５ビツトおき
の相関演算でおおよその焦点位置を決定する（（９）式
参照）。そして、相関により求めた像位相差量をステー
ジ移動量に変換しステージを移動する。そこで再びｆＡ
、　ｆ）３のデータを得、補正を行なう。次にコントラ
スト評価によりフ゛ロックを決定する。コントラストが
一定値以上なければ相関による結果の信頼性が少ないの
で、もう一度５ビット相関を行ないステージを焦点位置
に近づける。数回性なってもコントラストが上がらない
場合は試料のコントラストが低すぎるので不可能表示を
行なう。コントラストが一定以上あれば、決定されたブ
ロックで相関を計算し、ステージを移動して合焦する。

合焦の確認としてもう一度ｆＡ、ｆＢを得、相関を計算
する。ここで像位相差量が焦点深度内の値であれば合焦
であり、ステージを移動しない。もし焦点深度外であれ
ばもう一度同じ動作を繰り返す。

以上は最も基本的な動作を説明したもので、実際のプロ
グラムには試料が無かった場合とか機械が故障した場合
のフェイル・セイフ等も考慮されている。

壕だ５ビツト相関から１ビツト相関に移る場合の判定に
像位相差量を用いてもよい。前例の場合−２００≦δ≦
２００の範囲を５つおきに計算しているが、相関Ｒ（δ
）が最小値をとるδが一２００≦δ′≦２００ならばそ
の分ステージを移動した後に１ビツト相関に移る。この
場合判定条件を一１８０≦δ′≦１８０のように計算し
たδの範囲より小さめに設定するほうがよい。これはデ
フォーカス量が大きい場合には雑音等で誤って最小値を
とるδ′を決定することがあるからである。

第１６図は第二実施例とし、て中央処理装置以外を・・
−ドウエアで構成した例の制御・演算回路を示している
。これについて説明すれば、まずコンソール７Ｉからの
合焦開始信号により瞳分割器駆動回路６６が働き画像デ
ータＡをイメージセンサ−６５によシ得る。イメージセ
ンサ−６５は瞳分割器６２と同期してセンサー駆動回路
６８により撮像を開始する。この時、蓄積型イメージセ
ンサ−の場合は（一般に固体撮像素子はこの型）、一度
以前に蓄積された信号を消去する為にカラ読み出しを行
なう。イメージセンサ−６５から連続して読み出される
画像データＡはサンプルホールド回路３１．Ａ／Ｄコン
バータ３２．スイッチ回路３３を通って第一メモリ３４
に記憶される。そして、図示していないメモリにあらか
じめ記憶されている補正係数データによって画像データ
Ａは補正されて再び第一メモリ３４に記憶される。補正
係数データはあらかじ・め均一光を入射して画像センサ
ーで撮像した前述の画像データの逆数にその時の画像デ
ータＡ、Ｂの平均値を掛けたものである。

５１２ビツトのイメージセンサーの場合を考える。

画像データＡ、Ｂは両方台わせると０〜１０２３ビツト
まで合計１０２４個と々る。画像データＡは０〜５１１
ビツト、画像データＢは５１２〜１０２３ビツトとする
。試料が無い状態での均一光で得た画像データのｎビッ
ト目のイ直をＸｎとすると、ｎビットｋ　　　＝− ｈ となる。

次に、画像データＡが第一メモリ３４に格納されると、
ｉ１ｍ分割器６２は画像データＢを取る状態になり画像
データＢは画像データＡと同様にして第二メモリ３５に
補正されて格納される。第一メモリ３４に格納されたデ
ータは第７図に示したブロックごとにコントラスト判別
器３６に送られ、コントラストの高さにより用いるべき
ブロックが決定される。ブロックｂ′のコントラストが
最も高い場合にはアドレス指定回路３７に１２８が与え
られる。アドレスシフト回＃！ｒ３８には初期値−３２
か入っており、アドレス指定回路３７が第一メモリ３４
の１２８を指定すると、アドレスシフト回路３８は第二
メモリ３５の９６を指定する。そして画像データｆＡ（
１２８）とｆＢ（９６）が減算器３９に入カサレ、絶対
値回路４ｏを経テ］ｆＡ（１２８）−ｆＢ（９６）１ノ
演算が行なわれる。そして、加算器４１を経てメモリ４
２に格納てれる。以上が終ると、アドレス指定回路３７
はメモリ３４の１２９を指定し、アドレスシフト回路３
８はメモリ３５の９７を指定し、以後同様に演算され１
ｆＡ（１２９）　ｆＢ（９７）１　　は加算器４１によ
って前のデータｌ　ｆＡ（ｔ２ｇ）−ｆＢ（９６）　ｌ
に加えられてメモリ４２に格納される。以後第一メモリ
３４のアドレス２５５まで繰り返され、相が完了する。

この計算が完了すると、アドレスシフト回路３８の値は
−３１になり、 が計算される。そして、これはアドレスシフト回路３８
の値が３１になるまで続き、全体の相関演算 が行なわれる。続いて中央処理装置４３によりメモリ４
２内のＲ（δ）を比較し、Ｒ（δ）が最小となるδを見
つけて像の位相差量とする。それに従ってステージ駆動
回路６７を駆動しピントを合わせる。

尚、デフォーカス量が太きく一３２≦δ≦３１の位相差
量では不足な場合は、アドレス指定回路３７は第一メモ
リ３４の１２８を指定し且つアドレスシフト回路３８の
初期値は−６４となる。そして、それぞれの相関計算が
終るごとに２ずつ増え、Ｒ（６４）＝　ｌ　ｆ′Ａ（１
２８）−ｆＢ（１２８−６４）ｌ　＋ｌ　ｆＡ（］３０
）−ｆＢ（１３０−６４月−＋−・・・・・・・・・　
刊ｆＡ（３８２）−ｆＢ（３８２−６４）　１Ｒ（−６
２）＝　　・・・・・・・ Ｒ（６０）−・・・・・・・ という計算が行なわれる。これは画像データを１ビツト
おきに用いたことに相当し、同じ計算量で像位相差の検
出範囲が二倍になっている。但し合焦精度は１／２にな
る。

以上のように像位相差を計算しステージ駆動回路６７を
駆動してピントを合わせるが、ピントを正確に合わせる
為上記動作を数回繰り返しても良い。尚、コンソール７
１では合焦開始や合焦表示を行なう。

上述の如く、本発明による自動焦点検出装置は、イメー
ジセンサ−で得た画像データの一部だけを用いて相関演
算を行うと共に、デフォーカス量が大きい場合は画像デ
ータの複数個ずつずれたデータを用いて相関演算を行っ
ているので、検出精度及び検出速度が大幅に向上する。

尚、本発明は、二つのイメージセンサ−を用いた自動焦
点検出装置にも適用し得るのは言う丑でもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動焦点検出装置の要部回路を示す図、
第２図は上記従来例のシフトレジスタに記憶される画像
データの一例を示す図、第３図は本発明による自動焦点
検出装置の一実施例に用いられる瞳分割法の原理を示す
図、第４図は上記実施例の全体図、第５図は上記実施例
に用いられる瞳分割器の具体例を示す正面図、第６図は
二つの像の位相差量とデフォーカス量との関係を示す図
、第７図は上記実施例のイメージセンサ−とそこにおけ
る処理方法を示す図、第８図はイメージセンザー上の光
の強度分布の一例を示す図、第９図及び第１０図は合焦
点付近における精度の良い位相差計算法を示す図、第１
１図は上記実施例における画像データの光量むらを示す
図、第１２図は光量むらを模式的に説明する図、第１３
図は光量むらの補正方法を示す図、第１４図は他の瞳分
割器の斜視図、第１５図は上記実施例のコンピュータに
よる制御及び演算処理方法を示すフローチャート、第１
６図は他の実施例の制御・演算回路を示す図である。 ５１・・・・光源、５２・・・・コンデンサーレンズ、
５３・・・・ステージ、５４・両対物レンズ、５５・・
・・　ビームスプリッタ−１５６・山プリズム、５７・
・・・接眼レンズ、５８・・・・写真用接眼レンズ、５
つ・・・・フィルム、６０・・・・リレーレンズ、６１
・・・・レンズ、６２・・・・瞳分割器、６３・・・・
結像レンズ、６４・・・・フィルター、６５・・・・イ
メージセンサー、６６・・・・瞳分割器１駆動回路、６
７・・・・ステージ５駆動回路、６８・山イ、メージセ
ンサー駆動回路、６９・・・・インターフェイス回路、
７ｏ・・・・マイクロコンピュータ、７１・・・・コン
ソール。 ６〕τｊ’Ｗｅ 代理人　篠原泰司；−＝ｌ′：ｌｉｉ’Ｅ！−＋＋＋−
Ｉ− １１図　　　　第２凶 第３図 ｒ 第４図 ９ 第５図 十Ｓ　図 １９図　　　オｉｏ図 オｔｉ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 異なる光路を通って形成された二つの像を多数の素子を
   配列して成る光電変換装置により個別に光電出力信号に
   変換し、該光電出力信号に基づいて二つの像の相対位置
   関係を検出することにより合焦検出を行うようにした自
   動焦点検出装置において、光電変換装置の一部の素子の
   光電出力信号を用いて相対位置関係を検出すると共に、
   デフォーカス量が大きい場合は該光電変換装置の複数個
   ずつずれだ素子の光電出力信号を用いて相対位置関係を
   検出するようにしたことを特徴とする自動焦点検出装置
   。