合焦方法及び合焦システム
【課題】少ない像の撮像によって速い速度で焦点検出を行い合焦を行うことのできる合焦方法及び合焦システムであって、特別な合焦検出系を配置する必要のない安価で簡易なシステムから成る合焦方法及び合焦システムを提供する。
【解決手段】画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させる。
【解決手段】画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法及び合焦システムに関し、特に光学系を透過した光の像の収差を解析し、その結果を用いて焦点位置を検出する合焦方法及び合焦システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来顕微鏡やカメラ等の撮像装置の合焦は手動で行われていた。例えば、顕微鏡での合焦は、対物レンズと観察対象との相対的な位置関係を調節することによって行うのが一般的であり、合焦機構により観察対象の位置を対物レンズの光軸方向に移動させることにより行われる。
【０００３】
近年自動的に合焦動作を行うオートフォーカス機能を備えているものが、広く用いられている。例えば銀塩及びデジタル一眼レフカメラでは、撮像レンズを通った光束をビームスプリッタで分割して、分割した光束の光軸を互いにずらし、２つの結像レンズで焦点検出センサに結像し、２像のずれからデフォーカス量（焦点位置からのずれの大きさ）を計算し、そのデフォーカス量に応じて撮像レンズを駆動し合焦させる、いわゆるＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）位相差検出型のオートフォーカスが広く用いられている。
【０００４】
特開２００６−９８７７１号公報（特許文献１）には、このＴＴＬ位相差検方式を採用した焦点検出装置が開示されている。この焦点検出装置では、先ず撮像された２像のズレから、位相差による焦点検出方法でデフォーカス量ｄｅｆの演算を行い、更に第１の測光センサと第２の測光センサの出力差に応じて、カメラマイコンのＲＯＭ内に記憶されたデータから補正係数ｋを決定すると共に、ＲＯＭ内に記憶されたデータから現在の焦点距離及びフォーカス位置に応じた色収差量ｃを読み出し、最終デフォーカス量を、“ｋ×ｃ＋ｄｅｆ”として求めている。このようにして、レンズの差により色収差が異なる場合にも、光源の種類によるピントずれを抑制した精度の良いオートフォーカスを実現している。
【０００５】
他の方式のオートフォーカスとしては、撮像素子に結像される被写体像の高周波成分を抽出し、撮像レンズを駆動しながらその高周波成分が最も高くなる位置を合焦位置とする、いわゆるコントラスト検出方式のオートフォーカスがある。
【０００６】
例えば特開２００６−３０３０４号公報（特許文献２）に開示されている顕微鏡の焦点検出装置では、対物レンズの位置を変化させながら、異なる複数の位置の各々で光量信号の強度を記憶し、多数の光量信号の強度に基づいて演算処理を行うことによって合焦位置を決定するようにしている。この焦点検出装置では、光量信号の強度と相対位置との関係をグラフ化したときのピーク形状が平坦な場合でも、合焦位置を正確に検出できるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−９８７７１号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１に記載のＴＴＬ位相差検出型の焦点検出装置は、１回の焦点検出動作で合焦させることが可能であり、合焦動作が速いという長所があるが、撮影光束を分離するビームスプリッタや、合焦を行うための結像光学系、焦点検出センサ等を撮像光学系とは別に具備する必要があり、コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
また、上述の特許文献２に記載のコントラスト検出方式の焦点検出装置では、特別な合焦検出系を配置する必要がないのでコスト面で有利であり、ピント精度も良いという長所があるが、撮像レンズを少しずつ動かして多数の画像を撮像する必要があるため、合焦速度が非常に遅くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、少ない像の撮像によって速い速度で焦点検出を行い合焦を行うことができる合焦方法及び合焦システムであり、特別な合焦検出系を配置する必要のない安価で簡易なシステムから成る合焦方法及び合焦システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法に関し、本発明の上記目的は、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることによって、或いは前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法であることによって達成される。
【００１１】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法に関し、本発明の上記目的は、光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップの解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる移動ステップとを備えたことによって、或いは前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出ステップは、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
よりデフォーカス距離Ｄを算出するようになっていることによって達成される。
【００１２】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法に関し、本発明の上記目的は、光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップによって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御ステップとで構成され、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することによって、或いは前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
であり、
を定式化して前記最小２乗問題を解くようになっていることによって達成される。
【００１３】
本発明の上記目的は、前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっていることによって、より効果的に達成される。
【００１４】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦システムに関し、本発明の上記目的は、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることより達成され、前記像がスポットや線等の単純形状であることにより、或いは前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法であることにより、より効果的に達成される。
また、本発明は光学系の合焦システムに関し、本発明の上記目的は、光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部の解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成することにより達成され、前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出部は、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出することにより、或いは前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出部は、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
【００１５】
よりデフォーカス距離Ｄを算出することにより、より効果的に達成される。
更に、本発明は光学系の合焦システムに関し、本発明の上記目的は、光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部によって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成され、前記デフォーカス距離算出部は、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することにより達成され、前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
【００１６】
であり、
【００１７】
を定式化して前記最小２乗問題を解くことにより、或いは前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっていることにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る合焦方法及び合焦システムによれば、少ない数の像から焦点位置を同定できるので、速い速度での合焦が可能である。具体的には、１μｍのレンジに対し、コントラスト検出方式で１００回の撮像により達成される精度を、本発明による合焦方法及び合焦システムでは２回の撮像で達成でき、従来のコントラスト検出方式に比べて非常に速い合焦速度が達成できる。
【００１９】
また、特別な合焦検出系を配置する必要がなく、安価で簡易なシステムによって焦点検出を行い、合焦を行うことが可能である。
【００２０】
なお、本発明に係る合焦方法及び合焦システムは、リアルタイム性が要求される製品検査等に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る合焦方法及び合焦システムでは、光源から照射され、１又は複数のレンズから成る光学系を透過した光のスポットや線等の形状の像の収差解析を行い、光波の波面形状からデフォーカス距離Ｄを算出し、算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて光学系を焦点位置に移動させるようにする。そのため、安価で簡易なシステムで、少ない像の撮像によって速い速度での焦点検出及び合焦を行うことができる。
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
本発明に係る合焦システムは図１のように構成される。即ち、光源１から光Ｌ１が照射され、光Ｌ１は１又は複数のレンズから成る光学系２を透過する。光学系２を透過した光Ｌ２は、収差解析部３で撮像され、撮像によって得られたデータから光Ｌ２の収差が解析される。デフォーカス距離算出部４では、収差解析部３において解析された収差からデフォーカス距離Ｄを算出する。移動制御部５は、デフォーカス距離算出部４で算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動制御部５の制御に基づいて移動駆動部６は光学系２を焦点位置に移動させるようになっている。
【００２４】
図２は、収差解析部３で、光のスポット像の収差分布を得る手順例を示すフローチャートである。先ず、光源１から光Ｌ１が照射され、光学系２を透過した光Ｌ２のスポット像を撮像素子で撮像し、撮像によって得られたデータからスポット像の強度分布｜ｆ｜を計測する（ステップＳ１１）。ｒ及びθを曲座標とすると、光Ｌ２のスポット像の収差分布は下記数１で表される。
（数１）
ｓ（ｒ，θ）
次に、上記数１で表される収差分布のゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）係数｛ｚ｝を仮定し（ステップＳ１２）、スポット像のモデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜を構築する（ステップＳ１３）。
そして、スポット像の強度分布｜ｆ｜とモデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜の残差を算出し（ステップＳ１４）、残差が許容範囲であるかかどうかを判定する（ステップＳ１５）。残差が許容範囲を超える場合、非線形最適化法の目的関数
【００２５】
【数２】
を定式化して、非線形最適化問題を解いてゼルニケ係数｛ｚ｝を修正し、修正されたモデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜を算出し（ステップＳ１６）、上記ステップＳ１４にリターンする。
一方、上記ステップＳ１５において残差が許容範囲内の場合、モデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜から数１で示される収差分布ｓ（ｒ，θ）が得られ（ステップＳ１７）、収差解析部３における収差の解析が終了する。
【００２６】
なお、図２の例では、１つのデフォーカス位置のスポット像から収差を解析するようにしているが、２つのデフォーカス位置のスポット像から収差を解析するようにしても良い。
【００２７】
次に、デフォーカス距離算出部４におけるデフォーカス距離Ｄの算出方法について説明する。先ず、光学系２の２以上の複数の位置
（数３）
ｘ（ｉ） （１≦ｉ≦ｎ，ｎ≧２）
で収差解析を行い、光学系２の位置ｘ（ｉ）における収差分布ｓ（ｒ，θ；ｉ）を求める。収差分布ｓ（ｒ，θ；ｉ）はゼルニケ級数で与えられており、ゼルニケ級数から、光学系２の位置ｘ（ｉ）におけるゼルニケ係数のｚ３成分（ｒ２の成分）であるＺ３（ｉ）を抽出する。焦点位置をｘ０とすると、デフォーカス距離Ｄは下記数４で与えられる。
（数４）
Ｄ（ｉ）＝ｘ（ｉ）−ｘ０
デフォーカス距離Ｄ（ｉ）とゼルニケ係数のｚ３成分であるＺ３（ｉ）には、αを係数として下記数５の比例関係が成り立つ。
（数５）
Ｄ（ｉ）＝ α・Ｚ３（ｉ）
上記数４及び数５より、下記数６の関係が得られる。
（数６）
ｘ（ｉ）−ｘ０ ＝ α・Ｚ３（ｉ） （１≦ｉ≦ｎ，ｎ≧２）
数６の関係から、最小２乗法などの線形回帰を行うことにより、係数α及び焦点位置ｘ０を決定することができる共に、数４によりデフォーカス距離Ｄ（ｉ）を算出することができる。
【００２８】
デフォーカス距離Ｄ（ｉ）若しくは焦点位置ｘ０に基づいて、移動制御部５は光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動駆動部６は移動制御部５の制御に基づいて光学系２を焦点位置に移動させることによって、合焦システムの合焦動作が完了する。
【００２９】
次に、デフォーカス距離算出部４におけるデフォーカス距離Ｄの別の算出方法について説明する。
光学系２のデフォーカス位置において収差解析部３で収差解析を行い、得られた収差分布ｓ（ｒ，θ）からゼルニケ係数のｚ３成分であるｚ３成分Ｚ３を抽出する。ｚ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの間には、下記の数７で与えられる関係式が成り立つ。
（数７）
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ここで、λは光源１から照射される光Ｌ１の波長であり、Ｃ３は下記数８で与えられる。
【００３０】
【数８】
ただし、ＮＡは光学系２の開口数である。
上記数７及び数８より、デフォーカス距離Ｄを算出することができる。
【００３１】
このようにして算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて、移動制御部５は光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動駆動部６は移動制御部５の制御に基づいて光学系２を焦点位置に移動させることによって、合焦システムの合焦動作が完了する。
【００３２】
次に、デフォーカス距離算出部４におけるデフォーカス距離Ｄの更に別の算出方法について説明する。
光学系２のデフォーカス位置において、収差解析部３で収差解析を行い、収差分布ｓ（ｒ，θ）を得る。得られた収差分布ｓ（ｒ，θ）と、下記数９で示される球面波分布ｈ（ｒ，θ）とから、下記数１０で与えられる最小２乗問題の目的関数を定式化する。
【００３３】
【数９】
【００３４】
【数１０】
上記数１０で与えられる最小２乗問題を解くことによって、デフォーカス距離Ｄを算出することができる。このようにして算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて、移動制御部５は光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動駆動部６は移動制御部５の制御に基づいて光学系２を焦点位置に移動させることによって、合焦システムの合焦動作が完了する。
【００３５】
収差解析部３で収差を解析する際、２つのデフォーカス位置のスポット像から収差を解析する場合、収差解析部３を図３に示すように構成することによって、２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像して、収差解析を行うようにすることができる。
【００３６】
即ち、収差解析部３は、光源１から照射された光Ｌ２を光学系２を透過させ、光学系２を透過した光Ｌ２を２つの光Ｌ２Ａ及びＬ２Ｂに分離するためのビームスプリッタ３１を具備している。ビームスプリッタ３１で分離された光Ｌ２Ａのデフォーカス距離をずらすためにデフォーカス光学系３２が配置され、デフォーカス光学系３２を透過した光Ｌ２ＣはＣＣＤ等で成る撮像素子３３Ａで受光される。ビームスプリッタ３１で分離されたもう一方の光Ｌ２Ｂは、ＣＣＤ等で成る撮像素子３３Ｂで受光される。撮像素子３３Ａ及び撮像素子３３Ｂで得られたデータは解析部３４に入力され、スポット像の収差が解析される。
【００３７】
スポット像を観察する代表的な例としては、ＤＶＤピックアップから照射されるレーザの焦点の観察や粒子等の微小散乱体の観察がある。
【００３８】
本発明に係る合焦システムを顕微鏡に適用した場合、スライドグラスや金属面等の観察面を対物レンズの焦点に合焦する必要がある。この場合、予め補助的にスポット光を観察面に照射し、観察面で反射されたスポット光の鏡像を収差解析するようにする。そして、収差解析の結果に基づいて焦点位置を検出する。スポット光と対物レンズの焦点の位置関係若しくはスポット光と観察面の位置関係が既知であれば、対物レンズの焦点と観察面の位置関係を知ることができ、対物レンズの焦点と観察面とを合焦することができる。
【００３９】
解析部３４での収差解析の手順は、図２のフローチャートに示される手順で行われるが、図２のフローチャートに示される収差解析の手順は、収差解析部３で光のスポット像を解析することによって収差解析を行うようにした場合の収差解析の手順例である。本発明に係る合焦システムでは、収差解析部３における収差解析方法は、スポット像解析による収差解析方法に限定されるものではない。
【００４０】
例えば、収差解析部３での収差解析方法として、位相回復法を採用しても良い。この場合、撮像素子で撮像する像はスポット像又は平行光の像である。位相回復法での収差解析には、２つのデフォーカス位置における像が必要になり、これらの像を同時に得るために収差解析部３を図３に示されるような構成にしても良い。
【００４１】
その他、収差解析部３での収差解析方法として、シャックハートマンセンサを用いる方法を採用した場合は、レンズアレイセンサを通した後の像を撮像素子で受光するようにする。また、収差解析部３での収差解析方法として、干渉計を用いる方法を採用した場合、干渉させた干渉縞の像を撮像素子で受光するようにする。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る合焦システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】スポット像を解析することによって収差解析を行う場合の、収差解析の手順を示すフローチャートである。
【図３】２つのデフォーカス位置における像を同時に撮像して収差解析を行うようにした収差解析部３の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 光源
２ 光学系
３ 収差解析部
４ デフォーカス距離算出部
５ 移動制御部
６ 移動駆動部
３１ ビームスプリッタ
３２ デフォーカス光学系
３３Ａ、３３Ｂ 撮像素子
３４ 解析部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法及び合焦システムに関し、特に光学系を透過した光の像の収差を解析し、その結果を用いて焦点位置を検出する合焦方法及び合焦システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来顕微鏡やカメラ等の撮像装置の合焦は手動で行われていた。例えば、顕微鏡での合焦は、対物レンズと観察対象との相対的な位置関係を調節することによって行うのが一般的であり、合焦機構により観察対象の位置を対物レンズの光軸方向に移動させることにより行われる。
【０００３】
近年自動的に合焦動作を行うオートフォーカス機能を備えているものが、広く用いられている。例えば銀塩及びデジタル一眼レフカメラでは、撮像レンズを通った光束をビームスプリッタで分割して、分割した光束の光軸を互いにずらし、２つの結像レンズで焦点検出センサに結像し、２像のずれからデフォーカス量（焦点位置からのずれの大きさ）を計算し、そのデフォーカス量に応じて撮像レンズを駆動し合焦させる、いわゆるＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）位相差検出型のオートフォーカスが広く用いられている。
【０００４】
特開２００６−９８７７１号公報（特許文献１）には、このＴＴＬ位相差検方式を採用した焦点検出装置が開示されている。この焦点検出装置では、先ず撮像された２像のズレから、位相差による焦点検出方法でデフォーカス量ｄｅｆの演算を行い、更に第１の測光センサと第２の測光センサの出力差に応じて、カメラマイコンのＲＯＭ内に記憶されたデータから補正係数ｋを決定すると共に、ＲＯＭ内に記憶されたデータから現在の焦点距離及びフォーカス位置に応じた色収差量ｃを読み出し、最終デフォーカス量を、“ｋ×ｃ＋ｄｅｆ”として求めている。このようにして、レンズの差により色収差が異なる場合にも、光源の種類によるピントずれを抑制した精度の良いオートフォーカスを実現している。
【０００５】
他の方式のオートフォーカスとしては、撮像素子に結像される被写体像の高周波成分を抽出し、撮像レンズを駆動しながらその高周波成分が最も高くなる位置を合焦位置とする、いわゆるコントラスト検出方式のオートフォーカスがある。
【０００６】
例えば特開２００６−３０３０４号公報（特許文献２）に開示されている顕微鏡の焦点検出装置では、対物レンズの位置を変化させながら、異なる複数の位置の各々で光量信号の強度を記憶し、多数の光量信号の強度に基づいて演算処理を行うことによって合焦位置を決定するようにしている。この焦点検出装置では、光量信号の強度と相対位置との関係をグラフ化したときのピーク形状が平坦な場合でも、合焦位置を正確に検出できるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−９８７７１号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１に記載のＴＴＬ位相差検出型の焦点検出装置は、１回の焦点検出動作で合焦させることが可能であり、合焦動作が速いという長所があるが、撮影光束を分離するビームスプリッタや、合焦を行うための結像光学系、焦点検出センサ等を撮像光学系とは別に具備する必要があり、コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
また、上述の特許文献２に記載のコントラスト検出方式の焦点検出装置では、特別な合焦検出系を配置する必要がないのでコスト面で有利であり、ピント精度も良いという長所があるが、撮像レンズを少しずつ動かして多数の画像を撮像する必要があるため、合焦速度が非常に遅くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、少ない像の撮像によって速い速度で焦点検出を行い合焦を行うことができる合焦方法及び合焦システムであり、特別な合焦検出系を配置する必要のない安価で簡易なシステムから成る合焦方法及び合焦システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法に関し、本発明の上記目的は、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることによって、或いは前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法であることによって達成される。
【００１１】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法に関し、本発明の上記目的は、光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップの解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる移動ステップとを備えたことによって、或いは前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出ステップは、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
よりデフォーカス距離Ｄを算出するようになっていることによって達成される。
【００１２】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法に関し、本発明の上記目的は、光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップによって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御ステップとで構成され、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することによって、或いは前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
であり、
を定式化して前記最小２乗問題を解くようになっていることによって達成される。
【００１３】
本発明の上記目的は、前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっていることによって、或いは前記収差解析ステップは、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっていることによって、より効果的に達成される。
【００１４】
本発明は、光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦システムに関し、本発明の上記目的は、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることより達成され、前記像がスポットや線等の単純形状であることにより、或いは前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法であることにより、より効果的に達成される。
また、本発明は光学系の合焦システムに関し、本発明の上記目的は、光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部の解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成することにより達成され、前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出部は、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出することにより、或いは前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出部は、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
【００１５】
よりデフォーカス距離Ｄを算出することにより、より効果的に達成される。
更に、本発明は光学系の合焦システムに関し、本発明の上記目的は、光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部によって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成され、前記デフォーカス距離算出部は、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することにより達成され、前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
【００１６】
であり、
【００１７】
を定式化して前記最小２乗問題を解くことにより、或いは前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっていることにより、或いは前記収差解析部は、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっていることにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る合焦方法及び合焦システムによれば、少ない数の像から焦点位置を同定できるので、速い速度での合焦が可能である。具体的には、１μｍのレンジに対し、コントラスト検出方式で１００回の撮像により達成される精度を、本発明による合焦方法及び合焦システムでは２回の撮像で達成でき、従来のコントラスト検出方式に比べて非常に速い合焦速度が達成できる。
【００１９】
また、特別な合焦検出系を配置する必要がなく、安価で簡易なシステムによって焦点検出を行い、合焦を行うことが可能である。
【００２０】
なお、本発明に係る合焦方法及び合焦システムは、リアルタイム性が要求される製品検査等に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る合焦方法及び合焦システムでは、光源から照射され、１又は複数のレンズから成る光学系を透過した光のスポットや線等の形状の像の収差解析を行い、光波の波面形状からデフォーカス距離Ｄを算出し、算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて光学系を焦点位置に移動させるようにする。そのため、安価で簡易なシステムで、少ない像の撮像によって速い速度での焦点検出及び合焦を行うことができる。
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
本発明に係る合焦システムは図１のように構成される。即ち、光源１から光Ｌ１が照射され、光Ｌ１は１又は複数のレンズから成る光学系２を透過する。光学系２を透過した光Ｌ２は、収差解析部３で撮像され、撮像によって得られたデータから光Ｌ２の収差が解析される。デフォーカス距離算出部４では、収差解析部３において解析された収差からデフォーカス距離Ｄを算出する。移動制御部５は、デフォーカス距離算出部４で算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動制御部５の制御に基づいて移動駆動部６は光学系２を焦点位置に移動させるようになっている。
【００２４】
図２は、収差解析部３で、光のスポット像の収差分布を得る手順例を示すフローチャートである。先ず、光源１から光Ｌ１が照射され、光学系２を透過した光Ｌ２のスポット像を撮像素子で撮像し、撮像によって得られたデータからスポット像の強度分布｜ｆ｜を計測する（ステップＳ１１）。ｒ及びθを曲座標とすると、光Ｌ２のスポット像の収差分布は下記数１で表される。
（数１）
ｓ（ｒ，θ）
次に、上記数１で表される収差分布のゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）係数｛ｚ｝を仮定し（ステップＳ１２）、スポット像のモデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜を構築する（ステップＳ１３）。
そして、スポット像の強度分布｜ｆ｜とモデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜の残差を算出し（ステップＳ１４）、残差が許容範囲であるかかどうかを判定する（ステップＳ１５）。残差が許容範囲を超える場合、非線形最適化法の目的関数
【００２５】
【数２】
を定式化して、非線形最適化問題を解いてゼルニケ係数｛ｚ｝を修正し、修正されたモデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜を算出し（ステップＳ１６）、上記ステップＳ１４にリターンする。
一方、上記ステップＳ１５において残差が許容範囲内の場合、モデル強度分布｜Ｆ（｛ｚ｝）｜から数１で示される収差分布ｓ（ｒ，θ）が得られ（ステップＳ１７）、収差解析部３における収差の解析が終了する。
【００２６】
なお、図２の例では、１つのデフォーカス位置のスポット像から収差を解析するようにしているが、２つのデフォーカス位置のスポット像から収差を解析するようにしても良い。
【００２７】
次に、デフォーカス距離算出部４におけるデフォーカス距離Ｄの算出方法について説明する。先ず、光学系２の２以上の複数の位置
（数３）
ｘ（ｉ） （１≦ｉ≦ｎ，ｎ≧２）
で収差解析を行い、光学系２の位置ｘ（ｉ）における収差分布ｓ（ｒ，θ；ｉ）を求める。収差分布ｓ（ｒ，θ；ｉ）はゼルニケ級数で与えられており、ゼルニケ級数から、光学系２の位置ｘ（ｉ）におけるゼルニケ係数のｚ３成分（ｒ２の成分）であるＺ３（ｉ）を抽出する。焦点位置をｘ０とすると、デフォーカス距離Ｄは下記数４で与えられる。
（数４）
Ｄ（ｉ）＝ｘ（ｉ）−ｘ０
デフォーカス距離Ｄ（ｉ）とゼルニケ係数のｚ３成分であるＺ３（ｉ）には、αを係数として下記数５の比例関係が成り立つ。
（数５）
Ｄ（ｉ）＝ α・Ｚ３（ｉ）
上記数４及び数５より、下記数６の関係が得られる。
（数６）
ｘ（ｉ）−ｘ０ ＝ α・Ｚ３（ｉ） （１≦ｉ≦ｎ，ｎ≧２）
数６の関係から、最小２乗法などの線形回帰を行うことにより、係数α及び焦点位置ｘ０を決定することができる共に、数４によりデフォーカス距離Ｄ（ｉ）を算出することができる。
【００２８】
デフォーカス距離Ｄ（ｉ）若しくは焦点位置ｘ０に基づいて、移動制御部５は光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動駆動部６は移動制御部５の制御に基づいて光学系２を焦点位置に移動させることによって、合焦システムの合焦動作が完了する。
【００２９】
次に、デフォーカス距離算出部４におけるデフォーカス距離Ｄの別の算出方法について説明する。
光学系２のデフォーカス位置において収差解析部３で収差解析を行い、得られた収差分布ｓ（ｒ，θ）からゼルニケ係数のｚ３成分であるｚ３成分Ｚ３を抽出する。ｚ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの間には、下記の数７で与えられる関係式が成り立つ。
（数７）
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ここで、λは光源１から照射される光Ｌ１の波長であり、Ｃ３は下記数８で与えられる。
【００３０】
【数８】
ただし、ＮＡは光学系２の開口数である。
上記数７及び数８より、デフォーカス距離Ｄを算出することができる。
【００３１】
このようにして算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて、移動制御部５は光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動駆動部６は移動制御部５の制御に基づいて光学系２を焦点位置に移動させることによって、合焦システムの合焦動作が完了する。
【００３２】
次に、デフォーカス距離算出部４におけるデフォーカス距離Ｄの更に別の算出方法について説明する。
光学系２のデフォーカス位置において、収差解析部３で収差解析を行い、収差分布ｓ（ｒ，θ）を得る。得られた収差分布ｓ（ｒ，θ）と、下記数９で示される球面波分布ｈ（ｒ，θ）とから、下記数１０で与えられる最小２乗問題の目的関数を定式化する。
【００３３】
【数９】
【００３４】
【数１０】
上記数１０で与えられる最小２乗問題を解くことによって、デフォーカス距離Ｄを算出することができる。このようにして算出されたデフォーカス距離Ｄに基づいて、移動制御部５は光学系２を焦点位置に移動させるように移動駆動部６を制御し、移動駆動部６は移動制御部５の制御に基づいて光学系２を焦点位置に移動させることによって、合焦システムの合焦動作が完了する。
【００３５】
収差解析部３で収差を解析する際、２つのデフォーカス位置のスポット像から収差を解析する場合、収差解析部３を図３に示すように構成することによって、２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像して、収差解析を行うようにすることができる。
【００３６】
即ち、収差解析部３は、光源１から照射された光Ｌ２を光学系２を透過させ、光学系２を透過した光Ｌ２を２つの光Ｌ２Ａ及びＬ２Ｂに分離するためのビームスプリッタ３１を具備している。ビームスプリッタ３１で分離された光Ｌ２Ａのデフォーカス距離をずらすためにデフォーカス光学系３２が配置され、デフォーカス光学系３２を透過した光Ｌ２ＣはＣＣＤ等で成る撮像素子３３Ａで受光される。ビームスプリッタ３１で分離されたもう一方の光Ｌ２Ｂは、ＣＣＤ等で成る撮像素子３３Ｂで受光される。撮像素子３３Ａ及び撮像素子３３Ｂで得られたデータは解析部３４に入力され、スポット像の収差が解析される。
【００３７】
スポット像を観察する代表的な例としては、ＤＶＤピックアップから照射されるレーザの焦点の観察や粒子等の微小散乱体の観察がある。
【００３８】
本発明に係る合焦システムを顕微鏡に適用した場合、スライドグラスや金属面等の観察面を対物レンズの焦点に合焦する必要がある。この場合、予め補助的にスポット光を観察面に照射し、観察面で反射されたスポット光の鏡像を収差解析するようにする。そして、収差解析の結果に基づいて焦点位置を検出する。スポット光と対物レンズの焦点の位置関係若しくはスポット光と観察面の位置関係が既知であれば、対物レンズの焦点と観察面の位置関係を知ることができ、対物レンズの焦点と観察面とを合焦することができる。
【００３９】
解析部３４での収差解析の手順は、図２のフローチャートに示される手順で行われるが、図２のフローチャートに示される収差解析の手順は、収差解析部３で光のスポット像を解析することによって収差解析を行うようにした場合の収差解析の手順例である。本発明に係る合焦システムでは、収差解析部３における収差解析方法は、スポット像解析による収差解析方法に限定されるものではない。
【００４０】
例えば、収差解析部３での収差解析方法として、位相回復法を採用しても良い。この場合、撮像素子で撮像する像はスポット像又は平行光の像である。位相回復法での収差解析には、２つのデフォーカス位置における像が必要になり、これらの像を同時に得るために収差解析部３を図３に示されるような構成にしても良い。
【００４１】
その他、収差解析部３での収差解析方法として、シャックハートマンセンサを用いる方法を採用した場合は、レンズアレイセンサを通した後の像を撮像素子で受光するようにする。また、収差解析部３での収差解析方法として、干渉計を用いる方法を採用した場合、干渉させた干渉縞の像を撮像素子で受光するようにする。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る合焦システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】スポット像を解析することによって収差解析を行う場合の、収差解析の手順を示すフローチャートである。
【図３】２つのデフォーカス位置における像を同時に撮像して収差解析を行うようにした収差解析部３の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 光源
２ 光学系
３ 収差解析部
４ デフォーカス距離算出部
５ 移動制御部
６ 移動駆動部
３１ ビームスプリッタ
３２ デフォーカス光学系
３３Ａ、３３Ｂ 撮像素子
３４ 解析部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法であって、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることを特徴とする合焦方法。
【請求項２】
前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法である請求項１に記載の合焦方法。
【請求項３】
光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップの解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる移動ステップとを備えたことを特徴とする合焦方法。
【請求項４】
前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項３に記載の合焦方法。
【請求項５】
前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出ステップは、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
よりデフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項３に記載の合焦方法。
【請求項６】
光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップによって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御ステップとで構成され、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することを特徴とする合焦方法。
【請求項７】
前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
であり、
を定式化して前記最小２乗問題を解くようになっている請求項６に記載の合焦方法。
【請求項８】
前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項９】
前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１０】
前記収差解析ステップは、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１１】
前記収差解析ステップは、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１２】
前記収差解析ステップは、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっている請求項３乃至１１のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１３】
光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦システムにおいて、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることを特徴とする合焦システム。
【請求項１４】
前記像がスポットや線等の単純形状である請求項１３に記載の合焦システム。
【請求項１５】
前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法である請求項１３又は１４に記載の合焦システム。
【請求項１６】
光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部の解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成されたことを特徴とする合焦システム。
【請求項１７】
前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出部は、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項１６に記載の合焦システム。
【請求項１８】
前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出部は、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
よりデフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項１６に記載の合焦システム。
【請求項１９】
光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部によって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成され、前記デフォーカス距離算出部は、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することを特徴とする合焦システム。
【請求項２０】
前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
であり、
を定式化して前記最小２乗問題を解くようになっている請求項１９に記載の合焦システム。
【請求項２１】
前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２２】
前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２３】
前記収差解析部は、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２４】
前記収差解析部は、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２５】
前記収差解析部は、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっている請求項１６乃至２４のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項１】
光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦方法であって、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることを特徴とする合焦方法。
【請求項２】
前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法である請求項１に記載の合焦方法。
【請求項３】
光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップの解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる移動ステップとを備えたことを特徴とする合焦方法。
【請求項４】
前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項３に記載の合焦方法。
【請求項５】
前記収差解析ステップで解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出ステップは、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
よりデフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項３に記載の合焦方法。
【請求項６】
光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析ステップと、前記収差解析ステップによって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出ステップと、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御ステップとで構成され、前記デフォーカス距離算出ステップは、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することを特徴とする合焦方法。
【請求項７】
前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
であり、
を定式化して前記最小２乗問題を解くようになっている請求項６に記載の合焦方法。
【請求項８】
前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項９】
前記収差解析ステップは、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１０】
前記収差解析ステップは、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１１】
前記収差解析ステップは、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっている請求項３乃至７のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１２】
前記収差解析ステップは、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっている請求項３乃至１１のいずれかに記載の合焦方法。
【請求項１３】
光学系の焦点位置を検出して焦点を合わせる合焦システムにおいて、画像中に存在する像に対して収差解析を行い、光波の波面形状に基づいてデフォーカス量を計算し、前記デフォーカス量に基づいて前記光学系を合焦させることを特徴とする合焦システム。
【請求項１４】
前記像がスポットや線等の単純形状である請求項１３に記載の合焦システム。
【請求項１５】
前記収差解析がスポット像解析、位相回復法、シャックハートマンセンサを用いる方法若しくは干渉計を用いる方法である請求項１３又は１４に記載の合焦システム。
【請求項１６】
光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部の解析収差からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成されたことを特徴とする合焦システム。
【請求項１７】
前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記光学系の２以上の複数位置で前記収差を解析するようにし、前記デフォーカス距離算出部は、前記複数位置と、前記複数位置のそれぞれに対する前記ゼルニケ級数のＺ３成分とが比例関係にあることに基づいて線形回帰をすることによって前記デフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項１６に記載の合焦システム。
【請求項１８】
前記収差解析部で解析される収差分布がゼルニケ級数で与えられると共に、前記デフォーカス距離算出部は、ＮＡを前記光学系の開口数、λを前記光の波長として、前記ゼルニケ級数のＺ３成分Ｚ３とデフォーカス距離Ｄとの関係式
Ｄ＝（Ｚ３×１５λ）／２πＣ３
ただし、
よりデフォーカス距離Ｄを算出するようになっている請求項１６に記載の合焦システム。
【請求項１９】
光を照射する光源と、前記光が透過する光学系と、前記光学系を透過した光を撮像して得られたデータから前記光の収差を解析する収差解析部と、前記収差解析部によって得られる収差分布からデフォーカス距離Ｄを算出するデフォーカス距離算出部と、前記デフォーカス距離Ｄに基づいて前記光学系を焦点位置に移動させる駆動制御部とで構成され、前記デフォーカス距離算出部は、前記収差分布と球面波分布とから最小２乗問題の目的関数を定式化し、前記最小２乗問題を解いてデフォーカス距離Ｄを決定することを特徴とする合焦システム。
【請求項２０】
前記光の波長をλ、前記光学系の開口数をＮＡとし、前記収差分布がｓ（ｒ，θ）であり、前記球面波分布が
であり、
を定式化して前記最小２乗問題を解くようになっている請求項１９に記載の合焦システム。
【請求項２１】
前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置のスポット像を解析することによって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２２】
前記収差解析部は、１つのデフォーカス位置又は２つのデフォーカス位置の像から位相回復法によって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２３】
前記収差解析部は、干渉計を用いることによって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２４】
前記収差解析部は、シャックハートマンセンサを用いることによって収差を解析するようになっている請求項１６乃至２０のいずれかに記載の合焦システム。
【請求項２５】
前記収差解析部は、前記光学系を透過した光をビームスプリッタで光１及び光２に分離し、前記光１はデフォーカス光学系を透過し撮像素子１で撮像され、前記光２は撮像素子２で撮像されるようにすることによって、前記２つのデフォーカス位置のスポット像を同時に撮像するようになっている請求項１６乃至２４のいずれかに記載の合焦システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−３６８２４（Ｐ２００９−３６８２４Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９８８６８（Ｐ２００７−１９８８６８）
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５０３１５５５５５）株式会社カツラ・オプト・システムズ (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５０３１５５５５５）株式会社カツラ・オプト・システムズ (11)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]