特許 5962062 自動合焦方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5962062

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】自動合焦方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 7/28 20060101AFI20160721BHJP

   G03B 13/36 20060101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   G02B7/28 N

   G02B7/28 J

   G03B13/36

【請求項の数】13

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2012-42080(P2012-42080)

(22)【出願日】2012年2月28日

(65)【公開番号】特開2013-178379(P2013-178379A)

(43)【公開日】2013年9月9日

【審査請求日】2015年2月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100072718

【弁理士】

【氏名又は名称】古谷 史旺

(74)【代理人】

【識別番号】100116001

【弁理士】

【氏名又は名称】森 俊秀

(72)【発明者】

【氏名】児玉 賢一

【審査官】 高橋 雅明

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０７２４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６４７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１０１１３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ７／２８

Ｇ０２Ｂ ２１／００

Ｇ０３Ｂ １３／３６

Ｈ０４Ｎ ５／２２２−５／２５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被写体の像を所定面上に形成する対物光学系と、
前記像の虚像を観察眼に観察させる観察光学系と、
２次元状のパターンの光を前記観察眼に投影するパターン投影手段と、
前記観察眼の網膜からの戻り光のうち、前記パターン光の像の変形に基づいて、前記観察眼における前記網膜中心の位置を検出する焦点検出手段と、
前記焦点検出手段からの情報に基づいて、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは、前記所定面上に形成される像を離れて表示する表示面とを共役関係にし、且つ、前記対物光学系による前記所定面との共役面と、前記被写体との相対位置を変化させる焦点合焦手段と、
を備えたことを特徴とする自動合焦装置。

【請求項2】

請求項１に記載の自動合焦装置において、
前記対物光学系は、前記被写体の実像を前記所定面上に形成させ、
前記観察光学系は、前記所定面上に形成される被写体の実像を接眼レンズにより虚像として観察眼に観察させるとともに、
前記焦点合焦手段は、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは前記表示面とが共役関係になるように、前記接眼レンズの曲率を電気的に制御して、当該接眼レンズの焦点距離を調整する、又は前記接眼レンズを光軸方向に移動させることを特徴とする自動合焦装置。

【請求項3】

請求項２に記載の自動合焦装置において、
前記焦点合焦手段は、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼から離れることを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズに近づく方向に移動させるとともに、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼に近づくことを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズから離れる方向に移動させるように制御することを特徴とする自動合焦装置。

【請求項4】

請求項２又は３に記載の自動合焦装置において、
前記対物光学系は、撮像手段を備え、前記対物レンズにより前記被写体像を撮像手段の撮像面に結像させ、また、前記観察光学系は、前記表示面を有する表示部を備え、前記撮像手段で撮像した前記被写体画像を前記表示面に表示し、前記表示面に表示された画像の虚像を前記接眼レンズにより観察眼に観察させるとともに、
前記焦点検出手段の代わりに、前記網膜中心に対するピント位置と前記表示面とが共役関係になるように前記接眼レンズの曲率を電気的に制御して、当該接眼レンズの焦点距離を調整する、又は前記接眼レンズを光軸方向に移動させる焦点検出手段を備えることを特徴とする自動合焦装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の自動合焦装置において、
前記対物光学系と前記観察光学系とによる総合倍率をγ倍とする時、前記観察眼のピント面の移動量の略１／γ倍に比例して、前記対物光学系に対する前記被写体の相対位置を変えることを特徴とする自動合焦装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の自動合焦装置において、
前記焦点検出手段は、前記網膜からの戻り光の像を撮像する撮像部と、前記撮像した像を構成する前記パターンの変形の度合いから前記パターン画像の上下左右の対称性を調べてパターン画像のうちの対称中心を前記網膜中心として検出する注視点検出手段と、前記網膜中心近傍に対する前記パターンの大きさに基づいて前記網膜中心に対するピント位置を検出する合焦手段と、を備えることを特徴とする自動合焦装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の自動合焦装置において、
前記パターン投影手段は、２次元状の前記パターン光を生成するパターン光生成手段と、前記パターン光を前記所定面、若しくは前記表示面と共役関係になる面に結像させる結像レンズと、前記面、若しくは、前記面と共役な面の近傍に配置され前記パターン光のうちの一部又は全部を通過させる空間フィルタと、を備えることを特徴とする自動合焦装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の自動合焦装置において、
前記パターン光生成手段は、前記パターン光を不可視光で生成することを特徴とする自動合焦装置。

【請求項9】

請求項１から７のいずれか１項に記載の自動合焦装置において、
前記パターン光生成手段は、可視光で前記パターン光を発光するとともに、間隔を空けて繰り返し発光することで断続的なパターン光を生成することを特徴とする自動合焦装置。

【請求項10】

請求項４から９のいずれか１項に記載の自動合焦装置において、
前記撮像手段の撮像面に結像する被写体の実像の大きさ（ｈｃ）と、前記表示部の表示面に表示される前記被写体の画像の大きさ（ｈｅ）との比（α＝ｈｅ／ｈｃ）が以下の式を満足することを特徴とする自動合焦装置。
α＝（ｌｅ／ｌｃ）×（１＋ｌｅ／Ｌｅ）
但し、ｌｅは、接眼光学系から表示面までの距離、ｌｃは、撮像面から対物光学系までの距離、Ｌｅは、接眼レンズから観察眼のピント面までの距離。

【請求項11】

被写体の像の虚像を観察させる観察眼に、２次元状のパターンの光をパターン投影手段により投影するステップと、
前記観察眼の網膜からの戻り光のうち、前記パターン光の像の変形に基づいて、前記観察眼における前記網膜中心の位置を検出する焦点検出ステップと、
前記焦点検出ステップからの情報に基づいて、前記網膜中心に対するピント位置と前記被写体の像が形成される所定面、若しくは、前記所定面上に形成される像を離れて表示する表示面とを共役関係にし、且つ、前記対物光学系による前記所定面との共役面と、前記被写体との相対位置を変化させる焦点合焦ステップと、
を含むことを特徴とする自動合焦方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の自動合焦方法において、
前記被写体の実像を前記所定面上に形成させるステップと、
前記所定面上に形成される被写体の実像を接眼レンズにより虚像として観察眼に観察させるステップと、を含み、
前記焦点合焦ステップは、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは前記表示面とが共役関係になるように、前記接眼レンズの曲率を電気的に制御して、当該接眼レンズの焦点距離を調整する、又は前記接眼レンズを光軸方向に移動させることを特徴とする自動合焦方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の自動合焦方法において、
前記焦点合焦ステップは、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼から離れることを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズに近づく方向に移動させるとともに、前記網膜中心に対するピント位置が前記観察眼に近づくことを検出することに応答して前記被写体の位置を前記対物レンズの光軸方向に沿った前記対物レンズから離れる方向に移動させるように制御することを特徴とする自動合焦方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、観察者が注視している任意の位置に、例えばカメラの撮影光学系や顕微鏡の光学系を自動的に合焦させる自動合焦方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光学系の自動焦点合わせは、視野の中心部、或いは、人物のような特徴的なパターンを検出して焦点合わせを行っている。また、観察者が中心する任意箇所に対して自動的に焦点合わせを行う場合、観察者が被写体のどこを注視しているかを、目を撮像して得られる画像等から黒目の位置を検出する視線方向検出装置が提供されている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−２７１９３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の視線方向検出装置では、観察者が被写体の何処を注視しているかを正確に計測することは難しい。というのは、尖った物体の先端部を注視する場合、注視点検出には高い精度が要求される。すなわち３００ｍｍ離れた距離に位置する、高さ１ｍｍの物体を足部から頭部に視線方向を変えて注視する時の目の回転角度は０．１９°である。このような微小な角度を画像上から正確に計測することはその角度が計測誤差の範囲に含まれるため難しい。更に、画像処理による視線方向検出では、検出装置に個人差が生じるので、観察者毎に校正を行う必要があった。

【0005】

本発明は、視線方向を検出することなく、注視点への焦点合わせを確実に行う自動合焦方法及び装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明を例示する自動合焦装置の一態様は、被写体の像を所定面上に形成する対物光学系と、前記像の虚像を観察眼に観察させる観察光学系と、２次元状のパターンの光を前記観察眼に投影するパターン投影手段と、前記観察眼の網膜からの戻り光のうち、前記パターン光の像の変形に基づいて、前記観察眼における前記網膜中心の位置を検出する焦点検出手段と、前記焦点検出手段からの情報に基づいて、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは、前記所定面上に形成される像を離れて表示する表示面とを共役関係にし、且つ、前記対物光学系による前記所定面との共役面と、前記被写体との相対位置を変化させる焦点合焦手段と、を備えるものである。
本発明を例示する自動合焦装置の別態様は、被写体の像を所定面上に形成する対物光学系と、前記像の虚像を観察眼に観察させる観察光学系と、２次元状のドット光からなるパターンの像を前記観察眼に投影するパターン投影手段と、前記観察眼の網膜からの戻り光であるパターン画像のうちの網膜中心近傍のドット画像の大きさに基づいて前記網膜中心に対するピント位置、又はそのずれ方向を検出する焦点検出手段と、前記焦点検出手段からの情報に基づいて、前記網膜中心に対するピント位置と前記所定面、若しくは、前記所定面上に形成される像を離れて表示する表示面とを共役関係にし、且つ、前記対物光学系による前記所定面との共役面と、前記被写体との相対位置を変化させる焦点合焦手段と、を備えるものである。なお、焦点検出手段が網膜中心に対するピント位置を検出する場合には、観察光学系を構成する接眼レンズの屈折率や位置に基づいて算出すればよい。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、撮像手段で撮像したパターン画像のうちの網膜中心からの戻り光となるドット画像の大きさに基づいて観察眼のピント位置を検出するため、観察眼の注視点への焦点合わせを確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の自動合焦装置の概略を示す説明図である。

【図2】チャート用表示パネルが表示するパターン画像を示す説明図である。

【図3】空間フィルタを示す平面図である。

【図4】撮像センサの撮像面が撮像するパターン像を示す説明図である。

【図5】図１で説明した自動焦点装置の要部を示す説明図である。

【図6】図１で説明した自動焦点装置の動作手順を示すフローチャートである。

【図7】結像レンズと接眼レンズとの焦点距離に対するドット像の大きさの関係を示す説明図である。

【図8】結像レンズを可変焦点レンズに、接眼レンズを単焦点レンズにした例を示す説明図である。

【図9】図８で説明した結像レンズの焦点距離及び接眼レンズの移動位置に対するドット像の大きさの関係を示す説明図である。

【図10】接眼レンズを可変焦点レンズに、結像レンズを単焦点レンズで固定配置にした例を示す説明図である。

【図11】透明板を開口に１個おきに設けた空間フィルタを示す平面図である。

【図12】図１１に示すＡ−Ａ‘線に沿って切断した断面図である。

【図13】図１０で説明した例の動作手順を示すフローチャートである。

【図14】図１０で説明した接眼レンズの焦点距離に対するドット像の大きさの関係を示す説明図である。

【図15】接眼レンズを光軸方向に移動自在に設け、結像レンズを単焦点レンズで固定配置にした例を示す説明図である。

【図16】図１５で説明した接眼レンズの移動位置に対するドット像の大きさの関係を示す説明図である。

【図17】本発明を適用した顕微鏡を示す説明図であり、（Ａ）〜（Ｄ）は、観察眼のピント面Ｍｆの変化に応じて面ｍｏに対する試料の位置が変化する様子を表している

【図18】本発明を適用した電子的観察システムを示す説明図である。

【図19】観察眼のピント面Ｍｆから注視点Ｐｗまでの距離が短く変化した状態を示す説明図である。

【図20】観察眼のピント面Ｍｆと注視点Ｐｗとが一致した状態を示す説明図である。

【図21】観察眼のピント面Ｍｆが注視点Ｐｗを超えた状態を示す説明図である。

【図22】図１８で説明した電子的観察システムを簡略した構成を示す説明図であり、（Ａ）はファインダ光学系を、（Ｂ）は撮像光学系をそれぞれ示している。

【図23】本発明を一眼レフカメラに適用した例を示す説明図である。

【図24】図２３で説明したカメラを簡略した構成を示す説明図である。

【図25】従来の自動合焦装置との差異を示す説明図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0009】

本発明の一態様を説明する自動合焦装置１０は、図１に示すように、チャート用表示パネル１１、第１部分透過ミラー１２、結像レンズ１３、フィールドレンズ１４、空間フィルタ１５、第２部分透過ミラー１６、観察用表示パネル１７、接眼レンズ１８、撮像センサ１９、焦点検出部２０、第１可変焦点部２１、及び第２可変焦点部２２等で構成されている。観察眼２３は、観察用表示パネル１７に表示される観察画像を接眼レンズ１８で拡大した虚像３０を観察する。なお、この例では、観察画像は、奥行きを有する３Ｄ画像になっている。

【0010】

チャート用表示パネル１１は、網膜に投影するために小さなドット光を２次元状に配したパターン画像（以下、「パターン」と称す。）を表示するものである。ここで、ドット光の輪郭形状は、円形に限らず、例えば三角形や矩形、多角形、及び二重円等の形状としてもよい。
パターンは、第１部分透過ミラー１２、結像レンズ１３、フィールドレンズ１４、空間フィルタ１５、第２部分透過ミラー１６、接眼レンズ１８、及び観察眼２３のレンズ２４からなる投影光学系を介して網膜Ｒｅに投影される。ここで、チャート用表示パネル１１と投影光学系とがパターン投影手段を構成する。
尚、人間の目に入射した光は、角膜と水晶体により屈折されるが、ここでは、原理説明のために眼のレンズを単純化して、単レンズとして描いてある。

【0011】

網膜Ｒｅからの戻り光は、観察眼２３のレンズ２４、接眼レンズ１８、第２部分透過ミラー１６、空間フィルタ１５、フィールドレンズ１４、結像レンズ１３、及び第１部分透過ミラー１２等の焦点検出用光学系を介して撮像センサ１９の撮像面１９ａにパターン像を結像する。撮像センサ１９は、そのパターン像を撮像する。
観察眼２３は、観察用表示パネル１７、第２部分透過ミラー１６、接眼レンズ１８、及び観察眼２３のレンズ２４で構成される観察光学系により観察用表示パネル１７で表示した観察画像を拡大した虚像３０を観察する。第１可変焦点部２１は、結像レンズ１３の焦点距離を可変する。第２可変焦点部２２は、接眼レンズ１８の焦点距離を可変する。

【0012】

焦点検出部２０は、観察画像の中のうち観察眼２３が注視する注視点を検出する注視点検出回路２５と、注視点に観察眼２３のピントを合わせる合焦回路２６とを備える。注視点検出回路２５は、撮像センサ１９で取得したパターン画像の対称性を解析して観察眼２３の注視点、すなわち視差方向に一致する眼軸上の網膜中心Ｆｏの位置を検出する。合焦回路２６は、網膜中心Ｆｏの位置、若しくはその近傍に写るドット画像を解析し、前記ドット画像が鮮明、かつ最小の像になるように結像レンズ１３と接眼レンズ１８との焦点距離を個別に調節する。

【0013】

チャート用表示パネル１１がパターンを表示することによりその光束の一部は、第１部分透過ミラー１２で反射して、結像レンズ１３によりフィールドレンズ１４上に結像して、前記パターンの第１の実像を形成する。なお、第１部分透過ミラー１２をハーフミラーとしてもよい。また、前記一部の光束は、フィールドレンズ１４で進行方向を変えられた後、空間フィルタ１５を透過して第２部分透過ミラー１６で反射され、接眼レンズ１８と観察眼２３のレンズ２４により綱膜Ｒｅ近傍に前記パターンの第２の実像、すなわちパターン像を形成する。なお、フィールドレンズ１４は、前記一部の光束の進行方向を変えるだけで結像には影響を与えない。また、第２部分透過ミラー１６をハーフミラーとしてもよい。ここで、チャート用表示パネル１１、第１部分透過ミラー１２、結像レンズ１３、フィールドレンズ１４、空間フィルタ１５、撮像センサ１９、焦点検出部２０、及び第１・第２可変焦点部２１，２２が焦点検出ユニット２７を構成する。

【0014】

網膜Ｒｅ近傍に形成されたパターンの第２の実像から正反射や散乱により発生する光束が再び観察眼２３のレンズ２４を透過して、接眼レンズ１８により屈折された後、第２部分透過ミラー１６で反射され、空間フィルタ１５近傍に第３の実像を形成する。さらに、空間フィルタ１５を透過した第３の実像を形成する光束は、フィールドレンズ１４で進行方向を変えられた後、光束の一部が結像レンズ１３の働きと第１部分透過ミラー１２を透過することにより撮像センサ１９の撮像面１９ａに、第４の実像、すなわちパターン画像の像を形成する。
なお、空間フィルタ１５と観察用表示パネル１７の表示面１７ａとは、接眼レンズ１８から光学的に等距離に配置されている。また、チャート用表示パネル１１の表示面１１ａと撮像センサ１９の撮像面１９ａは結像レンズ１３から光学的に等距離に配置されている。

【0015】

前記チャート用表示パネル１１は、図２に示すように、微小な円形のドット光３１をマトリックス状に複数配列したパターン画像（以下、「パターン」と称す）３２を表示面１１ａに表示する。また、パターン３２は、背景を暗い色でドット光を明るい色で表示してもよいし、背景を明るい色でドット光を暗い色で表示してもよい。

【0016】

空間フィルタ１５は、フィールドレンズ１４のうち第２部分透過ミラー１６側に密着、或いは近接して配されており、図３に示すように、マスク板３４に多数の開口３５を形成したものである。開口３５は、ドット３１よりも大きい大きさの相似形状で形成されており、その配列はパターンの第１の実像の配列と同じに揃えてある。空間フィルタ１５は、網膜Ｒｅとほぼ共役関係にある位置に配置されている。網膜Ｒｅからの戻り光は、非常に弱い。このため、角膜等からの散乱により迷光が生じる。迷光は、空間フィルタ１５とは共役関係にない場所から発生するため、大半の迷光は空間フィルタ１５上で阻止されてしまい、空間フィルタ１５の開口３５を通過できない。これにより、空間フィルタ１５は、角膜等での散乱による迷光を除去することができる。

【0017】

観察眼２３は、接眼レンズ１８の光軸１８ａからずれた位置、つまり観察範囲の中心からずれた位置を注視する場合、光軸１８ａに対して回転が生じている。このため、第２の実像は、観察眼２３の網膜Ｒｅ上に偏芯して形成されている。眼２３の綱膜Ｒｅの形状は、眼２３の角膜と水晶体中心（不図示）とを通る眼軸３６（図１参照）周りにほぼ軸対称であり、球面状になっているので、網膜Ｒｅ上の部位により眼２３のレンズ２４からの距離が異なる。このため、第４の実像に対しても、眼軸３６が網膜Ｒｅと交わる点（網膜中心）Ｆｏを中心として同心円状にボケによる類似の変形が生じることになる。また、眼２３のレンズ２４が、コマ収差、像面湾曲、歪曲収差等の種々の収差を有する場合は、それらの収差により同心円状の類似の変形も加わる。

【0018】

例えば、図２で説明したパターンを構成するドット３１が円形とすると、図４に示すように、第４の実像では、小さな円形ドットの実像が変形した像３７になる。さらに、眼２３に乱視、つまり非点収差がある場合は、変形の度合いに、網膜中心Ｆｏに対して中心対称な成分だけではなく、網膜中心Ｆｏを通る第１軸Ａｘとこれに直交する第２軸Ａｙに対する軸対称の成分も加わる。そこで、注視点検出回路２５は、多数のドット３７の変形の対称性を画像解析することにより、第１軸Ａｘと第２軸Ａｙを求め、求めた第１及び第２軸Ａｘ，Ａｙの交点から網膜中心Ｆｏを特定する。

【0019】

合焦回路２６は以下のようにして観察眼２３のピント位置を検出する。
図５に示すように、観察眼のピントがピント面Ｍｆに合っているとすると、ピント面Ｍｆと綱膜中心Ｆｏは互いに共役関係を満たしていることになる。この状態で、撮像センサ１９から取得する画像を解析して、網膜中心Ｆｏ近傍にあるドット光３７ａが鮮明かつ最小の像になるように、接眼レンズ１８の焦点距離ｆを調節することで、撮像面１９ａが網膜中心Ｆｏと共役になる。更に、撮像面１９ａと空間フィルタ１５が共役で、且つ、空間フィルタ１５と観察用表示パネル１７の表示面１７ａが、接眼レンズ１８から光学的に等距離に配置されていることより、表示面１７ａも網膜中心Ｆｏと共役になる。また、観察用表示パネル１７の表示面Ｍｉはピント面Ｍｆとも共役となる。つまり、表示面１７ａ上に表示される絵の虚像がピント面Ｍｆに形成される。したがって、表示面Ｍｉから接眼レンズ１８までの距離Ｌｉと接眼レンズ１８の焦点距離fを知ることができれば、接眼レンズ１８から観察眼２３のピント面Ｍｆまでの距離Ｌｆを［数１］に記載の式により求めることができる。

【0020】

［数１］
Ｌｆ＝（ｆ×Ｌｉ）／（ｆ−Ｌｉ）

【0021】

なお、図５に示す実施形態では、空間フィルタ１５をフィールドレンズ１４の直後に配置しているが、代わりに撮像面１９ａの直前に配置してもよい。フィールドレンズ１４の直後に配置した面は、表示面１７ａと共役関係になっているとともに、撮像面１９ａの直前の面と共役な面になっている。

【0022】

接眼レンズ１８は、印加される電圧に基づいて曲率を変える電気式可変焦点レンズになっている。第２可変焦点部２２は、接眼レンズ１８に与える電流値を制御することで接眼レンズ１８の焦点距離ｆを調節する。この場合、距離Ｌｉが一定であり、接眼レンズ１８の焦点距離ｆは電流値から知ることができる。これにより、合焦回路２６は、距離Ｌｆを簡単に求めることができる。なお、可変焦点レンズとしては、電気式可変焦点レンズの代わりに、ダイナモルフレンズ等の液体可変焦点レンズを用いてもよい。

【0023】

以下、焦点検出部２０が網膜中心Ｆｏに対応するドット３７ａが鮮明かつ最小の像になるように制御する方法について詳しく説明する。接眼レンズ１８は、前述したように、電気式可変焦点レンズになっている。そして、結像レンズ１３も電気式可変焦点レンズになっており、第１可変焦点部２１が結像レンズ１３に与える電流値を制御することで結像レンズ１３の焦点距離を調節する。ここで、結像レンズ１３の焦点距離を「ｆ’」とすると、結像レンズ１３の焦点距離ｆ’は、［数２］に示す式で表される。

【0024】

［数２］
ｆ’＝ｆ’ｏ＋Δｆ’×ｓｉｎω×ｔ （Δｆ’≪ｆ’ｏ）
但し、「ｆ’ｏ」は定数、「Δｆ’」は振幅（定数）、「ω」は角周波数、「ｔ」は時間である。

【0025】

［数２］の式に示すように、結像レンズ１３の焦点距離ｆ‘を中心として振幅Δｆ’だけ振る、つまり結像レンズ１３の焦点距離ｆ’を一定量「Δｆ’」だけ増減させることを考える。なお、結像レンズ１３の焦点距離ｆ’の変化は、接眼レンズ１８の焦点距離ｆの変化に比べて十分に速いものとする。

【0026】

焦点検出部２０は、図６に示すように、第１可変焦点部２１を制御して結像レンズ１３の焦点距離ｆ’を「ｆ’ｏ−Δｆ」に可変し（Ｓ−１）、次に前記可変した時に撮像した画像を取得し（Ｓ−２）、前述したように取得した画像に基づいて網膜中心Ｆｏを検出し（Ｓ−３）、網膜中心Ｆｏの近傍に写るドット像３７ａの大きさＳＡを計測する（Ｓ−４）。

【0027】

次に、焦点検出部２０は、第１可変焦点部２１を制御して結像レンズ１３の焦点距離ｆ’を「ｆ’ｏ＋Δｆ」に可変し（Ｓ−５）、次に、前記可変した時に撮像した画像を取得し（Ｓ−６）、取得した画像に基づいて網膜中心Ｆｏを検出し（Ｓ−７）、網膜中心Ｆｏの近傍に写るドット像３７ａの大きさＳＢを計測する（Ｓ−８）。そして、「ｆ’＝ｆ’ｏ−Δｆ’」の時に計測した大きさＳＡと、「ｆ’＝ｆ’ｏ＋Δｆ」の時に計測した大きさＳＢとを比較する（Ｓ−９、Ｓ−１０）。

【0028】

ここで、図７に示すように、「ｆ＝ｆｏ」、且つ「ｆ’＝ｆ’ｏ」の時に、網膜中心Ｆｏと撮像センサ１９の撮像面１９ａが共役関係を満たす。この時には、網膜中心Ｆｏの近傍に形成されるドット像３７ａの大きさＳは最小の大きさＳ１になる。このため、接眼レンズ１８の焦点距離ｆを変化させると、同図（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、大きさＳが変化する。なお、ここではｆ₋＜ｆｏ＜ｆ_＋とする。

【0029】

前記比較した結果が、仮にＳＡ＞ＳＢの関係、つまりｆ’＝ｆ’ｏ−Δｆ’となる時のドット像３７ａの大きさＳ２が、ｆ’＝ｆ’ｏ＋Δｆ’となる時のドット像３７ａの大きさＳ３よりも大きい場合には、同図（Ａ）に示す接眼レンズ１３の焦点距離ｆがｆ＝ｆ₋の状態にある。このとき、合焦回路２６は、第２可変焦点部２２を制御して、接眼レンズ１８の焦点距離ｆがその時点の焦点距離よりも長くなるように変化させる（Ｓ−１１）。

【0030】

今度は、同図（Ｃ）に示すように、ｆ＝ｆ_＋の状態にあったと仮定すると、ｆ’＝ｆ’＋Δｆ’となる時のドット像３７ａの大きさＳ４は、ｆ’＝ｆ’−Δｆ’となる時のドット像３７ａの大きさＳ５よりも大きくなる。このとき、合焦回路２６は、第２可変焦点部２２を制御して、接眼レンズ１８の焦点距離ｆがその時点の焦点距離よりも短くなるように変化させる（Ｓ−１２）。その後、前述した手順を繰り返して、ドット像３７ａの大きさＳＡと、大きさＳＢとを比較していく。なお、大きさＳＡとＳＢとを比較した結果に基づいて接眼レンズ１８の焦点距離ｆを変化させる時の変化量は、大きさＳＡと大きさＳＢの差に応じて変化させるとよい。例えば、大きさＳＡと大きさＳＢの差に比例して焦点距離fを変化させることが考えられる。

【0031】

このように、結像レンズ１３の焦点距離ｆ’を減じた時の大きさＳＡと、増やした時の大きさＳＢとを比較した結果に基づいて、接眼レンズ１８の焦点距離ｆを変えていくことで、最終的には、同図（Ｂ）に示す状態、つまり接眼レンズ１８の焦点距離ｆがｆ＝ｆｏに落ち着くことになる（Ｓ−９の「Ｙ」側）。
よって、網膜中心Ｆｏと撮像センサ１９の撮像面１９ａとを共役関係にすることができ、結果的に、表示面Ｍｉとピント面Ｍｆとが共役になる。
また、［数１］に示す式において、ｆ＝ｆｏとすることにより、距離Ｌｆを求めることができる。

【0032】

［結像レンズを可変焦点レンズ＋接眼レンズを単焦点レンズにした例］
上記実施形態では、結像レンズ１３と接眼レンズ１８との両方を可変焦点レンズとして説明しているが、本発明ではこれに限らず、接眼レンズ１８を単焦点レンズ（焦点距離ｆ）とし、観察用表示パネル１７の表示面１７ａからの距離Ｌｉが変わるように接眼レンズ１８を光軸１８ａ方向に移動させてもよい。この場合、第２可変焦点部の代わりに、図８に示すように、レンズ移動部８１を設ける。レンズ移動部８１は、合焦回路２６からの駆動信号に基づいて接眼レンズ１８を光軸１８ａ方向に移動させる。
なお、結像レンズ１３の焦点距離ｆ’の変化は、接眼レンズ１８の移動に比べて十分に速いものとする。また、この例では、接眼レンズ１８の光軸１８ａ方向への移動量を検出するレンズ移動量検出手段を設け、接眼レンズ１８の光軸１８ａ方向への位置に基づいて前述した［数１］に示す式を用いて距離Ｌｆを算出することができる。

【0033】

結像レンズ１３の焦点距離ｆ‘を中心として振幅Δｆ’だけ振る、つまり結像レンズ１３の焦点距離ｆ’を一定量「Δｆ’」だけ増減させる。その後、接眼レンズ１８を光軸１８ａ方向に移動させて表示面Ｍｉから接眼レンズ１８までの距離Ｌｉを変化させると、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、撮像した画像のうち網膜中心Ｆｏの近傍に写るドット像３７ａの大きさＳが変化する。ここで、Ｌｉ_＋＞Ｌｉ₋とする。同図（Ａ）に示すように、Ｌｉ＝Ｌｉ_＋の状態にあると仮定すると、結像レンズ１３の焦点距離ｆ’が「ｆ’＝ｆ’ｏ−Δｆ」’となる時に得られるドット像３７ａの大きさＳＡは、「ｆ’＝ｆ’ｏ＋Δｆ」となる時に得られるドット像３７ａの大きさＳＢよりも大きくなる。このとき、焦点検出部２０は、表示面Ｍｉから接眼レンズ１８までの距離Ｌｉがその時点の距離Ｌｉよりも短くなる方向に接眼レンズを所定量移動させるようにレンズ駆動部８１を制御する。

【0034】

逆に、同図（Ｃ）に示すように、Ｌｉ＝Ｌｉ₋の状態にあったと仮定すると、結像レンズ１３の焦点距離ｆ’が「ｆ’＝ｆ’ｏ+Δｆ」となる時に得られるドット像３７ａの大きさＳＢは、「ｆ’＝ｆ’ｏ−Δｆ’」となる時に得られるドット像３７ａの大きさＳＡよりも大きくなる。このとき、焦点検出部２０は、距離Ｌｉがその時点の距離Ｌｉよりも長くなる方向に接眼レンズ１８を移動させるようにレンズ駆動部８１を制御する。この例でも大きさＳＡ＝ＳＢになるまで前述した手順を繰り返し行う。なお、大きさＳＡとＳＢとを比較した結果に基づいて、接眼レンズ１８を移動させる量は、大きさＳＡと大きさＳＢの差に応じて変化させるとよい。例えば、大きさＳＡと大きさＳＢの差に比例して焦点距離fを変化させることが考えられる。

【0035】

このように、結像レンズ１３の焦点距離ｆ’を減じた時の大きさＳＡと、増やした時の大きさＳＢとを比較した結果に基づいて、接眼レンズ１８を光軸１８ａ方向に移動して焦点距離ｆを変えていくことで、最終的には、同図（Ｂ）に示すように、表示面Ｍｉと接眼レンズとの距離ＬｉがＬｉ＝Ｌｉｏの状態に落ち着くことになる。
よって、網膜中心Ｆｏと撮像センサ１９の撮像面１９ａとの位置を共役関係にすることができ、結果的に、表示面Ｍｉとピント面Ｍｆとが共役になる。
また、［数１］に示す式において、Ｌｉ＝Ｌｉｏとすることにより、距離Ｌｆを求めることができる。

【0036】

［結像レンズを単焦点レンズにして固定配置＋接眼レンズを可変焦点レンズにした例］
図１０に示す例は、結像レンズ１３を単焦点レンズ（焦点距離ｆ’）とし、接眼レンズ１８を可変焦点レンズにした例である。この場合、図５で説明した例と比べて、第１可変焦点部２１を省略し、接眼レンズ１８の焦点距離ｆを可変する可変焦点部８３を設けている。結像レンズ１３は、単焦点レンズになっており、第２のパターン像をフィールドレンズ１４の近傍に結像させる位置に固定して配されている。

【0037】

また、この実施形態で用いる空間フィルタ１５５は、図１１及び図１２に示すように、マスク板３４のうちの第２部分透過ミラー１６側の面に透明板８５を張り付けている。透明板８５は、屈折率を変える屈折率変更手段を構成するものであり、マスク板３４にマトリックス状に設けた開口３５に対して、斜め４５°方向に1列置きに貼り付けられている。こうすることで、接眼レンズ１８による綱膜Ｒｅとの共役位置を空間フィルタ１５５の位置から僅かにフィールドレンズ１４側にずらすことができる。よって、チャート用表示パネル１１の表示面１１ａと綱膜Ｒｅを共役関係にするためには、透明板８５が無い場合に比べて、接眼レンズ１８の焦点距離ｆを少し短くする必要がある。

【0038】

そこで、図１３に示すように、撮像センサ１９の撮像面１９ａ上に形成された第４の実像Ｉｍより、網膜中心Ｆｏの近傍の左右上下の何れかの隣合う同士の２つのドット像３７ａ，３７ｂを抽出して、それぞれ大きさを計測する（Ｓ−１６）。２つのドット像３７ａ，３７ｂのうち、いずれか一方のドット像（ここではドット像３７ｂとする）が透明板８５を透過して形成されていることになるため、透明板８５を通らずに撮像面１９ａ上に形成されるドット像３７ａの大きさＳｎと、透明板８５を通って撮像面１９ａ上に形成されるドット像３７ｂの大きさＳｐとを比較する（Ｓ−１７、Ｓ−１８）。

【0039】

図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、接眼レンズ１８の焦点距離ｆの変化に応じて、大きさＳｎと大きさＳｐの関係が変化する。そして、ｆ_＋＞ｆｏ＞ｆ₋として、ｆ＝ｆｏの時に、大きさＳｎとＳｐとが等しくなるように調整されているものとする。こうすることにより、逆に、両者の大きさＳｎ，Ｓｐが等しくなるように接眼レンズ１８の焦点距離ｆを変えるように制御することで、網膜中心Ｆｏと撮像面１９ａとを共役関係にすることができる。例えば、大きさＳｎが大きさＳｐよりも大きい場合には、接眼レンズ１８の焦点距離ｆがその時点の焦点距離よりも長くなるよう焦点距離を可変する（Ｓ−１９）。逆に、大きさＳｎが大きさＳｐよりも小さい場合には、接眼レンズ１８の焦点距離ｆがその時点の焦点距離よりも短くなるよう焦点距離を可変する（Ｓ−２０）。

【0040】

このように、接眼レンズ１８の焦点距離ｆを可変してドット像３７ａ，３７ｂの大きさＳｎとＳｐとを比較する手順を繰り返すことで、大きさＳｎとＳｐとサイズが同じになる焦点距離ｆｏに落ち着く（Ｓ−１７の「Ｙ」側）。
また、［数１］に示す式において、f＝ｆｏとすることにより、距離Ｌｆを求めることができる。
なお、この例においても接眼レンズ１８の焦点距離ｆの可変量を大きさＳｎと大きさＳｐの差に応じて変化させるとよい。また、この例においても、網膜Ｒｅとほぼ共役関係にある位置に空間フィルタ１５を配置しているため、迷光を除去することができる。

【0041】

［結像レンズを単焦点レンズにして固定配置＋接眼レンズを単焦点レンズにして光軸方向に可動に配した例］
この例は、図１５に示すように、結像レンズ１３を単焦点レンズにして固定して配置し、接眼レンズ１８を単焦点レンズにして光軸１８ａ方向に可動自在に配置した例であり、レンズ駆動部９１により接眼レンズ１８を移動させることで距離Ｌｉを変化させる。また、透明板８５を有する空間フィルタ１５５を用いている。ここで、Ｌｉ_＋＞Ｌｉｏ＞Ｌｉ₋として、Ｌｉ＝Ｌｉｏの時に、透明板８５を通らずに撮像面１９ａ上に形成されるドット像３７ａの大きさＳｎと、透明板８５を通って撮像面１９ａ上に形成されるドット像３７ｂの大きさＳｐとが等しくなるように調整されているものとする。

【0042】

この時、接眼レンズ１８の距離Ｌｉを変化させると、図１６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように大きさＳｎとＳｐとの関係が変化する。仮に図１６（Ａ）に示すように、Ｌｉ＝Ｌｉ_＋の状態にあったと仮定すると、大きさＳｎの方が大きさＳｐよりも大きくなる。すると、焦点検出部２０は、表示面Ｍｉから接眼レンズ１８までの距離Ｌｉが短くなる方向に接眼レンズ１８を移動させる。逆に、同図（Ｃ）に示すように、Ｌｉ＝Ｌｉ₋の状態にあったと仮定すると、大きさＳｎの方が大きさＳｐよりも小さくなる。この場合には、焦点検出部２０は、距離Ｌｉが長くなる方向に接眼レンズ１８を移動させる。
このように接眼レンズ１８を移動させて大きさＳｎとＳｐとを比較する手順を繰り返すことで、大きさＳｎとＳｐとが同じになる距離Ｌｉ、つまり距離Ｌｉ＝距離Ｌｉｏに落ち着く。
よって、網膜中心Ｆｏと撮像面１９ａとを共役関係にすることができる。
また、［数１］に示す式において、Ｌｉ＝Ｌｉｏとすることにより、距離Ｌｆを求めることができる。

【0043】

［パターン投影光に赤外光を用いる例］
ところで、観察眼２３は、接眼レンズ１８により観察用表示パネル１７に表示される画像を拡大した虚像を面Ｍｆの位置に見ているが、パターン画像が可視光であれば虚像と重なって見えてしまう。
そこで、チャート用表示パネル１１は、不可視光、例えば赤外光でパターン画像を表示すればよい。さらに、図１及び図５で説明した、観察用表示パネル１７と接眼レンズ１８との間に配した第２部分透過ミラー１６の代わりに、ダイクロイックミラーを設け、ダイクロイックミラーで観察用表示パネル１７からの可視光を透過させ、チャート用表示パネル１１からの赤外光を反射させればよい。チャート用表示パネル１１としては、液晶表示パネルを用いることができる。この場合には、バックライトを赤外線ＬＥＤで構成してもよいし、赤外線を光源とした導光板で構成してもよい。

【0044】

［パターン光生成手段の他の例］
また、チャート用表示パネル１１で、眼２３が感知しない程の短時間の表示を可視光で繰り返し表示してもよい。この場合は、第２部分透過ミラー１６を入射光の一部を透過と反射に振分ける部分透過ミラー、或いは、偏光プリズムとすればよい。偏光プリズムを用いる場合は、観察用表示パネル１７からの入射光の成分のうちＰ偏光成分を透過させ、チャート用表示パネル１１からの入射光の成分のうちＳ偏光成分を反射させれば良い。

【0045】

また、チャート表示用パネル１１は、複数のドットを同時に表示しているが、時系列的に表示してもよい。この場合、一つのドットを横に連続して変化させた静止画を高速に切り替え続けることで、あたかも複数のドットをマトリックス状に同時に表示されているかのようにしてパターン画像を生成するパターン光生成手段としてもよい。

【0046】

さらに、パターン光生成手段としては、点光源とガルバノミラーを有するガルバノスキャナーとを設けて、点光源を時系列的にスキャンしてマトリック状に配列したパターンを生成してもよい。
また、パターン光生成手段が生成するパターン光としては、各ドット光がマトリックス状に整列されてない状態、すなわち２次元状にバラバラに配されている状態のパターン光でもよい。この場合には、空間フィルタを通過するドット光の群が撮像センサにより撮像される。焦点検出部は、ドット像の群単位に対称性を調べて網膜中心を検出すればよい。

【0047】

［本発明を顕微鏡に適用した例］
本発明を顕微鏡に適用した例を図１７に示す。顕微鏡１７０は、試料１７１の実像を、対物光学系を構成する対物レンズ１７２により実像面（所定面）Ｍｉ付近に形成し、更にそれを接眼レンズ１７３で拡大した虚像を観察眼（以下、「眼」と称す）１７４で観察する。この場合、図５で説明した表示パネル１７は省略され、面Ｍｉが表示パネル１７の表示面１７ａに相当する。試料１７１の縦横方向の寸法をγ倍した理想的な像(実際には、縦倍率は横倍率の二乗倍となるが、ここでは観察者に知覚させたい像)を像１７５とする。眼１７４は、像１７５上の注視点Ｐｗを注視しようとしている。注視点Ｐｗのある面を面Ｍｗとする。眼１７４のピントが合っている面をピント面Ｍｆとする。つまり、ピント面Ｍｆと眼１７４の網膜Ｒｅは、共役関係になっている。また、試料１７１側の面ｍｏと実像面Ｍｉは互いに共役関係であり、実像面Ｍｉ上に最も良好に結像するように設計されている。

【0048】

試料１７１は、ステージ１６０に載置されている。ステージ１６０は、ステージ移動部１７９により対物レンズ１７２の光軸Ｏ方向に移動される。ステージ移動部１７９は、焦点検出ユニット１７６から送出される制御信号に基づいてステージ１６０を移動させる。焦点検出ユニット１７６は、図１で説明した焦点検出ユニット２７と同じ構成になっており、眼１７４のピント面Ｍｆを常時検出し、ピント面Ｍｆが実像面Ｍｉと共役関係になるように、接眼レンズ１７３を光軸方向に移動させるか、或いは接眼レンズ１７３の焦点距離を電気的に変えるかを行う。

【0049】

以上のように、眼１７４の網膜Ｒｅとピント面Ｍｆ、ピント面Ｍｆと実像面Ｍｉ、実像面Ｍｉと面ｍｏの間で互いに共役関係が成立するように、接眼レンズ１７３の光軸方向での位置、又は焦点距離が制御される。さて、図１７（Ａ）に示す状態において、注視点Ｐｗに対応する試料１７１上の注視点ｐｗに着目すると、注視点ｐｗは、面ｍｏから距離ｄ１だけ離れているので、実像面Ｍｉ上には、注視点ｐｗのボケた実像が形成される。このため、眼１７４には、注視点ｐｗが距離ｄ１に応じてボケて見える。同図（Ａ）〜（Ｄ）では、仮に、眼１７４のピント面Ｍｆが前方向（図中左方向）にＤだけ動いたとすると、試料１７１を載置するステージは、ｄ＝Ｄ／γだけ対物レンズ１７２に寄る後方向（図中右方向）に動くようにステージ移動部１７９を介して焦点検出ユニット１７６により制御される。同図（Ａ）〜（Ｄ）は、ピント面Ｍｆの変化に応じて、面ｍｏに対する試料１７１の位置が変化する様子を表している。

【0050】

さて、同図（Ｂ）は、初期状態を示しており、ピント面Ｍｆが、面Ｍｓ上にあるものと仮定した図である。その後、眼１７４と顕微鏡１７０の動作について説明する。同図（Ｂ）の状態では、眼１７４が注視している試料１７１上の注視点ｐｗは、面ｍｏからずれており、少しボケて見えている。このため、眼１７４は、注視点ｐｗがもっと鮮明に見えるようにピント調整を行う。ここでは、単眼で像を見ていると仮定する場合、ピント面Ｍｆを光軸Ｏ方向のいずれに動かして良いかの判断が難しい。仮に、同図（Ａ）のようにピント面Ｍｆを光軸Ｏに沿う前方向(図中右方向)にＤ１だけ動かすと仮定する。この変化に応じて、試料１７１の位置がｄ１＝Ｄ１／γだけ変化するので、注視点ｐｗは、面ｍｏからもっと遠ざかり、注視点ｐｗには、より大きなボケが生じる。

【0051】

一方、同図（Ｃ）に示すように、ピント面Ｍｆを光軸Ｏに沿う後方向(図中左方向)にＤ２だけ動かす場合、注視点ｐｗは、面ｍｏに近づき、注視点ｐｗのボケは減少する。しかし、同図（Ｄ）に示すように、さらにピント面Ｍｆを光軸Ｏ方向に沿う後方向に動かした場合は、注視点ｐｗのボケは再び増加する。

【0052】

以上の動作を繰り返すことにより、最終的には、眼１７４が注視点ｐｗの像を鮮明に見ることができる状態、すなわち同図（Ｃ）のような状態に落ち着くことになる。さらに、初期の同図（Ｂ）の状態から試料１７１がｄ２だけ動くのに対して、ピント面ＭｆはＤ２＝γ・ｄ２だけ動いている。このため、試料１７１を縦横どちらの方向にもγ倍した像を見ることと等価になり、眼１７４は、試料１７１を縦横方向にγ倍した像が存在しているかのように観察される。しかし、顕微鏡１７０の場合、焦点深度が非常に浅く、通常初期的には大きくピントがずれている。また、上記の動作だけでは、ピント面Ｍｆの基準位置が定まらない。そこで、例えば、初期的に以下のような動作を加えれば良い。

【0053】

実像面Ｍｉと面Ｍｓが光学的に共役となるように、接眼レンズ１７３の光軸Ｏ上での位置と焦点距離を所望の値に設定する。この時、眼１７４は、試料１７１上の中心Ｐｓを注視するようにする。次に、試料１７１の中心Ｐｓが鮮明に見えるようにピント調整を行う。このピント調整を手動で行う場合は、ハンドルを回してステージを移動させる。これでピント面Ｍｆが面Ｍｓに一致する。しかし、ピント調整を白動的に行う場合は、試料１７１の中心Ｐｓの鮮明な実像が面Ｍｓ上に形成されるが、ピント面Ｍｆが面Ｍｓに一致していることにはならない。そこで、さらに、焦点検出ユニット１７６の制御により眼１７４のピント面Ｍｆが面Ｍｓと一致することを確認した後、眼１７４の注視点移動による自動ピント合わせを開始すればよい。
なお、ステージ１６０を移動させているが、代わりに対物レンズ１７２を光軸Ｏ方向に移動してもよい。また、ステージ１６０と対物レンズ１７２との両方を移動してもよい。すなわち、ステージ１６０と対物レンズ１７２との間隔を変えるようにすればよい。

【0054】

［本発明を電子的観察システム（電子カメラ等）に適用した例］
図１８に示す実施例は、図１７で説明した顕微鏡の例と以下の点で異なる。顕微鏡の例では、試料１７１の実像が対物レンズ１７２により実像面Ｍｉ付近に形成されており、それをさらに接眼レンズ１７３で拡大した虚像を眼１７４が観察している。一方、図１８に示す実施例では、カメラ部１８８と表示パネル１９０とを備える電子的観察システム１８０の例を示す。試料（被写体）１８１をカメラ部１８８で撮像しており、対物レンズ（撮影レンズ）１８２により撮像素子１８９の撮像面に実像を形成する。その実像は、表示パネル１９０に表示される。また、表示パネル１９０の表示面１９０ａに表示された像を接眼レンズ１８３で拡大して、ピント面Ｍｆ上に虚像を形成し、その虚像を眼１８４が観察している。なお、表示面１９０ａが、本発明の「所定面上に形成される像を離れて表示する表示面」に相当する。表示面１９０ａは、対物光学系を構成する対物レンズ１８２の光軸上とは異なる位置に設けられている。

【0055】

ピント面Ｍｆの位置は、焦点検出ユニット１８６により常時検出されており、レンズ移動部１９１により焦点検出ユニット１８６からの指令に従って接眼レンズ１８３を光軸方向に移動して、表示面１９０ａとピント面Ｍｆが常に共役になるように制御されている。なお、前述したように、可変焦点部を設け、接眼レンズ１８３の焦点距離ｆを変えても良い。

【0056】

カメラ部１８８のピント面は、面Ｍｃ上にあるものとする。また、眼１８４は、試料１８１の横倍率がほぼγ倍の虚像を観察している時、対物レンズ１８２から面Ｍｃまでの距離が、眼１８４のレンズ１８７からピント面Ｍｆまでの距離の1／γ倍に等しくなるように制御されているものとする。面Ｍｃの移動は、対物レンズ１７２の焦点距離を変えるか、或いは、対物レンズ１７２の光軸方向での位置を変えて行えばよい。なお、図１８〜図２１では、ほぼγ＝１の場合で記載してある。

【0057】

図１９に示すように、眼１８４が試料１８１の理想的な像（ここでは観察者に知覚させたい像）１８５上の注視点Ｐｗを注視しており、注視点Ｐｗは、試料１８１上の注視点ｐｗに対応する。この時、カメラ部１８８のピント面Ｍｃから注視点ｐｗまでは距離_Ｓ１だけ離れているので、ｓ_１に応じてボケた像を表示面１９０ａに表示することになる。
図１８〜図２１には、ピント面Ｍｃから注視点ｐｗまでの距離が変化した場合の様子を示している。また、それらに対応する注視点Ｐｗの見え具合は、それぞれ図１７で説明した（Ａ）〜（Ｄ）の見え具合に対応している。

【0058】

眼１８４のピント面Ｍｆが変位した場合、それに同期してカメラ部１８８のピント面Ｍｃを変位するように制御すれば、最終的には、図２０の状態で安定する。つまり眼１８４は、試料１８１の理想的な像１８５上の注視点Ｐｗを鮮明に見ることができる。眼１８４が試料１８１上で奥行きがｚだけ異なる位置にある点を交互に見た場合、眼１８４のピント位置はｚ×γだけ変位し、且つ、横倍率もγ倍であるため、あたかも、試料１８１が３次元的にγ倍に拡大されたように認識することになる。しかし、厳密には、カメラ部１８８のピント面が変化することにより、眼１８４が見る像の横倍率も変化する。これを解消するためには、カメラ部１８８のピント面Ｍｃの変化に同期して表示面１９０ａに表示される像の大きさを変えればよい。

【0059】

具体的にどの程度変えればよいかを図２２に示す例で説明する。図２２（Ａ）では、眼１８４が接眼レンズ１８３で拡大された表示パネル１９０に表示された像の虚像１９２を観察している。また、図２２（Ｂ）では、対物レンズ１８２により被写体１８１の実像が撮像素子１８９の撮像面に形成されている。この実像が図２２（Ａ）の表示面１９０ａ上にα倍に拡大されて表示される。この関係は［数３］に記載の式で表される。

【0060】

［数３］
ｈｅ／ｈｃ＝α

【0061】

ここで、眼１８４が観察する虚像１９２が被写体１８１を横方向にγ倍に拡大し、且つ、γ倍離れた位置に形成される条件式を［数４］及び［数５］に示す。

【0062】

［数４］
Ｈｅ／Ｈｃ＝γ

【0063】

［数５］
Ｌｅ＋Ｕ＝γＬｃ

【0064】

［数４］及び［数５］に記載した両式を常に満足するためには、被写体１８１の位置により前記αを変化させなければならない。なお、ここで、眼１８４は、接眼レンズ１８３から距離Ｕだけ離れたアイポイント付近から観察するものとする。

【0065】

虚像１９２の位置調整は、接眼レンズ１８３の焦点距離ｆを変えるか、或いは、表示パネル１９０の位置を光軸方向に移動することにより行われる。ここで、原理的には、前述したように接眼レンズ１８３の位置を変えることもできるが、収差的には、表示パネル１９０を移動させる方が望ましい。このため、αを両者の場合について別々に考えることにする。

【0066】

（１）接眼レンズ１８３の焦点距離ｆを変えて調節する場合
この場合、図２２（Ａ）で中の距離ｌｅが固定で、焦点距離ｆが変化する。この時のアイポイントをＵ＝ｌｅとなる位置とする。［数３］〜［数５］に記載の式に加えて、結像の基本式を考慮すると、接眼レンズ１８３の焦点距離ｆが［数６］に記載の式を満たし、且つ、αが［数７］に記載の式を満たすように制御されなければならない。なお、ここでは、焦点検出ユニット１８６の制御により距離Ｌｅが求まるため、［数６］及び［数７］に記載の式をＬｅの関数として表してある。

【0067】

［数６］
ｆ＝（Ｌｅ×ｌｅ）／（Ｌｅ−ｌｅ）

【0068】

［数７］
α＝（ｌｅ／ｌｃ）×（１＋ｌｅ／Ｌｅ）

【0069】

（２）表示パネル１９０の位置を変えて調整する場合
この場合、接眼レンズ１８３の焦点距離ｆが固定である。この時のアイポイントをＵ＝ｌｅとなる位置とする。［数３］〜「数５」に記載の式に加えて、結像の基本式を考慮すると、接眼レンズ１８３から表示面１９０ａまでの距離ｌｅが［数８］に記載の式を満たし、且つ、αが［数９］に記載の式を満たすように制御されなければならない。

【0070】

［数８］
ｌｅ＝（Ｌｅ×ｆ）／（Ｌｅ＋ｆ）

【0071】

［数９］
α＝（ｌｅ／ｌｃ）×（１＋ｌｅ／Ｌｅ）

【0072】

結局、［数７］と［数９］との式は等しくなり、上記（１）と（２）とのどちらの場合でも、αは同じ式に基づき制御すればよい。

【0073】

［本発明を一眼レフカメラに適した例］
一眼レフカメラ２２０は、図２３に示すように、跳ね上げミラー２２４を備えている。跳ね上げミラー２２４は、撮影レンズ２２３の光軸上に挿入されるミラーダウン位置と、前記光軸上から脱するミラーアップ位置との間で回転自在であり、ミラーダウン位置の時に、奥行きのある被写体２２２の実像を撮影レンズ２２３により焦点板２２５上に生成する。さらに、焦点板２２５上に実像を形成する光束は、フィールドレンズ２２６により進行方向を変えられた後、ペンタブリズム２２７の内部で反射して接眼レンズ２３０により前記実像の虚像が生成される。この虚像を眼２４０が観察している。

【0074】

そして、跳ね上げミラー２２４は、シャッタレリーズに応答してミラーアップ位置に回転する。跳ね上げミラー２２４が跳ね上がると、被写体２２２の実像が撮影レンズ２２３により撮像素子２２８の撮像面に生成される。ペンタプリズム２２７には、焦点板２２５上に実像を形成する光束を眼２４０に向けて反射する第２反射面に三角プリズム２２９が組み合わされ、これらの間にダイクロイック面Ｍｐが形成されている。また、ペンタプリズム２２７には、三角プリズム２２９に対向する位置、すなわち接眼レンズ２３０とは逆側に、眼２４０のピント面を常時検出する焦点検出ユニット２６０が設けられている。

【0075】

焦点検出ユニット２６０から射出された不可視の光束Ｂｉは、三角プリズム２２９を通りダイクロイック面Ｍｐを透過して接眼レンズ２３０を通って眼２４０に入射する。また眼２４０の網膜で反射された光束Ｂｏは、接眼レンズ２３０を通りダイクロイック面Ｍｐを再び透過して焦点検出ユニット２６０に入射する。

【0076】

ここで、ペンタブリズム２２７は、平面の反射面のみからなるので、図２３の光学系からペンタブリズム２２７を取り除いて、光学系の原理を単純化して構成を図２４に示す。図２３に示す装置は、図１７で説明した顕微鏡の装置と対比すると、図１７で説明した試料１７１が被写体２２２に、対物レンズ１７２が撮影レンズ２２３に、実像面Ｍｉが焦点板２２５にそれぞれ相当する。また、跳ね上げミラー２２４は、単に光路を直角に曲げるだけであり、原理的には無視しても構わない。さらに、フィールドレンズ２２６も、結像にはほとんど寄与しないため、原理的には無視しても構わない。
以上のように考えると、図２４の光学系は、図１７の光学系と原理的に等価とみなせるが、図１７で説明した顕微鏡の装置では、対物レンズ１７２を固定したのに対して、この例では撮影レンズ２２３のピント面ｍｆが調節可能になっている点で異なる。

【0077】

次に、図２３で説明した一眼レフカメラの作用を簡単に説明する。眼２４０は、被写体２２２の虚像２２２’上の注視点Ｐｗを注視している。この注視点Ｐｗは、被写体２２２の注視点ｐｗに対応している。眼２４０のピント面Ｍｆの位置は、焦点検出ユニット２６０により常時計測され、そこからの指令によりカメラ部の撮影レンズ２２３のピント面ｍｆの位置がピント面Ｍｆと共役になるように制御される。

【0078】

眼２４０が被写体２２２を注視し始める初期状態で、注視点Ｐｗが眼２４０のピント面Ｍｆ上にないものとすると、眼２４０には、注視点Ｐｗがボケて見えるので、眼２４０は、ピント面Ｍｆの位置を調整しようとする。これに同期して撮影レンズ２２３のピント面ｍｆも位置が変化する。こうして最終的には、注視点Ｐｗがピント面Ｍｆと一致し、注視点ｐｗもピント面ｍｆと一致する。したがって、被写体２２２上で眼２４０が注視している箇所に常にピントを合わせることが可能になる。

【0079】

［本発明の従来技術との差異点］
本発明の他の効果を説明する。従来、所定面上に結像された被写体像を、主に可視光のみを反射若しくは透過させ赤外光束を遮光するダイクロイックな特性を有する光学部材を介して観察する撮影者の眼球に、光源からの赤外光束を前記光学部材を介して導光し、前記撮影者の眼球の屈折力状態を屈折力検出手段により検出し、該屈折力検出手段からの信号に基づいて、前記被写体像の結像状態を調整する調整手段を駆動する為の信号を形成するようにした自動合焦装置が提案されている（特開昭６３−４０１１２号公報）。
従来の自動合焦装置では、撮影範囲の中心を注視した時に光軸が眼軸に一致するように、光学部材を固定している。このため、光学部材の光軸に一致する眼軸上の網膜中心に結像する像に対して撮影レンズのピントを正確に合わせることができる。

【0080】

しかしながら、人間は、眼球を動かして常に網膜の中心部（中心窩）でものを見ている。このため、撮影範囲の中心からずれた位置を注視すると、必ず眼球が回転する。眼球が回転すると眼軸が視軸方向に回転する。このため、眼軸上の網膜中心上の点と光学部材の光軸が交差する網膜点とがずれることになり、網膜が球状であることを考慮すると、眼のレンズから両点までの距離には差が生じる。上記装置では、網膜点に結像する像に対して、カメラの撮影レンズを合焦させているため、上記距離の差に対応して撮影レンズのピントがずれることになる。このずれが大きくて、上記装置は実用的ではないことが判明した。

【0081】

誤差について検討する。説明を簡単にするために、図２５に示すように、眼を単レンズとして仮定し、視線方向を前記光軸から上方にずらし、従来の自動合焦装置から投光される検出光２が眼軸に対して斜め方向から入射している場合を考える。ここで眼軸は、角膜と水晶体との中心を通る軸であり、視線方向に一致する。この時、検出光２が網膜４上の点ｐに到達するものとすると、点ｐを通り眼軸６に垂直な面は、網膜中心５を通り眼軸６に垂直な面７に対して眼軸６方向にｄだけのずれを生じる。ずれ量ｄは、幾何学的な計算により近似的に［数１０］に示す式で見積もることができる。

【0082】

［数１０］
ｄ≡２ｒ×ｓｉｎ^２θ
但し、ｒは眼球の半径、θは眼軸に対する検出光の入射角度。

【0083】

ここで例として、ｒ＝１２ｍｍ、θ＝３０°と仮定し、［数１０］に代入すると、ずれ量ｄは「６ｍｍ」となる。一方、眼のピント面までの距離が、仮に３００ｍｍ〜無限大で変化するとした場合、眼のレンズの焦点距離ｆは、２２．２〜２４ｍｍの範囲で変化しなければならない。この焦点距離ｆの変化量に対して「６ｍｍ」というずれ量ｄの値は、とても無視できるものではない。前述した説明は、単純化したモデルでの見積りではあるが、従来の自動合焦装置では、斜め方向から検出光が入射する場合、眼のピント面に対して正しく光学系の焦点を合わせることは出来ないものと考えられる。このように、本発明は、視線方向に対応する眼軸上の網膜中心を検出し、網膜中心に形成される像に対して確実にピントを合わせることができる。

【0084】

また、網膜の反射率は、低く、検出器に戻ってくる光量は僅かになる。これに対して、角膜などからも散乱光が発生し、それが迷光となり受光部に到達する信号光のＳ／Ｎを大きく低下させるおそれがある。本発明では、空間フィルタを用いて散乱光の除去を十分に行っているため、信号光のＳ／Ｎの低下を低く抑えられる。
また、図２に示すマトリックス状に複数配列されたパターン画像を全て同時に表示せず、幾つかのブロックに分けて順に表示するようにして、信号を検出しても良い。このようにすれば、信号に比べてノイズの割合が低下するので更にＳ／Ｎが向上する。

【0085】

本発明によれば、観察者が注視している立体像の部位を特定することなく、注視位置と観察眼のピント位置を一致させ、かつ、ピント面からずれた面上の部位に対しては、そのずれ量に応じたボケを生じさせることが可能である。したがって、本発明を、図１７で説明した顕微鏡に適用すれば、試料面上の常に注視している箇所に白動的にピントを合わせられるので、手動による焦点調節を行う必要がなくなり、手が開放される。また、観察眼に対して、等価的に試料を横方向の倍率と同じだけ光軸方向にも拡大して表示することができるため、単眼でも試料を立体的に認識することができる。さらに、本発明による２台のシステムを、視差を有するように配置すると、輻輳と焦点調節が白動的に一致するような立体顕微鏡を構築することも可能である。このような立体顕微鏡では立体的に拡大された自然な像を観察することができるので、眼の疲労も生じ難い。

【0086】

図１８で説明したように、試料をカメラ部で撮像して、撮像素子上に実像を形成し、その虚像を観察する方式は、ミラーレスカメラやビデオカメラに有効であり、常に注視した被写体を見つめるだけで、そこにピントを白動的に合わせることが可能になる。
また、カメラと撮像素子は大きく離れていても良く、遠隔操作で試料を観察するような用途にも適している。さらに、図１７で説明したと同様に、本発明による２台のシステムを、視差を有するように配置すると、輻輳と焦点調節が自動的に一致するような立体ディスプレイを構築することも可能である。このような立体ディスプレイでは、自然に立体像を観察することが出来るので、眼の疲労も生じ難い。

【0087】

図２３で説明した一眼レフカメラに本発明を適用する場合も、常に被写体上の特定の箇所を注視するだけで、そこにピントを自動的に合わせることが可能になる。例えば、被写体が複数の人物である場合でも、撮影者が注視するだけで特定の人物にカメラのピントを合わせること等が可能になる。本発明によれば、観察者が注視している立体像の部位を特定することなく、観察者自らが注視している箇所のボケ具合を判断するので、何れの実施例においても、局所的に奥行きが大きく異なる箇所に対しても正しくピント合せを行うことが可能である。例えば、針の先端部にピントを合わせたり、格子を通して遠くの景色を覗いたりする場合等である。

【0088】

上記各実施形態では、自動合焦装置として説明しているが、本発明では、被写体像を所定面上に形成する対物光学系と、前記所定面上に形成される被写体像を、接眼レンズを通して虚像として観察眼に観察させる観察光学系と、２次元状のドット光からなるパターンの像を前記観察眼に投影するパターン投影手段と、前記観察眼の網膜からの戻り光となるパターン像を撮像する撮像部と、前記撮像したパターン像を構成する各ドット像の変形の度合いから上下左右の対称性を調べて対称中心を前記網膜中心として検出する注視点検出手段と、前記網膜中心近傍に対するドット像の大きさに基づいて前記網膜中心に対するピント位置を検出する合焦手段と、を備えた焦点検出装置の発明としてもよい。

【符号の説明】

【0089】

１０ 自動合焦装置
１１ チャート用表示パネル
１２，１６ 部分透過ミラー
１３ 結像レンズ
１４ フィールドレンズ
１５ 空間フィルタ
１７ 観察用表示パネル
１８ 接眼レンズ
２３ 観察眼

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】