JP2009128843A - 焦点検出装置及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮影レンズに非点収差等の軸外収差が存在していても焦点情報を高精度に検出することができ、良好なる画像が得られる焦点検出装置を得ること。
【解決手段】 撮影レンズの射出瞳の複数領域から射出する光束によって、該複数領域毎に各々被写体像を形成し、該複数の被写体像の相対的位置関係より該撮影レンズの焦点情報を該撮影レンズの撮影画面内の複数領域において求める焦点検出装置であって、
該撮影画面内の光軸以外の検出領域であって、同一検出領域の互いに異なる相関検出方向における焦点情報を検出し、
該検出した互いに異なる相関検出方向における異なる焦点情報について、各々補正演算を行う補正演算手段を有し、該補正演算手段での演算結果より得た合焦信号に基づいて合焦動作を行うこと。
【選択図】図１

Description

本発明は焦点検出装置に関し、例えば、固体撮像素子を有するデジタル一眼レフレックスカメラなどの撮像装置に好適なものである。

最近、多くのデジタルカメラは、撮影レンズ（対物レンズ）の焦点を自動的に調節する自動焦点調節機能を内蔵している。

特に、一眼レフカメラには、一対の被写体像の光量分布の相対的位置関係より撮影レンズの焦点状態を検出する方式、所謂位相差方式（像ずれ方式）と称される焦点検出装置が用いられている。

位相差方式の焦点検出装置は、少なくとも一対の開口が設けられた開口絞りと、その開口絞りの近傍に配置された２次結像レンズ（再結像レンズ）と、受光素子とで構成される。撮影レンズからの結像光束は、予定結像面よりも像側に設けた開口絞りに導かれる。２次結像レンズは、開口絞りの一対の開口を通過した光束によって被写体像に関する一対の光量分布を、受光素子の受光部（画素列、センサー）面上に形成する。そして受光素子で受光した一対の被写体像の光量分布の相対的位置関係より、撮影レンズの焦点状態（ピントズレ量）（焦点情報）を検出する。

従来よりこのような位相差方式を用いた焦点検出装置が種々と知られている（特許文献１、２）。

一般に、撮影レンズには光軸中心以外の周辺領域（軸外領域）で光軸からの距離によって決まる非点収差が存在する。

非点収差により被写体像は、光軸を中心として放射状に伸びる直線（サジタル像面）と光軸を中心とする同心円（メリジオナル像面）即ち互いに直交する方向でピントの合う位置が異なる。

撮影レンズに非点収差があると、位相差方式を用い撮影画面内の複数の検出領域で焦点検出を行う焦点検出装置においては、撮影画面内の同一箇所でありながら互いに直交する方向により異なるピント位置（焦点情報）を検出することになる。

また画面周辺領域では非点収差以外にも残存収差が存在する。このため焦点検出装置が検出する互いに直交する方向でピント位置に誤差が生じる。

これは一般に位相差方式の焦点検出装置では撮影レンズの射出瞳から射出される撮影にかかわる光束の一部を用いて焦点検出を行うためである。

従来からこの焦点検出装置で検出するピントずれ量と実際のピントずれ量を補正することが行われている。例えば、交換レンズ式のカメラにおいては装着される撮影レンズの諸収差に応じた補正値で得られた焦点情報の補正が行なわれている。

この他、画面周辺部の同一箇所に直交する複数の焦点検出系を設置し、これら焦点検出系で得られる信号を用いて合焦動作を行う焦点検出装置が知られている（特許文献３）。
特開平９−２１８３４４号公報 特開２００１−６６４９６号公報 特開平４−２７７７１２号公報

一般に撮影レンズの画面周辺領域（軸外）に相当する画角には残存収差が多く存在している。例えば光軸に対して垂直な線を含むサジタル方向の収差と光軸を含むメリジオナル方向の収差が多く存在する。

これらの収差によって、サジタル方向とメリジオナル方向とでは、最良のピント位置が異なってくる。

位相差方式の焦点検出装置を用いた撮影装置において、光軸以外に焦点検出領域を有する場合には、撮影レンズの非点収差等の軸外収差の影響で、焦点検出装置で得られる合焦情報（ピント位置情報）と、実際の最適なピント位置とが異なってくる場合がある。

この結果、焦点検出装置で得られる合焦情報を用いて合焦動作をすると良好なる画像が得られなくなってくる。

本発明は、位相差方式を用いて撮影画面内の複数位置で焦点検出をするとき、撮影レンズに非点収差等の軸外収差が存在していても焦点情報を高精度に検出することができ、良好なる画像が得られる焦点検出装置及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

本発明の焦点検出装置は、撮影レンズの射出瞳の複数領域から射出する光束によって、該複数領域毎に各々被写体像を形成し、該複数の被写体像の相対的位置関係より該撮影レンズの焦点情報を該撮影レンズの撮影画面内の複数領域において求める焦点検出装置であって、
該撮影画面内の光軸以外の検出領域であって、同一検出領域の互いに異なる相関検出方向における焦点情報を検出し、
該検出した互いに異なる相関検出方向における異なる焦点情報について、各々補正演算を行う補正演算手段を有し、該補正演算手段での演算結果より得た合焦信号に基づいて合焦動作を行うことを特徴としている。

本発明によれば、撮影レンズに非点収差等の軸外収差が存在していても焦点情報を高精度に検出することができ、良好なる画像が得られる焦点検出装置が得られる。

本発明の焦点検出装置における焦点検出方式では、位相差方式を用いている。

即ち、撮影レンズの射出瞳の複数領域（例えば２つの領域）から射出する光束によって、複数領域毎に各々被写体像を形成する。そして、複数の被写体像の相対的位置関係より撮影レンズの焦点情報を撮影レンズの撮影画面内の複数領域において求めている。

図１は本発明の焦点検出装置を一眼レフレックスカメラ（撮像装置）に適用したときの実施例１の要部断面図である。図２は図１の一部分の概略図である。図３は図１の一部の光路を展開したときの概略図である。図４、図５は図１の一部分の概略図である。

図１〜図５において、１は交換レンズ等のレンズ本体でありカメラ本体２に対して着脱可能に装着されている。

３は撮影光学系（撮影レンズ）であり、焦点調節手段４により焦点位置の調整を行う事が出来るように構成されている。焦点調節手段４はマイクロコンピュータ（演算手段）５により制御されている。６は記憶手段であり、撮影レンズ３に固有の情報が記憶されている。

記憶手段６に記憶される固有情報は、例えば画面周辺に存在する焦点検出領域の各像高におけるメリジオナル像面の焦点補正値とサジタル像面の焦点補正値、焦点調節手段４の駆動敏感度に関する情報、撮影レンズ３のＦ値、焦点距離などがある。

記憶手段６に記憶された情報の一部は接点７を介してカメラ本体２のマイクロコンピュータ（演算手段）１４に転送されている。

カメラ本体２は、接点７を介して情報の伝達を行うと共にレンズ本体１と物理的な接触による着脱が可能な機構を有している。

被写体からの光束は撮影レンズ３により撮像素子１６上へ結像する。撮影レンズ３から撮像素子１６へ至る光束は途中に配置された光路中から挿退出可能なハーフミラー８によりその光束の一部が焦点版９へ導かれる。

ハーフミラー８を透過した一方の光束は反射ミラー１２により焦点検出手段１３へと導光される。カメラ本体２内のマイクロコンピュータ（演算手段）１４は焦点検出手段１３の出力信号から撮影レンズ３のピントズレ量を計算する。

その際、記憶手段１５に記憶された焦点検出位置情報、焦点検出手段１３のセンサー出力から計算されたコントラスト情報、レンズ本体１から送られる固有の焦点補正情報、例えば非点収差情報等を元に検出したピントズレ量に対する補正量を計算し補正する。この補正した値でレンズ本体１内のマイクロコンピュータ５にフォーカス変位量を指示する。

一方ハーフミラー８により焦点板９へ導かれた光束は拡散作用を受け像反転作用を有するペンタダハプリズム１０を介して接眼レンズ１１に入射する。接眼レンズ１１を介することによって撮影者に焦点板９上のファインダー像の観察を可能なものとする。またペンタダハプリズム１０を介した光束の一部は測光手段１７へ入射する。

図２は撮影画面における焦点検出領域を示している。図２において、２１、２２は画面中心（光軸）の焦点検出を行う検出領域（焦点検出領域）を示している。２３，２４と２５，２６はそれぞれ画面に対して左右領域の一部の焦点検出を行う検出領域を示している。

中心の検出領域２１，２２では撮影レンズ３の光軸に対して非対称性が無いため検出領域２１で検出する画面縦方向のコントラストもしくは検出領域２２で検出する横方向のコントラストでピント差は発生しない。

撮影レンズ３の製造誤差により若干の差が生じる場合があるが、それが明らかな場合にはその誤差を補正する補正値を撮影レンズ３が保持すればよい。図３は図１で示した焦点検出装置の概要の説明図である。

焦点検出装置は、焦点検出手段１３，マイクロコンピュータ１４，記憶手段１５等を有している。

図３には図２の焦点検出領域を実現する光学系の構成が描かれている。図３において、３は撮影レンズである。３１は焦点検出領域の視野を決める視野絞りであり撮影レンズ３の予定焦点位置、すなわち撮像センサー１６と光学的に等価な位置に設置されている。

図２で示した焦点検出領域２１〜２６の形状で開口部が設置されている。３２、３５，３８は図２で示すところの検出領域２１，２２の視野に対応する焦点検出系の構成要素である。

３２はフィールドレンズ、３５は２次結像レンズ、３８光電センサーである。２次結像レンズ３５は図４で示す形状より成っている。図４において、ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２で示す４つのレンズ部により図５に示すセンサー上にマスク３１の十字型の開口形状を５１，５２，５３，５４のように結像する。

また図５に示すセンサーには対応する位置にラインセンサー５５，５６，５７，５８が設置されていて撮影レンズ３によってマスク３１上に結像された被写体像が２次結像レンズ３５により再結像し光量分布として検出される。

２次結像レンズ３５，３６，３７をここでは個別の部品として示しているが連結する形で１個の部品としてもよい。

また光電センサー３８，３９，４０も連結する形で１個の部品としても良い。この被写体像の間隔を相関演算により求めることにより焦点ズレ量を検出するのが位相差方式のＡＦ（焦点検出方法）である。

この焦点検出方法は、広く知られた技術であるためここで詳述はしない。

図３における３３，３６，３９は図２で示すところの検出領域２３，２４の視野に対応する焦点検出系の構成要素である。３４，３７，４０は図２で示すところの検出領域２５，２６の視野に対応する焦点検出系の構成要素である。３３，３４はフィールドレンズ。３６，３７は２次結像レンズ、３９，４０は光電センサーである。

形状や作用は画面中心の焦点検出系３２，３５，３８と同様である。２次結像レンズ３６，３７は図４で示す形状であり、ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２で示す４ケのレンズ部からなる。

そして、それぞれのレンズは図５に示すセンサー上にマスク３１の十字型の開口形状５１，５２，５３，５４のように結像する作用を持つ。また図５に示すセンサーには対応する位置にラインセンサー５５，５６，５７，５８が設置されていて、撮影レンズ３によってマスク３１上に結像された被写体像が、２次結像レンズ３５により再結像し光量分布として検出される。

図２の検出領域２３、２４は、光軸以外の同一箇所の測距領域（検出領域）に対応しており、互いに異なる相関検出方向を持つ。検出領域２５，２６についても検出領域２３，２４と同様である。検出領域２３，２４（２５，２６）で得られる焦点情報は、撮影レンズ３の非点収差などの影響で相関演算を行う方向（相関検出方向）で検出されるピントズレ量（焦点情報）が異なる。検出領域２３，２５の焦点検出方向では撮影レンズ３の光軸を含む平面（メリジオナル平面）に垂直で光軸を含まない平面（サジタル平面）内の光束により決定するサジタル像面のピントを検出することになる。

一方、検出領域２４，２６では光軸を含む平面内の光束により決定するメリジオナル像面のピントを検出することになる。平易に説明すれば検出領域２３，２５は光軸を中心とする放射状の直線にピントをあわせ、検出領域２４，２６は光軸を中心とする同心円にピントをあわせる作用を有する。

撮影レンズ３のピント位置は、検出する方向により異なるためサジタル像面方向であるか、メリジオナル像面方向であるかにより異なるレンズ固有の補正値を持つことが望ましい。

本実施例では、撮影視野内の光軸以外の画面周辺の１つの検出領域であって、互いに直交する方向の検出領域（相関検出方向）２３，２４で同時に焦点検出を行っている。そして検出領域２３，２４で異なるピント位置（合焦信号）が検出された場合に補正演算手段で補正演算を行って、その結果に基づいて焦点調節手段４によって、合焦レンズを移動させて合焦動作を行っている。

ここで補正演算手段には、例えば焦点検出手段１３，マイクロコンピュータ１４，記憶手段１５等が含まれる。

以上のように本実施例では、撮影画面内の光軸以外の検出領域であって、同一検出領域の互いに異なる相関検出方向における焦点情報を検出している。

そして検出した互いに異なる相関検出方向における異なる焦点情報について、補正演算手段で各々補正演算を行っている。このとき、補正演算手段は、互いに異なる相関検出方向によって異なる補正値で補正している。

そして補正演算手段での演算結果より得た合焦信号に基づいて撮影レンズ３を構成する合焦レンズを駆動させて合焦動作を行っている。

従来は、同一箇所であって、互いに直交する２方向で異なる二つのピント検出結果がでた場合は、どちらかを優先させたピント検出結果を用いていた。

例えば被写体像のコントラストが強い方の検出結果からピント調整などを行う方式が行われていた。

これは同一箇所でのピントは一つに決まるものであるとの考え方があり、画面中心に関しては撮影レンズの誤差などを考慮しなければ正しいものとなる。近年、画面周辺部において同一箇所で検出方向の異なる焦点検出系が実用化されている。また近年、高いピント精度を有することの要求が高まっている。このため撮影レンズにおける画面周辺部の非点収差の影響が無視できなくなっている。

そこで本実施例では、互いに異なる相関検出方向において、被写体像のコントラストを検出するコントラスト検出手段をマイクロコンピュータ１４内に設けている。

そして補正演算手段は、コントラスト検出手段により検出された互いに異なる相関検出方向におけるコントラスト情報と、互いに異なる相関検出方向の焦点情報とを用いて補正している。

即ち本実施例では位相差方式の焦点検出系で検出される被写体像のコントラストが方向により違うことに着目している。そして２つの焦点検出結果に対して焦点検出センサー上の検出方向によるコントラストの比からより好ましい焦点調節を行うようにしている。

図２の検出領域２３で検出された横方向のピントズレ量（焦点情報）をDef２３、同図の検出領域２４の測距領域で検出されたピントズレ量（焦点情報）をDef２４とする。

そして、それぞれ対応する焦点検出センサーからの出力により計算された被写体像のコントラスト（コントラスト情報）をCon２３，Con２４とする。これらの値から総合ピントズレ量DEFを以下の式から計算している。

DEF＝（Def２３＊Con２３＋Def２４＊Con２４）／（Con２３＋Con２４） （式１）
この計算結果DEFに基づき焦点調節を行うことでより望ましいピント精度を得ている。

尚、本実施例において位相差方式のセンサーよりコントラストは、例えばラインセンサーの各位置（各センサー）の像情報を微分して総和をとるなどして求めても良い。

又、検出方向におけるラインセンサーの各センサーの出力の最大値と最小値の比もしくは差を用いて求めても良い。

コントラストは縦方向と横方向（相関検出方向）のラインセンサーの出力値の最大値と最小値を用いて求めてコントラストの良い方のデータを焦点検出用に用いるようにしても良い。

この他、コントラストの求め方として相関演算を行う焦点検出センサーの出力では無く
測光手段１７を２次元に多数分割された受光センサーで構成し被写体像のコントラストを検出するようにしても良い。

次に本実施例の焦点検出の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。

ステップ１０１のレリーズ動作により焦点検出を開始する。

ステップ１０２では撮影視野内の同一箇所に２つある焦点検出系により２つの焦点検出結果を得る。

ステップ１０３で焦点検出センサーの出力から被写体像の２方向のコントラスト（像ズレ情報）を得る。

ステップ１０４ではステップ１０２の焦点検出結果に対してレンズ固有の補正値を加味して２つのピントズレ量を演算する。レンズ固有の補正値は焦点検出方向により異なる値を用いても良い。

ステップ１０５ではステップ１０３で得られた被写体象のコントラストとステップ１０４で得られたピントズレ量から総合ピントズレ量を式１を用いてマイクロコンピュータ１４で求める。

ステップ１０６ではステップ１０５で演算されたピントズレ量に基づき撮影レンズのピント調節を行い合焦させる。

ステップ１０７で撮像素子１６への露光を行う、その際ミラー８、１２は撮影光軸から退出する。

本発明の実施例のカメラ主要部の概略図。 撮影画面内の焦点検出領域を示す図。 焦点検出系の腰部概略図 本発明に係る焦点検出系における２次結像レンズの説明図。 本発明の焦点検出系に用いる光電センサー及びその上に結像される検出領域を示す説明図。 本発明の焦点検出の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１ レンズ本体
２ カメラ本体
３ 撮影レンズ
５、１４ マイクロコンピュータ
６、１５ 記憶手段
１３ 焦点検出手段
１６ 撮像素子

Claims (7)

1. 撮影レンズの射出瞳の複数領域から射出する光束によって、該複数領域毎に各々被写体像を形成し、該複数の被写体像の相対的位置関係より該撮影レンズの焦点情報を該撮影レンズの撮影画面内の複数領域において求める焦点検出装置であって、
   該撮影画面内の光軸以外の検出領域であって、同一検出領域の互いに異なる相関検出方向における焦点情報を検出し、
   該検出した互いに異なる相関検出方向における異なる焦点情報について、各々補正演算を行う補正演算手段を有し、該補正演算手段での演算結果より得た合焦信号に基づいて合焦動作を行うことを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記補正演算手段は、前記互いに異なる相関検出方向によって異なる補正値で補正することを特徴とする請求項１の焦点検出装置。
3. 前記互いに異なる相関検出方向において、被写体像のコントラストを検出するコントラスト検出手段を有し、
   前記補正演算手段は、該コントラスト検出手段により検出された互いに異なる相関検出方向におけるコントラスト情報と、前記互いに異なる相関検出方向の焦点情報とを用いて補正することを特徴とする請求項１の焦点検出装置。
4. 前記互いに異なる相関検出方向は、前記撮影レンズの光軸を中心として放射状に伸びる方向と、その方向に直交する方向であることを特徴とする請求項１、２又は３の焦点検出装置。
5. 前記補正演算手段は、前記撮影レンズの非点収差情報に基づいて前記補正演算を行っていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の焦点検出装置。
6. 前記請求項１乃至５の何れか１項に記載の焦点検出装置を内蔵することを特徴とするカメラ本体。
7. 前記請求項１乃至５の何れか１項に記載の焦点検出装置を内蔵するカメラ本体と、該カメラ本体に着脱可能な撮影レンズとを有することを特徴とする撮像装置。