JP3571835B2 - 焦点検出装置及びそれを用いた光学機器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は写真用カメラやビデオカメラ、そして観察装置等に好適な焦点検出装置及びそれを用いた光学機器に関し、特に対物レンズ(撮影レンズ)の瞳を複数の領域に分割し、各領域を通過する光束を用いて複数の被写体像(物体像)に関する光量分布を形成し、これら複数の光量分布の相対的な位置関係を求めることにより、対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の広い領域にわたり2次元的又は連続的に複数の領域に対して検出する際に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より対物レンズを通過した光束を利用した受光型の焦点検出方式に所謂像ずれ方式(位相差検出方式)と呼ばれる方式がある。
【0003】
図16は従来の像ずれ方式を用いた焦点検出装置の光学系(光学機器)の概略図である。図中101は撮影を行うための対物レンズ(撮影レンズ)、102は半透過性の主ミラー、103は焦点板、104はペンタプリズム、105は接眼レンズ、106はサブミラー、107はフィルム(感光面)、108は焦点検出装置をそれぞれ示している。
【0004】
同図において、不図示の被写体からの光束は対物レンズ101を透過後、主ミラー102により上方に反射され、焦点板103上に被写体像を形成する。焦点板103上に形成された被写体像はペンタプリズム104による複数回の反射を経て接眼レンズ105を介して撮影者又は観察者によって視認される。
【0005】
一方、対物レンズ101から主ミラー102に到達した光束のうちの一部は主ミラー102の透過部を透過し、サブミラー106により下方に反射され焦点検出装置108に導かれる。
【0006】
図17は焦点検出の原理を説明するために図16における対物レンズ101と焦点検出装置108のみを取り出し、展開して示した説明図である。
【0007】
図17の焦点検出装置108内において、109は対物レンズ101の予定焦点面即ちフィル面107と共役な面付近に配置された視野マスク、110は同じく予定焦点面の付近に配置されたフィールドレンズ、111は2つのレンズ111−1,111−2からなる2次結像系、112は2つのレンズ111−1,111−2に対応してその後方に配置された2つのセンサ列112−1,112−2を含む光電変換素子、113は2つのレンズ111−1,111−2に対応して配置された2つの開口部113−1,113−2を有する絞り、114は分割された2つの領域114−1,114−2を含む対物レンズ101の射出瞳をそれぞれ示している。
【0008】
尚、フィールドレンズ110は、絞り113の開口部113−1,113−2を対物レンズ101の射出瞳114中の領域114−1,114−2の近傍に結像する作用を有しており、射出瞳114の各領域114−1,114−2を透過した光束115−1,115−2が2つのセンサ列112−1,112−2にそれぞれ被写体像に関する光量分布を形成するようになっている。
【0009】
図17に示す焦点検出装置は一般的に位相差検出方式(像ずれ方式)と呼ばれているもので、対物レンズ101の結像点が予定焦点面の前側、即ち対物レンズ101側にある場合には2つのセンサ列112−1,112−2上にそれぞれ形成される被写体像に関する光量分布が互いに近づいた状態となり、逆に対物レンズ101の結像点が予定焦点面の後側、即ち対物レンズ101と反対側にある場合には2つのセンサ列112−1,112−2上にそれぞれ形成される被写体像に関する光量分布が互いに離れた状態となる。
【0010】
しかも2つのセンサ列112−1,112−2上に形成される被写体像に関する光量分布のずれ量は対物レンズ101のディーフォーカス量即ち焦点はずれ量とある関数関係にあるのでそのずれ量を適当な演算手段で算出することにより、対物レンズ101の焦点はずれの方向と量を検出している。
【0011】
このような位相差検出方式の焦点検出装置において被写体の光電変換素子上に形成される2次像に歪曲収差が生じた際には、正確な焦点検出ができなくなってくる。これに対して特開昭61−15112号公報では焦点検出光学系に歪曲収差を許した際にも、この歪曲による悪影響を排除するための技術を開示している。又特開昭61−15112号公報では光電変換素子の受光面上に歪みに合わせたマスクを設ける方法が、又特願昭62−279835号ではこれを多点測距系に応用したものが提案されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
図16に示す従来の焦点検出装置を組み込んだ光学機器においては、焦点検出に必要な光束をサブミラー106を介して焦点検出装置108に導いている。このため、撮影範囲中の焦点検出が可能な領域の範囲はサブミラー106の大きさ(面積)によって規制されてしまう。サブミラー106は主ミラー102との配置関係から特に上方に拡張することが難しく、従ってフィルム107上の上方、即ち被写体側では下方方向に焦点検出可能な領域を拡大することができなかった。
【0013】
図16においてサブミラー106の面積を主ミラー102と干渉することなく大きくするためにはサブミラー106を後方に移動する方法が考えられる。しかしながらこの場合、サブミラー106を反射した後に形成される対物レンズ101の予定焦点面の位置が上方に移動するため、予定焦点面と焦点検出系108との距離が離れ、焦点検出装置108内のフィールドレンズ(図12のフィールドレンズ110)をかなり大きくする必要がある。これはカメラ底部に焦点検出系を配置する上で大きな障害となる。
【0014】
上方に移動した予定焦点面に対してフィールドレンズを大型化させないためには予定焦点面にあわせてフィールドレンズを上方に移動すればよいが、こうするとフィールドレンズが撮影光束を遮ってしまい、撮影の際にフィールドレンズを撮影光束外に退避する必要がある。これを実現するには機械的構造が非常に複雑になり、コストもかかる上、従来の焦点検出装置と同等の精度を維持することが困難となる。
【0015】
一方、従来の焦点検出装置に用いられている光電変換素子としては主にラインセンサを用いており、実質的に焦点検出が可能な領域は撮影範囲中の点又は線状のごく限られた領域に限られている。
【0016】
従来の焦点検出装置においても複数の焦点検出系を持ち、複数の領域で焦点検出を可能としたものもあるが、各焦点検出領域はそれぞれ孤立しており、各焦点検出領域の中間部にある被写体に対しては焦点をあわせることができなかった。
【0017】
又位相差検出方式の焦点検出装置において焦点検出光学系に生じる歪曲収差による悪影響を排除するために特開昭61−15112号公報や特願昭62−279835号公報等に開示されている2次像の歪に合致させて像をサンプリングする方法は、対物レンズが合焦状態にあるときにサンプリングされた2つの2次像の同一性は保証されている。
【0018】
しかしながら、非合焦状態にも横ズレした2つの2次像がサンプリングエリア内にあるとは限らなかった。
【0019】
即ち、ピントがあっていないときには2つの2次像が光電変換素子の開口方向だけに移動するとは限らないためにこの際の光電変換出力は物体上の異なる部分についてのものとなってくる。デフォーカスの検出誤差は像のズレる方向に直交しないコントラスト成分が多いほど大きく、総じて物体のコントラストの方向はランダムであることから、勿論その位相差に基づいて正確なデフォーカス量を求めることが難しくなってくる。
【0020】
本発明は、対物レンズ(撮影レンズ)の像面側に設ける焦点検出用の光学手段の各要素を適切に設定することにより焦点検出光学系に歪曲収差が存在していても撮影視野内の上下左右方向の任意の領域で又は/及び複数の領域で特に撮影範囲中の上方に焦点検出可能な領域を拡張すると共に、連続した2次元領域内の任意の点においても焦点検出を高精度に行うことができる焦点検出装置及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の焦点検出装置は、
(1−1)対物レンズの像面側に設けた光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の素子より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影視野内の1つ又は複数の領域において求める際、該光学手段は該対物レンズからの光束を反射させて所定面上に被写体像を形成する集光性の反射鏡Mと、該所定面上に形成された被写体像を該光電変換素子面上に再結像する1対のレンズを少なくとも1つ有する2次結像系、そして該2次結像系に入射する光束を制限する1対の開口を少なくとも1つ有する絞りを有し、該絞りの1対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Mによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって対物レンズのデフォーカスに伴う2次像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としたことを特徴としている。
【0022】
特に、
(1−1−1)前記反射鏡Mは、2次曲線を軸回りに回転してできる曲面の一部から成ること。
【0023】
(1−1−2)前記反射面Mは、前記2次曲線を軸回りに回転してできる曲面の当該回転軸および頂点を含まない領域から成ること。
【0024】
(1−1−3)前記反射鏡Mは、楕円を軸回りに回転してできる回転楕円面であること。
【0025】
(1−1−4)前記回転楕円面の2つの焦点のうちの一方は、前記対物レンズの光軸に沿って当該回転楕円面に入射する光線上またはその延長上の近傍に、他方は当該回転楕円面により反射された光線上またはその延長上の近傍にあること。
【0026】
(1−1−5)前記反射鏡Mと前記光電変換素子の間には、少なくとも1つの反射鏡Maが存在すること。
【0027】
(1−1−6)前記光電変換素子は2次元配列のエリアセンサであること。
【0028】
(1−1−7)前記2次結像系は2つ1組のレンズを少なくとも1つ有し、前記対物レンズの異なる瞳の領域を透過する光束から被写体像に関する少なくとも2つの光量分布を前記光電変換素子上に形成し、これら2つの光量分布の相対的な位置の変化から前記対物レンズの焦点状態を検出すること。
【0029】
(1−1−8)前記反射鏡M及び/または前記反射鏡Maは、その反射領域を規制する規制手段を有すること。
【0030】
(1−1−9)前記光電変換素子は前記2次結像系の2つ1組のレンズにより形成される2つの被写体像の前記相対的な位置の変化を検出する方向と垂直方向のずれを補正するための遮光手段を有すること。
【0031】
(1−1−10)前記反射鏡Mは前記対物レンズの光軸に対して傾いており、該傾いた平面内において前記2次結像系の2つのレンズは、その光軸方向の頂点位置が異なっていること。
【0032】
(1−1−11)前記光電変換素子の面に対する法線が光軸に対して傾いていること。
【0033】
(1−1−12)前記2次結像系の入射瞳と前記対物レンズの瞳とは略共役関係となっており、前記反射鏡Mは該入射瞳位置と該対物レンズの瞳位置を各々焦点とする回転楕円鏡より成っていること。
【0034】
(1−1−13)前記回転楕円鏡は前記対物レンズによって形成される被写体像を前記所定面上に縮小結像させていること。
等、を特徴としている。
【0035】
(1−2)対物レンズの像面側に配置した光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係をエリアセンサーより成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの出力信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の複数の領域に対して求める際、該光学手段は該対物レンズの予定結像面よりも物体側に該対物レンズの光軸に対して偏心させた集光性の楕円面鏡より成る反射鏡Mにより所定面上に被写体像を形成し、該所定面上に形成した被写体像を反射鏡Maで反射させて1対の開口を少なくとも1つ有する絞りを介して1対のレンズを少なくとも1つ有する2次結像系により該光電変換素子に再結像させると共に該楕円面鏡が該対物レンズの瞳位置と該2次結像系の入射瞳位置に各々焦点が位置するように構成し、該絞りの1対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Mによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって前記対物レンズのデフォーカスに伴う2次結像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としていることを特徴としている。
【0036】
本発明の光学機器は、構成要件(1−1)又は(1−2)の焦点検出装置を用いて撮像手段面上に被写体像を形成していることを特徴としている。
【0037】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の焦点検出装置をカメラ等の光学機器に適用したときの実施形態1の要部概略図、図2は図1の焦点検出装置を構成する主要部分の要部概略図である。
【0038】
図中101は対物レンズ、1は対物レンズ101の光軸、2はフィルム(撮像面)、3は対物レンズ101の光軸1上に配置された半透過性の主ミラー、103は焦点板であり、対物レンズ101による被写体像が主ミラー3を介して結像している。104はペンタプリズム、105は接眼レンズであり、焦点板103上の被写体像を観察している。
【0039】
4は対物レンズ101の像面側に光軸1上に対して斜めに配置された第1の反射鏡であり、集光性の凹面鏡や楕円面鏡等から成っている。5は第1の反射鏡4によるフィルム2に共役な近軸的結像面で被写体像が結像している。6は第2の反射鏡、7は赤外カットフィルター、8は2つの開口8−1,8−2を有する絞り、9は絞り8の2つの開口8−1,8−2に対応して配置された2つのレンズ9−1,9−2を有する2次結像系、10は第3の反射鏡、11は2つのエリアセンサ11−1,11−2を有する光電変換素子(受光手段)をそれぞれ示している。第1の反射鏡4,第2の反射鏡6,そして2次結像系9等は光学手段の一要素を構成している。
【0040】
本実施形態における第1の反射鏡4は集光性の曲率を有し、絞り8の2つの開口8−1,8−2を対物レンズ101の射出瞳101a付近に投影するようにしている。
【0041】
また第1の反射鏡4は必要な領域のみが光を反射するようにアルミや銀等の金属膜が蒸着されていて、焦点検出を行う範囲を制限する視野マスク(規制手段)の働きを兼ねている。他の反射鏡6,10においても光電変換素子11上に入射する迷光を減少させるため、必要最低限の領域のみが光反射用として蒸着されている。各反射鏡は反射面として機能しない領域に光吸収性の塗料等を塗布したり、遮光部材を近接して設ける等の規制手段を施すようにしている。
【0042】
図3は図1の絞り8の平面図である。絞り8は横長の2つの開口8−1,8−2を開口幅の狭い方向(撮影範囲の上下方向)に並べた構成となっている。図中点線で示されているのは、絞り8の開口8−1,8−2に対応して、その後方に配置されている前記2次結像系9の各レンズ9−1,9−2である。
【0043】
図4は光電変換素子11の平面図であり、図1で示した2つのエリアセンサ11−1,11−2はこの図に示すように2次元的に複数の画素を配列した2つのエリアセンサ11−1,11−2を並べたものである。
【0044】
以上の構成において、図1の撮影レンズ101からの2つの光束12−1,12−2は主ミラー3を透過後、第1の反射鏡4により、ほぼ主ミラー3の傾きに沿った方向に反射され、近軸的結像面5に被写体像を形成している。このとき第1の反射鏡4は近軸的結像面5上に撮像面2に形成される被写体像を微小結像するようにしている。近軸的結像面5に形成した被写体像からの光束は第2の反射鏡6により反射して再び方向を変えた後、赤外カットフィルター7、絞り8の2つの開口8−1,8−2を経て、2次結像系9の各レンズ9−1,9−2により集光され、第3の反射鏡10を介して光電変換素子11のエリアセンサ11−1,11−2上にそれぞれ到達する。
【0045】
図中の光束12−1,12−2はフィルム2の中央に結像する光束を示したものであるが、他の位置に結像する光束についても同様の経路を経て、光電変換素子11に達し、全体として、フィルム(撮影範囲中)2上の所定の2次元領域に対応する光電変換素子11の各エリアセンサ11−1,11−2上に被写体像に関する2つの光量分布が形成される。
【0046】
本実施形態において、第1の反射鏡4は、2次曲線を軸回りに回転してできる曲面の一部で構成されていて、特に回転楕円面が好適に用いられる。図2においては、第1の反射鏡4の表面形状は点20を頂点とする楕円21を軸22の回りに回転してできる回転楕円面の一部からなり、その焦点は第2の反射鏡6による絞り8の中心の像位置23付近と、主ミラー3透過後の光軸24の延長上の点(付図示)の付近に設定されている。そして、光軸24の延長上の点が対物レンズ101の射出瞳位置(種々の対物レンズが交換して用いられる場合にはそれらの平均的な射出瞳置)の付近にあるようにして対物レンズ101の射出瞳位置と2次結像系9の入射位置がほぼ結像されるようにしている。
【0047】
これにより、第1の反射鏡4が理想的なフィールドレンズとしての機能を果たすようにしている。図2から明らかなように、第1の反射鏡4として光学的に使用しているのは回転楕円面の回転軸及び頂点を含まない領域である。
【0048】
本実施形態の回転楕円面4の具体的な形状は図2の座標軸に対して、
【0049】
【数1】
r=−38.5 k=−0.37
で表わせる。通常のカメラ(光学機器)と対物レンズ(撮影レンズ)を想定した場合、rとkの範囲は
−20≦r≦−50 −1≦k≦−0.2
程度が好ましい。
【0050】
また本実施形態においては2次結像系9の入射側の面(第1面)9aを凹面形状とすることで、2次結像系9に入射する光が無理に屈折されることがないようなレンズ構成とし、光電変換素子11上の2次元領域の広い範囲にわたって良好で一様な結像性能を確保している。
【0051】
このようにして得られた被写体像に関する2つの光量分布に対して、従来の像ずれ方式の焦点検出方法として説明したと同様の原理に基づき、分離方向即ち図4に示す2つのエリアセンサ11−1,11−2の上下方向の相対的位置関係をエリアセンサ11−1,11−2の任意の複数の素子より成る各位置で算出することで対物レンズ101の焦点状態を2次元的に撮影範囲中の任意の領域で検出している。尚、第1の反射鏡4は、撮影に際し、主ミラー3と同様に撮影光路外に退避させている。
【0052】
ここで注意すべきことは、第1の反射鏡4の結像に伴う近軸結像面5及び光電変換素子11上における被写体像の歪みである。前述した通り、第1の反射鏡4は絞り8の2つの開口8−1,8−2を対物レンズ101の射出瞳101a付近に投影する収束性のパワーを有し、光軸1に対し傾いて設けられているため、その結像面5において非対称性の大きな歪曲収差が発生する。
【0053】
図5は対物レンズ101によりフィルム2上に矩形の格子図形が結像された場合に、本実施形態の第1の反射鏡4により同格子図形が図2における結像面5上にどのように歪んで結像されるかを示した平面図であり、上方が図2の主ミラー3側である。
【0054】
本実施形態においては、こうした像の歪みの発生を極力抑えるために、第1の反射鏡4の光軸24との交点における法線と光軸24のなす角をできるだけ小さくし、反射された光束がほぼ主ミラー3に沿う方向、即ちできるだけ前方に反射されるように構成されている。従って、光軸に沿って入射する光線とその反射光線の成す角は鋭角である。第2の反射鏡6は、前方に反射された光束を2次結像系9に導くために設けられたものである。
【0055】
図5に示すように、フィルム2上で矩形状に形成される図形は第1の反射鏡4により、その結像面5上においては上方が狭く、下方が広い扇形状に結像される。この状態のまま2次結像系9により光電変換素子11上に再結像すると、光電変換素子11上においても歪んだ像が形成されることになる。
【0056】
図6はその状態を示した光電変換素子11の平面図であり、エリアセンサ11−1,11−2に対して矩形が像13−1,13−2に示すように歪んだ像として形成される。
【0057】
エリアセンサは図6のエリアセンサ11−1,11−2として示すように、矩形の画素を縦横に規則正しく並べて構成した一般的なものであり、外形も通常矩形状で良い。これに対し、同図に示すような歪んだ像13−1,13−2が形成されるということは、矩形の2つのエリアセンサ11−1,11−2のフィルム2上への逆投影像が逆に歪んだ形状となり、焦点検出を行う視野が周辺部において傾くことを意味する。
【0058】
しかし、2つのエリアセンサ11−1,11−2上に形成される2つの被写体像がエリアセンサ11−1,11−2に対して同じように歪んでいれば、2つの被写体像の相対的な位置を検出する上では、視野が傾いていること自体は何ら障害にはならない。相対的な位置を検出するエリアセンサ11の列方向(相関方向)の2つの被写体像のずれに関しては、例えば特開昭62−173412号公報に開示されているものと同様な方法により光電変換素子からの出力を演算処理し、補正することが可能であるので、エリアセンサ11の列方向(相関方向)と垂直な方向の2つの被写体像のずれがなければ焦点検出は良好に行なえる。
【0059】
本実施形態においても2つのエリアセンサ11−1,11−2上に形成される2つの被写体像の個々は大きな歪曲を示すが、その歪みのエリアセンサ11の列方向(相関方向)と垂直方向の差は十分小さいものである。
【0060】
同方向の差が残存し、焦点検出精度に影響する場合には、特開昭61−15112号公報に開示されているごとく、各センサ列に沿って歪みの差に相当する湾曲した遮光部材、例えばアルミ等のマスクをセンサ受光面に設けることにより、精度を向上させることができる。
【0061】
また、2つの被写体像の歪みの差を補正する方法として各像の結像倍率を調整することも可能である。具体的には図2において2次結像レンズ9の2つのレンズ9−1,9−2の射出側面の光軸に沿った頂点位置(レンズ面頂点位置)を異なるように設定するか、2次結像レンズ9全体を光軸に対して傾けて設定し、2つのレンズ9−1,9−2の結像倍率を変化させればよい。また光電変換素子11を光軸に対して垂直に設けず、傾けることによっても2つの被写体像の倍率及び歪みの調整が行なえる。
【0062】
次に本実施形態において光電変換素子のうち複数の素子より成る所定領域を対物レンズの予定結像面に逆投影したときに対物レンズ101の光軸1と反射鏡4による光束の偏向後の光軸とで形成される平面から離れた位置においては該平面に対して非平行となるようにしたことの特徴とについて説明する。
【0063】
本発明に係る焦点検出装置を有した光学機器に対して光電変換素子11上に図7に示すような2次像の歪曲に沿った配列のエリアセンサ500−1,500−2を設け、例えば斜線で示したセンサ列の領域501,502を部分開口としてここに投影される2次像の位置関係を光電変換素子11からの出力を用いて相対的に比較すれば、対物レンズ101の合焦非合焦の判別は可能である。
【0064】
しかしながら、この焦点検出装置において対物レンズ101のデフォーカスによる2次像の移動方向が領域501,502に沿わなければデフォーカス量の正確な検出はできない。
【0065】
図8は2次像の移動方向を説明するために位相差検出方式の焦点検出装置全体の役割を一般的に示した要部ブロック図である。
【0066】
同図において510は物体、511は対物レンズ、514は焦点検出光学系、515は光電変換素子である。焦点検出光学系514にはフィールドレンズとかフィールドミラーといった光学素子から成る瞳投影光学系512と、1対の結像レンズ等で構成される再結像光学系(2次結像系)513が含まれている。
【0067】
516は光電変換素子515からの出力を処理するマイクロプロセッシングユニットである。ここで光電変換素子515に投影される物体510の2次像に歪が生じる要因は瞳投影光学系512と再結像光学系513にある。詳細にはこれらの光学系について別個に光線トレースを行うことによって歪曲についてのそれぞれの性質を求めている。
【0068】
仮に2次像の歪が再結像光学系に起因している場合について、対物レンズのデフォーカスに伴う2次像の移動を1次像面に置き換えて考えれば1次像面においては再結像光学系の絞り開口の並び方向に正確に移動している物体像が再結像光学系によって歪めて光電変換素子上に投影されていると理解でき、2次像の移動は歪に沿った方向となることがわかる。逆に瞳投影光学系に起因している場合には、1次像面上にすでに歪んだ像があって、これを視差を持った再結像光学系が歪みなく光電変換素子上に投影していると理解できるため、対物レンズのデフォーカスに伴う2次像の移動方向は再結像光学系の絞り開口の並び方向となることが判る。
【0069】
なお、2次像に歪を有している個々の焦点検出光学系において、歪の主要因を簡単に知るには次のように考えてもよい。まず、光電変換素子の受光面上の格子を仮定し、これを再結像光学系だけを通して対物レンズ方向に逆投影する。するとここには瞳投影光学系の影響を受けていない格子の像が現われる。仮に受光面上の格子を2次像をサンプリングするための開口とすれば、その像は再結像光学系にとって物体側の画像をサンプリングするための等価な開口である。
【0070】
もしこの格子が歪を生じて逆投影されたならば、物体の2次像に生じた歪の要因は少なくとも再結像光学系にあり、逆に、格子が歪みなく逆投影されたならば物体の2次像に生じた歪みの要因は瞳投影光学系のみにある。
【0071】
さて、図7に戻ってこの焦点検出光学系による歪曲の主要因を考える。まず、簡単な光学的考察よりこの内の再結像光学系のみを通して逆投影した光電変換素子上の格子はかなり歪みが少ないことが判る。したがって、2次像に生じる歪みの要因は瞳投影光学系にあり、図1に示した反射鏡4の結像面の歪がそのまま光電変換素子上に投影されていると言える。この結果、2次像の移動方向は図9に示す矢印の方向となる。矢印に沿ってセンサ列を設定すればこれをもって2次像の相対的位置関係を比較し、対物レンズのデフォーカス量を正確に求めることが可能である。
【0072】
また言い替えれば、この2次像に歪みを有している焦点検出光学系にあって、この主要因が瞳投影光学系である場合に、測距視野即ちセンサ列の予定結像面上への投影像を歪ませて配置することで正確なデフォーカス量の検出が可能となる。
【0073】
図10は対物レンズの近軸結像面5における測距視野、図11は物体像を正立正像として観察可能なファインダー光学系を通して見たときの測距視野をそれぞれ示したものである。図において522はファインダー視野、520,521は全測距視野を表し、このうちの例えば斜線を付した測距視野524,525について相当する光電変換素子の出力を処理し、この位置での対物レンズの結像状態を歪ませることにより、光電変換素子上では対物レンズのデフォーカスに伴う2次像の移動方向に各センサ列を配列できることになる。
【0074】
より詳しくは図10に線523で示した対物レンズの光軸と反射鏡による偏向後の光軸とで形成される平面と、測距視野との位置関係として平面523の付近ではほぼこれに平行に測距視野を配置し、平面523から離れるに従ってこの平面との傾きを大きくしている。また傾斜の方向は本実施形態のように反射鏡が対物レンズの光軸を下向きに偏向する際、図10に示したフィルム面上において上に向いて開く扇型状である。
【0075】
図4は以上の各事項を考慮した光電変換素子を示している。
【0076】
以上の実施形態は図4に示すように光電変換素子11上に被写体像に関する2つの光量分布を上下に形成しその上下方向のずれを検出するものであった。このような構成の焦点検出装置においては横線のような縦方向に濃淡のある被写体に対してのみ焦点検出が可能であり、縦線のような横方向に濃淡のある被写体に対しては焦点検出ができない。
【0077】
図12はこの点を改善した本発明の実施形態2の要部概略図である。本実施形態は図2の実施形態1に比べて2つのレンズ9−1,9−2からなる2次結像系9にこれと直交する方向に2つのレンズ9−3,9−4の2つのレンズを新たに配置し、それに対応した絞り8に、新たに開口8−3、8−4と光電変換素子11上にも、それに対応したエリアセンサ11−3,11−4を設けたことが異なっており、その他の構成は同じである。
【0078】
尚図12においては煩雑さをさけるため図2で示した絞り8の開口8−1,8−2と光電変換素子11のエリアセンサ11−1,11−2及び光束12−1,12−2等は省略している。
【0079】
図13は本実施形態2における絞り8の開口形状を示したものである。図中8−3,8−4が新たに付け加えられた開口であり、9−3,9−4はそれに対応してその後方に配置されてた2次結像系9を構成する2つのレンズである。
【0080】
本実施形態では図13の絞り8の開口8−3,8−4は同開口8−1,8−2に比べ対物レンズ101の瞳の周辺の領域の光を取り入れるように、より外側に配置されている。このような構成とすることで焦点検出の際のいわゆる基線長を長くするようにしている。
【0081】
本実施形態で新たに付け加えられた絞り8の開口8−3,8−4による焦点検出系は、明るいFナンバーの対物レンズに対しては焦点検出精度を高めることが可能となる。勿論絞り8の開口8−3,8−4が配置される中心からの位置を同開口8−1,8−2と同一とし、焦点検出精度は同等であるが縦横のどちらか一方にのみ濃淡分布がある被写体に対して対物レンズの明るさに関係なく常に焦点検出を可能とする様に構成することも可能である。
【0082】
図14は2次結像レンズ9−3,9−4によって光量分布が形成される光電変換素子11上のエリアセンサ11−3,11−4を示したものである。また、図15は図6と同様の、光電変換素子11上の格子図形の投影像を示したものである。
【0083】
図14や図15からわかるように本実施形態では左右方向に被写体像の位相差を検出するエリアセンサ11−3,11−4に対応する視野領域は、上下方向に被写体像の位相差を検出するエリアセンサ11−1,11−2に対応する視野領域に対して小さく設定している。これは次のような理由による。
【0084】
即ち、本実施形態においては図15の矩形像22−1,22−2の歪みもしくはその差と矩形像22−3,22−4の歪みもしくはその差を同時に小さくすることが必要であるが、2つの被写体像の差が特に問題となる方向が直交しているために、これを両立されることは必ずしも容易ではない。両者の被写体像を形成する光束が第1の反射鏡、第2の反射鏡において共通した領域で反射しているため、これらの反射鏡の形状を工夫することで対応することも困難である。こうした情況において、2組の被写体像のうち一方の位相差を検出する方向を短く設定することは非常に有効である。
【0085】
また、このような構成により、光電変換素子11が極端に大きくなるのを避けることができ、限られたカメラ内の空間にも容易に焦点検出装置を配置することが可能となる。さらに焦点検出を2次元の任意の領域で行うためには従来の焦点検出装置に比べ膨大な演算処理が必要であり、センサの画素を必要最小限にすることは迅速な焦点検出を行う上でも有利である。
【0086】
これまでは位相差検出方式の焦点検出装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、2次結像を行なう他の方式の焦点検出装置、例えば被写体像の鮮鋭度から焦点状態を検出する装置に対しても有効である。一方、本発明は焦点検出可能な領域を2次元の連続した領域に拡張する際に好適に用いられるものであるが、1次元のラインセンサを用いた従来の焦点検出装置を複数配置する様な場合に適用しても、焦点検出位置をより周辺に設定することができる。
【0087】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、対物レンズ(撮影レンズ)の像面側に設ける焦点検出用の光学手段の各要素を適切に設定することにより焦点検出光学系に歪曲収差が存在していても撮影視野内の上下左右方向の任意の領域で又は/及び複数の領域で特に撮影範囲中の上方に焦点検出可能な領域を拡張すると共に、連続した2次元領域内の任意の点においても焦点検出を高精度に行うことができる焦点検出装置及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【0088】
この他、本発明によれば、焦点検出精度を維持しつつ、焦点検出が可能な領域を飛躍的に拡大することができる。また焦点検出が連続した2次元的領域に拡張され、所望とする任意の位置の被写体に焦点を合わせることが容易にでき、撮影又は観察をする際の構図の設定の自由度が増大する等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の要部概略図
【図2】図1の焦点検出装置の一部分の拡大説明図
【図3】図1の絞り及び2次結像系を示す説明図
【図4】図1の光電変換素子を示す説明図
【図5】図1の結像面上での像の歪みを示す説明図
【図6】図1の光電変換素子上での像の歪みを示す説明図
【図7】2次像の歪に沿ってセンサ列を配置したエリアセンサの平面図
【図8】焦点検出光学系の概略構成を示す説明図
【図9】2次像の移動方向を示す平面図
【図10】フィルム面上での測距視野の配置を示す図
【図11】ファインダー視野内での測距視野の配置を示す図
【図12】本発明の実施形態2の焦点検出装置の一部分の拡大説明図
【図13】本発明の実施形態2の絞り及び2次結像系を示す説明図
【図14】本発明の実施形態2の光電変換素子を示す説明図
【図15】本発明の実施形態2の光電変換素子上の像を示す説明図
【図16】従来の焦点検出装置を有するカメラを示す概略図
【図17】従来の焦点検出装置を示す概略図
【符号の説明】
1 対物レンズの光軸
2 フィルム
3 主ミラー
4 第1の反射鏡
5 結像面
6 第2の反射鏡
7 赤外カットフィルター
8 絞り
9 2次結像系
10 第3の反射鏡
11 光電変換素子
12 光束
13 光電変換素子上の像
22 光電変換素子上の像
24 対物レンズの光軸
101 対物レンズ
102 主ミラー
103 焦点板
104 ペンタプリズム
105 接眼レンズ
106 サブミラー
107 フィルム
108 焦点検出装置
109 視野マスク
110 フィールドレンズ
111 2次結像系
112 光電変換素子
113 絞り
114 対物レンズの射出瞳
115 光束
Claims (16)
- 対物レンズの像面側に設けた光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の素子より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影視野内の1つ又は複数の領域において求める際、該光学手段は該対物レンズからの光束を反射させて所定面上に被写体像を形成する集光性の反射鏡Mと、該所定面上に形成された被写体像を該光電変換素子面上に再結像する1対のレンズを少なくとも1つ有する2次結像系、そして該2次結像系に入射する光束を制限する1対の開口を少なくとも1つ有する絞りを有し、該絞りの1対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Mによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって対物レンズのデフォーカスに伴う2次像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としたことを特徴とする焦点検出装置。
- 前記反射鏡Mは、2次曲線を軸回りに回転してできる曲面の一部から成ることを特徴とする請求項1の焦点検出装置。
- 前記反射面Mは、前記2次曲線を軸回りに回転してできる曲面の当該回転軸および頂点を含まない領域から成ることを特徴とする請求項2の焦点検出装置。
- 前記反射鏡Mは、楕円を軸回りに回転してできる回転楕円面であることを特徴とする請求項2又は3の焦点検出装置。
- 前記回転楕円面の2つの焦点のうちの一方は、前記対物レンズの光軸に沿って当該回転楕円面に入射する光線上またはその延長上の近傍に、他方は当該回転楕円面により反射された光線上またはその延長上の近傍にあることを特徴とする請求項4の焦点検出装置。
- 前記反射鏡Mと前記光電変換素子の間には、少なくとも1つの反射鏡Maが存在することを特徴とする請求項1の焦点検出装置。
- 前記光電変換素子は2次元配列のエリアセンサであることを特徴とする請求項1の焦点検出装置。
- 前記2次結像系は2つ1組のレンズを少なくとも1つ有し、前記対物レンズの異なる瞳の領域を透過する光束から被写体像に関する少なくとも2つの光量分布を前記光電変換素子上に形成し、これら2つの光量分布の相対的な位置の変化から前記対物レンズの焦点状態を検出することを特徴とする請求項1の焦点検出装置。
- 前記反射鏡M及び/または前記反射鏡Maは、その反射領域を規制する規制手段を有することを特徴とする請求項6の焦点検出装置。
- 前記光電変換素子は前記2次結像系の2つ1組のレンズにより形成される2つの被写体像の前記相対的な位置の変化を検出する方向と垂直方向のずれを補正するための遮光手段を有することを特徴とする請求項8の焦点検出装置。
- 前記反射鏡Mは前記対物レンズの光軸に対して傾いており、該傾いた平面内において前記2次結像系の2つのレンズは、その光軸方向の頂点位置が異なっていることを特徴とする請求項8の焦点検出装置。
- 前記光電変換素子の面に対する法線が光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項8の焦点検出装置。
- 前記2次結像系の入射瞳と前記対物レンズの瞳とは略共役関係となっており、前記反射鏡Mは該入射瞳位置と該対物レンズの瞳位置を各々焦点とする回転楕円鏡より成っていることを特徴とする請求項1の焦点検出装置。
- 前記回転楕円鏡は前記対物レンズによって形成される被写体像を前記所定面上に縮小結像させていることを特徴とする請求項13の焦点検出装置。
- 対物レンズの像面側に配置した光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係をエリアセンサーより成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの出力信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の複数の領域に対して求める際、該光学手段は該対物レンズの予定結像面よりも物体側に該対物レンズの光軸に対して偏心させた集光性の楕円面鏡より成る反射鏡Mにより所定面上に被写体像を形成し、該所定面上に形成した被写体像を反射鏡Maで反射させて1対の開口を少なくとも1つ有する絞りを介して1対のレンズを少なくとも1つ有する2次結像系により該光電変換素子に再結像させると共に該楕円面鏡が該対物レンズの瞳位置と該2次結像系の入射瞳位置に各々焦点が位置するように構成し、該絞りの1対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Mによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって前記対物レンズのデフォーカスに伴う2次結像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としていることを特徴とする焦点検出装置。
- 請求項1〜15の何れか1項記載の焦点検出装置からの信号を用いて対物レンズを構成する合焦レンズを駆動させて合焦を行い撮像手段面上に被写体像を形成していることを特徴とする光学機器。
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