JP4323592B2 - 焦点検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銀塩フィルムを使う一眼レフレックスカメラや、一眼レフレックス電子カメラあるいはビデオカメラなどに使用できる焦点検出装置、特に対物レンズの焦点調整状態を所謂像ずれ方式を用いて検出する光学機器に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、多くの写真用カメラあるいはビデオカメラは自動焦点調節のための焦点検出装置を内蔵している。またその測距範囲もファインダー中央のみならず、中央から左右方向や上下方向に距離が離れたところにも設定したものが実現されている。
【０００３】
これは複数の焦点検出系を配置する事によって実現されている。特に一眼レフカメラのように厳しいピント精度が要求される焦点検出装置においては、対物レンズによる結像光束を一組の再結像レンズへ導き、これら再結像レンズにより形成された被写体像に関する複数の光量分布を光電変換素子の受光素子列（画素列）で受け、両光量分布の間隔から対物レンズの焦点調節状態を検出する装置が一般的に用いられている。
【０００４】
しかしながらこの方法では焦点を検出するためには原理的に光電変換素子の画素列に垂直な方向にパターンを有する被写体の光量分布が必要で、場合によっては受光素子列に光量分布が生じないために焦点検出が出来ない欠点を有していた。
【０００５】
これを解決するために、画素列を直交させるような二組の受光素子列を配置して、被写体の光量分布の方向によらずに焦点検出を可能とする焦点検出装置が提案され実用化されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
焦点検出を被写体像の光量分布の方向によらない多様な被写体に対して可能としたり、また焦点検出領域を撮影範囲の中央のみならず上下左右離れたところにも設定しようとすると、焦点検出系を多数設置しなければならず、焦点検出装置の大型化を招き、特に光電変換素子列を形成するセンサーチップの大きさはコストの増大といった問題を引き起こす。
【０００７】
また焦点検出系を複数設置すれば、センサーチップ上にできる再結像レンズによる被写体像は焦点検出に必要なものだけでなく、再結像レンズの数と焦点検出領域の数の積だけ生じることになり、不要光による焦点検出精度の低下や、不要光を排除するための装置の大型化といった問題を引き起こす。
【０００８】
本発明においては上記の点に鑑み、複数の焦点検出領域を有し、多様な被写体の焦点検出を可能としながらも、小型で簡易な構成の焦点検出装置の提供を目的としている。
【０００９】
本発明の目的を達成するために、本発明の焦点検出装置においては、再結像レンズを複数の焦点検出領域で共有するとともに、方向の異なる光電変換素子の画素列を適当に配置することによって、小型で簡易な構成の焦点検出装置の提供を可能としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の焦点検出装置は、対物レンズの予定結像面近傍で焦点検出領域に対応した位置に配置されたフィールドレンズと、該焦点検出領域からの光束を受け、前記対物レンズの焦点調節状態に応じて相対位置の変化する被写体像に関する複数の光量分布を形成するための、一対を単位とする再結像レンズと、該再結像レンズで形成した該光量分布を検出するための受光手段とを有する焦点検出装置において、該焦点検出領域は直交する第１、第２の焦点検出領域と、該第１の焦点検出領域に平行でかつ離れた場所に位置する第３の焦点検出領域を持ち、該フィールドレンズは、該第１、第２の焦点検出領域に対応した共通の第１のフィールドレンズ部と、第３の焦点検出領域に対応した第２のフィールドレンズ部を具備し、該再結像レンズは、該第１、第３の焦点検出領域からの光束を受ける第１の再結像レンズと、第２の焦点検出領域からの光束を受ける第２の再結像レンズとを有し、該第１の再結像レンズは対物レンズ側に平面または弱い屈折力を有する曲面と、前記受光手段側に強い凸の屈折力の曲面を有し、該再結像レンズの対物レンズ側に絞りを有し、該受光手段は第１、第２、第３の焦点検出領域の各々に対応した１対の受光素子列を有しており、該第２のフィールドレンズ部は、その光軸が、該第１のフィールドレンズ部の光軸を挟んで反対側に位置するように偏心して配置されており、該第２のフィールドレンズ部の焦点距離は該第１のフィールドレンズ部の焦点距離よりも長いことを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記第１の再結像レンズの前記受光手段側のレンズ面の曲率半径をｒ、前記絞りと該受光手段側のレンズ面との距離をｄとしたとき
０．５＜ｄ／ｒ＜０．９
なる関係を満足することを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明は請求項１の発明において、前記第３の焦点検出領域の一方向が、前記第１の焦点検出領域の一方向に比して短いことを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明は請求項１の発明において、前記第２の焦点検出領域に対応する前記一対の受光素子列の受光素子列間の間隔が、前記第１の焦点検出領域に対応する一対の受光素子列の受光素子列間の間隔よりも広いことを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明の光学機器は、対物レンズと、該対物レンズの合焦状態を検出可能な請求項１〜４の何れか１項記載の焦点検出装置とを有することを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を一眼レフレックスカメラに適用した実施形態の構成図である。図１において、２１は脱着可能または固定の対物レンズ、８は対物レンズ１の瞳、１は対物レンズ１の光軸である。光軸1 にそって入射する光束は半透過部を備えるクイックリターンミラー２２に達し、二つの光束に分割される。反射される光軸にそってフォーカシングスクリーン２３、ペンタプリズム２４、接眼レンズ２５が配置され、ファインダー像の視認のためファインダー系を構成する。
【００２４】
一方クイックリターンミラー２２を透過する光軸にそって、可動なサブミラー２６、ついで図中２乃至７の各要素で示される焦点検出系が配置され、焦点検出系の出力にもとづき、図示されていない駆動機構によって対物レンズ２１の焦点状態が調節される。
【００２５】
図２は図１の焦点検出系を反射ミラー４を省略して展開した形で図示したものである。図３〜図７は図２の一部分の説明図である。次に図２乃至図７を使って本発明の焦点検出装置の構成を説明する。２は対物レンズの焦点面近傍におかれる視野マスクである。
【００２６】
図３は正面から、視野マスク２を見たときの図であり、４列の開口を持ち、横手方向に長い3 つの焦点検出領域２ａ１，２ｂ１，２ｂ２と、中心部には焦点検出領域２ａ１に垂直な方向に長い焦点検出領域２ａ２を備えている。
【００２７】
ここで焦点検出領域２ａ１は第1 の焦点検出領域、焦点検出領域２ａ２は第２の焦点検出領域、焦点検出領域２ｂ１，２ｂ２は第3 の焦点検出領域を形成している。
【００２８】
焦点検出領域２ａ１，２ｂ１，２ｂ２の視野の長手方向は、図２の紙面垂直方向に長く、紙面上下方向に３つの開口部が並んで配置されている。焦点検出領域２ｂ１，２ｂ２の長さは焦点検出領域２−ａ１の長さよりも短い。
【００２９】
３は三分割されたフィールドレンズで、視野マスク２の近傍に、対物レンズ２１の焦点面から少し離れて配置されている。
【００３０】
図４はフィールドレンズ３を正面から見た図である。フィールドレンズ３は焦点距離の異なる第1 のフィールドレンズ３−ａ，および第2 のフィールドレンズ３−ｂ１，３−ｂ２からなり、それぞれの焦点距離をｆａ，ｆｂ１，ｆｂ２とすれば
ｆａ＜ｆｂ１＝ｆｂ２
を満足させることが必要である。
【００３１】
５は焦点検出光学系の絞りである、図５は絞り５を正面から見た図で、後述する２対の再結像レンズを構成する４つの再結像レンズに対応して２対の開口を構成する４つの開口部５−ａ１，５−ａ２，５−ｂ１，５−ｂ２を有している。
【００３２】
６は再結像レンズであり、２対のレンズ部を有し視野マスク２の開口部を通して対物レンズ２１の像をセンサー（受光手段）７上に再び結像する作用を有する。
【００３３】
図６は再結像レンズ６の正面図および側面図であり、2 対のレンズを構成する６−ａ１，６−ａ２，６−ｂ１，６−ｂ２を有している。７は光電変換デバイス（受光手段）である。
【００３４】
図７は光電変換デバイス７を正面から見た図で７−ａ、７−ｂ，７−ｃで示す受光素子列の長手並び方向が図１の紙面垂直方向に対応している。
【００３５】
視野マスク２の開口２−ａ，２−ｂ１，２−ｂ２を通った光束はフィールドレンズ３のレンズ部３−ａ，３−ｂ１，３−ｂ２を透過し、光電変換デバイス７上に対物レンズによる物体像の２次像を形成する。
【００３６】
図７にこの様子が示してある。７−ａ，７−ｂ，７−ｃ，７−ｄは多数の画素より成る画素列（受光素子列）の組で、これらの画素列に対応して視野マスク２の開口２−ａ１，２−ａ２，２−ｂ１，２−ｂ２、の像が図７の画素列を囲む点線で示す領域に投影され、この内部に物体の２次像が形成される。
【００３７】
一つの開口につき再結像レンズ６−ａ１、６−ａ２、６−ｂ１、６−ｂ２よりなる２組の再結像レンズによって４つの２次像が図７の点線のように形成され、物体像の２次像は対物レンズ２１の焦点調節状態によってそれぞれのセンサー長手方向に移動する。
【００３８】
受光素子列７−ａ、７−ｂ、７−ｃ，７−ｄの組はそれぞれに対応する同じ視野マスク２の開口部の像について、光電変換素子７上の２次像の相対的間隔をそれぞれ検出する事により、視野マスク２の開口部それぞれについて、対物レンズ２１の焦点調節状態を検出する事が出来る。
【００３９】
次に本発明による分割された焦点距離の異なるフィールドレンズ３の働きについて説明する。焦点検出装置のフィールドレンズ３の役割は、焦点検出の対称となる対物レンズ１の射出瞳８と焦点検出装置の絞り５を共役の関係で結ぶ事にある。
【００４０】
言い換えれば焦点検出装置の絞り５を対物レンズ２１の射出瞳位置８に投影するように設定される。
【００４１】
図８ではフィールドレンズ３の焦点距離が適切に設定され、焦点検出装置の絞り５−ａ、５−ｂの投影像が対物レンズ２１の射出瞳８上で結像している。
【００４２】
したがって一つの焦点検出領域を形成する直線状に並んだ９−１、９−２、９−３で示す対物レンズの像を通過する全ての光束が、焦点検出装置に取り込まれることになる。
【００４３】
一方図９，図１０はフィールドレンズ３の焦点距離が不適切であるために焦点検出装置の絞り５−ａ、５- ｂのフィールドレンズ３による投影像が対物レンズ１の射出瞳８上に結像していない。
【００４４】
図９ではフィールドレンズ３の焦点距離が長すぎ、図１０ではフィールドレンズ３の焦点距離が短かすぎるため絞り開口５- ａ、５−ｂの投影像が集光していない。従って対物レンズ１の像９−１、９−３の位置を通る光束は対物レンズ１の射出瞳８によって所謂ケラレを生じ、それは焦点検出装置７の光電変換素子７上の光量分布となってしまう。
【００４５】
被写体とは無関係なこの光量分布は焦点検出に多大な影響を与え、焦点検出誤差となって現れる。従ってフィールドレンズ３の焦点距離を適切に設定して焦点検出装置の二つの絞り開口の離れる分割方向、すなわち焦点検出領域の長手方向の像高に対して、絞り５の投影像がぼけないようにして置かなければならない。
【００４６】
一方、本発明のように一対の絞り開口で複数の焦点検出領域での検出を行なおうとすると、前述のように焦点検出領域の長手方向の射出瞳に対する絞りの投影結像だけでなく、複数の焦点検出領域が離れる方向に対しても、適切な焦点距離の設定を行なわなければならない。
【００４７】
図１２、図１３は点９−２で示される中心視野で設定されたフィールドレンズを、点９−１、９−３で示される上下に分割された視野にも適用した図である。視野９−１、９−３に対しては図１２のフィールドレンズの焦点距離が短すぎるため、図１３ではフィールドレンズの焦点距離が長すぎるため絞り５−ａ，５−ｂの投影像が対物レンズ２１の射出瞳８から外れケラレを生じている。
【００４８】
図１１ではフィールドレンズ３近傍の点９−１、９−２、９−３で示す位置にそれぞれ紙面垂直方向に長い焦点検出領域が設定されていて、それぞれの視野が絞り５−ａ，５−ｂを共用している。フィールドレンズ３の分割された３つのフィールドレンズ部３−ａ，３−ｂ１，３−ｂ２の焦点距離をそれぞれｆａ，ｆｂ１，ｆｂ２とする。ここでフィールドレンズ部３−ａは第１のフィールドレンズ部に相当する。またフィールドレンズ部３−ｂ１又はフィールドレンズ部３−ｂ２は第２のフィールドレンズ部に相当する。そして第２のフィールドレンズ部３−ｂ１（３−ｂ２）の焦点距離ｆｂを第１のフィールドレンズ部３−ａの焦点距離ｆａよりも長く設定し、焦点距離ｆｂの光軸を図４の１−ｂ１，１−ｂ２で示すように偏心させる事によって、紙面上下の視野分割方向、紙面垂直な視野長手方向（絞り分割方向）の投影像が射出瞳８上に良好に投影されるように設定されている。従って各視野のどの像高においても瞳のケラレを生じる事無しに焦点検出が可能となる。
【００４９】
次に本発明による絞り５および再結像レンズ６の働きについて説明する。図１４は図２の絞り５と再結像レンズ６の拡大図である。
【００５０】
→で示すＬ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ図３に示す焦点検出領域２−a １，２−b １，２−b ２の視野領域からの絞り５の中心を通る主光線である。
【００５１】
本発明においては一対の再結像レンズで複数の焦点検出領域の像を受光素子７上に結像するため広い画角に対して良好な結像性能を実現しなければならない。これには絞り中心から再結像レンズの頂点までの距離をｄ、レンズの曲率半径をｒとすれば
ｄ＝ｒ
なる関係を満足させる事が有効である。
【００５２】
一方、本発明においては図３中で焦点検出領域２−ａ２で示す、焦点検出領域２−ａ１に垂直な視野も有するために、再結像レンズ６は図６に示すような構成になっている。
【００５３】
図６の６−ａ１，６−ａ２で示す再結像レンズは複数の焦点検出領域の像を受光素子上に結像するためにその有効部も大きくならざるをえない。分担する焦点検出領域が一つであれば、例えば図１４の主光線Ｌ１に示す光束の通る領域のみがその有効部となるが、本発明では主光線Ｌ１だけでなく主光線Ｌ２、主光線Ｌ３の通る領域も有効部となる。
【００５４】
図１５に本発明による再結像レンズ６のレンズ部で光束の通る領域、すなわち有効部領域を図示した。本発明においては、絞り中心からレンズの頂点までの距離をｄ，レンズの曲率半径をｒとして
０．５＜ ｄ／ｒ ＜０．９
とするとともに、中心の焦点検出領域２−ａ１，２−ａ２よりも上下の焦点検出領域２−ｂ１，２−ｂ２の長さを短くする事によって再結像レンズ部でのオーバーラップが起こらないようにしている。
【００５５】
条件式の上限を超えると、図１６で示すように必要な有効部が拡大し、有効部が他のレンズ部にオーバーラップしてしまい、正規のレンズ部位を通らない光束が迷光となって、焦点検出に悪影響を与える。
【００５６】
本発明では更にオーバーラップの起こりやすい上下の焦点検出領域の長さを、中央の焦点検出領域の水平方向の長さよりも短くする事によって、有効部の拡大を抑制している。
【００５７】
条件式の下限を超えるとコマ収差の影響が増大し良好な結像性能が得られず、高精度な焦点検出を行なうことができない。
【００５８】
図１７に本発明、実施形態２である焦点検出装置の断面図を示す。本実施形態においては分割されたフィールドレンズではなく、フィールドレンズ３’で示すように非球面レンズで構成している。
【００５９】
他の要素、働きは実施形態１と同一である。フィールドレンズ３’は周辺に行くにしたがい、正の屈折力の弱くなる非球面レンズを用いている。これによれば、比較的良好に焦点検出系の瞳結像を行なう事が出来る。
【００６０】
又、図１８に示すような母線方向と子線方向で屈折力の異なるトーリックレンズを用いる事によって、より良好な焦点検出系の瞳結像を実現する事が出来る。
【００６１】
図１８は実施形態２に適用可能なトーリックレンズを示している。図中９、１０は理解を助けるためにトーリックレンズの母線、子線を模式的に示した線である。母線９は子線１０よりも曲率半径が大きく設定されている。
【００６２】
母線と子線が異なる曲率半径を有する一体型のトーリック非球面を用いても図１１で示したフィールドレンズのように紙面上下の視野分割方向、紙面垂直な視野長手方向（絞り分割方向）の屈折力を異なる大きさに設定することにより、投影像が射出瞳８上に良好に投影される。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数の焦点検出を一対の再結像レンズによって実現する事が出来、小型で高精能な焦点検出装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のカメラへの適用例を示す図
【図２】本発明の実施形態１の焦点検出装置の構成を示す図
【図３】本発明の実施形態１が適用される視野マスクを示す図
【図４】本発明の実施形態１が適用されるフィールドレンズを示す図
【図５】本発明の実施形態１が適用される絞りマスクを示す図
【図６】本発明の実施形態１が適用される再結像レンズを示す図
【図７】本発明の実施形態１が適用される光電変換素子を示す図
【図８】本発明の実施形態１の視野長手方向の瞳結像の説明図
【図９】本発明の実施形態１の視野長手方向の瞳結像の説明図
【図１０】本発明の実施形態１の視野長手方向の瞳結像の説明図
【図１１】本発明の実施形態１の視野分割方向の瞳結像の説明図
【図１２】本発明の実施形態１の視野分割方向の瞳結像の説明図
【図１３】本発明の実施形態１の視野分割方向の瞳結像の説明図
【図１４】本発明の実施形態１が適用される再結像レンズ部拡大図
【図１５】本発明の実施形態１が適用される再結像レンズ光束有効部を示す図
【図１６】問題点説明のための再結像レンズ光束有効部を示す図
【図１７】本発明の実施形態２の焦点検出装置の構成を示す図
【図１８】本発明の実施形態２が適用されるトーリック非球面レンズの模式図
【符号の説明】
１ 光軸
２ 視野マスク
３ 分割されたフィールドレンズ
４ 反射ミラー
５ 絞りマスク
６ 再結像レンズ
７ 光電変換素子
８ 瞳
２１ 対物レンズ
２２ クイックリターンミラー
２３ フォーカシングスクリーン
２４ ペンタプリズム
２５ 接眼レンズ
２６ サブミラー

Claims (5)

1. 対物レンズの予定結像面近傍で焦点検出領域に対応した位置に配置されたフィールドレンズと、該焦点検出領域からの光束を受け、前記対物レンズの焦点調節状態に応じて相対位置の変化する被写体像に関する複数の光量分布を形成するための、一対を単位とする再結像レンズと、該再結像レンズで形成した該光量分布を検出するための受光手段とを有する焦点検出装置において、該焦点検出領域は直交する第１、第２の焦点検出領域と、該第１の焦点検出領域に平行でかつ離れた場所に位置する第３の焦点検出領域を持ち、該フィールドレンズは、該第１、第２の焦点検出領域に対応した共通の第１のフィールドレンズ部と、第３の焦点検出領域に対応した第２のフィールドレンズ部を具備し、該再結像レンズは、該第１、第３の焦点検出領域からの光束を受ける第１の再結像レンズと、第２の焦点検出領域からの光束を受ける第２の再結像レンズとを有し、該第１の再結像レンズは対物レンズ側に平面または弱い屈折力を有する曲面と、前記受光手段側に強い凸の屈折力の曲面を有し、該再結像レンズの対物レンズ側に絞りを有し、該受光手段は第１、第２、第３の焦点検出領域の各々に対応した１対の受光素子列を有しており、該第２のフィールドレンズ部は、その光軸が、該第１のフィールドレンズ部の光軸を挟んで反対側に位置するように偏心して配置されており、該第２のフィールドレンズ部の焦点距離は該第１のフィールドレンズ部の焦点距離よりも長いことを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記第１の再結像レンズの前記受光手段側のレンズ面の曲率半径をｒ、前記絞りと該受光手段側のレンズ面との距離をｄとしたとき
   ０．５＜ｄ／ｒ＜０．９
   なる関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記第３の焦点検出領域の一方向が、前記第１の焦点検出領域の一方向に比して短いことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
4. 前記第２の焦点検出領域に対応する前記一対の受光素子列の受光素子列間の間隔が、前記第１の焦点検出領域に対応する一対の受光素子列の受光素子列間の間隔よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
5. 対物レンズと、該対物レンズの合焦状態を検出可能な請求項１〜４の何れか１項に記載の焦点検出装置とを有することを特徴とする光学機器。

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