JP4708970B2 - 焦点検出装置及び当該焦点検出装置を有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、撮像装置に係り、特に、撮像光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置を有する撮像装置に関する。本発明は、例えば、写真用カメラ、ビデオカメラ等に好適である。

デジタルカメラやビデオカメラに代表される撮像装置の普及に伴って、かかる撮像装置には高品位化及び小型化がますます要求されるようになってきている。特に、撮像装置の撮像レンズ（撮像光学系）の焦点状態を検出する焦点検出装置の高精度化及び小型化が望まれている。近年では、撮像レンズの瞳を複数の領域に分割し、各領域を通過した光束が形成する複数の像の相対的な位置関係から撮像レンズの焦点状態を検出するＴＴＬ位相差方式を利用した焦点検出装置が主流となってきている（例えば、特許文献１乃至３参照。）。

特許文献１は、複数の方向に焦点検出可能な焦点検出点（クロス焦点検出点）を有し、被写体の空間パターンにかかわらずに高い焦点検出性能を確保した焦点検出装置を開示している。特許文献２及び３は、複数の方向に焦点検出可能な焦点検出点を複数有し、撮像範囲内の広範囲において、高い焦点検出性能を確保した焦点検出装置を開示している。特に、特許文献３に開示された焦点検出装置は、複数の焦点検出光学系を有し（即ち、絞り、再結像光学系及び光電変換素子を複数有する構成にする）、撮像範囲内に多くのクロス焦点検出点を配置することを実現している。
特開昭６２−９５５１１号公報 特開平９−１８４９６５号公報 特開２００３−１０７３２３号公報

しかしながら、特許文献３に開示された焦点検出装置は、撮像範囲内に多くのクロス焦点検出点を配置するために、構成要素（即ち、焦点検出光学系を構成する部材）の数が増加し、コストアップ及び焦点検出装置の大型化を招いてしまう。

一方、焦点検出に用いる光束を、撮像レンズの入射瞳と射出瞳によるケラレがないようにすることで、撮像装置の交換レンズ（撮像レンズ）に関わらず焦点を検出することが可能となる。しかし、多くの交換レンズに対応しながら、撮像範囲内に多くのクロス焦点検出点を配置するためには、絞りの各開口を通過した光束（光学像）が受光手段（光電変換素子）上で重ならないようにしなければならない。受光手段上での光学像の重なりを防止するためには、焦点検出光学系の光路長を長くしたり、光学部材で光束を屈折させたりする必要があるが、それは、焦点検出装置の大型化や光学部材の増加によるコストアップを招いてしまう。

更に、クロス焦点検出点を多く配置するためには、受光手段上に多くのセンサ列を配置することが必然的に必要となり、センサチップが大型化し、コストアップにつながってしまう。

そこで、本発明は、装置の大型化及びコストアップを防止すると共に、優れた焦点検出性能を達成し、撮像光学系の焦点状態を高精度に検出することができる焦点検出装置及び当該焦点検出装置を有する撮像装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての焦点検出装置は、撮像レンズからの光束を分割し、該分割された光束により形成された対の像の位相差に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、前記撮像レンズの光軸に対して偏心したレンズ部を有するフィールドレンズと、前記レンズ部を通過した光束により形成された前記対の像をそれぞれ光電変換する複数の焦点検出領域を有する受光手段とを有し、前記受光手段は、第１の方向での前記位相差を検出する第１の焦点検出領域および第２の焦点検出領域と、前記第１の方向とは異なる第２の方向での前記位相差を検出する第３の焦点検出領域および第４の焦点検出領域とを有し、前記第１の焦点検出領域と第２の焦点検出領域は、互いに前記撮像レンズからの光軸に対する距離が異なり、前記第１の焦点検出領域と前記第２の焦点検出領域はそれぞれ、該第１および第２の焦点検出領域の中心とは異なる位置で前記第３の焦点検出領域および前記第４の焦点検出領域と交差し、前記第１の焦点検出領域と前記第３の焦点検出領域とが交差する位置は、前記第１の焦点検出領域の中心に対して前記光軸に近い側であり、前記第２の焦点検出領域と前記第４の焦点検出領域とが交差する位置は、前記第２の焦点検出領域の中心に対して前記光軸から遠い側であることを特徴とする。

本発明の別の側面としての撮像装置は、撮像レンズを介して被写体像を撮像する。該撮像装置は、上記焦点検出装置と、焦点検出装置の検出結果に基づいて、撮像レンズを駆動する制御部と、被写体像を撮像して画像信号を出力する撮像素子とを有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、装置の大型化及びコストアップを防止すると共に、優れた焦点検出性能を達成し、撮像光学系の焦点状態を高精度に検出することができる焦点検出装置及び当該焦点検出装置を有する撮像装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての撮像装置について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の撮像装置１の構成を示す概略断面図である。

撮像装置１は、被写体からの光を、撮像レンズを介して撮像素子に結像し、被写体を撮像する撮像装置である。撮像装置１は、本実施形態では、一眼レフカメラとして具現化される。

撮像装置１は、図１に示すように、撮像レンズ１０と、主ミラー２０と、ファインダー光学系３０と、サブミラー４０と、撮像素子５０と、焦点検出装置１００と、制御部８０とを有する。なお、主ミラー２０、ファインダー光学系３０、サブミラー４０、撮像素子５０、焦点検出装置１００及び制御部８０は、カメラ本体を構成し、図示しないマウント部を介して、撮像レンズ１０を着脱可能とする。従って、撮像レンズ１０は、必ずしも撮像装置１の構成要素となるわけではない。

撮像レンズ１０は、被写体を撮像するための交換型の撮像レンズであり、図示しない焦点調整レンズを含む撮像光学系を備えている。撮像レンズ１０は、後述する制御部８０によって、焦点調整レンズを介して焦点（状態）が調整される。撮像レンズ１０は、レンズ鏡筒ＬＢによって、光軸ＯＡ方向に移動可能に保持される。

主ミラー２０は、半透過性を有するハーフミラー又は一部にハーフミラー面を有する可動ミラーで構成される。主ミラー２０は、撮像レンズ１０を透過した光の一部を反射して（反射光）後述するファインダー光学系３０に導光すると共に、撮像レンズ１０を透過した光の一部を透過して（透過光）後述するサブミラー４０に導光する。

ファインダー光学系３０は、撮像する被写体を観察するための光学系である。換言すれば、ファインダー光学系３０は、撮像される被写体の画像を擬似的にユーザーに提供する。ファインダー光学系３０は、図１に示すように、焦点板３２と、ペンタプリズム３４と、接眼レンズ３６とを有する。

焦点板３２は、マット面とフレネル面を有し、その面上にはファインダー視野が形成される。焦点板３２は、主ミラー２０で反射された撮像レンズ１０からの光（被写体像）を拡散してペンタプリズム３４に射出する。

ペンタプリズム３４は、互いに４５度の２つの反射面と、入射光と射出光に直角の２つの屈折面を含み、焦点板３２で拡散された光を反射し、接眼レンズ３６に導光する。

接眼レンズ３６は、アイピースとも呼ばれ、ファインダー光学系３０において、最終的に像を結ぶ機能を有する。接眼レンズ３６は、例えば、光像（被写体像）を拡大する。

サブミラー４０は、主ミラー２０の後段に配置され、主ミラー２０を透過した光を反射し、焦点検出装置１００に導光する。サブミラー４０は、撮像光路（光軸ＯＡ）上への挿脱が可能なように構成され、ファインダー観察時には撮像光路上の所定の位置に配置され、撮像時には撮像光路外に退避する。

撮像素子５０は、規則的に配置された画素を有し、撮像レンズ１０によって結像される被写体からの光を受光し、画像信号に変換する（光電変換）機能を有する。撮像素子５０は、例えば、受光した光を画素毎に電気信号に変換し、その受光量に応じた電荷をそれぞれ蓄積して、かかる電荷を読み出すタイプのエリア（２次元）センサーで構成される。また、撮像素子５０は、ＣＭＯＳセンサーやＣＣＤで構成してもよい。なお、撮像素子５０からの出力信号は、図示しない画像処理回路にて所定の処理が施されて画像データとなり、かかる画像データは、図示しない半導体メモリ、光ディスク及び磁気テープ等の記録媒体に記録される。

焦点検出装置１００は、位相差方式を利用して、撮像レンズ１０の焦点状態を検出する。換言すれば、焦点検出装置１００は、サブミラー４０で反射された撮像レンズ１０からの光を分割して少なくとも一対の像を形成し、かかる一対の像を光電変換して得られる信号に基づいて、撮像レンズ１０の焦点状態を検出する。

ここで、図２乃至図１０を参照して、焦点検出装置１００について詳細に説明する。図２は、焦点検出装置１００の構成を示す概略斜視図である。図３は、焦点検出装置１００のＹＺ断面図である。図４は、焦点検出装置１００の多孔視野マスクを示す概略平面図である。図５は、焦点検出装置１００の多孔絞りを示す概略平面図である。図６は、焦点検出装置１００の再結像レンズユニットを示す概略平面図であって、図６（ａ）は再結像レンズユニットの入射側を、図６（ｂ）は再結像レンズユニットの射出側を示している。図２及び図３において、光軸ＯＡ’は、サブミラー４０によって偏向された光軸ＯＡに相当する。

１１０は、多孔視野マスクである。多孔視野マスク１１０は、図４に示すように、中央部に矩形の開口１１０ａと、開口１１０ａの横に並列された開口１１０ｂ及び１１０ｃとを有する。多孔視野マスク１１０は、撮像レンズ１０の予定結像面の近傍に配置される。

１１１は、分割フィールドレンズである。分割フィールドレンズ１１１は、多孔視野マスク１１０の後段に配置される。分割フィールドレンズ１１１は、光学作用が異なる複数のレンズ部１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃで構成される。レンズ部１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃは、互いに異なるレンズ光軸を有する。本実施形態では、レンズ部１１１ｂ及び１１１ｃは、撮像レンズ１０の光軸ＯＡ’に対して偏心したレンズ光軸を有する。また、レンズ部１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃは、多孔視野マスク１１０の開口１１０ａ、１１０ｂ及び１１ｃにそれぞれ対応している。

１１２は、遮光板である。遮光板１１２は、分割フィールドレンズ１１１の後段に配置される。遮光板１１２は、分割フィールドレンズ１１１より後段の光路を分割フィールドレンズ１１１のレンズ部毎に３分割し、各光束を分離する。

１１３は、フィルターである。フィルター１１３は、近赤外光よりも長い波長を有する光を遮断する。フィルター１１３は、可視光に対して収差補正された撮像レンズ１０の焦点を検出する場合に適応し、後述する受光手段１１６に不要な赤外光が入射することを防止する。

１１４は、多孔絞りである。多孔絞り１１４は、薄板で構成され、フィルター１１３に隣接して配置される。多孔絞り１１４は、図５に示すように、中央部に、２組の対の開口１１４ａｖ１及び１１４ａｖ２と、開口１１４ａｈ１及び１１４ａｈ２とを有する。また、多孔絞り１１４は、中央部の左側に、２組の対の開口１１４ｂｖ１及び１１４ｂｖ２と、開口１１４ｂｈ１及び１１４ｂｈ２とを有する。更に、多孔絞り１１４は、中央部の右側に、２組の対の開口１１４ｃｖ１及び１１４ｃｖ２と、開口１１４ｃｈ１及び１１４ｃｈ２とを有する。なお、開口１１４ａは、開口１１４ａｖ１及び１１４ａｖ２、開口１１４ａｈ１及び１１４ａｈ２を総括するものとする。また、開口１１４ｂは、開口１１４ｂｖ１及び１１４ｂｖ２、開口１１４ｂｈ１及び１１４ｂｈ２を総括するものとする。同様に、開口１１４ｃは、開口１１４ｃｖ１及び１１４ｃｖ２、開口１１４ｃｈ１及び１１４ｃｈ２を総括するものとする。

１１５は、再結像レンズユニット（２次光学系）である。再結像レンズユニット１１５は、撮像レンズ１０によって結像された予定結像面上の被写体像を、後段に配置された受光手段１１６の複数対の光電変換素子（センサー）列上に各々再結像（２次像）する。再結像レンズユニット１１５は、多孔絞り１１４が有する６組の対の開口に対応するプリズム部及びレンズ部を有する。

再結像レンズユニット１１５は、図６（ａ）に示すように、入射側に、多孔絞り１１４の開口に対応するプリズム部を有する。再結像レンズユニット１１５は、中央部に、２組の対のプリズム部１１５ａｉｖ１及び１１５ａｉｖ２と、プリズム部１１５ａｉｈ１及び１１５ａｉｈ２とを有する。また、再結像レンズユニット１１５は、中央部の左側に、２組の対のプリズム部１１５ｂｉｖ１及び１１５ｂｉｖ２と、プリズム部１１５ｂｉｈ１及び１１５ｂｉｈ２とを有する。更に、再結像レンズユニット１１５は、中央部の右側に、２組の対のプリズム部１１５ｃｉｖ１及び１１５ｃｉｖ２と、プリズム部１１５ｃｉｈ１及び１１５ｃｉｈ２とを有する。なお、プリズム部１１５ａｉは、プリズム部１１５ａｉｖ１及び１１５ａｉｖ２、プリズム部１１５ａｉｈ１及び１１５ａｉｈ２を総括するものとする。また、プリズム部１１５ｂｉは、プリズム部１１５ｂｉｖ１及び１１５ｂｉｖ２、プリズム部１１５ｂｉｈ１及び１１５ｂｉｈ２を総括するものとする。同様に、プリズム部１１５ｃｉは、プリズム部１１５ｃｉｖ１及び１１５ｃｉｖ２、プリズム部１１５ｃｉｈ１及び１１５ｃｉｈ２を総括するものとする。

一方、再結像レンズユニット１１５は、図６（ｂ）に示すように、射出側に、プリズム部に対応するレンズ部を有する。なお、かかるレンズ部は、球面を有する。図６（ａ）は再結像レンズユニット１１５の入射側から見たときの図であり、図６（ｂ）は再結像レンズユニット１１５の射出側から見たときの図であるため、上述したレンズ部がプリズム部に対して左右逆転して図示されている。再結像レンズユニット１１５は、中央部に、２組の対のレンズ部１１５ａｏｖ１及び１１５ａｏｖ２と、レンズ部１１５ａｏｈ１及び１１５ａｏｈ２とを有する。また、再結像レンズユニット１１５は、中央部の左側（図では右側）に、２組の対のレンズ部１１５ｂｏｖ１及び１１５ｂｏｖ２と、レンズ部１１５ｂｏｈ１及び１１５ｂｏｈ２とを有する。更に、再結像レンズユニット１１５は、中央部の右側（図では左側）に、２組の対のレンズ部１１５ｃｏｖ１及び１１５ｃｏｖ２と、レンズ部１１５ｃｏｈ１及び１１５ｃｏｈ２とを有する。なお、レンズ部１１５ａｏは、レンズ部１１５ａｏｖ１及び１１５ａｏｖ２、レンズ部１１５ａｏｈ１及び１１５ａｏｈ２を総括するものとする。また、レンズ部１１５ｂｏは、レンズ部１１５ｂｏｖ１及び１１５ｂｏｖ２、レンズ部１１５ｂｏｈ１及び１１５ｂｏｈ２を総括するものとする。同様に、レンズ部１１５ｃｏは、レンズ部１１５ｃｏｖ１及び１１５ｃｏｖ２、レンズ部１１５ｃｏｈ１及び１１５ｃｏｈ２を総括するものとする。

次に、焦点検出装置１００の焦点検出動作を説明する。但し、図中の参照番号の添え字ａ、ｂ及びｃは、光路の対応関係を表す。また、図中の参照番号の添え字１、２及び３は、位相差方式の焦点検出装置において対となる２つの物体像を形成するための各要素を表す。なお、光路間の分離は、上述したように、遮光板１１２によってなされる。

多孔視野マスク１１０の開口１１０ａ乃至１１０ｃを通過した光束は、分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ａ乃至１１１ｃを透過し、フィルター１１３を介し、多孔絞り１１４に入射する。多孔絞り１１４の開口１１４ａ乃至１１４ｃは、分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ａ乃至１１１ｃによって、撮像レンズ１０の射出瞳近傍に逆投影されるように構成される。従って、多孔視野マスク１１０の開口１１０ａ乃至１１０ｃに入射した光束の一部は、必ず多孔絞り１１４の開口１１４ａ乃至１１４ｃに到達する。

次に、多孔絞り１１４の後段に位置する再結像レンズユニット１１５の各プリズム部及びレンズ部に、多孔視野マスク１１０の各開口を通過した光束が導かれる。多孔視野マスク１１０の開口１１０ｂは、分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ｂ、多孔絞り１１４の開口１１４ｂ、再結像レンズユニット１１５のプリズム部１１５ｂｉ及びレンズ部１１５ｂｏを有する一組の焦点検出光学系に対して設けられている。これは、光軸ＯＡ’に対して対称に配置した開口１１０ｃについても同様である。

再結像レンズユニット１１５から射出した光束は、後段に位置する受光手段１１６に入射する。受光手段１１６には、多孔視野マスク１１０の３つの開口１１０ａ乃至１１０ｃをそれぞれ物体像（光学像）とした対の２次像が６組（即ち、１２個）形成される。

図７は、物体像が形成された状態の受光手段１１６を示す概略平面図である。図７において、１１７ａｖ１乃至１１７ｃｈ２は、撮像レンズ１０の合焦時に多孔視野マスク１１０の開口１１０ａ乃至１１０ｃによって形成される光学像である。多孔絞り１１４の対の開口（図５の添え字１、２の各々）と再結像レンズユニット１１５の対のプリズム部及びレンズ部（図６の添え字１、２の各々）との作用によって、多孔視野マスク１１０の１つの開口に対応する光学像は、それぞれ２個ずつ形成される。

１１６ａｖ１−１乃至１１６ｃｈ２−３は、多数の画素で構成されるセンサ列（光電変換素子列）である。センサ列１１６ａｖ１−１乃至１１６ｃｈ２−３は、光学像１１７ａｖ１乃至１１７ｃｈ２の内部に配置される。例えば、多孔視野マスク１１０の開口１１０ｂの光学像が、光学像１１７ｂｖ１及び１１７ｂｖ２と光学像１１７ｂｈ１及び１１７ｂｈ２の２対である。光学像１１７ｂｖ１及び１１７ｂｖ２の光学像の内側には、被写体上で垂直方向に焦点検出領域を有する３対のセンサ列１１６ｂｖ１−１、１１６ｂｖ１−２、１１６ｂｖ１−３及びセンサ列１１６ｂｖ２−１、１１６ｂｖ２−２、１１６ｂｖ２−３を配置する。光学像１１７ｂｈ１及び１１７ｂｈ２の光学像の内側には、被写体上で水平方向に焦点検出領域を有する３対のセンサ列１１６ｂｈ１−１、１１６ｂｈ１−２、１１６ｂｈ１−３及びセンサ列１１６ｂｈ２−１、１１６ｂｈ２−２、１１６ｂｈ２−３を配置する。これにより、撮像レンズ１０の予定結像面上において、略十字形状の焦点検出領域を形成することができる。従って、焦点検出の際に、被写体の空間パターンに依存しにくい構成となる。多孔視野マスク１１０の開口１１０ａ及び１１０ｃも同様に、撮像レンズ１０の予定結像面上において、略十字形状の焦点検出領域を形成する。なお、センサ列１１６ｂｖ１は、センサ列１１６ｂｖ１−１、１１６ｂｖ１−２、１１６ｂｖ１−３を、センサ列１１６ｂｖ２は、センサ列１１６ｂｖ２−１、１１６ｂｖ２−２、１１６ｂｖ２−３を総括するものとする。また、センサ列１１６ｂｈ１は、センサ列１１６ｂｈ１−１、１１６ｂｈ１−２、１１６ｂｈ１−３を、センサ列１１６ｂｈ２は、センサ列１１６ｂｈ２−１、１１６ｂｈ２−２、１１６ｂｈ２−３を総括するものとする。

センサ列１１６ａｖ１−１乃至１１６ｃｈ２−３は、蓄積型の光電変換素子列で構成される。また、本実施形態では、対となるセンサ列は、図６に示すように、いずれも略直線状に構成されているが、焦点検出光学系の歪曲収差を打ち消すために、光学像の歪みにあわせた形状としてもよい。更に、対となるセンサ列を必ずしも別々に配置する必要はなく、一列のセンサ列を用いて、信号の処理過程において複数に分割してもよい。

焦点検出装置１００において、予定結像面に対する実際の物体像の光軸方向位置に関係し、多孔視野マスク１１０の光学像内部にある被写体の受光手段１１６上での光学像は、互いに近づく方向又は遠ざかる方向に移動する。例えば、撮像レンズ１０が予定結像面よりも前段に光束を結像すると、受光手段１１６のセンサ列上の対の光学像は、互いに近づく方向に移動する。また、撮像レンズ１０が予定結像面よりも後段に光束を結像すると、受光手段１１６のセンサ列上の対の光学像は、その逆方向、即ち、互いに遠ざかる方向に移動する。この際、光学像の移動する方向にセンサ列を並べることによって、光学像の移動を検出する。かかる検出結果（受光手段１１６の出力）に基づいて、光学像の光量分布の相対的位置間隔を周知の相関演算手段によって算出する。

対の光学像の間隔の変化量を求めることができれば、かかる変化量と撮像レンズ１０のデフォーカス量との関係を、変化量を変数とした多項式などで近似することで撮像レンズ１０のデフォーカス量を求めることができる。これにより、撮像レンズ１０の焦点（焦点状態）を検出することが可能となる。換言すれば、光学像の間隔を演算することで、センサ列の予定結像面上への逆投影像として規定される複数点の焦点検出領域について、撮像レンズ１０の焦点（焦点状態）を検出することができる。

対のセンサ列１１６ｂｖ１及び１１６ｂｖ２は、上下方向にセンサ（受光素子）が並んでいるため、上下方向にコントラスト成分を有する被写体の焦点検出に適している。一方、センサ列１１６ｂｈ１及び１１６ｂｈ２は、左右方向にセンサ（受光素子）が並んでいるため、左右方向にコントラスト成分を有する被写体の焦点検出に適している。従って、両者を組み合わせると、被写体のコントラスト成分に左右されない、所謂、クロス型の焦点検出を行うことができる。なお、本実施形態では、多孔視野マスク１１０の開口１１０ｂ（即ち、添え字ｂ）のみについて説明したが、開口１１０ａ（即ち、添え字ａ）及び１１０ｃ（即ち、添え字ｃ）につても同様である。

次に、図８を参照して、ファインダー視野における焦点検出領域について説明する。図８（ａ）は、撮像装置１の焦点板３２の面上を、ペンタプリズム３４及び接眼レンズ３６を介して観察したファインダー視野と焦点検出領域との関係を示している。焦点板３２は、撮像レンズ１０の予定結像面近傍に配置されるため、図８における焦点板３２は、予定結像面と考えてよい。ＣＰは、撮像レンズ１０からの光軸ＯＡ’と焦点板３２（予定結像面）との交点であり、ファインダー中心（予定結像面の中心）を示している。

図８において、１５１は、撮像範囲の正立像であるファインダー視野を示している。受光手段１１６の対のセンサ列は、撮像レンズ１０の予定結像面上に逆投影すると略一致して重なる。ファインダー視野１５１において、１５１ａｖ−１乃至１５１ｃｈ−３は、受光手段１１６の対のセンサ列に対応する逆投影像である。これらの逆投影像１５１ａｖ−１乃至１５１ｃｈ−３は、受光手段１１６のセンサ列であるため、略十字形状の領域において、被写体の光量分布を検出することができる。換言すれば、これらの逆投影像１５１ａｖ−１乃至１５１ｃｈ−３が、所謂、クロス型の焦点検出領域となる。本実施形態では、クロス型の焦点検出領域は、ファインダー視野１５１の中央部に３箇所、左右の軸外に３箇所（即ち、９箇所）存在し、かかる焦点検出領域に対応する被写体の焦点検出を行うことができる。なお、焦点検出領域に付与した添え字ａｖ乃至ｃｈは、図６で示した受光手段１１６のセンサ列に付与した添え字に対応している。例えば、センサ列１１６ａｖ１−１及び１１６ａｈ２−１の逆投影によって形成される焦点検出領域は、逆投影像１５１ａｖ−１である。

逆投影像１５１ａｖ−１乃至１５１ｃｈ−３は、それぞれ位相差検出方向を長手方向とし、図７で説明した焦点検出領域が対応している。例えば、１５１ｂｖ-２は、１１６ｂｖ１−２及び１１６ｂｖ２−２による位相差検出方向に対応した方向に広がりを有する。また、１５１ｂｈ-２は、１１６ｂｈ１−２及び１１６ｂｈ２−２による位相差検出方向に対応した方向に広がりを有するといった具合である。さらに、１５１ｂｖ-１は、１１６ｂｖ１−１及び１１６ｂｖ２−１による位相差検出方向に対応した方向に広がりを有する。また、１５１ｂｈ-１は、１１６ｂｈ１−１及び１１６ｂｈ２−１による位相差検出方向に対応した方向に広がりを有するといった具合である。

ここで、ファインダー視野１５１の水平方向（第１の方向：添え字ｈ）と垂直方向（第２の方向：添え字ｖ）での焦点検出領域の交点をクロス焦点検出点と定義する。図８（ｂ）に示すように、それぞれのクロス焦点検出点を、添え字ｖ又はｈを除いた１５１ａ−１乃至１５１ｃ−３とする。本実施形態では、分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ａ乃至１１１ｃを透過する光束によって、それぞれ、クロス焦点検出点１５１ａ乃至１５１ｃが形成される。なお、クロス焦点検出点１５１ａは、３つのクロス焦点検出点１５１ａ−１、１５１ａ−２及び１５１ａ−３を含む。クロス焦点検出点１５１ｂは、３つのクロス焦点検出点１５１ｂ−１、１５１ｂ−２及び１５１ｂ−３を含む。クロス焦点検出点１５１ｃは、３つのクロス焦点検出点１５１ｃ−１、１５１ｃ−２及び１５１ｃ−３を含む。また、１５２ｂｈ−１乃至１５２ｂｈ−３は、逆投影像（焦点検出領域）１５１ｂｈ−１乃至１５１ｂｈ−３の広がり中心としての焦点検出領域の中心を示している。同様に、１５２ｃｈ−１乃至１５２ｃｈ−３は、逆投影像（焦点検出領域）１５１ｃｈ−１乃至１５１ｃｈ−３の広がり中心を示している。

好ましい焦点検出光学系とは、焦点検出領域を、撮像時の構図上、被写体が配置される可能性の高い位置に複数、且つ、広範囲にわたって有する。また、撮像装置に組み込むという観点から、系の全長が短く、全体を小型化した焦点検出光学系が好ましい。更に、製造コストの観点から、コストを占める割合が非常に高い受光素子の面積を小さくした焦点検出光学系が好ましい。

このような要件を満たす焦点検出光学系を実現するためには、図２に示す多孔視野マスク１１０の開口を、光軸ＯＡ’との交点からできるだけ離れた位置に配置するとよい。そして、多孔視野マスク１１０を通過した光束を、分割フィールドレンズ１１１で屈折させ、通過する多孔視野マスク１１０の開口に関わらず、それぞれ一体に構成された多孔絞り１１４及び２次結像レンズユニット１１５に導光する。更に、２次結像レンズユニット１１５から射出した光束が、受光手段１１６に向かって収束するような構成にすることが望ましい。

しかしながら、撮像範囲（ファインダー視野１５１）内において、クロス焦点検出可能な焦点検出領域の数が増えるほど、受光手段１１６上での光学像１１７ａｖ１乃至１１７ｃｈ２が重なり合い、焦点を検出することができなくなる。これは、撮像範囲内の焦点検出領域を、撮像範囲の中央部に集中的に配置したり、焦点検出光学系の全長を長くしたりすることによって回避することができるが、上述した好ましい焦点検出光学系を実現することにはならない。本実施形態では、複数の焦点検出領域を適切に配置することによって、焦点検出光学系の大型化を避けると共に、撮像範囲内の広範囲において、複数の焦点検出領域を配置することを実現している。

以下、撮像レンズ１０からの光軸ＯＡ’に対して偏心させた分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ｂ及び１１１ｃの水平方向の焦点検出領域の配置について説明する。

ファインダー中心（予定結像面の中心：撮像レンズからの光軸ＯＡ’の位置）ＣＰから各クロス焦点検出点の位置までの距離を考えると、クロス焦点検出点１５１ｂ−２及び１５１ｂ−３については、距離が短く、クロス焦点検出点１５１ｂ−１については、距離が長い。本実施形態では、距離の近いクロス焦点検出点１５１ｂ−２の水平方向の焦点検出領域（第１の焦点検出領域：逆投影像）１５１ｂｈ−２の広がり中心１５２ｂｈ−２を、ファインダー中心ＣＰに対して、クロス焦点検出点（焦点検出領域１５１ｂｈ−２と第３の焦点検出領域である焦点検出領域１５１ｂｖ−２とが交差する位置）１５１ｂ−２より遠い位置となるように焦点検出領域を配置している。また、距離の近いクロス焦点検出点１５１ｂ−３についても、クロス焦点検出点１５１ｂ−２と同様に、焦点検出領域を配置している。

分割フィールドレンズ１１１の光学機能（レンズ部１１１ａ乃至１１１ｃによる分割）は、焦点検出装置１００の小型化に大きく寄与している。一方、分割フィールドレンズ１１１で分割された各光路間での迷光を防ぐために、分割されたレンズ部の境界（本実施形態では、レンズ部１１１ａとレンズ部１１１ｂとの境界、レンズ部１１１ａとレンズ部１１１ｃとの境界）には遮光部が必要となる。

撮像時の構図を想定した焦点検出点の配置を優先した場合を考える。例えば、分割フィールドレンズ１１１の分割位置に近い焦点検出点の水平方向の焦点検出領域の中心と各焦点検出点の位置とを揃えると、多孔視野マスク１１０の開口１１０ａと開口１１０ｂとの間に遮光部を物理的に形成することができなくなる。

本実施形態では、ファインダー中心ＣＰからの距離が短い焦点検出点に関して、水平方向の焦点検出領域の中心を上述したように配置している。これにより、撮像時の構図を想定した焦点検出点の配置を優先しながら、クロス焦点検出を実現することができる。また、その際に、新たな光学部材を必要としないため、焦点検出装置１００の大型化及びコストアップを避けることができる。

次に、ファインダー中心ＣＰからの距離が長いクロス焦点検出点（本実施形態では、クロス焦点検出点１５１ｂ−１）の水平方向の焦点検出領域（第２の焦点検出領域：逆投影像）１５１ｂｈ−１の配置について説明する。本実施形態では、クロス焦点検出点１５１ｂ−１の水平方向の焦点検出領域（逆投影像）１５１ｂｈ−１の広がり中心１５２ｂｈ−１を、ファインダー中心ＣＰに対して、クロス焦点検出点（焦点検出領域１５１ｂｈ−１と第４の焦点検出領域である焦点検出領域１５１ｂｖ−１とが交差する位置）１５１ｂ−１より近い位置となるように焦点検出領域を配置している。

本実施形態の焦点検出装置１００は、撮像レンズ１０を透過した光束を利用して焦点を検出している。従って、焦点検出領域と多孔絞り１１４の対の開口（例えば、開口１１４ａｖ１と開口１１４ａｖ２）の間隔及び形状によって、撮像レンズ１０の瞳によるケラレが発生する。

ここで、図９及び図１０を参照して、撮像レンズ１０の瞳によるケラレについて説明する。図９は、図２に示す焦点検出装置１００のＸＺ断面を模式的に示す図である。なお、本実施形態の焦点検出装置１００では、分割フィールドレンズ１１１によって、光路が３つに分割している。但し、ここでは、分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ｃを透過する光束のみに注目して説明する。従って、多孔絞り１１４や再結像レンズユニット１１５に関しては、一部のみを図示している。

図９において、１２は、撮像レンズ１０の入射瞳を示しており、１４は、撮像レンズ１０の射出瞳を示している。また、点線ＤＬは、光束を示している。具体的には、２本の点線ＤＬの内側の光束が、多孔視野マスク１１０の開口１１０ｃの撮像レンズの光軸ＯＡ’から最も遠い位置に到達する。

図１０は、多孔視野マスク１１０の開口１１０ｃから見た撮像レンズ１０の入射瞳１２及び射出瞳１４を模式的に示す平面図である。図９に示す２本の点線ＤＬの内側の光束は、図１０では、入射瞳１２及び射出瞳１４の略円形状の共通部分を通過する光束である。上述したように、多孔絞り１１４の開口は、分割フィールドレンズ１１１によって、撮像レンズ１０の射出瞳１４の近傍に逆投影されるが、入射瞳１２及び射出瞳１４による光束のケラレがないように構成されている。

図１０において、２２１ｃｖ１、２２１ｃｖ２、２２１ｃｈ１及び２２１ｃｈ２は、多孔絞り１１４の開口１１４ｃｖ１、１１４ｃｖ２、１１４ｃｈ１、１１４ｃｈ２の逆投影像である。これらの逆投影像が、図１０における入射瞳１２及び射出瞳１４の共通部分に投影されるように多孔絞り１１４を構成することによって、ケラレの発生を防止することができる。

図９及び図１０から明らかなように、撮像レンズ１０の光軸ＯＡ’からの距離が長い焦点検出領域ほど、入射瞳１２及び射出瞳１４の共通部分が減少する。かかる共通部分が減少すると、撮像レンズ１０の光軸ＯＡ’に対する分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ｃの偏心方向に焦点検出領域を有する逆投影像の方が、それに直交する方向に焦点検出領域を有する逆投影像に比べてケラレが発生しやすい。なお、分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ｃの偏心方向に焦点検出領域を有する逆投影像は、本実施形態では、水平方向の逆投影像２２１ｃｈ１及び２２１ｃｈ２である。また、分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ｃの偏心方向に直交する方向に焦点検出領域を有する逆投影像は、本実施形態では、垂直方向の逆投影像２２１ｃｖ１及び２２１ｃｖ２である。

このように、焦点検出点とファンダー中心ＣＰとの距離が長ければ長いほど、撮像レンズ１０の瞳によるケラレの影響を受け、特に、水平方向の焦点検出領域（逆投影像）１５１ｂｈ−１の焦点検出結果の信頼性の低下を招く原因となる。これが起因して、ファインダー中心ＣＰとの距離が長い焦点検出点の水平方向の焦点検出領域の長さを保ちながら、その中心と各焦点検出点の位置を揃えると、垂直方向の焦点検出領域と比較して、撮像レンズ１０の瞳によるケラレが顕著となる。

これに対して、多孔絞り１１４の開口の間隔を短くしたり、開口面積を小さくしたりすることによって、撮像レンズ１０の瞳によるケラレが発生しないようにする方法が考えられる。しかしながら、かかる方法は、位相差方式の焦点検出において、焦点検出性能及び精度を下げると共に、低輝度限界の劣化を招いてしまうため好ましくない。

焦点検出装置１００は、焦点検出性能及び精度、焦点検出の低輝度限界性能を落とすことなく、クロス焦点検出を実現することができる。これは、ファインダー中心からの距離が長い焦点検出点に関し、水平方向の焦点検出領域の中心を上述したように配置することによる。なお、本実施形態では、左右対称性に着目して、図８における左側（添え字ｂ）について説明したが、図８における右側（添え字ｃ）につても同様である。

また、焦点検出装置１００は、撮像面中心からの距離が短い焦点検出点と、撮像面中心からの距離が長い焦点検出点とを、垂直方向に交互に配置している（焦点検出領域（逆投影像）１５１ｂｈ−１、１５１ｂｈ−２、１５１ｂｈ−２）。これらの焦点検出領域は、受光手段１１６上のセンサ列の逆投影像であるため、このように配置すると受光手段１１６上のセンサ列間の隙間が少なくなる。従って、受光手段１１６上のセンサ列を効率よく配置することができ、受光手段１１６を小型化し、コストダウンを図ることができる。

このように、本実施形態の焦点検出装置１００は、焦点検出点を撮像範囲の構図を優先した配置に保ちながら、広範囲の撮像範囲内において、クロス焦点検出を実現することができる。また、焦点検出装置１００は、複数の焦点検出点のクロス焦点を、撮像レンズ１０の光軸に対して偏心した分割フィールドレンズ１１１のレンズ部１１１ｂ及び１１１ｃを用いて実現している。これにより、光電変換素子（即ち、受光手段１１６のセンサ列）上での光学像の重なるを防ぐための新たな光学部材を配置することや、光路長を長くしたりする必要がなく、焦点検出装置１００の大型化及びコストアップを防止することができる。更に、焦点検出領域を上述したように配置することによって、焦点検出装置１００は、焦点検出精度及び焦点検出の低輝度限界性能を犠牲にすることなく、クロス焦点検出を実現することができる。

図１に戻って、制御部８０は、焦点検出装置１００が検出した撮像レンズ１０の焦点状態（焦点ずれの方向及びデフォーカス量）に基づいて、撮像レンズ１０が有する焦点調整レンズを制御し、撮像レンズ１０の焦点を調整する。詳細には、制御部８０は、撮像レンズ１０の焦点ずれの方向及びデフォーカス量に基づいて、焦点調整レンズの駆動量を算出し、かかる算出結果を図示しない撮像レンズ側制御部に送信する。かかる撮像レンズ側制御部は、制御部８０からの焦点調整レンズの駆動量に基づいて、モーター等を介して焦点調整レンズを駆動する。

撮像装置１の動作について説明する。ファインダー観察時において、撮像レンズ１０を透過した光は、主ミラー２０で反射され、焦点板３２に結像し、ペンタプリズム３４及び接眼レンズ３６を介して観察される。また、主ミラー２０を透過した光は、サブミラー４０で反射され、焦点検出装置１００に入射する。焦点検出装置１００は、上述したように、高精度に撮像レンズ１０の焦点状態を検出することができる。かかる検出結果に基づいて、制御部８０及び図示しない撮像レンズ側制御部は、撮像レンズ１０内に含まれるフォーカスレンズを駆動して、合焦状態を得る。

一方、撮像時（記録用画像の取得時）において、主ミラー２０及びサブミラー４０は、撮像光路上から退避し、撮像レンズ１０を透過した光は、撮像素子５０で撮像される。撮像装置１は、焦点検出装置１００によって撮像レンズ１０の焦点を高精度に検出すると共に、かかる検出結果に基づいて、撮像レンズ１０の焦点を調整することができるため、高品位な画像を撮像することができる。また、焦点検出装置１００は、上述したように、大型化及びコストアップを防止する。従って、焦点検出装置１００を用いる撮像装置１も大型化及びコストアップを防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の一側面としての撮像装置の構成を示す概略断面図である。 図１に示す焦点検出装置の構成を示す概略斜視図である。 図２に示す焦点検出装置のＹＺ断面図である。 図２及び図３に示す焦点検出装置の多孔視野マスクを示す概略平面図である。 図２及び図３に示す焦点検出装置の多孔絞りを示す概略平面図である。 図２及び図３に示す焦点検出装置の再結像レンズユニットを示す概略平面図であって、図６（ａ）は再結像レンズユニットの入射側を、図６（ｂ）は再結像レンズユニットの射出側を示している。 図２及び図３に示す焦点検出装置の受光手段を示す概略平面図である。 ファインダー視野における焦点検出領域について説明するための図である。 図２に示す焦点検出装置のＸＺ断面図である。 図２に示す焦点検出装置の多孔視野マスクの開口から見た撮像レンズの入射瞳及び射出瞳を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１ 撮像装置
１０ 撮像レンズ
１２ 入射瞳
１４ 射出瞳
５０ 撮像素子
８０ 制御部
１００ 焦点検出装置
１１０ 多孔視野マスク
１１０ａ乃至１１０ｃ 開口
１１１ 分割フィールドレンズ
１１１ａ乃至１１０ｃ レンズ部
１１２ 遮光板
１１３ フィルター
１１４ 多孔絞り
１１４ａ乃至１１４ｃ 開口
１１５ 再結像レンズユニット
１１５ａｉ乃至１１５ｃｉ プリズム部
１１５ａｏ乃至１１５ｃｏ レンズ部
１１６ 受光手段
１１６ａｖ１−１乃至１１６ｃｖ２−３ センサ列
１１７ａｖ１乃至１１７ｃｈ２ 光学像
１５１ ファインダー視野
１５１ａ乃至１５１ｂ クロス焦点検出点
１５１ａｖ−１乃至１５１ｃｈ−３ 逆投影像（焦点検出領域）
１５２ｂｈ−１乃至１５２ｃｈ−３ 広がり中心
２２１ｃｖ１乃至２２１ｃｈ２ 逆投影像
ＯＡ及びＯＡ’ 光軸
ＣＰ ファインダー中心

Claims (5)

1. 撮像レンズからの光束を分割し、該分割された光束により形成された対の像の位相差に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記撮像レンズの光軸に対して偏心したレンズ部を有するフィールドレンズと、
   前記レンズ部を通過した光束により形成された前記対の像をそれぞれ光電変換する複数の焦点検出領域を有する受光手段とを有し、
   前記受光手段は、第１の方向での前記位相差を検出する第１の焦点検出領域および第２の焦点検出領域と、前記第１の方向とは異なる第２の方向での前記位相差を検出する第３の焦点検出領域および第４の焦点検出領域とを有し、
   前記第１の焦点検出領域と第２の焦点検出領域は、互いに前記撮像レンズからの光軸に対する距離が異なり、
   前記第１の焦点検出領域と前記第２の焦点検出領域はそれぞれ、該第１および第２の焦点検出領域の中心とは異なる位置で前記第３の焦点検出領域および前記第４の焦点検出領域と交差し、
   前記第１の焦点検出領域と前記第３の焦点検出領域とが交差する位置は、前記第１の焦点検出領域の中心に対して前記光軸に近い側であり、前記第２の焦点検出領域と前記第４の焦点検出領域とが交差する位置は、前記第２の焦点検出領域の中心に対して前記光軸から遠い側であることを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記第１の焦点検出領域は、前記第２の焦点検出領域よりも前記光軸に近い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１の焦点検出領域と前記第２の焦点検出領域は、前記光軸に対する前記レンズ部の偏心方向と直交する方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点検出装置。
4. 前記光軸に対する前記レンズ部の偏心方向は、前記撮像レンズの結像面上における水平方向又は垂直方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
5. 撮像レンズを介して被写体像を撮像する撮像装置であって、
   請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
   前記焦点検出装置の検出結果に基づいて、前記撮像レンズを駆動する制御部と、
   前記被写体像を撮像して画像信号を出力する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。