JPH067219B2 - カメラの焦点検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1)技術分野 本発明は、撮影レンズを通過した被写体光を受光して撮
影レンズピント状態を検出するカメラの焦点検出装置に
関する。

(2)従来技術 光軸に対して互いに対称な関係にある撮影レンズの第１
と第２の領域のそれぞれを通過した被写体光束をそれぞ
れ再結像させて二つの像をつくり、この二つの像の相互
位置関係を求めて、結像位置の予定焦点位置からのずれ
量およびその方向（結像位置が予定焦点位置の前側か、
後側か、即ち前ピンか後ピンか）を得るようにした焦点
検出装置がすでに提案されている。このような焦点検出
装置の光学系は、第１図に示すような構成となつてお
り、この光学系は撮影レンズ２の後方の予定焦点面４あ
るいはこの面からさらに後方の位置にコンデンサレンズ
６を有し、さらにその後方に再結像レンズ８、１０を有
し、各再結像レンズの結像面には例えばＣＣＤを受光素
子として有するラインセンサ１２，１４を配してある。
各ラインセンサ１２，１４上の像は、第２図に示すよう
に、ピントを合わすべき物体の像が予定焦点面より前方
に結像する、いわゆる前ピンの場合、光軸１８に近くな
り互に近づき、反対に後ピンの場合、夫々光軸１８から
遠くなる。ピントが合つた場合、二つの像の互いに対応
し合う二点の間の間隔は、ピント検出装置の光学系の構
成によつて規定される特定の距離となる。したがつて、
原理的には二つの像の間隔を検出すればピント状態が分
かることになる。この像間隔の検出方法の一つとして次
のような方法が公知である。

即ち、第３図において、センサ１２，１４のそれぞれは
例えば１０個および１６個のホトダイオードのセルａ_１
〜ａ_１０，ｂ_１〜ｂ_１６からなつている。今、便宜上各
セルに付けた符号は各セルの出力をも表わすものとす
る。ここで、センサ１４において連続する１０個のセル
の組を考えると、図のように７つの組Ｂ_１，Ｂ_２，…Ｂ
_７ができる。これら７組のうちどの組の像がセンサ１２
の像と最も一致しているかを検出してピント状態を知る
わけである。今、例えばセンサ１２の像がセンサ１４の
組Ｂ_１の部分の像と一致しているものとする。つまり、
セルａ_１，ａ_２，…ａ_１０の各出力とセルｂ_１，ｂ_２，
…ｂ_１０の各出力との間にａ_１＝ｂ_１，ａ_２＝ｂ_２，…
ａ_１０＝ｂ_１０の関係が成立しているものとする。この
場合、 S₁＝｜a₁-b₁｜+a₂-b₂｜＋…｜a₁₀-b₁₀｜＝０……(1) となるが、Ｓ_１は組Ｂ_１以外の組の像に対する同様な計
算結果よりも小さく、すべての組の像に対する計算結果
の中で最小となる。このような最小値をとる組を見い出
すために、まず各組の像に対して上記のような計算が行
われる。次いで、得られた計算結果の中から最小値を見
い出す操作が行われる。このようにしてＡ１の組の像と
Ｂ１の組の像が一致していると云うことが検出される
と、次にＢ１の組の焦点検出装置の光学系における位置
を検出し、その位置が基準位置と一致しているが基準位
置より光軸寄りにあるか、反対側にあるかの判定及び基
準位置からのずれ量によつて、合焦，前ピン，後ピンの
判定等を行う。

所で上述した焦点検出方式ではラインセンサによつて得
られる離散的な映像信号によつて測距を行つているの
で、像の性質によつては測距誤差が生ずる可能性があ
る。例えば被写体が一つの点光源である場合を考える。
第４図でＩ１，Ｉ２がコンデンサーレンズと再結像レン
ズ８，１０によつてラインセンサＣ上に形成された光点
の像の照度分布とする。この図で横軸の目盛は、目盛線
の間の部分が一つのセルに相当しており、点光源の像で
あるから像の照度分布範囲はラインセンサの一つのセル
の中に納まつている。こゝで前述した所により二つの像
Ｉ１，Ｉ２間の距離ｋによつて被写体距離が求まるので
あるが、像Ｉ１，Ｉ２等が一つのセルの範囲内で左右に
移動しても当のセルの出力には変化がなく、第４図で光
点像がＩ１，Ｉ２である場合と、それより内側によつて
夫々のセルの反対側の縁に位置した場合（像Ｉ１′，Ｉ
２′）とでは両像間の距離にはセル２個分の近い差があ
るのに、ラインセンサの出力は変らず、この距離の差は
検出できなくて測距誤差を来すことになる。このような
原因による測距誤差は被写体が点光源のようなものの場
合に限られず、階段状の輝度分布を持つたものである場
合にも生ずる。

上述したような測距誤差を防ぐにはラインセンサ上の像
の空間周波成分から高周波成分をカツトして光点の像の
照度分布が複数のセルにまたがるようにすることが考え
られるが、ローパスフイルタの特性を有する光学素子を
必要とするため焦点検出光学系の構成が複雑となる。

(3) 目 的 本発明は特別な光学素子を用いることなく、上述した誤
差の発生を防いだ焦点検出装置を提供しようとするもの
である。

(4) 構 成 本発明は第１図の構成において測距光学系によつてでき
る、撮影レンズの予定焦点面上の像の再投影像のコント
ラストが最大になる位置よりも前側に、ラインセンサを
位置させるようにしたものである。

ラインセンサの位置をコントラスト最大の位置より前側
に移すと、ラインセンサ上の像はピンぼけ状となり、ロ
ーパスフイルタを挿入したのと同じ効果が得られる。同
じ効果はラインセンサをコントラスト最大位置より後方
にずらせても得られる筈であるが、そのようにすると像
におけるコマ様収差の影響が現れて好ましくない。この
点を第５図によつて説明する。この図は再結像レンズ
８，１０の部分を拡大したもので、Ｕ，Ｐ，Ｌ及び
Ｕ′，Ｐ′，Ｌ′は撮像レンズによつて撮像レンズ光軸
１８上に形成された像点から出ている光線を示す。光線
Ｐは再結像レンズ８の中心を通る光線であり、Ｐ′はレ
ンズ１０の中心を通る。再結像レンズ８，１０は中心が
光軸１８の側方にあるから、光線Ｐ，Ｐ′は夫々レンズ
８，９の中心を斜めに透過する。このためにコマ収差が
現れる。図でＡの位置は光線Ｐ，Ｐ′に極めて近い光線
（近軸光線）のみによつて形成される再投影像の位置
で、収差を考慮しないときの像位置であるが再結像レン
ズの中心位置から遠くはずれた位置を通る光軸Ｌ，Ｌ′
はＡの像点からの離れ量が大きく、非対称形の収差を呈
する。ａはこの収差パターンである。本発明が立脚して
いる焦点検出方式は再結像レンズ８，９によつて形成さ
れる同一被写体の像が第２図に示したように同じ向きに
なつており、その前提で二つの像の相関を検出している
のであるが、上述した収差はレンズ８と１０で向きが反
対になるから、同じ点像であるのに演算上別の像である
と云う判定になつてしまう。このためＡ点付近にライン
センサを置くことは不適当である。Ｂ点は収差を持つた
レンズ８，１０の透過光束の最小錯乱円の位置であり、
この位置が像のコントラスト最大の位置である。Ｃは本
発明によるラインセンサ設置位置で、この位置における
点像は同図ｃに示すような同心円状の照度分布を持つて
おり、方向性がないから、上述した問題がない。これが
本発明において、ラインセンサをコントラスト最大位置
より前側に位置させる理由がある。

本発明によると第４図によつて説明した測距誤差が防が
れる理由を説明する。第３図でＡ１の組とＢ１の組の相
関が最も高いときが合焦位置であるとする。任意の撮像
レンズ位置で、例えばＡ１の組とＢ４の組の相関が最高
であつたとすると、Ａ１組とＢ１組の相関が最大になる
迄の撮影レンズの駆動方向及び距離が求められる。この
結果に基いて撮像レンズを所定量だけ駆動すると、Ａ１
とＢ１の組の相関が最大となる。この状態では未だＡ１
とＢ１の組の相関が他の組間の相関に比し最大と云うだ
けであり、第４図によつて説明したような点像とかステ
ツプ状のコントラストを持つ被写体の場合、対応する２
像間の距離が２セル分変化するのに相当する撮像レンズ
の位置変化だけのあいまいさが合焦検出に残つている。

しかしながら、本発明では上述のように像が複数個のセ
ルに拡がつているので像の正確な位置が複数個のセルの
出力によつて推定される。出力としてはセル１個ずつの
離散的な値しか情報はないが複数個のセルに像の情報が
のつている場合にはセル１ピツチ内のどの位置に像があ
るのかを推定することができる。よつてＡ１の組とＢ１
の組を比較する場合、セル１ピツチ分よりも高い精度で
Ａ１の像とＢ１の像の相関を取ることができる。

本発明の効果を第１０図以下の図面を用いて説明する。
第１０図で１は光電変換素子列でＣＣＤＰ１〜８，Ｑ１
〜Ｑ８からなつている。今、点光源の被写体に対し、光
電変換素子列上に第１０図ａ又はｂのような照度分布の
像があるとする。これら点光源に対する像は、ａ，ｂい
ずれの場合もＣＣＤＰ４，Ｐ５の受光面上のみに存在す
る。第１０図ａの場合の二つの像の間隔はＣＣＤの配列
ピツチを単位にして、９．５ピツチに相当し、第１０図
ｂの場合は、８．５０ピツチに相当する。しかし、光電
変換素子列の出力としては、第１図ａ及びｂのいずれの
場合にもＣＣＤＰ４とＱ５とから出力が現われるのみで
この出力信号からは両者の場合の像間隔は同じ９．００
ピツチであるという判断になる。つまり、ピツチ間隔よ
り小さい分解能での情報は得られない。第１０図ｃ，ｄ
には、第１０図ａ，ｂと同じく９．５０ピツチ及び８．
５ピツチの像間隔ではあるが、連続する三個のＣＣＤに
わたつて点火源に対する像が分布する場合を示してい
る。これら第１０図のｃ，ｄの像に対して、像を受けて
いるＣＣＤの各単位素子それぞれから第１１ａ，ｂに示
すような信号が出力されるものとする。次にこのような
信号によれば１ピツチ以下の分解能で像間隔の情報が得
られることを示す。第１２図は、二つの像に対応する出
力を比較する状態を示すものでは第１２図ａはＰ３，Ｐ
４，Ｐ５の出力をそれぞれＣＣＤＱ３，Ｑ４，Ｑ５の出
力に対置した場合を示し数字は対応ＣＣＤの出力差の値
を示す。尚、二つの像の一致度を検出する方法として例
えば互いに対置された二つとＣＣＤ間の出力の差を求め
るとともにその差の絶対値を求め、各組についての絶対
値の和Ｓが小さい程一致度が高いとする。第１２図ａの
ような出力の対置の仕方の場合、もし和Ｓが０となれば
二つの像がピツタリ一致して、像間隔は８ピツチという
ことになる。今第１２図ａの場合の和ＳをＳ８とする
と、 S8＝｜Q3-P3｜＋｜Q4-P4｜＋｜Q5-P5｜＋｜Q6-P6｜ ＝６＋11＋11＋６ ＝34 第１２図ｂは、ＣＣＤＰ３，Ｐ４，Ｐ５の出力をそれぞ
れＣＣＤＱ４，Ｑ５，Ｑ６の出力に対置した場合を示
す。この場合の和Ｓ９は S9＝｜Q4-Q3｜＋｜Q5-Q4｜＋｜Q6-Q5 ＝５＋０＋５ ＝10 第１２図ｃは、ＣＣＤＰ３，Ｐ４，Ｐ５の出力をそれぞ
れＣＣＤＱ５，Ｑ６，Ｑ７の出力に対置した場合を示
す。

この場合の和Ｓ１０は、 Ｓ10＝｜Q4-P2｜＋｜Q5-P3｜＋｜Q6-P4｜＋｜Q7-P5｜ ＝１＋６＋６＋１ ＝14 以上の結果を見るとＳ９が最も小さく、次いでＳ１０が
小さい。第１３図は、第１２図の像比較の結果を示すグ
ラフで、横軸の第１２図ａのような像比較の場合の対置
関係にある二つのＣＣＤ（例えばＰ３とＱ３の）間隔を
ピツチ単位で示すものである。第１３図において、最小
の和Ｓ９と三番目に小さい和Ｓ８を示す点ｊ１とｊ３と
を通る線ｌ１を引き、次にこの直線ｌ１と横軸とがなす
角θと等しく傾きが反対で、和Ｓ１０を示す点ｊ２を通
る直線を引く。このようにして引いた直線ｌ１とｌ２と
の交点ｊ４の横軸目盛位置を二つの像の間隔として扱う
ことにする。第１３図から交点ｊ４の位置は９．４２と
読みとれる。第１３図は第１０図ｃの場合に対応するも
ので、実際の像間隔は９．５０であるから、以上のよう
な操作をして求められた値９．４２は若干の誤差を含ん
ではいるが、分解能が高められていることは明らかであ
ろう。第１４図及び第１５図は第１０図ｄの場合を第１
２図及び第１３図と同様にして示したものである。この
場合、実際の像間隔８．５０に対して８．５８の値が読
みとれる。第１０図ｂのような像の場合では９ピツチと
いう情報しか得られないことに比べると改善されている
ことがわかる。次に第１３図及び第１５図における二つ
の直線の交点の横軸座標を計算により求める方法につい
て第１６図を参照して説明する。第１６図において、点
ｆ１，ｆ２，ｆ３は第１３図の点ｊ１，ｊ２，ｊ３にそ
れぞれ対応するものである。点ｆ１とｆ３を通る直線ｌ
１と勾配の大きさが等しく、その符号が反対で点ｆ２を
通る直線ｌ２を引くには、点ｆ２からＳｎ−Ｓｎ＋１だ
け低い点ｆ４をとり、このｆ４と同じ高さの点ｆ５を像
間隔目盛Ｄｎ＋１の線上にとり、点ｆ２とｆ５を通る直
線をつくればよい。直線ｌ１とｌ２との交点ｆ７とし、
このｆ７から横軸に平行に線分ｆ１ｆ５に向けて直線を
引き、この線分との交点をｆ６とする。こうすると点ｆ
６とｆ７との間の長さがΔｘが、１ピツチ以下の像間隔
情報となる。ところで三角形ｆ１ｆ６ｆ７は三角形ｆ１
ｆ３ｆ８と相似であるから が成立する。ここで ｆ１ｆ８は受光素子配列の１ピツチ相当の長さである。
よつて ちなみに(4)式に第１３図における数値を代入して計算
するとΔｘは０．４１７と求まる。尚、第１６図の場合
最小の和Ｓ_n+1に対応する像間隔Ｄ_n+1にΔｘを加えたも
のが求まる像間隔となる。

以上は和Ｓの最小値に次いで小さい和Ｓがグラフにおい
て目盛Ｄ_n+1よりも右側に位置する場合であつた。第１
７図のように左側に位置する場合については、上述と同
様にして次式を求めることができる。

第１７図の場合は、最小の和Ｓ_n+1に対応する像間隔Ｄ
_n+1からΔｘだけ減したものが求める像間隔ということ
になる。

以上のように三つの和Ｓについてのデータが与えられる
と計算処理によつて１ピツチ間隔以下の分解能で像間隔
を検出することができる。

(5) 実 施 例 第６図は本発明の一実施例の焦点検出装置を一眼レフレ
ツクスカメラに装着した状態を示す。２は撮影レンズ、
Ｍは一眼レフレツクスミラー、ｍはＭと一体的な小鏡
で、撮影レンズの光軸を下方に曲げる。Ｓが本発明に係
る焦点検出装置の光学系部分である。この光学系部分は
それだけで単一部品としてモジュール化されており、カ
メラのミラーボツクスの底の下側に設置され、撮影レン
ズ透過光は一眼ヘフレツクスミラーＭを透過し、小鏡ｍ
で反射されて焦点検出装置Ｓに入射せしめられる。Ｓに
おいて、第１図の各部に対応する部分には同じ番号がつ
けてある。６はコンデンサレンズ、８，１０は再結像レ
ンズでこの図では図の紙面に垂直の方向に並んでいるの
で、片方の８だけが見えている。ＣはＣＣＤラインセン
サであつて、第５図で云えばＣ点の位置に置かれてい
る。第７図は焦点検出装置の光学系部分Ｓの拡大縦断側
面図、第８図は同じく平面図である。第７図において、
２２はコンデンサレンズの光軸を９０°折曲している鏡
であり、光学系Ｓ全体をコンパクトなものにしている。
２０はコンデンサレンズ６の前面に配置された視野マス
クで第８図に示すように矩形開口である。

第９図は焦点検出装置の光学系部分Ｓの分解斜視図であ
る。本体モジュール２６の上面の段付き円孔２７にコン
デンサレンズ６が嵌合せしめられて、コンデンサレンズ
６のモジュール本体に対する位置が決まる。視野マスク
２０は下面に突出させた係合片２０Ａ，２０Ｂがモジュ
ール本体２６の矩形孔２８及び溝２９に嵌合して位置が
決まり、２０Ａ，２０Ｂの内側面に形成した爪部２０
ａ，２０ｂがモジュール本体に係止して抜け止めとな
り、マスク２０はコンデンサレンズ６の押え部材となつ
ている。再結像レンズ８，１０はプラスチツクにより一
体的に成形されおり、両レンズ夫々の絞りマスク３０と
共に両側のピン孔１０ａ，３０ａがモジュール本体２６
内に突設したピン２６ａに嵌合することによつて位置決
めされている。なお３１は赤外カツトフイルタである。

(6) 効 果 本発明によれば、特別な空間周波数フイルタ等を用いる
ことなく、測距が離散的なデータによつて行われること
による距離設定の飛びが解消され、投影レンズの合焦精
度の向上が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる焦点検出装置の光学系の概略構
成図、第２図は上記光学系の部分拡大図、第３図は上記
焦点検出装置による焦点検出方法を説明するための説明
図、第４図は被写体が光点である場合に生ずる問題を説
明するためのグラフ、第５図は本発明の作用を説明する
再結像レンズ部分の拡大図、第６図は本発明の一実施例
に係る焦点検出装置を備えたカメラの縦断側面略図、第
７図は本発明焦点検出装置の光学系部分の縦断側面拡大
図、第８図は同じく平面拡大図、第９図は同じく分解斜
視図、第１０図は本発明の作用を説明する図、第１１図
は本発明の作用を説明する図、第１２図は第１１図に示
したグラフの変化状態を示す図、第１３図は本発明の効
果を説明する図、第１４図は上記第１２図と同様の説明
図、第１５図は第１３図と同様の説明図、第１６図は本
発明の効果を演算操作で得るための説明図、第１７図は
第１６図と同様の図である。 ２…撮影レンズ、６…焦点検出装置のコンデンサレン
ズ、８，１０…再結像レンズ、１２，１３…ラインセン
サ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カメラの撮影レンズの予定焦点位置付近に
   配置されたコンデンサレンズと、 コンデンサレンズの後方に配置され、撮影レンズと前記
   コンデンサレンズを通過した光を結像する一対の結像光
   学系と、 前記結像光学系によって結像される一対の像の像間隔を
   検出するラインセンサと、 前記結像光学系と前記ラインセンサとの間の距離が、前
   記結像光学系から前記予定焦点位置上に結像された像が
   前記結像光学系によって再結像される位置までの距離よ
   りも短くなるように、ラインセンサを配置したことを特
   徴とするカメラの焦点検出装置。