JPH11352396A - 焦点検出装置及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 撮影画面又は観察面上の広い範囲にわたり焦
点検出を可能とする焦点検出装置及びそれを用いた光学
機器を得ること。 【解決手段】 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焦点検出装置において、該光学
手段の構成を適切に設定したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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装置に所謂像ずれ方式（位置差
検出方式）と呼ばれる方式がある。

【０００３】この像ずれ方式の焦点検出装置は、検出可
能なデフォーカス量が大きいことや被写体距離に左右さ
れずに焦点状態を良好に検知できるという特徴がある。

【０００４】像ずれ方式の焦点検出装置においては対物
レンズの像面側に一対の開口部を有する絞りとそれに対
応した一対の２次結像系（再結像レンズ）を有する検出
系を１つ又は複数有した光学手段を設け、該光学手段に
より該対物レンズの瞳の異なる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検出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】像ずれ方式の焦点検出
装置では２次物体像を形成する検出系の構成が焦点検出
精度に大きく影響してくる。

【０００６】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。

【０００７】

【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焦点検出装置において、該光学手段
は該対物レンズの光軸とは異なる方向に光路を折り曲げ
る所定面上に被写体像を形成する集光性の反射鏡と非球
面及び回折レンズ面を備え、第１平面内に該対物レンズ
の瞳を分離して対となる２次物体像を該光電変換素子上
に形成する第１の検出系と非球面及び回折レンズ面を備
え、該第１平面と直交する第２平面内に該対物レンズの
瞳を分離して対となる２次物体像を該光電変換素子上に
形成する第２の検出系とを有することを特徴としてい
る。

【０００８】特に、(1-1-1) 該第１の検出系の瞳分離
による視差は該第２の検出系のそれよりも小さく、該第
１の検出系による２次物体像の該光電変換素子での受光
エリアは該第２の検出系によるそれよりも高画角である
ことを特徴としている。

【０００９】本発明の光学機器は、(2-1) 構成(1-1) 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している。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１，図２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
要部概略図である。図１は焦点検出装置において対物レ
ンズ（撮影レンズ）の瞳を縦方向に分離する第１の検出
系を示し、図２は対物レンズの瞳を横方向に分離する第
２の検出系を示している。

【００１１】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。

【００１２】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４つの開口８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈを有
する絞り、９は絞り８の４つの開口に対応して配置さ
れ、各々が非球面及び特開平１０−１３３１４９号公報
に知られる回折レンズ面を備える４つのレンズであり、
凸レンズ面として９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈを有する２次
結像系（再結像レンズブロック）、１０は第３の反射
鏡、１１はエリアセンサーであり、二対の２次元型受光
エリアセンサ１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ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，絞り８，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。

【００１３】各受光エリアセンサ１１ｅ〜１１ｆは複数
のセンサー列より構成しており、センサー列同士も対を
なしている。

【００１４】ここで、第１の反射鏡４は楕円鏡であっ
て、楕円を定義する二つの焦点は、対物レンズ１０１の
光軸１上の光線が主ミラー３で屈折した後の光路を逆に
対物レンズ１０１側に延長した線上と、その光線が第１
の反射鏡４によって反射した後の光路を延長した線上に
それぞれ位置する。また、第１の反射鏡４は焦点検出領
域を制限する視野マスクの役割を兼ねるため、必要な領
域のみが光を反射するようになっている。第２の反射鏡
６’、第３の反射鏡１０は平面鏡、或は楕円鏡（又は集
光性の鏡）のいずれでも良い。である。なお、これらの
構成要素のうちの光学的に機能する部分は何れも紙面に
対して対称に構成している。

【００１５】図３は絞り８の平面図である。図３におい
て絞り８は金属製あるいは樹脂製の遮光性薄板より成る
絞り、８ｅ〜８ｆは絞り開口部（開口部）、８ｉ，８ｊ
は位置決め穴である。絞り８は位置決め穴８ｉ，８ｊを
介して再結像レンズブロック９に固定している。

【００１６】再結像レンズブロック９の光入射側は第１
の反射鏡４によって偏向した対物レンズ１０１の光軸上
に中心を持つ単一の凹状の非球面、射出側は互いに反対
方向に偏芯した２対の凸レンズ面９ｅ〜９ｈとなってい
る。ここでレンズ面９ｅ〜９ｈのすべてが回折レンズ
面、即ち特開平１０−１３３１４９号公報に知られる回
折現象を用いたレンズ作用面となる。さらに、凹状球面
の中心は第１の反射鏡４によって形成される対物レンズ
１０１の近軸的結像面５に、また、前記２対のレンズ部
９ｅ〜９ｈの中心は前記絞り開口８ｅ〜８ｈの近傍にほ
ぼ等しく設定してある。このようにレンズのパワーを配
置する事によって広い波長域にわたって、また撮影範囲
の複数の領域において高精度な焦点検出を可能としてい
る。

【００１７】絞り８と再結像レンズブロック９との位置
関係は、図３に破線で示した如く絞り８の背後に２対の
レンズ９ｅ〜９ｈが位置するようになっている。絞り開
口８ｅ，８ｇの開口重心は、対物レンズ１０１の光軸近
傍の光路に平行であってレンズ部９ｅ，９ｇの曲率中心
Ｐ６，Ｐ７を含む第１の平面（図１の紙面）ＰＬ１上に
あり、また、絞り開口８ｆ，８ｈの開口重心とレンズ部
９ｆ，９ｈの曲率中心は対物レンズ１０１の光軸近傍の
光路を含み第１の平面ＰＬ１と直交する第２の平面（図
２の紙面）ＰＬ２上にある。

【００１８】焦点検出光束の光路としては、絞り開口部
８ｅ〜８ｈとレンズ部９ｅ〜９ｈとは同一の添字で示し
たもの同士が対応し、各開口部を通過した光束は第３の
反射鏡１０を介してエリアセンサー１１上に２次物体像
を形成する。尚、異なる添字の要素を通過した光束はエ
リアセンサー上の所定の位置に到達しないため焦点検出
には寄与しない。

【００１９】添字ｅ，ｇで示した要素を通過する光束を
用いる検出系は、対物レンズの射出瞳を縦方向に分離
し、一方、添字ｆ，ｈで示した要素を通過する光束を用
いる検出系は、対物レンズの射出瞳を横方向に分離す
る。以降、瞳を縦方向に分離する検出系を第１の焦点検
出系（第１の検出系）、瞳を横方向に分離する検出系を
第２の焦点検出系（第２の検出系）と呼ぶことにする。

【００２０】次に以上の構成における光学作用を説明す
る。図１および図２に示した１２ｅ，１２ｇ，１２ｆ，
１２ｈは絞り８を通過して焦点検出に使われる画面中央
への光束である。これらの光線の進む順に説明を加える
と、まず、対物レンズ１０１からの光束は主ミラー３を
透過した後、第１の反射鏡４によってほぼ主ミラー３の
傾きに沿った方向に反射される。第１の反射鏡４は前述
のように楕円鏡であって、二つの焦点の近傍同士を実質
的に投影関係におくことができる。

【００２１】ここでは一方の焦点検出を対物レンズ１０
１の代表射出瞳位置１０１ａの光学的な等価点に、他方
の焦点を絞り８の光学的な等価点に設定し、フィールド
レンズとしての機能を持たせている。対物レンズ１０１
の代表射出瞳位置１０１ａとは、カメラに装着される種
々の投影レンズの射出窓の条件を勘案し、総合的に決定
される焦点検出系固有の仮定瞳位置である。

【００２２】第１の反射鏡４で反射した光束は第２の反
射鏡６で再び反射し、赤外線カットフィルター７に入射
する。ここで焦点検出の精度を低下させる要因となる赤
外線が除去され、対物レンズの収差補正が十分に成され
ている波長域の光のみが背後に置かれた絞り８や再結像
レンズブロック９まで到達する。再結像レンズブロック
９の作用で収斂した光束は第３の反射鏡１０を介して２
次物体像をエリアセンサー１１上に形成する。

【００２３】図４はエリアセンサー１１上の２次物体像
２２ｅ〜２２ｈの様子を示す図であって、格子状の物体
についての例である。再結像レンズブロック９の四つの
レンズによって四つの２次物体像が形成され、２２ｇ，
２２ｅ及び２２ｆ，２２ｈがそれぞれ相対的位置関係を
検出すべき対の像（２次物体像）となる。

【００２４】ここで、絞り８の開口部８ｅ，８ｇの間隔
と、開口部８ｆ，８ｈの間隔とは異なり、間隔の広い第
２の焦点検出系の方が２次物体像の移動が敏感になるた
め、高精度な焦点検出が可能である。

【００２５】物体が投影される範囲は、２次物体像２２
ｇ，２２ｅと２次物体像２２ｆ，２２ｈとでは異なり、
２次物体像２２ｇ，２２ｅでは第１反射鏡４の大きさで
決定される領域に、２次物体像２２ｆ，２２ｈではその
絞り開口部８ｆ，８ｈの間隔の差異から、主ミラーや第
２反射鏡上で光線が通れるだけの領域となって２次物体
像２２ｇ，２２ｅよりも狭くなる。また、第１の反射鏡
４が斜設されていることに起因して、各像には軸対称性
のない、かなり大きな歪みが生じる。

【００２６】ただし、このような歪みが存在する場合で
あっても、次の二つの条件を満たせば、特に速やかなピ
ント合わせが必要なカメラ用の焦点検出装置としても問
題はない。

【００２７】その条件とは、正確な合焦判定を得るため
に、 ．少なくとも対物レンズが合焦している際に、検出対
象となる一対のセンサー列上には物体上で同一位置に対
応する２次物体像が投影されていること、つまり、セン
サー列に直交する方向において二像の倍率差が小さいこ
と。

【００２８】また、正確なデフォーカス検出を得るため
に、 ．対物レンズのデフォーカスが生じた際に、検出対象
となる一対のセンサー列上には物体上で同一位置に対応
する２次物体像が位置的な位相差を持って投影されてい
ること。である。

【００２９】さて、このような観点からこの焦点検出系
について説明する。まず、瞳を縦方向に分離する第一の
焦点検出系については、第一の反射鏡４の傾きが瞳の分
離方向と一致した図１の紙面内であるために、２次物体
像２２ｇ，２２ｅの何れについても歪みはこの紙面に対
称な扇形状となり、歪み自体の量はかなり大きい。しか
し、二像間での歪みの差に注目すれば、それは僅かであ
って、特に瞳の分離と直交する方向に相当する図の横方
向の２次物体像２２ｇと２２ｅの像倍率差はほとんど無
い。

【００３０】したがって、図６の如く受光エリアのセン
サー列１１ｅ，１１ｇを配置すれば、一方の受光エリア
１１ｅ上の任意のセンサー列上に投影された物体像２２
ｅと対になる物体像２２ｇは他方の受光エリア１１ｇ上
の対応するセンサー列上に投影されることになる。つま
り、上記の条件を満たす。

【００３１】また、２次物体像の歪みの要因は第１の反
射鏡４、すなわち瞳投影光学系にあり、第１反射鏡４の
近軸的結像面５に生じた歪みが再結像レンズブロック９
によってそのままエリアセンサー１１上に投影されてい
ると言える。したがって、２次物体像２２ｅ，２２ｇの
移動方向は絞り開口部８ｅ，８ｆの並び方向であって、
エリアセンサー上では図５に示す矢印の方向である。

【００３２】したがって、上記のように図６の如くセン
サー列を設定することによって同時にの条件をも満た
し、これをもって２次物体像２２ｅ，２２ｇ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求めるこ
とが可能である。

【００３３】図８にはこのように配置した受光エリアに
よ撮像面上での焦点検出領域を示す。歪みのある２次物
体像２２ｇを矩形に整列した受光エリア１１ｇ，１１ｅ
で光電変換するために焦点検出領域３１は、撮像面３０
内で図のように歪んだ形状となる。

【００３４】次に、瞳を横方向に分離する第２の焦点検
出系について説明する。二像間での像倍率差が瞳の分離
と直交する方向で小さくなるのは、今度は撮像面の中央
部に近い領域だけである。そこで、この部分だけに受光
エリアを限定すれば、一方の受光エリア上の任意のセン
サー列上に投影された物体像と対になる物体像は他方の
受光エリア上の対応するセンサー列上に投影され、上記
の条件を満たすことになる。

【００３５】図７は図６に示した第１の焦点検出系の受
光エリア１１ｇ，１１ｅに加えて第２の焦点検出系のた
めの受光エリア１１ｆ，１１ｈを描いたエリアセンサー
１１の平面図である。対となる２次物体像２２ｆ，２２
ｈの移動方向は第１の焦点検出系と同様の理由から絞り
開口部８ｆ，８ｈの並び方向であって、センサー列を図
のように設定することによりすでにの条件も満たすこ
とができている。このような受光エリアによる撮像面上
での焦点検出領域は図９に示すとおりであり、焦点検出
領域３４は撮像面３０内の中央部となる。

【００３６】このようなエリアセンサー１１を用いて光
量分布を電気信号として出力し、検出対象とした一対の
センサー列上の像（２次物体像）の相対的位置関係を検
出することによって、対物レンズの焦点位置を検出する
ことが可能である。この際、検出対象のセンサー列対を
適当に選択すれば、撮像面上で２次元的な結像状態の検
出ができる。

【００３７】また、例えば図８で領域３２や領域３３と
して示すように、センサー列を複数の領域に分割して得
られる、より細分化されたフォーカスポイントの焦点情
報から撮像面上のデフォーカスマップを作成し、主とな
る被写体の中で最も適切な任意の位置に対物レンズのピ
ントを自動制御することも可能である。これによって被
写体中の複数の領域において焦点検出を行っている。

【００３８】図１０は光電変換素子のセンサー列を設け
ない領域まで含んだ２次物体像（以下「像」という）２
２−１〜２２−４の様子を表した説明図である。像２２
−１と像２２−２は平行移動したときにほぼ重なり合う
が、像２２−３と像２２−４は軸ＰＬ１と折り返しの関
係にあって平行移動しても重なり合う領域は中央部のみ
である。

【００３９】像２２−１と像２２−２を光電変換する
際、特にＸ方向において対応するセンサー列７０１−
１，７０１−２上には対応する像が入射する必要があ
る。同様に像２２−３と像２２−４を光電変換する際に
はＹ方向において対応するセンサー列７０２−３，７０
２−４上には対応する像が入射する必要がある。しかし
ながら、センサー列７０２−３，７０２−４上の点Ｐ３
と点Ｐ４は対応するセンサー列上の点であるにもかかわ
らず対応する像上の点ではない。

【００４０】このような理由から、反射鏡で光路を折り
曲げた面の方向（Ｙ方向）に瞳を分離した第１焦点検出
系は高画角まで焦点検出可能であるが、逆にこれと直交
する方向（Ｘ方向）に瞳を分離した第２焦点検出系は低
い画角しか焦点検出できない。

【００４１】そこで本実施例ではすべての撮影レンズに
対応できる小さな視差の焦点検出系を第１の検出系で行
い、特に明るいＦＮｏを持つ撮影レンズに対応する視差
（第１の検出系の視差より大きい）の焦点検出系を第２
の検出系で行うことによって、いかなる撮影レンズでも
少なくとも広視野の測距を可能としている。

【００４２】このように本実施形態においては集光性の
反射鏡４によって対物レンズの光軸とは異なる方向に光
路を折り曲げて所定面（結像面５）上に被写体像を形成
している。

【００４３】そして第１の検出系では光路を折り曲げる
第１平面ＰＬ１内に該対物レンズ１０１の瞳を分離して
対となる２次物体像を該光電変換素子１１上に形成して
いる。

【００４４】又、第２の検出系では該第１平面ＰＬ１と
直交する第２平面ＰＬ２内に該対物レンズ１０１の瞳を
分離して対となる２次物体像を該光電変換素子上に形成
している。

【００４５】そして第１の検出系の瞳分離による視差は
第２の検出系のそれよりも小さく、第１の検出系による
２次物体像の該光電変換素子での受光エリアは第２の検
出系によるそれよりも高画角であるようにしている。

【００４６】

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の第１の焦点検出系の光路
説明図

【図２】本発明の実施形態１の第２の焦点検出系の光路
説明図

【図３】本発明の実施形態１の絞りの平面図

【図４】本発明の実施形態１のエリアセンサー上の２次
物体像の様子を示す説明図

【図５】本発明の実施形態１の２次物体像の移動方向を
示す説明図

【図６】本発明の実施形態１のセンサー列の配置方向を
示す説明図

【図７】本発明の実施形態１のエリアセンサーの平面図

【図８】本発明の実施形態１のエリアセンサーの平面図

【図９】本発明の実施形態１のエリアセンサーの平面図

【図１０】本発明の実施形態１のエリアセンサーの平面
図

【符号の説明】

１０１ 対物レンズ １ 光軸 ２ 撮像手段 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次結像レンズ １０ 第３の反射鏡 １１ エリアセンサー ８ｅ〜８ｈ 絞り開口部 ９ｅ〜９ｈ レンズ部 ＰＬ１ 第１の平面 ＰＬ２ 第２の平面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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焦点検出装置において、該光学
   手段は該対物レンズの光軸とは異なる方向に光路を折り
   曲げる所定面上に被写体像を形成する集光性の反射鏡と
   非球面及び回折レンズ面を備え、第１平面内に該対物レ
   ンズの瞳を分離して対となる２次物体像を該光電変換素
   子上に形成する第１の検出系と非球面及び回折レンズ面
   を備え、該第１平面と直交する第２平面内に該対物レン
   ズの瞳を分離して対となる２次物体像を該光電変換素子
   上に形成する第２の検出系とを有することを特徴とする
   焦点検出装置。
2. 【請求項２】 該第１の検出系の瞳分離による視差は該
   第２の検出系のそれよりも小さく、該第１の検出系によ
   る２次物体像の該光電変換素子での受光エリアは該第２
   の検出系によるそれよりも高画角であることを特徴とす
   る請求項１の焦点検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１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。