JP2004170600A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮影画面の複数の領域において撮影レンズの焦点検出を行う場合に、イメージセンサーの共用化を図る。
【解決手段】同一種類の電荷蓄積型イメージセンサー（Ｓ１〜Ｓ３）を複数個用い、撮影レンズの異なる複数の領域を通過した複数の焦点検出用光束を、複数の焦点検出光学系によりそれぞれ各イメージセンサー（Ｓ１〜Ｓ３）へ導き、撮影画面の異なる複数の焦点検出領域において撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置であって、イメージセンサー（Ｓ１〜Ｓ３）のそれぞれに対して各焦点検出用光束が入射する部分の内、すべてのイメージセンサー（Ｓ１〜Ｓ３）に共通して入射する部分に電荷蓄積時間制御用のモニター素子を配置する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焦点検出光学系とイメージセンサーチップを複数組設け、撮影画面内の複数の焦点検出エリアにおいて撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、電荷蓄積型イメージセンサーに沿って複数個の光量検出用モニター素子を配置し、それらの中から対応する焦点検出光学系によりいずれかを選択するようにした焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】
特開平０５−２６４８９４号公報
【特許文献２】
特開昭６３−１４８２１７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
複数の焦点検出エリアにおいて焦点検出を行うために複数個のイメージセンサーチップを用いる場合、予めイメージセンサーに沿って配置した多くのモニター素子の中から焦点検出用光束の入射位置に応じていずれかを選択することにすると、イメージセンサーチップの構造が複雑になる上に、コストが増加する。
【０００６】
また、イメージセンサーチップごとに、焦点検出用光束の入射位置に合わせて光量検出用モニター素子を配置すると、モニター素子の配置が異なる複数のイメージセンサーチップを用意しなければならず、焦点検出装置のコストが増加する。
【０００７】
本発明は、同一種類のイメージセンサーチップを複数個用いて複数の焦点検出領域における撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１） 請求項１の発明は、同一種類の電荷蓄積型イメージセンサーを複数個用い、撮影レンズの異なる複数の領域を通過した複数の焦点検出用光束を、複数の焦点検出光学系によりそれぞれ各イメージセンサーへ導き、撮影画面の異なる複数の焦点検出領域において撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置であって、イメージセンサーのそれぞれに対して各焦点検出用光束が入射する部分の内、すべてのイメージセンサーに共通して入射する部分に電荷蓄積時間制御用のモニター素子を配置する。
（２） 請求項２の発明は、撮影画面の複数の焦点検出領域において位相差検出方式により撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置において、それぞれの焦点検出領域に対応して同一種類の電荷蓄積型イメージセンサーを用い、イメージセンサーのそれぞれに対して焦点検出用光束が入射する部分の内、すべてのイメージセンサーに共通して入射する部分に電荷蓄積時間制御用のモニター素子を配置する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、図７により、位相差検出方式の焦点検出装置について説明する。撮影レンズ１００の光軸上に視野マスク２００、フィールドレンズ３００、絞りマスク４００、再結像レンズ５００、イメージセンサー６００が配置されている。視野マスク２００は矩形の開口部を備えており、撮影レンズ１００の予定焦点面近傍に配置されて撮影レンズ１００により結像した被写体の空中像を規制する。イメージセンサー６００は複数の光電変換素子からなる一対のイメージセンサーアレイ６０１、６０２と入射する光量を検出するモニター素子６０３を備えている。
【００１０】
絞りマスク４００は２個の開口部４０１、４０２を備え、これらの開口部４０１、４０２はフィールドレンズ３００によって撮影レンズ１００上の領域１０１、１０２に投影される。再結像レンズ５００は絞りマスク４００の開口部４０１、４０２に対応する２個のレンズ５０１、５０２を備え、視野マスク２００の開口部の一対の光像２０１、２０２をイメージセンサーアレイ６０１、６０２上に結像する。
【００１１】
したがって、撮影レンズ１００の領域１０１から入射した光束は、視野マスク２００、フィールドレンズ３００、絞りマスク４００の開口部４０１、再結像レンズ５００のレンズ部５０１を通り、イメージセンサーアレイ６０１上に結像する。同様に、撮影レンズ１００の領域１０２から入射した光束は、視野マスク２００、フィールドレンズ３００、絞りマスク４００の開口部４０２、再結像レンズ５００のレンズ部５０２を通り、イメージセンサーアレイ６０２上に結像する。
【００１２】
視野マスク２００の開口部の一対の光像２０１、２０２は、撮影レンズ１００がフィルム等価面よりも前に被写体の鮮鋭像を結ぶいわゆる前ピン状態では互いに近づき、逆にフィルム等価面よりも後に被写体の鮮鋭像を結ぶいわゆる後ピン状態では互いに遠ざかり、ちょうどフィルム等価面に被写体の鮮鋭像を結ぶいわゆる合焦時には所定の距離に位置する。したがって、この一対の被写体像をイメージセンサー６００で光電変換して電気信号に変え、これらの信号を演算処理してイメージセンサー６００上の一対の被写体像の距離を求めることにより、撮影レンズ１００の焦点調節状態、ここでは合焦状態から離れている量とその方向（以下、デフォーカス量という）が求められる。
【００１３】
イメージセンサー６００上の一対の被写体像の間隔は、検出角θが広いほど遠く、狭いほど近くなる。検出角θは絞りマスク４００の開口部４０１と４０２の間隔によって定まり、間隔が狭いほど検出角θが狭くなる。検出角θが広いほどデフォーカス量の検出精度が向上するが、撮影レンズ１００上の一対の領域１０１と１０２の間隔も広くなるため、使用できる撮影レンズ１００の種類の限定が多くなる。また、撮影レンズの光軸とフィールドレンズの光軸とが一致しておらず、撮影画面の中央以外の位置で焦点検出を行う場合には、ケラレを避けるために検出角θを狭くする必要がある。
【００１４】
イメージセンサー６００は電荷蓄積型が一般的であり、蓄積時間を決定するために光量検出用のモニター素子６０３が設けられる。これはイメージセンサー６００上に結像される一対の像２０１、２０２のいずれか一方の範囲内に配置される。
【００１５】
図１は一実施の形態のイメージセンサーの正面図である。半導体チップＣＰ上には３対の電荷蓄積型イメージセンサーアレイＲ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂと３個の電荷蓄積時間制御用のモニター素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が形成されており、半導体チップＣＰはパッケージＰＫＧ内に封入されている。
【００１６】
図２は一実施の形態の焦点検出エリアの配置を示す。撮影画面内には５個の焦点検出エリアＡｒ１、Ａｒ２、Ａｒ３、Ａｒ４、Ａｒ５が設定され、これらの内のＡｒ２、Ａｒ３およびＡｒ５は撮影画面の縦方向と横方向に伸びる十字形状、Ａｒ１とＡｒ４は撮影画面の縦方向に伸びる形状である。また、焦点検出エリアＡｒ５は撮影レンズ１００の光軸近傍にある撮影画面中央のエリアであり、他の焦点検出エリアＡｒ１〜Ａｒ４は撮影レンズ１００の光軸から離れた位置にある撮影画面の周辺部のエリアである。
【００１７】
図３は、一実施の形態の焦点検出光学系とイメージセンサーの配置を示す。一実施の形態の焦点検出装置は、図２に示す各焦点検出エリアＡｒ１〜Ａｒ５に対応する５組の焦点検出光学系と、３個のイメージセンサーとを備えている。各焦点検出光学系は、開口部を有する視野マスク、フィールドレンズ、一対の開口部を有する絞りマスク、一対のレンズ部を有する再結像レンズから構成される。
【００１８】
ここで、３個のイメージセンサーＳ１〜Ｓ３はすべて同一種類、すなわちそれらの形状、構造、構成、仕様、機能など、すべてが同一のものである。なお、イメージセンサーＳ２は、イメージセンサーＳ１およびＳ３に対して１８０度回転した向きに設置されている。
【００１９】
縦長の焦点検出エリアＡｒ１には、縦長の開口を有する視野マスク１１、フィールドレンズ２１、一対の開口を有する絞りマスク３１、一対のレンズ部を有する再結像レンズ４１、およびイメージセンサーＳ１のイメージセンサーアレイＲ１ａ、Ｒ１ｂが対応する。十字型焦点検出エリアＡｒ２には、十字型開口を有する視野マスク１２、フィールドレンズ２２、縦方向と横方向にそれぞれ一対の開口を有する絞りマスク３２、縦方向と横方向にそれぞれ一対のレンズ部を有する再結像レンズ４２、およびイメージセンサーＳ１のイメージセンサーアレイＲ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂが対応する。
【００２０】
また、十字型焦点検出エリアＡｒ３には、十字型開口を有する視野マスク１３、フィールドレンズ２３、縦方向と横方向にそれぞれ一対の開口を有する絞りマスク３３、縦方向と横方向にそれぞれ一対のレンズ部を有する再結像レンズ４３、およびイメージセンサーＳ２のイメージセンサーアレイＲ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂが対応する。縦長の焦点検出エリアＡｒ４には、縦長の開口を有する視野マスク１４、フィールドレンズ２４、一対の開口を有する絞りマスク３４、一対のレンズ部を有する再結像レンズ４４、およびイメージセンサーＳ２のイメージセンサーアレイＲ１ａ、Ｒ１ｂが対応する。
【００２１】
さらに、十字型焦点検出エリアＡｒ５には、十字型の開口を有する視野マスク１５、フィールドレンズ２５、縦方向と横方向にそれぞれ一対の開口を有する絞りマスク３５、縦方向と横方向にそれぞれ一対のレンズ部を有する再結像レンズ４５、およびイメージセンサーＳ５のイメージセンサーアレイＲ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂが対応する。
【００２２】
なお、一実施の形態の焦点検出装置には同一種類のイメージセンサーを３個使用しているが、イメージセンサーＳ３のイメージセンサーアレイＲ１ａ、Ｒ１ｂは使用しない。
【００２３】
図４は視野マスク１１〜１５の形状を示す。（ａ）は縦長の焦点検出エリアＡｒ１とＡｒ４に対応する視野マスク１１と１４であり、（ｂ）は十字型の焦点検出エリアＡｒ２とＡｒ３に対応する視野マスク１２と１３であり、（ｃ）は十字型の焦点検出エリアＡｒ５に対応する視野マスク１５である。
【００２４】
ここで、（ｂ）に示す視野マスク１２、１３は、撮影レンズ１００の光軸から離れた位置にある撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ２、Ａｒ３に対応し、（ｃ）に示す視野マスク１５は、撮影レンズ１００の光軸近傍にある撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５に対応する。（ｂ）に示す視野マスク１２、１３の横方向の開口幅は、（ｃ）に示す視野マスク１５の横方向の開口幅よりも狭くなっている。（ｂ）に示す視野マスク１２、１３の横方向の開口幅を短くしているのは、焦点検出エリアＡｒ２、Ａｒ３を通過した焦点検出用光束が、隣接する焦点検出エリアのイメージセンサーアレイに入射して有害光となるのを防ぐためである。
【００２５】
図５は一実施の形態の絞りマスク３１〜３５の形状を示す。（ａ）は縦長の焦点検出エリアＡｒ１とＡｒ４に対応する絞りマスク３１と３４であり、（ｂ）は十字型の焦点検出エリアＡｒ２とＡｒ３に対応する絞りマスク３２と３３であり、（ｃ）は十字型の焦点検出エリアＡｒ５に対応する絞りマスク３５である。
【００２６】
ここで、（ａ）に示す絞りマスク３１、３４は、撮影レンズ１００の光軸から離れた位置にある撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ１、Ａｒ４に対応し、（ｂ）に示す絞りマスク３２、３３は、撮影レンズ１００の光軸から離れた位置にある撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ２、Ａｒ３に対応し、（ｃ）に示す絞りマスク３５は、撮影レンズ１００の光軸近傍にある撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５に対応する。
【００２７】
（ａ）および（ｂ）に示す撮影レンズ光軸から離れた位置にある撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ１〜Ａｒ４に対応する絞りマスク３１〜３４の各対の開口部の間隔は、（ｃ）に示す撮影レンズ光軸近傍にある撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５に対応する絞りマスク３５の対の開口部の間隔よりも狭くなっている。したがって、撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ１〜Ａｒ４の検出角θは狭く、撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５の検出角θは広いことになる。
【００２８】
図６はイメージセンサーＳ１とＳ３上に視野マスク開口の像が結像する様子を示す。図において、細い実線は、撮影レンズ光軸近傍の撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５に対応するイメージセンサーＳ３上の視野マスク１５の開口像であり、細い破線は、撮影レンズ光軸から離れた撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ２に対応するイメージセンサーＳ１上の視野マスク１２の開口像である。撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５に対応するイメージセンサーＳ３上の一対の視野マスク開口像の間隔は、撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ２に対応するイメージセンサーＳ１上の一対の視野マスク開口像の間隔よりも広くなる。
【００２９】
なお、図６のイメージセンサーアレイＲ１ａ、Ｒ１ｂ上には、撮影レンズ光軸から離れた撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ１に対応する視野マスク１１の開口像のみが結像している。
【００３０】
また、撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ３に対応するイメージセンサーＳ２上に一対の視野マスク開口像が結像する様子も、上述した図６に示すイメージセンサーＳ１上の視野マスク開口像（細い破線）と同様であり、撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５に対応するイメージセンサーＳ３上の視野マスク開口像の間隔は、撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ３に対応するイメージセンサーＳ２上の視野マスク開口像の間隔よりも広くなる。
【００３１】
このように、同一種類のイメージセンサーを複数個用いて異なる焦点検出エリアで焦点検出を行う場合に、焦点検出エリアの撮影画面内の位置によって、換言すれば焦点検出エリアの撮影レンズ光軸からの距離によって、同じ焦点調節状態にある焦点検出エリアの一対の被写体像はイメージセンサーアレイ上の相対的に異なる部分に結像する。
【００３２】
したがって、同一種類のイメージセンサーを複数個用いて異なる焦点検出エリアにおける焦点検出を行う場合には、どの焦点検出エリアの視野マスク開口像も受光できるように、イメージセンサーアレイの長さを設定しなければならない。
【００３３】
一方、電荷蓄積型イメージセンサーアレイの電荷蓄積時間を制御するために設置する光量検出用モニタ素子Ｍ２、Ｍ３も、どの焦点検出エリアの視野マスク開口像も受光できるように配置しなければならない。
【００３４】
図６に示す例では、縦方向に伸びるモニター素子Ｍ２と、横方向に伸びるモニター素子Ｍ３はともに、撮影レンズ光軸近傍の撮影画面中央の焦点検出エリアＡｒ５に対応するイメージセンサーＳ３上の視野マスク開口像（細い実線）と、撮影レンズ光軸から離れた位置にある撮影画面周辺部の焦点検出エリアＡｒ２に対応するイメージセンサーＳ１上の視野マスク開口像（細い破線）とを受光できる位置に配置されている。
【００３５】
このように、同一種類のイメージセンサーを複数個用いて異なる焦点検出エリアにおける焦点検出を行うために、どの焦点検出エリアの視野マスク開口像も受光できるように、換言すれば、イメージセンサーのそれぞれに対して各焦点検出用光束が入射する部分の内、すべてのイメージセンサーに共通して入射する部分にモニター素子を配置した。これにより、イメージセンサー上に複数のモニター素子を設置してそれらの中からいずれかを選択したり、焦点検出エリアごとにモニター素子を異なる位置に配置した異なる種類のイメージセンサーを用いる必要がなく、同一種類のイメージセンサーチップを複数個用いて複数の焦点検出エリアにおいて焦点検出を行うことができ、イメージセンサーチップの完全な共用化を図ることができ、装置のコストを低減しつつ電荷蓄積制御を簡略化することができる。
【００３６】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、イメージセンサーアレイＲ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂがイメージセンサーアレイを、モニター素子Ｍ１〜Ｍ３がモニター素子を、イメージセンサーＳ１〜Ｓ３がイメージセンサーを、それぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【００３７】
なお、焦点検出エリアの個数と配置、焦点検出光学系の構成、イメージセンサーの構成と形状については上述した一実施の形態に限定されない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、イメージセンサーチップの完全な共用化を図ることができ、装置のコストを低減しつつ電荷蓄積制御を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態のイメージセンサーの正面図である。
【図２】一実施の形態の焦点検出エリアの配置図である。
【図３】一実施の形態の焦点検出光学系とイメージセンサーの配置を示す図である。
【図４】一実施の形態の視野マスクの形状を示す図である。
【図５】一実施の形態の絞りマスクの形状を示す図である。
【図６】イメージセンサー上に視野マスク開口像が結像する様子を示す図である。
【図７】位相差検出方式の焦点検出装置を示す図である。
【符号の説明】
ＣＰ 半導体チップ
Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂ イメージセンサーアレイ
Ｍ１〜Ｍ３ モニター素子
ＰＫＧ パッケージ
Ａｒ１〜Ａｒ５ 焦点検出エリア
Ｓ１〜Ｓ３ イメージセンサー
１１〜１５ 視野マスク
２１〜２５ フィールドレンズ
３１〜３５ 絞りマスク
４１〜４５ 再結像レンズ
１００ 撮影レンズ
１０１、１０２ 領域
２００ 視野マスク
３００ フィールドレンズ
４００ 絞りマスク
４０１、４０２ 絞りマスク開口部
５００ 再結像レンズ
５０１、５０２ 再結像レンズのレンズ部
６００ イメージセンサー
６０１、６０２ イメージセンサーアレイ
６０３ モニター素子

Claims (3)

1. 同一種類の電荷蓄積型イメージセンサーを複数個用い、撮影レンズの異なる複数の領域を通過した複数の焦点検出用光束を、複数の焦点検出光学系によりそれぞれ前記各イメージセンサーへ導き、撮影画面の異なる複数の焦点検出領域において前記撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記イメージセンサーのそれぞれに対して前記各焦点検出用光束が入射する部分の内、すべての前記イメージセンサーに共通して入射する部分に電荷蓄積時間制御用のモニター素子を配置することを特徴とする焦点検出装置。
2. 撮影画面の複数の焦点検出領域において位相差検出方式により撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置において、
   それぞれの前記焦点検出領域に対応して同一種類の電荷蓄積型イメージセンサーを用い、前記イメージセンサーのそれぞれに対して焦点検出用光束が入射する部分の内、すべての前記イメージセンサーに共通して入射する部分に電荷蓄積時間制御用のモニター素子を配置することを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の焦点検出装置において、
   前記複数の焦点検出領域の中の１つは前記撮影レンズの光軸近傍に設定されることを特徴とする焦点検出装置。

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