JP2006003427A - 焦点検出装置及び撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 位相差検出方式を用いて、撮影画面内における広範囲で焦点検出を行うとともに、縦線検出と横線検出の同時検出を行う。
【解決手段】 二次結増光学系を用いた焦点検出装置において、撮影光学系の一次結像面と二次結像レンズの間に、アナモフィックな光学パワーを有する光学部材（１０７）を備える。そして、この光学部材は、二次結像レンズによって形成された対の光学像の像間隔を広げる光学パワーを有する。また、瞳分割方向と対応した方向に光学像を圧縮する光学パワーも備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラなどの撮影装置に用いられる焦点検出装置に関する。

従来デジタルカメラなどにおける撮影光学系の焦点検出では撮像素子を利用したコントラスト検出方式の焦点検出が行われており、一般に、このようなコントラスト検出方式の焦点検出においては、撮像光学系の光軸上位置を僅かに移動させながらコントラストの極値を求めていくために、合焦するまでの焦点調節にかなりの時間を要するという問題がある。

そこで、レンズ装置が着脱可能に装着されるデジタルカメラなどにおいては、位相差検出方式を用いて焦点長検出を行う場合が多い。

位相差検出方式の焦点検出では、撮影光学系のデフォーカス量を求めることができるので、コントラスト検出方式に比して合焦するまでの時間を大幅に短縮することができるという利点がある。

位相差方式焦点検出には、水平方向にコントラスト成分を有する被写体に対して焦点検出を行う縦線検出と、垂直方向にコントラスト成分を有する被写体に対して焦点検出を行う横線検出がある。そして、様々な被写体に対応するためには、撮影画面内にこれら縦線検出と横線検出を混在させて焦点検出を行う。また、撮影画面内の同位置において縦線検出と横線検出を行うクロス型の焦点検出を行う。

そして近年、これら縦線検出や横線検出による焦点検出領域を撮影画面内に複数設けた多点焦点検出や、広範囲において連続的な領域で焦点検出を行うエリア型の焦点検出などが提案されている。このような焦点検出方法として、エリア型焦点検出を行うととともに、クロス型の焦点検出を行う従来例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来例は、上記のような焦点検出をレンズ装置が着脱可能に装着されるカメラに適用した例である。図１９はカメラの中央断面図を示す。同図において、Lは撮影光学系の光軸で、撮影光学系は不図示であるが、図の光軸L上左側に配置されている。そして、２は撮影光学系の１次結像面で、その前面にはメインミラー３とサブミラー４が配置される。

メインミラー３とサブミラー４は周知のクイックリターン機構により、撮影時には撮影光束外へ退避する。一方、焦点検出時には図に示すような位置に保持され、焦点検出に用いられる光束は、メインミラー３の中央付近に施されたハーフミラー部を通過し、サブミラー３により下方へ反射される。このとき、５はサブミラー４によって形成される１次結像像面２と光学的に等価な焦点検出光学系の１次結像面である。

その後、第１の平面ミラー６で光路が折り返され、赤外カットガラス７、絞り８、２次結像レンズ９という順で通過する。さらに、第２の平面ミラー１０で下方に折り返され、最終的に焦点検出センサ１１上に導かれる。焦点検出センサ１１はカバーガラスと２次結像面付近に配置されるセンサチップから構成される。

サブミラー４は、図中点線で示すように楕円を中心軸Aまわりに回転させて形成される楕円面の一部で構成される。このとき楕円２つの焦点のうち、まず一方は撮影光学系の射出瞳に設定される。次に他方は、中心軸Aとサブミラー４によって折り返される光軸Lとの交点である点Bに設定される。

点Bは、焦点検出絞り８中心点を空気換算した後に、第１の平面ミラー６でミラー反転した点である。したがって、サブミラー４は、楕円の基本性質から絞り８と撮影光学系の射出瞳を結像関係に保っている。すなわち、位相差方式焦点検出では公知のフィールドレンズの役割を果たしており、サブミラー５と絞り８が瞳分割手段として機能する。そして、絞り８に適切な開口部を設定すると撮影光学系の射出瞳を分割した複数の光束を焦点検出光学系へ導くことが可能となる。

図２０は、この絞り８と２次結像レンズ９を赤外カットガラス７側から見た平面図である。このとき２次結像レンズ９は絞り９によって隠されるため点線で示してある。絞り８は対の開口部８−１と８−２、８−３と８−４を備え、２次結像レンズ９は各開口部に対応して対のレンズ部９−１と９−２、９−３と９−４を備える。

したがって、撮影光学系の射出瞳を通過する光束のうち、開口部８−１と８−２で垂直方向に分割した光束と開口部８−３と８−４で水平方向に分割した光束とを４つのレンズ部を有する２次結像レンズ９で結像する。２次結像面には４つの光学像が形成され、撮影光学系のデフォーカスに伴う４つの光学像の位相ずれを焦点検出センサ１１で検出することにより位相差方式焦点検出を行う。

図２１は、焦点検出センサ１１のセンサチップを第２の平面ミラー１０側から見た平面図である。センサチップには２次結像レンズ９の４つのレンズ部に対応した４つのセンサ領域が形成され、レンズ部９−１と９−２がセンサ領域１１−１と１１−２に、レンズ部９−３と９−４がセンサ領域１１−３と１１−４にそれぞれ対応している。センサ領域１１−１と１１−２に投影されている光学像は、開口部８−１と８−２を通過した光束、すなわち撮影光学系の射出瞳を垂直方向に分割した光束による光学像であるため、撮影光学系のデフォーカスに伴い光学像も垂直方向に移動する。

したがって、センサ領域１１−１と１１−２では、画素列並び方向を垂直方向とすることで、光学像の位相差を検出することが可能となる。同様にセンサ領域１１−３と１１−４では、画素列並び方向を水平方向とする。そして、センサ領域１１−１と１１−２では垂直方向にコントラスト成分を有する被写体をもっともよく検出できるため、横線検出を行っており、センサ領域１１−３と１１−４では縦線検出を行っていることとなる。

ところで、絞り８は、サブミラー５により撮影光学系の射出瞳に投影されるため、図２０を所定の倍率で拡大した場合の開口部が射出瞳上での光束通過領域を示す。したがって、図２０そのものが投影倍率を乗じて射出瞳上相当に拡大されたものと考えると、開口部８−１と８−２の重心間隔が横線検出の基線長で、開口部８−４と８−５の重心間隔が縦線検出の基線長となる。

そして、開口部８−１と８−２を含む外接円が、横線検出における焦点検出可能な射出瞳径を示し、一方、開口部８−３と８−４を含む外接円が縦線検出における焦点検出可能な射出瞳径となる。後者の射出瞳径においては、縦線検出、横線検出ともに焦点検出可能である。すなわち、小さい射出瞳径では横線検出のみが機能し、大きい射出瞳径では縦線、横線検出の両方が機能することとなる。換言すると、例えばFナンバーがF５．６で横線検出のみを行い、Ｆ２．８で縦線、横線検出の両方を行うこととなる。

図２２は、１次結像面２上の撮影範囲内に各センサ領域を逆投影した図である。なお、この図においては、歪曲収差による歪みを無視している。撮影範囲１２内には焦点検出領域１３と１４が存在し、焦点検出領域１３はセンサ領域１１−１と１１−２を逆投影したもので、ほぼ一致するため焦点検出領域１３として表されている。同様に焦点検出領域１４はセンサ領域１１−３と１１−４に対応している。したがって、焦点検出領域１３が横線検出を行う範囲を、焦点検出領域１４が縦線検出を行う範囲を表しており、両者が重なる図中斜線部がクロス型の焦点検出を行う範囲となる。

以上のように、従来例においては、広範囲での位相差方式焦点検出を行うとともに、一部の領域ではクロス型の焦点検出を実現している。

一般的に、撮影範囲内においてより広範囲を焦点検出領域として定めるには、より広範囲の光束を焦点検出光学系に導く必要がある。したがって、そのためにはサブミラー４を可能な限り１次結像面２側へ移動させ、サブミラー４の光反射領域をより大きくする必要がある。そうすると、図１９で示すように焦点検出光学系の１次結像面５がサブミラー５側へ移動してくる。

公知のフィールドレンズを用いた焦点検出光学系では、この焦点検出光学系の１次結像面５付近にフィールドレンズと視野マスクを設定する必要がある。したがって、撮影光束内にこれらの部材が進入してしまうため、退避機構が必要となる。しかしながら、従来例においては、サブミラー４を回転楕円面にて構成し、瞳分割手段の機能を持たせているためフィールドレンズを設ける必要がない。また、サブミラー４は焦点検出に必要な領域以外は光を反射しないように構成することで、視野マスクとしての役割も果たす。

このような理由から、従来例においては、サブミラー４を容易に大型化することが可能となり、結果として、広範囲での位相差方式焦点検出を実現している。
特開平９−１８４９６５号公報（図７乃至図９）

しかしながら、上記従来例においては以下のような問題がある。撮影画面内において、横線検出を行う範囲はある程度広範囲を確保できているが、縦線検出を行う範囲は中央部付近に限られている。この理由について以下に説明する。

縦線検出を行う範囲も横線検出を行う範囲と同等とするためには、縦線検出に対応したセンサ領域１１−３と１１−４をセンサ領域１１−１と１１−２並に広げることが考えられる。ところで、撮影光学系においては、ビネッティングが存在するため、焦点検出に用いる射出瞳の径も焦点検出領域の大きさに応じて変化し、一般的に焦点検出領域が大きい、すなわち像高が高いほど射出瞳径は小さくなる。

したがって、従来例においても縦線検出の焦点検出領域を広げるためには、より小さくなる射出瞳径に対応するため、サブミラー４によって射出瞳上に投影される開口部８−３と８−４の間隔を小さくする必要がある。そうすると、レンズ部９−３と９−４の間隔、センサ領域１１−３と１１−４の間隔も追従して小さくなる。ところが、センサ領域１１−３と１１−４はセンサ領域１１−１と１１−２と同じように大きくする必要があるため、領域を広げて間隔を小さくすると、図２１から明らかなように、各センサ領域が干渉してしまう。

また、従来例において、センサ領域１１−３と１１−４にもセンサ領域１１−１と１１−２に投影される光学像と同じ大きさの光学像が投影されている。したがって、各光学像についても干渉を防ぐため、センサ領域１１−３と１１−４は、センサ領域１１−１と１１−２からある程度離れた位置に配置してある。したがって、レンズ部９−３と９−４の間隔を小さくすると光学像についても干渉してしまう。以上のような理由から、従来例においては縦線検出の焦点検出領域を撮影画面の中央部付近にしか設定することができなかった。

そこで、本発明は、位相差方式焦点検出において、縦線検出と横線検出の両方を撮影範囲内の広範囲で実現する焦点検出装置を提供することを一つの目的とする。

上記課題を解決するために本願発明の第１の構成は、撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置であって、前記撮影光学系からの光束を分割して、第１の方向に間隔を有する第１対の光学像および該第１の方向に直交する第２の方向に間隔を有する第２対の光学像を形成する光学系と、前記各光学像を光電変換する光電変換素子とを有し、前記光学系は、前記第１対の光学像の間隔を広げる光学的作用が前記第２対の光学像に対する該光学的作用よりも大きい光学部材を有することを特徴とする。

本願発明の第１の構成によれば、例えば、撮影範囲内の広範囲で縦線検出と横線検出を行うことが可能となる。

（第１実施例）
まず、図１を参照して本発明の実施例であるカメラについて説明する。ここで、図１はカメラの前方斜視図である。同図において１はカメラ本体であり、このカメラ本体１の前面中央にはズーミング及びフォーカシングが可能なレンズ鏡筒２が着脱可能に装着される。

３は押しボタン式のレンズロック解除ボタンであり、このレンズロック解除ボタン３を押し込むことにより、装着されたレンズ鏡筒２をカメラ本体１から取り外すことができる。

４はカメラ本体１に対して開閉可能に取り付けられた照明装置であり、撮影時に開方向に駆動され被写体に照明光を照射する。５はレリーズスイッチであり、第１ストローク操作で撮影準備動作（焦点検出動作及び測光動作）が開始され、第２ストローク操作で撮影動作(ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子への露光及び撮影画像の記録媒体（不図示）への記録)が開始される。

６は撮影モードダイヤルであり、この撮影モードダイヤル６を操作することにより、シャッタースピードや絞り数値を決定することができる。

図２はカメラの中央断面図で、焦点検出に関する部分のみを表示してある。
同図において、１０１は撮影光学系、Ｌは撮影光学系の光軸、１０１ａは撮影光学系１０１の射出瞳である。１０２は１次結像面で、撮影光学系１０１により形成される像を受光するための撮像素子(例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ)が配置される。

撮影光学系１０１と１次結像面１０２の間にはメインミラー１０３とサブミラー１０４が配置される。メインミラー１０３の中央部付近はハーフミラーとなり、撮影光学１０１を通過した光束の一部か透過し、それ以外の光束は上方へ反射され、不図示のファインダ光学系へ導かれる。メインミラー１０３を透過した光束はサブミラー１０４にて下方へ反射される。そして、１０５は１次結像面１０２と光学的に等価な焦点検出光学系の１次結像面である。

メインミラー１０３とサブミラー１０４は、クイックリターン機構により駆動され、撮影時には撮影光束外へ退避し、それ以外（例えば、被写体観察時）では撮影光路内に斜設されている。
サブミラー１０４で反射された光束は、平面ミラー１０６で再び反射され、シリンドリカルレンズ１０７、赤外カットガラス１０８、絞り１０９を通過し、２次結像レンズ１１０で再び結像され、カバーガラス１１１を経てセンサチップ１１２上に至る。
請求項において、シリンドリカルレンズ１０７はアナモフィックな光学パワーを有する光学部材に、対応している。

アナモフィックな光学パワーとは、直交方向で光学パワーが異なることである。本実施例では紙面垂直方向に負の光学パワーを有し、直交方向である紙面平行方向には光学パワーを有さないシリンドリカル面より構成されるシリンドリカルレンズ１０７を用いている。

サブミラー１０４は、従来例と同様に点線で示す楕円をＡ軸まわりに回転して形成される楕円面の一部で構成される。このとき、楕円２つの焦点のうち、一方の焦点は、撮影光学系の射出瞳１０１ａ近傍の点Ｂとする。なお、点Ｂは射出瞳１０１ａより１次結像面側にわずかシフトした光軸Ｌ上にあるが、この理由については後に説明する。他方の焦点は、絞り１０９の中心点をシリンドリカルレンズ１０７と赤外カットガラス１０８の厚み分だけ空気換算し、平面ミラー１０６でミラー反転した点Ｃに設定される。

したがって、撮影光学系の射出瞳１０１ａと絞り１０９は、サブミラー１０４により略結像関係に保たれ、絞り１０９に適切な開口部を設定することにより、撮影光学系１０１の射出瞳１０１ａを分割した光束を導くことが可能となる。

すなわち請求項において、サブミラー１０４と絞り１０９が瞳分割手段に対応している。
図３は、絞り１０９を赤外カットガラス１０８側から見た平面図である。絞り１０９には、対の開口部１０９ａと１０９ｂ、１０９ｃと１０９ｄが形成される。そして、これらの開口部がサブミラー１０４によって射出瞳１０１ａ上に投影されることになる。

ここで、絞り開口部１０９ａと１０９ｂの重心間隔は、従来例の絞り開口部８−１と８−２の重心間隔とほぼ同じであるが、絞り開口部１０９ｃと１０９ｄの重心間隔については、従来例の絞り開口部８−３と８−４の重心間隔に比べて、若干小さくしてある。これは、絞り開口部１０９ｃと１０９ｄを通過する光束にて行う焦点検出領域を、絞り開口部１０９ｃと１０９ｄ並に拡大した場合においても、撮影光学系１０１のビネッティングによるケラレを無くすためである。

図４は、２次結像レンズ１１０を絞り１０９側から見た平面図である。したがって、射出側のレンズ形状については点線で示してある。図において、射出側には、対のレンズ部１１０ａと１１０ｂ、１１０ｃと１１０ｄが設けられ、それぞれ４つの開口部に対応している。入射側には、４つのレンズ部で共通に使用する１つの光学面からなるレンズ部１１０ｅが設けられる。各開口部を通過した光束は、入射側と射出側を経てセンサチップ１１２付近で結像し、４つの光学像を形成する。なお、図２の断面図においては、射出側４つのレンズのうちレンズ部１１０、１１０ｂ、１１０ｃの３つのみが表示されている。

図５は、センサチップ１１２をカバーガラス１１１側から見た平面図である。センサチップ上には、対のセンサ領域１１２ａと１１２ｂ、１１２ｃと１１２ｄが設けられ、それぞれ４つのレンズ部に対応している。すなわち、開口部１０９ａを通過した光束はレンズ部１１０ｅと１１０ａを経て１つの光学像を形成し、この光学像をセンサ領域１１２ａで検出する。センサ領域１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄにおいても同様である。そして、４つの光学像は、撮影光学系１０１のデフォーカスに伴い射出瞳１０１ａの分割方向に移動する。光学像の移動に伴う位相差を各センサ領域にて検出する。

なお、位相差の検出手段としては、センサチップ１１２の出力信号から光学像に対応した像信号を形成し、周知の相関演算手段などを用いればよい。位相差と撮影光学系１０１のデフォーカス量の関係は、所定の関数でおおむね近似できるため、この位相差を検出することで、焦点調節を行うことが可能となる。なお、詳細については後ほど説明することとする。

ところで、２次結像レンズ１１０において、入射側のレンズ部１１０ｅは、凹面からなる略球形状で形成され、このとき球の中心は、光学的に焦点検出光学系の１次結像面１０５中心付近と等価な位置に設定される。また、射出側の各レンズ部は、凸面からなる略球形状で形成され、このとき球の中心は、それぞれ対応する絞り１０９の開口部中心に設定される。球の中心を通過する光線は光学面で屈折しないため、焦点検出系の１次結像面１０５中心を発し、各絞り開口部を通過する光線は屈折しない。図２における、光線ＬａとＬｂはレンズ部１１０ａと１１０ｂに対応した上記光線で、焦点検出光学系の１次結像面１０５からセンサチップ１１２までほぼ直進している。

なお、赤外カットガラス１０８とカバーガラス１１１は平行平板であるため光線の屈折は生じるが、入射角と射出角は等しい。シリンドリカルレンズ１０７は、入射面と射出面に曲面を有するが、光学的なパワーは紙面垂直方向であるため、図２においては平行平板と同様に考えることができる。上記平行平板を無視して考えると光線ＬａとＬｂは完全に屈折しないため、波長が変化しても同様に屈折しない。したがって、波長依存性のない高精度な焦点検出を行うことができる。

以上が本実施例における焦点検出装置の構成である。このように、基本的な構成はシリンドリカルレンズ１０７を除くと従来例とほぼ同等である。そして、絞り開口１０９ｃと１０９ｄの重心間隔を縮め、センサ領域１１２ｃと１１２ｄを拡大するだけでは従来例のような問題が生じるが、シリンドリカルレンズ１０７を挿入することによりこれを回避する。以下詳細を説明する。

まず、シリンドリカルレンズ１０７による光学的な効果をより分かりやすく説明するために、各ミラーを撮影光学系１０１からセンサチップ１１２までストレートに展開した図を用いる。また、シリンドリカルレンズ１０７は直交方向での光学パワーが異なるため、ストレートに展開したとき図２に示すような撮影光学系１０１の垂直断面と、垂直断面に直交する水平断面の２つの断面を用いる。図６は垂直断面における光学系のストレート展開図で、図７は水平断面における光学系のストレート展開図をそれぞれ示す。

これらの図において、凸レンズ２０１は図２におけるサブミラー１０４をストレート展開時の光学部材として置き換えたものである。サブミラー１０４は集光性のパワーを有する楕円面より形成されるので、おおよそ凸レンズとして置き換えることができる。また、焦点検出光学系の１次結像面１０５は１次結像面１０２よりわずかであるが撮像光学系１０１側によっている。これはサブミラー１０４、すなわち凸レンズ２０１が正の光学パワーを有するためである。なお、シリンドリカルレンズ１０７は、まず図６の断面において光学的には平行平板となり、一方図７の断面においては凹レンズとなる。

では、まず瞳結像手段による瞳結像光学系について説明する。図６において、絞り中心点Cを発した光線２０２は、射出瞳１０１ａ近傍の点Bに結像する。これは、図２における楕円面サブミラー１０４の焦点が点Ｂ、Ｃとしたことで明白である。一方、図７において、同様の点Ｃを発した光線２０３は、射出瞳１０１ａ近傍の点Ｄに結像する。これは、シリンドリカルレンズ１０７が凹レンズとして機能し、負の光学パワーを有するためである。すなわち、図６において点Ｂと点Ｃを共役関係となるように設定したために、図７においては点Ｂに比べてより無限遠側の点Ｄに結像する。

よって、絞り１０９の凸レンズ２０１による投影像の位置は、垂直断面と水平断面でわずかであるが異なることとなる。そして、正確には垂直断面における位置が１０１ｂで、水平断面における位置が１０１ｃとなる。しかしながら、絞り１０９と凸レンズ２０１、すなわち本実施例の瞳分割手段は、射出瞳１０１ａ上において分割した光束を導くことには変わりなく、位相差方式の焦点検出が可能である。

ところで、本実施例では、点Ｄが無限遠側にずれることを考慮して、あらかじめ点Ｂの位置を射出瞳１０１ａより手前側に設定した。さらには、点Ｂ、点Ｄの中点付近に射出瞳１０１ａとなるように設定した。したがって、投影像面１０１ｂ、１０１ｃの平均位置がほぼ射出瞳１０１ａ付近となり、この射出瞳１０１ａ近傍を通過する光束を効率よく２次結像光学系へ導くことが可能となる。

では、瞳結像光学系における結像倍率を計算してみる。図８（ａ）、（ｂ）は、瞳結像光学系のストレート展開図で、図８（ａ）が図６に、図８（ｂ）が図７にそれぞれ対応している。
そして、図のように各光学部材から結像点までの距離を定める。幾何光学計算のルールにより、各光学部材から設定されている距離は、光学部材より左側が負で、右側が正となる。そして、射出瞳１０１ａを物体面、絞り１０９を像面として考える。物側の距離と像側の距離比で結像倍率を算出する。

ところで、平行平板である赤外カットガラス１０８については、光学的なパワーを有しないため省略してある。また、図８（ａ）においては、シリンドリカルレンズ１０７も平行平板であるため省略してある。さらに、各光学部材は無限に薄いものと仮定し、主点位置などは無視することとする。
まず、図８（ａ）の垂直断面において、瞳結像倍率をβ_ＶＰとすると以下の式（１）で表される。

一方、図８（ｂ）の水平断面においては、凸レンズ２０１によって形成されるシリンドリカルレンズ１０７と絞り１０９間の像を、シリンドリカルレンズ１０７によって絞り１０９上に結像させると考えるので、総合的な結像倍率は凸レンズ２０１による結像倍率とシリンドリカルレンズ１０７による結像倍率の積となり、この結像倍率をβ_ＨＰとすると以下の式（２）で表される。

ここで、ｓ_２、ｓ'_２はｓ_１、ｓ'_１を用いて、以下の式（３）で表すことができる。

ｓ_１、ｓ_２は他の距離に比べて大きく、その差もわずかであるため、式（３）のように近似しても問題ない。そして、式（２）に式（３）を代入し、式（１）のβ_ＶＰを用いて表すと、以下の式（４）となる。

式（４）の分数項のみに注目して、分母と分子の差をとると、以下の式（５）となる

（ｓ'_１−ｓ'_３）＞０、（ｓ_３−ｓ'_３）＜０のため、式（５）の値は０より小さくなる。したがって、式（４）の分数項は１より大きい値を取ることになり、β_ＶＰ＜０、β_ＨＰ＜０のときβ_ＶＰ＞β_ＨＰとなる。
β_ＶＰ、β_ＨＰは絞り１０９を像面とする場合の結像倍率であり、射出瞳１０１ａ上における投影倍率は逆数となり、これをγ_ＶＰ、γ_ＨＰとすると、γ_ＶＰ＜0、γ_ＨＰ＜0のときγ_ＶＰ＜γ_ＨＰとなる。

すなわち、射出瞳１０１ａ上における投影倍率の絶対値は垂直方向より水平方向が小さくなり、投影される絞り開口部は水平方向に縮めたような形状になる。なお、倍率が負の数となるのは、像が左右反転した倒立像のためである。
図９は、この様子を示すもので、図２における射出瞳１０１ａを１次結像面１０２側からみた平面図である。図において、対の斜線領域２０８ａと２０８ｂ、２０８ｃと２０８ｄが絞り１０９の各開口部を投影したもので、この領域を焦点検出用の光束が通過する。そして、斜線領域２０８ａと２０８ｂが絞り１０９の開口部１０９ａと１０９ｂに、斜線領域２０８ｃと２０８ｄが絞り１０９の開口部１０９ｃと１０９ｄにそれぞれ対応していることとなる。

そして、４つの斜線領域は、図３に示す絞り１０９の開口部を水平方向に圧縮した形状となっているのが確認される。例えば、絞り１０９上で略円形の開口部１０９ｃは、射出瞳１０１ａ上においては斜線領域２０８ｃに対応し、垂直方向を長軸とする楕円形になっている。したがって、絞り１０９の開口部を設定するにあたっては、このような垂直方向の圧縮形状を考慮する必要があり、本実施例でも射出瞳１０１ａ上における斜線領域を想定して、図３に示すような開口部とした。

ところで、実際には垂直断面が射出瞳１０１ａより至近側、水平断面が無限側で結像するため、射出瞳１０１ａ上においては、各斜線領域がぼけた状態で投影される。しかしながら、射出瞳１０１ａを分割していることには変わりなく、また、射出瞳１０１ａからのずれもわずかであるためぼけ量も小さく、位相差方式の焦点検出が可能である。

そして、図中矢印Ｅが、対の斜線領域２０８ａと２０８ｂによる瞳分割方向で、矢印Ｆが対の斜線領域２０８ｃと２０８ｄによる瞳分割方向である。請求項においては、矢印Ｅが第１の方向、矢印Ｆが第２の方向にそれぞれ対応する。

図１０は、図２におけるシリンドリカルレンズ１０７を平面ミラー１０６側からみた平面図で、正確には平面ミラー１０６で折り返された光軸Lに垂直な平面である。同図において、点線はシリンドリカルレンズ１０７の紙面垂直方向の高さを示す等高線で、面の形状を理解しやすくするために表示してある。そして中央付近ほど高さの低い凹面形状となっている。

一点鎖線２０９ｘと２０９ｙがシリンドリカルレンズ１０７の２つの主軸である。ここで、主軸とは、アナモフィックな光学パワーを有する光学部材を図１０のような平面で表すとき、光学面の紙面垂直方向の高さ、すなわち光学面のサグ量が線対称となる中心線のことであり、互いに直交する。ただし、本実施例においては、シリンドリカル面を利用しているため主軸２０９ｘについては、平行な線であればどの線でも主軸となる。
そして、主軸２０９ｘと２０９ｙの交点付近を光軸Ｌが通過するよう設定する。そうすると、図９における４つの斜線領域は光軸Ｌを中心としてほぼ均等に水平方向に圧縮された形状となる。

なお、射出瞳１０１ａ上における斜線領域の重心間隔は、サブミラー１０４とシリンドリカルレンズ１０７の影響を受けて焦点検出領域の像高により変化する。すなわち、位相差方式焦点検出の基線長が変化してしまうわけだが、特開平１０−３１１９４５に記載されている焦点検出像信号補正処理を利用すれば、従来通りの位相差方式焦点検出を行うことができる。

また、シリンドリカルレンズ１０７は、本実施例では両凹形状としたが、裏面側の形状についても同様の構成である。なお、片面のみを凹面とし、他方は平面としてもよい。

次に、２次結像光学系について説明する。図６において、光束２０４、２０５は、絞り１０９の対の開口部１０９ａと１０９ｂの中心点と両端点を通過する光線より構成され、センサチップ１１２上に結像する光束である。図７においては、光束２０６、２０７が絞り１０９のもう１つの対の開口部１０９ｃと１０９ｄの中心点と両端点を通過する光線より構成され、センサチップ１１２上に結像する光束である。

これらの光束２０４、２０５、２０６、２０７は撮影光学系１０１が１次結像面１０２上に結像した状態、すなわち合焦時における２次結像光学系の光束である。

光束２０４、２０５は、瞳分割手段の作用により射出瞳１０１ａ上で垂直方向に分割された光束であり、凸レンズ２０１の光学パワーによりわずかながら集光され、焦点検出光学系の１次結像面１０５上に結像する。そして、平行平板と等価なシリンドリカルレンズ１０７、赤外カットガラス１０８、絞り１０９を経て２次結像レンズ１１０に入射する。絞り開口の中心点を通過する光線は２次結像レンズ１１０で屈折せず、その他の光線が屈折して、カバーガラス１１１を経てセンサチップ１１２上に結像する。

そして、撮影光学系がデフォーカスすると、射出瞳分割方向である矢印E方向に対応したセンサチップ上での方向に光学像が移動する。光束２０６、２０７は、瞳分割手段の作用により射出瞳１０１ａ上で水平方向に分割された光束であり、同様に焦点検出光学系の１次結像面１０５上に結像する。

そして、シリンドリカルレンズ１０７において、光束２０６、２０７は互いに離れる方向に屈折し、赤外カットガラス１０８、絞り１０９を経て２次結像レンズ１１０に入射する。絞り開口の中心点を通過する光線は２次結像レンズ１１０でわずかながら屈折し、その他の光線も屈折して、カバーガラス１１１を経てセンサチップ１１２上に結像する。そして、撮影光学系がデフォーカスすると、射出瞳分割方向である矢印Ｆ方向に対応したセンサチップ上での方向に光学像が移動する。

そして、図７において点線２０８は、対の絞り開口部中心点を通過し、シリンドリカルレンズ１０７にて屈折しない場合の光線を示し、シリンドリカルレンズ１０７の作用により光束２０６、２０７が互いに離れる方向に屈折しているのが確認できる。そうすると、センサチップ１１２上に形成される光学像も、シリンドリカルレンズ１０７がない場合に比べて互いに離れた位置に形成される。つまり、シリンドリカルレンズ１０７は、光束２０６、２０７により形成される対の光学像の光学像間隔を広げていることになる。

したがって、本実施例においては、絞り開口部１０９ｃと１０９ｄの重心間隔を小さくしても、センサチップ１１２上に形成される４つの光学像は互いに干渉することがない。そうすると、図５に示すような４つのセンサ領域を設定することが可能となる。

ところで、図６において絞り開口部１０９ａと１０９ｂを通過した光束は、この断面内でセンサチップ１１２上に結像する。しかしながら、この光束は、図６に直交する断面においては、シリンドリカルレンズ１０７の影響を受けセンサチップ１１２から少しずれた位置に結像してしまう。図７においても同様で、開口部１０９ｃと１０９ｄを通過した光束は、センサチップ１１２上に結像するが、図７に直交する断面では結像位置がずれる。つまり、２次結像レンズ１１０を球面で構成し、シリンドリカルレンズ１０７を光路中に設け、特定の断面において所定位置に結像させた場合、直交断面では原理上結像位置がずれてしまう。

しかしながら、位相差方式焦点検出においては光学像を画素列で検出するため、１次元方向の像のコントラスト成分にしか注目していない。したがって、最低この１次元方向にのみ解像してればよい（所要の解像力が得られればよい）こととなる。この１次元方向とは像の移動方向に対応するので、本実施例では、図６、７に示すように像移動方向において各光束をセンサチップ１１２上に結像するよう構成してある。

では、２次結像光学系における結像倍率を計算してみる。図１１（ａ）、（ｂ）は、２次結像光学系のストレート展開図で、図１１（ａ）が図６に、図１１（ｂ）が図７にそれぞれ対応している。そして、図のように各光学部材から結像点までの距離を定める。焦点検出光学系の１次結像面１０５を物体面、センサチップ１１２上を像面として考える。

ところで、平行平板である赤外カットガラス１０８、カバーガラス１１１については、光学的なパワーを有しないため省略してある。また、図１１（ａ）においては、シリンドリカルレンズ１０７も平行平板であるため省略してある。さらに、各光学部材は無限に薄いものと仮定し、主点位置などは無視することとする。
まず、図１１（ａ）の垂直断面において、２次結像に関係する光学部材は２次結像レンズ１１０のみを考えればよいため、瞳結像倍率をβ_ＶＩとすると以下の式（６）で表される。

一方、図１１（ｂ）の水平断面においては、シリンドリカルレンズ１０７による虚像を２次結像レンズ１１０がセンサチップ１１２上に結像させると考えるので、総合的な結像倍率はシリンドリカルレンズ１０７による結像倍率と２次結像レンズ１１０による結像倍率の積となり、この結像倍率をβ_ＨＩとすると以下の式（７）で表される。

ここで、ｓ_６、ｓ'_６はｓ_４、ｓ'_４を用いて、以下の式（８）で表すことができる。

そして、式（７）に式（８）を代入し、式（６）のβ_ＶＰを用いて表すと、以下の式（９）となる。

式（９）の分母と分子の差をとると、以下の式（１０）となる。

（ｓ_４−ｓ_５）＜０、（ｓ_４−ｓ'_４）＜０のため、式（１０）の値は０より大きくなる。すなわち（分母）＞（分子）となり、さらに（分母）＞０、（分子）＞０より、式（１０）の分数項は０より大きく１より小さい値を取ることなり、β_ＶＩ＜０、β_ＨＩ＜０のときβ_ＶＩ＜β_ＨＩとなる。
すなわち、センサチップ１１２上における結像倍率の絶対値は垂直方向より水平方向が小さくなり、形成される光学像は水平方向に圧縮したような形状になる。

図１２、１３は、この様子を示す図で、図１２は本実施例におけるセンサチップ１１２上の光学像を、図１３は従来例のようなシリンドリカルレンズ１０７なしの場合におけるセンサチップ１１２上の光学像を示す。
図１２において、対の光学像３０１ａと３０１ｂ、３０１ｃと３０１ｄは対の開口部を通過し対のレンズ部で形成され、添え字ａ、ｂ、ｃ、ｄが各開口部、各レンズ部の添え字と対応している。また、図１３の対の光学像３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄも同様である。

請求項中においては、対の光学像３０１ａと３０１ｂが第１対の光学像に、対の光学像３０１ｃと３０１ｄが第２対の光学像にそれぞれ対応する。そして、これらの光学像は、撮影画面内に設定される焦点検出領域の矩形をセンサチップ１１２上に投影したものである。図１４はそれを示し、撮影範囲３０３に斜線部で示す矩形の焦点検出領域３０４が設定されている。

図１２における各光学像は、光軸Ｌに対して傾斜して設けられたサブミラー１０４とシリンドリカルレンズ１０７により略扇形の歪曲を生じている。そして、矢印Ｉ、Ｊは図１１にて結像倍率を算出した断面に対応し、矢印Ｉ方向の結像倍率が図１１（ａ）に、矢印Ｊ方向の結像倍率が図１１（ｂ）にそれぞれ対応している。したがって、４つの光学像は、矢印Ｊ方向に圧縮されたような形状にもなっている。そして、対の光学像３０１ｃと３０１ｄは、シリンドリカルレンズ１０７の光学パワーにより間隔が広がるため、各光学像は互いに干渉することなく所定間隔を隔てて形成されている。

ところで、矢印Ｉ方向と矢印Ｊ方向は図３から明らかなように、絞り１０９の対の開口部が形成される方向と一致している。絞り１０９の各開口部は瞳分割を行っているため、矢印Ｉ方向と矢印Ｊ方向は光学的に瞳分割方向と対応することとなる。そして、矢印Ｉ方向が図９における矢印Ｅで示す瞳分割方向に、矢印Ｊ方向が図９における矢印Ｆで示す瞳分割方向にそれぞれ対応する。したがって、４つの光学像は２つの瞳分割方向である矢印Ｅ方向と矢印Ｆ方向のうち、矢印Ｆ方向に光学的に対応する矢印Ｊ方向において圧縮された形状と言える。

一方、図１３における各光学像は、同様に略扇形の歪曲を生じているが、シリンドリカルレンズ１０７がないために各光学像は水平方向に圧縮されず、さらに、光画像３０２ｃと３０２ｄの間隔も狭まっているため、干渉が生じている。以上のように、シリンドリカルレンズ１０７による効果は、まず、光学像３０１ｃと３０１ｄの光学像間隔を広げる。さらに、水平方向に４つの光学像を圧縮する効果もある。この２つの効果により、光学像の干渉を防ぐことが可能となる。

そして、矢印Ｉ方向と矢印Ｊ方向は、瞳分割方向に対応するため、撮影光学系１０１のデフォーカスに伴い、この矢印Ｉ方向と矢印Ｊ方向に光学像が移動する。具体的には、光学像３０１ａと３０１ｂが矢印Ｉ方向に、光学像３０１ｃと３０１ｄが矢印Ｊ方向に移動する。

したがって、光学像３０１ａと３０１ｂに対応するセンサ領域１１２ａと１１２ｂにおいては、画素の並び方向を矢印Ｉ方向とし、光学像３０１ｃと３０１ｄに対応するセンサ領域１１２ｃと１１２ｄにおいては、画素の並び方向を矢印Ｊ方向とする。

図１５は、図５の各センサ領域を拡大した図で、光学像の移動方向に並んだ画素が確認される。センサ領域１１２ａおよび１１２ｂにおいては、画素並び方向が垂直方向の画素列が水平方向に１１列形成されている。そして、センサ領域１１２ｃおよび１１２ｄにおいては、画素並び方向が水平方向の画素列が垂直方向に８列形成される。なお、実際にはより多数の画素、画素列で形成されるが、図の煩雑さをなくすために少ない画素、画素列で示す。

そして、画素の並び方向からセンサ領域１１２ａと１１２ｂは、主に垂直方向にコントラスト成分を有する被写体に対して位相差を検出する、つまり横線検出を行い、センサ領域１１２ｃと１１２ｄは、縦線検出を行うことになる。例として、図中斜線部で示す画素列３０５ｃに注目すると、センサ領域１１２ｄで対応する画素列は３０５ｄとなる。この対の画素列における各画素の出力信号から像信号を形成する。

図１６は、デフォーカス時に対の画素列３０５ｃと３０５ｄから形成される対の像信号を示すグラフである。横軸が画素列における画素位置に、縦軸が出力信号の強度を示す。像信号３０６ｃが画素列３０５ｃに、像信号３０６ｄが画素列３０５ｄにそれぞれ対応する。対の像信号には位相差が生じており、周知の損間演算手段などを用いることにより、図中矢印で示す位相差Pを求める。そして、この位相差Pからデフォーカス量を算出し、撮影光学系１０１の焦点調節を行う。図１６における対の像信号は、センサチップ１１２上において光学像が互いに離れる方向に移動した場合に対応しているので、撮影光学系１０１の焦点が１次結像面１０２より後側にある場合を示す。

そして、対の画素列３０５ｃと３０５ｄのみならず、他の画素列についても同様にして焦点調節を行う。センサ領域１１２ａと１１２ｂにおいても、同様である。そして、撮影画面内の広範囲において、縦線検出と横線検出の同時検出を実現できる。なお、図１６における像信号は、画素列全画素の出力信号より形成されるが、画素列が長すぎる場合、画素列所望の長さで分割し、各分割した画素列にて図１６のような像信号を形成する。具体的な画素列の長さについては、被写体の大きさに対して画素列が長すぎる場合、遠近競合等が生じやすいため、撮影画面内における画素列の長さと撮影光学系１０１の焦点距離から便宜決定すればよい。

なお、本実施例ではアナモフィックな光学パワーを有する光学部材としてシリンドリカル面よりなる光学部材を用いたが、主軸２０９ｘと２０９ｙの両方向に光学パワーを有するトーリック面等を用いてもよい。そうすると、図１２における対の光学像３０１ｃと３０１ｄの間隔のみならず、対の光学像３０１ａと３０１ｂについても光学像間隔を自在に設定できるため、センサチップ１１２上におけるセンサ領域を効率よく配置できるため、センサチップの面積を減少させることができ、コストダウンの効果がある。
（第２実施例）
第１実施例では、アナモフィックな光学パワーを有する光学部材として屈折光学部材を用いたが、第２実施例では、反射光学部材を用いる。図１７は、第２実施例におけるカメラの中央断面図で、焦点検出に関する部分のみを表示してある。

図１７において、図２の平面ミラー１０６とシリンドリカルレンズ１０７が廃止され、平面ミラー１０６の位置に曲面ミラー４０１が配置される。この曲面ミラー４０１は、アナモフィックな光学パワーを有し、請求項における反射光学部材に対応する。本実施例では、曲面ミラー４０１に負の光学パワーを有するシリンドリカル反射面を使用している。

そして、曲面ミラー４０１の光学パワーは第１実施例のシリンドリカルレンズ１０７とほぼ同じである。曲面ミラー４０１は反射光学部材であるため、第１実施例と同様に負の光学パワーを有する場合、凸面形状で構成される。そして、紙面垂直方向に光学パワーを有する。

なお、本実施例においては、シリンドリカルレンズ１０７が廃止されたため、赤外カットガラス１０８以降の部材が空気換算した光路長分曲面ミラー４０１側へシフトしている。したがって、サブミラー１０４の絞り１０９側の焦点も点Kとなり、曲面ミラー４０１側へ近づいている。光学的な作用、その他の部材の構成は、第１実施例と同様のため説明を省略する。

図１８は、図１７における曲面ミラー４０１の反射面を表す平面図で、正確には、図１７において、サブミラー１０６で折り返された光軸Lと曲面ミラー４０１でさらに折り返された光軸Lでなす角の二等分線、すなわち反射面の法線方向から見た平面図である。

同図において、点線は曲面ミラーの紙面垂直方向の高さを示す等高線で、面の形状を理解しやすくするために表示してある。そして中央付近ほど高さの高い凸面形状のシリンドリカル面となっている。一点鎖線４０２ｘと４０２ｙが曲面ミラー４０１の２つの主軸である。ただし、本実施例においては、シリンドリカル面を利用しているため主軸４０２ｘについては、平行な線であればどの線でも主軸となるが、トーリック面を用いる構成としてもよい。

そして、主軸４０２ｘと４０２ｙの交点付近を光軸Ｌが通過するよう設定する。そうすると、図９における４つの斜線領域は光軸Ｌを中心としてほぼ均等に水平方向に圧縮された形状となる。以上のように、曲面ミラー４０１をシリンドリカルレンズ１０７とほぼ同じパワーで置き換えると、第１実施例と同様の効果が得られる。第１実施例と異なる点は、反射面を用いているため曲面ミラー４０１においては光線の反射による色収差が原理上発生しない。したがって、第１実施例に比べてより高精度な２次結像光学系を実現することができる。また、部品点数が１点削減されているのでコストダウンの効果もある。

以上のように本実施例による焦点検出装置は、１次結像面と２次結像レンズの間にアナモフィックな光学パワーを有する光学部材を配置したので、センサチップ上の対の光学像間隔を広げる、またセンサチップ上の光学像を所定方向に圧縮することができ、撮影範囲内の広範囲で縦線検出と横線検出を行うことが可能となる。

カメラの前方斜視図 カメラの中央断面図である。 絞りの平面図である。 ２次結像レンズの平面図である。 センサチップの平面図である。 垂直断面における光学系のストレート展開図である。 水平断面における光学系のストレート展開図である。 （ａ）、（ｂ）瞳結像光学系のストレート展開図である。 射出瞳の平面図である。 シリンドリカルレンズの平面図である。 （ａ）、（ｂ）２次結像光学系のストレート展開図である。 第１実施例におけるセンサチップ上の光学像を示す図である。 シリンドリカルレンズなしの場合におけるセンサチップ上の光学像を示す図である。 撮影範囲における焦点検出領域を表す図である。 図２のセンサ領域の拡大図である。 デフォーカス時の対の像信号を示すグラフである。 第２実施例におけるカメラの中央断面図である。 曲面ミラーの平面図である。 従来例におけるカメラの中央断面図である。 従来例における絞りの平面図である 従来例におけるセンサチップの平面図である。 撮影範囲内にセンサ領域を逆投影した図である。

符号の説明

１０１ 撮影光学系
１０１ａ 射出瞳
１０２ １次結像面
１０４ サブミラー
１０５ 焦点検出光学系の１次結像面
１０７ シリンドリカルレンズ
１０９ 絞り
１１０ ２次結像レンズ
１１２ センサチップ
３０４ 焦点検出領域
３０６ｃ、ｄ 像信号
４０１ 曲面ミラー

Claims (9)

1. 撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記撮影光学系からの光束を分割して、第１の方向に間隔を有する第１対の光学像および該第１の方向に直交する第２の方向に間隔を有する第２対の光学像を形成する光学系と、
   前記各光学像を光電変換する光電変換素子とを有し、
   前記光学系は、前記第１対の光学像の間隔を広げる光学的作用が前記第２対の光学像に対する該光学的作用よりも大きい光学部材を有することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記撮影光学系の射出瞳を前記第１および第２の方向に分割する瞳分割手段と、
   前記撮影光学系の一次結像面から前記光電変換素子側に配置され、前記第１および記第２対の光学像を形成する２次結像レンズとを有し、
   前記光学部材は、前記１次結像面と前記２次結像レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記撮影光学系からの光束を分割して複数の光学像を形成する光学系と、
   前記各光学像を光電変換する光電変換素子とを有し、
   前記光学系は、前記各光学像を第１の方向に圧縮する光学的作用が該第１の方向に直交する第２の方向に対する該光学的作用よりも大きい光学部材を有することを特徴とする焦点検出装置。
4. 前記撮影光学系の射出瞳を前記第１および第２の方向に分割する瞳分割手段と、
   前記撮影光学系の一次結像面から前記光電変換素子側に配置され、前記第１の方向に間隔を有する第１対の光学像および前記第２の方向に間隔を有する第２の光学像を形成する２次結像レンズとを有し、
   前記光学部材は、前記１次結像面と前記２次結像レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の焦点検出装置。
5. 前記光学部材は、前記第１の方向における負の光学パワーが前記第２の方向よりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の焦点検出装置。
6. 撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記撮影光学系の射出瞳を前記第１および第２の方向に分割する瞳分割手段と、
   前記撮影光学系の一次結像面から前記光電変換素子側に、前記第１および記第２対の光学像を形成する２次結像レンズと、
   前記各光学像を光電変換する光電変換素子とを有し、
   前記１次結像面と前記２次結像レンズとの間に、アナモフィクな光学パワーを持つ光学部材を有することを特徴とする焦点検出装置。
7. 前記光学部材は、屈折光学部材であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の焦点検出装置。
8. 前記光学部材は、反射光学部材であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の焦点検出装置。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の焦点検出装置を有し、
   前記焦点検出装置による検出結果に基づいてフォーカス制御された撮影光学系により形成された光学像を記録することを特徴とする撮影装置。

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