JP2009069578A - 光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差検出方式による良好な焦点検出性能を得るためのＡＦ像を形成でき、かつ該ＡＦ像の検出精度を向上させる。
【解決手段】光学機器は、光学系１０の射出瞳における第１の領域及び第２の領域４１ａ，４１ｂをそれぞれ通過して光電変換素子６に到達する第１の光束１ａ及び第２の光束１ｂのうち少なくとも一方の光束を、他方の光束に対して第１及び第２の領域の分離方向とは異なる方向に偏向させる偏向光学手段４０を有する。また、光学機器は、第１及び第２の光束により形成された第１の像及び第２の像に応じて光電変換素子から得られた信号に基づいて、光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段３０とを有する。偏向光学手段は、光学系のうち像側の光学系部分ＩＩ，ＩＩＩに、第１及び第２の光束に対するテレセントリック性を与えるように構成されている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、いわゆる位相差検出方式で焦点検出を行うために光電変換素子上に複数の像を形成する光学機器に関する。

一眼レフレックスカメラにおいては、ＴＴＬ（Through the Taking Lens）位相差検出方式によるＡＦが一般的に採用されている。該位相差検出方式では、撮像レンズを介して取り込まれた被写体からの光束が、可動ミラーより反射されてフィルム又は撮像素子の受光面と等価な面（一次結像面）上に導かれる。該等価面に導かれた光束は、セパレータレンズを含む二次結像光学系によって２つに分離（瞳分離又は瞳分割）されてＡＦ用の一対のラインセンサ上に導かれる。そして、該一対のラインセンサ上の２像のずれ（位相差）を検出することによって、撮像レンズ中のフォーカスレンズの合焦位置からのずれ量を求める。

ところで、デジタルカメラは、被写体像を光電変換する光電変換素子としての撮像素子を有している。この撮像素子の一部をＡＦ用センサ領域として用いれば、ＡＦ専用のラインセンサや撮像レンズとは別の二次結像光学系を設ける必要がない。

このため、撮像素子の一部をＡＦ用センサ領域とし、該領域に撮像光学系内に設けられたスプリットイメージプリズムによって分離された２つの光束を導くようにした焦点検出システムが提案されている（特許文献１参照）。

また、ホログラフィック光学素子を１次結像面より物体側に配置することにより、ＴＴＬ位相差方式のＡＦを実現する構成も提案されている（特許文献２参照）。
特開２００４−４６１３２（段落００１５〜００４１、図４〜７等） 特開平４−１４７２０７（第３頁左下欄５行〜４頁右上欄７行、第３図等）

しかしながら、特許文献１にて提案されたスプリットイメージプリズムを用いる方法では、ＴＴＬ位相差検出方式とは異なり、スピリットイメージプリズムの境界線上での像の連続性が必要となる。例えば、スプリットイメージプリズムの境界線上の像の形状が直線でなければ、合焦状態であっても非合焦であると判断してしまう等、焦点検出を行う上で制約があり、ＴＴＬ位相差検出方式と同等の焦点検出性能が得られない。

また、特許文献２にて提案されたホログラフィック光学素子を用いる方法は、原理的にはＴＴＬ位相差検出方式と同様である。しかし、焦点状態を判断する上で重要となる瞳分離方向の２つの像（ＡＦ像）を形成する際に、色分散が大きなホログラフィック光学素子を使用している。このため、焦点検出精度を得る上で重要な位相差像同士の入射角度の差が波長により大きくずれ、焦点検出を行う上で現実的ではない。

本発明は、位相差検出方式による良好な焦点検出性能を得るためのＡＦ像を形成でき、かつ該ＡＦ像の検出精度を向上させることができる光学機器を提供する。

本発明の一側面としての光学機器は、光学系の射出瞳における第１の領域及び第２の領域をそれぞれ通過して光電変換素子に到達する第１の光束及び第２の光束のうち少なくとも一方の光束を、他方の光束に対して第１及び第２の領域の分離方向とは異なる方向に偏向させる偏向光学手段と、第１及び第２の光束により形成された第１の像及び第２の像に応じて前記光電変換素子から得られた信号に基づいて、光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段とを有する。そして、偏向光学手段は、光学系のうち像側の光学系部分に、第１及び第２の光束に対するテレセントリック性を与えるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の光束のうち少なくとも一方を瞳分離方向とは異なる方向に偏向させることで、収差の少ないＡＦ像を光電変換素子上の異なる領域に形成することができる。しかも、偏向光学手段によって光学系に像側テレセントリック性を与えることで、光電変換素子上に形成されるＡＦ像の方向にかかわらず光学系の焦点状態に応じたＡＦ像の移動方向を同じとし、高い焦点検出性能を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本出願人が先に提案した光学機器（特開２００６−７１９５０号公報参照）について、図１４Ａ〜図１６Ｃを用いて簡単に説明する。この光学機器は、ＴＴＬ位相差検出方式による焦点検出に適し、かつＡＦ像同士の実質的な入射角度の差の波長によるずれを少なくすることができる。

図１４Ａは、該光学機器における被写体の記録用画像を取得するための撮像状態を示し、図１４Ｂは、該光学機器におけるオートフォーカス（ＡＦ）を行うための焦点検出状態を示す。なお、ここでの説明及び後述する実施例の説明では、光学機器は、撮像装置であるレンズ一体型デジタルカメラであるとする。ただし、光学機器は、撮像装置に着脱可能に装着されるレンズ装置であってもよい。

これらの図において、１１０は撮像光学系であり、被写体側（図の左側）から順に、第１レンズユニットＩ、第２レンズユニットＩＩ及び第３レンズユニットＩＩＩを有するズーム光学系である。

２４０は偏向光学手段としての光偏向ユニットであり、撮像光学系１１０の光路上の内部空間、具体的には第１レンズユニットＩと第２レンズユニットＩＩとの間の空間に対して挿入及び退避可能である。この空間は、撮像光学系１１０の射出瞳の位置又はこれに近接した位置である。

１０１は撮像光学系１１０の入射光束（図には、撮像光学系１１０の瞳中心を通る光束のみ示す）である。

図１５には、光偏向ユニット２４０を撮像光学系１１０の前側（被写体側）から見た様子を示している。光偏向ユニット２４０には、遮光マスク２４２によって２つの分離された瞳（第１の領域及び第２の領域）２４１ａ，２４１ｂが形成されている。また、各分離瞳の部分には、入射した光束を偏向させる偏向光学素子と、該偏向光学素子への光束の入射角を制限する光制限素子とが設けられている。

分離瞳２４１ａ，２４１ｂに設けられた偏向光学素子はそれぞれ、図中の矢印方向、すなわち互いに逆方向に光束を偏向する作用を有する。この偏向方向は、瞳分離方向とは異なる方向であり、具体的には、瞳分離方向に対して直交する方向である。

これにより、図１４Ｂに示すように、分離瞳２４１ａを通過して撮像素子１０６に到達する光束（第１の光束）１０１ａは光電変換素子としての撮像素子１０６の上側にＡＦ像（第１の像：以下、Ａ像ともいう）を形成する。また、分離瞳２４１ｂを通過して撮像素子１０６に到達する光束（第２の光束）１０１ｂは撮像素子６の下側にＡＦ像（第２の像：以下、Ｂ像ともいう）を形成する。

なお、本明細書において使用する「直交」、「平行」、「一致（同一）」はそれぞれ、厳密な直交、平行、一致だけでなく、光学的又は焦点検出性能上、直交、平行及び一致とみなせる場合まで含む意味である。

次に、Ａ像とＢ像を撮像素子１０６により検出する動作について説明する。図１６Ａは、撮像素子１０６上においてＡ像，Ｂ像を光電変換するＡＦ像検出エリア（像信号を取り込むための光電変換領域）１６１ａ，１６１ｂを示す。また、図１６Ｂには、ＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂを拡大して示している。

各ＡＦ像検出エリア（各光電変換領域）では、図１６Ｃに示すように上下方向（撮像素子１０６の短辺方向）に２列で配列された複数の画素を含む画素ブロック（画素列）１６１ａ１，１６１ｂ１が、左右方向（撮像素子１０６の長辺方向）に複数並んでいる。上下方向は、瞳分離方向に直交する方向である。左右方向は、瞳分離方向（に平行な方向）である。図１６Ｃには、１つの画素ブロック中のカラーフィルタの配置も示している。Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を示す。

図１６Ｃに示した画素ブロック１６１ａ１，１６１ｂ１をＡＦ像検出における単位画素として単一の像情報を生成するように加算処理すると、上下方向のＡＦ像情報は色情報も含めて平均化処理される。しかし、左右方向の単位画素はもともとの撮像素子１０６の分解能に対応する２画素分のエリアであるため、色分散の影響を抑えつつも、ＡＦ像のずれ量を検出する上で十分な解像度を確保することができる。

以上のようにして得られた対のＡＦ像（Ａ像，Ｂ像）の光強度分布のずれ量に対して自己相関処理を行うことにより、撮像光学系１１０のピントずれ量（デフォーカス量）を検出することが可能となる。

図１７には、図１４Ｂに示した焦点検出状態における分離瞳２４１ａ，２４１ｂを通過した光束によりＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ上に形成されたＡＦ像（Ａ像，Ｂ像）１０７ａ，１０７ｂの例を示す。ここでは、撮像素子１０６をその受光面の裏側から見たときのＡＦ像であって、本来は倒立像であるものを上下反転させた（光軸を中心に１８０度回転させた）像を示している。

本構成においては、前ピン状態であれば下側のＡＦ像（Ａ像）１０７ａが左方向に、上側のＡＦ像（Ｂ像）１０７ｂが右方向にずれる。また、後ピン状態であれば、これらＡＦ像１０７ａ，１０７ｂのずれ方向が逆となる。

分離瞳２４１ａ，２４１ｂを通過した光束により形成されるＡＦ像が、該分離瞳よりも像側においてテレセントリックな光学系により形成されたものであれば、ピントがずれた場合にＡ像とＢ像とが水平方向に移動する。しかし、像側においてテレセントリックな光学系により形成されたものでないならば、ピントがずれた場合にＡ像とＢ像とが斜め方向に移動する。

図１８Ａ〜図１８Ｆは、被写体像の傾きとＡＦ像のずれ方向を説明する図である。ここでも、撮像素子１０６をその受光面の裏側から見たときのＡＦ像であって、本来は倒立像であるものを上下反転させた（光軸を中心に１８０度回転させた）像を示している。

図１８Ａは、前ピン状態でのＡ像とＢ像の様子を示す。図１８Ｃは、合焦状態でのＡ像とＢ像の様子を示す。また、図１８Ｅは、後ピン状態でのＡ像とＢ像の様子を示す。被写体像としては、同一距離の被写体の像であって、右斜めに倒れた像ａ１，ｂ１、垂直像ａ２，ｂ２、左に倒れた像ａ３，ｂ３を想定し、それぞれＡ像（ａ１〜ａ３）及びＢ像（ｂ１〜ｂ３）としてピントずれに応じて移動する。

図１８Ｂの左図は、前ピン状態でのＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ内のＡ像（ａ１〜ａ３）とＢ像（ｂ１〜ｂ３）の様子を示す。また、図１８Ｄの左図は、合焦状態でのＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ内のＡ像（ａ１〜ａ３）とＢ像（ｂ１〜ｂ３）の様子を示す。さらに、図１８Ｆの左図は、後ピン状態でのＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ内のＡ像（ａ１〜ａ３）とＢ像（ｂ１〜ｂ３）の様子を示す。なお、図１８Ｂ，１８Ｄ及び図１８Ｆの右図は、各Ａ像及び各Ｂ像に対応する像信号を示している。

これらの図から分かるように、被写体像が垂直像ａ２，ｂ２である場合は、ピントずれによる撮像素子１０６上での横方向の像ずれ量（位相差）ＳとＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ内での像ずれ量Ｓとが一致する。しかし、被写体像が斜めの像ａ１，ｂ１，ａ３，ｂ３である場合は、ピントずれによる撮像素子１０６上での横方向の像ずれ量Ｓに対してＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ内での像ずれ量（Ｓ′，Ｓ″）が異なる。例えば、右斜めに倒れた像ａ１，ｂ１では、ピントずれによる撮像素子１０６上での横方向の像ずれ量ＳよりもＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ内での像ずれ量Ｓ′が小さくなる。また、右斜めに倒れた像ａ３，ｂ３では、ピントずれによる撮像素子１０６上での横方向の像ずれ量ＳよりもＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂ内での像ずれ量Ｓ″が大きくなる。

つまり、同じピントずれ状態でもＡＦ像の倒れやその方向によってＡＦ像検出エリア１６１ａ，１６１ｂで検出される像ずれ量が異なり、この結果、焦点検出誤差が発生する可能性がある。以下に説明する実施例では、図１８Ａ〜図１８Ｆで示した被写体像（ＡＦ像）が斜めの像である場合に生じる焦点検出誤差を抑えるための方法について説明する。

図１Ａ及び図１Ｂには、本発明の実施例である光学機器のワイド端での焦点検出状態における構成を示している。図１Ａは、該光学機器の側面断面を、図１Ｂは、該光学機器の水平断面を示している。また、図２Ａ及び図２Ｂには、該光学機器のテレ端での焦点検出状態における構成を示している。図２Ａは、該光学機器の側面断面を、図２Ｂは、該光学機器の水平断面を示している。

１０は撮像光学系であり、被写体側（図の左側）から順に、第１レンズユニットＩ、第２レンズユニットＩＩ及び第３レンズユニットＩＩＩを有するズーム光学系である。各レンズユニットを図の下側に示した矢印のように移動させてレンズ面間隔を変化させることによって、ワイド端とテレ端と間で焦点距離を変化させることができる。

６０は主にデジタルカメラで生じる偽色やモアレの現象を緩和させる機能を持つ光学ローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。６は撮像光学系１０により形成された被写体像を光電変換する光電変換素子としての撮像素子である。該撮像素子６からの出力に基づいて画像信号が生成され、該画像信号は、不図示の半導体メモリ、光ディスク、磁気テープ等の記録媒体に記録される。

４０は光束偏向手段としての光偏向ユニットであり、撮像光学系１０の光路上の内部空間、具体的には第１レンズユニットＩと第２レンズユニットＩＩとの間の空間に対して挿入及び退避可能である。この空間は、撮像光学系１０の射出瞳の位置又はこれに近接した位置である。また、光偏向ユニット４０は、ズーム（変倍）時に第２レンズユニットＩＩとともに光軸方向に移動する。

３０は主にオートフォーカス（ＡＦ）において、撮像光学系１０の焦点状態（デフォーカス量）を演算（検出する）焦点出手段や、合焦のためのフォーカスレンズ駆動量を演算するフォーカス制御手段として機能するコントローラである。

図３Ｄには、光偏向ユニット４０を撮像光学系１０の前側（被写体側）から見て示している。

光偏向ユニット４０には、２つの分離瞳（第１及び第２の領域）４１ａ，４１ｂを形成するための２つの開口（瞳開口）を有する遮光マスク（遮光部材）４２が設けられている。また、図１Ｂ及び図３Ｄに示すように、分離瞳４１ａ，４１ｂに面する部分には、入射した光束を偏向させる偏向光学素子４３ａ，４３ｂと該偏向光学素子４３ａ，４３ｂへの光束の入射角を制限する光制限素子とが設けられている。

図１Ｂ及び図３Ｄから分かるように、光偏向ユニット４０では水平方向に２つの分離瞳４１ａ，４１ｂが形成されている。また、図１Ａ及び図３Ｄに示すように、偏向光学素子４３ａ，４３ｂはそれぞれ、図中の矢印方向、すなわち互いに逆方向に光束を偏向する作用を有する。具体的には、偏向光学素子４３ａは、入射した光束（第１の光束）１ａを図中に矢印で示すように上側に偏向させ、偏向光学素子４３ｂは、入射した光束（第２の光束）１ｂを図中に矢印で示すように下側に偏向する。この偏向方向である上下方向は、瞳分離方向とは異なる方向であり、第１の方向に相当する。また、図３Ｄの状態では、瞳分離方向に対して直交する方向である。

偏向光学素子としては、鋸歯又は三角プリズム形状が、上下方向に連続的に並んだいわゆるブレーズ形状のプリズムシート（リニア型ブレーズドプリズムシート）を用いることができ、これらの屈折の条件に応じて光束の偏向角度が決まる。このような偏向光学素子では、図中の矢印で示す、すなわちブレーズ方向に光束が偏向される。したがって、分離瞳４１ａ，４１ｂに設けられた２つの偏向光学素子でブレーズ方向を逆向きにすることによって、これらに入射する第１の光束と第２の光束とを互いに反対方向に偏向させることができる。

なお、鋸歯又は三角プリズム形状のピッチは、第１及び第２の光束に対する回折の影響が少ないように、例えば、０．５ｍｍとするのが好ましい。

また、偏向光学素子としては、光の回折現象を利用して入射光束を偏向させることができるリニア型ブレーズド回折格子を用いてもよい。この場合、偏向角度は回折条件の式によって決まり、分散方向が屈折の条件とは逆になる。

このような構成により、図１Ａに示すように、分離瞳４１ａを通過した光束（第１の光束）１ａは撮像素子６の上側にＡＦ像（以下、Ａ像ともいう）を形成する。また、分離瞳４１ｂを通過した光束（第２の光束）１ｂは撮像素子６の下側にＡＦ像（以下、Ｂ像ともいう）を形成する。

一方、図１Ｂに示すように、上面から見た分離瞳４１ａ，４１ｂを通過した光束１ａ，１ｂは、撮像素子６の水平中央位置にＡＦ像（Ａ像及びＢ像）を形成する。

図１Ｂで示す光束１ａ，１ｂは、撮像素子６の受光面に入射するときに、該受光面の法線に対して水平方向で角度をなす。このため、ピントずれに応じて水平方向での像ずれ（Ａ像及びＢ像のずれ、つまりは位相差）が生じる。

ここで、図４Ａ及び図４Ｂにはそれぞれ、図１４Ｂに示した光学機器におけるワイド端及びテレ端での第１及び第２の光束１ａ，１ｂを示している。図４Ａ及び図４Ｂでは、光束１ａ，１ｂが撮像素子６の受光面に入射するときに、該受光面の法線に対して垂直方向で角度をなすことで、ピントずれによって垂直方向にも像ずれが生じる。

このため、本実施例では、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、光偏向ユニット４０を構成している。光偏向ユニット４０は、ユニットベース４４と、前述した遮光マスク４２と、ユニットベース４４に固定され、前述したように分離瞳４１ａ，４１ｂを通過する光束を偏向させる偏向光学素子４３ａ，４３ｂとにより構成されている。また、前述した光制限素子も設けられている。なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、遮光マスク４２を省いた構成を示す。

光偏向ユニット４０は、モータ等のアクチュエータを含む進退駆動機構７０によって、図３Ｂに示す撮像時には撮像光路（第１レンズユニットＩから撮像素子６までの光路）外に移動（退避）され、図３Ａに示す焦点検出時には撮像光路内に配置される。進退駆動機構７０は、コントローラ３０によってその動作が制御される。

５０は第２レンズユニットＩＩと光偏向ユニット４０を、撮像光学系１０の光軸方向に移動させるための鏡筒部材である。遮光マスク４２は、光偏向ユニット４０に対して光軸回りで回転可能に構成されている。

４５は遮光マスク４２に一体的に形成されたカムピン（係合部）であり、５１は鏡筒部材５０に一体的に形成されたカム部である。鏡筒部材５０は、撮像光学系１０のズーム（変倍）動作に伴って回転し、第２レンズユニットＩＩと光偏向ユニット４０を光軸方向に移動させる。この際、鏡筒部材５０のカム部５１は、カムピン４５を介して遮光マスク４２の回転位置も変更する。

図３Ｃ，３Ｄ及び図３Ｅはそれぞれ、ワイド端、ミドルズーム位置、テレ端での焦点検出時の遮光マスク４２の回転位置を示している。

ワイド端とテレ端では、光偏向ユニット４０の偏向光学素子４３ａ，４３ｂのうち第１及び第２の光束１ａ，１ｂを偏向させる部分（分離瞳４１ａ，４１ｂに面する部分）が、撮像光学系１０の光軸位置に対して上下方向における互いに反対側にシフトしている。言い換えれば、偏向光学素子４３ａ，４３ｂのうち分離瞳４１ａ，４１ｂに面する部分（以下、光束偏向部分という）が、光軸位置に対して上下方向における互いに反対側に偏心している。ここにいう光軸位置は、撮像光学系１０の光軸を通り、光束が偏向される上下方向（第１の方向）に直交する面と言い換えることもできる。

このように光束偏向部分を上下方向における互いに反対側にシフト（偏心）させることで、撮像光学系１０における像側光学系部分（第２及び第３レンズユニットＩＩ，ＩＩＩ）に、第１及び第２の光束１ａ，１ｂに対するテレセントリック性を与える。ここで、テレセントリック性とは、厳密にテレセントリックである場合だけでなく、テレセントリックとみなせる程度にテレセントリックに近い場合も含む。

一方、ミドルズーム位置では、光束偏向部分は上記のようなシフト（偏心）はしておらず、光軸位置に対して左右方向に並んでいる。

なお、ワイド端及びテレ端では遮光マスク４２は回転しているが、偏向光学素子４３ａ，４３ｂは固定されているため、第１の方向はズーム状態にかかわらず上下方向に維持される。

図５Ａ及び図５Ｂにはそれぞれ、図４Ａ及び図４Ｂに示した光学機器におけるワイド端及びテレ端でのＡＦ像と射出瞳との関係を示し、撮像素子６を前側から見て示している。

図５Ａに示すワイド端では、光束１ａ，１ｂは互いに異なる射出瞳５ａ，５ｂからの光束として撮像素子６の受光面上にＡ像，Ｂ像を形成する。Ａ像，Ｂ像に対応する撮像素子６上での画素アドレスは、射出瞳５ａ，５ｂの方位情報から求めることができる。

角度θ１は、射出瞳５ａを撮像素子６の受光面上に投影した場合の射出瞳５ａの重心と射出瞳５ａの結像位置（結像点）とのなす角度である。また、角度θ２は、射出瞳５ｂを撮像素子６の受光面上に投影した場合の射出瞳５ｂの重心と射出瞳５ｂの結像位置（結像点）とのなす角度である。

射出瞳５ａの方位情報は、角度θ１と結像点の位置（縦横位置ｘ１，ｙ１）を含む。また、射出瞳５ｂの方位情報は、角度θ２と結像点の位置（縦横位置ｘ２，ｙ２）を含む。射出瞳５ａ，５ｂの方位情報（ｘ１，ｙ１，θ１），（ｘ２，ｙ２，θ２）は、撮像光学系１０の各レンズユニットの位置（光学配置）、分離瞳４１ａ，４１ｂの位置及びＡ像，Ｂ像の位置に基づいて、光線シミュレーションより求めることができる。

一方、図５Ｂに示すテレ端では、撮像素子６の裏面側に位置する互いに異なる射出瞳５ａ，５ｂに向かう光束１ａ，１ｂが撮像素子６の受光面上にＡ像，Ｂ像を形成する。Ａ像，Ｂ像に対応する撮像素子６上での画素アドレスは、射出瞳５ａ，５ｂの方位情報から求めることができる。

角度θ３は、射出瞳５ａを撮像素子６の受光面上に投影した場合の射出瞳５ａの重心と射出瞳５ａの結像位置（結像点）とのなす角度である。また、角度θ４は、射出瞳５ｂを撮像素子６の受光面上に投影した場合の射出瞳５ｂの重心と射出瞳５ｂの結像位置（結像点）とのなす角度である。射出瞳５ａの方位情報は、角度θ３と結像位置（縦横位置ｘ３，ｙ３）を含む。また、射出瞳５ｂの方位情報は、角度θ４と結像位置（縦横位置ｘ４，ｙ４）を含む。

射出瞳５ａ，５ｂの方位情報（ｘ３，ｙ３，θ３），（ｘ４，ｙ４，θ４）は、撮像光学系１０の各レンズユニットの位置（光学配置）、分離瞳４１ａ，４１ｂの位置及び検出対象であるＡ像，Ｂ像の位置に基づいて、光線シミュレーションより求めることができる。

図６Ａ及び図６Ｂには、図１Ａ及び図２Ａに示した本実施例の光学機器におけるワイド端及びテレ端での光束１ａ，１ｂの結像状態を示す。

図３Ｃ，図３Ｅに示したように光束偏向部分（分離瞳４１ａ，４１ｂ）を上下方向にシフト（偏心）させると、図５Ａ及び図５Ｂに示す場合に対して、射出瞳１５ａ，１５ｂから結像点までの光束１ａ，１ｂが通過する像側光学系部分の主軸の向きが変わる。射出瞳１５ａ，１５ｂは、図５Ａ及び図５Ｂでの射出瞳の光軸方向位置を固定した場合において、光束偏向部分（分離瞳４１ａ，４１ｂ）を光軸位置に対して上下方向にシフト（偏心）させることで移動した射出瞳を示す。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、射出瞳１５ａ，１５ｂの方位情報は、ワイド端では（ｘ１，ｙ１，θ１＝０），（ｘ２，ｙ２，θ２＝０）となり、テレ端では（ｘ３，ｙ３，θ３＝０），（ｘ４，ｙ４，θ４＝０）となる。

このように、図６Ａ及び図６Ｂに示す状態では、光束１ａ，１ｂにより形成されるＡ像とＢ像のずれ方向は水平方向（θ１〜θ４＝０）となる。したがって、図１８Ａ〜図１８Ｆで示したような被写体像の倒れによる焦点検出精度の劣化を抑えることができる。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、ワイド端での射出瞳１５ａ，１５ｂの結像位置（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）と、テレ端での射出瞳１５ａ，１５ｂの結像位置（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）は、図５Ａ及び図５Ｂに示した結像位置とそれぞれ基本的には一致する。ただし、実際には射出瞳の違いによるレンズ収差によるずれが加わる。このため、ワイド端とテレ端の間で結像位置の移動方向が水平になるように、光線シミュレーションにより各レンズユニットの位置（光学配置）、分離瞳４１ａ，４１ｂの位置及び検出対象であるＡ像，Ｂ像の位置の関係を導いておくとよい。また、ピントずれ量と像ずれ量とを光線シミュレーションより求めておくことにより、ＡＦ像の光強度分布のずれ量と撮像光学系１０のピントずれ量（デフォーカス量）との関係を導いておくとよい。

以上により、撮像光学系１０のピントずれに対して、上下方向に分離されたＡ像とＢ像とを水平方向のみに変位させることができる。つまり、光軸位置に対して上下方向にシフト（偏心）した光束偏向部分（光偏向ユニット４０）は、撮像光学系１０における像側光学系部分に、第１及び第２の光束１ａ，１ｂに対するテレセントリック性を与えるように作用している。

なお、ここではワイド端とテレ端について説明した。しかし、ワイド端とテレ端との間のズーム状態においても、光束偏向部分（分離瞳４１ａ，４１ｂ）の光軸位置に対する上下方向でのシフト（偏心）量を算出しておくことにより、全ズーム域で像ずれ方向を水平方向に維持することができる。

次に、本実施例において、Ａ像とＢ像を撮像素子６により検出する動作について説明する。

図７Ａには、ワイド端における撮像素子６上でのＡＦ像検出エリア（像信号を取り込むための光電変換領域）を示す。ＡＦ像検出エリア６１ａ，６１ｂはそれぞれ、Ａ像，Ｂ像を光電変換し、該Ａ像，Ｂ像に応じた信号（像信号）を出力する。また、図７Ｂには、ＡＦ像検出エリア６１ａ，６１ｂを拡大して示している。

各ＡＦ像検出エリア（各光電変換領域）では、図７Ｃに示すように上下方向（撮像素子６の短辺方向）に２列で配列された複数の画素を含む画素ブロック（画素列）６１ａ１，６１ｂ１が、左右方向（撮像素子６の長辺方向）に複数並んでいる。

図７Ｃには、１つの画素ブロック中のカラーフィルタの配置も示している。Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を示す。

ここで、各ＡＦ像検出エリアは、図６Ａに示したワイド端での射出瞳（１５ａ又は１５ｂ）の方位情報に対応して設定される。また、各ＡＦ像検出エリアの上下方向及び水平方向の幅は、射出瞳の結像位置を中心として所定の大きさ（例えば、上下２００画素、水平４００画素）に決められる。

そして、図７Ｃに示した画素ブロック６１ａ１，６１ｂ１をＡＦ像検出における単位画素として単一の像情報（像信号）を生成するように加算処理すると、上下方向のＡＦ像情報は色情報も含めて平均化処理される。しかし、左右方向の単位画素はもともとの撮像素子６の分解能に対応する２画素分のエリアであるため、色分散の影響を抑えつつも、ＡＦ像のずれ量を検出する上で十分な解像度を確保することができる。

以上のようにして得られた対のＡＦ像（Ａ像，Ｂ像）の光強度分布のずれ量に対して、コントローラ３０によって自己相関処理を行うことにより、撮像光学系１０のピントずれ量（デフォーカス量）を検出することが可能となる。

図８Ａ〜図８Ｆには、本実施例における被写体像の傾きとＡＦ像のずれ方向を示している。ここでは、撮像素子６をその受光面の裏側から見たときのＡＦ像であって、本来は倒立像であるものを上下反転させた（光軸を中心に１８０度回転させた）像を示している。

図８Ａは、前ピン状態でのＡ像とＢ像の様子を示す。図８Ｃは、合焦状態でのＡ像とＢ像の様子を示す。また、図８Ｅは、後ピン状態でのＡ像とＢ像の様子を示す。被写体像としては、同一距離の被写体の像であって、右斜めに倒れた像ａ１，ｂ１、垂直像ａ２，ｂ２、左に倒れた像ａ３，ｂ３を想定し、それぞれＡ像（ａ１〜ａ３）及びＢ像（ｂ１〜ｂ３）としてピントずれに応じて移動する。

図８Ｂの左図は、前ピン状態でのＡＦ像検出エリア６１ａ，６１ｂ内のＡ像（ａ１〜ａ３）とＢ像（ｂ１〜ｂ３）の様子を示す。また、図８Ｄの左図は、合焦状態でのＡＦ像検出エリア６１ａ，６１ｂ内のＡ像（ａ１〜ａ３）とＢ像（ｂ１〜ｂ３）の様子を示す。さらに、図８Ｆの左図は、後ピン状態でのＡＦ像検出エリア６１ａ，６１ｂ内のＡ像（ａ１〜ａ３）とＢ像（ｂ１〜ｂ３）の様子を示す。なお、図８Ｂ，８Ｄ及び図８Ｆの右図は、Ａ像及びＢ像に対応する像信号を示している。

これらの図から分かるように、被写体像がａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３のいずれの場合でも、ピントずれによる撮像素子６上（光電変換素子上）での横方向の像ずれ量（位相差）ＳとＡＦ像検出エリア６１ａ，６１ｂ内での像ずれ量Ｓとが一致する。

このように、ＡＦ像検出エリア６１ａ，６１ｂ上に形成されるＡ像及びＢ像のピントずれに伴う像ずれ方向を水平方向とすること、つまりは像側光学系部分に光束１ａ，１ｂに対するテレセントリック性を与えることで、焦点検出精度を向上させることができる。

図９Ａ及び図９Ｂには、ワイド端での多点焦点検出の様子を示している。図９Ａは、多点焦点検出における焦点検出エリア（小さな矩形枠）を示し、図９Ｂは、分離瞳４１ａ，４１ｂを通過した光束により形成されたＡＦ像（Ａ像，Ｂ像）７ａ，７ｂの例を示す。また、図９Ｃ及び図９Ｄには、テレ端での多点焦点検出の様子及びＡＦ像７ａ，７ｂの例を示している。ここでは、撮像素子６をその受光面の裏側から見たときのＡＦ像であって、本来は倒立像であるものを上下反転させた（光軸を中心に１８０度回転させた）像を示している。

また、図１０には、本実施例におけるピントずれ量（デフォーカス量）の検出動作を示すフローチャートを示す。この検出動作は、主としてコントローラ３０が、内部に格納されたコンピュータプログラムに従って実行する。また、この検出動作は、ワイド端、テレ端及びミドルズーム位置のいずれでも行われる。

図１０のｓｔｅｐ１において、図９Ａに示す複数の焦点検出エリアの中から撮影者によって画面中心から外れた周辺の焦点検出エリア（「select」で示す焦点検出エリア）が選択された場合について説明する。

コントローラ３０は、ｓｔｅｐ２において、撮像光学系１０の光学配置情報を取得する。これにより、焦点検出エリア「select」上のＡ像「select−ａ」とＢ像「select−ｂ」の結像位置の中心アドレスを取得する。次に、ｓｔｅｐ３において、各結像位置の中心アドレスに応じて、Ａ像「select−ａ」とＢ像「select−ｂ」の像信号を取り込むための撮像素子６上のＡＦ像検出エリアを決定（算出）する。

次に、ｓｔｅｐ４では、コントローラ３０は、算出されたＡＦ像検出エリアからのＡ像とＢ像にそれぞれ対応した像信号を取り込む（読み込む）。そして、ｓｔｅｐ５では、これら像信号間で相関演算処理（自己相関処理）を行い、その結果に基づいて、ｓｔｅｐ６でピントずれ量（デフォーカス量）を算出する。

以上により、画面中心部の焦点検出エリアだけでなく、周辺部の焦点検出エリアに対しても、精度良くＴＴＬ位相差検出方式による焦点検出を行うことができる。

また、コントローラ３０は、撮像光学系１０のズーム位置に対応した画素ブロック６１ａ，６１ｂのアドレスを演算するとともに、検出したピントずれ量に基づいて、撮像光学系１０に含まれるフォーカスレンズの合焦位置を算出する。そして、不図示のアクチュエータを介して該フォーカスレンズを駆動する。こうして、全ズーム領域におけるＴＴＬ位相差検出方式のＡＦが可能となる。この際、撮像素子６から対のＡＦ像情報（像信号）が得られるため、フォーカスレンズの駆動方向及び駆動量を定量的に算出することができる。

図１１Ａ及び図１１Ｂには、本発明の実施例２である光学機器の焦点検出状態の構成を示している。図１１Ａは、ワイド端での光学機器の側面断面を、図１１Ｂは、テレ端での光学機器の側面断面を示している。

なお、本実施例においては、光偏向ユニット１４０が実施例１と異なるが、他の構成要素は実施例１と同じであり、共通する構成要素には実施例１と同符号を付している。

図１２には、本実施例の光偏向ユニット１４０を撮像光学系１０の前側から見て示している。光偏向ユニット１４０には、遮光マスク１４２の瞳開口によって２つの分離瞳（第１および第２の領域）１４１ａ，１４１ｂが形成されている。また、分離瞳１４１ａ，１４１ｂに面する部分には、入射した光束を偏向させる偏向光学素子１４３ａ，１４３ｂと該偏向光学素子１４３ａ，１４３ｂへの光束の入射角を制限する光制限素子とが設けられている。

そして、光偏向ユニット１４０の偏向光学素子１４３ａ，１４３ｂのうち第１及び第２の光束１ａ，１ｂを偏向させる部分（分離瞳１４１ａ，１４１ｂに面する部分）が、撮像光学系１０の光軸位置に対して、上下方向における互いに反対側にシフトしている。言い換えれば、偏向光学素子１４３ａ，１４３ｂのうち分離瞳１４１ａ，１４１ｂに面する光束偏向部分が、光軸位置に対して上下方向における互いに反対側に偏心している。ここにいう光軸位置も、撮像光学系１０の光軸を通り、光束が偏向される上下方向（第１の方向）に直交する面と言い換えることもできる。

このように光束偏向部分を上下方向における互いに反対側にシフト又は偏心させることで、撮像光学系１０における像側光学系部分（第２及び第３レンズユニットＩＩ，ＩＩＩ）に、第１及び第２の光束１ａ，１ｂに対するテレセントリック性を与える。本実施例では、撮像光学系１０のズーム状態にかかわらず、光束偏向部分が光軸位置に対して上下方向にシフト（偏心）した状態で固定されている。

図１１Ｂに示すテレ端での光学構成は、実施例１で図２Ａに示したテレ端での光学構成と同様である。これは、第１及び第２レンズユニットＩ，ＩＩ間に光偏向ユニット１４０を配置する場合、テレ端での像ずれ方向を水平方向に維持するためには、第２レンズユニットＩＩとのギャップを小さくした方が光束偏向部分のシフト（偏心）量を小さくできるためである。

一方、光偏向ユニット１４０における光束偏向部分（分離瞳１４１ａ，１４１ｂ）のシフト（偏心）を固定した場合、図１１Ａに示すワイド端及びその付近では、ズーム（変倍）に伴って光偏向ユニット１４０を第２レンズユニットＩＩと独立して移動させるとよい。これにより、ワイド端でのＡＦ像の像ずれ方向を水平方向に維持することができる。図１１Ａでは、実施例１の図１Ａに比べて、光偏向ユニット１４０が第２レンズユニットＩＩから第１レンズユニットＩ側に離れている。

図１３Ａは、図１１Ａに示すワイド端でのレンズユニット構成において光束偏向部分が光軸位置に対してシフト（偏心）していない場合でのＡＦ像と射出瞳との関係を示す。また、図１３Ｂは、図１１Ａに示すワイド端でのレンズユニット構成において光束偏向部分が光軸位置に対してシフト（偏心）している場合でのＡＦ像と射出瞳との関係を示す。なお、これらの図では、撮像素子６をその受光面の表側から見たときの様子を示す。

図１３Ａから分かるように、ワイド端において実施例１と同じレンズユニット構成であっても、光偏向ユニット１４０の位置を変えることで、図５Ｂに示す実施例１のテレ端の場合と同じようなＡＦ像と射出瞳との関係が生じる。具体的には、撮像素子６の裏面側に位置する互いに異なる射出瞳２５ａ，２５ｂに向かう光束１ａ，１ｂによって撮像素子６の受光面上にＡＦ像が形成される。

したがって、本実施例の光偏向ユニット１４０を用いることで、図１３Ｂに示すように、ワイド端でのＡＦ像のずれ方向を水平方向に維持することが可能となる。

ここではワイド端とテレ端について説明したが、射出瞳の結像位置の移動方向が水平になるように、ワイド端とテレ端との間での各ズーム状態での瞳分離配置を計算することにより、光偏向ユニット１４０の移動軌跡を求めることが可能である。このため、全ズーム域における像ずれ方向を水平方向とする、すなわち撮像光学系１０における像側光学系部分に、第１及び第２の光束１ａ，１ｂに対するテレセントリック性を与えることができる。

また、本実施例におけるピントずれ量の検出動作と多点焦点検出の方法は、実施例１で図１０及び図９Ａ〜図９Ｄを用いて説明したのと同様である。

このように、上記各実施例によれば、光偏向ユニットを撮像光学系における像側光学系部分に第１及び第２の光束に対するテレセントリック性を与えるように構成することで、撮像素子上にＡＦ像が斜めに形成される場合でも、高い焦点検出性能を得ることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

例えば、上記各実施例では、光偏向ユニットにおける光束偏向部分を撮像光学系の光軸位置に対して光束の偏向方向にシフト（偏心）させることで、撮像光学系における像側光学系部分に第１及び第２の光束に対するテレセントリック性を与える場合を説明した。しかし、撮像光学系における像側光学系部分に第１及び第２の光束に対するテレセントリック性を与える方法として、光束偏向部分のシフト（偏心）以外の方法を採用してもよい。

また、上記各実施例では、撮像光学系がズーム光学系である場合について説明した。しかし、撮像光学系が単焦点光学系であっても、光束偏向部分のシフト（偏心）を含むいくつかの方法により、撮像光学系における像側光学系部分に第１及び第２の光束に対するテレセントリック性を与えることができる。

さらに、上記各実施例では、第１及び第２の光束の両方を偏向させる場合について説明したが、いずれか一方の光束のみを他方の光束に対して偏向させるようにしてもよい。

本発明の実施例１である光学機器のワイド端での構成を示す側面断面図。 実施例１の光学機器のワイド端での構成を示す水平断面図。 実施例１の光学機器のテレ端での構成を示す側面断面図。 実施例１の光学機器のテレ端での構成を示す水平断面図。 実施例１に用いられる光偏向ユニットの焦点検出状態での正面図。 実施例１に用いられる光偏向ユニットの撮像状態での正面図。 実施例１に用いられる光偏向ユニットのワイド端での正面図。 実施例１に用いられる光偏向ユニットのミドルズーム位置での正面図。 実施例１に用いられる光偏向ユニットのテレ端での正面図。 従来（図１４Ａ）の光学機器のワイド端での構成を示す側面断面図。 従来（図１４Ｂ）の光学機器のテレ端での構成を示す側面断面図。 図４Ａに示した光学機器におけるＡＦ像と射出瞳との関係を示す図。 図４Ｂに示した光学機器におけるＡＦ像と射出瞳との関係を示す図。 実施例１の光学機器におけるワイド端でのＡＦ像と射出瞳との関係を示す図。 実施例１の光学機器におけるテレ端でのＡＦ像と射出瞳との関係を示す図。 実施例１のワイド端における撮像素子上のＡＦ像検出エリアを示す図。 図７Ａに示すＡＦ像検出エリアの拡大図。 図７Ａに示すＡＦ像検出エリアを構成する画素ブロックを示す図。 実施例１の前ピン状態での被写体像の傾きとＡＦ像のずれ量を説明する図。 図８Ａに示す状態でのＡＦ像検出エリア内でのＡＦ像のずれ量及び像信号を示す図。 実施例１の合焦状態での被写体像の傾きとＡＦ像のずれ量を説明する図。 図８Ｃに示す状態でのＡＦ像検出エリア内でのＡＦ像のずれ量及び像信号を示す図。 実施例１の後ピン状態での被写体像の傾きとＡＦ像のずれ量を説明する図。 図８Ｅに示す状態でのＡＦ像検出エリア内でのＡＦ像のずれ量及び像信号を示す図。 実施例１のワイド端での多点焦点検出を説明する図。 実施例１のワイド端でのＡＦ像の例を示す図。 実施例１のテレ端での多点焦点検出を説明する図。 実施例１のテレ端でのＡＦ像の例を示す図。 実施例１のピントずれ量の検出動作を示すフローチャート。 本発明の実施例２である光学機器のワイド端での構成を示す側面断面図。 実施例２の光学機器のテレ端での構成を示す側面断面図。 実施例２に用いられる光偏向ユニットを示す正面図。 図１１Ａに示すレンズユニット構成において光束偏向部分が光軸位置に対してシフトしていない場合でのＡＦ像と射出瞳との関係を示す図。 図１１Ａに示すレンズユニット構成において光束偏向部分が光軸位置に対してシフトした場合（実施例２）でのＡＦ像と射出瞳との関係を示す図。 実施例の基礎となる技術を適用した光学機器の構成（撮像状態）を示す側面断面図。 図１４Ａに示した光学機器の構成（焦点検出状態）を示す側面断面図。 図１４Ａの光学機器に用いられる光偏向ユニットの正面図。 図１４Ａの光学機器における撮像素子上のＡＦ像検出エリアを示す図。 図１４Ａに示すＡＦ像検出エリアの拡大図。 図１４Ａに示すＡＦ像検出エリアを構成する画素ブロックを示す図。 図１４Ａに示す光学機器におけるＡＦ像の例を示す図。 図１４Ａに示す光学機器における前ピン状態での被写体像の傾きとＡＦ像のずれ量を説明する図。 図１８Ａに示す状態でのＡＦ像検出エリア内でのＡＦ像のずれ量及び像信号を示す図。 図１４Ａに示す光学機器における合焦状態での被写体像の傾きとＡＦ像のずれ量を説明する図。 図１８Ｃに示す状態でのＡＦ像検出エリア内でのＡＦ像のずれ量及び像信号を示す図。 図１４Ａに示す光学機器における後ピン状態での被写体像の傾きとＡＦ像のずれ量を説明する図。 図１８Ｅに示す状態でのＡＦ像検出エリア内でのＡＦ像のずれ量及び像信号を示す図。

符号の説明

１ａ，１ｂ 光束
６，１０６ 撮像素子
７ａ，７ｂ，１０７ａ，１０７ｂ ＡＦ像
１０，１１０ 撮像光学系
４０，１４０，２４０ 光偏向ユニット
４１ａ，４１ｂ，１４１ａ，１４１ｂ 分離瞳
６１ａ，６１ｂ，１６１ａ，１６１ｂ ＡＦ像検出エリア

Claims (4)

1. 光学系の射出瞳における第１の領域及び第２の領域をそれぞれ通過して光電変換素子に到達する第１の光束及び第２の光束のうち少なくとも一方の光束を、他方の光束に対して前記第１及び第２の領域の分離方向とは異なる方向に偏向させる偏向光学手段と、
   前記第１及び第２の光束により形成された第１の像及び第２の像に応じて前記光電変換素子から得られた信号に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段とを有し、
   前記偏向光学手段は、前記光学系における像側光学系部分に、前記第１及び第２の光束に対するテレセントリック性を与えるように構成されていることを特徴とする光学機器。
2. 前記偏向光学手段は、前記第１の光束及び第２の光束をそれぞれ前記分離方向とは異なる第１の方向における互いに反対側に偏向させ、
   前記偏向光学手段のうち前記第１及び第２の光束を偏向させる部分が、前記光学系の光軸位置に対して、前記第１の方向における互いに反対側にシフトしていることを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 前記第１及び第２の光束を偏向させる部分を前記光学系の光軸回りで回転させる機構を有することを特徴とする請求項２に記載の光学機器。
4. 前記偏向光学手段は、前記光学系の変倍に伴って、該光学系とは独立に光軸方向に移動することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学機器。