JP2016157025A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の撮影光学系であっても大きなＦ値において焦点検出を行うことが可能な焦点検出装置を提供すること。【解決手段】撮影光学系の射出瞳の異なる領域の光束で形成される像の位相差から前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置において、前記撮影光学系の射出瞳の光束の領域を変化させる瞳領域変化手段を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、一眼レフカメラ等の撮像装置に関し、特に焦点検出装置に関する。

一眼レフカメラには、撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出ユニットが搭載されている。焦点検出ユニットは、撮影光学系の射出瞳の異なる領域を通過する光束により形成される一対の被写体像の位相差に基づいて焦点状態を検出する。前記光束が通過する領域は所定のＦ値に相当する範囲内の領域であるため、所定のＦ値よりも大きなＦ値においては、光束の一部がけられてしまい、焦点検出性能が著しく劣化する。

この課題を解決するために、撮影光学系に近赤外光を通過して可視光を遮蔽する絞りを配置して焦点検出を行う技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１５６６０５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術の構成は、既存の撮影光学系では焦点検出をすることができないという課題があった。

本発明は、既存の撮影光学系であっても大きなＦ値において焦点検出を行うことが可能な焦点検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、撮影光学系の射出瞳の異なる領域の光束で形成される像の位相差から前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置において、前記撮影光学系の射出瞳の光束の領域を変化させる瞳領域変化手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、既存の撮影光学系であっても大きなＦ値において焦点検出を行うことが可能な焦点検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る焦点検出装置を含む光学機器の概略構成図 焦点検出ユニット１００の主要構成を示す図 撮影レンズ１の瞳の径が十分大きいときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図 撮影レンズ１の瞳の径が小さいときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図 撮影レンズ１の瞳の径が小さいときに駆動手段１００７でフィールドレンズ１００１を駆動したときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図 撮影レンズ１の瞳の径が小さいときに駆動手段１００７でフィールドレンズ１００１を図５の状態とは逆の方向に駆動したときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図 フィールドレンズ１００１を駆動したときの焦点検出光学系１０００の光束の重心間距離を示す図

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施形態に係る焦点検出装置を含む光学機器の概略構成図である。

図１において、２００は本発明のカメラ筐体である。３００はカメラ筐体２００に固定されたマウント（図示せず）に対して着脱可能な交換レンズである。交換レンズ３００は、撮影レンズ１を収容している。４００はミラーボックスである。

２はメインミラーであり、３はサブミラーである。メインミラー２とサブミラー３はミラーボックス４００内に配置されている。１００は焦点検出装置であり、ミラーボックス４００の下面に配置され、ビスによって結合されている。

メインミラー２によって反射された光は、撮像素子１４と光学的に共役な位置に配置されたピント板１０上に結像する。ピント板１０にて拡散されてこれを透過した光（被写体像）は、ペンタダハプリズム１１によって正立像に変換される。正立像は、接眼レンズ１２によって拡大され、ユーザにより観察される。

１３はフォーカルプレンシャッタであり、１４は撮像素子である。フォーカルプレンシャッタ１３は、撮像素子１４に入射する光量を制限する。撮像素子１４は撮影レンズ１により形成された被写体像を光電変換して画像を生成し、電気信号を出力するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成される。２１はカメラにおける各種演算や各種動作の制御を行うコントローラとしてのカメラＣＰＵである。

交換レンズ３００において、２２は交換レンズ３００に関する各種情報を記憶しているメモリである。２３は撮影レンズ１に含まれるフォーカスレンズ（図示せず）を光軸方向に移動させて撮影レンズ１の焦点調節を行わせるフォーカスモータである。フォーカスモータ２３は、カメラＣＰＵ２１によってその動作が制御される。

次に、焦点検出装置１００を用いた撮影レンズ１の焦点状態の検出（焦点検出）について説明する。被写体からの光は、撮影レンズ１を通過した後、ハーフミラーにより構成されたメインミラー２に入射する。メインミラー２に入射した光の一部は該メインミラー２を透過し、サブミラー３で反射されて焦点検出装置１００のフィールドレンズ１００１に入射する。

焦点検出光学系１０００はフィールドレンズ１００１、光学フィルタ１００２、絞り１００３、二次結像レンズ１００４によって構成されている。フィールドレンズ１００１は、入射した光（光束）を集光させる。フィールドレンズ１００１を透過した光束は、赤外カットフィルタ等の光学フィルタ１００２を通過し、絞り１００３によってその通過範囲が制限されて二次結像レンズ１００４に入射する。絞りによる光通過範囲の分割および制限機能により、二次結像レンズ１００４には、撮影レンズ１の射出瞳内の２つの領域を通過した光束が入射する。二次結像レンズ１００４は、入射した２つの光束を焦点検出用の撮像素子である焦点検出センサ１２０上に再結像させる。これにより、焦点検出センサ１２０上には、上記２つの瞳分割領域からの光束により一対の光学像である被写体像が形成される。焦点検出センサ１２０は、該一対の被写体像を光電変換して一対の像信号を出力する。

カメラＣＰＵ２１は、該一対の像信号に対して相関演算を行うことで、それらの相対的な位置ずれを示す位相差を算出し、該位相差に基づいて撮影レンズ１の焦点状態（デフォーカス量）を算出する。そして、カメラＣＰＵ２１は、デフォーカス量に基づいて、合焦状態を得るためにフォーカスレンズを移動させるべき量を算出する。その後、カメラＣＰＵ２１は、その算出結果に応じてフォーカスモータ２３を駆動してフォーカスレンズを移動させることにより焦点調節を行わせて合焦状態を得る。

カメラＣＰＵ２１は、上述した焦点検出および焦点調節が行われた後、メインミラー２およびサブミラー３を撮影レンズ１からの光路外に退避させる。これにより、撮影レンズ１からの光がフォーカルプレンシャッタ１３を介して撮像素子１４に到達し、該撮像素子１４上に被写体像を形成する。撮像素子１４は該被写体像を光電変換し、カメラＣＰＵ２１は撮像素子１４からの電気信号に基づいて画像を生成し、これを記録媒体に記録する。

図２は焦点検出ユニット１００の主要構成を示す図である。Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ座標軸を表しており、Ｚはサブミラー３から導かれた光束の光軸と一致している。ＸはＺに直交する第一の相関方向、ＹはＺとＸに垂直である第二の相関方向を示している。

１００５は焦点検出光学系１０００を保持する保持部材である。フィールドレンズ１００１は保持部材１００５によってＹおよびＺ方向の位置が規制され、Ｘ方向に可動に保持されている。１００６は焦点検出ユニット１００をミラーボックス４００の下部に取り付けるための固定部材である。１００７はフィールドレンズ１００１をＸ方向に駆動する駆動手段（請求項における瞳領域変化手段）である。駆動手段１００７は圧電アクチュエータであり、最大数１００μｍまで変位させることが可能である。フィールドレンズ１００１は微小な力で駆動可能な構成となっており、駆動手段１００７は圧電素子の微小な変位を増幅する構成となっている。なお、本実施例では駆動手段１００７は圧電アクチュエータとしたが、ボイスコイルモータなどの他のアクチュエータを用いても構わない。以上のように、焦点検出ユニット１００はフィールドレンズ１００１をＸ方向に任意の位置に駆動可能な構成となっている。

次に、本発明の焦点検出ユニット１００の効果について説明する。図３から図７は焦点検出光学系１０００の光束を示す図である。図３及び図６中の１２１は撮像素子１４と光学的に共役な位置にある１次結像面を示し、１２０１及び１２０２は焦点検出センサ１２０の焦点検出画素列を示している。

図３は撮影レンズ１の瞳の径が十分大きいときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図である。

図３（ａ）は撮影レンズ１の瞳から焦点検出センサ１２０までの光束を示す図である。３００１は撮影レンズ１の瞳を示している。３００２および３００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳からの光束を示しており、光束３００２は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第一の領域からの光束、光束３００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第二の領域からの光束を示している。光束３００２はフィールドレンズ１００１を通過した後、３００４に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０１に結像する。光束３００３はフィールドレンズ１００１を通過した後、３００５に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０２に結像する。

図３（ｂ）は瞳面における撮影レンズ１の瞳３００１と焦点検出光学系１０００の光束３００２および光束３００３を示す図である。図３（ｂ）に示すように光束３００２および光束３００３は瞳３００１内にある。このとき、光束３００２の重心と光束３００３の重心との距離はＬ１である。

図４は撮影レンズ１の瞳の径が小さいときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図である。

図４（ａ）は撮影レンズ１の瞳から焦点検出センサ１２０までの光束を示す図である。４００１は撮影レンズ１の瞳を示している。４００２および４００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳からの光束を示しており、光束４００２は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第一の領域からの光束、光束４００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第二の領域からの光束を示している。光束４００２はフィールドレンズ１００１を通過した後、４００４に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０１に結像する。光束４００３はフィールドレンズ１００１を通過した後、４００５に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０２に結像する。

図４（ｂ）は瞳面における撮影レンズ１の瞳４００１と焦点検出光学系１０００の光束４００２および光束４００３を示す図である。図４（ｂ）に示すように光束４００２および光束４００３は瞳４００１内に収まっていない。つまり、光束４００２および光束４００３はいわゆるケラレが発生しており、焦点検出画素列１２０１および焦点検出画素列１２０２に形成される像は十分な情報を取得できないため、焦点検出精度は低下する。

図５は撮影レンズ１の瞳の径が小さいときに駆動手段１００７でフィールドレンズ１００１を駆動したときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図である。図５中の矢印はフィールドレンズ１００１の駆動方向を示している。

図５（ａ）は撮影レンズ１の瞳から焦点検出センサ１２０までの光束を示す図である。撮影レンズ１の瞳４００１は図４と同じである。５００２および５００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳からの光束を示しており、光束５００２は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第一の領域からの光束、光束５００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第二の領域からの光束を示している。光束５００２はフィールドレンズ１００１を通過した後、５００４に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０１に結像する。光束５００３はフィールドレンズ１００１を通過した後、５００５に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０２に結像する。

図５（ｂ）は瞳面における撮影レンズ１の瞳４００１と焦点検出光学系１０００の光束５００２および光束５００３を示す図である。図５（ｂ）に示すように、光束５００２は撮影レンズ１の瞳４００１内にあり、ケラレは発生していない。一方、光束５００３は撮影レンズ１の瞳４００１に収まっておらずケラレが発生している。つまり、焦点検出画素列１２０１に形成される像は十分な情報を取得した像であり、焦点検出画素列１２０２に形成される像は十分な情報を取得できていない。
図６は撮影レンズ１の瞳の径が小さいときに駆動手段１００７でフィールドレンズ１００１を図５の状態とは逆の方向に駆動したときの焦点検出光学系１０００の光束を示す図である。図６中の矢印はフィールドレンズ１００１の駆動方向を示している。

図６（ａ）は撮影レンズ１の瞳から焦点検出センサ１２０までの光束を示す図である。撮影レンズ１の瞳４００１は図４と同じである。６００２および６００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳からの光束を示しており、光束６００２は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第一の領域からの光束、光束６００３は焦点検出光学系１０００の入射瞳の第二の領域からの光束を示している。光束６００２はフィールドレンズ１００１を通過した後、６００４に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０１に結像する。光束６００３はフィールドレンズ１００１を通過した後、６００５に示すような光束となり、二次結像レンズ１００４で焦点検出画素列１２０２に結像する。

図６（ｂ）は瞳面における撮影レンズ１の瞳４００１と焦点検出光学系１０００の光束６００２および光束６００３を示す図である。図６（ｂ）に示すように、光束６００３は撮影レンズ１の瞳４００１内にあり、ケラレは発生していない。一方、光束６００２は撮影レンズ１の瞳４００１に収まっておらずケラレが発生している。つまり、焦点検出画素列１２０２に形成される像は十分な情報を取得した像であり、焦点検出画素列１２０１に形成される像は十分な情報を取得できていない。

本実施例では、図５のようにフィールドレンズ１００１を駆動したときに焦点検出画素列１２０１に形成される像と図６のようにフィールドレンズ１００１を駆動したときに焦点検出画素列１２０２に形成される像とから位相差を算出する。そうすることで、撮影レンズ１の瞳の径が小さいときでもケラレのない像に位相差を算出することが可能となり、高精度な焦点検出が可能となる。

図７はフィールドレンズ１００１を駆動したときの焦点検出光学系１０００の光束の重心間距離を示す図である。図７には瞳面における撮影レンズ１の瞳４００１と図５のようにフィールドレンズ１００１を駆動したときの光束５００２と図６のようにフィールドレンズ１００１を駆動したときの光束６００３を示している。図３（ｂ）で示した重心間距離Ｌ１に比べて図７で示した重心間距離Ｌ２は小さくなっている。よって、フィールドレンズ１００１を駆動したときに焦点検出画素列１２０１と焦点検出画素列１２０２に形成される像で位相差を算出し、焦点状態に変換するときには重心間距離Ｌ２に合わせた変換を行う。

なお、本実施例で示すように、フィールドレンズ１００１を駆動してから、焦点検出用の像信号を得ると、焦点検出光学系１０００の入射瞳の第一の領域からの光束によって形成される像の取得と、焦点検出光学系１０００の入射瞳の第二の領域からの光束によって形成される像の取得に時間差が生じる。よって、被写体の速度が速い場合など２像の取得に時間差が生じることによって精度が低下すると判断される場合には、フィールドレンズ１００１の駆動をせずに信号を取得するような判断をするように条件分岐する構成にしてもよい。

以上のような構成によれば、撮影レンズ１の瞳の径が小さい場合においても、ケラレた状態の信号を用いることなく、位相差を算出して焦点状態を検出することが可能となる。また、撮影レンズ１の瞳の状態に応じて、フィールドレンズ１００１の駆動量を制御することで、既存の撮影光学系であっても大きなＦ値において焦点検出を行うことが可能となる。

なお、本実施例では焦点検出光学系１００１の光束を動かす方法として、フィールドレンズ１００１を駆動したが、焦点検出ユニット１００全体を動かしても構わない。また、本実施例ではフィールドレンズ１００１の駆動方向を１軸としたが、たとえば手振れ補正レンズの駆動機構のようなムービングコイル（あるいはムービングマグネット）アクチュエータを用いて２軸駆動可能としても構わない。また、本実施例の焦点検出ユニット１００は焦点検出光学系１００１の瞳を調整する瞳調整機構のない構成となっていたが、瞳調整機構を有していれば、瞳調整機構を駆動可能とすることで達成してもよい。

２００ カメラ筐体、３００ 交換レンズ、４００ ミラーボックス

Claims (1)

1. 撮影光学系の射出瞳の異なる領域の光束で形成される像の位相差から前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置において、
   前記撮影光学系の射出瞳の光束の領域を変化させる瞳領域変化手段を有することを特徴とする焦点検出装置。