JP2893768B2

JP2893768B2 - 焦点検出装置

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Publication number: JP2893768B2
Application number: JP1312675A
Authority: JP
Inventors: 啓二守山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1999-05-24
Anticipated expiration: 2014-05-24
Also published as: JPH03172811A; US5160834A; EP0430698A2; DE69017373D1; DE69017373T2; EP0430698B1; EP0430698A3

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、対物レンズを透過した被写体からの光によ
って焦点検出を行なう焦点検出装置に関し、特に複数方
向の被写体からの光に基づいて焦点検出を行なう焦点検
出装置に関する。

［従来の技術］従来、この種の焦点検出装置では、撮影レンズにより
形成される一次像の後方に、一次像と略相似な２つの二
次像を再結像させる光学系を配置し、２つの二次像の相
対的な位置のズレ量、即ちデフォーカス量を検知してい
る。

このような焦点検出光学系は、通常、特定の一方向に
のみ再結像した二次像が並ぶように配置されている。し
かし、撮影レンズによる被写体の像は任意の方向に輝度
分布を有しており、焦点検出光学系に適合する方向に輝
度分布を持たない被写体に対しては焦点検出不能となる
という欠点を有していた。

この欠点を解消するために二次像の相対的な位置のズ
レの方向が異なるように複数の光学系を配置した焦点検
出装置がいくつか提案されている。例えば、特開昭62−
95511号公報にあっては、撮影レンズの光軸に対称に瞳
を分割して二次像を形成する焦点検出光学系を、複数異
なる方向に配置した焦点検出装置を実現している。

また、特開昭63−11906号公報にあっては、撮影レン
ズの光軸とは異なる軸に対称に瞳を分割して二次像を形
成する焦点検出光学系を配置することで、複数の方向及
び複数の箇所で焦点検出が可能な焦点検出装置を実現し
ている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、複数の焦点検出光学系を配置した従来
の焦点検出装置にあっては、一方向に並んだ二次像の相
対的な位置ズレのみを検知して焦点検出を行なう光学系
を、ただ単に異なる方向に複数配置したにとどまってい
る。このため、全ての焦点検出光学系に適合する方向に
輝度分布を持たない被写体が存在する確率が低くなる分
だけ、焦点検出不能となる可能性も小さくなる利点は得
られるが、新たに付加された焦点検出光学系には、それ
以上の機能を持たるには至らないばかりか、焦点検出装
置の大型化を招いてしまう問題がある。

一方、二次像の相対的な位置ズレの方向が異なるよう
に配置された複数の焦点検出光学系を有する焦点検出装
置において、方向の異なる焦点検出光学系に異なる機能
を持たせるものとして特開昭63−88511号公報がある。

これは焦点検出光学系の１つの瞳分割手段によって分
割された撮影レンズ上での各瞳分割領域の重心の光学的
間隔と、焦点検出光学系の別の１つの各瞳分割領域の重
心の光学的間隔とが相違するように焦点検出装置を構成
し、異なる瞳領域を通過して形成される二次像の相対間
隔を変えることによって距離に対する第二次像の相対的
な位置ズレ量（分解能）を大きくするようにしている。

しかし、二次像の相対間隔が異なる焦点検出光学系を
有する焦点検出装置では、二次像の相対的な位置ズレ量
をデフォーカス量に換算する係数が光学系毎に異なり、
全体として演算が複雑になってしまう。更に、対物レン
ズ上での各瞳分割領域の重心の光学的間隔が大きい焦点
検出光学系は、開口効率による二次像の光量の不均一、
所謂ケラレが発生し易く、大口径比の撮影レンズにしか
対応できず汎用性に欠けるばかりでなく、瞳分割手段及
び第二次像を形成する再結像レンズの極端な大型化を招
いてしまうという問題点があった。本発明は、このよう
な従来の問題点に鑑みてなされたもので、二次像の相対
的な位置ズレの方向の異なる複数の焦点検出光学系を配
置しても、小型で且つ汎用性の高い焦点検出装置を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］まず、本発明は、被写体からの光が対物レンズを介し
て形成する一次像の像面近傍あるいはその後方に設けら
れたコンデンサレンズと、該コンデンサレンズの後方に
設けられ前記対物レンズ上の瞳を複数の瞳分割領域に分
割する瞳分割手段と、該瞳分割手段の後方に配置される
とともに、前記分割された瞳の方向に沿って前記対物レ
ンズの光軸に対称に設けられて二次像を形成する再結像
レンズとを備えた焦点検出光学系を、前記二次像の相対
的な位置のズレの方向が異なるように前記対物レンズの
光軸上に二組設けた焦点検出装置において、前記二組の焦点検出光学系のうちの一組の光学系の前
記瞳分割手段による前記瞳分割領域それぞれの重心の光
学的間隔が、前記二組の焦点検出光学系のうちの他の一
組の光学系の前記瞳分割領域それぞれの重心の光学的間
隔と略同一で、且つ前記二組の焦点検出光学系それぞれ
の各瞳分割領域を包括する外接円の径が互いに異なるよ
うにする。

そして、前記二組の焦点検出光学系は、該二組の焦点
検出光学系それぞれの前記瞳分割領域の重心を結ぶ直線
どうしが互いに直交するように配置した。

また、前記対物レンズによって形成される第一次像面
内において、前記二組の焦点検出光学系のうちの一組の
光学系によって被写体の輝度分布を検知し得る測距エリ
アの前記光軸に直交する方向の大きさが、前記二組の焦
点検出光学系の他の一組の光学系による測距エリアより
大きいようにした。

［作用］このような構成を備えた本発明の焦点検出装置によれ
ば、新たに付加された焦点検出光学系は、既に存在する
本来の焦点検出光学系の瞳分割領域重心の光軸に対する
位置と同じ位置に瞳分割領域の重心をもつことから、各
焦点検出光学系で得られた二次像のズレ量をデフォーカ
ス量に換算するための係数が同じとなり、また光学系も
同等又はそれ以下で済むため、複数の焦点検出光学系を
二次像の相対的な位置ずれの方向が異なるように配置し
ていても、光学系を小型化できる。

更に、複数の焦点検出光学系における対物レンズ上で
の各瞳分割領域を包括する光軸を中心とした外接円の径
を異ならせているため、本来の焦点検出光学系の各瞳分
割領域を包括する外接円の径に対し、例えば新たに付加
した焦点検出光学系の外接円の径を小さくした場合に
は、ケラレによる焦点検出不能の確率を低減することが
できる。即ち、本来の焦点検出光学系ではケラレにより
焦点検出不能となっていたものが、新たに付加した焦点
検出光学径では正常に焦点検出ができ、口径比の大きい
撮影レンズにしか対応できなかったものが、口径比の小
さい撮影レンズにも対応できるようになり、汎用性を向
上できる。

［実施例］第１図は本発明の本発明の基本的な構成を示した実施
例構成図である。

第１図において、まず焦点検出光学系は、被写体から
の光は撮影レンズ（瞳Ｐを示す）を介して形成する一次
像面Ａの近傍あるいはその後方にコンデンサレンズＢを
有する。コンデンサーレンズＢに続いては瞳分割手段と
しての絞りＣが設けられる。即ち、絞りＣはコンデンサ
ーレンズを介して、撮影レンズの瞳Ｐと共役あるいはそ
の近傍に在り、光軸X₀（以下「主光軸」という）に対称
で、第一次像面Ａの長辺に対応する水平方向及び短辺に
対応する垂直方向の各々に一対の開口部を有する。絞り
Ｃの後方には再結像レンズＤが配置され、再結像レンズ
Ｄは、絞りＣの水平及び垂直方向の各々に形成した一対
の開口部に対応して主光軸X₀と対称に一対の再結像レン
ズを水平方向及び垂直方向に配置している。

尚、製造時の調整及びコストの問題を避けるために、
主光軸X₀に対称に配置された二対の再結像レンズＤは、
同一部材で一体に構成されることが望ましい。

このような焦点検出光学系の構成により、撮影レンズ
の射出瞳Ｐからの光束は一次像面Ａで結像された後にコ
ンデンサレンズＢを介して絞りＣに与えられ、絞りＣの
各々の開口部を介して撮影レンズの射出瞳Ｐに示すよう
に水平方向に２つと垂直方向に２つの領域に実質的に分
割され、垂直水平方向で各々一対となる２組の光束は再
結像レンズＤにより像面Ｅで垂直及び水平方向に一対の
二次像を形成する。したがって、二次像面Ｅの水平及び
垂直方向の二次像の並び方向に沿ってライン状のセンサ
を配置して、各二次像をセンサで光電変換することによ
り、これらの二次像の水平方向及び垂直方向での相対的
な位置のズレ量を検知して最終的にデフォーカス量とす
る焦点位置検出を行なうことができる。

次に開口効率による二次像の光量の付近一、所謂ケラ
レの原理を示す第２図及び第３図を参照して発明を具体
的に説明する。

一眼レフカメラの焦点検出装置では、F5.6程度の開放
Ｆ値をもつ交換レンズに対しても焦点検出光学系にケラ
レが生じないようにする必要がある。

第２図において、第一次像面Ａ上の測距エリアの最周
辺部１に到達する一対の光束Q11,Q12は、コンデンサレ
ンズＢを介して絞りＣと共役の位置P₀で主光軸X₀に対し
て対称な２つの領域に分割されている。P₀は設計上の仮
想射出瞳位置で、一次像面Ａより物体側に100mm前後の
位置にある。開放Ｆ値がF5.6の撮影レンズで、この焦点
検出光学系にケラレが生じないようにするためには、焦
点検出のための２つの光束Q11,Q12が、図中にハッチン
グが施したF5.6の内側となるケラレしていない範囲P1内
に撮影レンズの実際の射出瞳がなくてはならない。

このような焦点検出光学系を瞳の分割方向が異なるよ
うに複数配置しても、ケラレが発生しないための撮影レ
ンズの実際の射出瞳の位置は範囲P1になくてはならない
ので、焦点検出装置としての汎用性の向上にはつながら
ない。

そこで本発明は、コンデンサレンズＢを介して射出瞳
を水平方向及び垂直方向に分割するための絞りＣを第４
図に示す形状にしている。

即ち、水平方向に瞳を分割する開口（瞳分割領域）SY
1,SY2の中心YC1,YC2と、垂直方向に瞳を分割する開口SZ
1,SZ2の中心ZC1,ZC2とは主光軸X₀から等距離にある。ま
た垂直方向の瞳分割用の開口SZ1とSZ2を包括する外接円
S₀′の径Ro′は、水平方向の瞳分割用の開口SY1とSY2を
包括する外接円S₀の径Roより小さくなっている。

第３図は第２図に対し絞りＣの開口の外周を小さくし
た場合であり、第４図に示す絞りＣの垂直方向の開口SZ
1,SZ2に相当する。

このように絞りＣの開口の外周が小さくなると、設計
上の仮想瞳位置P₀でも開口に対応する２つの光束の外周
がより小さく制限されるため、測距エリアの最周辺部１
に到達する焦点検出用の破線で示す２つの光束Q21,Q22
が図中のハッチングを施したF5.6の内側となってケラレ
を生じない範囲P2は、第３図の範囲P1に比較して広くな
り、開放Ｆ値がF5.6の撮影レンズの実際の射出瞳位置の
許容範囲が広くなる。

更に、第４図において、水平方向の開口SY1,SY2の中
心YC1,YC2の間隔と、垂直方向の開口SZ1,SZ2の中心ZC1,
ZC2の間隔が同一のため、水平方向及び垂直方向での瞳
を分割する各領域の重心の光学的間隔が同一になる。こ
のため、第２図における水平方向の光束Q11とQ12の重心
の開き角と、第３図における垂直方向の光束Q21とQ22の
重心の開き角が同じになり、二次像面Ｅでの水平方向多
び垂直方向の各一対の像の位置ズレ量をデフォーカス量
に換算する係数を同一にすることができ、焦点検出演算
の複雑化を回避している。

また、垂直方向の光束Q21,Q22は細くなるため、瞳上
での両光束間の焦点検出に関与しない領域が大きくな
り、従来、主光軸Xoの周辺でケラレが発生して焦点検出
装置に適合しにくかったミラーレンズ（レフレックスレ
ンズ）への対応も可能になるとともに、水平方向の光束
Q11,Q12は従来通りの太さを維持しているので、通常の
交換レンズにおける焦点検出では二次像面上での光量が
低下せず、低輝度被写体に対する焦点検出能力の劣化を
回避している。

更に本発明では、第５図に示す如く、第一次像面Ａで
の水平方向及び垂直方向の測距エリアの長さを相違する
ようにしている。つまり、画面の長辺に対応する水平方
向は測距エリアを長く、短辺に対する垂直方向は測距エ
リアを短くしている。

このように垂直方向の測距エリアを短くすると、第３
図から明らかなように、短い測距エリアの最周辺部ｍに
到達する焦点検出のための２つの光束Q31,Q32が、図中
のハッチングを施したF5.6の内側となるケラレを生じな
い範囲は、さらに広がって範囲P3となる。従って、開放
Ｆ値がF5.6の撮影レンズの実際の射出瞳位置の許容範囲
はさらに拡がり、射出瞳位置が一次像面Ａにかなり近い
超広角レンズから、非常に遠い超望遠レンズまでケラレ
なく焦点検出が可能となる。

また、垂直方向の測距エリアを小さくすることで、再
結像レンズＤの二次像側の面での水平方向の光束と垂直
方向との光束のオーバーラップを回避して光束の分離が
易しくなるので、２組の再結像レンズＤをより小型に構
成することができる。

このように本発明は、第二次像の相対的な位置ズレの
方向が直交する焦点検出光学系を有する焦点検出装置に
おいて、前述の構成及び形状を満足することにより、汎
用性を著しく向上させ、小型化を図ることができる。

次に本発明の具体的な実施例を第6,7図を参照して説
明する。

第６図は画面の長辺方向、即ち二次像の相対的な位置
ズレが水平方向の焦点検出光学系を示し、第７図は画面
の短辺方向、即ち二次像の相対的な位置ズレが垂直方向
の焦点検出光学系を示している。

これらの光学系はそれぞれ不図示の撮影レンズにより
形成される一次像面Ａの後方にコンデンサレンズＢを配
置し、コンデンサーレンズＢに関して撮影レンズの瞳と
共役あるいはその近傍に、主光軸X₀に対称な一対の開口
部を有する絞りＣを配置し、更に絞りＣの後方に各開口
部に夫々対応するように主光軸X₀に対称に配置された一
対の凸レンズを２組一体に直交配置した再結像レンズＤ
を設けている。

そして被写体からの光が不図示の撮影レンズと、図示
の焦点検出光学系を通過することにより像面位置Ｅに垂
直方向及び水平方向の各々に位置ズレをもつ二次像を形
成し、像面位置Ｅ付近にCCD等のラインセンサを配置し
て二次像を光電変換することにより、それぞれの方向で
の二次像の相対的な位置のズレ量を検知して焦点位置検
出を行なっている。

ここで後に数値を示す第１及び第２実施例はともに、
コンデンサレンズＢの二次像側面を非球面形状とし、二
次像が形成されるラインセンサ上に到達する光量分布の
安定化を図っている。

また、一般に測距エリアの拡大を図ると、像面位置Ｅ
のラインセンサ上に結像する２つの二次像の主光軸X₀側
の端が主光軸X₀を越えて互いに重複してしまうため、測
距エリア拡大の効果を充分に得ることができなくなって
しまう。

そこで第６図に示す本発明の水平方向の焦点検出光学
系においては、ラインセンサ上で二次像が重複する問題
を回避するために、再結像レンズＤの各光軸Yd1,Yd2
を、絞りＣの各開口の中心軸Yc1,Yc2より主光軸X₀から
より遠い位置になるように偏心させた構成をとってい
る。

また第７図に示す本発明の垂直方向の焦点検出光学系
においても、再結像レンズＤの光学軸Zd1,Zd2を、絞り
Ｃの各開口の中心軸Zc1,Zc2より水平方向の場合と同じ
距離だけ主光軸X₀からより遠い位置になるよう偏心させ
た構成をとっている。

各実施例においては、再結像レンズＤの二次像側の側
面Ｅでの水平方向と垂直方向の光束の分離をより効率的
に行ない、再結像レンズＤをより小型かつ一体に構成す
るために、第６図に示す水平方向の焦点検出光学系の再
結像レンズＤの各レンズ厚d4Yより第７図に示す垂直方
向の焦点検出光学系の再結像レンズＤの各レンズ厚d4Z
をわずかに小さく構成している。

各実施例におけるレンズデータを下記の表1,2に掲げ
る。

ｄ0＝4.130 ｄ4Y＝2.600 ｄ4Z＝2.522 |yc｜＝|zc｜＝0.740 |yd｜＝|zd｜＝0.797 R₀＝1.085 R₀′＝0.922 21＝7.0 2m＝3.0 第２面非球面円錐曲線定数ＫB＝1.20 非球面係数ａ2＝０ａ4＝0.2839×10^-3 ａ6＝0.1183×10^-5 第５面非球面円錐曲線定数ＫD＝−0.38 ｄ0＝4.130 ｄ4Y＝1.700 ｄ4Z＝1.615 |yc｜＝|zc｜＝0.740 |yd｜＝|zd｜＝0.800 R₀＝1.085 R₀′＝0.992 21＝7.0 2m＝3.0 第２面非球面円錐曲線定数ＫB＝1.20 非球面係数ａ2＝０ａ4＝0.3887×10^-3 ａ6＝0.2380×10^-5 この表1,2は、レンズ曲率半径をｒ、面間隔をｄ、ｄ
線（λ＝587.6nm）に対する屈折率をｎd、アッベ数をｖ
dとし、再結像レンズＤのレンズ厚ｄ4（ｄ4Y,d4Z）以外
は、水平方向の光学系と垂直方向の光学系とはすべて共
通として示している。また表中の＊印は非球面を示し、
またコンデンサレンズをＢ、絞りをＣ、再結像レンズを
Ｄとして示している。

また、コンデンサレンズＢに導入される非球面は、r2
を中心曲率半径、円錐曲線定数をＫB、ｎ次の非球面係
数をａn、主光軸からの主光軸に直交する方向の高さをh
Bとすると、非球面の頂点における接平面から、この高
さh Bにおける非球面上の位置までの主光軸X₀に沿った
距離をΔＢとして、で表わしている。

また、一次像面ＡからコンデンサレンズＢの物体側面
r1までの距離をd₀、水平方向及び垂直方向の焦点検出光
学系において、主光軸X₀から主光軸に直交する方向に沿
った絞りＣの各開口部の中心軸Ｙc1,Yc2及びＺc1,Zc2ま
での距離（絶対値）を|yc｜及び|zc｜、各一対の開口部
を包括する外接円S₀及びS₀′の半径をR₀及びR₀′、主光
軸X₀から主光軸に直交する方向に沿った再結像レンズＤ
の各光軸Ｙd1,Yd2及びＺd1,Zd2までの距離（絶対値）を
|yd｜及び|Z d|、水平方向の光学系における再結像レン
ズＤのレンズ厚みをｄ4Y、第一次像面Ａ上の測距エリア
の大きさを21、垂直方向の光学系における再結像レンズ
Ｄのレンズ厚みをｄ4Z、第一次像面Ａ上の測距エリアの
大きさを2mとして表わしている。

さらに、第１実施例においては、再結像レンズＤの二
次像側の面に非球面を導入している。この非球面はr5を
中心曲率半径、円錐曲線定数をＫD、再結像レンズの各
光軸からの各光軸に直交する方向の高さをh Dとすると
非球面の頂点における接平面から、この高さh Dにおけ
る非球面の位置Ｅまでの各光軸ＹD1,YD2及びＺD1,ZD2に
沿った距離をΔＤとして、で表わしている。

尚、第１及び第２実施例においては、一次像面Ａとコ
ンデンサレンズＢの間に赤外カットフィルターを配置し
た構成にしてもよい。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、二次像の相対的
な位置ズレの方向が相違する複数の焦点位置検出光学系
を配置しても小形化でき、更にケラレによる焦点検出不
能を回避して汎用性を高い焦点検出装置を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的な構成を示した実施例構成図；第２図及び第３図は本発明の水平方向及び垂直方向での
ケラレの発生原理を示す説明図；第４図は本発明における絞りの形状を示す説明図；第５図は本発明における一次像面Ａでの測距エリアを示
す説明図；第６図及び第７図は本発明の水平方向及び垂直方向の焦
点検出光学系の具体的構成図である。［主要部分の符号の説明］ A:一次像面 B:コンデンサレンズ C:絞り（瞳分割手段） D:再結像レンズ E:二次像面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体からの光が対物レンズを介して形成
する一次像の像面近傍あるいはその後方に設けられたコ
ンデンサレンズと、該コンデンサレンズの後方に設けら
れ前記対物レンズ上の瞳を複数の瞳分割領域に分割する
瞳分割手段と、該瞳分割手段の後方に配置されるととも
に、前記分割された瞳の方向に沿って前記対物レンズの
光軸に対称に設けられて二次像を形成する再結像レンズ
とを備えた焦点検出光学系を、前記二次像の相対的な位
置のズレの方向が異なるように前記対物レンズの光軸上
に二組設けた焦点検出装置において、前記二組の焦点検出光学系のうちの一組の光学系の前記
瞳分割手段による前記瞳分割領域それぞれの重心の光学
的間隔が、前記二組の焦点検出光学系のうちの他の一組
の光学系の前記瞳分割領域それぞれの重心の光学的間隔
と略同一で、且つ前記二組の焦点検出光学系それぞれの
各瞳分割領域を包括する外接円の径が互いに異なること
を特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】前記二組の焦点検出光学系は、該二組の焦
点検出光学系それぞれの前記瞳分割領域の重心を結ぶ直
線どうしが互いに直交するように配置したことを特徴と
する請求項１記載の焦点検出装置。
【請求項３】前記対物レンズによって形成される第一次
像面内において、前記二組の焦点検出光学系のうちの一
組の光学系によって被写体の輝度分布を検知し得る測距
エリアの前記光軸に直交する方向の大きさが、前記二組
の焦点検出光学系の他の一組の光学系による測距エリア
より大きいことを特徴とする請求項１記載の焦点検出装
置。