JP3658035B2

JP3658035B2 - Focus detection device

Info

Publication number: JP3658035B2
Application number: JP6962595A
Authority: JP
Inventors: 圭史大高
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: JPH08262320A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光学機器の焦点検出装置に関する。さらに詳しくは、焦点検出装置を構成する光学系の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カメラ等の対物レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出装置としては種々のものが提案されているが、その１つとして図８に示すものがある。図８において、１は対物レンズ、２は対物レンズ１の予定焦点面の近傍に配置された視野マスク、３は同じくフィールドレンズ、４は対物レンズ１の光軸に対して対称に配置された２つの正レンズ４−１、４−２により構成される２次結像レンズ、５は前記２つのレンズ４−１、４−２に対応してその後方に配置された２つのセンサ列５−１、５−２により構成されるセンサ、６は前記２つのレンズ４−１、４−２に対応して配置された２つの開口部６−１、６−２を有する絞りである。７は分割された２つの領域７−１、７−２により構成される対物レンズ１の射出瞳を夫々示している。尚、フィールドレンズ３は開口部６−１、６−２を対物レンズ１の射出瞳の領域７−１、７−２の近傍に結像する作用を有しており、また各領域７−１、７−２を透過した物体光束はセンサ列５−１、５−２上に夫々光量分布を形成するようになっている。
【０００３】
この図８に示す焦点検出装置では対物レンズ１の結像点が予定焦点面の前側にある場合は２つのセンサ列５−１、５−２上に夫々形成される光量分布が互いに近づいた状態となり、また対物レンズ１の結像点が予定焦点面の後側にある場合は、２つのセンサ列５−１、５−２上に夫々形成される光量分布が互いに離れた状態となる。しかも２つのセンサ列５−１、５−２上に夫々形成された光量分布のずれ量は対物レンズ１の焦点はずれ量とある関数関係にあるので、そのずれ量を適当な演算手段で算出すると、対物レンズ１の焦点はずれの方向と量とを検出することができることは周知である。
【０００４】
そして図８に示す焦点検出装置は、対物レンズ１により撮影又はファインダーで観察される範囲の中央に存在する物体に対してのみ測距が可能である。これに対して、撮影又は観察される範囲の中央以外にも測距視野を有する焦点検出装置が、本出願人によって特願昭６２−２７９８３５号に開示されている。図９はその光学系を描いた斜視図であり８は視野マスク、９はフィールドレンズ、１０は２つの開口１０−１、１０−２を有する絞り、１１は２つの正レンズ１１−１、１１−２から成る２次結像レンズ、１２はセンサを夫々示している。尚、図８で示した対物レンズ１は省略してあるが、図中、左方に位置する。ここで図８に示した焦点検出装置と異なるのは、視野マスク８が測距すべき複数の視野に対応して複数の開口１３〜１７を有することと、この視野マスク８で規制された光束が２次結像系１１により形成する複数対の光量分布を受光するように複数対のセンサ列１８−１と１８−２、１９−１と１９−２、２０−１と２０−２、２１−１と２１−２、２２−１と２２−２がセンサ１２として設けられている点である。測距の原理は図８の焦点検出装置と同じであり、各センサ対上に形成される光量分布のずれ量を算出して各視野に対する焦点検出を行なうものである。この焦点検出装置によれば、撮影又は観察される範囲の中央部とその両側４つ、計５ケ所について測距が可能となる。尚、測距視野の数はこれに限らず、視野マスクの開口の数とセンサ対の数により決定されるものである。
【０００５】
図９に示す焦点検出装置は対物レンズにより撮影又は観察される範囲の中央に存在する物体に対してのみしか測距ができないという図８の焦点検出装置の欠点を改善したものである。しかしながら図９に示す焦点検出装置は、対物レンズの焦点状態によってセンサ上の２つの光量分布が相対的に移動する方向が上下方向であるために、実質上この方向に光量分布の変化がある物体に対してのみ測距が可能であり、これと垂直な方向にのみ光量分布の変化のある物体、例えば垂直線を境界とする白黒のエッジパターンのようなものに対しては、測距することが難しかった。
【０００６】
この問題点を解決した焦点検出装置が本出願人により提案されている。図１０はその光学系の構成を示す図である。
【０００７】
図中３１は視野マスクであり中央に十字形の開口部３１−１、両側の周辺部に縦長の開口部３１−２、３１−３を有している。３２はフィールドレンズであり、視野マスクの３つの開口３１−１、３１−２、３１−３に対応して、３つの部分３２−１、３２−２、３２−３から成っている。３３は絞りであり、中心部には上下左右に１対ずつ計４つの開口３３−１ａ、３３−１ｂ、３３−１ｃ、３３−１ｄを、また左右の周辺部分には１対２つの開口３３−２ａ、３３−２ｂ及び３３−３ａ、３３−３ｂがそれぞれ設けられている。前記フィールドレンズ３２の各領域３１−１、３１−２、３１−３はそれぞれこれらの開口対３３−１、３３−２、３３−３を不図示の対物レンズの射出瞳付近に結像する作用を有している。３４は４対計８つの正レンズ３４−１ａ、３４−１ｂ、３４−１ｃ、３４−１ｄ、３４−２ａ、３４−２ｂ、３４−３ａ、３４−３ｂからなる２次結像レンズを一体化した２次光学部材であり、絞り３３の各開口に対応して、その後方に配置されている。３５は４対計８つのセンサ列３５−１ａ、３５−１ｂ、３５−１ｃ、３５−１ｄ、３５−２ａ、３５−２ｂ、３５−３ａ、３５−３ｂから成るセンサであり各２次結像レンズに対応してその像を受光するように配置されている。図１１は、センサ３５上に形成される像領域を示したものである。３６−１ａ、３６−１ｂ、３６−１ｃ、３６−１ｄは、視野マスクの中央の開口３１−１及びフィールドレンズの中央部３２−１を透過した光束が絞りの開口３３−１ａ、３３−１ｂ、３３−１ｃ、３３−１ｄで規制された後、その後方の２次結像レンズ３４−１ａ、３４−１ｂ、３４−１ｃ、３４−１ｄによってセンサ面上に形成する像領域を夫々示している。また３６−２ａ、３６−２ｂは視野マスクの周辺の開口３１−２及びフィールドレンズの周辺部３２−２を透過した光束が絞りの開口３３−２ａ、３３−２ｂによって規制されたのち、その後方の２次結像レンズ３４−２ａ、３４−２ｂによってセンサ上に形成する像領域を示している。同様に、３６−３ａ、３６−３ｂは視野マスクの周辺の開口３１−３及びフィールドレンズの周辺部３２−３を透過した光束が絞りの開口３３−３ａ、３３−３ｂによって規制されたのち、その後方の２次結像系のレンズ３４−３ａ、３４−３ｂによってセンサ面上に形成する像領域をそれぞれ示している。
【０００８】
図１１に示す焦点検出装置の測距原理は従来と同様に、対を成すセンサの列方向の像の相対的位置を検出するものであるが、以上で説明したような構成をとることにより、不図示の対物レンズにより撮影または観察される範囲の中心付近では、光量分布が上下または左右の一方向にのみ変化するような物体に対しても良好に測距することが可能となり、また、中心以外の視野マスクの周辺の開口３１−２、３１−３に対応する位置にある物体に対しても測距することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図９や図１０に示す焦点検出装置においては、対物レンズにより撮影または観察される範囲（画面）の中心だけでなく、中心から左右に隔たった画面周辺部においても測距（検出）が可能となった。これをさらに発展させ、中心から上下に隔たった周辺部において測距を可能とすることは、測距用の光束の導き方や、配置、スペース等の問題はあるものの、原理的には可能である。
【００１０】
例えば、図１０の焦点検出装置の周辺視野を系の中心を通る光軸の回りに９０°回転し、回転前の系と互いに干渉しあわないように配置すれば図１２に示すような測距視野を有する焦点検出装置が構成できる。また、その際の回転する角を９０°以外の角度、例えば±４５°とすれば、図１３に示すような中心から斜めに隔たった位置で傾いた測距（検出）視野を有する焦点検出装置も比較的容易に実現できる。
【００１１】
しかしながら、図１３に示すような、長方形の画面に対して斜めに傾いた測距視野で焦点合わせを行なうというのは安定感を欠き、使用者にとっては非常に使いにくいものとなってしまう。一般的な被写体の多くが縦線と横線から構成されていることを考慮すると画面中心から斜め方向に隔たった位置に測距視野がある場合にも、その視野方向は図１４や図１５に測距視野を示すように、画面の各辺に平行であることが望ましい。
【００１２】
このような焦点検出装置は、上記で説明した通り、光学系の単純な回転だけでは構成できず、従来の焦点検出系の考え方をそのまま用いることはできない。
【００１３】
本発明の課題は、図１４、図１５に示すような、画面中心から斜めに隔たった位置を中心とし、画面の各辺に平行な視野の広がりをもった焦点検出装置を提供することである。さらに望ましくは、対を成す２つの２次結像系の非対称性に起因する２つの像の性能の差を除去或は緩和し、小型で精度の高い焦点検出系を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本出願に係る発明は、
対物レンズの予定結像面付近に配置され、視野領域を規制するための視野マスク、同じく対物レンズの予定結像面付近に配置されたフィールドレンズ、対物レンズにより形成された像を再結像するための対の２次結像レンズ、２次結像レンズの前方または後方に配置され、２次結像レンズを透過する光を規制する対の開口を有する絞り、２次結像レンズにより形成された光量分布を検出するためのセンサ列を含む２次結像系を有し、対物レンズによる長方形の撮影／観察範囲内の対物レンズの光軸から長方形の長辺及び短辺に対して斜めに隔たった位置で一定方向に広がりをもつ視野領域に対して焦点検出可能な焦点検出系であって、対物レンズの光軸から長方形の長辺及び短辺に対して斜めに隔たった位置での視野領域の広がりの方向は、対物レンズの光軸を含み視野領域の中心を通る仮想平面と直交せず、当該視野領域を通過した光束を受ける対の２次結像レンズは、各レンズ中を透過する光束の光路長差を緩和するとともに各レンズに入射又は各レンズから射出する光線の屈折による角度変化を緩和するプリズム部材を入射面又は射出面の一方に有し、当該プリズム部材は、視野領域の広がり方向にも、視野領域の広がりと垂直方向にも成分をもつ法線ベクトルにより決定される平面から成るものである。
【００１６】
【実施例】
図１は本発明の実施例を示す図であり、視野マスク、フィールドレンズ、絞り、２次結像レンズ、センサの基本構成としては図１０に示す焦点検出系と同一であるが、以下の点が異なる。
【００１７】
即ち、視野マスク３１’においては中心から斜めに隔たった位置に水平方向に広がりを持つ４つの開口４１、４２、４３、４４が新たに設けられており、それに対応して、フィールドレンズ３２’には４つの領域５１、５２、５３、５４が、また絞り３３’には４組の開口対６１−ａと６１−ｂ、６２−ａと６２−ｂ、６３−ａと６３−ｂ、６４−ａと６４−ｂが、２次光学部材３４’には４組のレンズ対７１−ａと７１−ｂ、７２−ａと７２−ｂ、７３−ａと７３−ｂ、７４−ａと７４−ｂが、そしてセンサ３５’には４組のセンサ対８１−ａと８１−ｂ、８２−ａと８２−ｂ、８３−ａと８３−ｂ、８４−ａと８４−ｂが付加されている。尚、絞り３３’は２次結像レンズの前方にあっても後方にあっても良いものとし、センサ対は一本のセンサ列を２つに分けて使用しても良いものとする。
【００１８】
このような構成において、図１０の説明で述べたと同様にフィールドレンズ３２’の各領域５１、５２、５３、５４はそれぞれ絞り３３’の開口対６１−ａと６１−ｂ、６２−ａと６２−ｂ、６３−ａと６３−ｂ、６４−ａと６４−ｂを不図示の対物レンズ（図中、左方に位置する）の射出瞳付近に結像する作用を有し、また当該絞り開口対を透過した光はそれぞれレンズ対７１−ａと７１−ｂ、７２−ａと７２−ｂ、７３−ａと７３−ｂ、７４−ａと７４−ｂによりセンサ対８１−ａと８１−ｂ、８２−ａと８２−ｂ、８３−ａと８３−ｂ、８４−ａと８４−ｂ上に物体の２次像に関する光量分布を形成している。
【００１９】
従って、従来の焦点検出装置との対比から原理的には中心から斜め方向に隔たった位置にある測距視野４１、４２、４３、４４において焦点検出が可能となることが推察されるが、これらの測距視野はその広がりの方向（本実施例では水平方向）が不図示の対物レンズの光軸を含み各測距視野の中心４５、４６、４７、４８を通る平面に対して垂直でない点で図１０に示す従来の測距視野３１−１、３１−２、３１−３とは異なる。
【００２０】
このような差異があるため、焦点検出系の各構成要素も従来とは異なる構造とすることが光学特性上望ましい。
【００２１】
図２は図１の、２次結像レンズを合体した２次光学部材３４’のみを示したものであり、図３はその平面図である。ともに図１または図１０と同一のものには同一の符号が付されている。これらの図から明らかなように、従来の焦点検出系に関わるレンズ対３４−１ａと３４−１ｂ、３４−１ｃと３４−１ｄ、３４−２ａと３４−２ｂ、３４−３ａと３４−３ｂはそれぞれ各レンズの頂点間を結ぶ直線に垂直な直線あるいは平面に関して互いに対称な形状であるが、本実施例に係るレンズ対７１−ａと７２−ｂ、７２−ａと７２−ｂ、７３−ａと７３−ｂ、７４−ａと７４−ｂについてはそのような形状に関する対称線、或は対称面は存在しない。即ち図３においてレンズ対７１−ａと７２−ｂ、７２−ａと７２−ｂ、７３−ａと７３−ｂ、７４−ａと７４−ｂは本来、従来と同様にその境界線が各レンズの頂点を結ぶ線分を垂直２等分する平面内にある中心線７５、７６、７７、７８と一致する構成とするのが最も一般的と考えられるが、本実施例においてはそれぞれ中心から遠ざかる左右方向にずらした位置７５’、７６’、７７’、７８’を各レンズ対の境界線としており、結果的に非対称な形状となっている。
【００２２】
一方、図４は、図１〜図３の２次光学部材３４’の光線の射出側から見た時の斜視図を示したものである。図中４つのレンズ対７１−ａと７１−ｂ、７２−ａと７２−ｂ、７３−ａと７３−ｂ、７４−ａと７４−ｂに対応する２次光学部材３４’の射出側には４対のプリズム部材１０１−ａと１０１−ｂ、１０２−ａと１０２−ｂ、１０３−ａと１０３−ｂ、１０４−ａと１０４−ｂが設けられている。これらのプリズム部材は、２次光学部材３４’の平面部３４”に対して傾いた面から構成されているとともに、対を成すプリズム部材は互いに段差を有している。
【００２３】
尚、２次光学部材３４’の射出側の、レンズ対３４−２ａと３４−２ｂ、３４−３ａと３４−３ｂに対応する部分には傾斜を有するプリズム部材１０５、１０６が、又レンズ対３４−１ａと３４−１ｂ、３４−１ｃと３４−１ｄに対応する部分には、突出部材１０７が設けられている。形状、配置を明確に示すために、図４においては、これらのプリズム部材或は突出部材が２次光学部材３４’上において互いに孤立して設けらた状態に描かれているが、必ずしもそのような構成とする必要はない。むしろ、２次光学部材３４’をプラスチックのような材質で、成形する際には、これらの部材を互いに接するような構成とし、２次光学部材の表面の起伏を出来るだけ小さくする方が、一般的には良好な成形品が得やすい。
【００２４】
図５は、図４のプリズム部材１０１−ａ、同−ｂのみを拡大して示したものである。前述した通り、各プリズム部材を構成する面１０８−ａ、１０８−ｂは２次光学部材３４’の平面部３４”に対して傾いた平面となっているが、図５から明らかなように、これらの平面はレンズ対７１−ａと７１−ｂ及びプリズム対１０１−ａと１０１−ｂが関係する視野（図１の４１）或はセンサ列（図１の８１−ａ、同−ｂ）の方向及びそれと直交する方向の２方向の傾きを有している。即ちプリズム部材１０１−ａ、１０１−ｂを構成する面１０８−ａ、１０８−ｂに対する法線ベクトルをそれぞれ１０９−ａ、１０９−ｂとすると、これらのベクトルは視野方向１１０、とこれと垂直な方向１１１の双方の成分を有している。
【００２５】
また、プリズム部材１０１−ａ、１０１−ｂの平面部１０８−ａ、１０８−ｂは同一平面上になく、両者の境界線に沿った段差を有している。勿論各プリズム部材の平面部１０８−ａ、１０８−ｂの、光線が透過する有効領域に影響を及ぼさない範囲内で、図５のような段差を設けずに、その間をなめらかな曲面で接続してもよい。
【００２６】
尚、図５のプリズム部材１０１−ａ、１０１−ｂ以外の図４に示すプリズム部材１０２−ａ、１０２−ｂ、１０３−ａ、１０３−ｂ、１０４−ａ、１０４−ｂも同様な傾きを持つ平面から構成されている。
【００２７】
以下、このようなプリズム部材を設けることの効果を図６、図７に基づいて説明する。
【００２８】
図６は、本実施例に係る焦点検出系を示す図１の視野マスクの開口４１、４３或は４２、４４に関する部分を水平面に投影した時の図であり、図１と同一のもには同一の符号が付されている。４５’、４６’、４７’、４８’は視野マスク３１’の各開口４１、４２、４３、４４で規制される測距視野の中心をそれぞれ表わし、また５５−ａと５５−ｂ、５６−ａと５６−ｂ、５７−ａと５７−ｂ、５８−ａと５８−ｂは各測距視野の中心４５’、４６’、４７’、４８’を通り、センサ３５’上に光量分布を形成する４対の光束を示している。フィールドレンズ３２’は２つの部分５１、５３或は５２、５４からなり、その光軸は不図示の対物レンズの光軸に対して図６の紙面内及び紙面に垂直な方向に変位している。最も一般的にはフィールドレンズの各領域を構成する２つのレンズ面の光軸は必ずしも一致する必要はなく、また対物レンズの光軸に平行である必要もない。また光学特性を良好に維持するためにフィールドレンズを構成する面の少なくとも幾つかを非球面とすることは有効である。
【００２９】
図６のような焦点検出系に形態上求められるのは、測距視野の位置をできるだけ中心から遠ざけながら、カメラに組み込むという観点から系の全長を短くし、全体を小型化することである。また製造コストの点ではセンサの占める割合が非常に高く、センサの面積を小さくすることがコスト削減のためには特に効果的である。
【００３０】
以上のような要件を満たし、最適な焦点検出系を実現するためには、図６の絞り３３’若しくは２次光学部材３４’に対して５５−ａ、５５−ｂ、５７−ａ、５７−ｂ等の光束が大きな角度で入射し、同光束がセンサに向って収束するような構成することが望ましい。しかしながら、各光束が２次光学部材３４’に入射する角度が大きくなればなるほど、射出する際の光束の２次光学部材に対する角度も大きくなり、射出面が光軸１１２に垂直な面である場合には屈折による大きな角度変化をうける。その結果、非点収差、コマ収差、色収差等の結像性能を劣化させる諸収差が大きくなり、良好な焦点検出のための像情報を得ることが難しくなる。
【００３１】
この点に関し、本実施例においては、図６の１０１−ａ、１０１−ｂ、１０２−ａ、１０２−ｂ、１０３−ａ、１０３−ｂ、１０４−ａ、１０４−ｂに示すように、２次光学部材３４’の射出面を傾斜したプリズム面とすることで、収差の発生を抑え、良好な像情報を検出することを可能としている。
【００３２】
また、対を成すプリズム面を同一平面とすると、対を成す光束の２次光学部材３４’内の光路長の差が大きくなり、同一のセンサ面に同等の性能の像を形成することが困難となる。そのため本実施例においては、図６に示す通り、対を成すプリズム間において段差を設け厚さを変え、光路長差を除去または緩和している。
【００３３】
一方、図７は、図１の視野４１、４２或は４３、４４に関する部分を垂直面に投影した図であり、同一のものには同一の符号が付されている。即ち図７は図６の下方或は上方から見た図に相当している。
【００３４】
図７の投影図においても、図６の場合と同様に光束５５−ａ、５５−ｂ、５７−ａ、５７−ｂあるいは、５６−ａ、５６−ｂ、５８−ａ、５８−ｂは、２次光学部材３４’に斜めに入射しており、同部材の射出面が光軸１１２に垂直な面である場合には前述の諸収差が発生することになる。従って図７においても射出面を傾斜したプリズム面としている。その結果、２次光学部材３４’の射出側に設けられたプリズム部材は図５で説明した通り、視野方向１１０にも視野と垂直方向１１１にも成分をもつ法線ベクトルを有することになる。
【００３５】
尚、１対のプリズム部材において、その法線ベクトルを簡単のため、同一とすることも可能であるが、本発明のプリズム部材の目的、効果から明らかなように、必ずしもその必要はなく、最適な傾きが個別に設定されるものである。
【００３６】
さらに、これまでの実施例においては、プリズム部材が２次光学系の射出面側に設けられていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、２次光学系の入射面側にプリズム部材を設け、結像作用を有するレンズ面を射出面側に設ける構成によっても目的は達成される。またプリズム部材は一体成型で作られていなくても良く、別体のレンズとプリズム部材を当接させても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によれば、画面中心から斜めに隔たった位置において、画面の各辺に平行な視野の広がりをもった焦点検出装置を構成する際に、センサ上に形成される２つの光量分布の像特性の差を除去または緩和することが可能となり、小型で精度の良い焦点検出装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焦点検出系を示す斜視図
【図２】本発明に係る光学部材を示す斜視図
【図３】本発明に係る光学部材を示す平面図
【図４】本発明に係る光学部材を示す斜視図
【図５】図４の部分拡大図
【図６】本発明の焦点検出系の光路示す水平平面への投影図
【図７】本発明の焦点検出系の光路示す垂直平面への投影図
【図８】従来例を説明する図
【図９】従来例を説明する図
【図１０】従来例を説明する図
【図１１】従来例を説明する図
【図１２】発明の課題を説明する図
【図１３】発明の課題を説明する図
【図１４】発明の課題を説明する図
【図１５】発明の課題を説明する図
【符号の説明】
１対物レンズ
２，８，３１，３１’ 視野マスク
３，９，３２，３２’ フィールドレンズ
４，１１２次光学系
５，１２，３５，３５’ センサ
６，１０，３３，３３’ 絞り
７対物レンズの射出瞳
１３〜１７，４１〜４４視野マスクの開口
１８〜２２，８１〜８４センサ列
３４，３４’ 光学部材
３６センサ上の像領域
４５〜４８，４５’〜４８’ 視野の中心
５５〜５８光束
７１〜７４レンズ
７５〜７８レンズ対の中心線
７５’〜７８’ レンズ対の境界線
１０１〜１０３プリズム部材
１０７突出部材
１０８プリズム部材表面
１０９法線ベクトル
１１０視野方向を示す矢印
１１１視野に垂直な方向を示す矢印
１１２光軸[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a focus detection apparatus for optical equipment. More specifically, the present invention relates to an improvement in an optical system constituting the focus detection device.
[0002]
[Prior art]
Various focus detection devices for detecting the focus adjustment state of an objective lens such as a camera have been proposed, and one of them is shown in FIG. In FIG. 8, reference numeral 1 denotes an objective lens, 2 denotes a field mask arranged in the vicinity of a predetermined focal plane of the objective lens 1, 3 denotes a field lens, and 4 denotes 2 arranged symmetrically with respect to the optical axis of the objective lens 1. A secondary imaging lens 5 constituted by two positive lenses 4-1 and 4-2 is provided with two sensor rows 5-1 arranged behind the corresponding lenses 2-1 and 4-2. 5-2, a sensor 6 includes a diaphragm having two openings 6-1 and 6-2 arranged corresponding to the two lenses 4-1 and 4-2. Reference numeral 7 denotes an exit pupil of the objective lens 1 constituted by two divided areas 7-1 and 7-2. The field lens 3 has an action of forming the openings 6-1 and 6-2 in the vicinity of the exit pupil regions 7-1 and 7-2 of the objective lens 1, and each region 7-1. , 7-2 are configured to form a light quantity distribution on the sensor arrays 5-1, 5-2, respectively.
[0003]
In the focus detection apparatus shown in FIG. 8, when the image forming point of the objective lens 1 is on the front side of the planned focal plane, the light quantity distributions formed on the two sensor rows 5-1 and 5-2 are close to each other. When the image forming point of the objective lens 1 is on the rear side of the planned focal plane, the light quantity distributions formed on the two sensor rows 5-1 and 5-2 are in a state of being separated from each other. In addition, the amount of deviation of the light quantity distribution formed on each of the two sensor arrays 5-1 and 5-2 has a certain functional relationship with the amount of defocus of the objective lens 1. Therefore, when the amount of deviation is calculated by an appropriate calculation means. It is well known that the direction and amount of defocus of the objective lens 1 can be detected.
[0004]
The focus detection apparatus shown in FIG. 8 can measure the distance only with respect to the object existing in the center of the range photographed by the objective lens 1 or observed with the viewfinder. On the other hand, a focus detection apparatus having a distance measuring field other than the center of the range to be photographed or observed is disclosed in Japanese Patent Application No. 62-279835 by the present applicant. FIG. 9 is a perspective view illustrating the optical system, in which 8 is a field mask, 9 is a field lens, 10 is a diaphragm having two openings 10-1 and 10-2, and 11 is two positive lenses 11-1 and 11. -2, a secondary image forming lens 12 and a sensor 12 respectively. Although the objective lens 1 shown in FIG. 8 is omitted, it is located on the left side in the figure. 8 differs from the focus detection apparatus shown in FIG. 8 in that the field mask 8 has a plurality of openings 13 to 17 corresponding to a plurality of fields to be measured, and the light flux regulated by the field mask 8. A plurality of pairs of sensor arrays 18-1 and 18-2, 19-1 and 19-2, 20-1 and 20-2, 21 so as to receive a plurality of pairs of light quantity distributions formed by the secondary imaging system 11. -1 and 21-2, and 22-1 and 22-2 are provided as the sensor 12. The principle of distance measurement is the same as that of the focus detection apparatus of FIG. 8, and the amount of deviation of the light quantity distribution formed on each sensor pair is calculated to detect the focus for each field of view. According to this focus detection apparatus, it is possible to measure the distance at the central portion of the range to be photographed or observed and the four sides thereof, a total of five locations. The number of distance measuring fields is not limited to this, and is determined by the number of openings of the field mask and the number of sensor pairs.
[0005]
The focus detection apparatus shown in FIG. 9 improves the drawback of the focus detection apparatus shown in FIG. 8 in that distance measurement can be performed only with respect to an object existing at the center of the range photographed or observed by the objective lens. However, in the focus detection apparatus shown in FIG. 9, the direction in which the two light quantity distributions on the sensor move relative to each other depending on the focus state of the objective lens is the vertical direction. Ranging is possible only for objects that have a change in the light amount distribution only in the direction perpendicular to them, such as black and white edge patterns with a vertical line as a boundary. It was difficult.
[0006]
The present applicant has proposed a focus detection apparatus that solves this problem. FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the optical system.
[0007]
In the figure, reference numeral 31 denotes a field mask, which has a cross-shaped opening 31-1 at the center and vertically long openings 31-2 and 31-3 at the peripheral portions on both sides. Reference numeral 32 denotes a field lens, which includes three portions 32-1, 32-2, and 32-3 corresponding to the three openings 31-1, 31-2, and 31-3 of the field mask. Reference numeral 33 denotes an aperture, which has a total of four openings 33-1a, 33-1b, 33-1c, and 33-1d in the center, one pair vertically and horizontally, and one pair two openings 33 in the left and right peripheral portions. -2a, 33-2b and 33-3a, 33-3b, respectively. Each region 31-1, 31-2, 31-3 of the field lens 32 forms an image of the aperture pair 33-1, 33-2, 33-3 near the exit pupil of an objective lens (not shown). have. 34 is an integrated secondary imaging lens consisting of a total of eight positive lenses 34-1a, 34-1b, 34-1c, 34-1d, 34-2a, 34-2b, 34-3a, 34-3b. The secondary optical member is disposed behind the diaphragm 33 so as to correspond to each aperture. Reference numeral 35 denotes a sensor comprising four sensor lines 35-1a, 35-1b, 35-1c, 35-1d, 35-2a, 35-2b, 35-3a, and 35-3b. It is arranged so as to receive the image corresponding to the lens. FIG. 11 shows an image area formed on the sensor 35. 36-1a, 36-1b, 36-1c, and 36-1d are apertures 33-1a and 33-1b in which the light beam transmitted through the central opening 31-1 of the field mask and the central portion 32-1 of the field lens is apertured. , 33-1c and 33-1d, and image regions formed on the sensor surface by secondary imaging lenses 34-1a, 34-1b, 34-1c, and 34-1d behind them, respectively. Yes. Reference numerals 36-2a and 36-2b indicate that the light beam transmitted through the aperture 31-2 around the field mask and the peripheral portion 32-2 of the field lens is restricted by the apertures 33-2a and 33-2b, and then the rear side. The image areas formed on the sensor by the secondary imaging lenses 34-2a and 34-2b are shown. Similarly, after 36-3a and 36-3b are controlled by the apertures 33-3a and 33-3b of the apertures 33-3a and 33-3b after the light beam transmitted through the peripheral opening 31-3 and the peripheral portion 32-3 of the field lens is restricted. Image regions formed on the sensor surface by the lenses 34-3a and 34-3b of the secondary image forming system on the rear side are shown.
[0008]
The focus detection principle of the focus detection apparatus shown in FIG. 11 is to detect the relative position of the image in the column direction of the pair of sensors as in the conventional case. By adopting the configuration described above, In the vicinity of the center of the range imaged or observed by an objective lens (not shown), it is possible to perform good distance measurement even for an object whose light amount distribution changes only in one direction, up and down or left and right. It is also possible to measure the distance with respect to an object at a position corresponding to the openings 31-2 and 31-3 around the field mask other than.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the focus detection apparatus shown in FIGS. 9 and 10, distance measurement (detection) is possible not only at the center of the range (screen) imaged or observed by the objective lens but also at the periphery of the screen separated from the center to the left and right. became. It is possible in principle to develop this further and to enable distance measurement in the peripheral part that is vertically separated from the center, although there are problems such as how to guide the light beam for distance measurement, placement, and space. is there.
[0010]
For example, if the peripheral visual field of the focus detection apparatus of FIG. 10 is rotated by 90 ° around the optical axis passing through the center of the system and arranged so as not to interfere with the system before the rotation, distance measurement as shown in FIG. A focus detection device having a field of view can be configured. Further, if the rotation angle at that time is an angle other than 90 °, for example, ± 45 °, a focus detection device having a distance measuring (detection) field inclined at a position obliquely separated from the center as shown in FIG. Can also be realized relatively easily.
[0011]
However, performing focusing in a distance measuring field inclined obliquely with respect to a rectangular screen as shown in FIG. 13 lacks a sense of stability and is very difficult for the user to use. Considering that many common subjects are composed of vertical and horizontal lines, even if there is a distance measuring field at a position that is obliquely separated from the center of the screen, the direction of the field of view is measured as shown in FIGS. It is desirable to be parallel to each side of the screen to show a far field.
[0012]
As described above, such a focus detection device cannot be configured by simple rotation of the optical system, and the concept of the conventional focus detection system cannot be used as it is.
[0013]
An object of the present invention is to provide a focus detection apparatus having a field of view extending in parallel with each side of the screen, centered on a position obliquely separated from the center of the screen, as shown in FIGS. . It is further desirable to provide a small and highly accurate focus detection system by eliminating or mitigating the difference in performance between the two images due to the asymmetry of the two paired secondary imaging systems.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to the present application is
A field mask arranged near the planned imaging plane of the objective lens to restrict the field of view, a field lens arranged near the planned imaging plane of the objective lens, and an image formed by the objective lens are re-imaged. A pair of secondary imaging lenses for forming the aperture, which is arranged in front of or behind the secondary imaging lens and has a pair of apertures for restricting light passing through the secondary imaging lens, and is formed by the secondary imaging lens A secondary imaging system including a sensor array for detecting the distribution of light quantity, and obliquely with respect to the long and short sides of the rectangle from the optical axis of the objective lens within the rectangular imaging / observation range by the objective lens A focus detection system capable of detecting a focus on a visual field region extending in a certain direction at a separated position, and a visual field at a position obliquely separated from a long side and a short side of a rectangle from the optical axis of the objective lens The direction of area expansion is A pair of secondary imaging lenses that receive a light beam that has passed through the visual field region without being orthogonal to a virtual plane that includes the optical axis of the object lens and that passes through the center of the visual field region have an optical path length difference of the light beam that passes through each lens. It has a prism member on one of the incident surface and the exit surface that relaxes and relieves angular change due to refraction of light rays incident on or exiting each lens. It consists of a plane determined by a normal vector having components also in the extent and vertical direction of the region.
[0016]
【Example】
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention. The basic configuration of a field mask, a field lens, an aperture, a secondary imaging lens, and a sensor is the same as that of the focus detection system shown in FIG. Is different.
[0017]
That is, in the field mask 31 ′, four openings 41, 42, 43, and 44 having a horizontal extension are newly provided at positions obliquely separated from the center, and the field lens 32 ′ is correspondingly provided. Has four regions 51, 52, 53, 54, and the aperture 33 'has four pairs of openings 61-a and 61-b, 62-a and 62-b, 63-a and 63-b, 64-- a and 64-b are provided on the secondary optical member 34 'as four lens pairs 71-a and 71-b, 72-a and 72-b, 73-a and 73-b, and 74-a and 74-. b, and four pairs of sensors 81-a and 81-b, 82-a and 82-b, 83-a and 83-b, and 84-a and 84-b are added to the sensor 35 ′. . The diaphragm 33 'may be in front of or behind the secondary imaging lens, and the sensor pair may be used by dividing one sensor array into two.
[0018]
In such a configuration, the regions 51, 52, 53, and 54 of the field lens 32 ′ are respectively paired with the apertures 61-a and 61-b and 62-a and 62 of the diaphragm 33 ′ in the same manner as described with reference to FIG. -B, 63-a and 63-b, and 64-a and 64-b have an effect of forming an image near the exit pupil of an objective lens (not shown) (located on the left in the figure) The light transmitted through the pair of apertures is converted into sensor pairs 81-a and 81- by lens pairs 71-a and 71-b, 72-a and 72-b, 73-a and 73-b, and 74-a and 74-b, respectively. b, 82-a and 82-b, 83-a and 83-b, and 84-a and 84-b form light quantity distributions related to the secondary image of the object.
[0019]
Therefore, it can be inferred that, in comparison with the conventional focus detection device, focus detection can be performed in the distance measuring visual fields 41, 42, 43, and 44 which are theoretically separated from the center in an oblique direction. The distance measuring field of the distance measuring field is such that its spreading direction (horizontal direction in the present embodiment) is not perpendicular to the plane including the optical axis of the objective lens (not shown) and passing through the centers 45, 46, 47, 48 of each distance measuring field. This is different from the conventional distance measuring fields 31-1, 31-2 and 31-3 shown in FIG .
[0020]
Because of such differences, it is desirable in terms of optical characteristics that each component of the focus detection system has a structure different from that of the conventional one.
[0021]
FIG. 2 shows only the secondary optical member 34 ′ combined with the secondary imaging lens of FIG. 1, and FIG. 3 is a plan view thereof. The same reference numerals are attached to the same components as those in FIG. 1 or FIG. As is apparent from these drawings, the lens pairs 34-1a and 34-1b, 34-1c and 34-1d, 34-2a and 34-2b, 34-3a and 34-3b related to the conventional focus detection system are as follows. The lens pairs 71-a and 72-b, 72-a and 72-b, and 73-a according to this embodiment are symmetrical with respect to a straight line or a plane perpendicular to the straight line connecting the vertices of the respective lenses. 73-b, 74-a and 74-b have no symmetry line or plane of symmetry for such a shape. In other words, in FIG. 3, the boundary lines of the lens pairs 71-a and 72-b, 72-a and 72-b, 73-a and 73-b, and 74-a and 74-b are originally defined by the boundaries of the respective lenses. Although it is considered that the line segment connecting the vertices of the two lines is generally the same as the center lines 75, 76, 77, and 78 in the plane that bisects vertically, in the present embodiment, they are separated from the center. Positions 75 ′, 76 ′, 77 ′, and 78 ′ shifted in the left-right direction are used as the boundary lines of the respective lens pairs, resulting in an asymmetric shape.
[0022]
On the other hand, FIG. 4 shows a perspective view of the secondary optical member 34 ′ of FIGS. 1 to 3 when viewed from the light emission side. In the figure, on the exit side of the secondary optical member 34 'corresponding to four lens pairs 71-a and 71-b, 72-a and 72-b, 73-a and 73-b, and 74-a and 74-b. Are provided with four pairs of prism members 101-a and 101-b, 102-a and 102-b, 103-a and 103-b, and 104-a and 104-b. These prism members are composed of surfaces inclined with respect to the flat portion 34 ″ of the secondary optical member 34 ′, and the prism members forming a pair have a step.
[0023]
In addition, prism members 105 and 106 having an inclination are provided at portions corresponding to the lens pairs 34-2a and 34-2b and 34-3a and 34-3b on the exit side of the secondary optical member 34 ′, and the lens pair 34 is provided. Projecting members 107 are provided at portions corresponding to -1a and 34-1b, and 34-1c and 34-1d. In order to clearly show the shape and arrangement, in FIG. 4, these prism members or projecting members are depicted as being isolated from each other on the secondary optical member 34 ′. It is not necessary to have a simple configuration. Rather, when the secondary optical member 34 'is made of a material such as plastic, it is generally preferable to make these members in contact with each other so that the surface of the secondary optical member is as small as possible. In particular, it is easy to obtain a good molded product.
[0024]
FIG. 5 is an enlarged view of only the prism members 101-a and -b of FIG. As described above, the surfaces 108-a and 108-b constituting each prism member are inclined planes with respect to the plane portion 34 ″ of the secondary optical member 34 ′, but as is apparent from FIG. These planes are the fields of view (41 in FIG. 1) or sensor arrays (81-a and -b in FIG. 1) related to the lens pairs 71-a and 71-b and the prism pairs 101-a and 101-b. The normal vectors for the surfaces 108-a and 108-b constituting the prism members 101-a and 101-b are 109-a and 109-, respectively. Assuming b, these vectors have components in both the viewing direction 110 and the direction 111 perpendicular thereto.
[0025]
Further, the planar portions 108-a and 108-b of the prism members 101-a and 101-b are not on the same plane and have a step along the boundary line between them. Of course, the flat portions 108-a and 108-b of each prism member are connected to each other with a smooth curved surface without providing a step as shown in FIG. 5 within a range that does not affect the effective area through which light passes. May be.
[0026]
The prism members 102-a, 102-b, 103-a, 103-b, 104-a, and 104-b shown in FIG. 4 other than the prism members 101-a and 101-b in FIG. It consists of a flat surface.
[0027]
Hereinafter, the effect of providing such a prism member will be described with reference to FIGS.
[0028]
FIG. 6 is a diagram when a portion related to the openings 41, 43 or 42, 44 of the field mask of FIG. 1 showing the focus detection system according to the present embodiment is projected on a horizontal plane, and is the same as FIG. The same code | symbol is attached | subjected. Reference numerals 45 ', 46', 47 ', and 48' denote the centers of the distance measuring fields defined by the respective openings 41, 42, 43, and 44 of the field mask 31 ', and 55-a, 55-b, and 56-, respectively. a and 56-b, 57-a and 57-b, 58-a and 58-b pass through the centers 45 ′, 46 ′, 47 ′, and 48 ′ of the respective distance measuring fields, and the light quantity distribution on the sensor 35 ′. Four pairs of light beams to be formed are shown. The field lens 32 'is composed of two parts 51, 53 or 52, 54, and its optical axis is displaced in the direction of the paper surface of FIG. 6 and perpendicular to the paper surface with respect to the optical axis of the objective lens (not shown). . Most generally, the optical axes of the two lens surfaces constituting each region of the field lens do not necessarily need to coincide with each other, and need not be parallel to the optical axis of the objective lens. In order to maintain good optical characteristics, it is effective to make at least some of the surfaces constituting the field lens aspherical.
[0029]
What is required in the form of a focus detection system as shown in FIG. 6 is to shorten the overall length of the system from the viewpoint of incorporating it into the camera while keeping the position of the distance measuring field as far from the center as possible, and to reduce the size of the entire system. In terms of manufacturing cost, the proportion of the sensor is very high, and reducing the sensor area is particularly effective for reducing the cost.
[0030]
In order to satisfy the above requirements and realize an optimum focus detection system, 55-a, 55-b, 57-a, 57- with respect to the diaphragm 33 ′ or the secondary optical member 34 ′ of FIG. It is desirable that a light beam such as b is incident at a large angle and the light beam converges toward the sensor. However, as the angle at which each light beam enters the secondary optical member 34 ′ increases, the angle of the light beam with respect to the secondary optical member at the time of emission increases, and the exit surface is a surface perpendicular to the optical axis 112. Is subject to a large angle change due to refraction. As a result, various aberrations that degrade imaging performance such as astigmatism, coma aberration, and chromatic aberration increase, making it difficult to obtain image information for good focus detection.
[0031]
In this regard, in this embodiment, as indicated by 101-a, 101-b, 102-a, 102-b, 103-a, 103-b, 104-a, and 104-b in FIG. By making the exit surface of the next optical member 34 ′ an inclined prism surface, it is possible to suppress the occurrence of aberrations and detect good image information.
[0032]
Further, if the paired prism surfaces are the same plane, the difference in optical path length in the secondary optical member 34 'of the paired light beams increases, and it is difficult to form an image with equivalent performance on the same sensor surface. It becomes. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, a step is provided between the pair of prisms to change the thickness, thereby removing or reducing the optical path length difference.
[0033]
On the other hand, FIG. 7 is a diagram in which a portion related to the visual fields 41, 42 or 43, 44 of FIG. That is, FIG. 7 corresponds to a view from below or above FIG.
[0034]
Also in the projection view of FIG. 7, the light beams 55-a, 55-b, 57-a, 57-b, or 56-a, 56-b, 58-a, 58-b are the same as in the case of FIG. When the incident light is incident on the secondary optical member 34 ′ and the exit surface of the member is a surface perpendicular to the optical axis 112, the above-described various aberrations occur. Accordingly, in FIG. 7, the exit surface is also an inclined prism surface. As a result, the prism member provided on the exit side of the secondary optical member 34 ′ has a normal vector having components both in the visual field direction 110 and in the visual field and vertical direction 111 as described with reference to FIG.
[0035]
It should be noted that the normal vectors of a pair of prism members may be the same for the sake of simplicity. However, as is clear from the purpose and effect of the prism member of the present invention, this is not always necessary and optimal. The inclination is set individually.
[0036]
Further, in the embodiments so far, the prism member is provided on the exit surface side of the secondary optical system. However, the present invention is not limited to this, and the prism is provided on the entrance surface side of the secondary optical system. The object can also be achieved by a configuration in which a member is provided and a lens surface having an imaging function is provided on the exit surface side. The prism member may not be formed by integral molding, and a separate lens and the prism member may be brought into contact with each other.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at the position obliquely separated from the center of the screen, it is formed on the sensor when configuring the focus detection device having a visual field spread parallel to each side of the screen. The difference in image characteristics between the two light quantity distributions can be removed or alleviated, and a small and accurate focus detection device can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a focus detection system of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing an optical member according to the present invention. FIG. 3 is a plan view showing an optical member according to the present invention. FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 4. FIG. 6 is a projection view on a horizontal plane showing the optical path of the focus detection system of the present invention. FIG. 7 is a vertical plane showing the optical path of the focus detection system of the present invention. FIG. 8 is a diagram illustrating a conventional example. FIG. 9 is a diagram illustrating a conventional example. FIG. 10 is a diagram illustrating a conventional example. FIG. 11 is a diagram illustrating a conventional example. FIG. 13 illustrates the problem of the invention. FIG. 14 illustrates the problem of the invention. FIG. 15 illustrates the problem of the invention.
1 Objective lens 2, 8, 31, 31 'Field mask 3, 9, 32, 32' Field lens 4, 11 Secondary optical system 5, 12, 35, 35 'Sensor 6, 10, 33, 33' Aperture 7 Objective Lens exit pupils 13-17, 41-44 Field mask apertures 18-22, 81-84 Sensor array 34, 34 'Optical member 36 Image areas 45-48, 45'-48' on sensor Center 55 of field of view 58 Light fluxes 71 to 74 Lens 75 to 78 Lens pair center lines 75 'to 78' Lens pair boundary lines 101 to 103 Prism member 107 Protruding member 108 Prism member surface 109 Normal vector 110 Arrow 111 indicating viewing direction perpendicular to viewing field Direction arrow 112 optical axis

Claims

A field mask arranged near the planned imaging plane of the objective lens to restrict the field of view, a field lens arranged near the planned imaging plane of the objective lens, and an image formed by the objective lens are re-imaged. A pair of secondary imaging lenses for the aperture, a diaphragm having a pair of apertures arranged adjacent to the secondary imaging lens and restricting light transmitted through the secondary imaging lens, and a light quantity distribution formed by the secondary imaging lens Has a secondary image forming system including a sensor array for detecting light and is constant at a position obliquely separated from the optical axis of the objective lens within the rectangular imaging / observation range with respect to the long and short sides of the rectangle A focus detection apparatus capable of detecting a focus with respect to a field area having a spread in a direction, wherein the field area spreads at a position obliquely separated from the optical axis of the objective lens with respect to the long side and the short side of the rectangle The direction of the light of the objective lens The pair of secondary imaging lenses that receive the light beam that has passed through the visual field region without being orthogonal to the virtual plane that passes through the center of the visual field region includes the relief of the optical path length difference of the light beam that passes through each lens. A prism member is provided on one of the incident surface and the exit surface to reduce the change in angle caused by the refraction of light incident on each lens or emitted from each lens. And a plane determined by a normal vector having a component also in the vertical direction.

2. The focus detection apparatus according to claim 1, wherein regions of the prism member corresponding to the pair of secondary imaging lenses have steps and are not on the same plane.

The focus detection apparatus according to claim 1, wherein the pair of secondary imaging lenses have an asymmetric shape when viewed from the front.

A camera comprising the focus detection device according to claim 1.