JP3912891B2 - 焦点検出装置及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は写真用カメラやビデオカメラ、そして観察装置等に好適な焦点検出装置及びそれを用いた光学機器に関し、特に対物レンズ（撮影レンズ）の瞳を複数の領域に分割し、各領域を通過する光束を用いて複数の被写体像（物体像）に関する光量分布を形成し、これら複数の光量分布の相対的な位置関係を求めることにより、対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の複数の領域に対して検出する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より写真用やビデオカメラ等の自動焦点検出装置として対物レンズを通過した光束を利用した所謂、像ずれ方式（位相差検出方式）と呼ばれる受光型の焦点検出装置が多く用いられている。この像ずれ方式の焦点検出装置では対物レンズの像面側に設けた光学手段により該対物レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の素子より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの信号を用いて該対物レンズの合焦状態を求めている。
【０００３】
又、像ずれ方式を利用した焦点検出装置として、その測距範囲をファインダー視野（撮影範囲）の中央領域のみならず、中央から左右方向や上下方向に距離が離れた領域に測距範囲を設定した多点測距の焦点検出装置が実現されている。この多点測距の焦点検出装置は複数の焦点検出手段を配置することによって実現されている。
【０００４】
特に一眼レフカメラのように厳しいピント精度が要求される焦点検出装置においては、対物レンズによる結像光束を一組の再結像レンズへ導き、これら再結像レンズにより形成された被記録像の光量分布を光電変換素子の画素列上に高精度に形成することが必要となってくる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に像ずれ方式を利用した焦点検出装置において焦点検出領域を撮影範囲中の中央のみならず上下左右離れたところにも設定しようとすると焦点検出用の部材を多数設置しなければならず、焦点検出装置の大型化を招く。特に光電変換素子列を形成するセンサーチップの大きさはコストの増大といった問題を引き起こす。
【０００６】
また焦点検出手段を複数設置すればセンサーチップ上に出来る再結像レンズによる像は焦点検出に必要なものだけでなく、再結像レンズの数と焦点検出領域の積だけ生じることになり不要光による焦点検出の低下や不要光を排除するための装置の大型化といった問題を引き起こす。
【０００７】
本発明は、対物レンズ（撮影レンズ）の像面側に設ける焦点検出用の光学手段の各要素を適切に設定することにより撮影視野内の上下左右方向の任意の複数の領域で焦点検出を高精度に行うことができる焦点検出装置及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の焦点検出装置は、対物レンズの像面側に設けたフィールドレンズと、２次結像系と、複数の素子より成る画素列を複数有する光電変換素子とを有し、前記フィールドレンズと前記２次結像系とにより前記対物レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を前記光電変換素子上に形成し、該光電変換素子からの信号を用いて、撮影視野内の前記対物レンズの光軸付近の第１領域と、それより前記対物レンズの光軸から離れた第２領域とを含む複数の領域で前記対物レンズの合焦状態を求めることが可能な焦点検出装置であって、
前記フィールドレンズは、前記第１領域に対応し、かつ前記対物レンズの光軸と共通の光軸を有する第１フィールドレンズ部と、前記第２領域に対応し、かつ前記対物レンズの光軸とは異なる光軸を有する第２フィールドレンズ部とを有し、
前記２次結像系は、前記第１フィールドレンズ部または前記第２フィールドレンズ部を通過した光束が共に通過するレンズ対を有し、
前記第１，第２フィールドレンズ部の焦点距離を各々ｆ１，ｆ２としたとき、
ｆ１＜ｆ２
なる条件を満足することを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明の光学機器は、対物レンズと、該対物レンズの合焦状態を検出可能な請求項１に記載の焦点検出装置とを有することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の焦点検出装置をカメラ等の光学機器に適用したときの実施形態１の要部概略図、図２は図１の焦点検出装置を構成する光学系の主要部分の要部概略図である。
【００１６】
図中２１は対物レンズ（撮影レンズ）、１は対物レンズ２１の光軸、８は対物レンズ２１の瞳面、ＦＰはフィルム（撮像面）、２２は対物レンズ２１の光軸１上に配置された半透過性の主ミラー、２３は焦点板であり、対物レンズ２１による被写体像が主ミラー２２を介して結像している。２４はペンタプリズム、２５は接眼レンズであり、焦点板２３上の被写体像を観察している。
【００１７】
２６は対物レンズ２１の像面側に光軸１上に対して斜めに配置された第１の反射鏡（サブミラー）である。
【００１８】
２は対物レンズ２１の焦点面近傍におかれる視野マスクである。図３は視野マスク２を正面から見た図であり、３つの開口部２−ａ，２−ｂ１，２−ｂ２を持ち横手方向（Ｘ方向）に長い焦点検出視野を備えている。視野の長手方向（Ｘ方向）は図２の紙面の垂直方向であり、紙面上下方向（Ｙ方向）に３つの開口部が並んだ配置を取っている。
【００１９】
３は三分割されたレンズ３−ａ，３−ｂ１，３−ｂ２を有するフィールドレンズで視野マスク２近傍に対物レンズ２１の焦点面から少し離れた位置におかれている。図４はフィールドレンズは３の正面図である。フィールドレンズ３は焦点距離の異なる３つのレンズ３−ａ，及び３−ｂ１，３−ｂ２からなり、それぞれの焦点距離をｆａ，ｆｂ１，ｆｂ２とするとき
ｆａ＜ｆｂ１＝ｆｂ２
を満足するようにしている。
【００２０】
５は焦点検出系の絞りである。図５は絞り５を正面から見た図であり、後述する２次結像レンズ６の２つのレンズ６−ａ，６−ｂに対応して２つの開口部５−ａ，５−ｂを有している。６は２次結像レンズであり、２つのレンズ６−ａ，６−ｂを有し視野マスク２の開口部２−ａ，２−ｂ１，２−ｂ２を通して対物レンズ２１の像をセンサー７上に再び結像する作用を有する。
【００２１】
図６は２次結像レンズ６の正面図及び側面図である。図２の紙面垂直方向に２つのレンズ６−ａ，６−ｂの頂点が並ぶ方向に配置されている。７は光電変換デバイス（光電変換素子）である。
【００２２】
図７は光電変換デバイス７を正面から見た図である。７−ａ，７−ｂ，７−ｃは受光部であり、その長手方向（Ｘ方向）が図１の紙面垂直方向（Ｘ方向）に対応している。
【００２３】
視野マスク２の開口２−ａ，２−ｂ１，２−ｂ２を通った光束は、フィールドレンズ３のレンズ部３−ａ，３−ｂ１，３−ｂ２、絞り５、そして２次結像レンズ６を介して光電変換デバイス７上の受光部７−ａ，７−ｂ，７−ｃ上に、対物レンズ２１による物体像の２次像を形成する。
【００２４】
図７に示す光電変換デバイス７の受光部７−ａ，７−ｂ，７−ｃは多数の画素より成る画素列の組で、これらの画素列に対応して視野マスク３の開口部２−ａ，２−ｂ１，２−ｂ２を通過した光束による像が図７の画素列を囲む点線で示す領域に投影され、この内部に物体の２次像が形成される。
【００２５】
１つの開口部につきレンズ６−ａ，６−ｂより成る一組の２次結像レンズ６によって２つの２次像が長手方向横に（図２の紙面垂直方向）並んで形成され、物体の２次像は対物レンズの焦点調節状態によって長手方向（Ｘ方向）に移動する。
【００２６】
受光部７−ａ，７−ｂ，７−ｃの各画素列の組はそれぞれに対応する視野マスク２の開口部２−ａ，２−ｂ１，２−ｂ２を通過した光束による像について、光電変換素子７上の２次像の相対的間隔をそれぞれ検出することができる。これより視野マスク２の開口部２−ａ，２−ｂ１，２−ｂ２のそれぞれについて対物レンズ２１の焦点調節状態を検出している。
【００２７】
次に本発明に係る分割された焦点距離の異なる３つのレンズより成るフィールドレンズ３の働きについて説明する。焦点検出装置のフィールドレンズ３の役割は焦点検出の対象となる対物レンズ２１の射出瞳８と焦点検出装置の絞り５を共役関係で結ぶことにある。
【００２８】
言い換えれば焦点検出装置の絞り５を対物レンズ２１の射出瞳８に投影するように設定されている。これは絞り５のフィールドレンズ３による投影像が対物レンズ２１の射出瞳８位置に出来ていることに相当する。
【００２９】
図８（Ａ）ではフィールドレンズ３の焦点距離が適切に設定され焦点検出装置の絞り５の開口部５−ａ，５−ｂの投影像が対物レンズ２１の射出瞳８上で結像している。
【００３０】
したがって１つの焦点検出領域を形成する直線状に並んだ点９−１，９−２，９−３で示す対物レンズ２１の像を通過する全ての光束が焦点検出装置に取り込まれる事になる。
【００３１】
一方図８（Ｂ），図８（Ｃ）はフィールドレンズ３の焦点距離が不適切であるために焦点検出装置の絞り５の開口部５−ａ，５−ｂのフィールドレンズ３による投影像が対物レンズ２１の射出瞳８上に結像していない。
【００３２】
図８（Ｂ）ではフィールドレンズ３の焦点距離が長すぎるため絞り５の開口部５−ａ，５−ｂの投影像が集光していない。
【００３３】
図８（Ｃ）ではフィールドレンズ３の焦点距離が短すぎるため絞り５の開口部５−ａ，５−ｂの投影像が集光していない。従って対物レンズ２１の像９−１，９−３の位置を通る光束は対物レンズ２１の射出瞳８によって所謂ケラレを生じ、それは焦点検出装置の光電変換素子７上の光量分布となってしまう。被写体とは無関係なこの光量分布は焦点検出に多大な影響を与え、それは焦点検出誤差となって現われる。
【００３４】
従ってフィールドレンズ３の焦点距離を適切に設定して焦点検出装置の二つの絞り５の開口部の離れる分割方向、すなわち焦点検出領域の長手方向の像高に対して絞り５の投影像ができないようにしておかなければならない。
【００３５】
一方、本発明のように絞り５の一対の開口部で複数の焦点検出領域を行おうとすると前述のように焦点検出領域の長手方向の射出瞳に対する絞りの投影結像だけでなく、複数の焦点検出領域が離れる方向に対しても適切な焦点検出の設定を行わなければならない。
【００３６】
図９（Ｂ）は点９−２で示される中心視野で設定されたフィールドレンズ３を点９−１，９−３で示される上下に分割された視野にも適用した図である。視野９−１，９−３に対しては焦点距離が短すぎるため絞り５の開口部５−ａ，５−ｂの投影像が対物レンズ８の射出瞳から外れケラレを生じている。
【００３７】
図９（Ｃ）はフィールドレンズ３を視野ごとに分割し点９−１，９−３で示される上下に分割された視野のフィールドレンズ３−ｂには長手方向の投影像に最適化した場合の図である。視野９−１，９−３の分割方向に対しては焦点距離が長すぎるため絞り５の開口部５−ａ，５−ｂの投影像が対物レンズ８の射出瞳８から外れケラレを生じている。
【００３８】
図９（Ａ）ではフィールドレンズ３近傍の点９−１，９−２，９−３で示す位置にそれぞれ紙面垂直方向に長い焦点検出領域が設定されていて、それぞれの視野が絞り５の開口部５−ａ，５−ｂ，を共用している。フィールトレンズ３の分割された３つのレンズ３−ａ，３−ｂ１，３−ｂ２の焦点距離をそれぞれｆａ，ｆｂ１，ｆｂ２として焦点距離ｆｂ１，ｆｂ２を焦点距離ｆａよりも長く設定し、レンズ３−ｂ１，３−ｂ２の光軸を図４の点１−ｂ１，１−ｂ２で示すように偏心させることによって、紙面上下の視野分割方向、紙面垂直な視野長手方向（絞り分割方向）の投影像が射出瞳８上に良好に投影されるように設定している。これによって各視野のどの像高においても瞳のケラレを生じることなしに焦点検出を可能にしている。
【００３９】
図１０は本発明の実施形態２の一部分の説明図である。実施形態２は図１の実施形態１におけるフィールドレンズ３の代わりに図１０に示す非球面レンズ３１を用いることを特徴としている。具体的には中心部と周辺部で屈折力の異なるトーリックレンズ３１を用いている。
【００４０】
図１０において３２，３３はトーリックレンズ３１の母線と、子線であり、理解を助けるため摸式的に示した。母線３２は子線３３よりも曲率半径が大きく設定されている。母線３２と子線３３が異なる曲率半径を有する一体型のトーリック非球面を用いて図９（Ａ）〜（Ｃ）で示したフィールドレンズのように紙面上下の視野分割方向、紙面垂直な視野長手方向（絞り分割方向）のパワーを異なる大きさに設定することにより実施形態１と同様に投影像が射出瞳８上に良好に投影されるような効果を得ている。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、対物レンズ（撮影レンズ）の像面側に設ける焦点検出用の光学手段の各要素を適切に設定することにより撮影視野内の上下左右方向の任意の複数の領域で焦点検出を高精度に行うことができる焦点検出装置及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【００４２】
特に本発明によれば、複数の焦点検出を一対の２次結像レンズによって実現することができ、小型で高性能な焦点検出装置の安価な提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】図１の焦点検出装置の一部分の拡大説明図
【図３】図１の視野マスクの説明図
【図４】図１のフィールドレンズの説明図
【図５】図１の絞りの説明図
【図６】図１の２次結像系の説明図
【図７】図１の光電変換素子の説明図
【図８】図１の一部分の拡大説明図
【図９】図１の一部分の拡大説明図
【図１０】本発明の実施形態２の一部分の説明図
【符号の説明】
１ 対物レンズの光軸
ＦＰ フィルム
２２ 主ミラー
２６ 第１の反射鏡
４ 第２の反射鏡
５ 絞り
６ ２次結像系
７ 光電変換素子
２３ 焦点板
２４ ペンタプリズム
２５ 接眼レンズ
２ 視野マスク
３ フィールドレンズ
３１ トーリックレンズ

Claims (2)

1. 対物レンズの像面側に設けたフィールドレンズと、２次結像系と、複数の素子より成る画素列を複数有する光電変換素子とを有し、前記フィールドレンズと前記２次結像系とにより前記対物レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を前記光電変換素子上に形成し、該光電変換素子からの信号を用いて、撮影視野内の前記対物レンズの光軸付近の第１領域と、それより前記対物レンズの光軸から離れた第２領域とを含む複数の領域で前記対物レンズの合焦状態を求めることが可能な焦点検出装置であって、
   前記フィールドレンズは、前記第１領域に対応し、かつ前記対物レンズの光軸と共通の光軸を有する第１フィールドレンズ部と、前記第２領域に対応し、かつ前記対物レンズの光軸とは異なる光軸を有する第２フィールドレンズ部とを有し、
   前記２次結像系は、前記第１フィールドレンズ部または前記第２フィールドレンズ部を通過した光束が共に通過するレンズ対を有し、
   前記第１，第２フィールドレンズ部の焦点距離を各々ｆ１，ｆ２としたとき、
   ｆ１＜ｆ２
   なる条件を満足することを特徴とする焦点検出装置。
2. 対物レンズと、該対物レンズの合焦状態を検出可能な請求項１に記載の焦点検出装置とを有することを特徴とする光学機器。

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