JP4011676B2

JP4011676B2 - 焦点検出装置

Info

Publication number: JP4011676B2
Application number: JP16391097A
Authority: JP
Inventors: 健一郎山下; 康夫須田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: JPH1114896A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系を透過した光束を用いてその結像状態を検出するカメラ等の焦点検出装置に関し、特に、多数の焦点検出視野を有する改良された焦点検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開昭６１−１９８０１４号公報や特開平８−１１４８３９号公報に開示されているように、千鳥状や格子状に焦点検出視野が配置された焦点検出装置が知られている。焦点検出視野を千鳥状や格子状に配置すると、焦点検出視野の密度が高くなって、対象物の細部をより詳しく測距することが可能となる。対象物の多くの部分についての焦点調節状態が分かれば、より適切な位置に対物レンズのピント位置を設定することが可能となって大変に好ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に多数の焦点検出視野を設けようとすると、焦点検出光学系の歪曲収差が悪影響を及ぼして測距精度は低下する傾向にある。特開平５−１５０１５５号公報には、このような焦点検出光学系の歪曲収差を前提とした焦点検出光学系について開示されている。この技術は、エリアセンサを極めて細かい画素で構成し、歪曲に沿った領域の２次元に分布した画素を足し合わせて、物体像を仮想的に１次元サンプリングする手法である。
【０００４】
ところが、このエリアセンサには、指定された領域における光量のピーク値をモニターする機能と、画素信号を加算して出力する機能とが必要であって、光電変換部以外の周辺回路が複雑化するという欠点がある。その結果、開口効率が低下して物体像の正確な位相がセンサ出力に反映され難くなって、物体像の相対的位置関係から得られる焦点状態情報の精度は低い。この場合、特に精密さが要求されるカメラ等のピントを検出することは不可能である。
【０００５】
そこで、本発明は、焦点検出光学系の歪曲収差を許容しつつも、簡易なセンサ構成で検出精度の高い千鳥状或いは格子状の焦点検出視野を実現し、対象物の細部をより詳しく測距することを可能とする焦点検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の焦点検出装置は、複数の画素からなる複数のセンサ列が並列配置されてなる複数の受光領域を有する光電変換素子を備えた焦点検出装置であって、前記各センサ列は、複数の画素からなる画素領域毎に蓄積時間が制御されており、少なくとも、前記画素領域間の間隔が第１の間隔とされた第１のセンサ列と、隣接する前記画素領域間の間隔が前記第１の間隔よりも大きい第２の間隔とされた第２のセンサ列とを含み、前記受光領域内には、前記第１のセンサ列間に前記第２のセンサ列が配設されてなる領域が複数設けられている。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、対物レンズと、前記対物レンズからの光束を受容する一対の結像光学系と、前記光電変換素子を駆動してその出力を処理する焦点検出回路とを備え、前記一対の結像光学系を介して前記光電変換素子上に視差を持った一対の物体像を投影することにより、前記対物レンズの焦点状態を検出するための焦点検出視野を形成し、前記焦点検出回路において前記光電変換素子の出力を基に前記一対の物体像の相対的位置関係を検出して、前記対物レンズの焦点状態を検知する機能を有しており、
前記焦点検出回路は、前記各センサ列の前記画素領域毎の蓄積時間を制御する。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、前記焦点検出回路は、前記対物レンズの射出瞳を縦方向に分離する第１の焦点検出系と、前記射出瞳を横方向に分離する第２の焦点検出系とを有する。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、前記対物レンズと前記一対の結像光学系との間に、前記対物レンズの透過光束を反射収斂して前記対物レンズの光軸と異なる方向に光路を偏光させる反射鏡を有する。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、前記反射鏡で偏光された光束から赤外線を除去する赤外線除去フィルタを有する。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、少なくとも前記対物レンズが合焦している際に、検出対象となる前記光電変換素子の一対の前記センサ列上に、物体上で同一位置に対応する２次物体像を投影する。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、前記対物レンズにデフォーカスが生じた際に、検出対象となる前記光電変換素子の一対の前記センサ列上に、物体上で同一位置に対応する２次物体像を相対的な位相差を持つように投影する。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、前記光電変換素子の前記受光領域は、相異なる複数の前記センサ列が所定の順序で繰り返し配置されたものである。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、前記センサ列は、３つの前記画素領域が接続してなる前記第１のセンサ列と、２つの前記画素領域が所定間隔をもって隣接してなる前記第２のセンサ列と、２つの画素領域が前記第２のセンサ列の前記画素領域の間隔に比して大きい間隔をもって隣接してなる第３のセンサ列とから構成されている。
本発明の焦点検出装置の一態様例においては、前記光電変換素子は、前記焦点検出視野に対して、歪曲した物体像に関して互いの位相差が１／２画素相当となる並列した２つの前記画素領域を有し、前記各画素領域における焦点検出結果の平均値を出力する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るのいくつかの具体的な実施形態について図名を参照しながら説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１及び図２は、第１の実施形態の焦点検出装置の主要構成部分を示す模式図であり、図１１は、こ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模式図である。この焦点検出装置は、対物レンズの射出瞳を縦方向に分離する検出系と、横方向に分離する検出系とを有し、図１は前者の、図２は後者の光路を対物レンズの光軸を含む平面上に投影して示したものである。
【００１８】
図１１において、４０１は対物レンズ、１０１は対物レンズの光軸、１０２は撮像面、１０３は対物レンズの光軸１０１上に配置され、中央部に半透過性の領域を有する主ミラー、４０３はフォーカシングスクリーン、４０４はペンタプリズム、４０５は接眼レンズ、１０４は対物レンズの光軸１０１上に斜めに配置された第１の反射鏡、１０５は第１の反射鏡１０４によって折り返された撮像面１０２に共役な近軸的結像面、１０６は第２の反射鏡、１０７は赤外線カットフィルター、１０８は４つの開口部を有する絞り、１０９は絞りの開口部に対応して４つのレンズ部を有する再結像レンズブロック、１１０は第３の反射鏡、１１１は２対の２次元型受光エリアを有するエリアセンサである。
【００１９】
各受光エリアは同一の開口を持った多数の画素よりなる複数のセンサ列で構成され、センサ列同士も対を成している。ここで、第１の反射鏡１０４は楕円鏡であって、楕円を定義する二つの焦点は、対物レンズの光軸１０１上の光線が主ミラー１０３で屈折した後の光路を逆に対物レンズ側に延長した線上と、その光線が第１の反射鏡によって反射した後の光路を延長した線上にそれぞれ位置する。また、第１の反射鏡は焦点検出領域を制限する視野マスクの役割を兼ねるため、必要な領域のみが光を反射するようになっている。第２の反射鏡１０６と第３の反射鏡１１０は平面鏡である。なお、これらの構成要素のうちの光学的に機能する部分は何れも紙面に対して対称に構成されている。
【００２０】
図３は絞り１０８の平面図である。絞り１０８は金属製あるいは樹脂製の遮光性薄板よりなる。この図３において、１０８ｅ〜１０８ｈは絞り開口部、１０８ｉ、１０８ｊは位置決め穴である。絞り１０８は位置決め穴１０８ｉ、１０８ｊを介して再結像レンズブロック１０９に固定される。
【００２１】
再結像レンズブロック１０９の光入射側は、第１の反射鏡によって偏向した対物レンズの光軸上に中心を持つ単一の凹状球面、射出側は互いに反対方向に偏芯した２対の凸レンズ１０９ｅ〜１０９ｈとなっている。さらに凹状球面の中心は第１の反射鏡１０４によって形成される対物レンズの近軸的結像面１０５に、また、前記２対のレンズ部１０９ｅ〜１０９ｈの中心は前記絞り開口中心の近傍に位置している。このような形にレンズのパワーを配置する事によって広い波長域にわたっての高精度な焦点検出が可能である。
【００２２】
絞り１０８と再結像レンズブロック１０９との位置関係は、図３に破線で示した如く絞り１０８の背後に２対のレンズ１０９ｅ〜１０９ｈが位置するように設定してある。絞り開口１０８ｅ、１０８ｇの開口重心は、対物レンズの光軸近傍の光路に平行であってレンズ部１０９ｅ〜１０９ｇの曲率中心Ｐ６、Ｐ７を含む第１の平面ＰＬ１上にあり、また、絞り開口１０８ｆ、１０８ｈの開口重心とレンズ部１０９ｆ〜１０９ｈの曲率中心は対物レンズの光軸近傍の光路を含み第１の平面ＰＬ１と直交する第２の平面ＰＬ２上にある。
【００２３】
焦点検出光束の光路としては、絞り開口部とレンズ部とで同一の添え字で示したもの同士が対応し、各開口部を通過した光束は第３の反射鏡を介してエリアセンサ１１１上に二次物体像を形成する。なお、異なる添え字の要素を通過した光束はエリアセンサ上の所定の位置に到達しないため焦点検出には寄与しない。添え字ｅ、ｇで示した要素を通過する光束を用いる検出系は、対物レンズの射出瞳を縦方向に分離し、一方、添え字ｆ、ｈで示した要素を通過する光束を用いる検出系は、対物レンズの射出瞳を横方向に分離する。以降、瞳を縦方向に分離する検出系を第１の焦点検出系、瞳を横方向に分離する検出系を第２の焦点検出系と呼ぶことにする。
【００２４】
以上のように構成された焦点検出装置の光学作用を説明する。
【００２５】
図１および図２に示した１１２ｅ、１１２ｇ、１１２ｆ、１１２ｈは絞り１０８を通過して焦点検出に使われる画面中央への光束である。これらの光線の進む順に説明を加えると、まず、不図示の対物レンズからの光束は主ミラー１０３を透過した後、第１の反射鏡によってほぼ主ミラー１０３の傾きに沿った方向に反射される。第１の反射鏡１０４は前述のように楕円鏡であって、二つの焦点の近傍同士を実質的に投影関係におくことができる。ここでは一方の焦点を対物レンズの代表射出瞳位置の光学的な等価点に、他方の焦点を絞り１０８の光学的な等価点に設定し、フィールドレンズとしての機能を持たせている。この対物レンズの代表射出瞳位置とは、カメラに装着される種々の撮影レンズの射出窓の条件を勘案し総合的に決定される焦点検出系固有の仮定瞳位置である。
【００２６】
第１の反射鏡１０４で反射した光束は第２の反射鏡１０６で再び反射し、赤外線カットフィルター７に入射する。焦点検出の精度を低下させる要因となる赤外線がここで除去され、対物レンズの収差補正が十分に成されている波長域の光のみが背後に置かれた絞り１０８や再結像レンズブロック１０９まで到達する。
再結像レンズブロック１０９の作用で収斂した光束は第３の反射鏡１１０を介して二次物体像をエリアセンサ１１１上に形成する。
【００２７】
図４はエリアセンサ上の二次物体像の様子を示す図であって、格子状の物体についての例である。再結像レンズブロック１０９の４つのレンズによって４つの二次物体像が形成され、１２２ｇ、１２２ｅおよび１２２ｆ、１２２ｈがそれぞれ相対的位置関係を検出すべき対の像となる。ここで、絞り１０８の開口部１０８ｅ、１０８ｇの間隔と、開口部１０８ｆ、１０８ｈの間隔とは異なり、間隔の広い第２の焦点検出系の方が二次物体像の移動が敏感になるため、高精度な焦点検出が可能である。
【００２８】
物体が投影される範囲は、二次物体像１２２ｇ、１２２ｅと二次物体像１２２ｆ、１２２ｈとでは異なり、二次物体像１２２ｇ、１２２ｅでは第１の反射鏡１０４の大きさで決定される領域に、二次物体像１２２ｆ、１２２ｈではその絞り開口部の間隔の差異から、主ミラー１０３や第２の反射鏡１０６上で光線が通れるだけの領域となって、二次物体像１２２ｇ、１２２ｅよりも狭くなる。また、第１の反射鏡１０４が斜設されていることに起因して、各像には軸対称性の無いかなり大きな歪みが生じる。
【００２９】
但し、このような歪みが存在する場合であっても、次の二つの条件を満たせば特に速やかなピント合わせが必要なカメラ用の焦点検出装置としても問題はない。その条件とは、正確な合焦判定を得るためには、以下に示す条件を満たすことが必要である。
【００３０】
（１）少なくとも対物レンズが合焦しているとき、検出対象となる一対のセンサ列上には物体上で同一位置に対応する二次物体像が投影されていること、つまり、センサ列に直交する方向において二像の倍率差が小さいこと。
【００３１】
（２）また、正確なデフォーカス検出を得るために、対物レンズのデフォーカスが生じた際、検出対象となる一対のセンサ列上には物体上で同一位置に対応する二次物体像が位置的な位相差を持って投影されていること。
【００３２】
さて、このような観点からこの焦点検出系の像とセンサについて説明する。まず、瞳を縦方向に分離する第１の焦点検出系については、第１の反射鏡１０４の傾きが瞳の分離方向と一致した図１の紙面内であるために、二次物体像１２２ｇ、１２２ｅの何れについても歪みはこの紙面に対称な扇形状となり、歪み自体はかなり大きい。しかし、二像間での歪みの差に注目すればそれは僅かであって、特に瞳の分離と直交する方向に相当する図の横方向の像倍率差はほとんど無い。したがって、例えば図６の如く受光エリアとセンサ列を配置すれば、一方の受光エリア上の任意のセンサ列上に投影された物体像と対になる物体像は、他方の受光エリア上の対応するセンサ列上に投影されることになる。つまり、上記の条件（１）を満たす。
【００３３】
図１０は２次像の移動方向を説明するために位相差検出方式の焦点検出系全体の役割を一般的に示した要部ブロック図である。この図１０において、５１０は物体、５１１は対物レンズ、５１４は焦点検出光学系、５１５は光電変換素子である。焦点検出光学系５１４にはフィールドレンズとかフィーフドミラーといった光学素子からなる瞳投影光学系５１２と、一対の結像レンズ等で構成される再結像光学系５１３が含まれている。５１６は光電変換素子の出力を処理するマイクロプロセッシングユニットである。
【００３４】
ここで光電変換素子５１５に投影される物体の２次像に歪が生じる要因は瞳投影光学系５１２と再結像光学系５１３にあり得る。詳細にはこれらの光学系について別個に光線トレースを行うことによって歪曲についてのそれぞれ性質を求めている。
【００３５】
仮に２次像の歪が再結像光学系に起因している場合について、対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動を１次像面に置き換えて考えれば、１次像面に於いては再結像光学系の絞り開口の並び方向に正確に移動している物体像が再結像光学系によって歪められて光電変換素子上に投影されていると理解できるわけで、２次像の移動は歪に沿った方向となることがわかる。逆に瞳投影光学系に起因している場合には、１次像面上にすでに歪んだ像があってこれを視差を持った再結像光学系が歪みなく光電変換素子上に投影していると理解できるため、対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動方向は再結像光学系の絞り開口の並び方向となることが判る。
【００３６】
さて、図４に戻ってこの焦点検出光学系による歪曲の主な要因を考える。まず、簡単な光学的考察よりこの内の再結像光学系のみを通して逆投影した光電変換素子上の格子はかなり歪みが少ないことが判る。つまり、二次物体像の歪みの要因は第１の反射鏡１０４すなわち瞳投影光学系にあり、第１の反射鏡１０４の近軸的結像面１０５に生じた歪が、再結像レンズブロック１０９によってそのままエリアセンサ１１１上に投影されているといえる。
【００３７】
したがって、二次物体像の移動方向は絞り開口部１０８ｅ、１０８ｆの並び方向であって、像倍率の変化分を取り除けばエリアセンサ上で図１０５に示す矢印の方向である。上記のようにセンサ列を設定することによって同時に（２）の条件をも満たし、これをもって二次物体像の相対的位置関係を比較し、対物レンズのデフォーカス量を求めることが可能である。
【００３８】
図８は、このように配置した受光エリアによる撮像面上での焦点検出領域を示す。歪みのある二次物体像を矩形に整列した受光エリア１１１ｇ、１１１ｅで光電変換するために、焦点検出領域１０３は撮像面１３０内で図のように歪んだ形状となる。
【００３９】
次に、瞳を横方向に分離する第２の焦点検出系について説明する。二像間での像倍率差が瞳の分離と直交する方向で小さくなるのは、今度は撮像面の中央部に近い領域だけである。そこで、この部分だけに受光エリアを限定すれば、一方の受光エリア上の任意のセンサ列上に投影された物体像と対になる物体像は、他方の受光エリア上の対応するセンサ列上に投影され、上記の条件（１）を満たすことになる。
【００４０】
図７は図６に示した第１の焦点検出系の受光エリア１１１ｇ、１１１ｅに加えて第２の焦点検出系のための受光エリア１１１ｆ、１１１ｈを描いたエリアセンサの平面図である。対となる二次物体像１２２ｆ、１２２ｈの移動方向は第１の焦点検出系と同様の理由から絞り開口部１０８ｆ、１０８ｈの並び方向であって、センサ列を図のように設定することによりすでに（２）の条件も満たすことができている。このような受光リエアによる撮像面上での焦点検出領域は図９に示すとおりであり、焦点検出領域１３４は撮像面１３０内の中央部となる。
【００４１】
以上に示した焦点検出領域を分割して複数の焦点検出視野を設定し、より細分化された焦点情報を得られるようにすれば、撮像面上のデフォーカスマップから、主となる被写体の中で最も適切な位置に対物レンズのピントを自動制御することも可能である。
【００４２】
図１７は焦点検出装置の回路構成を示すブロック図である。エリアセンサ１１１にはインターフェイス回路１６０が接続され、さらにインターフェイス回路１６０は処理装置であるマイクロコンピュータ１６５に接続されている。マイクロコンピュータ１６５によって焦点検出に用いるエリアセンサ１１１の受光エリア内の領域指定や、光電荷の蓄積制御が行われる。マイクロコンピュータ１６５はＣＰＵ（中央処理部）１６１、ＲＯＭ１６２、ＲＡＭ１６３、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ）１６４を有し、ＲＯＭ１６２に格納されているプログラムに従って焦点検出処理動作を実行する。また、ＥＥＰＲＯＭ１６４には焦点検出光学系の光学情報が調整行程などによって予め格納されいる。
【００４３】
図１２は焦点検出視野の分布の様子をカメラのファインダーから見た状態として示した図である。図１３に以後説明に用いる焦点検出視野の名称を示した。撮影画面２０１の中央部に千鳥状に配置された合計４５個の焦点検出視野があり、各行はそれぞれ７，１０，１１，１０，７個の焦点検出視野よりなっている。第１の焦点検出系は４５個の焦点検出視野のすべてを、また、第２の焦点検出系は焦点検出視野ＴＯ、ＵＬ１、ＵＲ１、Ｃ０、ＤＬ１、ＤＲ１、Ｂ０を構成し、各焦点検出視野にはエリアセンサのセンサ列を分割して用いている。
【００４４】
図１４は第１の焦点検出系の受光エリアを示した図である。受光エリア２０２、２０３は、図１５に示した３タイプのセンサ列タイプＡ、Ｂ、Ｃを組み合わせることによって構成されている。各サンサー列は焦点検出回路によって蓄積時間が同一に制御される複数の隣接した画素から成る固定された画素領域を有し、図ではこのような画素領域をハッチングで示している。センサ列タイプＡには３つの画素領域が、センサ列タイプＢ、Ｃには２つの画素領域がそれぞれ充てられている。焦点検出光学系を通してこれらの画素領域に入射する光の強さに応じて、画素領域毎の蓄積時間は独立に制御され、各々適切なレベルの像信号を得ることが可能である。
【００４５】
図１８はエリアセンサ蓄積制御回路の要部である。各画素領域の対ごとに最大値検出回路部と差動アンプを持ち、各差動アンプの出力が共通の所定レベル（ＶＲ）に到達するまで蓄積を行い、到達した時点で蓄積動作を終了し、読みだし信号（ΦＲ）を各画素領域毎に送る。回路規模の縮小のため、制御回路５１は基準クロック信号ＩＣＬＫに基づいて各画素領域毎に設けられたアナログスイッチＡＳ１ａ、ＡＳ１ｂ〜ＡＳｎａ、ＡＳｎｂ（ｎは一つの受光エリアにおける画素領域の数）を順次走査し、共通のコンパレータＣＯＭで全領域の蓄積終了判断を行う様に構成されている。
【００４６】
図１６は図１２に示した４５個の焦点検出視野の中心を受光エリア２０２上に投影した状態を示す図である。なお、受光エリア２０３上への投影もほぼ同等と考えてよい。図中、円の中心が各焦点検出視野の中心の投影位置であって、第１の反射鏡１０４による像の歪曲の為に千鳥状に整列していた焦点検出視野がこでは円弧に添った形に配列される。
【００４７】
なお、図１０を用いて先に説明したように、対物レンズのデフォーカスに伴って、物体像が移動する方向は、像倍率の変化分を取り除けば図５の矢印方向となる為、センサ列を像の歪曲に合わせて配置するのは適切でない。
【００４８】
一般に、エリアセンサの画素間には配線を通すスペースを必要とする為に、リニアセンサの場合よりも像の位相がセンサ出力に反映されにくく、エリアセンサを焦点検出に用いると焦点検出精度の低下がしばしば起こる。図１６に示したエリアセンサでは、焦点検出の精度をできるだけ上げる為に、ほとんどの焦点検出視野に対して、歪曲した像に関して互いの位相差が１／２画素相当となる並列した二つの画素領域を用意し、各画素領域での焦点検出結果の平均値を出力するようにしている。この場合、最終的な焦点検出結果では像の位相検出誤差が打ち消され、特に高周波成分の多い物体パターンで検出精度の向上が期待できる。
【００４９】
各焦点検出視野を構成するセンサ列タイプを以下に示す。
【００５０】
【表１】

【００５１】
複数のセンサ列タイプを用い、さらに、例えば焦点検出視野ＴＬ６・ＣＬ６・ＢＬ６の列のように使用するセンサ列タイプをＡ／Ｃ・Ａ／Ａ・Ａ／Ａという具合に乗り移らせることによって、像の歪曲を許容しながらも千鳥状の焦点検出視野配置が可能となっている。
【００５２】
図１９はＲＯＭに格納されている焦点検出処理プログラムのフローチャートである。マイクロコンピューターが焦点検出処理を開始すると、先ずステップ＃１０１で光電荷の蓄積をエリアセンサ１１１に対して指示する。このとき光電荷が所定量になるように画素領域毎に蓄積時間が制御され、後のステップで取り出される像信号の大きさは物体の輝度に関わらずほぼ一定となる。
【００５３】
続くステップ＃１０２では撮影者の視野位置を検出する不図示の視線検出手段の出力や、対物レンズの開放Ｆナンバー情報に基づいて、一つまたは複数の焦点検出視野を決定する。
【００５４】
撮像面３０上での焦点検出視野が決定するとステップ＃１０３に移行し、二次物体像の光量分布に応じて蓄積された電荷を像信号として読み出してＲＡＭに格納する。
【００５５】
所定の受光エリアからの像信号の読み出しが完了した後、続くステップ＃１０４ではＥＥＰＲＯＭに格納されている焦点検出光学系の情報に従って、その像信号を焦点検出処理に適した形に変換する。具体的には、瞳を縦方向に分離する第１の焦点検出系について、後述する如く演算上で歪曲を整える処理と、デフォーカスに伴う像の移動速度を一定に変換する補正処理を行う。以降、対物レンズのデフォーカスに伴う像の移動速度を像ズレ敏感度と呼ぶことにする。
【００５６】
ステップ＃１０５では、像信号の低周波成分を取り除くフィルター処理を施す。
【００５７】
最後にステップ＃１０６では、ステップ＃１０４、ステップ＃１０５で処理された像信号に対して公知の像間隔検出処理を施し、先に設定された焦点検出視野の焦点状態が検出される。
【００５８】
次に、ステップ＃１０４に示した像信号の補正処理について詳述する。大きく分けてこの補正処理は次の二つの段階よりなる。
・焦点検出光学系の周辺光量落ちの補正
・像の歪曲と像ズレ敏感度の補正
【００５９】
第１段階の周辺光量落ちの補正はその次に行う歪曲と像ズレ敏感度の補正の前処理であって、高精度に二像間の距離を検出するために必要となる。また、像の歪曲と像ズレ敏感度の補正では、対となる二つの像の歪曲を同一とし、さらに対物レンズのデフォーカスに伴う像の移動を信号上で一律に変換することができる。すなわち、像ズレ敏感度の補正とは、デフォーカスに伴って像が速く移動する焦点検出視野上の位置ではピッチの大きい画素で光電変換し、逆に像が遅く移動する位置ではピッチの小さい画素で光電変換する状態を演算上で仮想的に作り出す処理と言える。このときどこの位置でも仮想画素の面積は同一である。
【００６０】
では、先ず周辺光量落ちの補正から説明する。二次物体像を図１４の如く同一形状の画素を整列させたセンサ列を用いて同一時間だけ光電変換すると言うことは、センサ列に入射する単位面積当たりの光束、すなわち照度を調べることに相当する。
【００６１】
一般に、均一輝度面の光学像の照度は結像系の焦点距離や倍率に依らずＦナンバーで決定される。この性質をこの焦点検出系に当てはめて考えると、一対の再結像光学系についてのセンサ列と絞り開口との関係が軸対称性を持つことから、センサ列上にも軸対称性を持つ照度分布が生じ、その分布はコサイン４乗則で決まる。図２０はセンサ列から得られる均一輝度面に対応した像信号を表す図である。横軸は画素位置、縦軸がその出力となっており、照度分布となる像信号は実線１７０、１７１で示される。二次物体像が有する軸対称性のない歪曲とは無関係に像信号は対称性を呈している。
【００６２】
このような像信号に対し、焦点検出光学系の周辺光量落ちの補正は、均一輝度面に対応した像信号のピーク値と各画素の出力との比を各画素の出力に乗じ、演算上で破線１７２、１７３で示した出力に補正するものである。これは後の像の歪曲と像ズレ敏感度の補正では仮想サンプリング点を撮像面上に形成することから、再結像光学系を通る前の、つまりコサイン４乗則による光量落ちが生じる前の光量分布を再現する必要があるためである。
【００６３】
次に、像の歪曲と像ズレ敏感度の補正について説明する。図２１は第１の焦点検出系の光路を説明するための図である。図は第１の焦点検出系の焦点検出視野の端部に達する光束のうち、絞り開口部１０８ｅ、１０８ｇの重心を通る光線を描いている。なお、簡単のために主にミラー１０３と第２の反射鏡１０６を省略し、光路を展開した。
【００６４】
第１の反射鏡１０４が対物レンズの光軸１０１に対して斜設されているため、絞り１０８と第１の反射鏡１０４との距離は焦点検出視野上の位置によって異なる。先に説明したように第１の反射鏡１０４にはフィールドレンズとしての作用があり、絞り１０８が対物レンズ側に投影される際に、この距離差が原因となってその像１８０、１８１は図のように斜めになる。これを換言すれば、撮像面１０２上に図示の如く点ＰＡ、ＰＢ、ＰＣを定義したときに、これらの点から絞りの像１８０、１８１の重心を見込む角θ１、θ２、θ３の間には
θ１＜θ２＜θ３ ………（１）
なる大小関係があるということになる。
【００６５】
すなわち、対物レンズの瞳を二つに分割したときの視差θ１、θ２、θ３が焦点検出視野上の位置によって異なり、対物レンズのデフォーカスで二つの像が互いに近づいたり遠ざかったりする速度は一律でない。
【００６６】
しかも、二つの像の歪曲は厳密には同じではなく、図６の上下方向、つまりセンサ列の方向について言えば、二次物体像１２２ｇの方が二次物体像１２２ｅよりも大きく投影されている。このように像同士の大きさが異なって二像の相似性が低い状態では、検出され、
Ｋ＝ｋ₀＋ｋ₁×Ｓｌ（Ｊ）＋ｋ₂×Ｓｌ（Ｊ）² ………（２）
【００６７】
ここで、Ｋは像ズレ敏感度、Ｓｌ（Ｊ）はｘ＝０の位置からＪ番目の画素の仮想サンプリング点の位置、ｋ₀、ｋ₁、ｋ₂は像ズレ敏感度の分布を表す係数である。また、ｘ＝０の位置を基準とした像ズレ敏感度の比Ｈの分布は、
Ｈ＝Ｋ／ｋ₀ ………（３）
である。
【００６８】
１次像面上での仮想サプリングピッチが像ズレ敏感度に反比例すれば、見かけ上、像の移動速度は一定になることから、一次結像面上でのサンプリングピッチＰ（Ｊ）と像ズレ敏感度の比ＨにはＡを定数として式（４）のような関係があればよい。
Ｐ（Ｊ）＝Ａ／Ｈ ………（４）
（Ａは例えばＡ＝ｐｐ×β ｐｐ＝画素ピッチ β：基準倍率）
【００６９】
ここで、簡単のために無限に細かい仮想サンプリング点を考える。原点から仮想サンプリング点までの距離Ｓｌは、ピッチの足し合わせで表せるから、ｔを距離Ｓｌの分割量として、
Ｓｌ＝∫Ｐｄｔ ………（５）
なる関係がある。また、一次結像面上でのサンプリングピッチＰは、
Ｐ＝ｄＳｌ／ｄｔ ………（６）
のように、Ｓｌのｔによる微分形として書き換えることもできる。
したがって、式（２）、（３）、（４）、（６）より
ｄＳｌ／ｄｔ＝Ａ×ｋ₀／（ｋ₀＋ｋ₁×Ｓｌ＋ｋ₂×Ｓｌ²）
………（７）
なる関係が導ける。
【００７０】
ｔ＝０のときＳｌ＝０なる境界条件の下に、式（７）の微分方程式を解き、さらに、Ｓｌを離散的な値Ｓｌ（Ｊ）に戻すと
Ｓｌ（Ｊ）×（ｋ₀＋（ｋ₁／２）×Ｓｌ（Ｊ）＋（ｋ₂／３）×Ｓｌ（Ｊ）²）＝Ａ×ｋ₀×ｔ ………（８）
となる。
【００７１】
最後に、ｔ＝Ｊ×ｔ₁とし、適当な大きさのｔ₁を定めて、各ＪについてのＳｌ（Ｊ）を求めれば、Ｓｌ（Ｊ）以外はすべて定数となるため、｛………Ｓｌ（−２）、Ｓｌ（−１）、Ｓｌ（０）、Ｓｌ（１）、Ｓｌ（２）………｝なる数列を知ることがきる。なお、ｔ₁をＳｌ（Ｊ）＝ｐｐ×βのときのｔとして式（８）から求めれば、原点付近の実サンプリング点のピッチと仮想サンプリング点のピッチとがほぼ等しくなる。
【００７２】
次に、撮像面１３０上におけるセンサ列による実際のサンプリング点を求める。Ｘとｘは、βを基準倍率（ｘ＝０での倍率）として歪曲収差ｈ（ｘ）によって、
Ｘ＝ｘ×（β×（１＋ｈ（ｘ）） ………（９）
なる関係にある。さらに、センサ列を構成する画素のピッチをｐｐ（定数）とおけば、
Ｘ（ｎ）＝ｐｐ×Ｊ×（β×（１＋ｈ（ｐｐ×ｎ））） ………（１０）
で表されるＸ（ｎ）は実サンプリング点となる。したがって、式（１０）から算出される撮像面上の像のサンプリングピッチは、二次物体像の歪曲によって不等間隔であることが分かる。
【００７３】
前述したように、二次物体像の明るさは結像光学系の焦点距離、倍率、歪曲等に依らずＦナンバーで決まる。また、二次物体像を等面積の画素で光電変換した結果は像の照度分布を表している。そこで、各画素出力が受光開口の重心位置における照度を代表していると考えれば、センサ列の出力は撮像面を不等間隔にサンプリングした点の照度を意味することになる。逆に言えば、同一面積の開口を持った画素を不等間隔に置いたときの出力に等しい。
【００７４】
すなわち、二点間の光量変化は直線的であるという仮定の下に、撮像面上の任意の点の照度は、その点を挟む実サンプリング点の出力を補間することによって求めることができる。隣り合う実サンプリング点、例えばＸ（ｎ）、Ｘ（ｎ−１）の間には、仮想サンプリング点が複数ある場合や単数ある場合、あるいは全くない場合もあるが、何れにしても仮想サンプリング点の両隣の実サンプリング点を用いることで、より高い補間精度が期待できる。また、像信号にはすでに焦点検出光学系の周辺光量落ちの補正が成されているので、補間演算で二つの画素出力を合成することの弊害もない。
【００７５】
では、図２２を用いて像信号の補正について説明する。この図２２において横軸は撮像面上に定義したセンサ列方向の軸、縦軸は画素出力である。図では実サンプリング点Ｘ（−１２）、Ｘ（−１１）、Ｘ（−１０）、Ｘ（−９）、Ｘ（−８）と、仮想サンプリング点Ｓｌ（−１２）、Ｓｌ（−１１）、Ｓｌ（−１０）、Ｓｌ（−９）を含む領域について示している。
【００７６】
図８で撮像面上に投影されたセンサ列が下方に行に従って伸びていることが、図５では実サンプリング点Ｘ（−１２）、Ｘ（−１１）、Ｘ（−１０）、Ｘ（−９）、Ｘ（−８）の間隔が右に行くに従って伸びていることに対応し、また、式（１）で表される視差の変化は、仮想サンプリング点Ｓｌ（−１２）、Ｓｌ（−１１）、Ｓｌ（−１０）、Ｓｌ（−９）の間隔が左に行くに従って伸びていることに相当する。
【００７７】
上記の手法に従って、Ｓｌ（−１２）はＸ（−１２）とＸ（−１１）から、Ｓｌ（−１１）はＸ（−１０）とＸ（−９）から、Ｓｌ（−１０）とＳｌ（−９）はＸ（−９）とＸ（−８）から算出される。例えばＳｌ（−１２）の像出力についての算出式は、
Ｗ（−１２）＝（Ｓｌ（−１２）−Ｘ（−１２））／（Ｘ（−１１）−Ｘ（−１２）） ………（１１）
ＩＭＦ（−１２）＝（ＩＭＯ（−１１）−ＩＭＯ（−１２））×Ｗ（−１２）＋ＩＭＯ（−１２） ………（１２）
である。
【００７８】
すなわち、Ｓｌ（Ｊ）での補正された像信号を求めるための一般式は、
Ｘ（ｎ）＜Ｓｌ（Ｊ）≦Ｘ（ｎ＋１） ………（１３）
を満たすｎに対して、
Ｗ（Ｊ）＝（Ｓｌ（Ｊ）−Ｘ（ｎ））／（Ｘ（ｎ＋１）−Ｘ（ｎ））………（１４）
ＩＭＦ（Ｊ）＝（ＩＭＯ（ｎ＋１）−ＩＭＯ（ｎ））×Ｗ（Ｊ）＋ＩＭＯ（ｎ） ………（１５）
となる。
【００７９】
焦点検出装置内の実際の処理では、二次物体像の歪曲収差ｈ（ｘ）と像ズレ敏感度Ｋに基づいて、予め式（１４）によるＷ（Ｊ）の配列と、Ｊとｎとの対応関係を算出しておき、式（１５）の処理を行えばよい。
【００８０】
また、実サンプリング点を求めるための式（９）に焦点検出光学系の製造誤差を補正する項を盛り込んでおけば、製品個々に対してより高い精度で像の歪曲の補正を行うことができる。エリアセンサ１１１上に形成される物体の二次像は、レンズブロック１０９上の対となるレンズ部の間隔変動によって動くが、ほぼ歪みを同一として設計値からシフトすると考えて良い。したがって、二次物体像の移動距離をδとして、実サンプリング点を求めるための式を、
Ｘ＝（ｘ−δ）×（β×（１＋ｈ（ｘ−δ）） ………（１６）
のように書き換えることが有効である。δは焦点検出装置の調整時にＥＥＰＲＯＭ１６４に格納する調整データの一つとすればよい。
【００８１】
さらに、二次物体像の歪曲と像ズレ敏感度の変化は、何れもセンサ列間での差が極めて小さいため、Ｗ（Ｊ）の配列と、Ｊとｎとの対応関係は同じものを用いても差し支えない。
【００８２】
図１５に示したように、蓄積時間が同一に抑制される画素領域のセンサ列内での位置に関して、センサ列を複数のグループに分類しておけば、すでにグループ毎に使用する画素が決まって為、特定の画素領域のみに対して上記補正演算を適用するようにもできる。このように構成すると、演算処理の高速化に有利である。
【００８３】
なお、以上は二次物体像の光量分布の最大照度とゼロレベルとの間を含むように取り出した像信号について、歪曲と像ズレ敏感度の補正を説明したが、最大照度と最低照度との間を含むように取り出した像信号についても同一の処理が適用できる。
【００８４】
（第２の実施形態）
次いで、本発明の第２の実施形態について説明する。図２３〜図２６は、第２の実施形態を説明するための図である。
【００８５】
先ず、図２３は焦点検出視野の分布の様子をカメラのファインダーから見た状態として示した図であって、図２４に以後説明に用いる焦点検出視野の名称を示した。撮影画面２１０の中央部に格子状に配置された第１の焦点検出系による合計２５個の焦点検出視野があり、各行はそれぞれ７，１１，７個の焦点検出視野よりなっている。
【００８６】
第１の実施形態と同様に、各焦点検出視野にはエリアセンサのセンサ列を分割して用いており、図２５に示した２タイプのセンサ列タイプＤ、Ｅを組み合わせることによって全体の受光エリアが構成されている。各センサ列は焦点検出回路によって蓄積時間が同一に制御される複数の隣接した画素から成る固定された画素領域を有し、図ではハッチングで示している。センサ列タイプＤには１つの画素領域が、センサ列タイプＥには２つの画素領域がそれぞれ充てられている。焦点検出光学系を通してこれらの画素領域に入射する光の強さに応じて、画素領域毎の蓄積時間は独立に制御され、各々適切なレベルの像信号を得る事が可能である。
【００８７】
図２６は図２３に示した２５個の焦点検出視野の中心を受光エリア２１１上に投影した状態を示す図である。なお、不図示の他方の受光エリアへの投影もほぼ同等と考えてよい。図中、円の中心が各焦点検出視野の中心の投影位置であって、第１の反射鏡１０４による像の歪曲の為に格子状に整列していた焦点検出視野がここでは円弧に添った形に配列される。
【００８８】
各焦点検出視野を構成するセンサ列タイプを以下に示す。
【００８９】
【表２】

【００９０】
複数のセンサ列タイプを用い、さらに、例えば焦点検出視野ＴＬ６・ＣＬ６・ＢＬ６の列のように使用するセンサ列タイプをＥ・Ｄ・Ｅと乗り移らせることによって、像の歪曲を許容しながらも格子状の焦点検出視野配置が可能となっている。
【００９１】
【発明の効果】
本発明の焦点検出装置によれば、焦点検出光学系の歪曲収差を許容しつつ、簡単なセンサ構成で検出精度の高い千鳥状あるいは格子状の焦点検出視野を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焦点検出装置を構成する主要部分を示す模式図である。
【図２】本発明の焦点検出装置を構成する主要部分を示す模式図である。
【図３】焦点検出装置の絞りを示す平面図である。
【図４】エリアセンサ上の二次物体像の様子を示す模式図である。
【図５】二次物体像の移動方向を示す模式図である。
【図６】受光エリアの配置を示す模式図である。
【図７】エリアセンサの平面図である。
【図８】映像面上での焦点検出視野を示す模式図である。
【図９】撮像面上での焦点検出視野を示す図である。
【図１０】位相差検出方式の焦点検出系全体の役割を一般的に示した要部ブロック図である。
【図１１】カメラの断面図である。
【図１２】焦点検出視野の分布の様子をカメラのファンイダーから見た状態として示した模式図である。
【図１３】説明に用いる焦点検出視野の名称を示す模式図である。
【図１４】第１の焦点検出系の受光エリアを示した図である。
【図１５】第１の実施形態において、センサ列タイプのを説明するための模式図である。
【図１６】図１２に示した焦点検出視野の中心を受光エリア上に投影した状態を示す模式図である。
【図１７】焦点検出装置の回路構成を示すブロック図である。
【図１８】エリアセンサ蓄積制御回路の要部を示す回路図である。
【図１９】焦点検出処理プログラムのフローチャート図である。
【図２０】センサ列から得られる均一輝度面に対応した像信号を表す特性図である。
【図２１】第１の焦点検出系の光路を説明するための模式図である。
【図２２】像信号の補正を説明するための模式図である。
【図２３】焦点検出視野の分布の様子をカメラのファインダーから見た状態として示した模式図である。
【図２４】説明に用いる焦点検出視野の名称を示す模式図である。
【図２５】第２の実施形態におけるセンサ列タイプを説明するための模式図である。
【図２６】図２３に示した焦点検出視野の中心を受光エリア上に投影した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１対物レンズの光軸
１０３主ミラー
１０４第１の反射鏡
１０６第２の反射鏡
１０７赤外線カットフィルター
１０８絞り
１０９再結像レンズブロック
１１０第３の反射鏡
１１１エリアセンサ
１３０撮像面
１６０インターフェイス回路
１６１ＣＰＵ
１６２ＲＯＭ
１６３ＲＡＭ
１６４ＥＥＰＲＯＭ
２０２，２０３，２１１受光エリア
４０１対物レンズ
４０３フォーカシングスクリーン
４０４ペンタプリズム
４０５接眼レンズ

Claims

複数の画素からなる複数のセンサ列が並列配置されてなる複数の受光領域を有する光電変換素子を備えた焦点検出装置において、
前記各センサ列は、複数の画素からなる画素領域毎に蓄積時間が制御されており、少なくとも、前記画素領域間の間隔が第１の間隔とされた第１のセンサ列と、隣接する前記画素領域間の間隔が前記第１の間隔よりも大きい第２の間隔とされた第２のセンサ列とを含み、
前記受光領域内には、前記第１のセンサ列間に前記第２のセンサ列が配設されてなる領域が複数設けられていることを特徴とする焦点検出装置。
対物レンズと、
前記対物レンズからの光束を受容する一対の結像光学系と、
前記光電変換素子を駆動してその出力を処理する焦点検出回路とを備え、
前記一対の結像光学系を介して前記光電変換素子上に視差を持った一対の物体像を投影することにより、前記対物レンズの焦点状態を検出するための焦点検出視野を形成し、前記焦点検出回路において前記光電変換素子の出力を基に前記一対の物体像の相対的位置関係を検出して、前記対物レンズの焦点状態を検知する機能を有しており、
前記焦点検出回路は、前記各センサ列の前記画素領域毎の蓄積時間を制御することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
前記焦点検出回路は、前記対物レンズの射出瞳を縦方向に分離する第１の焦点検出系と、前記射出瞳を横方向に分離する第２の焦点検出系とを有することを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。
前記対物レンズと前記一対の結像光学系との間に、前記対物レンズの透過光束を反射収斂して前記対物レンズの光軸と異なる方向に光路を偏光させる反射鏡を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の焦点検出装置。
前記反射鏡で偏光された光束から赤外線を除去する赤外線除去フィルタを有することを特徴とする請求項４に記載の焦点検出装置。
少なくとも前記対物レンズが合焦している際に、検出対象となる前記光電変換素子の一対の前記センサ列上に、物体上で同一位置に対応する２次物体像を投影することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
前記対物レンズにデフォーカスが生じた際に、検出対象となる前記光電変換素子の一対の前記センサ列上に、物体上で同一位置に対応する２次物体像を相対的な位相差を持つように投影することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
前記光電変換素子の前記受光領域は、相異なる複数の前記センサ列が所定の順序で繰り返し配置されたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
前記センサ列は、３つの前記画素領域が接続してなる前記第１のセンサ列と、２つの前記画素領域が所定間隔をもって隣接してなる前記第２のセンサ列と、２つの画素領域が前記第２のセンサ列の前記画素領域の間隔に比して大きい間隔をもって隣接してなる第３のセンサ列とから構成されていることを特徴とする請求項８に記載の焦点検出装置。
前記光電変換素子は、前記焦点検出視野に対して、歪曲した物体像に関して互いの位相差が１／２画素相当となる並列した２つの前記画素領域を有し、前記各画素領域における焦点検出結果の平均値を出力することを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載の焦点検出装置。