JP4574301B2 - Focus detection device - Google Patents
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Description
本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、銀塩カメラなどにおいて撮影光学系の焦点調節に用いられる焦点検出装置、及びそれを備えた撮像装置に関する。 The present invention relates to a focus detection device used for focus adjustment of a photographing optical system in a digital camera, a video camera, a silver salt camera, and the like, and an imaging device including the focus detection device.
従来デジタルカメラなどにおける撮影光学系の焦点検出では撮像素子を利用したコントラスト検出方式の焦点検出が行われており、一般に、このようなコントラスト検出方式の焦点検出においては、撮像光学系の光軸上位置を僅かに移動させながらコントラストの極値を求めていくために、合焦するまでの焦点調節にかなりの時間を要するという問題がある。 Conventional focus detection of a photographing optical system in a digital camera or the like has performed focus detection by a contrast detection method using an image sensor. In general, focus detection by such a contrast detection method is performed on the optical axis of the imaging optical system. Since the extreme value of the contrast is obtained while slightly moving the position, there is a problem that it takes a considerable time to adjust the focus before focusing.
そこで、一眼レフタイプのデジタルカメラなどにおいては位相差方式の焦点検出を用いている。位相差検出方式の焦点検出では撮影光学系のデフォーカス量を求めることができるので、コントラスト検出方式に比して合焦するまでの時間を大幅に短縮することができるという利点がある。 Therefore, a phase difference type focus detection is used in a single-lens reflex digital camera or the like. In the focus detection of the phase difference detection method, the defocus amount of the photographing optical system can be obtained, so that there is an advantage that the time until focusing is significantly shortened compared with the contrast detection method.
位相差方式焦点検出には、水平方向にコントラストを有する被写体に対して焦点検出を行う縦線検出と、垂直方向にコントラストを有する被写体に対して焦点検出を行う横線検出がある。そして、様々な被写体に対応するためには、撮影画面内にこれら縦線検出と横線検出を混在させて焦点検出を行う。また、撮影画面内の同位置において縦線検出と横線検出を行うクロス型の焦点検出を行う。 Phase difference focus detection includes vertical line detection that performs focus detection on a subject having contrast in the horizontal direction and horizontal line detection that performs focus detection on a subject that has contrast in the vertical direction. In order to deal with various subjects, focus detection is performed by mixing these vertical line detection and horizontal line detection in the shooting screen. In addition, cross-type focus detection that performs vertical line detection and horizontal line detection at the same position in the shooting screen is performed.
そして近年、これら縦線検出や横線検出による焦点検出領域を撮影画面内に複数設けた多点焦点検出や、広範囲において連続的な領域で焦点検出を行うエリア型の焦点検出などが提案されている。このような焦点検出方法の従来例として、特許文献1では、エリア型焦点検出を行うととともに、クロス型の焦点検出も行う例を開示している。
In recent years, multipoint focus detection in which a plurality of focus detection areas by vertical line detection and horizontal line detection are provided in a shooting screen, area type focus detection in which focus detection is performed in a continuous area over a wide area, and the like have been proposed. . As a conventional example of such a focus detection method,
このような従来例は、上記のような焦点検出を一眼レフタイプのカメラに適用した例である。図13はカメラの中央断面図を示す。図において、Lは撮影光学系の光軸で、撮影光学系は不図示であるが、図の光軸L上左側に配置されている。そして、2は撮影光学系の1次結像面で、その前面にはメインミラー3とサブミラー4が配置される。
Such a conventional example is an example in which the focus detection as described above is applied to a single-lens reflex type camera. FIG. 13 shows a central sectional view of the camera. In the figure, L is the optical axis of the photographing optical system, and the photographing optical system is not shown, but is arranged on the left side of the optical axis L in the figure. Reference numeral 2 denotes a primary imaging plane of the photographing optical system, and a
メインミラー3とサブミラー4は周知のクイックリターン機構により、撮影の際に撮影光束外へ退避する。一方、焦点検出の際には図に示すような位置に保持され、焦点検出に用いられる光束は、メインミラー3の中央付近に施されたハーフミラー部を通過し、サブミラー3により下方へ反射される。このとき、5はサブミラー4によって形成される1次結像像面2と光学的に等価な焦点検出光学系の1次結像面である。
The
その後、第1の平面ミラー6で光路が折り返され、赤外カットガラス7、絞り8、2次結像レンズ9という順で通過する。さらに、第2の平面ミラー10で下方に折り返され、最終的に焦点検出センサ11上に導かれる。焦点検出センサ11はカバーガラスと2次結像面付近に配置されるセンサチップから構成される。そして、光軸L’は撮影光学系の光軸Lがメインミラー3、サブミラー4、平面ミラー6を通過した後の光軸である。
Thereafter, the optical path is turned back by the first plane mirror 6 and passes through the
サブミラー4は、図中点線で示すように楕円を中心軸Aまわりに回転させて形成される楕円面の一部で構成される。このとき楕円2つの焦点のうち、まず一方は撮影光学系の射出瞳に設定される。次に他方は、中心軸Aとサブミラー4によって折り返される光軸Lとの交点である点Bに設定される。 The sub mirror 4 is constituted by a part of an ellipsoid formed by rotating an ellipse around the central axis A as indicated by a dotted line in the figure. At this time, one of the two focal points of the ellipse is set to the exit pupil of the photographing optical system. Next, the other is set to a point B which is an intersection of the central axis A and the optical axis L turned back by the sub mirror 4.
点Bは、焦点検出絞り8中心点を空気換算した後に、第1の平面ミラー6でミラー反転した点である。したがって、サブミラー4は、楕円の基本性質から絞り8と撮影光学系の射出瞳を結像関係に保っている。すなわち、位相差方式焦点検出では公知のフィールドレンズの役割を果たしており、サブミラー5と絞り8が瞳分割手段として機能する。そして、絞り8に適切な開口部を設定すると撮影光学系の射出瞳を分割した複数の光束を焦点検出光学系へ導くことが可能となる。 Point B is a point where the center point of the focus detection diaphragm 8 is converted into air and then mirror-reversed by the first plane mirror 6. Therefore, the sub mirror 4 keeps the diaphragm 8 and the exit pupil of the photographing optical system in an imaging relationship because of the basic property of an ellipse. That is, in the phase difference type focus detection, it plays the role of a known field lens, and the sub mirror 5 and the diaphragm 8 function as pupil dividing means. When an appropriate aperture is set in the diaphragm 8, a plurality of light beams obtained by dividing the exit pupil of the photographing optical system can be guided to the focus detection optical system.
図14は、この絞り8と2次結像レンズ9を赤外カットガラス7側から見た平面図である。このとき2次結像レンズ9は絞り9によって隠されるため点線で示してある。絞り8は対の開口部8−1と8−2、8−3と8−4を備え、2次結像レンズ9は各開口部に対応して対のレンズ部9−1と9−2、9−3と9−4を備える。したがって、撮影光学系の射出瞳を通過する光束のうち、開口部8−1と8−2で垂直方向に分割した光束と開口部8−3と8−4で水平方向に分割した光束とを4つのレンズ部を有する2次結像レンズ9で結像する。2次結像面には4つの光学像が形成され、撮影光学系のデフォーカスに伴う4つの光学像の位相ずれを焦点検出センサ11で検出することにより位相差方式焦点検出を行う。
FIG. 14 is a plan view of the diaphragm 8 and the secondary imaging lens 9 as viewed from the
図15は、焦点検出センサ11のセンサチップを第2の平面ミラー10側から見た平面図である。センサチップには2次結像レンズ9の4つのレンズ部に対応した4つのセンサ領域が形成され、レンズ部9−1と9−2がセンサ領域11−1と11−2に、レンズ部9−3と9−4がセンサ領域11−3と11−4にそれぞれ対応している。センサ領域11−1と11−2に投影されている光学像は、開口部8−1と8−2を通過した光束、すなわち撮影光学系の射出瞳を垂直方向に分割した光束による光学像であるため、撮影光学系のデフォーカスに伴い光学像も垂直方向に移動する。したがって、センサ領域11−1と11−2では、画素列並び方向を垂直方向とすることで、光学像の位相差を検出することが可能となる。同様にセンサ領域11−3と11−4では、画素列並び方向を水平方向とする。そして、センサ領域11−1と11−2では垂直方向にコントラスト成分を有する被写体をもっともよく検出できるため、横線検出を行っており、センサ領域11−3と11−4では縦線検出を行っていることとなる。
FIG. 15 is a plan view of the sensor chip of the
ところで、絞り8は、サブミラー5により撮影光学系の射出瞳に投影されるため、図14を所定の倍率で拡大した場合の開口部が射出瞳上での光束通過領域を示す。したがって、図14そのものが投影倍率を乗じて射出瞳上相当に拡大されたものと考えると、開口部8−1と8−2の重心間隔が横線検出の基線長で、開口部8−4と8−5の重心間隔が縦線検出の基線長となる。そして、開口部8−1と8−2を含む外接円が、横線検出における焦点検出可能な射出瞳径を示し、一方、開口部8−3と8−4を含む外接円が縦線検出における焦点検出可能な射出瞳径となる。後者の射出瞳径においては、縦線検出、横線検出ともに焦点検出可能である。すなわち、小さい射出瞳径では横線検出のみが機能し、大きい射出瞳径では縦線、横線検出の両方が機能することとなる。例えばFナンバーがF5.6で横線検出のみを行い、F2.8で縦線、横線検出の両方を行うこととなる。 By the way, since the diaphragm 8 is projected onto the exit pupil of the photographing optical system by the sub mirror 5, the opening when FIG. 14 is enlarged at a predetermined magnification indicates a light flux passage region on the exit pupil. Therefore, if FIG. 14 itself is multiplied by the projection magnification and is considerably enlarged on the exit pupil, the distance between the centers of gravity of the openings 8-1 and 8-2 is the base line length of the horizontal line detection, and the openings 8-4 and The center-of-gravity interval of 8-5 is the baseline length for vertical line detection. The circumscribed circle including the openings 8-1 and 8-2 indicates the exit pupil diameter capable of focus detection in the horizontal line detection, while the circumscribed circle including the openings 8-3 and 8-4 is in the vertical line detection. The exit pupil diameter allows focus detection. With the latter exit pupil diameter, focus detection is possible for both vertical line detection and horizontal line detection. That is, only horizontal line detection functions at a small exit pupil diameter, and both vertical and horizontal line detection functions at a large exit pupil diameter. For example, only horizontal line detection is performed when the F number is F5.6, and both vertical and horizontal line detection is performed at F2.8.
図16は、1次結像面2上の撮影範囲内に各センサ領域を逆投影した図である。なお、この図においては、焦点検出光学系の歪曲収差による歪みを無視している。撮影範囲12内には焦点検出領域13と14が存在し、焦点検出領域13はセンサ領域11−1と11−2を逆投影したもので、ほぼ一致するため焦点検出領域13として表されている。同様に焦点検出領域14はセンサ領域11−3と11−4に対応している。したがって、焦点検出領域13が横線検出を行う範囲を、焦点検出領域14が縦線検出を行う範囲を表しており、両者が重なる図中斜線部がクロス型の焦点検出を行う範囲となる。
FIG. 16 is a diagram in which each sensor region is back-projected within the imaging range on the primary imaging plane 2. In this figure, distortion caused by distortion of the focus detection optical system is ignored. There are
以上のように、従来例においては、広範囲での位相差方式焦点検出を行うとともに、一部の領域ではクロス型の焦点検出を実現している。 As described above, in the conventional example, phase difference type focus detection is performed in a wide range, and cross-type focus detection is realized in a part of the region.
一般的に、撮影範囲内においてより広範囲を焦点検出領域として定めるには、より広範囲の光束を焦点検出光学系に導く必要がある。したがって、そのためにはサブミラー4を可能な限り1次結像面2側へ移動させ、サブミラー4の光反射領域をより大きくする必要がある。そうすると、図18で示すように焦点検出光学系の1次結像面5がサブミラー5側へ移動してくる。 In general, in order to define a wider range as a focus detection region within the imaging range, it is necessary to guide a wider range of light flux to the focus detection optical system. Therefore, for that purpose, it is necessary to move the sub-mirror 4 to the primary imaging plane 2 side as much as possible to make the light reflection area of the sub-mirror 4 larger. Then, as shown in FIG. 18, the primary imaging plane 5 of the focus detection optical system moves to the sub mirror 5 side.
公知のフィールドレンズを用いた焦点検出光学系では、この焦点検出光学系の1次結像面5付近にフィールドレンズと視野マスクを設定する必要がある。したがって、撮影光束内にこれらの部材が進入してしまうため、退避機構が必要となる。しかしながら、従来例においては、サブミラー4を回転楕円面にて構成し、瞳分割手段の機能を持たせているためフィールドレンズを設ける必要がない。また、サブミラー4は焦点検出に必要な領域以外は光を反射しないように構成することで、視野マスクとしての役割も果たす。 In a focus detection optical system using a known field lens, it is necessary to set a field lens and a field mask near the primary imaging plane 5 of the focus detection optical system. Therefore, since these members enter the photographing light beam, a retracting mechanism is necessary. However, in the conventional example, the sub-mirror 4 is formed of a spheroid and has the function of the pupil dividing means, so there is no need to provide a field lens. In addition, the sub mirror 4 also serves as a field mask by being configured so as not to reflect light except in a region necessary for focus detection.
このような理由から、従来例においては、サブミラー4を容易に大型化することが可能となり、結果として、広範囲での位相差方式焦点検出を実現している。
しかしながら、上記従来例においては以下のような問題がある。 However, the conventional example has the following problems.
撮影画面内において、像面湾曲の影響から光学移動方向である水平方向が小さくなり、横線検出を行う範囲に比べれば縦線検出を行う範囲は中央部付近に限られている。 In the shooting screen, the horizontal direction, which is the optical movement direction, becomes smaller due to the influence of the curvature of field, and the range in which vertical line detection is performed is limited to the vicinity of the center compared to the range in which horizontal line detection is performed.
本発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、位相差方式焦点検出を撮影範囲内の広範囲で実現する焦点検出装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is made in view of the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a focus detection apparatus that realizes phase difference type focus detection in a wide range within an imaging range.
この目的を達成する本発明は、撮影光学系の射出瞳を分割して対の光束を形成する瞳分割手段と、前記対の光束をそれぞれ再結像させ対の光学像を形成する対の2次結像レンズと、前記撮影光学系デフォーカスに伴う前記対の光学像間隔を検出して前記撮影光学系の焦点調節を行う焦点検出装置において、前記対の2次結像レンズの少なくとも1つの光学面は、前記対の光学像間隔の検出方向において前記光学像を形成するために光線が通過する有効部での曲率半径が前記検出方向における前記対の光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に極値なく変化する曲面とする。 The present invention that achieves this object includes a pupil splitting unit that splits the exit pupil of the photographing optical system to form a pair of light beams, and a pair of two that re-images the pair of light beams to form a pair of optical images. And a focus detection device that detects a distance between the pair of optical images accompanying defocusing of the imaging optical system and adjusts the focus of the imaging optical system, and includes at least one of the secondary imaging lenses of the pair The optical surface has a radius of curvature at an effective portion through which a light beam passes in order to form the optical image in the detection direction of the pair of optical image intervals in the detection direction, and decreases in the direction of enlargement of the pair of optical image intervals in the detection direction. To a curved surface that changes greatly without extreme values.
また、撮影光学系の射出瞳を少なくとも2方向に分割してそれぞれ対の光束を形成する瞳分割手段と、前記対の光束を再結像させ対の光学像を形成する対の2次結像レンズと、前記撮影光学系デフォーカスに伴う前記対の光学像間隔を検出して前記撮影光学系の焦点調節を行う焦点検出装置において、前記瞳分割手段によって分割された対の光束の前記2方向における焦点検出基線長は異なり、前記焦点検出基線長の長い方の前記対の光束に対応する前記対の2次結像レンズの少なくとも1つの光学面は、前記対の光学像間隔の検出方向において前記光学像を形成するために光線が通過する有効部での曲率半径が前記検出方向における前記対の光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に極値なく変化する曲面とする。 Further, pupil dividing means for dividing the exit pupil of the photographing optical system in at least two directions to form a pair of light beams respectively, and a pair of secondary images for re-imaging the pair of light beams to form a pair of optical images In the focus detection apparatus that detects the distance between the pair of optical images accompanying defocusing of the lens and the photographing optical system and performs focus adjustment of the photographing optical system, the two directions of the pair of light beams divided by the pupil dividing unit The at least one optical surface of the pair of secondary imaging lenses corresponding to the pair of light beams having the longer focus detection baseline length is different in the detection direction of the pair of optical image intervals. A curved surface in which the radius of curvature at an effective portion through which light passes to form the optical image changes without any extreme value from small to large in the expanding direction of the pair of optical image intervals in the detection direction.
さらに、撮影光学系の射出瞳を分割して対の光束を形成する瞳分割手段と、前記対の光束をそれぞれ再結像させ対の光学像を形成する対の2次結像レンズと、前記撮影光学系デフォーカスに伴う前記対の光学像間隔を検出し、前記撮影光学系の焦点調節を行う焦点検出装置において、前記対の光学像は一方向を長手方向とする形状で、前記対の2次結像レンズの少なくとも1つの光学面は、前記対の光学像間隔の検出方向において前記光学像を形成するために光線が通過する有効部での曲率半径が前記検出方向における前記対の光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に極値なく変化する曲面で、前記長手方向と前記検出方向は一致する。 Further, pupil dividing means for dividing the exit pupil of the photographing optical system to form a pair of light beams, a pair of secondary imaging lenses for re-imaging the pair of light beams to form a pair of optical images, In the focus detection device that detects the optical image interval of the pair accompanying the defocusing of the photographing optical system and adjusts the focus of the photographing optical system, the optical image of the pair has a shape whose longitudinal direction is one direction, At least one optical surface of the secondary imaging lens has a radius of curvature at an effective portion through which a light beam passes in order to form the optical image in the detection direction of the pair of optical image intervals in the detection direction. In the curved surface that changes from small to large without an extreme value in the direction of enlargement of the image interval, the longitudinal direction coincides with the detection direction.
本発明では、従来に比べて、瞳分割方向における2次結像光学像の像面湾曲を良好に補正することがきるので、撮影範囲内の広範囲で縦線検出と横線検出を飛躍的に高精度に行うことが可能となる。 In the present invention, it is possible to satisfactorily correct the curvature of field of the secondary imaging optical image in the pupil division direction as compared with the conventional case, so that vertical line detection and horizontal line detection are greatly improved over a wide range within the photographing range. It becomes possible to carry out with accuracy.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
第1実施例は、本発明の焦点検出装置を従来例のような一眼レフタイプのデジタルカメラに適用した例である。図1はカメラの中央断面図で、焦点検出に関する部分のみを表示してある。 The first embodiment is an example in which the focus detection apparatus of the present invention is applied to a single-lens reflex digital camera as in the conventional example. FIG. 1 is a central sectional view of the camera, and only the part related to focus detection is displayed.
図において、101は撮影光学系、Lは撮影光学系の光軸、101aは撮影光学系101の射出瞳である。102は1次結像面で、撮影光学系101により形成される像を受光するための固体撮像素子などが配置される。
In the figure, 101 is a photographing optical system, L is an optical axis of the photographing optical system, and 101 a is an exit pupil of the photographing
撮影光学系101と1次結像面102の間にはメインミラー103とサブミラー104が配置される。メインミラー103の中央部付近はハーフミラーとなり、撮影光学101を通過した光束の一部か透過し、それ以外の光束は上方へ反射し、不図示のファインダ光学系へ導かれる。メインミラー103を透過した光束はサブミラー104にて下方へ反射される。そして、105は1次結像面102と光学的に等価な焦点検出光学系の1次結像面で、L’は光軸Lが各部材で屈折および反射された焦点検出光学系の光軸である。
A
メインミラー103とサブミラー104は、周知のクイックリターン機構により構成され、撮影時には撮影光束外へ退避し、それ以外では図に示すような位置に保持される。
The
サブミラー104で反射された光束は、平面ミラー106で再び反射され、赤外カットガラス108、絞り109を通過し、2次結像レンズ110で再び結像され、カバーガラス111を経てセンサチップ112上に至る。
The light beam reflected by the
サブミラー104は、従来例と同様に点線で示す楕円をA軸まわりに回転して形成される楕円面の一部で構成される。このとき、楕円2つの焦点のうち、一方の焦点は、撮影光学系の射出瞳101a近傍の点Dとする。他方の焦点は、絞り109の中心点を赤外カットガラス108の厚み分だけ空気換算し、平面ミラー106でミラー反転した点Bに設定される。
The
したがって、楕円焦点の性質により撮影光学系の射出瞳101aと絞り109は、サブミラー104により略結像関係に保たれ、絞り109に適切な開口部を設定することにより、撮影光学系101の射出瞳101aを分割した光束を導くことが可能となる。請求項においては、このサブミラー104と絞り109が瞳分割手段に対応している。
Therefore, the
図2は、絞り109を赤外カットガラス108側から見た平面図である。絞り109には、対の開口部109aと109b、109cと109dが形成される。そして、これらの開口部がサブミラー104によって射出瞳101a上に投影されることになる。
FIG. 2 is a plan view of the
図3は、2次結像レンズ110を絞り109側から見た平面図である。したがって、射出側のレンズ形状については点線で示してある。図において、射出側には、対のレンズ部110aと110b、110cと110dが設けられ、それぞれ4つの開口部に対応している。入射側には、4つのレンズ部で共通に使用する1つの光学面からなるレンズ部110eが設けられる。各開口部を通過した光束は、入射側と射出側を経てセンサチップ112付近で結像し、4つの光学像を形成する。なお、図1の断面図においては、射出側4つのレンズのうちレンズ部110、110bの2つのみが表示されている。
FIG. 3 is a plan view of the
図4は、センサチップ112をカバーガラス111側から見た平面図である。センサチップ上には、対のセンサ領域112aと112b、112cと112dが設けられ、センサ領域112aと112bには垂直方向を画素並び方向とするラインセンサが密に配置され、一方、センサ領域112cと112dには水平方向を画素並び方向とするラインセンサが密に配置される。そして、各センサ領域はそれぞれ4つのレンズ部に対応している。すなわち、開口部109aを通過した光束はレンズ部110eと110aを経て1つの光学像を形成し、この光学像をセンサ領域112aで検出する。センサ領域112b、112c、112dにおいても同様である。
FIG. 4 is a plan view of the
図5は、センサチップ112上に形成される光学像を示す。光学像115aがレンズ110aに、光学像115bがレンズ110bに、光学像115cがレンズ110cに、光学像115dがレンズ110dにそれぞれ対応している。各光学像には、楕円面よりなるサブミラー104を焦点検出光学系の光路中に傾斜して配置しているため、扇形の歪曲が生じている。そして、4つの光学像は、撮影光学系101のデフォーカスに伴い射出瞳101aの分割方向であるところの、光学像115aと115bが矢印Oで示す垂直方向に、光学像115cと115dが矢印Pで示す水平方向に移動し、この光学像間隔の変化を位相差として検出する。すなわち、矢印Oが光学像115aと115bの光学像間隔の検出方向、矢印Pが光学像115cと115dの光学像間隔の検出方向となる。
FIG. 5 shows an optical image formed on the
なお、位相差の検出手段としては、周知であるが各センサ領域ラインセンサの出力信号から光学像に対応した1次元像信号を形成し、相関演算を用いて位相差を検出する。位相差と撮影光学系101のデフォーカス量の関係は、所定の関数でおおむね近似できるため、この位相差を検出することで、焦点調節を行うことが可能となる。
As a means for detecting the phase difference, a one-dimensional image signal corresponding to the optical image is formed from the output signal of each sensor region line sensor, and the phase difference is detected using correlation calculation. Since the relationship between the phase difference and the defocus amount of the photographing
ところで、2次結像レンズ110において、入射側のレンズ部110eは凹面の略球面で、球の中心は焦点検出光学系の1次結像面105付近にある。射出側のレンズ部110aと110bは凸面の略球面で、球の中心は開口部109aと109b中心付近にそれぞれある。したがって、焦点検出光学系の1次結像面105中心を発し、絞り開口部109aと109b中心を通過する光線は2次結像レンズ110でほぼ屈折しない。
By the way, in the
一方、射出側のレンズ110cと110dは凸面の曲面で、像面湾曲を対称に補正する機能を果たす。このときも、焦点検出光学系の1次結像面105中心を発し、絞り開口部109cと109d中心を通過する光線は2次結像レンズ110でほぼ屈折しないよう構成される。
On the other hand, the exit-
図1における、光線LaとLbはレンズ部110aと110bに対応した上記光線で、2次結像レンズ110でほとんど屈折していない。図1においてはレンズ部110aと110bしか図示されないが、レンズ部110cと110dについても同様である。したがって、波長が変化しても同様に屈折しないため波長依存性のない高精度な焦点検出を行うことができる。
In FIG. 1, light rays La and Lb are the light rays corresponding to the
このように、焦点検出基線長が長い方が従来例にて説明したように大きな像面湾曲が生じるため、対応するレンズ部110cと110dに像面湾曲を補正する曲面を設け、焦点検出基線長が短い方に対応するレンズ部110aと110bは従来例同様に球面系による2次結像光学系となっている。
As described above, since a larger field curvature occurs as the focus detection baseline length is longer as described in the conventional example, curved surfaces for correcting the field curvature are provided in the corresponding
図6は各センサ領域を1次結像面102に逆投影した図であり、1次結像面102上での焦点検出領域を示す。なお、実際にはサブミラー104が曲面であるため扇形の歪曲が生じるが、図ではこの歪曲を無視して矩形で表す。 FIG. 6 is a diagram in which each sensor area is back-projected onto the primary imaging plane 102 and shows a focus detection area on the primary imaging plane 102. Although the sub-mirror 104 is actually a curved surface, fan-shaped distortion occurs. In the figure, this distortion is ignored and represented by a rectangle.
図において、右上がり斜線で示す領域113はセンサ領域112aと112bに対応した焦点検出領域で、この領域内において横線検出を可能としている。一方、左上がり斜線で示す領域114はセンサ領域112cと112dに対応した焦点検出領域で縦線検出を行う。そして、焦点検出領域113と114の共通領域が縦線検出と横線検出を同時に行うことができクロス検出領域となる。
In the figure, a region 113 indicated by a diagonal line rising to the right is a focus detection region corresponding to the sensor regions 112a and 112b, and a horizontal line can be detected in this region. On the other hand, a region 114 indicated by a diagonal line rising to the left performs vertical line detection in a focus detection region corresponding to the
以上が本発明における焦点検出装置の構成である。このように、レンズ部110cと110dが像面湾曲を補正する曲面で構成されている。レンズ部110cと110dに対応した絞り8の開口部109cと109dを通過する光束は、開口部109aと109bを通過する光束に比べて光軸Lに対する傾斜角が大きく、形成される光学像には大きな像面湾曲が発生する。
The above is the configuration of the focus detection apparatus in the present invention. As described above, the
こうした像面湾曲の影響から光学移動方向である水平方向が小さくなり、横線検出を行う範囲に比べれば縦線検出を行う範囲は中央部付近に限られてしまうが、この理由について以下に説明する。 The horizontal direction, which is the optical movement direction, becomes smaller due to the influence of the curvature of field, and the vertical line detection range is limited to the vicinity of the central portion compared to the horizontal line detection range. The reason for this will be described below. .
図15のセンサ領域11−3と11−4上に形成される光学像は、図17において、より基線長の長い対の開口部8−3と8−4を通過した光束を2次結像レンズ9−3と9−4で再結像させて得られる。例えば、開口部8−3と2次結像レンズ9−3で形成される光学像について考えると、この2次結像光学系は焦点検出光学系の1次結像面5を斜めから見て光学像を形成することとなる。したがって、この光学像は、特に撮影レンズデフォーカスに伴う光学像移動方向である水平方向に大きな像面湾曲が生じてしまう。しかも、この像面湾曲はこの光学像の中心を基準として水平方向には非対称性を有する。 The optical images formed on the sensor regions 11-3 and 11-4 in FIG. 15 are secondary images of the light beams that have passed through the pair of openings 8-3 and 8-4 having a longer base length in FIG. It is obtained by re-imaging with lenses 9-3 and 9-4. For example, when considering an optical image formed by the aperture 8-3 and the secondary imaging lens 9-3, this secondary imaging optical system looks at the primary imaging surface 5 of the focus detection optical system from an oblique direction. An optical image is formed. Therefore, this optical image has a large curvature of field, particularly in the horizontal direction, which is the optical image moving direction accompanying the defocusing of the taking lens. In addition, this curvature of field has asymmetry in the horizontal direction with respect to the center of the optical image.
図17(A)はこれを説明する図で、たとえば、図13における焦点検出系の1次結像面5以降をストレートに展開し、紙面光軸L’を含む紙面に直交する断面での模式図である。なお。説明に必要な主要部品以外は省略し、簡略化するため2次結像レンズでの光線屈折を無視して説明する。 FIG. 17A is a diagram for explaining this. For example, a schematic diagram in a cross section perpendicular to the paper surface including the optical axis L ′ of the paper surface, in which the primary image forming surface 5 and subsequent surfaces of the focus detection system in FIG. FIG. Note that. Except for the main parts necessary for the description, for the sake of simplicity, the description will be made ignoring the light refraction at the secondary imaging lens.
図において光軸L3、L4は、光軸L’に平行な2次結像レンズ9−3、9−4の光軸である。同様に開口部8−3と2次結像レンズ9−3で形成される光学像に注目して、まず仮に焦点検出光学系の1次結像面5上に光軸L3を中心として大きさOaの像がある場合、焦点検出センサ上にはIaという大きさの光学像が形成される。そして、この光学像の各結像点を結ぶと曲線12に示すように光軸L3を中心に対称な放物線状の曲線となり、これが像面湾曲となる。
In the figure, optical axes L3 and L4 are optical axes of the secondary imaging lenses 9-3 and 9-4 parallel to the optical axis L '. Similarly, paying attention to the optical image formed by the aperture 8-3 and the secondary imaging lens 9-3, first, the size is centered on the optical axis L3 on the primary imaging surface 5 of the focus detection optical system. When there is an image of Oa, an optical image having a size of Ia is formed on the focus detection sensor. Then, when the image forming points of the optical image are connected, a parabolic curve symmetric about the optical axis L3 is formed as shown by the
一般的に、ある光学系に対して球面収差やコマ、非点収差が完全に除去されたとすると、軸上でも軸外でも点は点として結像するが、それぞれの点は平面上ではなく曲面上にある。この曲面はペッツバール面と呼ばれ、図17の曲線12はこのペッツバール面をある断面上で観察したものである。
In general, if spherical aberration, coma, and astigmatism are completely removed from an optical system, points are imaged as points both on-axis and off-axis, but each point is not a plane but a curved surface. It's above. This curved surface is called a Petzval surface, and a
次に、実際には焦点検出光学系の1次結像面5上に光軸L’を中心として大きさ0b像が存在する。0b像に対して2次結像レンズ9−3は斜めから見ているため、形成される光学像はIbとなり、像面湾曲は光学像中心を基準に非対称形状となる。 Next, in practice, an image of size 0b exists on the primary imaging surface 5 of the focus detection optical system with the optical axis L ′ as the center. Since the secondary imaging lens 9-3 is viewed obliquely with respect to the 0b image, the formed optical image is Ib, and the field curvature is asymmetric with respect to the center of the optical image.
図17(B)は、対の2次結像レンズ9−3と9−4で形成される対の光学像の像面湾曲を表す。曲線13は2次結像レンズ9−4で形成される光学像の像面湾曲を示し、曲線12を光軸L’を中心としてミラー反転させた形状となる。
FIG. 17B shows the field curvature of the pair of optical images formed by the pair of secondary imaging lenses 9-3 and 9-4. A
位相差方式焦点検出においては、たとえ像面湾曲が生じていたとしても、その像面湾曲が光学像移動方向において光学像中心に対称であれば、任意像高における対の光学像の像面湾曲はそれぞれ同程度となるため焦点検出を行うことが可能である。しかしながら、図17(B)のような状態では、例えば、1次結像面5上の点像Cに対応した対の2次結像系の点像はそれぞれC−3とC−4となり、像面湾曲状態が著しく異なる。すなわち、任意像高における対の光学像の像面湾曲は光学像中心以外では異なる状態となる。 In phase difference focus detection, even if field curvature occurs, if the field curvature is symmetric about the center of the optical image in the optical image movement direction, the field curvature of the pair of optical images at an arbitrary image height Since they are almost the same, focus detection can be performed. However, in the state shown in FIG. 17B, for example, the point images of the paired secondary imaging system corresponding to the point image C on the primary imaging surface 5 are C-3 and C-4, respectively. The curvature of field is significantly different. That is, the field curvature of the pair of optical images at an arbitrary image height is different except at the center of the optical image.
したがって、この像面湾曲の影響を考慮して、特に対の光学像移動方向である水平方向に焦点検出領域を拡大することができなかった。そうすると、焦点検出領域は図16の焦点検出領域14のように、光学像移動方向である水平方向には小さい領域となる。
Therefore, in consideration of the influence of the curvature of field, the focus detection area cannot be expanded in the horizontal direction, which is the moving direction of the pair of optical images. Then, the focus detection area becomes a small area in the horizontal direction, which is the optical image moving direction, like the
図17に直交する断面においては、対の光学像の像面湾曲は同程度となるため、垂直方向には水平方向に比較して焦点検出領域を拡大することができる。 In the cross section orthogonal to FIG. 17, the field curvature of the pair of optical images is approximately the same, so that the focus detection area can be enlarged in the vertical direction compared to the horizontal direction.
また、このような非対称性の像面湾曲はより1次結像面5を斜めから見る、すなわち大きな視差を有する対の2次結像光学系の場合に顕著であり、視差の大きくない2次結像光学系である横線検出においては焦点検出領域をある程度拡大することができたが、視差の大きい2次結像光学系である縦線検出においては、特に水平方向への焦点検出領域拡大は実現が難しい。 Further, such asymmetric field curvature is remarkable when the primary imaging plane 5 is viewed more obliquely, that is, in the case of a paired secondary imaging optical system having a large parallax, and the secondary that does not have a large parallax. In the horizontal line detection, which is an imaging optical system, the focus detection area can be enlarged to some extent. However, in the vertical line detection, which is a secondary imaging optical system having a large parallax, the focus detection area in the horizontal direction can be enlarged. Realization is difficult.
したがって、本実施例では、レンズ110cと110dに像面湾曲を補正する曲面を設け、一方、レンズ部110aと110bには像面湾曲を補正する曲面を設けない構成とした。以下レンズ部110aと110b、レンズ部110cと110dについて詳細を説明する。
Therefore, in this embodiment, the
まず、像面湾曲を補正していないレンズ部110aと110bについて説明する。図7は図1の断面図における焦点検出光学系光路をストレートに展開した図で、主にレンズ部110aと110bを通過する光束を説明するための図で、レンズ部110cと110dについては省略してある。
First, the
図において、凸レンズ201は図1におけるサブミラー104をストレート展開時の光学部材として置き換えたものである。サブミラー104は集光性のパワーを有する楕円面より形成されるので、おおよそ凸レンズとして置き換えることができる。また、焦点検出光学系の1次結像面105は1次結像面102よりわずかであるが撮像光学系101側によっている。これはサブミラー104、すなわち凸レンズ201が正の光学パワーを有するためであり、1次結像面102に結像する光束は、実際には凸レンズ201を通過すると焦点検出光学系の1次結像面105上に結像する。
In the figure, a
絞り中心点Eを発した光線202は、射出瞳101a上の点Bに結像する。これは、図1における楕円面サブミラー104の焦点を点B、Cとしたことで明白である。よって、絞り109の開口部109aと109bが射出瞳101a上に投影されているので、この射出瞳101aを分割した対の光束が2次結像光学系に導かれる。
The light beam 202 emitted from the stop center point E forms an image at a point B on the
そして、光束204、205は、1次結像面105の中心に結像し、絞り109の対の開口部109aと109bの中心点と両端点を通過してセンサチップ112上に結像する場合を示す。実際には図5の光学像115aと115bに示す大きさの光学像が形成され、その光学像には、従来例で説明した理由から像面湾曲が生じる。このとき対の光学像は、撮影光学系101のデフォーカスに伴い矢印V方向に移動する。この矢印Vは図5の矢印Oに対応し、矢印V方向を光学像間隔の検出方向とすることで位相差方式焦点検出を行う。
The light beams 204 and 205 form an image at the center of the primary
図8(A)は対の光学像の像面湾曲、すなわち上記断面の各像高におけるセンサチップ112近傍の結像点を結ぶ曲線を示す図で、絞り109と2次結像レンズ110以外は省略して示す。図において、点線で示す曲線206aがレンズ部110aで、曲線206bがレンズ部110bでそれぞれ形成される光学像の像面湾曲を示す。レンズ部110aと110bによる2次結像光学系は、焦点検出光学系の1次結像面105を傾斜角θという視差を有しているため、各像面湾曲206aと206bは各光学像中心207aと207bを基準として非対称形状となっている。ここで、傾斜角θは光軸Lと焦点検出光学系の1次結像面105において像高0で絞り開口部の中央を通過する主光線とのなす角を代表的な傾斜角としてある。
FIG. 8A is a diagram showing the field curvature of a pair of optical images, that is, a curve connecting the imaging points near the
しかしながら、傾斜角θがほどほど小さい、すなわち絞り開口部109aと109bの間隔がほどほど小さいため、像面湾曲の非対称性はわずかである。さらに、この断面において、焦点検出に必要な光学像の大きさは、図6における焦点検出領域113垂直方向となり短手方向となるため、像面湾曲も長手方向に比べて程度がよい。
However, since the inclination angle θ is small, that is, the distance between the
一方、この長辺側に対応した光学像の像面湾曲を図8(B)に示す。図8(B)は図8(A)に直交し光学像中心207aと絞り開口部109aの中心を含む断面である。点線で示す曲線208aはレンズ部110aで形成される光学像の像面湾曲である。なお、レンズ部110b側については、この断面においてレンズ部110aと同様であり、説明を省略する。
On the other hand, the field curvature of the optical image corresponding to the long side is shown in FIG. FIG. 8B is a cross section orthogonal to FIG. 8A and including the optical image center 207a and the center of the
この断面において2次結像光学系は、焦点検出光学系の1次結像面105を傾斜角0で見ているため、像面湾曲208a、光学像中心207aを基準に対称形となる。したがって、図6に示すように、焦点検出領域113の水平方向は垂直方向に比べて大きくすることが可能となる。なお、撮影画面は一般的に横長の矩形であるため、このように水平方向を長手方向とする焦点検出領域を設定することが使い勝手上好適である。すなわち、位相差方式焦点検出における2次結像レンズの非対称な像面湾曲は光学像間隔移動方向である検出方向Vに発生するので、焦点検出領域の長手方向に対応した光学像の長手方向をこの検出方向Vと直交するよう構成することで、補正のない光学面であっても極力像面湾曲の影響を排除することが可能となる。
In this cross section, the secondary imaging optical system is symmetrical with respect to the
次に、像面湾曲の補正する曲面を備えたレンズ部110cと110dについて説明する。図9は図1の断面に直交する断面において、焦点検出光学系光路をストレートに展開した図で、主にレンズ部110cと110dを通過する光束を説明するための図で、レンズ部110aと110bは省略してある。
Next, the
図9において、図7と同様に絞り中心点Eを発した光線203は、射出瞳101a上の点Bに結像して、射出瞳101aを絞り109の開口部109cと109dで分割した対の光束が2次結像光学系に導かれる。
In FIG. 9, the
そして、光束208、209は、1次結像面102の中心に結像し、絞り109の対の開口部109cと109dの中心点と両端点を通過してセンサチップ112上に結像する場合を示す。実際には図5の光学像115cと115dで示す大きさの光学像が形成され、その光学像には像面湾曲が生じる。このとき対の光学像は、撮影光学系101のデフォーカスに伴い矢印W方向に移動する。この矢印Wは図5の矢印Pに対応し、矢印W方向を光学像間隔の検出方向とすることで位相差方式焦点検出を行っている。そして、これら光学像の像面湾曲が略対称となるような曲面がレンズ110cと110dには備えられる。以下この曲面について説明する。
The light beams 208 and 209 form an image on the center of the primary imaging surface 102 and pass through the center points and both end points of the pair of
図10(A)は対の光学像の像面湾曲、すなわち上記断面の各像高におけるセンサチップ112近傍の結像点を結ぶ曲線を示す図で、絞り109と2次結像レンズ110以外は省略して示す。図において、点線で示す曲線206cがレンズ部110cで、曲線206dがレンズ部110dでそれぞれ形成される光学像の像面湾曲を示す。レンズ部110aと110bによる2次結像光学系は、焦点検出光学系の1次結像面105を傾斜角θ’という図8(A)の傾斜角θより大きな傾斜角による視差を有している。また、各像面湾曲206cと206cは各光学像中心207cと207dを基準として略対称となっている。
FIG. 10A is a diagram showing the field curvature of a pair of optical images, that is, a curve connecting the imaging points near the
なお、曲線211cはレンズ部110cに像面湾曲補正を行わない通常の球面系を用いた場合の像面湾曲を示す。これら2つの像面湾曲206cと211cを比較すると対称になるよう補正されていることが分かる。
A
このとき、レンズ部110cはこの断面において点線210で示す楕円の一部となっている。この楕円210は軸Fを長軸とし、軸Gを短軸とする楕円で軸外領域を光束が通過するよう光軸Lに対して傾斜して配置される、いわゆる軸外しの楕円である。今、長軸Fと楕円の交点をH、短軸Gと楕円の交点をIとすると、楕円の性質から曲率半径は点Hでもっとも小さくなり、点HからIに向かって徐々に増加し、点Iでもっとも大きくなる。
At this time, the
すなわち、レンズ部101aの光線が通過する有効部においては、曲率半径が検出方向Wにおける光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に一方向に変化し、曲率半径が極値なく変化する形状となっている。通常結像光学系に使用する円(球)を除く軸外しでない形状、楕円、放物線、双曲線などの非円(球)形状では、光線が通過する有効部において必ず曲率半径変化量の極値が存在する。例えば、図10(A)で、楕円210の点Hを含む部分が有効部であると仮定すると、曲率半径は大〜小〜大と変化し点Hが曲率半径変化量の極値となる(記載の意味を確認)。
That is, in the effective portion through which the light beam of the
したがって、像面湾曲206c上で下端点をJ、上端点をKとすると、点Jに結像する光束は楕円210の点Hから点Iの間において点H側を通過し、一方、点Kに結像する光束は点I側を通過する。そうすると、点Jに結像する光束は、小さい曲率半径であるためより大きく光線が屈折し、一方、点Kに結像する光束は、大きい曲率半径であるためあまり光線が屈折しない。そして、光学像中心207cにおける結像位置を像面湾曲206cと211cで一致させておけば、図10(A)に示すように点Jはより前側に、点Kはより後側に結像するため、全体として傾いた像面湾曲について光学像中心207cを基準とした対称形に補正することができる。
Therefore, if the lower end point is J and the upper end point is K on the field curvature 206c, the light beam focused on the point J passes through the point H side between the points H and I of the ellipse 210, while the point K The light beam that forms an image passes through the point I side. Then, the light beam that forms an image at the point J has a small radius of curvature, so that the light beam is refracted more. On the other hand, the light beam that forms an image at the point K has a large curvature radius, so the light beam is not refracted much. Then, if the imaging position at the
なお、この断面において、焦点検出に必要な光学像の大きさは、図6における焦点検出領域114水平方向となり長手方向となるが、像面湾曲が良好に補正されるため任意に焦点検出領域を拡大することができる。また、レンズ部101dはレンズ部101cについて光軸Lを中心線としてミラー反転した形状で、像面湾曲補正に関する効果もミラー反転した状態で一致する。 In this cross section, the size of the optical image necessary for focus detection is the horizontal direction of the focus detection region 114 in FIG. 6 and becomes the longitudinal direction. However, since the field curvature is corrected well, the focus detection region can be arbitrarily set. Can be enlarged. In addition, the lens unit 101d has a shape that is mirror-reversed with respect to the lens unit 101c with the optical axis L as the center line, and the effects relating to the field curvature correction also coincide with each other in the mirror-reversed state.
次に、図10(A)に直交する断面について説明する。図10(B)は図10(A)に直交し光学像中心207cと絞り開口部109cの中心を含む断面である。
Next, a cross section orthogonal to FIG. FIG. 10B is a cross section orthogonal to FIG. 10A and including the
レンズ部110cは図10(A)における楕円210を軸Fまわりに回転させて形成される回転楕円面で、光線が通過する範囲は、いわゆる軸外しの回転楕円面である。そして、点線で示す曲線208cはレンズ部110cで形成される光学像の像面湾曲である。なお、レンズ部110d側については、この断面においてレンズ部110cと同様であり、説明を省略する。
The
この断面においても2次結像光学系は、焦点検出光学系の1次結像面105を傾斜角0で見ている。そして、レンズ部110cの断面形状は、回転楕円面を斜めに切断した形状となり、212で示すように光軸Lとの交点に頂点を有する楕円の一部となる。したがって、像面湾曲208cは、光学像中心209cを基準に対称形となる。
Even in this cross section, the secondary imaging optical system sees the
なお、レンズ部110cは軸Fを回転軸とする回転楕円面であるため、軸Fを含む面で切断すると、そのときの断面形状は光軸Lとの交点に頂点を有する楕円213となり楕円210と同形状となる。一方、軸Iを含む面で切断すると、断面形状は円214となる。そして、その中間面で切断した形状が楕円212となり、点Iから点Hの間で楕円210の中心を通過する面で切断した形状は、円214から楕円213に徐々に変化している。
Since the
このとき光線が通過する楕円頂点付近の形状を円で近似して、そのときの曲率半径を考えると、図10(B)の断面においても点H側ほど曲率半径が小さく、点I側ほど曲率半径が大きいことが分かる。この特性は図10(A)の断面と一致するので、レンズ部110cで形成される光学像の3次元空間にわたる像面湾曲を考えても、光学像中心207cを中心に対称となり良好に補正されている。
At this time, when the shape near the vertex of the ellipse through which the light beam passes is approximated by a circle and the curvature radius at that time is considered, also in the cross section of FIG. It can be seen that the radius is large. Since this characteristic coincides with the cross section of FIG. 10A, even if the curvature of field over the three-dimensional space of the optical image formed by the
そして、この楕円面の中心は従来例と同様にほぼ開口部109cの中心付近にあり、主光線の屈折を極力少なくすることで色収差の発生を防ぐ構成となっている。なお、球面系においては公知であるが、最終的に開口部109cと楕円面を図10(A)における垂直方向に偏心させることで、光学像中心における色収差をほぼ完全に除去する。
The center of this elliptical surface is almost in the vicinity of the center of the
ところで、実際には軸外しの楕円面を用いているため様々な断面で形状が変化し、光学像の各点像は位置によってスポット形状が異なり軸対称性がないわけだが、像面湾曲については、この2つの断面のみ考えればおおよその状態を知ることができる。特に、位相差方式焦点検出では、光学像間隔の検出方向Wである図10(A)断面における像面湾曲が対称であればよいので、充分に広範囲な焦点検出を実現できる。 By the way, because the off-axis elliptical surface is actually used, the shape changes in various cross-sections, and each point image of the optical image has a different spot shape depending on the position and is not axially symmetric. Considering only these two cross sections, the approximate state can be known. In particular, in the phase difference type focus detection, it is only necessary that the field curvature in the cross section of FIG. 10A, which is the detection direction W of the optical image interval, is symmetrical, so that a sufficiently wide range of focus detection can be realized.
以上のように本実施例では、撮影範囲内の広範囲において位相差方式焦点検出の縦線および横線検出の同時検出を高精度に実現できる。そのために、まず焦点検出基線長の短い方に対応した2次結像光学系であるレンズ部110aと110bは公知の球面による結像光学系とし、焦点検出基線長の長い方に対応したレンズ部110cと110dは、特に光学像移動方向の像面湾曲を補正する曲面を用いた。
As described above, in the present embodiment, simultaneous detection of vertical line and horizontal line detection of phase difference focus detection can be realized with high accuracy in a wide range within the imaging range. For this purpose, first, the
次に、像面湾曲を補正しないレンズ部110aと110bは、光学像間隔の検出方向と光学像の長手方向を直交させ、像面湾曲を補正する曲面を有するレンズ部110cと110dは、光学像間隔の検出方向と光学像の長手方向を一致させた。したがって、必要最低限の曲面を設けることで2次結像光学系の像面湾曲が極力発生しない構成となり、広範囲にわたる高精度な位相差方式焦点検出を実現可能としている。射出側のレンズ110a〜110dのすべてに曲面を設ければよりよく像面湾曲を補正できるわけだが、この曲面は球面系に比べて軸はずし光学系であるため製造上の難易度が比較的高いため、必要最低限な構成とすることで製造歩留まりを向上させることができる。
Next, the
なお、本実施例では、曲面として楕円面を使用したが、これに限定されることなく、同様の機能を有する面として放物面、双曲面などが考えられ、もしくは、非球面でもよい。これらの面はすべて周知のコーニック係数による非球面式で表現され、逆に言うと、本実施例はコーニック係数による非球面の1つの面を使用したことになる。そして、少なくとも光学像間隔の検出方向における光線が通過する有効部の曲率半径が光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に変化するよう軸外し(傾斜して配置)すればよい。また、楕円面の光軸Lに対する傾斜角や楕円の長短軸比については、図10(A)と(B)で示される形態はほんの一例であり、焦点検出光学系の基線長や要求される光学像性能、レンズの材質などに応じて異なり、各条件で最適化されるものである。 In this embodiment, an elliptical surface is used as a curved surface, but the present invention is not limited to this, and a paraboloid, a hyperboloid, or the like may be considered as a surface having the same function, or an aspherical surface may be used. These surfaces are all represented by a well-known aspherical expression with a conic coefficient, and conversely, in this embodiment, one aspherical surface with a conic coefficient is used. Then, the radius of curvature of the effective portion through which the light beam passes at least in the detection direction of the optical image interval may be off-axis (tilted) so as to change from small to large in the direction of expansion of the optical image interval. Further, with respect to the inclination angle of the ellipse surface with respect to the optical axis L and the major / minor axis ratio of the ellipse, the configurations shown in FIGS. 10A and 10B are merely examples, and the baseline length of the focus detection optical system and the required one It depends on the optical image performance, lens material, etc., and is optimized under each condition.
第2の実施例は、第1の実施例の変形例で2次結像レンズ110の入射側の面を射出側の各レンズ部に対応して分割した例である。こうすることによって像面湾曲のみならず、点像のスポット形状も改善することが可能となる。
The second embodiment is an example in which the incident-side surface of the
図11は、図3と同様に2次結像レンズ110を絞り109側から見た平面図である。図において、入射面は301ab、301c、301dの3つの領域に分割され、レンズ部301abが射出側のレンズ部110aと110bに対応し、凹面からなる1つの球面となっている。そして、レンズ部301cはレンズ部110cに、レンズ部301dはレンズ110dにそれぞれ対応し、同様に凹面からなる球面である。
FIG. 11 is a plan view of the
第1実施例において、入射面は1つの光学面のみだったので、レンズ部110a(110b)とレンズ部110c(110d)のバランス取りで入射面形状を決定しなければならなかった。しかしながら、レンズ部110の入射面は絞り109に近接しているため、4つのレンズ部に対応した4つの光束は充分に間隔を隔てて分離されており、それぞれの光束ごとに入射側の光学面を設定することが可能である。したがって本実施例では入射面を3分割し、レンズ部110a(110b)とレンズ部110c(110d)で異なる入射側の光学面を設けるようにした。そして、各光学像は像面湾曲のみなならず、入射面という光学設計の自由度が増えるため点像のスポット性能についても改善することができ、より高精度な縦線、横線同時の位相差方式焦点検出が撮影領域内の広範囲において実現できる。
In the first embodiment, since the incident surface is only one optical surface, the shape of the incident surface has to be determined by balancing the
第3の実施例は、第1の実施例の変形例でレンズ部110aと110bに自由曲面を用いた例である。
The third embodiment is an example in which free curved surfaces are used for the
図12は、この自由曲面を説明するための図で、図10(A)におけるレンズ部110c付近を拡大した図である。この断面におけるレンズ部110cの形状は第1の実施例と同様に楕円210となる。そして、自由曲面はこの断面をベースとして作られる。
FIG. 12 is a diagram for explaining the free-form surface, and is an enlarged view of the vicinity of the
まず、楕円210の光線が通過する部分において、絞り開口部109c中心、すなわち楕円210中心からを発する光線を適当なピッチ角度で作図する。図における光線401〜405がこれに相当し、これは主光線であるため射出面ではほとんど屈折しない。また、光線403は像高0の主光線になっている。
First, in the part where the light beam of the ellipse 210 passes, the light beam emitted from the center of the
次に、これらの主光線を含む光線の結像点をそれぞれ求める。図において点Q、R、S、T、Uがそれに対応する。 Next, the imaging points of the light rays including these principal rays are obtained. In the figure, points Q, R, S, T, and U correspond to it.
次に、図12の断面に直交し、光線401を含む平面を考えI、この平面内を通過する光線が点Qに結像するような円で、かつ楕円210と交わる円を求める。図中矢印R1がこの円の半径に対応する。このような円を各主光線を含む断面で求める。そして、R2、R3、R4、R5がそれぞれ求めた円の半径になる。レンズ部110cから各結像点までの距離はそれぞれ異なるため、それぞれの半径もR1からR5に向かって増加する。
Next, considering a plane that is orthogonal to the cross section of FIG. 12 and that includes the
最後に、これらの円を滑らかに繋ぐと所望の自由曲面となる。なお、実際に自由曲面を算出する際には、ピッチ角度を細かく設定することで光学面として十分に滑らかな自由曲面となる。 Finally, the desired free-form surface can be obtained by smoothly connecting these circles. When actually calculating the free-form surface, the free-form surface can be made sufficiently smooth as an optical surface by finely setting the pitch angle.
したがって、本実施例によれば光学像間隔の検出方向である断面と、それに直交する断面の両方で結像点を補正することになるため、スポット像を理想的な状態に補正することが可能となるため、広範囲にわたる高精度な位相差方式焦点検出を実現できる。 Therefore, according to the present embodiment, the spot image can be corrected to an ideal state because the imaging point is corrected in both the cross section that is the detection direction of the optical image interval and the cross section that is orthogonal thereto. Therefore, a wide range of highly accurate phase difference type focus detection can be realized.
なお、本実施例では、図12に直交する断面の形状を円ベースとしたが、これに限定されることなくその他非球面を用いても良く、その場合も最終的に滑らかに繋がる自由曲面とればよい。 In this embodiment, the cross-sectional shape orthogonal to FIG. 12 is based on a circle. However, the present invention is not limited to this, and other aspherical surfaces may be used. That's fine.
以上実施例1,2及び3で説明したようにのように、2次結像光学系に回転楕円面や自由曲面を設けることで瞳分割方向における2次結像光学像の像面湾曲を良好に補正することがきる。そのため、撮影範囲内の広範囲で縦線検出と横線検出を高精度に行うことが可能となる。 As described above in Examples 1, 2, and 3, the secondary imaging optical system is provided with a spheroid and a free-form surface, so that the field curvature of the secondary imaging optical image in the pupil division direction is excellent. It can be corrected to. Therefore, it is possible to detect the vertical line and the horizontal line with high accuracy over a wide range within the imaging range.
101 撮影光学系
101a 射出瞳
102 1次結像面
104 サブミラー
105 焦点検出光学系の1次結像面
109 絞り
110 2次結像レンズ
112 センサチップ
210 楕円
101 imaging
Claims (7)
前記対の2次結像レンズの少なくとも1つの光学面では、前記対の光学像間隔の検出方向の曲率半径が前記検出方向における前記対の光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に極値なく変化する曲面であることを特徴とする焦点検出装置。 Pupil splitting means for splitting an exit pupil of a photographing optical system to form a pair of light beams; a pair of secondary imaging lenses for re-imaging the pair of light beams to form a pair of optical images; and the photographing optics In a focus detection apparatus for adjusting the focus of the photographing optical system by detecting the pair of optical image intervals associated with system defocusing,
In at least one optical surface of the pair of secondary imaging lenses, the radius of curvature in the detection direction of the optical image interval of the pair is extremely small from the small to the large in the increasing direction of the optical image interval of the pair in the detection direction. A focus detection device characterized by a curved surface that changes without value.
前記瞳分割手段によって分割された対の光束の前記2方向における焦点検出基線長は異なり、前記焦点検出基線長の長い方の前記対の光束に対応する前記対の2次結像レンズの少なくとも1つの光学面は、前記対の光学像間隔の検出方向において前記光学像を形成するために光線が通過する有効部での曲率半径が前記検出方向における前記対の光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に極値なく変化する曲面であることを特徴とする焦点検出装置。 Pupil dividing means for dividing the exit pupil of the photographing optical system in at least two directions to form a pair of luminous fluxes; a pair of secondary imaging lenses for re-imaging the paired luminous fluxes to form a pair of optical images; In the focus detection device for adjusting the focus of the photographing optical system by detecting the optical image interval of the pair accompanying the defocusing of the photographing optical system,
The focus detection baseline lengths in the two directions of the pair of light beams divided by the pupil splitting unit are different, and at least one of the pair of secondary imaging lenses corresponding to the pair of light beams having the longer focus detection baseline length. The two optical surfaces have a radius of curvature at an effective portion through which a light beam passes in order to form the optical image in the detection direction of the pair of optical image intervals in a direction in which the optical image interval of the pair in the detection direction increases. A focus detection device characterized by a curved surface that changes from small to large without an extreme value.
前記対の光学像は一方向を長手方向とする形状で、前記対の2次結像レンズの少なくとも1つの光学面は、前記対の光学像間隔の検出方向において前記光学像を形成するために光線が通過する有効部での曲率半径が前記検出方向における前記対の光学像間隔の拡大方向に向かって小から大に極値なく変化する曲面で、前記長手方向と前記検出方向は一致することを特徴とする焦点検出装置。 Pupil splitting means for splitting an exit pupil of a photographing optical system to form a pair of light beams; a pair of secondary imaging lenses for re-imaging the pair of light beams to form a pair of optical images; and the photographing optics In a focus detection apparatus that detects the optical image interval of the pair accompanying system defocusing and performs focus adjustment of the imaging optical system,
The pair of optical images has a shape in which one direction is a longitudinal direction, and at least one optical surface of the pair of secondary imaging lenses forms the optical image in the detection direction of the pair of optical image intervals. The longitudinal direction and the detection direction coincide with each other in a curved surface in which the radius of curvature at the effective portion through which the light passes changes from the small to the large in the detection direction in the direction of enlargement of the pair of optical image intervals. A focus detection device.
前記焦点検出装置の結果に応じて位置調整されたレンズを介して被写体光を受光する撮像手段を有することを特徴とする撮像装置。 The focus detection device according to any one of claims 1 to 6 , comprising:
An imaging apparatus comprising imaging means for receiving subject light through a lens whose position is adjusted according to a result of the focus detection apparatus.
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