JP5353474B2

JP5353474B2 - 焦点検出装置，焦点調節装置および撮像装置

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Publication number: JP5353474B2
Application number: JP2009149044A
Authority: JP
Inventors: 直之大西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: JP2011007881A

Description

本発明は、焦点検出装置、焦点調節装置および撮像装置に関する。

光学系の焦点状態を検出する手法として、光学系の瞳面上の１対の領域を通過した１対の光束による１対の被写体像を一対の光電変換素子で受光して得られる信号のずれを検出するいわゆる位相差検出方式が知られている。例えば特許文献１には、１対のイメージセンサアレイと、このセンサアレイに対して交差する方向に配列された１対のイメージセンサアレイとをセンサ基板上に配し、撮影画面上で十字型の焦点検出エリアを形成するようにした位相差検出方式の焦点検出装置が記載されている。

特開２００３−１８５９１５号公報

特許文献１に記載された焦点検出装置には、回路および焦点検出光学系の設計が複雑になるという問題があった。

請求項１に係る焦点検出装置は、結像光学系を透過した光束を、互いに異なる方向へ向かう第１光束と第２光束とに偏向させる偏向手段と、前記第１光束による第１の一対の像を形成する第１の再結像光学系と、前記第２光束による第２の一対の像を形成する第２の再結像光学系と、光電変換素子が第１の方向に配列された光電変換素子列と光電変換素子が前記第１の方向に配列された光電変換素子列とからなる一対の光電変換素子列が、前記第１の方向に直交する方向に複数対、並置され、前記一対の光電変換素子列が前記第１の一対の像をそれぞれ受光して、前記第１の一対の像に対応する第１の一対の光電変換信号を出力する第１の光電変換素子アレイと、光電変換素子が第２の方向に配列された光電変換素子列と光電変換素子が前記第２の方向に配列された光電変換素子列とからなる一対の光電変換素子列が、前記第２の方向に直交する方向に複数対、並置され、当該一対の光電変換素子列が前記第２の一対の像をそれぞれ受光して、前記第２の一対の像に対応する第２の一対の光電変換信号を出力する第２の光電変換素子アレイと、前記第１の一対の光電変換信号に基づきデフォーカス量を算出する第１の演算手段と、前記第２の一対の光電変換信号に基づきデフォーカス量を算出する第２の演算手段と、を備え、前記第１の光電変換素子アレイは、光電変換素子が前記第１の方向以外の方向に配列された光電変換素子列を含まず、前記第２の光電変換素子アレイは、光電変換素子が前記第２の方向以外の方向に配列された光電変換素子列を含まず、前記第１の再結像光学系による前記第１の光電変換素子アレイの前記複数の光電変換素子列の像と、前記第２の再結像光学系による前記第２の光電変換素子アレイの前記複数の光電変換素子列の像とは、前記結像光学系の結像面上において互いに交差することを特徴とする。

本発明によれば、複数の焦点検出エリアが交差して設けられる焦点検出装置の回路および焦点検出光学系を簡潔にすることができる。

第１の実施の形態の撮像装置の構成を示す断面図である。ＡＦモジュール８の構成を示す断面図である。光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂの上面図である。光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂ上の光電変換素子列３２Ａ，３２Ｂを一次像面上で重ね合わせた例を示す図である。一次像面上へ光電変換素子列に代えてフォーカスエリアを配置した例を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の撮像装置の構成を示す断面図である。なお、図１では本願発明の焦点検出装置および撮像装置に係わる機器および装置のみを示し、それ以外の機器および装置については図示と説明を省略する。本実施形態の撮像装置はいわゆる一眼レフレックスタイプの撮像装置であり、カメラボディ１００にレンズ鏡筒２００が着脱可能に装着されている。レンズ鏡筒２００は各種の交換レンズを内蔵したレンズ鏡筒に交換可能である。

レンズ鏡筒２００は、焦点調節レンズを含む複数のレンズから構成されるレンズ光学系１と、レンズ駆動用モーター１３を有する。レンズ光学系１は被写体像を撮像面上に結像させる。レンズ駆動用モーター１３は焦点調節レンズを光軸方向に駆動するためのアクチュエータである。レンズ駆動用モーター１３は、後述するレンズ駆動制御部１２からの出力信号に基づいて焦点調節レンズを駆動させる。

カメラボディ１００は、クイックリターンミラー２，ファインダースクリーン３，ペンタゴナルダハプリズム４，接眼レンズ５，撮像素子６，ＡＦモジュール８，ＡＦ−ＣＣＤ制御部９，デフォーカス演算部１０，レンズ駆動量演算部１１，測光用レンズ１４，測光センサー１５，操作部材１６，および制御装置１７を有する。クイックリターンミラー２の裏面にはサブミラー７が設置されている。その他、カメラボディ１００もしくはレンズ鏡筒２００の少なくとも一方には、レンズ駆動制御部１２が設けられている。

クイックリターンミラー２は被写体光の一部を反射し、残りを透過させる反射部材である。クイックリターンミラー２は不図示のアクチュエータによって被写体光の光路上から退避させることができる。クイックリターンミラー２が光路上から退避する際、サブミラー７も共に退避される。

撮像素子６は、画素に対応する複数の光電変換素子を備えたＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサによって構成される。撮像素子６の撮像面の前面には、赤外光をカットするための赤外カットフィルタや画像の折り返しノイズを防止する光学的ローパスフィルタが配置されている。操作部材１６はフォーカスエリア選択スイッチや動作モード選択スイッチなど、各種の撮影条件を設定するための操作部材である。制御装置１７は不図示のマイクロコンピュータやメモリ等を備え、被写体像の記録媒体への記録やカメラボディ１００が備える各部の制御などを行う。

非撮影時、レンズ光学系１を通過した被写体光は破線Ｒ１で示すようにクイックリターンミラー２の表面へ入射する。被写体光のうち一部は破線Ｒ２で示すようにクイックリターンミラー２の表面で反射しファインダスクリーン３へ向かう。この光束の更に一部は破線Ｒ３で示すようにペンタゴナルダハプリズム４，測光用レンズ１４を介して測光センサー１５へ入射する。測光センサー１５は破線Ｒ３で示す光束を受光して被写体の明るさを測定する。破線Ｒ２で示す光束の残りは破線Ｒ４で示すようにペンタゴナルダハプリズム４，接眼レンズ５を介して撮影者の目へ導かれ、撮影者に被写体像が視認される。

クイックリターンミラー２に入射した被写体光の残りは、破線Ｒ５で示すようにクイックリターンミラー２を透過しサブミラー７の表面へ入射する。サブミラー７は破線Ｒ６で示すようにこの光束をＡＦモジュール８の方向へ反射させる。ＡＦ−ＣＣＤ制御部９およびデフォーカス演算部１０は、ＡＦモジュール８に入射した光束に基づき各種の処理を実行し、結像面１８における被写体像のデフォーカス量を演算する。結像面１８は、撮像素子６の撮像面とサブミラー７に対し等価な面である。レンズ駆動制御部１２はレンズ駆動量演算部１１による演算結果に基づき焦点調節レンズを駆動する。

撮影時には、クイックリターンミラー２とサブミラー７が撮影光路中から待避し、被写体光は破線Ｒ７で示すように撮像素子６へ入射する。撮像素子６はこの光束を受光し被写体像の撮影を行う。撮像素子６から出力された撮像信号は不図示の画像処理装置により処理され、被写体像が不図示のメモリカードなどの記録装置に記録される。

次に、本実施形態による撮像装置の焦点調節機能について説明する。本実施形態による撮像装置は、いわゆる瞳分割位相差検出方式による焦点検出を行う。すなわち、レンズ光学系１の瞳面上の１対の領域を通過した１対の光束により形成される１対の被写体像の位置ずれ量に基づいて、レンズ光学系１のデフォーカス量を検出する。

図２は、ＡＦモジュール８の構成を示す断面図である。ＡＦモジュール８は全体として丁字形を成し、３つの端部にはそれぞれ開口部２１，光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂが設けられている。ＡＦモジュール８の、３つの端部を除く面は遮光性の隔壁２３で覆われている。ＡＦモジュール８の内部には、コンデンサレンズ２４，ハーフミラー２５，再結像レンズ２６Ａ，２６Ｂが設けられている。

ＡＦモジュール８は開口部２１がサブミラー７を向くよう設置される。サブミラー７の表面で反射した被写体光は開口部２１を通してＡＦモジュール８の内部へ進入する。被写体光はコンデンサレンズ２４を通過した後、ハーフミラー２５へ入射する。ハーフミラー２５は例えばペリクルミラー等で構成され、入射光の一部を反射させ、残りを透過させる。ハーフミラー２５に入射した被写体光は、ハーフミラー２５の表面で反射する第１光束と、ハーフミラー２５を透過する第２光束とに分かれる。

ハーフミラー２５の表面で反射した第１光束は、図２に示す矢印Ａの方向へ進む。セパレータレンズ２６Ａは１対のレンズであり、第１光束による１対の被写体像を光電変換素子アレイ２２Ａの表面に結像させる。同様に、ハーフミラー２５を透過した第２光束は図２に示す矢印Ｂの方向へ進み、１対のレンズであるセパレータレンズ２６Ｂが光電変換素子アレイ２２Ｂ上へ１対の被写体像を結像させる。なお図２において、セパレータレンズ２６Ｂを構成する２つのレンズは、それぞれ図２の奥側と手前側に１つずつ配置されている。

光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂの表面には複数の光電変換素子を配列した光電変換素子列が形成されている。これらの光電変換素子はそれぞれ受光量に応じた光電変換信号を出力する。ＡＦ−ＣＣＤ制御部９は、これらの光電変換素子のゲインおよび蓄積時間を適切な量に制御する。そして、これらの光電変換素子のうち焦点検出に用いる光電変換素子を決定すると共に、その光電変換素子が出力する光電変換信号に基づく演算を行い、演算結果をデフォーカス演算部１０へ出力する。ＡＦ−ＣＣＤ制御部９による複数の光電変換信号の読み出しは、すべて同一のタイミングで行われる。

なお、光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂ上に形成された光電変換素子列は、同一の電気的特性を備えることが望ましい。電気的特性は、例えば個々の光電変換素子の感度や暗電流等などである。これは、これらの電気的特性が異なる場合、ＡＦ−ＣＣＤ制御部９は電気的特性の差を補正するための追加の演算を行う必要があるためである。

デフォーカス演算部１０は、ＡＦ−ＣＣＤ制御部９による演算の結果から、レンズ光学系１のピントのずれ量を表すデフォーカス量を算出する。デフォーカス演算部１０が算出したデフォーカス量には、反射光である第１光束と透過光である第２光束との間の、波長などの差異に基づく補正が加えられている。算出されたデフォーカス量はレンズ駆動量演算部１１へ出力される。レンズ駆動量演算部１１はデフォーカス量に基づいて、デフォーカス量が０となる焦点調節レンズの位置（レンズ目標位置）を演算する。演算されたレンズ目標位置はレンズ駆動制御部１２へ出力される。レンズ駆動制御部１２は、焦点調節レンズをレンズ目標位置へ駆動する。

図３は、光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂの上面図である。図３（ａ）に示すように、光電変換素子アレイ２２Ａの表面には、複数の光電変換素子３１を縦方向に配列した光電変換素子列３２Ａが複数存在する。これらの複数の光電変換素子列３２Ａは、上下方向に配置された２つで１つの対を成している。例えば図３（ａ）において、光電変換素子列ａ１とａ２，ｂ１とｂ２，ｃ１とｃ２はそれぞれ１対となっている。図３（ｂ）に示す光電変換素子アレイ２２Ｂについても同様に、複数の光電変換素子３１を横方向に配列した光電変換素子列３２Ｂが複数存在する。これらの複数の光電変換素子列３２Ｂは、左右方向に配置された２つで１つの対を成している。例えば図３（ｂ）において、光電変換素子列ｄ１とｄ２，ｅ１とｅ２，ｆ１とｆ２はそれぞれ１対となっている

光電変換素子アレイ２２Ａ上において、セパレータレンズ２６Ａが、１対の被写体像を光電変換素子列ａ１，ｂ１，ｃ１，…の上と、光電変換素子列ａ２，ｂ２，ｃ２，…の上とに結像させる。同様に、光電変換素子アレイ２２Ｂ上において、セパレータレンズ２６Ｂが、１対の被写体像を光電変換素子列ｄ１，ｅ１，ｆ１，…の上と、光電変換素子列ｄ２，ｅ２，ｆ２，…の上とに結像させる。ＡＦ−ＣＣＤ制御部９はこれらの光電変換素子の出力に基づく演算を行い、デフォーカス演算部１０はＡＦ−ＣＣＤ制御部９による演算結果に基づき、レンズ光学系１のデフォーカス量を算出する。

図４は、光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂ上の光電変換素子列３２Ａ，３２Ｂを結像面１８上で重ね合わせた例を示す図である。図４の結像面１８上には、セパレータレンズ２６Ａにより投影された光電変換素子列３２Ａの像と、セパレータレンズ２６Ｂにより投影された光電変換素子列３２Ｂの像と、が互いに交差する様子が示されている。

図４において、縦方向の光電変換素子列３２Ａが投影された領域では、被写体像の縦方向の位相差に基づく焦点検出を行うことが可能である。同様に、横方向の光電変換素子列３２Ｂが投影された領域では、被写体像の横方向の位相差に基づく焦点検出を行うことが可能である。これら２つの光電変換素子３２Ａ，３２Ｂが重なり合う領域４４では、縦方向および横方向に対する位相差を共に検出することが可能である。

図５は、結像面１８上へ光電変換素子列に代えてフォーカスエリアを配置した例を示す図である。図５では、図３（ａ），（ｂ）のように光電変換素子３１を配列することで、１１９箇所のフォーカスエリア５２を用いた焦点検出が可能となっている。また、これらのフォーカスエリア５２のうち、範囲５３に含まれる５５箇所のフォーカスエリアはクロスエリアである。すなわち、範囲５３に含まれる５５箇所のフォーカスエリアにおいて、縦横いずれの方向に対しても焦点検出を行うことが可能である。

上述した第１の実施の形態による撮像装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）被写体光を方向Ａと方向Ｂとに偏向させると共に、方向Ａに向かった光束を受光する光電変換素子列３２Ａの像と、方向Ｂに向かった光束を受光する光電変換素子列３２Ｂの像と、が結像面１８上において互いに交差するよう構成した。これにより、複数の焦点検出エリアが交差して設けられる焦点検出装置の回路および焦点検出光学系を簡潔にすることができる。

（２）光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂ上には、それぞれ単一の方向に配列された光電変換素子列３２Ａ，３２Ｂが配置される。これにより、フォーカスエリアを増やすために光電変換素子列を増やした場合でも、１つの光電変換素子アレイのサイズを小さく保つことができる。更に、クロスエリアのフォーカスエリアを一次像面上の中央のみならず周辺領域に対しても配置することが可能となる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形例１）
ＡＦ−ＣＣＤ制御部９は、光電変換素子アレイ２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ個別に制御してもよい。例えば、光電変換素子アレイ２２Ａに対応する第１のＡＦ−ＣＣＤ制御部と、光電変換素子アレイ２２Ｂに対応する第２のＡＦ−ＣＣＤ制御部とを設け、デフォーカス演算部１０がこれら２つのＡＦ−ＣＣＤ制御部の出力に基づきデフォーカス量を演算するようにしてもよい。また、これら２つの光電変換素子アレイのいずれか一方にのみ基づく焦点検出を行うことができるようにしてもよい。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１レンズ光学系
７サブミラー
８ＡＦモジュール
２２Ａ，２２Ｂ光電変換素子アレイ
２４コンデンサレンズ
２５ハーフミラー
２６Ａ，２６Ｂセパレータレンズ
１００カメラボディ
２００レンズ鏡筒

Claims

結像光学系を透過した光束を、互いに異なる方向へ向かう第１光束と第２光束とに偏向させる偏向手段と、
前記第１光束による第１の一対の像を形成する第１の再結像光学系と、
前記第２光束による第２の一対の像を形成する第２の再結像光学系と、
光電変換素子が第１の方向に配列された光電変換素子列と光電変換素子が前記第１の方向に配列された光電変換素子列とからなる一対の光電変換素子列が、前記第１の方向に直交する方向に複数対、並置され、前記一対の光電変換素子列が前記第１の一対の像をそれぞれ受光して、前記第１の一対の像に対応する第１の一対の光電変換信号を出力する第１の光電変換素子アレイと、
光電変換素子が第２の方向に配列された光電変換素子列と光電変換素子が前記第２の方向に配列された光電変換素子列とからなる一対の光電変換素子列が、前記第２の方向に直交する方向に複数対、並置され、当該一対の光電変換素子列が前記第２の一対の像をそれぞれ受光して、前記第２の一対の像に対応する第２の一対の光電変換信号を出力する第２の光電変換素子アレイと、
前記第１の一対の光電変換信号に基づきデフォーカス量を算出する第１の演算手段と、
前記第２の一対の光電変換信号に基づきデフォーカス量を算出する第２の演算手段と、を備え、
前記第１の光電変換素子アレイは、光電変換素子が前記第１の方向以外の方向に配列された光電変換素子列を含まず、
前記第２の光電変換素子アレイは、光電変換素子が前記第２の方向以外の方向に配列された光電変換素子列を含まず、
前記第１の再結像光学系による前記第１の光電変換素子アレイの前記複数の光電変換素子列の像と、前記第２の再結像光学系による前記第２の光電変換素子アレイの前記複数の光電変換素子列の像とは、前記結像光学系の結像面上において互いに交差することを特徴とする焦点検出装置。
請求項１に記載の焦点検出装置において、
前記複数の光電変換素子列の像と前記光電変換素子列の像とは、前記結像光学系の結像面上において互いに直交することを特徴とする焦点検出装置。
請求項１または２に記載の焦点検出装置において、
前記第１の光電変換素子アレイは、第１の領域内に前記複数対の光電変換素子列を有し、前記第１の領域外に光電変換素子が前記第１の方向に配列された別の光電変換素子列を更に有し、
前記第２の光電変換素子アレイは、第２の領域内に前記複数対の光電変換素子列を有し、前記第２の領域外に光電変換素子が前記第２の方向に配列された別の光電変換素子列を更に有し、
前記第１の再結像光学系による前記第１の光電変換素子アレイの前記別の光電変換素子列の像と、前記第２の再結像光学系による前記第２の光電変換素子アレイの前記別の光電変換素子列の像とは、互いに交差しないことを特徴とする焦点検出装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
前記第１の光電変換素子アレイの前記光電変換素子列と前記第２の光電変換素子アレイの前記光電変換素子列とは、電気的特性を同じくし、
前記電気的特性は、感度および暗電流の特性のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする焦点検出装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
前記偏向手段は、前記結像光学系を透過した光束の一部を前記第１光束として反射させると共に、前記結像光学系を透過した光束の残りを前記第２光束として透過させる光学部材であることを特徴とする焦点検出装置。
請求項５に記載の焦点検出装置において、
前記反射光の波長と前記透過光の波長との差に応じて前記デフォーカス量を補正する補正手段を更に備えることを特徴とする焦点検出装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、
前記デフォーカス量に応じて前記結像光学系を焦点調節する焦点調節手段と、を有することを特徴とする焦点調節装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、
前記結像光学系による像を撮像する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。