JPH029323B2

JPH029323B2 -

Info

Publication number: JPH029323B2
Application number: JP13411280A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tanaka; Jukichi Niwa; Mitsutoshi Oowada; Yasuo Ogino; Noboru Yukimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1990-03-01
Also published as: JPS5758110A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、スチールカメラ及びビデオカメラ等
の光学機器に適用される合焦装置を有する光学系
に関するものであり、特にその装置側から被写体
に向けて光を投射し、この時に該被写体から反射
されて来る光を光電的に検知する事により被写体
までの距離を検知する、いわゆる能動型の自動合
焦検出装置を有する光学系に関するものである。結像光学系の被写体に対する合焦状態か否かを
撮影者が介入せずに自動的に検出する方式は周知
の如く、受動式と能動式とに大別される。この内受動式は光導電体の照度対出力比の非線
型性を利用する方式（特公昭41−21710）、空間周
波数の高周波成分を検出する方式（特公昭32−
8346、米国特許第2999436号）、隣接２点のコント
ラストを検知する方式（特公昭42−14096）等が
知られている。この種の方式の最大の欠点は、その検出能力が
被写体自身からの光信号に依存して大きく左右さ
れてしまい、例えば低コントラスト或いは低輝度
の被写体、また低照度下の撮像に対しては合焦検
出が困難に、ないしは不可能となる事である。こ
れに対し、被写体に対し光等を投射し、その被写
体からの反射光を光電的に検出する所謂能動式に
おいては、被写体に対して発した人工的な波長等
の性質が予め判つている発信号を利用するため、
受動式検出方式に於ける上記に示したような欠点
を解消するものである。この能動式の一方式とし
て基線距離計の原理を採用し、投光系と光電受光
系とを所定の基線間隔いわゆる基線長隔てて配置
すると共に、この光電受光系を撮像レンズ系と連
動関係に配する方式（特公昭46−30018）が周知
の方式として在る。しかしながらこの方式におい
ては撮像レンズ系と合焦検出系との間に何らかの
連動機構が必要となり、また原理的に測距精度を
確保するための適当な基線長が必要であり、カメ
ラ等の小型化の大きな障害となるばかりでなく、
その機械精度に検出精度が大きく依存し、検出精
度を劣化させる場合が多々ある。このため、合焦
検出系を撮像レンズの背後に配置し、所謂TTL
方式とすることは殆んど不可能である。また、合
焦検出系を、撮像レンズ内に内蔵する可能性は皆
無である。 TTL（through the lens）で視差の発生しない
能動型自動合焦方式として特開昭54−155832が既
に公知である。該方式の短所は十分な測距範囲及
び測距精度を得るため、十分な光量を投光及び受
光を行なわせしめようとすると、撮像光学系内に
設けるAF用投光受光系の大型化が避けられず、
当然の帰結として全系の大型化となる事である。更に上記特開昭54−155832号では、合焦作用に
おいて、合焦状態を検知する上での誤動作の原因
となるゴーストの発生が生じうる可能性が存在す
る。本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、
カメラ等の光学機器に用いられる能動型の自動焦
点検出装置を、TTL方式で且つまたレンズ系内
部に内蔵されるにも拘わらず、全体としてコンパ
クトな構成となる様な光学系を提供することを目
的とする。本発明の更なる目的は、合焦作用に於いて誤動
作のない上記TTL方式の能動型自動焦点検出装
置を備えた光学系を提供することにある。本発明に係る光学系に於いては、光学系の光路
外に設けられた測距用の光束を発する発光手段か
らの光束を、前記合焦光学部材に導き、且つ被測
定物体である対象物で反射され前記合焦光学部材
を通過して来る光束を、光学系の光路外に設けら
れた受光手段に導く為の導光部材が、全反射を利
用して光束を伝播させる様な部材とすることで、
上記目的を達成せんとするものである。そして、
この導光用の光学部材は、測距用以外の前記対象
物からの光束は、導光用部材を支障なく通過させ
るものである。更に、本発明に於いては、特願昭55−96593号
に示す如く、上記発光手段と受光手段を、光学系
の光軸に対して非対称な位置に設けることによ
り、上記ゴースト光による合焦作用の誤動作を回
避するものである。更に前記導光用光学部材には、測距用の光束を
選択的に反射する様な反射面を設けることによ
り、光学系の光路外から投射した測距用光束を光
路内に導き又、光学系の光路内の測距用光束を光
路外に導くものである。例えば、本発明に係る光学系がスチル或いはズ
ームレンズの如き撮像光学系の様な場合には撮像
光学系のフオーカシングレンズ部より像界側の撮
影光学系内に、前記導光用部材として、その面が
光学系の光軸に垂直になる様に設定された平行平
面ガラスブロツクを配する。撮影用の光束は前記
ガラスブロツクを何等支障なく通過するにも拘わ
らず、発光手段からの測距用の光束は前記ガラス
ブロツクの平行平面で１回以上全反射を受けて撮
影光学系の撮影光路内に到達し、該光路内で、前
記ガラスブロツクに設けられた反射面で反射され
た後、該ガラスブロツクから射出され合焦レンズ
群を通過して被写体に投写される。被写体で反射
された測距用光束は合焦レンズ群を通過した後、
撮影光路内で且つ前記ガラスブロツクに設けられ
た反射面で反射され、前記ガラスブロツクの平行
平面で全反射を受け、撮影光路外に導かれ、撮影
光路外で且つ光学系の光軸に対して前記発光手段
と非対称な位置に設けられた受光手段で検出され
る。上記ガラスブロツクより物界側に設けられた撮
像光学系の部分光学系の予定結像面と共役な位置
で、且つ撮像光学系の外部に発光手段と受光手段
を配置し、該発光手段から測距用光束を前記ガラ
スブロツク及び撮像光学系の一部を通して被写体
に投射し、被写体からの反射光を前記撮像光学系
の一部及びガラスブロツクを介して受光手段に導
き、その時の光電受光器の出力により、光学系に
対する被写体の位置を検知する。本発明の光学系の如く、全反射を利用した導光
用光学部材を用いることにより、導光学用光学部
材を薄いものとすることが出来、更にはこの効果
により、同じ画角を得る場合には前玉径を従来の
光学系に比して小さくすることが可能で全体とし
てコンパクトな光学系が得られるものである。前記発光手段と受光手段を、光学系の光軸に関
して非対称な位置に配することにより、受光手段
に入射する情報光束以外のゴーストやフレアーを
有効に除去するものである。更に別の表現を使え
ば、前記導光用光学部材より物界側の任意の位置
に、光学系の光軸と直交して設けられた平面を考
えると、該平面上での前記発光手段から発せられ
た測距用の光束の中心位置と、前記被検体で反射
され、前記導光用光学部材に向う測距用光束の同
じく中心位置は、前記光学系の光軸に対して点対
称を満足しない様にすることにより、フレアー及
びゴーストを有効に除去するものである。以下、添付図面を用いて本発明を詳述する。まず、第１図を参照し、本発明の基本構成及び
原理を示す。第１図に示す配置構成において１１
はその光軸１２に沿つて合焦に関して調定機能を
有する合焦レンズ群を含むレンズ群、いわゆるフ
オーカシング部、１３はその予定結像面であり、
前玉繰出しの望遠系レンズにおいてはそれ以降像
界側に設けられたレンズ部１４に対する物点、ま
た、ズームレンズ系においてはフオーカス部以降
のレンズ系、通常はバリエータに対する物点であ
る。そして１６は光軸に垂直に設けられたガラス
ブロツクであり、その間に光軸１２に対して所定
の角度を為して斜設配置された半透鏡を有する。
そして１７は発光ダイオード、半導体レーザー等
の発光器である。該発光器より射出した光束はガ
ラスブロツク１５の一端面１８を通過し、ガラス
ブロツクの光軸に垂直な撮像光が通過する面１１
９ないし１１０、または両面１１０，１１９にて
全反射した後、所定の角度にて配置された半透鏡
１６にて反射し、その後、ガラスブロツクの光軸
に垂直な面の内物界側の面１９を通過し、さらに
フオーカシングレンズ部を通して被写体１１１に
投射される。前記発光器１７は、フオーカシング
レンズ１１の予定結像面１３と光学的に共役な位
置にその中心が一致する様設けられる。そして、
前記発光器１７からの発光光束を図示の如くマス
ク１１４で制限することが望ましい。また１１２
はCCD等の光電受光器でであり、該発光体１７
と等価な位置に設けられる。すなわち、被写体１
１１からの反射光はフオーカシングレンズ１１を
通し、該ガラスブロツクの光軸に垂直な面１９を
通過し、斜設された半透鏡１６で反射される。さ
らに光軸に垂直な面１９ないし１１０または両面
１９，１１０にて全反射し、ガラスブロツクの一
端面１８よりガラスブロツクを出射し、該光電受
光器１１２に結像する。尚、上記発光器１８は可
視光以外の波長を発することが望ましい。なんと
なれば撮像光学系の一部を撮像のための光と、測
距用の光とが共用するためである。そして、可視
光以外で通常のガラスを通過する波長域として、
赤外ないし近赤外の光を用うる。そして光電受光
器１１２が、発光器１７より発する波長のみに応
答するように光電受光器１１２の直前に可視光を
遮断し、発光器１７より発する光のみ透過するよ
う波長選択フイルター１１３を設ける事が望まし
い。また、ガラスブロツクの断面１８は発光器１７
より発する光がほぼ垂直にガラスブロツク１５に
入射するように、また被写体より反射する光がほ
ぼ垂直に射出し、光電受光器１１２に入射するよ
うな形状である。なお、撮像光はフオーカス部１１、ガラスブロ
ツク１５を通過後、さらに、それ以降のレンズ部
１４により構成された撮像レンズ系の像面１１４
に結像する。また、ガラスブロツクより物界側のレンズ部１
１のパワーが負またはほぼ０の場合、発光器１７
とガラスブロツク１５との間及びガラスブロツク
１５と光電受光器１１２との間に補助レンズを設
置する事が発光器１７からの被写体への効率よい
投光及び被写体からの反射光の光電受光器１１２
への効率の良い受光をなすものである。なお、第１図に図示されているフオーカス部１
１ガラスブロツクより像界側のレンズ部１４、そ
して補助レンズは収差補正のため複数のレンズで
構成されたレンズ群であることは言うまでもな
い。また、第１図に示されるものはガラスブロツク
の光軸に垂直な面で１回の全反射してガラスブロ
ツクより光を射出させているが、ガラスブロツク
の光軸に垂直な面１９，１１０の両面により全反
射の回数は、２回以上の複数回となることはやぶ
さかでない。さらに、例えば、第１図の系におい
て、端面１８と光電受光器１１２との間ないし／
及び端面１８と発光器１７との間に該測距用の光
波長を反射するミラーを設け、該光電受光器及び
発光器の設置位置を適宜変えることはやぶさかで
ない。また、前述の如く、ガラスブロツクの光軸に垂
直な面及び、該ガラスブロツクより物界側のレン
ズは撮像のための可視光及び測距用の赤外ないし
近赤外光の両者に対して共用するため、その構成
要素の空気接触面に設けられる反射防止膜の特性
は第２図に示す如く、波長が約400〜700nｍの可
視光のみならず約800nｍの波長に対しても有効
に作用するものである。また、ガラスブロツク中に光軸に対して適宜な
角度をなして設けられる半透鏡であるが、該半透
鏡を有するガラスブロツクは可視の撮像光に対し
てなんら作用せず全て透過し測距のための赤外な
いし近赤外光のみ反射する分光特性を有するもの
であり、第３図にその波長特性曲線を示す。次に撮像光は透過させ、測距用の光のみ撮像レ
ンズ系の外部に取り出すガラスブロツクの形状に
関して周知の手法と対称させて詳述する。第４図に示す如く、フオーカス部４１とそれ以
降像画側に配されたレンズ部４２との間にミラー
４３を設けるという周知の手法についてまず考え
る。測距用光束４４を測距精度に鑑み十分多く採
り入れるためには、フオーカス部４１とそれ以降
のレンズ部４２との間隔を十分広く用意する必要
がある。これを具現すると撮像レンズ全系４５の
全長が長大になるばかりでなし、撮像面４６に設
けられるフイルム、撮像管等の撮像体に十分な光
量を確保するため、フオーカス部を有する前玉部
の巨大化を回避する事は不可能となり、全系の小
型化は望めない。光束を十分大きくとり、かつ半
透鏡の光軸となす角（図中のθ）を大きくする
と、光軸近傍の光線がミラーより物界側に設けら
れたレンズ部に当つてしまい実質上、測距用の光
束は小さなものとなつてしまう。逆に半透鏡５３
と光軸となす角を小とすれば、上記欠点は避けら
れるが、この場合、半透鏡を設置する間隔が広大
化し、上述の如く全長の長大化、前玉径の巨大化
となつてしまう。ここで上記欠陥を打破し、設置空間が小なるに
もかかわらず大量の光束を投射ないし受光できる
構成を第１図に示した。本発明によるガラスブロ
ツクについて示す。第５図にガラスブロツクの一形態を示す。５１
は光軸５３に沿つて合焦に関して調定機能、いわ
ゆるフオーカス機能を有するレンズ群であり、５
２は全系の結像点である。そして光軸５３に垂直
な面５７及び５８を有するガラスブロツク５４
は、その内部に光軸５３に対し所定の角θをな
し、撮像光５５を透過させ、かつ測距用の赤外な
いし近赤外光を反射させる半透鏡５６を設ける。
そして、この一形態においては発光器５９を発し
た光はガラスブロツク５４の一端面５１０を通過
後、該ガラスブロツクの光軸に垂直な一面５７に
て全反射し、更に他の一面５８にて全反射した後
半透鏡５６にて反射し、前述の光軸に垂直な一面
５７を透過する。さらにレンズ群５１を通過して
不図示の被写体に達する。被写体よりの反射光は
前述の経路とは逆に、レンズ群５１、ガラスブロ
ツクの一平面５７を通過し、半透鏡５６にて反射
し、その後、ガラスブロツクの光軸に垂直な面５
７及び５８にて全反射後ガラスブロツク端面５１
０より射出し、不図示の光電受光器に到達する。
ここで、ガラスブロツクの光軸に垂直な面５７及
び５８において、結像点５２に達する撮像光は透
過し、一方測距用の光が被写体からの反射におい
てまず平面６７を透過、その後半透鏡で反射後、
今度は全反射を行ない、その後ガラスブロツクの
外部へ導出される条件を示す。一般に全反射とは第６図に示すごとく、屈折率
の異なる媒質６１及び６２の境界面において、該
媒質の内屈折率の高い方より、ここではn₂＞n₁と
する。入射角θなる光６３を入射させた際、通常
反射光６４及び屈折光６５を生じるが、 θ＞sin^-1（n₁／n₂）なる条件を満たすと、もはや屈折光は全く生ぜ
ず、全て反射光となる現象である。第７図に本発明に適するガラスブロツクの詳細
図を示す。すなわち、ガラスブロツク７１は光軸
８２に垂直な２つの面７３及び７４そして光軸８
２の垂線よりθなる角をもつ半透鏡７２及び不図
示の発光器よりの入射面ないし、不図示の光電受
光器への射出の端面７６より構成される。なお、
物界側は図の左側、撮像結像側は図の右方であ
る。また、一般式に、ある光学系を通過した光路は
入射と射出を逆にしても同一の光路をとる。その
ため、本図では入射しない射出の一方のみ示して
ある。ここでは被写体からの反射光をフオーカス
部を経た後、該ガラスブロツクにより光電受光器
へ導くことを収扱う。まず、ガラスブロツク７１の物界側の端面７４
に光軸に垂直に入射する測距に用うる赤外ないし
赤外光線７７を取り扱う。この光線は端面７４へ
入射後、可視光のみ透過し、近赤外ないし赤外光
を反射する半透鏡７５にて反射後、再度、端面７
４に入射角2θにて達する。ここで、この光線は面
８４を通過してはならず全反射するためには、ガ
ラスブロツク７１の屈折率をｎとすると、 θ＞１／２（sin^-1１／ｎ） (1) を満たさなければならない。また、測距用の光束
は光線７７の如く、光軸に平行な光線のみで構成
されているものではなく、光軸より角度で離別
するような光７８、ないしは光軸に角度で向う
如き光線７９をも光束中に存在する。これらに対して、全反射すべき条件はそれぞ
れ、 θ＞１／２（sin^-1１／ｎ−） (2) θ＞１／２（sin^-1１／ｎ＋） (3) である。従つて、全ての光線が端面７４を通過
し、半透鏡７５で反射後再度端面７４で全反射す
るためには、(1)、(2)、(3)式全たを満たす事が必要
である。すなわち、 θ＞１／２（sin^-1１／ｎ＋）を満たすよう、半透鏡７５と光軸の垂線との成す
角θを設ければよい。また、端面７４で全反射し
た光束を射出する端面７６は該光束をほぼ垂直に
通過するよう設ける事が望ましい。また、ここでは物界側の端面７４でのみ、１回
の全反射としたが、第５図で示した如く端面５７
で全反射後さらに像界側の端面５８で全反射をす
るという様に、両端面８３，８４を用いて光束を
探り出す際も、半透鏡の光軸に対する角度θの条
件は不変であることは言うまでもない。上述の如く、ガラスブロツクの物界側の端面は
撮像光を通過、測距光を通過及び全反射なる３つ
の役割をもたしている。また、投光と受光とを同一の半透鏡及びガラス
ブロツクの同一の端面を用いているため、製造の
容易さのみならず、互いに光軸に対して非対称に
配置されているため、発光器から、被写体へ向う
光の一部がガラスブロツク内または、フオーカス
機能を有するレンズ部内で内面反射し、被写体に
到達せせず、光電受光器に向う光、いわゆるゴー
ストの発生を防ぐことが行なえる。以上、詳述した如く、フオーカス機能を有する
レンズ部を含むレンズ部とそれ以降像界側に設置
されたレンズ部との間に上述の如きガラスブロツ
クを設け、投光及び受光を行なう構成とすること
により、小型な能動型の自独合焦検出装置を内蔵
するレンズ系が具現されるものである。第８図に本発明に係る光学系の一実施例の断面
図を示す。ここでＲ１〜Ｒ４８が撮像光学系を
１′〜１３′，１４″〜１９″が投光系、１′〜１
３′，１４′〜１９′が受光系を構成する。そして
Ｒ９及びＲ１０がガラスブロツクであり、１０′
が半透鏡である。そして１３′が投光及び受光の
光束の方向を変えるためのミラー、そしして１
４″〜１９″及び１４′〜１９′それぞれが補助レン
ズである。撮像系の曲率半径Ｒ、肉厚間隔ａ及び
硝材屈折率のデータを表１に、投光系補助レンズ
の曲率半径、肉厚間隔及び硝材屈折率及び投光系
各面の頂点座標及び法線方向余弦を表２に、そし
て同じく受光系のそれらを表３に示す。なお、撮
像系第１面頂点を原点とし、光軸をｘ軸、紙面内
光軸に直交してｙ軸、紙面及び光軸に直交して、
ｚ軸を設けた。また、各系の結像特性を第９図〜
第１３図に示す。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光学系の基本的な構成
を示す為の図、第２図は本発明に係る光学系に於
いて、フオーカス部を有するレンズ群に設ける反
射防止膜の一実施例の分光透過率を示す図、第３
図は、本発明に係る光学系のガラスブロツクに設
ける半透鏡の一実施例の分光反射率を示す図、第
４図は周知の手法にて測距用光束を取り出す方法
を示す図、第５図は本発明に係る光学系に適用す
るガラスブロツクの一実施例での光路を示す図、
第６図は全反射を説明する為の図、第７図は本発
明の光学系に適用するガラスブロツク内での全反
射条件を示す図、第８図は本発明に係る光学系の
一実施例を示す図、第９図、第１０図及び第１１
図は、第８図に示す光学系の各焦点距離に於ける
諸収差を示す図で、第９図はワイド端、第８図は
中間状態、第１１図はテレ端での収差を示す図、
第１２図は第８図に示す光学系の投光系の横収差
を示す図、第１３図は第８図に示す光学系の受光
系の横収差を示す図。１１……フオーカシングレンズ部、１２……光
軸、１３……フオーカシング部の予定結像面、１
５……ガラスブロツク、１６……半透鏡、１７…
…発光器、１１１……被写体、１１２……受光
器。

Claims

【特許請求の範囲】１対物光学系の合焦機能を有する合焦光学部材
を介して発光手段からの光束を対象物体へ向けて
投光し、対物光学系の光軸に関して発光手段と光
学的に非対称な位置関係にある光検出手段で、対
象物体からの反射光を合焦光学部材を介して受光
する構成であつて、対物光学系の結像光束を透過
させる一方、その内部を全反射で光を伝送し、更
に光軸に対して傾斜した光反射面を有する導光用
光学部材を合焦光学部材より像側に設け、発光手
段からの光束を導光用光学部材内で全反射させた
後に、光反射面で反射させて対象物体へ向け、対
象物体からの光束は光反射面で反射させた後に全
反射で導光して光検出手段へ導くことを特徴とす
る焦点検出装置を有する光学系。２前記導光用光学部材は、前記発光手段からの
光束の波長領域を選択的に反射出来る反射面を備
えている特許請求の範囲第１項記載の光学系。３前記光反射面は前記光軸に対して偏倚して設
けられている特許請求の範囲第１項記載の光学
系。