JPH0338570B2

JPH0338570B2 -

Info

Publication number: JPH0338570B2
Application number: JP57034368A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Utagawa
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1982-03-04
Filing date: 1982-03-04
Publication date: 1991-06-11
Also published as: JPS58150920A; US4460260A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、カメラや各種計測装置などに用いら
れる光学結像系の焦点検出装置、特にその焦点検
出装置の受光部の改良に関する。

カメラの撮影レンズや顕微鏡その他各種計測
器。光学装置などに用いられる光学系の対物レン
ズを透過した光を測光して焦点検出を行う装置
が、例えば米国特許第4185197号（日本特開昭54
−159259）公報によつて開示されている。この装
置は、第１図に示されているように、対物レンズ
１の結像面近傍に、複数の微小レンズ２と各微小
レンズの後方に設けられた一対の光電変換素子３
ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ……等から成
る一次元受光素子アレイが配置され、この一次元
受光素子アレイの出力が焦点検出回路６に入り、
焦点検出回路６によつて発生した検出信号が焦点
調節制御回路７を介してモーター８を駆動制御
し、さらにレンズ移動機構９を介して対物レンズ
１を光軸方向に進退させて、物体像が微小レンズ
アレー２と合致したときその移動を停止させ、焦
点調節が完了するように構成されている。ここで
第１Ａ図に示すように各微小レンズ３，４…の後
方に置かれた各一対の光電変換素子の一方の素子
３ａ，４ａ…は、対物レンズ１の射出瞳の第１の
部分（対物レンズ光軸１０より上方の部分）から
来る光束１１，１１′…に関する光像を受光し、
また、他方の素子３ｂ，４ｂ，…は対物レンズの
射出瞳の第２の部分（対物レンズ光軸１０より下
方の部分）から来る光束１２，１２′，…に関す
る光像を受光する。なお、第１Ｂ図は、第１Ａ図
の各微小レンズ３，４…とその後方に配置された
それぞれ１対の光電変換素子３ａ，３ｂ，４ａ，
４ｂ，…とから成るモジユール（以下単に「受光
素子」という。）が一次元的に配列されているこ
とを示している。

上記の公知装置によれば、ａ系列の光電変換素
子３ａ，４ａ，５ａ…およびｂ系列の光電変換素
子３ｂ，４ｂ，５ｂ…からの両光電出力パターン
の相互のずれを焦点検出回路６で検出することに
よつて、対物レンズが前ピン、合焦、後ピンのい
ずれであるかの判定を行うことができる。

第２図は、第１図の一次元受光素子アレイを光
軸方向に見た図であり、第１Ｂ図のような円形開
口の微小レンズが長さｄのピツチで１列に並んで
いる。このような場合に、受光素子アレーの微小
レンズ上に投影された光像パターンが、この受光
素子アレイの微小レンズにより量子化されて、微
小レンズの後方に置かれた各光電変換素子出力の
出力パターンに変換された時、その変換に際して
のMTF（Modulation Transfer Function）はほ
ぼ第３図の実際Ａの如く、上記のピツチｄを空間
周期とする空間周波数＝１／ｄをわずかに含む
ものとなる。ところが、このように光像パターン
をピツチｄで配列された微小レンズを含む受光素
子で光電変換した場合、ナイキスト限界周波数_N
＝１／2dを中心にして対称的な空間周波数即ち
（_N−）と（_N＋）、例えば１／4dと３／4dは
互に分離不可能で、同時に抽出される（ただしＯ
＜＜_N）。

この空間周波数（_N−）の空間格子像が第２
図の受光素子アレイ上で右に動いたならば、その
受光素子アレイからの出力パターンも右に動く
が、空間周波数（_N＋）の空間格子像は第２図
の受光素子アレイ上で右に動くと、その受光素子
アレイからの出力パターンは反対に左に動くよう
に感知される。このことは、光像にナイキスト限
界_N以上の空間周波数成分を含む場合には、光像
の変位に基づく焦点検出に著しい障害をもたらす
ことになる。従つて、光像が_N以上の空間周波数
成分を相対的に多く含む程、間隔ｄで並ぶ微小レ
ンズを通して光電変換素子出力として得られる情
報は不適当なものとなり、この情報を用いて前ピ
ン、後ピン、合焦を演算した結果は非常に検出誤
差の大きい、場合によつては全くでたらめなもの
となる。さらにまた、第２図のようにサンプル領
域間即ち隣接する微小レンズ間に間げきが有る場
合において、投影される光像パターンのエツジが
この間げきを通過する時には、その変位を検出で
きないという不都合を生じる。

本発明は、上記のような従来公知の焦点検出装
置の受光部の欠点を除き、検出に不都合なナイキ
スト限界以上の空間周波数成分を相対的に抑圧
し、また、上記のように光像パターンのエツジが
サンプル領域の間げきに入る確率を小さくするこ
とにより、より検出精度の高い焦点検出装置を提
供することをその目的とする。

以下、添付の図面および実施例に基づいて本発
明を詳細に述べる。

まず第４図乃至第７図によつて本発明の原理を
説明する。第４図および第５図は従来の一次元的
に配列された受光素子アレイ２０上に、それぞ
れ、ナイキスト限界_N＝１／2d以下の空間周波数
₁＝１／4dの空間格子像およびナイキスト限界_N
以上の空間周波数₂＝３／4dの空間格子像が投影
された場合を示し、第４Ａ図および第５Ａ図は、
それぞれ第４図、第５図の微小レンズの下方に設
けられた光電変換素子の出力i₁〜i₆の出力パター
ンを示したものである。また第６図および第７図
においては、３列の受光素子アレー２１，２２，
２３が二次元的に配置されたものを示し、各アレ
イ２１，２２，２３の対応する位置の微小レンズ
からの光電出力は加算される。例えばアレイ２
１，２２，２３の左端に位置する各微小レンズの
光電出力は互に加算される。これ等のアレイ２
１，２２，２３上に上述と同様にそれぞれ、ナイ
キスト限界_N以下の空間周波数₁＝１／4dの空間
格子像と、ナイキスト限界_N以上の空間周波数₂
＝３／4dの空間格子像が投影されている。第６
Ａ図、第７Ａ図は、それぞれ第６図および第７図
の３列受光素子アレイからの合成出力i₁〜i₆の出
力パターを示したものである。

次に、第４図と第６図を、また第５図と第７図
とをそれぞれ比較する。

ナイキスト限界周波数より小さい周波数₁＝
１／4dの空間格子像が投影された場合、第６Ａ
図の合成出力の振幅（ピーク、トウー、ピーク）
は第４Ａ図の出力の振幅の約３倍になつている。
これに対して、ナイキスト限界周波数より大きい
周波数₂＝３／4dの空間格子像が投影された場
合、第１Ａ図の合成出力の振幅と第５Ａ図の出力
の振幅とはほぼ同等である。このことは、第６図
の構成のように、受光素子アレイ２１，２２，２
３を受光素子の配列方向に垂直な方向に並列に配
置し、各アレイの対応位置の受光素子の出力を加
算することによつて、高い空間周波数成分の抽出
効率は低下し、低い空間周波数成分の抽出効率は
増大することを示している。

一般の被写体を統計的に見た場合、受光素子ア
レイの並びの方向（第２図のｘ軸方向）の空間周
期が短い被写体パターンは、受光素子アレイの並
びに直角な方向（第２図のｙ軸方向）の空間周期
も短い場合が多く、ｘ軸方向の空間周期の長いも
のは、ｙ軸方向の変化もゆるやかで、ｙ軸方向の
空間周期も相対的に長い傾向が認められる。その
結果、もし受光素子アレイを複数列用いて、ｙ軸
方向の複数の光電変換素子出力をまとめて１つの
出力とする、つまり、受光部の形状をｙ軸方向に
長くとることにすれば、比較的に高い空間周波数
成分はｙ軸方向で相殺される確率が高い為に抑圧
され、低い空間周波数成分は強調されることにな
る。

また、その受光部に関してｙ軸方向にどの程度
広がりを持たせるのがよいかは、検出される光像
パターンの性質によつて異なるが、例えば比較的
方向性のないパターンが多い場合は、ｘ軸方向に
関して１／4dの空間周波数成分を強調し且
つ１／2dの成分を抑圧するように、ｙ軸方
向の受光部の長さを4dの半分2d程度にするのが
有効である。しかし撮影レンズの場合、写真など
に現われる被写体パターンは縦方向または横方向
に強い方向性を有するものが多いので、ｙ軸方向
の受光部の最適の長さは2d〜4dあるいは6d程度、
即ちｙ軸方向を複数列にする場合の最適の列の数
Ｎは２Ｎ６程度である。

以上の説明では特殊な例を用いて説明したが、
一般的な像を考えた場合においても、検出領域を
ｙ方向に長くすることで、統計的には高次の空間
周波数成分は、低次の空間周波数成分に対して抑
圧される確率が大きくなる。その結果、複数の受
光素子アレイを用いた時のMTFは第３図の点線
Ｂ，Ｃに示すように高い周波数について統計的に
大きく低下する。なお、ＣはＢよりアレイの数を
増加した場合である。また第６図のように縦に合
成される光電素子アレイの数が多い程、より有効
に高次成分が相殺されて都合がよい。しかし、あ
まり多すぎると像ずれの検出に有効な低い空間周
波数成分までも相殺してしまう可能性が生じる。
従つて、受光素子アレイの並びと直角の方向（第
２図のｙ方向）への合成受光域の広がりは、ナイ
キスト限界に対応する空間周期をl_Nとしてl_N〜3l_N
程度が適当である。例えば第４図及至第７図の例
ではl_N＝2dであり、もし、ｑ個目ごとの出力に関
してサンプリングをする、すなわちｑ×ｄおきに
サンプリングする場合にはl_N＝２×ｑ×ｄであ
る。

第８図は、複数の受光素子アレイを二次元的に
用いる本発明の具体的実施例の１つを示すもの
で、第２図のような受光領域に対応した微小レン
ズアレイを４列すなわち第１列１１１〜１１６、
第２列１２１〜１２６、第３列１３１〜１３６、
第４列１４１〜１４６に並べ、各微小レンズの後
方にはそれぞれ１対の光電変換素子を配置したも
のである。微小レンズ１１１に関しては光電変換
素子１１１ａ，１１１ｂが置かれ、第２列目、第
３列目および第４列目の微小レンズに関しては、
それぞれ光電変換素子１２１ａ，１２１ｂ，１３
１ａ，１３１ｂおよび１４１ａ，１４１ｂが置か
れている。これら異なる列の同じ縦の並びの微小
レンズに関する光電変換素子は、例えば第８図の
１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａのよう
に互いに接続されて出力a₁となり、また光電変換
素子１１１ｂ，１２１ｂ，１３１ｂ，１４１ｂも
互いに接続されて出力b₁となる。他の縦の並びに
関しても同様にしてa₂，b₂の如く各出力を発生す
る。符号１００はフイールドレンズであつて、各
微小レンズによる光電変換素子の像が撮影レンズ
の射出瞳上でほぼ一致するように曲率を持たせて
ある。

第９図は、第８図の受光素子アレイの変形例
で、第８図の個々の微小レンズの代りに、互いに
直角に交差する複数の円柱レンズにより構成され
ている点が異なる。円柱軸を縦（ｙ軸方向）にし
て横（ｘ軸方向）に並べた円柱レンズ１０１〜１
０６と円柱軸を横にして縦に並べた円柱レンズ１
０１′〜１０４′は互いに対向して設けられてお
り、各円柱レンズの曲率は、フイールドレンズ部
１００′を通して、それぞれの光電変換素子の像
が撮影レンズの射出瞳上でほぼ一致するように決
定される。

次に、本質的には高次空間周波数成分を抑圧す
ることと等価であるが、複数列の受光素子アレイ
を用いることの別の効果について述べる。

第１０図は、１列に並んだ微小レンズ３０によ
る円形の各受光領域に入射した光エネルギーに比
例した量の光電変換素子出力i₁〜i₄が発生してい
る場合を示し、また第１１図は、それぞれ半分の
ピツチだけ横にずれた２列の受光素子アレイ３
１，３２において、それぞれ縦に連結された２個
の円形受光領域に入射した光エネルギーに比例し
た量の光電変換素子出力i₁′〜i₄′が発生している場
合を示す。第１０Ａ図および第１１Ａ図は、それ
ぞれ第１０図および第１１図の受光領域形状に対
して、左側が明で右側が暗のエツジ像がａの位置
からｂ位置、さらにｃ位置へと移動した場合の出
力i₂，i₃の変化の様子を示したものである。第１
０図のように受光領域の間に間隙Ｓのある場合に
は、エツジ像がこの間を動いても、第１０Ａ図の
ように出力が変化しない、いわゆるデツドゾーン
（dead zone）が存在するので、像の変位を検出
することは不可能である。また一方、第１１図の
如き受光領域を持つ場合には、図のような垂直型
のエツジ像に対しては、エツジ像がどの位置にあ
つても必ずいずれかの受光領域をすぎるので、デ
ツドゾーンの問題は起らず、常にエツジの変位を
検出することができる。ただし第１１図の場合に
おいても、以下に述べる如く、ある角度に傾いた
エツジ像に関してはデツドゾーンが僅かに存在す
る。

第１２図は、エツジ像が傾いている場合のデツ
ドゾーンの様子を示すもので、第１２図ａは１
列、ｂおよびｃは２列、ｄは３列の受光素子アレ
イを示し、それぞれ、Θ₁，Θ₂，Θ₃，Θ₄の角度の
間に入る傾きを持つたエツジ像が投影された場合
には、前述のデツドゾーンが発生する可能性があ
ることを示している。上記の図から明らかなよう
に、これ等の図の例では、Θ₁＞Θ₂＞Θ₃＞Θ₄であ
り、後者ほどデツドゾーンの存在する確率は小さ
く、第１２図ｄにおいては、ほとんど無視し得る
程度である。このように、複数列の受光素子アレ
イにおける光電変換素子出力を合成して用いるこ
とにより、パターンのエツジ像が投影された場合
に生じるデツドゾーンの問題は解消され、より高
い精度の像変位検出が可能となり、従つて、高い
精度の焦点検出が可能となる。

第１４図及至第２０図は、受光素子アレイの二
次元配列の様子を変えた本発明のそれぞれ別の実
施例を示し、微小レンズの位置とその後方に置か
れた光電変換素子の位置およびその接続の仕方を
示したものである。これらの配置は、各列の光電
素子の縦方向の並びを相互に少しくずらすことに
より、１列のみの従来の受光素子アレイを用いて
いる際に生じるデツドゾーンによる検出能力の低
下を防ぐ効果を有する。第１３図は、受光素子ア
レイを２列用い、第１列目と第２列目のアレイを
180゜位相をずらした場合、第１４図および第１５
図は３列用いた場合、第１６図及至第１８図は４
列の受光素子アレイを用いた場合の例を示してい
る。また、各列を構成する受光素子の大きさは、
第１９図に一例を示したように、列ごとに異なつ
ても差支えない。また上記の各図においては、相
互に加算される光電変換素子出力は受光素子を線
で結ぶことによつて示したが、トランスフアーゲ
ート等を用いて、使用する受光領域列の数を可変
にするように構成することも可能である。また上
記のように列の並びを相互に補間するように受光
素子を配置することにより、エツジ像のようなも
のに関しても十分安定した精度の良い検出を行う
ことができる。

なお、上記ように二次元的受光部を複数列の受
光素子アレイにて構成する代りに、第２０図のよ
うな微小円柱レンズアレイ２０１〜２０６をもつ
て構成しても同様の効果が得られる。この場合、
円柱のｙ軸方向の長さをＬとするとＬ≒l_N〜3l_N
程度にすればよい。ただしl_Nはナイキスト限界に
対応する空間周期である。なお、各円柱レンズ２
０１〜２０６の後方にそれぞれ設けられた１対の
線状の光電変換素子a₁，b₁，a₂，b₂，……a₅，b₅
はその円柱レンズの円柱軸に平行に長く形成され
る。

以上の如く本発明によれば、受光素子アレイを
二次元的に配列することにより、像ずれ検出に悪
影響をおよぼすナイキスト限界以上の高次空間周
波数成分をそれ以下の低次空間周波数成分に対し
て相対的に抑圧することが可能となり、より精度
の良い焦点検出が可能となる。また、列の並びを
相互に補間するように受光素子を配置すれば、エ
ツジ像のようなパターンに対しても安定した精度
で検出を行うことが可能である。

このように複数列の受光素子アレイの互に対応
する位置の光電変換素子の出力を合成する為に
は、上述の実施例の如く対応する光電変換素子を
直接に接続する構成の替りに、例えば近代科学社
発行、武石喜幸・香山晋監訳「電荷転送デバイ
ス」の53頁及び54頁に、または特開昭55−29731
公報の第１図に夫々示される様に各光電変換素子
から実際に読出された光電出力を加算する構成と
してもよい。

更に本発明によれば、検出精度をあげる為に受
光素子アレイのピツチを小さくする時に必然的に
生じる光量不足を、列の二次元的な増加で補い、
検出可能な明るさの限界を下げることなく、検出
精度の向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来公知の焦点検出装置の説明図、第
１Ａ図は第１図の受光素子の断面図、第１Ｂ図は
第１Ａ図の平面図、第２図は第１図の受光素子の
配置図、第３図は空間周波数−MTF線図、第４
図、第５図は従来公知の１次元受光素子アレイに
それぞれ異なる空間周期像が投影された状態を示
す平面図、第４Ａ図、第５Ａ図はそれぞれ第４
図、第５図の光電変換素子出力を示す出力線図、
第６図、第７図は本発明の原理を示す３列の受光
素子アレーにおけるそれぞれ異なる空間周期像の
投影された状態を示す平面図、第６Ａ図と第７Ａ
図はそれぞれ第６図および第７図の光電変換素子
出力を示す出力線図、第８図および第９図はそれ
ぞれ本発明の一実施例の斜視図、第１０図は従来
公知の１次元受光素子アレイにエツジ像が投影さ
れたときの平面図、第１１図は本発明の実施例に
エツジ像が投影されたときの平面図、第１０Ａ
図、第１１Ａ図はそれぞれ第１０図および第１１
図の光電変換素子出力線図、第１２図はデツドゾ
ーンの説明図でａは従来公知の受光素子アレーの
デツドゾーン角、ｂ〜ｄは本発明実施例のデツド
ゾーン角を示し、第１３図及至第１９図はそれぞ
れ本発明の受光素子アレイの２次元配列を示す異
なる実施例の平面図、第２０図は、本発明の別の
実施例を示す斜視図である。１……結像レンズ光学系、２，３４，１１１，
１１２…１４６……微小レンズ、８１，８２…，
１０１，１０２…１０６，１０１′，１０２′…１
０４′……微小円柱レンズ、３ａ，３ｂ，４ａ，
４ｂ，５ａ，５ｂ，８１ａ，８１ｂ，…８６ａ，
８６ｂ，１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１
ｂ……１４１ａ，１４１ｂ光電変換素子、１０
０，１００′……フイールドレンズ。

Claims

【特許請求の範囲】１結像レンズ光学系の結像面近傍に一方向に配
列された複数の微小レンズと、各微小レンズの後方に置かれ且つ前記微小レン
ズの配列と同方向に配列された少なくとも一対の
光電変換素子とより成る一次元受光素子アレイを
備え、前記一次元受光素子アレイによつて、前記結像
光学系の焦点位置を検出する焦点検出装置におい
て、前記一次元受光素子アレイと同一平面内に並列
して設けられる別の一次元受光素子アレイを備
え、前記並列に配列された複数の各一次元受光素子
アレイの、それぞれ対応する位置の前記一対の光
電変換素子のうちそれぞれ対応する光電変換素子
の光電出力を合成し、この合成出力によつて前記
結像レンズ光学系の焦点を検出するように構成し
たことを特徴とする焦点検出装置。２上記対応する光電変換素子は互いに電気的に
接続されていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の焦点検出装置。３上記複数並列に配置された一次元受光素子ア
レイのうちの隣接する少なくとも１組の一次元受
光素子アレイは、その一方に対して他方が一次元
受光素子アレイの微小レンズの配置方向に所定量
ずれていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の焦点検出装置。４上記複数並列に配置された各一次元受光素子
アレイの位置的に対応した微小レンズは共通の微
小円柱レンズにより構成され、かつ上記対応微小
レンズの光電変換素子も上記円柱レンズの円柱軸
方向に延びた共通の光電変換素子から構成されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の焦点検出装置。