JPH0348484B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は焦点検出装置に係る。この装置は、結
像光学系の焦点面近傍における光像パターンの変
位の量と方向のいずれかまたは双方を光電的に量
子化して検出する。

この種の焦点検出装置は例えば基線長測距方式
がある。この方式では例えば、カメラにおいて撮
影レンズとは異なる２つの測距用光学系の結像面
近傍に２つの光電変換素子アレイを設け、両アレ
イ上に結像した被写体の光像のパターンの相対的
変位を検出し、その変位に基づいて被写体距離を
測定する。

また、別の焦点検出装置の例としてTTL方式
であり、この方式では撮影レンズの異なる瞳部分
を通過した光束による像を一対の光電変換素子ア
レイ上に結像させ、その両アレイ上の光像の相対
的変位によつて被写体距離を求める。この方法の
例としては、特開昭第51−87222号、特開昭54−
104859号、および米国特許第4185191号に開示の
ものがある。

このような焦点検出装置において、光電変換素
子アレイの光電出力には、理想的に被写体輝度分
布による成分に、更にその他の誤差成分が混入す
る場合がある。この誤差成分は空間的にゆるやか
に変動するいわゆる低空間周波数成分等である。
従つて、光電変換素子アレイの光電出力をそのま
ま用いて像変位を検出すると、その検出精度は低
下する。

この検出精度の低下を防止する方法として光電
変換素子アレイに含まれる各光電変換素子の隣接
する素子間の光電出力の差分を演算し、その差分
に基づいて像変位を検出する方法が考えられる。
この方法によると、前記の低空間周波数成分が除
去され或る程度は像変位検出の精度が上がる。

しかしながら、この方法による光電出力の差分
にはまだ過渡的に変動する成分がむしろ強調され
た形で混入し、この差分による出力パターンは光
像の変位に対応してなめらかに変位しない。した
がつて、像変位について充分に高い検出精度を与
えることができないという問題が残る。

本発明は、このような低空間周波数成分による
誤差を完全に除去し、更に光像の変位になめらか
に対応して変位する光電出力を与えそれによつて
高い精度の焦点検出装置を提供することを目的と
する。そのために本発明による焦点検出装置で
は、光電変換素子アレイにおいて一つ以上の光電
変換素子をはさんで隣接する２つの光電素子間の
出力の差分を演算し、その差分に基づいて像変位
を検出します。

最初に、光電変換素子アレイの光電出力をその
まま用いた場合についての、低空間周波数成分に
よる影響について説明する。

第１図はカメラの測距装置に用いられる型の焦
点検出装置の概略を示す。

フイールドレンズ１を通過した被写体光は瞳分
割され、集光レンズ２，３によつて第１次焦点面
上の空中像を光電変換素子アレイ４，５上に再結
像される。レンズ２，３は各々絞り６，７を備え
る。

第１次焦点面近傍に設けられたフイールドレン
ズ１は前記絞り６，７が撮影レンズの瞳位置８に
共役になるように曲率をもたせている。このよう
な条件により撮影レンズの射出瞳が８近傍にある
場合には結像光束をケルことが全く無いので、両
アレイ４，５上の像は重なり合う。この両アレイ
４および５上に結像される両光像パターンを第２
図ａ，ｂで示す。この両パターン間の変位が検出
すべき像変位である。

ところが、撮影レンズを交換することにより、
例えば射出瞳８の位置が９の位置に来ると、第１
図に示すように、光束によつてはその一部（斜線
部）がケラれるいわゆるケラレ効果のためにアレ
イ４上の強度はハ″側で低下し、アレイ５の上で
は反対側イ′の側の強度が低下する。このための
光電変換素子アレイ４，５の光電出力中には第２
図ｃ，ｄで示す低空間周波数成分が混入し、その
結果光電変換素子アレイ４，５の光電出力は第２
図ｅ，ｆに示すように、全く重ならない異なつた
パターンとなつてしまい、両パターン間の変位を
検出することは困難になる。

このようなケラレ効果等による低空間周波数成
分の影響について、以下に更に詳細に説明する。

第３図ａは、光電変換素子アレイ４または５上
に結像した光像の強度分布を示す。もし、低空間
周波数成分が混入しなければ、第４図ａに示すよ
うな均一に１のフイルタ効果が働き、第３図ａに
示す結像パターンがそのまま、光電変換素子アレ
イ４において各光電変換素子a₁〜a_oから光電出力
f₁〜f_oとして出力される。しかしながら、前記に
示したように、ケラレ効果等により、低空間周波
数成分が混入すると、第４図ｂのｇ（ｔ）のよう
な不均一なフイルタが働き、その結果、一方のア
レイ４の光電出力パターンはｆ（ｔ）×g₁（ｔ）と
なり、第３図ｂの実線で示すように変化する。
（点線は光像パターンの強度分布を示す。）。した
がつて、一方のアレイ４上の光電出力パターンは
他方のアレイ５上の光電出力パターン（不図示）
とは全く重ならなくなり、このため両者の相対的
変位を検出することが困難になる。

第４図ｃは、検出光学系壁面の散乱その他の原
因により加算的に働らく誤差成分を示したもので
ある。このような成分が存在するとき、光電変換
素子アレイ４，５の光電出力は、第３図ｃの実線
で示すｆ（ｘ）＋g₂（ｘ）のようになる。このよう
な場合にも、誤差成分の大きさは、一般に両アレ
イ４，５について異なるので、両アレイ４，５の
光電出力パターンが非対称となり重ならなくな
り、両パターン間の相対的変位の検出が困難にな
る。

次に、このアレイ４，５の出力パターンから低
次空間周波数成分を除去するために、アレイ４，
５上において隣接する光電変換素子の出力差分を
用いる方法について説明し、併せて本発明に従つ
て、アレイ上で１つ以上の光電変換素子をはさん
で並置する光電変換素子間の出力差分を用いる方
法について比較して説明する。

尚、以上において言及した“出力差分”とは、
通常の出力差分すなわち光電変換素子の光電出力
をそのまま用いて演算したその出力差のみを意味
するものではない。この“出力差分”は光電変換
素子出力を対数圧縮し、その対数圧縮出力間の差
分を演算した出力差をも意味する。

後者の差分出力は、前者の差分出力との対照に
おいて、むしろ“出力比”と表現した方がより明
確に理解できると思われる。したがつて、以下に
おいて前者を単に“差分出力”、後者を“出力比”
と表現することとする。

まず、ケラレ効果により、第４図ｂのように片
側が（１−Δ）、反対側が（１−Δ−δ）である
ような透過強度を有するフイルターがかかつた場
合を考える。

第３図の光電変換素子アレイ４のｎ番目の光電
変換素子の出力をf_oとして、まず隣接差の演算を
行なわずにそのままの信号を利用する場合につい
て考える。誤差を含まない場合の信号（原信号）
をA_oとするとA_o＝f_oであり、また第４図ｂのフ
イルター効果による誤差を含んだ信号をB_oとす
れば、B_o＝f_o×｛１−（Δ＋ｎ／Ｎδ）｝である。従つ てこの場合のA_oに対するB_oの誤差の大きさは｜
Δ＋ｎ／Ｎδ｜である。次にＰ個隣りの光電変換素 子間の光電出力の比をとつて比較する場合を考え
ると、この場合の原信号はA^P _o＝f_o＋Ｐ／f_o、また
誤差を含む信号B^P _oは B^P _o＝〔f_o+P×｛１−（Δ＋ｎ＋Ｐ／Ｎδ）｝〕／ 〔f_o×｛１−（Δ＋ｎ／Ｎδ）｝〕f_o+P／ f_o×（１−δ／Ｎ・Ｐ）でありA^P _oに対するB^P _oの 誤差の大きさは｜Pδ／Ｎ｜である。このように両者 の場合に関してそれぞれ原信号と誤差を含む信号
の違いの程度を比べてみれば、一般にＰの小さい
ところでは１＞｜Δ＋ｎ／Ｎδ｜＞｜Pδ／Ｎ｜なので
、 近接する出力（Ｐ＝１，２，３）の比をとつた場
合には、誤差を含む信号B^P _oも原信号A^P _oにほとん
ど等しくなつている。すなわち、近接する光電変
換素子の出力の比をとることで、第４図ｂ形の透
過強度フイルターがかかつた場合に対しては、或
る程度誤差を相殺できることがわかる。この例で
は、近接する光電変換素子の比をとるという一般
論を述べたが、後述の理由により隣接出力比より
１つおきの出力の比、２つおきの出力の比の方が
像の動きが滑らかなのでより適当である。

実際の焦点検出装置では、演算をそのまま実行
することは困難なので、対数化して引算を行なえ
ばよい。すなわち、 B^P _o＝l_o｛f_o+P×（１−Δ−ｎ＋Ｐ／Ｎδ）｝− l_o｛f_o×（１−Δ−ｎ／Ｎδ）｝ l_o｛f_o+P／f_o×（１−Pδ／Ｎ）｝ 次に、第４図ｃのように、片側がΔ₀、反対側
がΔ₀＋δ₀なる誤差成分が、本来の信号（第１図
ａ）に加算されている場合を考える。この場合は
原信号A_o＝f_oに対して誤差信号B_o＝f_o＋（Δ₀＋ｎ／Ｎ δ₀） となり、Ｐ個隣りとの差を原信号とすれば、A^P _o
＝f_o+P−f_o、それに対応する誤差信号はB^P _o＝f_o+P
＋（Δ₀＋ｎ＋Ｐ／Ｎδ₀）−f_o−（Δ₀＋ｎ／Ｎδ₀）−
f_o+1−f_o ＋P.δ₀／Ｎとなる。両者の場合に関してそれぞれ原 信号と誤差を含む信号を比べてみる。第５図ａに
原信号A_o＝f_oのパターンが、第５図ｂに隣接差出
力A¹ _o＝f_o+1−f_oのパターンが、第５図ｃに本発明
に従つて１つおきの差出力A² _o＝f_o+2−f_oのパター
ンが示されているが、この例の場合にはA¹ _oの信
号振幅は幾分少ないが、オーダー的にはA_oもA¹ _o
もA² _oも大差がない。これに対してそれぞれ対応
する場合の誤差量はΔ₀＋ｎ／Ｎδ₀、１／Ｎδ₀，２／
Ｎδ₀で あり、（A_o，A¹ _o，A² _oの出力パターンの振幅）≫
Δ₀＋ｎ／Ｎδ₀≫１／Ｎδ₀，２／Ｎδ₀であり、この場
合にも 差出力に関して比べることによつて誤差成分をか
なり除去できることがわかる。

以上特殊な具体例を用いて説明を行なつたが、
一般に原信号に、低空間周波数成分の誤差が含ま
れる場合には、微分相当の演算（この例では、差
分または対数化後の差分）により低空間周波数成
分を除去することで誤差の小さい情報を得ること
が可能である。

ところが、この差分演算が低空間周波数成分除
去の手段として大いに有効であつても、前記のよ
うな隣接差分（場合によつては対数化後の隣接
差）をとることは、後に説明する理由により、あ
まり適切ではない。本発明では、一つ以上の光電
変換素子をはさんで並置した光電変換素子間の差
分出力をとることにより、低空間周波数成分を除
去して、より高い精度の像変位検出を行なう。

焦点検出装置には、隣接する光電変換素子間の
差分演算はあまり適切ではなく、１つおきの光電
変換素子に関する差分（または対数化後の差分）
が適当であることの説明を第６図，第７図，第８
図，第９図を用いて行なう。第６図および第７図
は、光電変換素子幅ｄの光電変換素子アレイ４の
上に1/2dの周波数の強度分布を有するパターン
１０が投影された場合を示している。第７図ａの
１１〜１５は、このようなパターンが少しづつ光
電変換素子アレイ４に対して変位した場合を示し
ており、第７図ｂは各光電変換素子出力a₁〜a₅が
像パターンの移動１１〜１５に対応して変化する
様子を示している。また、第７図ｃは隣接出力差
b_o＝a_o+1−a_o、第７図ｄは１つおきの出力差c_o＝
a_o+2−a_oの変化の様子を示したものである。これ
から判る通り、第７図ｂ，ｃの場合には、この空
間周波数の像パターンの移動に対して光電出力お
よび隣接差分出力パターンは振幅を変えるだけ
で、それらの出力パターンの変位から結像パター
ンの変位を読みとることはできない。第７図ｄの
場合は出力が変化せず、従つてこの空間周波数成
分を完全に除去することができる。第８図ａは少
し周期の長い（空間周期長４ｄ）像パターンが２
１〜２５とその位置を変えた場合を示している。
第８図ｂ，ｃ，ｄはそれぞれアレイ４の光電出力
a_o、隣接差分出力b_o、１つおき差分出力c_oのパタ
ーンを示したものであり、良くみると判るよう
に、像変位２１〜２５に対応してa_o，b_o，c_oの各
パターンも同一方向にその位相を変化させてお
り、逆にa_oまたはb_oまたはc_oの位相の変位を調べ
ることにより像の変位を知ることが可能である。
次に、第９図ａの３１〜３５のような像パターン
（空間周期長が２ｄのものと４ｄのものとの合成
パターン）の変位の場合を調べてみると、光電出
力a_o（第９図ｂ）および隣接差分出力b_o（第９図
ｃ）は像変位に伴なう出力パターンの動きが滑ら
かでないが、（３１〜３３までほとんど動かず３
４〜３５で急に変化する）、１つおきに並置した
光電変換素子の出力差の出力a_o（第９図ｄ）は位
相が比較的滑らかに移動しており、これから像パ
ターンの変位を比較的精度良く演算することが可
能である。このように出力パターンの動きが滑ら
かでなくなるのは、像の中に含まれる空間周波数
が１／2dよりも高い成分の存在によるのである。
第１０図は光電変換素子の間隔がｄの光電変換素
子アレイ４を示したものであり、素子の間隙が小
さい場合には、解像力を表わすMTFは素子の感
度分布により幾分異なるが、概略、第１１図のご
とくなる。ここで空間周波数が１／2dより大きいと ころの情報（いわゆるナイキスト限界以上の周波
数に相当する）は、像の移動に伴なう出力の滑ら
かな移動を妨げる作用を持つている。ところで、
隣接差を計算することは第１２図ａの実線の示す
ような空間周波数に関する情報を主に抽出するこ
とに相当し１／2dの成分を多く含むので像の移動に 伴なう出力のなめらかな移動が妨げられる場合が
多い。一方、１つおきの差を計算する場合には第
１２図ｂのように１／4dの空間周波数成分を中心に 抽出することに相当し、不都合な振舞いをする
１／2d以上の空間周波数成分の抽出効率が低いの で、結果として、この場合には像の移動に伴なう
出力パターンの比較的なめらかな移動が得られ
る。２つおきの差分を計算する場合には、第１２
図ｃのように１／6dの空間周波数成分を主に抽出し ているので、この成分に関しては出力のなめらか
な移動が期待されるが、同時に１／2dの成分も或る 程度抽出しているので、この影響も少し受けるこ
とになる。即ち、第１１図において、０近傍の空
間周波数成分では焦点検出の誤差が多くなり、ま
た０より大きく１／4d前後までの空間周波数成
分では像の移動に伴う出力パターンが滑らかに移
動するので焦点検出に適しており、また１／2d
前後及びそれ以上の空間周波数成分では像の移動
に伴う出力パターンが滑らかに移動せず、焦点検
出に不適当である。そして第１２図ａの隣接差分
を用いたものでは、１／2d前後及びそれ以上の
空間周波数成分を多く抽出するのに対して、第１
２図ｂ，ｃでは０より大きく１／4d前後までの
空間周波数成分を多く抽出するように成つている
ことが分かり、同図ａに比べて焦点検出に適した
ものとなつている。尚、３つおき以上の差分出力
でも同様に０より大きく１／4d前後までの空間
周波数成分を多く抽出するので、焦点検出に適し
ている。

以上のように、各光電素子アレイにおいて、光
電変換素子の１つおき以上の差分出力をとること
が好ましいと言える。また、１つおきの差分出力
では１／2dの空間周波数成分がほぼ０となるの
で最も好ましい。

次に、本発明の実施例について説明する。第１
３図はリアルタイム並列演算の場合であり、光電
変換素子アレイ４の出力はバツフアアンプb₁〜b_o
に導かれる。この場合、帰還回路c₁〜c_oとしては
通常抵抗やダイオード（log変換するとき）等が
用いられる。バツフアアンプb₁〜b_oの出力は、差
動回路d₁〜d_oにより１つおきの光電変換素子出力
に関して差動演算が行なわれる。この後の像変位
検出のための演算法に関しては、第１４図のよう
にフーリエ変換後の位相を比較してもよいし（特
開昭第54−104859号）、第１５図のように相関演
算を行なつてもよい（特開昭第54−87222号）。

光電変換素子アレイ４からの出力が時系列化し
て出てくる場合には第１６図のごとく遅延回路５
５，５６，５７および差動回路５８を用いて、１
つおいて前の出力との差動演算を行なえばよい。
そのような例を第１７図，第１９図に示す。第１
７図において、一定の蓄積時間の後に、光電変換
素子アレイ４，５の光電出力による電荷はシフト
パルスによりCCD転送部６０に送られ、その電
荷は順次転送されて、CCD転送部の端に設けら
れた端子付転送部６１に送られて、差動回路５８
により１つおきの光電変換素子出力に関する差分
演算が行なわれ、その出力がＡ／Ｄ変換部６３に
よつてデイジタル信号に変換され変位演算部６４
に入力される。尚、演算部６４は記憶素子を備
え、この記憶素子は最初に演算部６４に送られて
きたアレイ５の光電出力による信号を一時記憶す
る。次に、アレイ４の光電出力による信号が演算
部６４に送られこのアレイ４の信号と一時記憶さ
れたアレイ５の信号とについて両信号が演算処理
され、アレイ４および５上の光像間の変位が検出
される。端子付CCD転送部６０の様子を第１８
図に示す。このCCD転送部６０は３相のクロツ
クで動作する。第１７図５の光電素子アレイから
の出力a₁〜a_Nおよび４の光電素子アレイからの出
力b₁〜b_Nは順次端子付CCD転送部６１にa₁〜a_Nb₁
〜b_Nの順に転送される。この端子付CCD転送部
は第１８図のように位相φ₁でP₁₁，P₂₁，P₃₁，P₄₁
のゲートが、また位相φ₂でゲートP₁₂，P₂₂，P₃₂
が、位相φ₃でゲートP₁₃，P₂₃，P₃₃が駆動されて
いる。１つおいた光電変換素子に関する情報電荷
を読み出すために、間に１段分の転送段（P₂₁〜
P₂₃）をあけて、P₁₃とP₃₃をフローテイングゲー
ト構成となし、この段に入つた電荷量に応じてバ
ツフアアンプ６５，６６のゲート電位をコントロ
ールする。バツフアアンプ６５，６６の出力電位
は差動アンプ５８により差動演算され、CCDの
転送とともに、１つおきの差出力が差動アンプ５
８の出力に現われることになる。

第１９図はデジタル的に１つおきの差分の演算
を行なう場合であり、光電変換素子４，５からは
時系列化された光電出力が交互にＡ／Ｄ変換部６
３に転送される。例えば、8bitにＡ／Ｄ変換され
たアレイ４，５の光電出力による信号は、シフト
パルスにより8bitシフトレジスター７０に転送さ
れ、Ａ／Ｄ変換部６３は次の信号のＡ／Ｄ変換を
開始する。シフトレジスター７０からはLSBbit
から順次8bit信号が次段の8bitシフトレジスター
７１に転送され、さらに、次の各8bitシフトレジ
スター７２，７３，７４へと順次転送される。こ
の場合、２つのアレイ４，５からの出力を交互に
サンプルしているので、一方のアレイ４，５の１
つおきの光電変換素子出力は、シフトレジスター
７０〜７４で3data分間をおいて格納されている
ことになる。したがつて、シフトレジスター７０
およびシフトレジスター７４から順次LSBから
転送される信号を減算部７５により差動演算を行
なうことにより、一方の光電変換素子アレイ４上
で１つ間をおいた光電変換素子に関する差出力を
両方のアレイ４，５に関して交互に得ることがで
きる。このようにして得られた１つおき差の出力
パターンは演算部６４により、その変位の量と方
向の一方または双方が演算される。

以上のように、本発明の焦点検出装置による
と、滑らかな焦点検出出力が得られるので、検出
精度を著るしく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、焦点検出装置を測距装置に応用した
場合の概略を説明する図、第２図は、第１図示の
装置の出力を示す図、第３図ないし第５図，第７
図ないし第９図，第１１図および第１２図は、像
変位検出の信号を示す図、第６図および第１０図
は、光電変換素子アレイを示す図、第１３図ない
し第１９図は、本発明の実施例の像変位検出装置
を示す図である。 主要部分の符号の説明、結像光学系…１，２，
３、光電変換素子…４，５、光電変換素子…a₁，
a₂…a_N、差分演算手段…６１、変位検出手段…６
４、光電変換素子…a₁，a₂…a_o、光電変換素子ア
レイ…４，５。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 空間的に視差を有する２像を形成する光学手
   段と、各々複数の受光素子を有し、前記２像をそ
   れぞれ受光し光電変換する第一，第二光電変換素
   子アレイとを備え、 前記第一，第二光電変換素子アレイの各光電変
   換出力に関連する第一，第二の複数の画像出力に
   基づいて前記２像の相対的ズレ量を求め、これに
   基づいて焦点検出を行う焦点検出装置において、 前記２像のうち一方の像に関する前記第一の複
   数の画像出力に基づいて、１つ以上の画像出力を
   間に挟んだ２つの画像出力間の差分あるいは比を
   順次求め、複数の該差分出力あるいは比出力から
   成る第一画像データを出力し、また前記２像のう
   ち他方の像に関する前記第二の複数の画像出力に
   基づいて、前記１つ以上の画像出力を間に挟んだ
   ２つの画像出力間の差分あるいは比を順次求め、
   複数の該差分出力あるいは該比出力からなる第二
   画像データを出力する演算手段を有し、 前記第一画像データと前記第二画像データとか
   ら前記２像の相対ゾレ量を求め、これに基づいて
   焦点検出を行うことを特徴とする焦点検出装置。 ２ 前記複数の画像出力は、前記複数の光電素子
   からの光電出力、あるいは前記光電出力に加工を
   加えた加工出力であ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 特許請求の範囲第１項に記載の像変位検出装
   置において、 前記光電変換手段は、それぞれ前記焦点面近傍
   の異なつた位置にある第１の光電変換素子アレイ
   および第２の光電変換素子アレイを含み、 前記差分演算手段は前記第１の光電変換素子ア
   レイから第１差分出力を前記第２の光電変換素子
   アレイから第２差分出力を得、 前記変位検出手段は、前記第１差分出力と前記
   第２差分出力とに基づき第１および第２の光電変
   換素子アレイ上に結像した像間の相対的変位の量
   と方向との少なくとも一方を検出することを特徴
   とする像変位検出装置。