JPH09184967A - 焦点検出装置及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 撮影画面又は観察画面上の広い範囲に渡り２
次元的、連続的に複数の領域で焦点検出を可能とする焦
点検出装置及びそれを用いた光学機器を得ること。 【解決手段】 対物レンズの像面側に設けた光学手段に
より該対物レンズの瞳の分離した複数の異なる領域を通
過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を
形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の
素子より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子
からの信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影視野
内の１つ又は複数の領域において求める際、該光学手段
は該対物レンズからの光束を反射させて所定面上に被写
体像を形成する集光性の反射鏡Ｍと、該所定面上に形成
された被写体像を該光電変換素子面上に再結像する２次
結像系を有し、該反射鏡Ｍは回転対称軸を有しない反射
面より構成していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は写真用カメラやビデ
オカメラ、そして観察装置等に好適な焦点検出装置及び
それを用いた光学機器に関し、特に対物レンズ（撮影レ
ンズ）の瞳を複数の領域に分割し、各領域を通過する光
束を用いて複数の被写体像（物体像）に関する光量分布
を形成し、これら複数の光量分布の相対的な位置関係を
求めることにより、対物レンズの合焦状態を撮影範囲中
の広い領域にわたり２次元的又は連続的に複数の領域に
対して検出する際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より対物レンズを通過した光束を利
用した受光型の焦点検出方式に所謂像ずれ方式（位相差
検出方式）と呼ばれる方式がある。

【０００３】図２１は従来の像ずれ方式を用いた焦点検
出装置の光学系（光学機器）の概略図である。図中１０
１は撮影を行うための対物レンズ（撮影レンズ）、１０
２は半透過性の主ミラー、１０３は焦点板、１０４はペ
ンタプリズム、１０５は接眼レンズ、１０６はサブミラ
ー、１０７はフィルム（感光面）、１０８は焦点検出装
置をそれぞれ示している。

【０００４】同図において、不図示の被写体からの光束
は対物レンズ１０１を透過後、主ミラー１０２により上
方に反射され、焦点板１０３上に被写体像を形成する。
焦点板１０３上に形成された被写体像はペンタプリズム
１０４による複数回の反射を経て接眼レンズ１０５を介
して撮影者又は観察者によって視認される。

【０００５】一方、対物レンズ１０１から主ミラー１０
２に到達した光束のうちの一部は主ミラー１０２の透過
部を透過し、サブミラー１０６により下方に反射され焦
点検出装置１０８に導かれる。

【０００６】図２２は焦点検出の原理を説明するために
図２１における対物レンズ１０１と焦点検出装置１０８
のみを取り出し、展開して示した説明図である。

【０００７】図２２の焦点検出装置１０８内において、
１０９は対物レンズ１０１の予定焦点面即ちフィル面１
０７と共役な面付近に配置された視野マスク、１１０は
同じく予定焦点面の付近に配置されたフィールドレン
ズ、１１１は２つのレンズ１１１−１，１１１−２から
なる２次結像系、１１２は２つのレンズ１１１−１，１
１１−２に対応してその後方に配置された２つのセンサ
列１１２−１，１１２−２を含む光電変換素子、１１３
は２つのレンズ１１１−１，１１１−２に対応して配置
された２つの開口部１１３−１，１１３−２を有する絞
り、１１４は分割された２つの領域１１４−１，１１４
−２を含む対物レンズ１０１の射出瞳をそれぞれ示して
いる。

【０００８】尚、フィールドレンズ１１０は、絞り１１
３の開口部１１３−１，１１３−２を対物レンズ１０１
の射出瞳１１４中の領域１１４−１，１１４−２の近傍
に結像する作用を有しており、射出瞳１１４の各領域１
１４−１，１１４−２を透過した光束１１５−１，１１
５−２が２つのセンサ列１１２−１，１１２−２にそれ
ぞれ被写体像に関する光量分布を形成するようになって
いる。

【０００９】図２２に示す焦点検出装置は一般的に位相
差検出方式（像ずれ方式）と呼ばれているもので、対物
レンズ１０１の結像点が予定焦点面の前側、即ち対物レ
ンズ１０１側にある場合には２つのセンサ列１１２−
１，１１２−２上にそれぞれ形成される被写体像に関す
る光量分布が互いに近づいた状態となり、逆に対物レン
ズ１０１の結像点が予定焦点面の後側、即ち対物レンズ
１０１と反対側にある場合には２つのセンサ列１１２−
１，１１２−２上にそれぞれ形成される被写体像に関す
る光量分布が互いに離れた状態となる。

【００１０】しかも２つのセンサ列１１２−１，１１２
−２上に形成される被写体像に関する光量分布のずれ量
は対物レンズ１０１のディーフォーカス量即ち焦点はず
れ量とある関数関係にあるのでそのずれ量を適当な演算
手段で算出することにより、対物レンズ１０１の焦点は
ずれの方向と量を検出している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図２１に示す従来の焦
点検出装置を組み込んだ光学機器においては、焦点検出
に必要な光束をサブミラー１０６を介して焦点検出装置
１０８に導いている。このため、撮影範囲中の焦点検出
が可能な領域の範囲はサブミラー１０６の大きさ（面
積）によって規制されてしまう。サブミラー１０６は主
ミラー１０２との配置関係から特に上方に拡張すること
が難しく、従ってフィルム１０７上の上方、即ち被写体
側では下方方向に焦点検出可能な領域を拡大することが
できなかった。

【００１２】図２１においてサブミラー１０６の面積を
主ミラー１０２と干渉することなく大きくするためには
サブミラー１０６を後方に移動する方法が考えられる。
しかしながらこの場合、サブミラー１０６を反射した後
に形成される対物レンズ１０１の予定焦点面の位置が上
方に移動するため、予定焦点面と焦点検出系１０８との
距離が離れ、焦点検出装置１０８内のフィールドレンズ
（図１２のフィールドレンズ１１０）をかなり大きくす
る必要がある。これはカメラ底部に焦点検出系を配置す
る上で大きな障害となる。

【００１３】上方に移動した予定焦点面に対してフィー
ルドレンズを大型化させないためには予定焦点面にあわ
せてフィールドレンズを上方に移動すればよいが、こう
するとフィールドレンズが撮影光束を遮ってしまい、撮
影の際にフィールドレンズを撮影光束外に退避する必要
がある。これを実現するには機械的構造が非常に複雑に
なり、コストもかかる上、従来の焦点検出装置と同等の
精度を維持することが困難となる。

【００１４】一方、従来の焦点検出装置に用いられてい
る光電変換素子としては主にラインセンサを用いてお
り、実質的に焦点検出が可能な領域は撮影範囲中の点又
は線状のごく限られた領域にすぎなかった。

【００１５】従来の焦点検出装置においても複数の焦点
検出系を持ち、複数の領域で焦点検出を可能としたもの
もあるが、各焦点検出領域はそれぞれ孤立しており、各
焦点検出領域の中間部にある被写体に対しては焦点をあ
わせることができなかった。

【００１６】本発明は、対物レンズ（撮影レンズ）の像
面側に設ける焦点検出用の光学手段の各要素を適切に設
定することにより撮影視野内の上下左右方向の任意の領
域で又は／及び複数の領域で特に撮影範囲中の上方に焦
点検出可能な領域を拡張すると共に、連続した２次元領
域内の任意の点においても焦点検出を高精度に行うこと
ができる焦点検出装置及びそれを用いた光学機器の提供
を目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の焦点検出装置
は、 （１−１）対物レンズの像面側に設けた光学手段により
該対物レンズの瞳の分離した複数の異なる領域を通過し
た光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成
し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の素子
より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子から
の信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影視野内の
１つ又は複数の領域において求める際、該光学手段は該
対物レンズからの光束を反射させて所定面上に被写体像
を形成する集光性の反射鏡Ｍと、該所定面上に形成され
た被写体像を該光電変換素子面上に再結像する２次結像
系を有し、該反射鏡Ｍは回転対称軸を有しない反射面よ
り構成していることを特徴としている。

【００１８】特に、 （１−１−１）前記光電変換素子は２次元配列のエリア
センサより成っていること。

【００１９】（１−１−２）前記２次結像系は１対のレ
ンズを複数組有していること。

【００２０】（１−１−３）前記対物レンズの瞳の分離
した複数の異なる領域は分離方向が異なっているものが
含まれていること。

【００２１】（１−１−４）前記対物レンズの瞳の分離
した複数の異なる領域は分離距離が異なっているものが
含まれていること。

【００２２】（１−１−５）前記対物レンズの瞳の分離
した複数の異なる領域は分離領域の形状が異なっている
ものが含まれていること。

【００２３】（１−１−６）前記１対のレンズの複数組
により焦点検出を行う領域の大きさ、形状は互いに異な
っているものが含まれていること。

【００２４】（１−１−７）前記反射鏡Ｍ及び／または
前記反射鏡Ｍａは、その反射領域を規制する規制手段を
有すること。

【００２５】（１−１−８）前記光電変換素子は結像す
る像の歪みに沿った形状の遮光手段を有すること。

【００２６】（１−１−９）前記光電変換素子の面に対
する法線が光軸に対して傾いていること。

【００２７】（１−１−１０）前記２次結像系の入射瞳
と前記対物レンズの瞳とは略共役関係となっているこ
と。

【００２８】（１−１−１１）前記反射鏡Ｍは前記対物
レンズによって形成される被写体像を前記所定面上に縮
小結像させていること。等、を特徴としている。

【００２９】（１−２）対物レンズの像面側に配置した
光学手段により該対物レンズの瞳の異なる領域を通過し
た光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成
し、該複数の光量分布の相対的な位置関係をエリアセン
サーより成る受光手段により求め、該受光手段からの出
力信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の
複数の領域に対して求める際、該光学手段は該対物レン
ズの予定結像面よりも物体側に該対物レンズの光軸に対
して偏心させた集光性の回転対称軸を有しない反射鏡に
より所定面上に被写体像を形成し、該所定面上に形成し
た被写体像を反射鏡Ｍａで反射させて絞りを介して２次
結像系により該受光手段に再結像させると共に該対物レ
ンズの瞳位置と該２次結像系の入射瞳位置が共役関係と
なるように構成していることを特徴としている。

【００３０】本発明の光学機器は、構成要件（１−１）
又は（１−２）の焦点検出装置を用いて撮像手段面上に
被写体像を形成していることを特徴としている。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の焦点検出装置をカ
メラ等の光学機器に適用したときの実施形態１の要部概
略図、図２は図１の焦点検出装置を構成する主要部分の
要部概略図である。

【００３２】図中１０１は対物レンズ、１は対物レンズ
１０１の光軸、２はフィルム（撮像面）、３は対物レン
ズ１０１の光軸１上に配置された半透過性の主ミラー、
１０３は焦点板であり、対物レンズ１０１による被写体
像が主ミラー３を介して結像している。１０４はペンタ
プリズム、１０５は接眼レンズであり、焦点板１０３上
の被写体像を観察している。

【００３３】４は対物レンズ１０１の像面側に光軸１上
に対して斜めに配置された第１の反射鏡である。５は第
１の反射鏡４によるフィルム２に共役な近軸的結像面で
被写体像が結像している。６は第２の反射鏡、７は赤外
カットフィルター、８は２つの開口８−１，８−２を有
する絞り、９は絞り８の２つの開口８−１，８−２に対
応して配置された２つのレンズ９−１，９−２を有する
２次結像系、１０は第３の反射鏡、１１は２つのエリア
センサ１１−１，１１−２を有する光電変換素子（受光
手段）をそれぞれ示している。第１の反射鏡４，第２の
反射鏡６，そして２次結像系９等は光学手段の一要素を
構成している。

【００３４】本実施形態における第１の反射鏡４は集光
性の曲率を有し、絞り８の２つの開口８−１，８−２を
対物レンズ１０１の射出瞳１０１ａ付近に投影するよう
にしている。

【００３５】また第１の反射鏡４は必要な領域のみが光
を反射するようにアルミや銀等の金属膜が蒸着されてい
て、焦点検出を行う範囲を制限する視野マスク（規制手
段）の働きを兼ねている。他の反射鏡６，１０において
も光電変換素子１１上に入射する迷光を減少させるた
め、必要最低限の領域のみが光反射用として蒸着されて
いる。各反射鏡は反射面として機能しない領域に光吸収
性の塗料等を塗布したり、遮光部材を近接して設ける等
の規制手段を施すようにしている。

【００３６】図３は図１の絞り８の平面図である。絞り
８は横長の２つの開口８−１，８−２を開口幅の狭い方
向（撮影範囲の上下方向）に並べた構成となっている。
図中点線で示されているのは、絞り８の開口８−１，８
−２に対応して、その後方に配置されている前記２次結
像系９の各レンズ９−１，９−２である。

【００３７】図４は光電変換素子１１の平面図であり、
図１で示した２つのエリアセンサ１１−１，１１−２は
この図に示すように２次元的に複数の画素を配列した２
つのエリアセンサ１１−１，１１−２を並べたものであ
る。

【００３８】以上の構成において、図１の撮影レンズ１
０１からの２つの光束１２−１，１２−２は主ミラー３
を透過後、第１の反射鏡４により、ほぼ主ミラー３の傾
きに沿った方向に反射され、近軸的結像面５に被写体像
を形成している。このとき第１の反射鏡４は近軸的結像
面５上に撮像面２に形成される被写体像を縮小結像する
ようにしている。近軸的結像面５に形成した被写体像か
らの光束は第２の反射鏡６により反射して再び方向を変
えた後、赤外カットフィルター７、絞り８の２つの開口
８−１，８−２を経て、２次結像系９の各レンズ９−
１，９−２により集光され、第３の反射鏡１０を介して
光電変換素子１１のエリアセンサ１１−１，１１−２上
にそれぞれ到達する。

【００３９】図中の光束１２−１，１２−２はフィルム
２の中央に結像する光束を示したものであるが、他の位
置に結像する光束についても同様の経路を経て、光電変
換素子１１に達し、全体として、フィルム（撮影範囲
中）２上の所定の２次元領域に対応する光電変換素子１
１の各エリアセンサ１１−１，１１−２上に被写体像に
関する２つの光量分布が形成される。

【００４０】本実施形態では、第１の反射鏡４，第２の
反射鏡６，そして第３の反射鏡１０のうち少なくとも１
つを回転対称軸を有しない反射面より構成している。

【００４１】また本実施形態においては２次結像系９の
入射側の面（第１面）９ａを凹面形状とすることで、２
次結像系９に入射する光が無理に屈折されることがない
ようなレンズ構成とし、光電変換素子１１上の２次元領
域の広い範囲にわたって良好で一様な結像性能を確保し
ている。

【００４２】このようにして得られた被写体像に関する
２つの光量分布に対して、従来の像ずれ方式の焦点検出
方法として説明したと同様の原理に基づき、分離方向即
ち図４に示す２つのエリアセンサ１１−１，１１−２の
上下方向の相対的位置関係をエリアセンサ１１−１，１
１−２の任意の複数の素子より成る各位置で算出するこ
とで対物レンズ１０１の焦点状態を２次元的に撮影範囲
中の任意の領域で検出している。尚、第１の反射鏡４
は、撮影に際し、主ミラー３と同様に撮影光路外に退避
させている。

【００４３】ここで注意すべきことは、第１の反射鏡４
の結像に伴う近軸結像面５及び光電変換素子１１上にお
ける被写体像の歪みである。前述した通り、第１の反射
鏡４は絞り８の２つの開口８−１，８−２を対物レンズ
１０１の射出瞳１０１ａ付近に投影する収束性のパワー
を有し、光軸１に対し傾いて設けられているため、通常
の球面で構成したときには、その結像面５において非対
称性の大きな歪曲収差が発生する。

【００４４】図５は対物レンズ１０１によりフィルム２
上に矩形の格子図形が結像された場合に、第１の反射鏡
４を球面で構成したときに、それにより同格子図形が図
２における結像面５上にどのように歪んで結像されるか
を示した平面図であり、上方が図２の主ミラー３側であ
る。

【００４５】本実施形態においては、こうした像の歪み
の発生を極力抑えるために、第１の反射鏡４の光軸２４
との交点における法線と光軸２４のなす角をできるだけ
小さくし、反射された光束がほぼ主ミラー３に沿う方
向、即ちできるだけ前方に反射されるように構成されて
いる。従って、光軸に沿って入射する光線とその反射光
線の成す角は鋭角である。第２の反射鏡６は、前方に反
射された光束を２次結像系９に導くために設けられたも
のである。

【００４６】図５に示すように、フィルム２上で矩形状
に形成される図形は第１の反射鏡４が球面のときには、
その結像面５上においては上方が狭く、下方が広い扇形
状に結像される。この状態のまま２次結像系９により光
電変換素子１１上に再結像すると、光電変換素子１１上
においても歪んだ像が形成されることになる。

【００４７】図６はその状態を示した光電変換素子１１
の平面図であり、エリアセンサ１１−１，１１−２に対
して矩形が像１３−１，１３−２に示すように歪んだ像
として形成される。

【００４８】エリアセンサは図６のエリアセンサ１１−
１，１１−２として示すように、矩形の画素を縦横に規
則正しく並べて構成するのが一般的であり、外形も通常
矩形状となっている。これに対し、同図に示すような歪
んだ像１３−１，１３−２が形成されるということは、
矩形の２つのエリアセンサ１１−１，１１−２のフィル
ム２上への逆投影像が逆に歪んだ形状となり、焦点検出
を行う視野が周辺部において傾くことを意味する。視野
の傾きが大きいときには焦点検出を行う際に非常に使い
づらいものになってくる。

【００４９】この問題を解決するため、本実施形態にお
いては、第１の反射鏡４を球面とはせず、回転対称軸が
存在しない反射面で構成している。本実施形態において
用いた第１の反射鏡４の表面形状を表す一般式を以下の
式（１）に、また式（１）中のＰｉ（ｙ，ｚ）の具体的
な表現式を表１に示す。

【００５０】

【数１】 である。

【００５１】式（１）の第１項は半径Ｒの球面を表して
おり、第２項はゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）の多項式と
呼ばれているものである。また第３項Δは面の中心での
ｘ座標を０（零）とするための補正項であり、以下の式
で表される。

【００５２】 Δ ＝ −Ｃ₃ ＋Ｃ₈ −Ｃ₁₅＋Ｃ₂₅−Ｃ₃₅ ‥‥（３） 本実施形態における式（１）中の各係数Ｃｉの値を表２
に示す。尚、表２の各係数は図１の第１の反射鏡４に付
された座標系１４に対するものである。

【００５３】図７は本実施形態の第１の反射鏡の表面形
状のうち、式（１）で表される第１項の球面を除いた部
分の形状を図２の座標系１４のｘ座標軸の正の方向から
見た時の鳥瞰図を示したものである。

【００５４】図７から明らかなように、第１の反射面４
の表面形状は、図２に示す焦点検出系の対称性に起因す
る、ｘｙ平面に対する対称性はあるものの、回転対称と
なるような回転軸は存在しない。

【００５５】図８は第１の反射鏡４に本実施形態の表面
形状を適用した場合の図６に対応する光電変換素子１１
上の矩形像１３−１，１３−２を示したものである。光
電変換素子１１上のエリアセンサの位相差を検出する列
方向（上下方向）に対する傾斜が補正されていることが
わかる。これと直交する方向には歪みが残っているが、
歪みの影響を受けるセンサ列の幅方向（左右方向）は十
分狭いことから、焦点検出を行う上でほとんど問題とは
ならない。

【００５６】前述したとおり、反射鏡４として球面鏡を
用いた場合には、反射鏡４の上方（ｙ軸の正の方向）で
反射された光束が形成する像の倍率は小さくなり、逆に
反射鏡４の下方（ｙ軸の負の方向）で反射された光束が
形成する像の倍率は大きくなる。

【００５７】これを補正するため、本実施形態の反射鏡
４は上方部分では光線をより外側に偏向するために中心
部に比べ相対的に凸形状即ち発散性のパワーを持つよう
にな表面形状、下方部分では光線をより内側に偏向する
ために中心部に比べ相対的に凹形状即ち収束性のパワー
を持つような表面形状になっている。

【００５８】尚、本実施形態の反射鏡を用いることで図
６に示すような大きな歪みは補正されるが、センサ列の
幅に対して十分小さい歪みが残存する可能性がある。高
精度の焦点検出を行なう場合では無視できないような微
小な歪みに対しては、特開昭６１−１５１１２号公報に
開示されているごとく、センサ列上に残存する歪みに応
じて湾曲した遮光部材、例えばアルミ等のマスクをセン
サ受光面に形成することで補正することが可能である。
補正に際しては、２つのエリアセンサ上に形成される像
のそれぞれの歪みを直接補正してもよいし、２つのエリ
アセンサ上に形成される像のそれぞれの歪みの差を補正
してもよい。

【００５９】また、２つの像の位相差を検出する方向で
あるセンサの列方向の歪みに関しては特開昭６２−１７
３４１２号公報に開示されている手法により光電変換素
子からの出力を演算処理し、補正することが可能であ
る。

【００６０】本実施形態の反射鏡を用い、像の歪みを補
正する際重要なことは、光電変換素子１１上の各像の歪
みそのものを補正すると同時に光電変換素子１１上の２
つの像の倍率を同一にすることである。この両立が困難
な場合には像の歪みの補正を主として本実施形態の反射
鏡で行い、倍率の調整を２次結像系９の各レンズ９−
１，９−２によって行うことも可能である。具体的には
図２において２次結像レンズ９の２つのレンズ９−１，
９−２の射出側面の光軸に沿った頂点位置を異なるよう
に設定するか、２次結像レンズ９全体を光軸に対して傾
けて設定し、２つのレンズ９−１，９−２の結像倍率を
変化させればよい。また光電変換素子１１を光軸に対し
て垂直に設けず、傾けることによっても２つの像の倍率
及び歪みの調整が行なえる。

【００６１】実施形態１は軸対称性のない反射面を図２
の第１の反射鏡４に適用したものであったが、同様の特
性を持つ面を第２の反射鏡６に用いることによっても本
発明の目的は達成される。

【００６２】表３は図２における第１の反射鏡４を球面
とし、第２の反射鏡６に軸対称性のない面を用いた本発
明の実施形態２の具体的な数値を実施形態１と同様ゼル
ニケの多項式の係数で示したものであり、図９は同表で
表される実施形態２の形状を図２の座標系１５のｘ座標
軸の正の方向から見た時の鳥瞰図を示したものである。
但しこの図は図７とは異なり、式（１）の球面項を含ん
だものである。

【００６３】図１０は表３で表される形状を第２の反射
鏡６の面として用いたときの光電変換素子１１上の結像
状態を示したものであり、実施形態１の説明で示した図
８と同様、像の歪みの補正が行われている。

【００６４】図９によると、本実施形態２の反射鏡６は
像の歪みを除去又は緩和するために、その上方部分（ｙ
軸の正の部分）では光線をより内側に偏向するように中
心部に比べ相対的に凹形状即ち収束性のパワーを持つよ
うにな表面形状、下方部分では光線をより外側に偏向す
るために中心部に比べ相対的に凸形状即ち発散性のパワ
ーを持つような表面形状になっている。

【００６５】実施形態１の反射鏡の表面形状と比較する
と上下逆の特性を持っているが、これは第１の反射鏡４
の周辺部に入射する光束が光軸１に対して発散する向き
に傾いているのに対し、第２の反射鏡６の周辺部に入射
する光束は逆に結像面５の各点から絞り８の各開口８−
１，８−２に向かって収束する向きに傾いているためで
ある。

【００６６】一般に位相差方式の焦点検出系が精度良く
動作するためには、焦点検出系が取り込むべき光束が対
物レンズの瞳によって遮られないようにする必要があ
る。本発明の焦点検出装置においても明るい限定された
対物レンズに対してのみ同装置が用いられる場合には大
きな問題とはならないが、一眼レフカメラのように様々
な瞳の位置や明るさを有する交換レンズに対して適用さ
れる場合には対物レンズと焦点検出系の瞳投影関係を考
慮した構成としなければならない。

【００６７】前述したとおり、本発明の両者の瞳投影は
主として第１の反射鏡４のパワーにより行っているが、
第２の反射鏡６の表面形状の影響も大きく受けることに
なる。従って対物レンズの瞳条件が厳しい場合には、実
施形態１，２で示した像の歪みの補正を行う際に、同時
に瞳の投影の最適化を行う必要がある。これを実現した
本発明の実施形態３について図１１〜図１４を用いて以
下に説明する。

【００６８】本実施形態３は第１の反射鏡４と第２の反
射鏡６の双方に回転対称軸を持たない反射面を用い、光
電変換素子１１上の像の歪みを補正するとともに対物レ
ンズ１０１の射出瞳１０１ａと焦点検出装置の入射瞳
（絞り８）との投影関係を良好に最適化したものであ
る。

【００６９】図１１，図１２は第１の反射鏡４、第２の
反射鏡６の表面形状を表す鳥瞰図であり、座標軸や表面
を見る方向は図７，図９とそれぞれ同一である。また表
４，表５は各反射鏡の表面形状を表すゼルニケの係数で
ある。

【００７０】図１３はこれらの反射鏡を用いたときの光
電変換素子１１上の矩形像の形状を示したものであり、
実施形態１，２と同様、像の歪みの補正が成されてい
る。

【００７１】図１１に示す本実施形態３の第１の反射鏡
４の表面形状は実施形態１の第１の反射鏡と同様、反射
鏡の上方（ｙ軸の正の方向）においては光線をより外側
に偏向するために中心部に比べ相対的に凸形状即ち発散
性のパワーを持つように、逆に倍率が大きくなる領域に
対応する光束が入射する下方（ｙ軸の負の方向）におい
ては光線をより内側に偏向するために中心部に比べ相対
的に凹形状即ち収束性のパワーを持つようになってお
り、また図１２に示す本実施形態３の第２の反射鏡６の
表面形状は実施形態２における第２の反射鏡６と同様、
反射鏡の上方（ｙ軸の正の方向）においてはより収束性
のパワーを、下方（ｙ軸の負の方向）においてはより発
散性のパワーを持つように構成されている。

【００７２】即ち本実施形態３における各反射鏡は、瞳
の投影の最適化を同時に行っているため各反射鏡のパワ
ー配分等が若干異なってはいるものの、これまでの実施
形態と同様の特性を有し、本発明の目的を達成してい
る。

【００７３】図１４（Ａ），（Ｂ）はフィルム２上に定
義された矩形の焦点検出範囲の中で最も瞳投影の条件の
厳しい矩形の上下２つの頂点から見た対物レンズの射出
瞳の形状１６，１７と本実施形態３の第１の反射鏡４、
第２の反射鏡６を介して同じ面に投影された焦点検出装
置の絞り８の開口８−１，８−２の像１８−１，１８−
２及び１９−１，１９−２を示したものである。この図
に示すように絞り８の各開口８−１，８−２の投影像１
８−１，１８−２及び１９−１，１９−２は対物レンズ
の口径蝕を生じた各射出瞳１６、１７の内部に存在し、
焦点検出系に導かれるべき光束が対物レンズの瞳により
遮られることがない。

【００７４】また瞳の投影状態として重要なことは、投
影された２つの像の中心間を結ぶ線分２０，２１の図１
４における鉛直線に対する傾きをできるだけ小さくする
ことである。もし、この量が大きい場合には、対物レン
ズの焦点はずれに伴う、光電変換素子１１上の２つの被
写体像に関する光量分布のずれがセンサ列方向に対して
大きく傾いた斜め方向に生ずるため、焦点はずれ量を精
度良く検出することが困難となる。本実施形態３の第
１，第２の反射鏡の表面形状は、この点も考慮した形状
となっている。

【００７５】以上の実施形態は図４に示すように光電変
換素子１１上に２つの光量分布を上下に形成しその上下
方向のずれを検出するものであった。このような構成の
焦点検出装置においては横線のような縦方向に濃淡のあ
る被写体に対してのみ焦点検出が可能であり、縦線のよ
うな横方向に濃淡のある被写体に対しては焦点検出がで
きない。

【００７６】実施形態４はこの点を改善したもので、そ
の構成図を図１５に示す。本実施形態がこれまでの実施
形態と異なるのは、２つのレンズ９−１，９−２からな
る２次結像系９にこれと直交する方向に２つのレンズ９
−３，９−４の２つのレンズを新たに配置し、それに対
応した絞り８の開口８−３，８−４と光電変換素子１１
上のエリアセンサ１１−３，１１−４を設けたことであ
る。

【００７７】尚図１５においては煩雑さをさけるため図
２で示した絞り８の開口８−１，８−２と光電変換素子
１１のエリアセンサ１１−１，１１−２及び光束１２−
１，１２−２等は省略している。

【００７８】図１６は本実施形態４における絞り８の開
口形状を示したものである。図中８−３，８−４が新た
に付け加えられた開口であり、９−３，９−４はそれに
対応してその後方に配置されてた２次結像系９を構成す
る２つのレンズである。

【００７９】本実施例では図１６の絞り８の開口８−
３，８−４は同開口８−１，８−２に比べ対物レンズの
瞳の周辺の領域の光を取り入れるように、より外側に配
置されている。

【００８０】このような構成とすることで焦点検出の際
のいわゆる基線長を長くすることができ、本実施形態４
で新たに付け加えられた絞り８の開口８−３，８−４に
よる焦点検出系は、明るい対物レンズに対しては焦点検
出精度を高めることが可能となる。勿論絞り８の開口８
−３，８−４が配置される中心からの位置を同開口８−
１，８−２と同一とし、焦点検出精度は同等であるが縦
横のどちらか一方にのみ濃淡分布がある被写体に対して
対物レンズの明るさに関係なく常に焦点検出を可能とす
る様に構成することも可能である。

【００８１】図１７は２次結像レンズ９−３，９−４に
よって光量分布が形成される光電変換素子１１上のエリ
アセンサ１１−３，１１−４を示したものである。

【００８２】表６、図１８に本実施形態４で用いられる
第１の反射鏡の表面形状を表すゼルニケの係数と鳥瞰図
を、表７、図１９に本実施形態４で用いられる第２の反
射鏡の表面形状を表すゼルニケの係数と鳥瞰図をそれぞ
れ示す。図１８，図１９によるといずれの反射鏡ともこ
れまでの実施例と同様の特性を有する表面形状であるこ
とがわかる。

【００８３】図２０はこれらの反射鏡を用いたときの光
電変換素子１１上の図８，図１０と同様の結像状態をそ
れぞれ示したもので、上下方向に形成された矩形像２２
−１，２２−２及び左右方向に形成された矩形像２２−
３，２２−４は位相差を検出する方向にはほぼ歪みは補
正されている。

【００８４】図１７や図２０からわかるように本実施形
態４では左右方向に像の位相差を検出するエリアセンサ
１１−３，１１−４に対応する視野領域は、上下方向に
像の位相差を検出するエリアセンサ１１−１，１１−２
に対応する視野領域に対して小さく設定されてる。これ
は次のような理由による。

【００８５】即ち、本実施形態においては図２０の矩形
像２２−１，２２−２に対する歪み補正と矩形像２２−
３，２２−４に対する歪み補正を同時に行う必要がある
が、これらの補正すべき方向が直交しているために、十
分な補正を実現することが必ずしも容易ではない。両者
の像を形成する光束が第１の反射鏡、第２の反射鏡にお
いて共通した領域で反射していることも同時補正を困難
にしている。こうした問題を解決するために、２組の被
写体像のうち一方の、位相差を検出する方向を短く設定
することは非常に有効である。

【００８６】また、このような構成により、光電変換素
子１１が極端に大きくなるのを避けることができ、限ら
れたカメラ内の空間にも容易に焦点検出装置を配置する
ことが可能となる。さらに焦点検出を２次元の任意の領
域で行うためには従来の焦点検出装置に比べ膨大な演算
処理が必要であり、センサの画素を必要最小限にするこ
とは迅速な焦点検出を行う上でも有利である。

【００８７】以上の実施形態では第１あるいは第２の反
射鏡に軸対称性のない反射面形状を用いているがこれ以
外に図２の第３の反射鏡１０に同様の反射面形状を適用
してもよい。第３の反射鏡は焦点検出装置をカメラ底部
の限られたスペースに配置するためのものであるが、一
般に第１の反射鏡と光電変換素子の間に必要に応じ設け
られた反射面に対して軸対称性のない反射面を用いるこ
とで本発明の目的は達成される。

【００８８】前述したとおり、本発明の基本構成を示す
図２においては第２反射鏡６は主ミラー３及び第１の反
射鏡４とともに撮影時に撮影光路中から退避するように
構成されているが、カメラ内での配置が可能であれば第
２の反射鏡を撮影光路を避けたさらに低い位置に設け、
撮影に際しても移動しない固定された反射鏡としてもよ
い。こうすることで機械的構造を簡略化することができ
るとともに、第２の反射鏡の移動に伴う誤差の発生が除
去でき、より高精度な焦点検出が可能となる。

【００８９】さらに、これまでは位相差検出方式の焦点
検出装置について説明してきたが、本発明はこれに限定
されるものではなく、２次結像を行なう他の方式の焦点
検出装置、例えば被写体像の鮮鋭度から焦点状態を検出
する装置に対しても有効である。一方、本発明は焦点検
出可能な領域を２次元の連続した領域に拡張する際に好
適に用いられるものであるが、１次元のラインセンサを
用いた従来の焦点検出装置に適用しても、焦点検出位置
をより周辺に設定することができる。

【００９０】また、上記においては本発明の反射鏡の実
施例としてゼルニケの多項式で表現されるものを示した
がこれ以外の表式によるものや、２次元のスプライン曲
面などを用いても本発明の目的は達成される。

【００９１】

【表１】

【００９２】

【表２】

【００９３】

【表３】

【００９４】

【表４】

【００９５】

【表５】

【００９６】

【表６】

【００９７】

【表７】

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、対物レン
ズ（撮影レンズ）の像面側に設ける焦点検出用の光学手
段の各要素を適切に設定することにより撮影視野内の上
下左右方向の任意の領域で又は／及び複数の領域で特に
撮影範囲中の上方に焦点検出可能な領域を拡張すると共
に、連続した２次元領域内の任意の点においても焦点検
出を高精度に行うことができる焦点検出装置及びそれを
用いた光学機器を達成することができる。

【００９９】この他、本発明によれば、焦点検出精度を
維持しつつ、焦点検出が可能な領域を飛躍的に拡大する
ことができる。また焦点検出が連続した２次元的領域に
拡張され、所望とする任意の位置の被写体に焦点を合わ
せることが容易にでき、撮影又は観察をする際の構図の
設定の自由度が増大する等の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】本発明の実施形態１の一部分の構成を示す説明
図

【図３】本発明の実施形態１の絞り及び２次結像系を示
す説明図

【図４】本発明の実施形態１の光電変換素子を示す説明
図

【図５】本発明の実施形態１の反射鏡の結像面上での像
の歪みを示す説明図

【図６】光電変換素子上での像の歪みを示す説明図

【図７】本発明の実施形態１の第１の反射鏡の反射面の
形状を示す説明図

【図８】本発明の実施形態１の光電変換素子上の像を示
す説明図

【図９】本発明の実施形態２の第２の反射鏡の反射面の
形状を示す説明図

【図１０】本発明の実施形態２の光電変換素子上の像を
示す説明図

【図１１】本発明の実施形態３の第１の反射鏡の反射面
の形状を示す説明図

【図１２】本発明の実施形態３の第２の反射鏡の反射面
の形状を示す説明図

【図１３】本発明の実施形態３の光電変換素子上の像を
示す説明図

【図１４】本発明の実施形態３の対物レンズの射出瞳と
焦点検出装置の入射瞳を示す説明図

【図１５】本発明の実施形態４の構成を示す説明図

【図１６】本発明の実施形態４の絞り及び２次結像系を
示す説明図

【図１７】本発明の実施形態４の光電変換素子を示す説
明図

【図１８】本発明の実施形態４の第１の反射鏡の反射面
の形状を示す説明図

【図１９】本発明の実施形態４の第２の反射鏡の反射面
の形状を示す説明図

【図２０】本発明の実施形態４の光電変換素子上の像を
示す説明図

【図２１】従来の焦点検出装置を有するカメラを示す概
略図

【図２２】従来の焦点検出装置を示す説明図

【符号の説明】

１ 対物レンズの光軸 ２ フィルム ３ 主ミラー ４ 第１の反射鏡 ５ 結像面 ６ 第２の反射鏡 ７ 赤外カットフィルター ８ 絞り ９ ２次結像系 １０ 第３の反射鏡 １１ 光電変換素子 １２ 光束 １３ 光電変換素子上の像 ２２ 光電変換素子上の像 ２４ 対物レンズの光軸 １０１ 対物レンズ １０２ 主ミラー １０３ 焦点板 １０４ ペンタプリズム １０５ 接眼レンズ １０６ サブミラー １０７ フィルム １０８ 焦点検出装置 １０９ 視野マスク １１０ フィールドレンズ １１１ ２次結像系 １１２ 光電変換素子 １１３ 絞り １１４ 対物レンズの射出瞳 １１５ 光束

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大野田 仁 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 須田 康夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 永田 桂次 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対物レンズの像面側に設けた光学手段に
   より該対物レンズの瞳の分離した複数の異なる領域を通
   過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を
   形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の
   素子より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子
   からの信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影視野
   内の１つ又は複数の領域において求める際、該光学手段
   は該対物レンズからの光束を反射させて所定面上に被写
   体像を形成する集光性の反射鏡Ｍと、該所定面上に形成
   された被写体像を該光電変換素子面上に再結像する２次
   結像系を有し、該反射鏡Ｍは回転対称軸を有しない反射
   面より構成していることを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記光電変換素子は２次元配列のエリア
   センサより成っていることを特徴とする請求項１の焦点
   検出装置。
3. 【請求項３】 前記２次結像系は１対のレンズを複数組
   有していることを特徴とする請求項１又は２の焦点検出
   装置。
4. 【請求項４】 前記対物レンズの瞳の分離した複数の異
   なる領域は分離方向が異なっているものが含まれている
   ことを特徴とする請求項３の焦点検出装置。
5. 【請求項５】 前記対物レンズの瞳の分離した複数の異
   なる領域は分離距離が異なっているものが含まれている
   ことを特徴とする請求項３の焦点検出装置。
6. 【請求項６】 前記対物レンズの瞳の分離した複数の異
   なる領域は分離領域の形状が異なっているものが含まれ
   ていることを特徴とする請求項３の焦点検出装置。
7. 【請求項７】 前記１対のレンズの複数組により焦点検
   出を行う領域の大きさ、形状は互いに異なっているもの
   が含まれていることを特徴とする請求項３の焦点検出装
   置。
8. 【請求項８】 更に前記反射鏡Ｍによって反射された光
   を前記２次結像系へ導光する光路折り曲げ用の反射鏡Ｍ
   ａを有し、前記反射鏡Ｍ及び／または前記反射鏡Ｍａ
   は、その反射領域を規制する規制手段を有することを特
   徴とする請求項１の焦点検出装置。
9. 【請求項９】 前記光電変換素子は結像する像の歪みに
   沿った形状の遮光手段を有することを特徴とする請求項
   １の焦点検出装置。
10. 【請求項１０】 前記光電変換素子の面に対する法線が
    光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項３の焦
    点検出装置。
11. 【請求項１１】 前記２次結像系の入射瞳と前記対物レ
    ンズの瞳とは略共役関係となっていることを特徴とする
    請求項１の焦点検出装置。
12. 【請求項１２】 前記反射鏡Ｍは前記対物レンズによっ
    て形成される被写体像を前記所定面上に縮小結像させて
    いることを特徴とする請求項１１の焦点検出装置。
13. 【請求項１３】 対物レンズの像面側に配置した光学手
    段により該対物レンズの瞳の異なる領域を通過した光束
    を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該
    複数の光量分布の相対的な位置関係をエリアセンサーよ
    り成る受光手段により求め、該受光手段からの出力信号
    を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の複数の
    領域に対して求める際、該光学手段は該対物レンズの予
    定結像面よりも物体側に該対物レンズの光軸に対して偏
    心させた集光性の回転対称軸を有しない反射鏡により所
    定面上に被写体像を形成し、該所定面上に形成した被写
    体像を反射鏡Ｍａで反射させて絞りを介して２次結像系
    により該受光手段に再結像させると共に該対物レンズの
    瞳位置と該２次結像系の入射瞳位置が共役関係となるよ
    うに構成していることを特徴とする焦点検出装置。
14. 【請求項１４】 請求項１〜１３の何れか１項記載の焦
    点検出装置からの信号を用いて対物レンズを構成する合
    焦レンズを駆動させて合焦を行い撮像手段面上に被写体
    像を形成していることを特徴とする光学機器。