JPH09184968A - 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
集光性の表面型の反射鏡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
を有しており、該２次結像系は入射面が該所定面近傍に
曲率中心を位置する凹状球面で、射出面が１対の凸状球
面より成り、該２次結像系の近傍には該１対の凸状球面
の中心近傍に各々開口を対向配置した絞りを有している
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１２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１３は焦点検出の原理を説明するために
図１２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１３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１３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】従来よりこのような焦点検出装置において
測距点の多点化あるいは広視野化を図ったものが、例え
ば特開平４−９８２３６号公報やＵＳＰ４１４７４１７
等で提案されている。これらは一眼レフカメラの主ミラ
ーの背後に対物レンズの透過光束を反射収斂する光学部
材を配することにより広視野化を図っている。

【００１２】特開平４−９８２３６号公報には一眼レフ
カメラの主ミラーの背後に反射鏡を配し、これをフィー
ルドレンズとして対物レンズの瞳の異なる特定領域を通
った２光束による二つの２次物体像を形成し、２次物体
像の相対的位置関係から対物レンズの結像状態を検出し
ている。しかしながら、特開平４−９８２３６号公報で
はフィールドミラーで反射した光束を主ミラーで約９０
度反射させてからミラーボックス底部に導いているため
に、ファインダー系を通って逆に進入した光がゴースト
光となって焦点検出系に重畳するといった欠点があっ
た。

【００１３】又、ＵＳＰ４１４７４１７には、同じく一
眼レフカメラの主ミラーの背後に収束性のパワーを有し
た裏面反射鏡を配置して、対物レンズの瞳の異なる特定
部分を通った２光束による二つの２次物体像を形成して
いる。

【００１４】特開平４−９８２３６号公報と大きく異な
る点はフィールドレンズで反射した光束を主ミラーを透
過させて斜め前方に向けて反射させている点である。こ
のような構成であれば、ファインダー系からの逆入光が
焦点検出系に進入するといった不具合をなくすことがで
きる。

【００１５】一方、特開昭６３−２４３９０６号公報で
は被写体の色、即ち光の波長による焦点検出の誤差を抑
えるための技術を開示している。

【００１６】図１４は図１３に示した焦点検出装置にこ
れを適用した場合についての説明図である。図において
２０１はフィールドレンズ、２０２は赤外線カットフィ
ルター、２０３は一対の開口を有する絞り、２０４は光
入射面を凹面、射出面を一対の凸面とした再結像系であ
る。不図示の対物レンズを透過した被写体光は図の左方
からフィールドレンズに入射した後、再結像系２０４か
ら射出して、光電変換素子２０５上に一対の２次物体像
を形成する。２０６は光電変換素子２０５を保持するセ
ンサパッケージである。再結像系２０４の光入射面を緩
やかな凹面としたことによって再結像レンズ２０４に入
射する光線が無理に屈折することのないように構成し、
色収差の影響を少なく抑えている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】図１２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。

【００１８】図１２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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】従来よりこのような焦点検出装置において
焦点検出視野を拡大する技術や、焦点検出視野の周辺で
の色収差の発生を抑える技術等は種々と提案されてい
る。しかしながら特開昭６３−２４３９０６号公報に示
される光学構成にあっては、一層の測距点の多点化や広
視野化が困難という重大な問題があった。

【００２３】先に説明したように、一眼レフカメラの主
ミラーの背後に収束性のパワーを持ったミラーを斜設す
ることが広視野化に有効であるものの、ＵＳＰ４１４７
４１７に示される焦点検出光学系の再結像系部分にこの
凹面と凸面で構成される再結像系を適用することは難し
い。即ち、折角、再結像系に入射する光線が無理に屈折
することのないように構成し、色収差の影響を少なく抑
えているにもかかわらず、フィールドレンズが光軸に対
して斜めに置かれているためにここで生じる色収差が極
めて大きく無視できないためである。

【００２４】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。

【００２５】

【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
性の表面型の反射鏡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
しており、該２次結像系は入射面が該所定面近傍に曲率
中心を位置する凹状球面で、射出面が１対の凸状球面よ
り成り、該２次結像系の近傍には該１対の凸状球面の中
心近傍に各々開口を対向配置した絞りを有していること
を特徴としている。

【００２６】特に、 （１−１−１）前記反射鏡Ｍは、２次曲線を軸回りに回
転してできる曲面の一部から成ること。

【００２７】（１−１−２）前記反射面Ｍは、前記２次
曲線を軸回りに回転してできる曲面の当該回転軸および
頂点を含まない領域から成ること。

【００２８】（１−１−３）前記反射鏡Ｍは、楕円を軸
回りに回転してできる回転楕円面であること。

【００２９】（１−１−４）前記回転楕円面の２つの焦
点のうちの一方は、前記対物レンズの光軸に沿って当該
回転楕円面に入射する光線上またはその延長上の近傍
に、他方は当該回転楕円面により反射された光線上また
はその延長上の近傍にあること。

【００３０】（１−１−５）前記反射鏡Ｍと前記光電変
換素子の間には、少なくとも１つの反射鏡Ｍａが存在す
ること。

【００３１】（１−１−６）前記光電変換素子は２次元
配列のエリアセンサであること。

【００３２】（１−１−７）前記２次結像系は２つ１組
のレンズを少なくとも１つ有し、前記対物レンズの異な
る瞳の領域を透過する光束から被写体像に関する少なく
とも２つの光量分布を前記光電変換素子上に形成し、こ
れら２つの光量分布の相対的な位置の変化から前記対物
レンズの焦点状態を検出すること。

【００３３】（１−１−８）前記反射鏡Ｍ及び／または
を記反射鏡Ｍａは、その反射領域を規制する規制手段を
有すること。

【００３４】（１−１−９）前記光電変換素子は前記２
次結像系の２つ１組のレンズにより形成される２つの被
写体像の前記相対的な位置の変化を検出する方向と垂直
方向のずれを補正するための遮光手段を有すること。

【００３５】（１−１−１０）前記反射鏡Ｍは前記対物
レンズの光軸に対して傾いており、該傾いた平面内にお
いて前記２次結像系の２つのレンズは、その光軸方向の
頂点位置が異なっていること。

【００３６】（１−１−１１）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。

【００３７】（１−１−１２）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おり、前
記反射鏡Ｍは該入射瞳位置と該対物レンズの瞳位置を各
々焦点とする回転楕円鏡より成っていること。

【００３８】（１−１−１３）前記回転楕円鏡は前記対
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。

【００３９】（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表面型の楕円面鏡により所定面
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入射面が該所定
面近傍に曲率中心を位置する凹状球面で、射出面が１対
の凸状球面より成る２次結像系により該受光手段に再結
像させると共に該楕円面鏡が該対物レンズの瞳位置と該
２次結像系の入射瞳位置に各々焦点が位置するように構
成していることを特徴としている。

【００４０】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。

【００４１】

【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。

【００４２】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。

【００４３】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入射面側に反射部材を装着し
た表面型の第１の反射鏡であり、集光性の凹面鏡や楕円
面鏡等から成っている。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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】２次結像系９は入射面９ａが所定面５近傍
に曲率中心を位置した凹状球面で射出面が１対の凸状球
面９−１，９−２より成っている。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】本実施形態において、第１の反射鏡４は、
２次曲線を軸回りに回転してできる曲面の一部で構成さ
れていて、特に回転楕円面が好適に用いられる。図２に
おいては、第１の反射鏡４の表面形状は点２０を頂点と
する楕円２１を軸２２の回りに回転してできる回転楕円
面の一部からなり、その焦点は第２の反射鏡６による絞
り８の中心の像位置２３付近と、主ミラー３透過後の光
軸２４の延長上の点（付図示）の付近に設定されてい
る。そして、光軸２４の延長上の点が対物レンズ１０１
の射出瞳位置（種々の対物レンズが交換して用いられる
場合にはそれらの平均的な射出瞳置）の付近にあるよう
にして対物レンズ１０１の射出瞳位置と２次結像系９の
入射位置がほぼ結像されるようにしている。

【００５２】これにより、第１の反射鏡４が理想的なフ
ィールドレンズとしての機能を果たすようにしている。
図２から明らかなように、第１の反射鏡４として光学的
に使用しているのは回転楕円面の回転軸及び頂点を含ま
ない領域である。

【００５３】本実施形態の回転楕円面４の具体的な形状
は図２の座標軸に対して、

【００５４】

【数１】 ｒ＝−３８．５ ｋ＝−０．３７ で表わせる。通常のカメラ（光学機器）と対物レンズ
（撮影レンズ）を想定した場合、ｒとｋの範囲は −２０≦ｒ≦−５０ −１≦ｋ≦−０．２ 程度が好ましい。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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、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。

【００５８】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、本実施形態の
第１の反射鏡４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。

【００５９】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。

【００６０】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により、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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】しかし、２つのエリアセンサ１１−１，１
１−２上に形成される２つの被写体像がエリアセンサ１
１−１，１１−２に対して同じように歪んでいれば、２
つの被写体像の相対的な位置を検出する上では、視野が
傾いていること自体は何ら障害にはならない。相対的な
位置を検出するエリアセンサ１１の列方向（相関方向）
の２つの被写体像のずれに関しては、例えば特開昭６２
−１７３４１２号公報に開示されているものと同様な方
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ので、エリアセンサ１１の列方向
（相関方向）と垂直な方向の２つの被写体像のずれがな
ければ焦点検出は良好に行なえる。

【００６４】本実施形態においても２つのエリアセンサ
１１−１，１１−２上に形成される２つの被写体像の個
々は大きな歪曲を示すが、その歪みのエリアセンサ１１
の列方向（相関方向）と垂直方向の差は十分小さいもの
である。

【００６５】同方向の差が残存し、焦点検出精度に影響
する場合には、特開昭６１−１５１１２号公報に開示さ
れているごとく、各センサ列に沿って歪みの差に相当す
る湾曲した遮光部材、例えばアルミ等のマスクをセンサ
受光面にを設けることにより、精度を向上させることが
できる。

【００６６】また、２つの被写体像の歪みの差を補正す
る方法として各像の結像倍率を調整することも可能であ
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（レンズ面頂点位置）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つの被写体像の倍率及び歪
みの調整が行なえる。

【００６７】本実施形態による焦点検出装置では、対物
レンズ１０１を通過した光束を一対の開口を有する絞り
８に導くために対物レンズ１０１と絞り８との間に設け
る反射鏡４を表面鏡とすることによって、ここでの色収
差の発生を完全に無くし、再結像系９の色収差特性が焦
点検出光学系の色収差特性として反映されるようにして
いる。

【００６８】さらに、再結像系を光入射側には反射鏡に
よって偏向した対物レンズの光軸上に中心を持つ単一の
凹状球面、射出側には互いに反対方向に偏芯した一対の
凸状球面を配したレンズとして構成し、凹状球面の中心
を表面鏡によって形成される対物レンズの一次像面（所
定面５）近傍に、また一対の凸状球面の中心を絞りの開
口の近傍にほぼ等しく設定している。

【００６９】このレンズの作用は次のようなものであ
る。反射鏡を介した物体の結像面がこの再結像系によっ
てどのように再結像されるかを考えると、まず、光軸上
の一点を発し絞りの開口の中心を通る光線はほとんど屈
折することなく光電変換素子まで達する。勿論絞りの開
口には有限の面積があるわけで、ここを通過した光束は
絞りの開口中心を通った光線の回りにほぼ均等に広が
り、光電変換素子上まで保たれた状態で点像を形成す
る。この挙動は屈折角が極めて小さいために光の波長に
よらずほぼ一定である。

【００７０】一方、物体の結像面の周辺から発し絞りの
開口に入射した光束は、今度は再結像系の凹面で大きく
屈折して光電変換素子１１上に点像を形成する。この
際、凸面の中心を絞りの開口の中心にほぼ揃えてあるた
め点像にコマを生じないが、凹面での屈折角が波長によ
って異なることから倍率の色収差を発生する。従って、
光軸上の一点の点像の位置を同一として波長によって倍
率の異なる像が形成されることになる。

【００７１】図７はこの様子を表したもので、点６０
４，６０５，６０６，６０７を中心に波長によって倍率
の異なる２次像６０１ａ〜６０１ｃ，６０２ａ〜６０２
ｃ，６０３ａ〜６０３ｃ，６０４ａ〜６０４ｃがそれぞ
れ形成されている。添字ａ，ｂ，ｃはそれぞれ５８７．
６ｎｍ，６５６．３ｎｍ，４３５．８ｎｍの波長の像で
あることを意味し、図は倍率差を若干誇張して示した。

【００７２】ここで、図に示した距離Ｄｂと距離Ｄｃの
差がほぼゼロであることから判るように２つの物体像の
相対位置を知る上での基準間隔が波長によらず一定であ
ることから、このような収差が焦点検出精度に与える影
響は無い。すなわち、倍率の色収差をこのような形で許
し、一方、コマの発生を抑えることで焦点検出用として
広い視野に渡っての理想的な結像が為されている。

【００７３】以上の実施形態は図４に示すように光電変
換素子１１上に被写体像に関する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。

【００７４】図８はこの点を改善した本発明の実施形態
２の要部概略図である。本実施形態は図２の実施形態１
に比べて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に、新たに開口８−３、８−４と光電変換素子１１上
にも、それに対応したエリアセンサ１１−３，１１−４
を設けたことが異なっており、その他の構成は同じであ
る。

【００７５】尚図８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１
１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。

【００７６】図９は本実施形態２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。

【００７７】本実施形態では図９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１
０１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。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ようにしている。

【００７８】本実施形態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Ｆナ
ンバーの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。

【００７９】図１０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。ま
た、図１１は図６と同様の、光電変換素子１１上の格子
図形の投影像を示したものである。

【００８０】図１０や図１１からわかるように本実施形
態では左右方向に被写体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
向に被写体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し
ている。これは次のような理由による。

【００８１】即ち、本実施形態においては図１１の矩形
像２２−１，２２−２の歪みもしくはその差と矩形像２
２−３，２２−４の歪みもしくはその差を同時に小さく
することが必要であるが、２つの被写体像の差が特に問
題となる方向が直交しているために、これを両立される
ことは必ずしも容易ではない。両者の被写体像を形成す
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ため、これらの反射鏡の形状を工夫
することで対応することも困難である。こうした情況に
おいて、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。

【００８２】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。

【００８３】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を複数配置する様な場合に適用して
も、焦点検出位置をより周辺に設定することができる。

【００８４】

【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波長に
よらず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。

【００８５】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】図１の焦点検出装置の一部分の拡大説明図

【図３】図１の絞り及び２次結像系を示す説明図

【図４】図１の光電変換素子を示す説明図

【図５】図１の結像面上での像の歪みを示す説明図

【図６】図１の光電変換素子上での像の歪みを示す説明
図

【図７】光電変換素子上に形成される像を波長毎に示す
図

【図８】本発明の実施形態２の焦点検出装置の一部分の
拡大説明図

【図９】本発明の実施形態２の絞り及び２次結像系を示
す説明図

【図１０】本発明の実施形態２の光電変換素子を示す説
明図

【図１１】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１２】従来の焦点検出装置を有するカメラを示す概
略図

【図１３】従来の焦点検出装置を示す概略図

【図１４】従来の再結像系を示す図

【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 山下 健一郎 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 (16)

【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
   集光性の表面型の反射鏡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
   を有しており、該２次結像系は入射面が該所定面近傍に
   曲率中心を位置する凹状球面で、射出面が１対の凸状球
   面より成り、該２次結像系の近傍には該１対の凸状球面
   の中心近傍に各々開口を対向配置した絞りを有している
   ことを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記反射鏡Ｍは、２次曲線を軸回りに回
   転してできる曲面の一部から成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】 前記反射面Ｍは、前記２次曲線を軸回り
   に回転してできる曲面の当該回転軸および頂点を含まな
   い領域から成ることを特徴とする請求項２の焦点検出装
   置。
4. 【請求項４】 前記反射鏡Ｍは、楕円を軸回りに回転し
   てできる回転楕円面であることを特徴とする請求項２又
   は３の焦点検出装置。
5. 【請求項５】 前記回転楕円面の２つの焦点のうちの一
   方は、前記対物レンズの光軸に沿って当該回転楕円面に
   入射する光線上またはその延長上の近傍に、他方は当該
   回転楕円面により反射された光線上またはその延長上の
   近傍にあることを特徴とする請求項４の焦点検出装置。
6. 【請求項６】 前記反射鏡Ｍと前記光電変換素子の間に
   は、少なくとも１つの反射鏡Ｍａが存在することを特徴
   とする請求項１の焦点検出装置。
7. 【請求項７】 前記光電変換素子は２次元配列のエリア
   センサであることを特徴とする請求項１の焦点検出装
   置。
8. 【請求項８】 前記２次結像系は２つ１組のレンズを少
   なくとも１つ有し、前記対物レンズの異なる瞳の領域を
   透過する光束から被写体像に関する少なくとも２つの光
   量分布を前記光電変換素子上に形成し、これら２つの光
   量分布の相対的な位置の変化から前記対物レンズの焦点
   状態を検出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】 前記反射鏡Ｍ及び／または前記反射鏡Ｍ
   ａ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又は６の焦点検出装置。
10. 【請求項１０】 前記光電変換素子は前記２次結像系の
    ２つ１組のレンズにより形成される２つの被写体像の前
    記相対的な位置の変化を検出する方向と垂直方向のずれ
    を補正するための遮光手段を有することを特徴とする請
    求項８の焦点検出装置。
11. 【請求項１１】 前記反射鏡Ｍは前記対物レンズの光軸
    に対して傾いており、該傾いた平面内において前記２次
    結像系の２つのレンズは、その光軸方向の頂点位置が異
    なっていることを特徴とする請求項８の焦点検出装置。
12. 【請求項１２】 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８の焦
    点検出装置。
13. 【請求項１３】 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おり、前記反射鏡Ｍは
    該入射瞳位置と該対物レンズの瞳位置を各々焦点とする
    回転楕円鏡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。
14. 【請求項１４】 前記回転楕円鏡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１３の焦点検出装置。
15. 【請求項１５】 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
    心させた集光性の表面型の楕円面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入射面が該所定面近傍
    に曲率中心を位置する凹状球面で、射出面が１対の凸状
    球面より成る２次結像系により該受光手段に再結像させ
    ると共に該楕円面鏡が該対物レンズの瞳位置と該２次結
    像系の入射瞳位置に各々焦点が位置するように構成して
    いることを特徴とする焦点検出装置。
16. 【請求項１６】 請求項１〜１５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。