JPH09184969A - 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複数の領域を通過した光
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、該光学手段を構成す
る反射鏡と２次結像系、そして絞りを適切に設定したこ
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１６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１７は焦点検出の原理を説明するために
図１６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１７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１７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】このような位相差検出方式の焦点検出装置
において被写体の光電変換素子上に形成される２次像に
歪曲収差が生じた際には、正確な焦点検出ができなくな
ってくる。これに対して特開昭６１−１５１１２号公報
では焦点検出光学系に歪曲収差を許した際にも、この歪
曲による悪影響を排除するための技術を開示している。
又特開昭６１−１５１１２号公報では光電変換素子の受
光面上に歪みに合わせたマスクを設ける方法が、又特願
昭６２−２７９８３５号ではこれを多点測距系に応用し
たものが提案されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図１６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。

【００１３】図１６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。

【００１４】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。

【００１５】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限られている。

【００１６】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。

【００１７】又位相差検出方式の焦点検出装置において
焦点検出光学系に生じる歪曲収差による悪影響を排除す
るために特開昭６１−１５１１２号公報や特願昭６２−
２７９８３５号公報等に開示されている２次像の歪に合
致させて像をサンプリングする方法は、対物レンズが合
焦状態にあるときにサンプリングされた２つの２次像の
同一性は保証されている。

【００１８】しかしながら、非合焦状態にも横ズレした
２つの２次像がサンプリングエリア内にあるとは限らな
かった。

【００１９】即ち、ピントがあっていないときには２つ
の２次像が光電変換素子の開口方向だけに移動するとは
限らないためにこの際の光電変換出力は物体上の異なる
部分についてのものとなってくる。デフォーカスの検出
誤差は像のズレる方向に直交しないコントラスト成分が
多いほど大きく、総じて物体のコントラストの方向はラ
ンダムであることから、勿論その位相差に基づいて正確
なデフォーカス量を求めることが難しくなってくる。

【００２０】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
定することにより焦点検出光学系に歪曲収差が存在して
いても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。

【００２１】

【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複数の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１対のレンズを少
なくとも１つ有する２次結像系、そして該２次結像系に
入射する光束を制限する１対の開口を少なくとも１つ有
する絞りを有し、該絞りの１対の開口の並び方向を、該
対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍによる光束の偏向後の光
軸とで形成される平面に沿った方向とし、又該光電変換
素子のセンサ列の所定領域を該対物レンズの予定結像面
上に逆投影した際に該平面から離れた位置においては該
平面に対して非平行となる形状としたことを特徴として
いる。

【００２２】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。

【００２３】（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。

【００２４】（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。

【００２５】（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。

【００２６】（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。

【００２７】（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。

【００２８】（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。

【００２９】（１−１−８）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。

【００３０】（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。

【００３１】（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。

【００３２】（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。

【００３３】（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。

【００３４】（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。

【００３５】（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複数の領域を
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１対の開口を少なくとも１つ有
する絞りを介して１対のレンズを少なくとも１つ有する
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、該絞りの１対
の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍ
による光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った
方向とし、又該光電変換素子のセンサ列の所定領域を該
対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から
離れた位置においては該平面に対して非平行となる形状
としていることを特徴としている。

【００３６】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。

【００３７】

【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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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微小結像する
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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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、

【００４９】

【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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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した一般的なものであり、外形も通
常矩形状で良い。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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】次に本実施形態において光電変換素子のう
ち複数の素子より成る所定領域を対物レンズの予定結像
面に逆投影したときに対物レンズ１０１の光軸１と反射
鏡４による光束の偏向後の光軸とで形成される平面から
離れた位置においては該平面に対して非平行となるよう
にしたことの特徴とについて説明する。

【００６３】本発明に係る焦点検出装置を有した光学機
器に対して光電変換素子１１上に図７に示すような２次
像の歪曲に沿った配列のエリアセンサ５００−１，５０
０−２を設け、例えば斜線で示したセンサ列の領域５０
１，５０２を部分開口としてここに投影される２次像の
位置関係を光電変換素子１１からの出力を用いて相対的
に比較すれば、対物レンズ１０１の合焦非合焦の判別は
可能である。

【００６４】しかしながら、この焦点検出装置において
対物レンズ１０１のデフォーカスによる２次像の移動方
向が領域５０１，５０２に沿わなければデフォーカス量
の正確な検出はできない。

【００６５】図８は２次像の移動方向を説明するために
位相差検出方式の焦点検出装置全体の役割を一般的に示
した要部ブロック図である。

【００６６】同図において５１０は物体、５１１は対物
レンズ、５１４は焦点検出光学系、５１５は光電変換素
子である。焦点検出光学系５１４にはフィールドレンズ
とかフィールドミラーといった光学素子から成る瞳投影
光学系５１２と、１対の結像レンズ等で構成される再結
像光学系（２次結像系）５１３が含まれている。

【００６７】５１６は光電変換素子５１５からの出力を
処理するマイクロプロセッシングユニットである。ここ
で光電変換素子５１５に投影される物体５１０の２次像
に歪が生じる要因は瞳投影光学系５１２と再結像光学系
５１３にある。詳細にはこれらの光学系について別個に
光線トレースを行うことによって歪曲についてのそれぞ
れの性質を求めている。

【００６８】仮に２次像の歪が再結像光学系に起因して
いる場合について、対物レンズのデフォーカスに伴う２
次像の移動を１次像面に置き換えて考えれば１次像面に
おいては再結像光学系の絞り開口の並び方向に正確に移
動している物体像が再結像光学系によって歪めて光電変
換素子上に投影されていると理解でき、２次像の移動は
歪に沿った方向となることがわかる。逆に瞳投影光学系
に起因している場合には、１次像面上にすでに歪んだ像
があって、これを視差を持った再結像光学系が歪みなく
光電変換素子上に投影していると理解できるため、対物
レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動方向は再結像
光学系の絞り開口の並び方向となることが判る。

【００６９】なお、２次像に歪を有している個々の焦点
検出光学系において、歪の主要因を簡単に知るには次の
ように考えてもよい。まず、光電変換素子の受光面上の
格子を仮定し、これを再結像光学系だけを通して対物レ
ンズ方向に逆投影する。するとここには瞳投影光学系の
影響を受けていない格子の像が現われる。仮に受光面上
の格子を２次像をサンプリングするための開口とすれ
ば、その像は再結像光学系にとって物体側の画像をサン
プリングするための等価な開口である。

【００７０】もしこの格子が歪を生じて逆投影されたな
らば、物体の２次像に生じた歪の要因は少なくとも再結
像光学系にあり、逆に、格子が歪みなく逆投影されたな
らば物体の２次像に生じた歪みの要因は瞳投影光学系の
みにある。

【００７１】さて、図７に戻ってこの焦点検出光学系に
よる歪曲の主要因を考える。まず、簡単な光学的考察よ
りこの内の再結像光学系のみを通して逆投影した光電変
換素子上の格子はかなり歪みが少ないことが判る。した
がって、２次像に生じる歪みの要因は瞳投影光学系にあ
り、図１に示した反射鏡４の結像面の歪がそのまま光電
変換素子上に投影されていると言える。この結果、２次
像の移動方向は図９に示す矢印の方向となる。矢印に沿
ってセンサ列を設定すればこれをもって２次像の相対的
位置関係を比較し、対物レンズのデフォーカス量を正確
に求めることが可能である。

【００７２】また言い替えれば、この２次像に歪みを有
している焦点検出光学系にあって、この主要因が瞳投影
光学系である場合に、測距視野即ちセンサ列の予定結像
面上への投影像を歪ませて配置することで正確なデフォ
ーカス量の検出が可能となる。

【００７３】図１０は対物レンズの近軸結像面５におけ
る測距視野、図１１は物体像を正立正像として観察可能
なファインダー光学系を通して見たときの測距視野をそ
れぞれ示したものである。図において５２２はファイン
ダー視野、５２０，５２１は全測距視野を表し、このう
ちの例えば斜線を付した測距視野５２４，５２５につい
て相当する光電変換素子の出力を処理し、この位置での
対物レンズの結像状態を歪ませることにより、光電変換
素子上では対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移
動方向に各センサ列を配列できることになる。

【００７４】より詳しくは図１０に線５２３で示した対
物レンズの光軸と反射鏡による偏向後の光軸とで形成さ
れる平面と、測距視野との位置関係として平面５２３の
付近ではほぼこれに平行に測距視野を配置し、平面５２
３から離れるに従ってこの平面との傾きを大きくしてい
る。また傾斜の方向は本実施形態のように反射鏡が対物
レンズの光軸を下向きに偏向する際、図１０に示したフ
ィルム面上において上に向いて開く扇型状である。

【００７５】図４は以上の各事項を考慮した光電変換素
子を示している。

【００７６】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。

【００７７】図１２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。

【００７８】尚図１２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。

【００７９】図１３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。

【００８０】本実施形態では図１３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。

【００８１】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。

【００８２】図１４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１５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。

【００８３】図１４や図１５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。

【００８４】即ち、本実施形態においては図１５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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】

【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焦点検出光学系
に歪曲収差が存在していても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。

【００８８】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】２次像の歪に沿ってセンサ列を配置したエリア
センサの平面図

【図８】焦点検出光学系の概略構成を示す説明図

【図９】２次像の移動方向を示す平面図

【図１０】フィルム面上での測距視野の配置を示す図

【図１１】ファインダー視野内での測距視野の配置を示
す図

【図１２】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１３】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１４】本発明の実施形態２の光電変換素子を示す説
明図

【図１５】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１６】従来の焦点検出装置を有するカメラを示す概
略図

【図１７】従来の焦点検出装置を示す概略図

【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複数の領域を通過した光
   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１対のレンズ
   を少なくとも１つ有する２次結像系、そして該２次結像
   系に入射する光束を制限する１対の開口を少なくとも１
   つ有する絞りを有し、該絞りの１対の開口の並び方向
   を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍによる光束の偏向
   後の光軸とで形成される平面に沿った方向とし、又該光
   電変換素子のセンサ列の所定領域を該対物レンズの予定
   結像面上に逆投影した際に該平面から離れた位置におい
   ては該平面に対して非平行となる形状としたことを特徴
   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複数の領域を通過し
    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１対の開口を少なくとも１つ有する絞
    りを介して１対のレンズを少なくとも１つ有する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、該絞りの１対の開口
    の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍによる
    光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向と
    し、又該光電変換素子のセンサ列の所定領域を該対物レ
    ンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れた
    位置においては該平面に対して非平行となる形状として
    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。