JPH0949964A

JPH0949964A - 焦点検出装置

Info

Publication number: JPH0949964A
Application number: JP7329866A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Hamanishi; 芳徳濱西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 1997-02-18
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: JP2757844B2

Abstract

(57)【要約】【課題】自動合焦において誤動作を生ずる恐れのない
焦点検出装置。【解決手段】算出手段は、合焦可能な撮影距離領域
におけるｐ番目の撮影距離に対応するレンズ配置状態に
おいて、ｑ番目の撮影距離に対応して合焦状態にある物
体に対する像面ずれ量ΔＢｆ、必要移動量Δｘおよび像
面移動量変換係数γのデータに基づく第１補正係数と、
ｑ番目の撮影距離に対応するレンズ配置状態において、
ｐ番目の撮影距離に対応して合焦状態にある物体に対す
る像面ずれ量ΔＢｆ、必要移動量Δｘおよび像面移動量
変換係数γのデータに基づく第２補正係数とに基づい
て、自動合焦に必要な補正係数を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦点検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】カメラの自動合焦装置として、所定結像
面における被写体像のずれ量を検出し、この量から撮影
レンズの合焦に必要な移動量を求めることによって自動
合焦を行う装置が、例えば特開昭59−140408号公報によ
り知られている。そして、このような自動合焦装置に用
いられるレンズ系としては、種々のものが知られてい
る。例えば、レンズ系の一体的移動により合焦を行うも
の、レンズ系中の一部のレンズ成分のみの移動によって
合焦を行うもの、さらにはレンズ系全体が移動しつつ部
分的に異なる移動形態をとるもの等である。

【０００３】これらの自動合焦用レンズ系のうち、無限
遠から撮影倍率が等倍に至る近距離にまで連続的に合焦
し得るものは、近距離合焦時の収差変動のために、限ら
れたレンズタイプのもののみが実用的なものとなってお
り、例えば、特開昭55− 28038号公報、特開昭56−1072
10号公報、特開昭59−228220号公報及び特開昭60−1889
17号公報に開示されたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く等倍に達す
る近距離撮影が可能なレンズ系は、いずれも近距離撮影
時の収差変動を補正するためにレンズ系内に固定レンズ
成分を設けたり、部分的に異なる移動形態のレンズ成分
を設けた構成となっており、このために無限遠撮影時と
近距離撮影時とでは、全系の合成焦点距離の変化が避け
られない。全系の合成焦点距離が、近距離において短く
なる場合には、レンズ系全体の一体的移動による合焦の
場合に比較して、同じ倍率でより近距離の物体に合焦す
ることが可能となるが、収差補正のために複雑なレンズ
構成が必要となる傾向にある。また、近距離撮影時に全
系の合成焦点距離が長くなる場合には、レンズ構成を比
較的簡単なものにすることができると共に、所定の撮影
倍率を得るための撮影距離（物体から像面までの距離）
が同じ倍率のとき長くできるという利点がある。

【０００５】しかし、近距離撮影時に全系の合成焦点距
離が長くなる場合には、撮影倍率が等倍より低い状態に
おいて撮影距離が最も短くなり、より高倍率を得る状態
では撮影距離が徐々に大きくなっていくことになる。即
ち、この場合には、撮影距離と撮影倍率との関係を示す
図２の如く、等倍に達するまでに、同一の撮影距離にお
いて倍率の異なる共役点が２ヵ所存在することになり、
等倍近くの特定の同一撮影距離で二通りのレンズ配置す
なわち異なる２つの撮影倍率が存在することとなり、オ
ートフォーカスの制御を行うには不都合である。具体的
には、等倍近辺の領域での撮影を自動合焦にて行おうと
する場合には、等倍付近での２ヵ所の合焦点の存在によ
り、誤動作を生ずる恐れがある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、近距離撮影状態
における全系の合成焦点距離が無限遠撮影状態よりも大
きくなるレンズ系において、無限遠から撮影倍率が等倍
に達する近距離まで連続的に合焦を行うことが可能で、
自動合焦において誤動作を生ずる恐れのない自動合焦用
レンズ系を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による自動合焦用
レンズ系は、近距離合焦時の合成系の焦点距離が無限遠
合焦時の焦点距離に対して増加するレンズ系において、
図１の如く、撮影倍率βが等倍（β＝−１）より低い状
態（−１＜β＜０）における等倍近傍において合成系の
焦点距離の変化率を局部的に減少させ、合成焦点距離変
化量が正から零または正から負に変化するように前記合
焦群を移動する構成とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】このような合焦レンズ群の軌道に
沿って合焦レンズを移動することによって、限界最短撮
影距離Ｒ_c（それ以上高倍率側へ合焦レンズを移動して
も撮影距離が短くならず、かえって長くなり始める撮影
距離）において、できる限り高い撮影倍率β_c（＜−
１）を得るようにし、撮影距離と合焦レンズ群の移動量
とを等倍近傍の所望の撮影倍率まで一対一に対応する構
成にすることができ、これによって自動合焦装置の誤動
作の恐れを除き、合焦レンズ群による近距離合焦におい
て全系の合成焦点距離が長くなる場合にも、自動合焦装
置による正確な制御を可能とするものである。

【０００９】このようにして、等倍の撮影状態に達する
までは撮影距離に対する撮影倍率を一つしか存在しない
ような構成とし、無限遠から撮影倍率が等倍に達する近
距離物体に至るまで、自動合焦装置による自動合焦が正
確かつ容易に実行することができる。

【００１０】以下、上記の如き本発明の構成と作用を、
共に正屈折力を有する第１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂
とからなりより近距離物体に合焦する場合に両レンズ群
間に配置される絞り空間を拡大しつつ全体として物体側
に移動させるレンズ系を例として、図面を用いて説明す
る。このような２つの正屈折力レンズ群からなるレンズ
系は、所謂マイクロレンズ或いはマクロレンズと呼ばれ
る接写用レンズとして、本願と同一出願人による特開昭
55−28038 号公報等により知られており、撮影倍率が等
倍に達する近距離においても優れた結像性能を維持し得
るレンズである。

【００１１】図１から図４において、縦軸はレンズの任
意の配置における合焦状態の撮影倍率βと撮影距離Ｒ
（物体から像面までの距離）との関係をそれぞれのレン
ズ群の移動軌跡と対応づけて示したものである。図１
は、本発明による第１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂との
移動軌跡及び撮影距離の様子を示し、図２〜図４は本発
明の理解を助けるための説明図である。

【００１２】各図に記入した相対的連結定数Ｃ₂₁とは、
合焦によるフィルム面Ｉと第２レンズ群G₂との間隔の変
化量ΔBf（ΔＳ₂′）に対する第１レンズ群G₁と第２レ
ンズ群G₂との間隔の変化量ΔＤの変化率であり、Ｃ₂₁＝ΔＤ／ΔBf と表わされる。

【００１３】図２は、上記特開昭55−28038 号公報等に
より公知のマイクロレンズの場合であり、第１レンズ群
G₁と第２レンズ群G₂との間の絞り空間が近距離になるほ
ど連続的に拡大し、全系の合成焦点距離が単調に増加す
る場合である。この場合、第１レンズ群G₁及び第２レン
ズ群G₂の焦点距離をそれぞれｆ₁、ｆ₂とするとき、ｆ
₁＞０、ｆ₂＞０であり、Ｃ₂₁＞０なので至近距離合焦
と共に全系の焦点距離は長くなって限界撮影距離Ｒ_Cに
おける撮影倍率β_Cが｜β_C｜＜１となり、等倍よりも
低倍率となる。このため、撮影距離Ｒは撮影倍率β_Cよ
り高くなると次第に大きくなり、図２に示す如く、Ｒ_C
にて撮影距離Ｒの軌跡がＵターンすることとなる。従っ
て、限界撮影距離Ｒ_Cの近くでは二通りの撮影倍率が一
つの撮影距離Ｒに対応していることが判る。このような
合焦方式を有するレンズタイプの収差補正は容易である
が、撮影距離Ｒに対し撮影倍率βが２価関数となってい
るので自動合焦装置の誤動作の原因ともなり、サーボ制
御も難しくソフトウェアーが複雑となる。

【００１４】図３は第１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂と
を一体としてくり出す全体くり出し合焦方式の場合であ
り、相対的連結定数Ｃ₂₁＝０である。この場合、限界撮
影距離Ｒ_Cは等倍率を有するレンズ配置に一致し、β＝
β_C＝−１である。

【００１５】図４は、図２の場合とは逆に、第１レンズ
群G₁と第２レンズ群G₂との間隔が、近距離において減少
する場合の説明図であり、Ｃ₂₁＜０なので至近距離合焦
と共に全系の焦点距離は短くなる。このため、図示のと
おり限界撮影距離Ｒ_Cにおける撮影倍率β_Cは等倍より
高倍率側に移り、撮影距離ＲのＵターン点を等倍の位置
の外側へ排除することができるので、所望の撮影倍率
（β＝−１）までは確実に撮影距離に対して撮影倍率を
１価関数となっていることが判る。しかし、図４に示す
如きレンズ群の移動形態においては、至近距離での収差
補正が一般に困難であり、簡単な構成にはなし得ない。

【００１６】そこで本発明は、前述のとおり図１に示す
如く、撮影倍率βが等倍（β＝−１）より低い状態（−
１＜β＜０）における等倍近傍において合成系の焦点距
離の変化率を局部的に減少させ、合成焦点距離変化量が
正から零または正から負に変化するように前記合焦群を
移動する構成とするものである。

【００１７】図１の下部に幾何光学的な光路図を示し、
光軸Axの上側には無限遠合焦状態の各レンズ群の位置と
光路を示し、光軸Axの下側には近距離合焦状態における
各レンズ群の位置と光路とを示した。図１に示す如く、
本発明においては、無限遠から近距離に合焦する際に、
第２レンズ群G₂が線形に物体側に移動し、これに伴っ
て、第１レンズ群G₁も物体側により早い速度で物体側に
移動する。そして、第２レンズ群G₂は所定の物体距離Ｒ
x₁（撮影倍率βx₁）に達するまでの第１合焦領域Ｆ₁で
は線形に移動し、これより近距離での第２合焦領域Ｆ₂
では第１レンズ群G₁の第２レンズ群G₂に対する移動量は
小さくなる。図４の例では、第２合焦領域Ｆ₂内の物体
距離Ｒx₂（撮影倍率βx₂）よりも近距離に対しては第２
レンズ群G₂に対する第１レンズ群G₁の移動量は小さくな
り、物体距離Ｒx₁（撮影倍率βx₁）と物体距離Ｒx₂（撮
影倍率βx₂）との間の物体距離Ｒx₀（撮影倍率βx₀）に
おいて、撮影倍率の変化量即ち移動レンズ群の移動量に
対する全系の合成焦点距離の変化量の微分値が零とな
る。すなわち、物体距離Ｒx₀（撮影倍率βx₀）において
は瞬間的に第１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂との移動速
度が等しくなり、これより近距離において、第１レンズ
群G₁の移動速度は第２レンズ群G₂のそれよりも小さくな
るのである。

【００１８】さて、以上の如き本発明による自動合焦レ
ンズ系においては、異なる移動形態を有する複数の移動
レンズ群によって近距離合焦がなされるため、自動合焦
制御のための装置における情報処理が複雑になる傾向に
あるが、以下の如き解析の結果、多群レンズの移動によ
る合焦の場合においても、本願と同一出願人による先の
特願昭61−12391 号として開示した装置と同様の演算手
法によって、自動合焦を行うことが可能である。すなわ
ち、焦点検出装置により所定の像面におけるデフォーカ
ス量ΔBfを検出し、この値からその物点に合焦するため
に必要な合焦レンズ群の移動量Δｘを求めるための演算
式

【００１９】

【数１】

【００２０】但し、Ｋ₀：像面移動量変換係数Ｃ₀：補正係数により、正確かつ迅速な自動合焦が可能であることが判
明した。

【００２１】以下に、本発明の如く複数のレンズ群の移
動によって自動合焦を行うための、デフォーカス量及び
合焦に必要な合焦レンズ群の移動量との関係について詳
述する。まず、簡単のために、レンズ系全体を一体的に
移動することによって合焦を行う場合について述べ、こ
れを多群系に拡張したうえで、本発明におけるような２
群系の場合について説明する。

【００２２】ａ）レンズ系全体の一体繰り出しの場合図５は合焦の状況を表現するために、単体の正レンズの
至近合焦における倍率βと撮影距離Ｒとの関係を説明す
る図である。撮影距離をＲ、そのときの撮影倍率をβ、
レンズ系の合成焦点距離をｆ、レンズ系の前側焦点と後
側焦点との距離をＦＦ′とするとき、Ｒ＝ＦＦ′−ｆ（β＋１／β） ……（１Ｂ）の関係があり、この関係を分かり易く示すために、横軸
に（Ｒ−ＦＦ′）／ｆを、縦軸にβをとって示したもの
である。尚、図５は前述した図３の場合に対応し、図５
中に示したとおり、正レンズを考えた時、第１象限は虚
像空間を、第３象限は実像空間を表している。

【００２３】そして、図６は図５の説明図に対応してお
り、上部の図６（Ａ）は撮影距離Ｒ₁における物点Ｏ₁
に合焦している状態の光路の概略を示し、物点Ｏ₁とそ
の像Ｏ₁′との共役関係に加えて合焦状態から外れてい
る物点Ｏ₂とその像Ｏ₂′との共役関係を示す。また下
部の図６（Ｂ）は、レンズ系Ｌを上部（Ａ）の状態から
一体的にΔｘだけ移動して物点Ｏ₂に対応する物点Ｏ₃
に合焦を完了した状態を示す。このとき物点Ｏ₃とその
像Ｏ₃′との距離（撮影距離）はＲ₂となり、図６
（Ａ）において合焦状態にあった物点Ｏ₁は物点Ｏ₄、
像点Ｏ₁′は像点Ｏ₄′として示した如く非合焦状態に
なることが（Ｂ）状態において示されている。

【００２４】図６（Ａ）において、レンズ系Ｌの物体側
の主点Ｈから物点Ｏ₁までの有限距離をＳ₁、像側の主
点Ｈ′から像点Ｏ₁′までの距離をＳ₁′とすると撮影
倍率βは次のようになる。 β＝Ｓ₁′／Ｓ₁ ……（２）

【００２５】次に、物点Ｏ₁とその像点Ｏ₁′との共役
点に対して物点Ｏ₁がＯ₂へΔＳだけ移動し、このとき
像点Ｏ₁′がＯ₂′へとΔＳ′だけ移動したとすると、
結像の式より次のような関係が成立する。 ΔＳ＝ΔＳ′／〔β²（１−ΔＳ′／βｆ）〕 …（３）

【００２６】さらに、物点が移動したため所定の像面Ｉ
（フィルム面）に対してＯ₁′Ｏ₂′のデフォーカスが
発生し、これを解消するためレンズをΔｘだけ物体側へ
移動させてＯ₂′をＯ₃′へと合焦すると、図６（Ｂ）
より（３）式のΔＳをΔＳ＋Δｘ、ΔＳ′をΔｘと置き
換えることにより、物点の移動量ΔＳとレンズの合焦移
動量Δｘの関係は次のようになる。

【００２７】

【数２】

【００２８】（３）と（４）式より

【数３】ただし、Ａ≡ΔＳ′／（１−ΔＳ′／ｆβ）

【００２９】

【数４】

【００３０】となり、通常は倒立縮小で使用するものと
すると、−１≦β≦０だから負根である。（５）、
（６）の低倍率における近似解として｜Δｘ／ｆ｜＜＜｜（１−β²）・β｜あるいは、｜４Ａβ／ｆ｜＜＜〔（１−β²＋Ａ／（ｆ・β）〕のとき、（６）式は次のように簡単になる。

【００３１】

【数５】ただし、Ｂ＝β〔１＋１／（１−β²）〕とおく。ただし、γ≡１−β²……（８）である。

【００３２】従って、デフォーカス量ΔＳ′が検出され
ると、図６の（Ａ）のＯ₁、Ｏ₁′状態でのγ、β、ｆ
が与えられているので、Ｏ₂′をＯ₃′へと合焦するた
めにレンズ系Ｌに必要な移動量Δｘを求めることがで
き、自動合焦における制御が可能である。（７）式のΔ
Ｓ′はある程度の大きさを有していても充分効率よく合
焦ができる。

【００３３】ｂ）多群系による合焦の場合次に、図７の如く全光学系が第１レンズ群G₁〜第ｎレン
ズ群 G_nまでのｎ個のレンズ群から構成されている場合
について説明する。図７は、図６に示したのと同様に、
上部の図７（Ａ）は撮影距離Ｒ₁における物点Ｏ₁に合
焦している状態の光路の概略を示し、物点Ｏ₁とその像
Ｏ₁′との共役関係に加えて合焦状態から外れている物
点Ｏ₂とその像Ｏ₂′との共役関係とを示す。また下部
の図７（Ｂ）は、レンズ系Ｌを図７（Ａ）の状態から一
体的にΔｘだけ移動して物点Ｏ₂に対応する物点Ｏ₃に
合焦を完了した状態を示す。このとき物点Ｏ₃とその像
Ｏ₃′との距離（撮影距離）は図６の（Ｂ）状態と同様
な対応関係よりＲ₂となり、図７（Ａ）において合焦状
態にあった物点Ｏ₁は、物点Ｏ₄として示した如く非合
焦状態になることが示されている。

【００３４】この場合には、図示した如く、各レンズ群
による像点が後続のレンズ群の物点に相当し、各レンズ
群によって次々に伝送されて、最終像面Ｉとしてのフィ
ルム面に像が形成される。ここで、第ｉレンズ群におけ
る１対の共役点の間の撮影距離を新たにＲ_iとし、それ
ぞれの群の諸元のすべてに添字ｉを付与することによっ
て、各レンズ群がアフオーカル部を含まないとき、すな
わち（β_i≠０、Ｒ_i≠∞）前記の（１Ｂ）式から
（８）式までをそのまま書き換えて多群系の構成におけ
る関係式とすることができる。撮影距離Ｒ及び撮影倍率
βは、それぞれ次のようになる。

【００３５】

【数６】

【００３６】図７で物点Ｏ₁がＯ₂へΔＳ₁だけ移動し
たとき、像点Ｏ₁′がＯ₂′にΔＢｆだけデフォーカス
する。このとき第ｉ群における関係は次のようになる。

【００３７】

【数７】但し、 ΔＳ_n′＝ΔＢｆ ΔＳ_i′＝ΔＳ_i+1

【００３８】このデフォーカス量を合焦によって０とす
るために、各レンズ群を同時にΔｘ_iだけ移動すること
により所定像面Ｉ（フィルム面）に形成される像点がＯ
₂′からＯ₃′へ移動する。このとき（12) 式におい
て、Ｏ₃とＯ₃′との共役関係を、Ｏ₄とＯ₄′との共
役関係と対応づけてその物点のずれ量と像点のずれ量と
を考えると：Δｓ_i′＝Δｓ_i+1，ΔＳ_i＝Δｓ_i＋Δ
ｘ_i，ΔＳ_i′＝Δｘ_i＋Δｓ_i+1，ΔＳ₁＝Δｓ₁，
Δｓ_n+1＝０として置き換えるだけでＯ₁Ｏ₁′に対す
るＯ₃Ｏ₃′の関係求めることができる。

【００３９】

【数８】

【００４０】ここで、前記の（１２）式によって、第ｎ
レンズ群からデフォーカス量ΔＢｆ（＝ΔＳ_n′）を求
め、ΔＳ_iを逐次ｉ＝１まで解法して行きΔＳ₁を求め
ると同時に、（１３）式によっても第ｎレンズ群からΔ
ｓ_nを求め、Δｓ_iを逐次ｉ＝１まで解法してΔｓ₁を
求めることができる。これらの式からこのΔＳ₁＝Δｓ
₁よりΔＳ₁、Δｓ₁を消去することによってΔＢｆと
Δｘ_iとの関係を導出することができ、焦点検出装置に
よって検出されるΔＢｆなるデフォーカス量から合焦の
ために必要な各群の移動量Δｘ_iを求めることができ
る。

【００４１】そして、ｎ個のレンズ群のそれぞれの合焦
のための移動量Δｘ_iの関数として、デフォーカス量Δ
Ｂｆが与えられるから、Ｑ (Δｘ₁, Δｘ₂,… ,Δｘ_n) ＝ΔＢｆ ……（１４）と書くことができる。

【００４２】上記の（１２）、（１３）、（１４）式で
は、ΔＳ_iが充分大きくてもあまり収差が発生しないと
すると常に成立する式であり、異なる２つの共役点間の
関係を示してる。この共役点は合焦移動量Δｘ_iにて正
確に結びつけられている。

【００４３】一方Δｓ_i、ΔＳ_i、ΔＢｆ、Δｘ_iが非
常に微小な量であると仮定すると、それぞれｄｓ_i、ｄ
Ｓ_i、ｄＢｆ、ｄｘ_iと表記されるものとする。このと
き（１２）、（１３）、（１４）式は次式のように表わ
され、合焦点近傍でのみ成立する関係式となる。即ち、
（１２）式はｄＳ_i＝ｄＳ_i+1／β_i ² ……（１５）（１３）式は

【００４４】

【数９】

【００４５】となる。（１５）（１６）式を第ｎレンズ
群から第１レンズ群まで逐次解法して行きｄｓ₁、ｄＳ
₁を求め、ｄｓ₁＝ｄＳ₁として消去すると（１４）式
は次のように合焦点近傍で成立する。

【００４６】

【数１０】ただし、β₀＝１、β_i≠０である。

【００４７】ｃ）像面移動係数と連結定数さて、次に像
面移動係数なる物理量と、多群レンズ群移動量の連結定
数を定義する。

【００４８】図８に示す如く、ｎ個のレンズ群から構成
される場合において、最初の合焦状態、即ち、共役点Ｏ
₁Ｏ₁′から物点がＯ₂へ移動したとき、像点Ｏ₂′は
Ｏ₁′に対してΔＢｆだけ移動する。このとき各群レン
ズG1,G2,G3, …,Gn を同時に移動し、Ｏ₃Ｏ₃′なる共
役関係を得るように合焦し、移動する主なるレンズ群
（第ｉ群）に着目し、その移動量をΔｘ_iとすると平均
像面移動係数γ_Siは次のように定義される。 γ_Si＝ΔＢｆ／Δｘ_i ……（１８）

【００４９】一方、物点の微小移動量ｄｓ₁、ｄＳ₁に
対して像面の移動量ｄＢｆが微小であるとき同様に、第
ｉ群を微小量ｄｘ_iだけ移動させたときの微分像面移動
係数（合焦点近傍の像面移動係数）を次のように定義す
る。

【００５０】

【数１１】

【００５１】また、図８から判るように合焦レンズ群の
移動形態が主レンズ群の移動量Δｘ _iに対し特定の撮影
領域において主レンズ群以外のレンズ群が近似的あるい
は正確に線形的な移動をするものとする。第ｉ群の移動
量Δｘ_iに対する第ｊ群の移動量Δｘ_jの比を絶対的連
結定数Ｋ_ijとして、次のように定義する。Ｋ_ij≡Δｘ_j／Δｘ_i ……（２０）

【００５２】一方、図８の如く合焦前後において第ｉ群
の像側の空間の変化量ΔＤ_iに対し、それ以外の第ｊ群
の像側の空間の変化量ΔＤ_jの比を相対的連結定数Ｃ_ij
として、次のように定義する。Ｃ_ij＝ΔＤ_j／ΔＤ_i ……（２１）これらの定数を介してΔｘ_i、ΔＤ_iには次のような関
係が存在する。

【００５３】

【数１２】ただし、（１≦ｉ≦ｅ≦ｊ≦ｎ）Ｃ_ij＝１／Ｃ_ji、Ｃ_ii＝１、Ｃ_ij＝Ｃ_ik・Ｃ_kj ……（２３）

【００５４】

【数１３】 ΔＴＬ＝Δｘ₁、ΔＤ_n＝Δｘ_n ……（２５）ただしΔＴＬは合焦によるレンズ群の全長の変化量であ
る。

【００５５】これらの連結定数を用いて（１９）式をｎ
群レンズ群の同時移動合焦について求めると、（１７）
式は次のように求まる。

【００５６】

【数１４】

【００５７】（２６）式の特殊な場合として、合焦によ
る可動群が第ｉ群のみであるときはＫ_ii＝１、ｉ≧１で
あり、次のようになる。

【００５８】

【数１５】

【００５９】ただし（２７）式はｉ＞１でβ_i＝０なる
アフォーカル系を含まない場合である。また（２８）式
は第ｎ−１群と第ｎ群の間にアフォーカル系を含む場合
である。

【００６０】またズームレンズ等の第１群合焦において
は、ｉ＝１だから無限遠合焦のときβ₁＝０とすれば
（２７）、（２８）式は成立している。ｎ＝１とすると
（２７）式は（８）式と一致する。すなわち、（２６）
式はすべての合焦方式を含めて表現しており、たとえば
インナーフォーカス、リアフォーカスについても成立し
ている。

【００６１】ｄ）２群系の場合前述した（１４）式は形式的な表現であるので具体的に
求めるために、２群系から構成される近距離補正方式を
採用したレンズ系を考えることにする。（１２）式より
逐次解法して行くと以下のようになる。

【００６２】

【数１６】

【００６３】（１３）式より低倍率近似｜Δｘ₂／ｆ₂｜＜＜｜（１−β₂ ²）／β₂｜を仮定すると、Δｓ₁＝ΔＳ₁より、

【００６４】

【数１７】

【００６５】さらに上式の分子のΔｘ₁(１−β₁ ²)β₂
²＋Δｘ₂(１−β₂ ²)に対してそれ以降の項が無視でき
るとして近似すると、即ち、Δｘ₁／ｆ₁，Δｘ₂／ｆ
₂があまり大きくないとすると（３０）式は次のように
なる。

【００６６】

【数１８】

【００６７】（２９）＝（３１）の関係と（３２）式よ
り次のようになる。

【数１９】

【００６８】また（２９），（３０）式よりΔｘ₁につ
いて解くことも容易である。さらに（３３）式におい
て、Δｘ₁＝０，Ｋ₂₁＝０とすると、γ₂＝１−β₂ ²
となり

【００６９】

【数２０】

【００７０】ただし、Ｂ₂＝β₂〔（１＋１／（１−β
₂ ²）〕とおき（７）式に等しくなる。さらに（３２）式
において、 Δｘ₂＝０、Ｋ₁₂＝０とすると１群のみにより合焦を行うレンズ系を示す。こ
のとき、 γ₁＝（１−β₁ ²)β₂ ² となり（２９）、（３０）式より

【００７１】

【数２１】

【００７２】ただし、Ｂ₁＝β₁〔（１＋１／（１−β
₁ ²）〕とおく。これは第１群くり出しにより合焦するズ
ームレンズなどに相当する。β₂はズーム倍率であり、
ｆ₂はズーム部の焦点距離である。

【００７３】(35)式の例から判るように合焦によってβ
₁が１／１０倍程度の低倍率であるとき、Ｂ₁／γ₁ｆ
₁項の効きが小さいので１／ｅ₁≡（１／ｆ₂β₂−Ｂ₁／γ₁ｆ₁）はほとんど一定とみなしてよい。それぞれの撮影領域に
おいてγ₁及びｅ₁の値を与えておけばデフォーカス量
ΔＢｆから容易にΔｘ₁を算出することが出きるので、
精度よく合焦制御できる。

【００７４】ｅ）多群系についての結論以上は２群系についての解析であるが、これからの類推
として、一般的な多群レンズ系の同時移動による合焦に
よってオートフォーカスの制御を行う場合でも、（３
３）式から判るように次のような式に帰着することがで
きる。

【００７５】

【数２２】

【００７６】(36)式は、従来のようにΔｘ_i＝ΔＢｆ／
γ_iで表現される場合より、デフォーカス量ΔＢｆがあ
る程度大きくてもオートフォーカスの制御の精度を上げ
ることができ、少ない測距回数で合焦を完結させること
ができる。

【００７７】ｆ）自動合焦制御の実際しかし、実用上、(36)式は撮倍率が等倍近くでの合焦
や、ΔＢｆなるデフォーカス量が非常に大きいと近似の
精度が悪くなるので注意が必要である。すなわち、全撮
影領域にわたってγ_i、ｅ_iの値をそれぞれサンプル点
に対応する値を複数個求めておく。そしてそれぞれのサ
ンプル点の一つを含む限られた撮影領域においてのみそ
の代表値を固定して使用する。この領域から外ずれる撮
影距離では、その領域に対応したγ_iとｅ_iを使用して
くり出し量Δｘ_iを算出することにより精度よく合焦が
可能である。ただしこのとき、(36)式から判るように所
望の撮影倍率に合焦する範囲において、常にγ_i≠０で
あることが必要である。

【００７８】(36)式はデフォーカス状態から合焦状態へ
とレンズを制御するときの関係を示している。図８から
判るようにＯ₁Ｏ′₁の共役点とＯ₃Ｏ₃′の共役点は
それぞれのレンズ配置において合焦が完結した状態であ
る。ところでＯ₁Ｏ₁′なる合焦レンズ配置状態でＯ₃
Ｏ₃′なる合焦レンズ配置になるべき物点Ｏ₃（Ｏ₂）
を見ると、像点はＯ₂′とＯ₁′からずれ、デフォーカ
スした状態となっている。同様にＯ₃Ｏ₃′なる合焦レ
ンズ配置からＯ₁なる物点を見てもデフォーカス状態と
なってしまう。このとき、合焦移動量Δｘ_iが同じ値で
あるが、デフォーカス量ΔＢｆ、補正パラメーター
ｅ_i、微分像面移動係数γ_iは異なる値となる。

【００７９】ここで、合焦可能な撮影距離領域を有限な
るｍ個の区間に分割して合焦し、ピントの合った特定の
レンズ配置状態をｐ番目のレンズ配置状態とし、ｐは１
からｍまでの整数で、それぞれの区間の代表サンプル点
に対応するレンズ配置とする。一方、物体の位置をそれ
ぞれ特定の配置をｑ番目の位置とし、ｑは１からｍまで
の整数とする。ｐとｑの添字が等しいとき合焦が完結し
ていることを示している。このときγ_iはγ_ipq＝γ
_ippとなり、ｅ_iはｅ_ipqとなり、ｐ≠ｑのとき、１／
ｅ_ipq≠０となっている。

【００８０】等倍近くの高倍率側ではサンプル点の区間
を狭くすることによって全サンプル点の数ｍを大きくす
る。これによってそれぞれの区間で１／ｅ_ipqが近似的
にあまり変化しない特定の定数となるようにする。その
結果 (36) 式はΔＢｆを与えることによってΔｘ_iを精
度よく算出することができる。ただし、１／ｅ_ipqと１
／ｅ_iqpとでは値が異るが合焦によって像面がオーバー
ランしないように１／ｅ_iの絶対値の小さい値の方、あ
るいは相加平均値１／ｅ_i＝（１／ｅ_pq＋１／ｅ_qp）／
２、あるいは１／ｅ_i＝２／（ｅ_pq＋ｅ_qp）の値等を採
用すればよい。

【００８１】また１／ｅ_ipqの定数を決定するとき、前
もってサンプル点間におけるデーターからΔｘ_ipq、Δ
Ｂｆ_pq、γ_ippが求めることが出きるので次のようにし
て算出できる。

【００８２】

【数２３】

【００８３】これらの関係を理解しやすくするため、図
５及び図６を用いて説明すると、ｐ配置状態はＯ
₁Ｏ₁′なる合焦状態を示しており、物体のｑ状態位置
はＯ₂Ｏ₂′なるデフォーカス状態を示している。Ｏ₃
Ｏ₃′はｑ配置の状態における合焦状態に対応してい
る。ｐｐ、ｑｑなる状態がそれぞれの合焦状態のサンプ
ル点である。

【００８４】本発明による実施例は前述した図１の説明
図に示す如く、正屈折力の第１レンズ群G₁と同じく正屈
折力の第２レンズ群G₂とからなる近距離合焦が可能な所
謂マイクロレンズである。第１レンズ群G₁と第２レンズ
群G₂とを共に物体側に移動し、近距離において両レンズ
群の間の絞りＳの空間を拡大することによって近距離で
の収差変動を補正するものである。

【００８５】そして、撮影倍率が等倍に達する至近距離
合焦時において、第２レンズ群G₂の移動に対して第１レ
ンズ群G₁の軌道は非線形の軌道を有することによって、
低倍率の第１合焦領域Ｆ₁では図２の如く合成焦点距離
が長くなるように変化し、等倍近くの高倍率の第２合焦
領域Ｆ₂では図４の如く焦点距離が短く変化するような
変化率を有し、等倍以上の合焦が可能である。最至近距
離での焦点距離は、無限遠レンズ配置における焦点距離
よりも長い。尚、一般に上記のような特徴を有していれ
ば第２レンズ群G₂の合焦移動の軌道も非線形であっても
かまわない。このような合焦軌道を選ぶことによって全
撮影領域にわたって収差補正も容易にできる。

【００８６】実施例のレンズ構成図を図９（Ａ）（Ｂ）
に示す。図９（Ａ）は無限遠合焦状態、図９（Ｂ）は撮
影倍率が等倍（β＝−１）の合焦状態を示す。図示のと
おり、本実施例の自動合焦用レンズ系は所謂ガウスタイ
プからなっており、第１レンズ群G₁は両凸形状の正レン
ズ成分Ｌ₁と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ
成分Ｌ₂及び物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ
成分Ｌ₃で構成され、絞りＳを挟んで第２レンズ群G
₂は、負レンズ成分Ｌ₄とこれと接合された正レンズ成
分Ｌ₅及び両凸形状の正レンズ成分Ｌ₆とで構成されて
いる。

【００８７】この実施例においては、図１０に示す如
く、撮影距離が無限遠（Ｒ＝∞）から撮影倍率β＝−1.
0 に合焦するための第１レンズ群G₁及び第２レンズ群G₂
の移動軌跡は、第２レンズ群G₂が物体側に線形に移動す
るのに対して、第１レンズ群G₁は撮影倍率が略β＝−0.
85の状態までは第２レンズ群G₂よりも早い速度で物体側
に移動し、β＝−0.85の状態から等倍（β＝−1.0)まで
は合焦のための移動速度が小さくなる。このとき撮影倍
率β＝−0.85までの第２レンズ群G₂に対する第１レンズ
群G₁の相対連結定数Ｃ₂₁（-0.85)と、撮影倍率β＝−0.
85から等倍（β＝−1.0)までの第２レンズ群G₂に対する
第１レンズ群G₁の相対連結定数Ｃ₂₁（−1.0)との差をΔ
Ｃ₂₁とすると、ΔＣ₂₁＝Ｃ₂₁（-1.0 )−Ｃ₂₁（-0.85)と
なり、０＜｜ΔＣ₂₁｜＜０．２の条件を満足するこ
とが望ましい。

【００８８】この条件の下限を外れる場合には、図２の
如く、撮影倍率に対する撮影距離の変化が２価関数にな
り本発明の目的を達成することができなくなる。また上
記条件の上限を越える場合には、至近距離における第１
レンズ群G₁と第２レンズ群G₂との間隔が減少し過ぎるた
め、近距離での収差変動の補正機能が劣下してしまい良
好な結像性能を維持することが困難になる。

【００８９】尚、上記の範囲であれば、第１レンズ群G₁
及び第２レンズ群G₂は共に線形に移動する場合に限ら
ず、共に非線形に移動することも可能である。以下の表
１に、実施例のレンズ構成諸元を示す。表中、左端の数
字は物体側からの順序を表し、屈折率及びアッベ数はｄ
線（λ＝587.6nm)に対する値である。

【００９０】

【表１】このレンズ系において、無限遠から撮影倍率β＝−１に
達する至近距離までに合焦するために、第１レンズ群G₁
と第２レンズ群G₂と間の絞り空間d₆及びバックフォーカ
スBfの値は、以下の表２のようになる。表２には、４つ
のポジションについて示し、各撮影距離Ｒ、各撮影倍率
β及び全系の合成焦点距離ｆの値を併記した。

【００９１】

【表２】

【００９２】図１の如く２群系から成る近距離補正方式
における合焦すると撮影距離Ｒは（９）式より次のよう
になる。

【００９３】

【数２４】

【００９４】ただし、β₂₀はレンズ配置が無限遠合焦時
における第２レンズ群G₂の倍率である。全体の合成倍率
は次のようになる。

【数２５】

【００９５】任意のレンズ配置におけるレンズ合成焦点
距離をｆとすると次なる関係がある。１／ｆ＝１／ｆ₁β₂₀−Ｃ₂₁Δｘ₂／ｆ₁ｆ₂ ……（４２）第２レンズ群G₂の移動に対する焦点距離の変化は次のよ
うに表現できる。

【００９６】

【数２６】

【００９７】等倍（−１×）の手前で（ｄＣ₂₁・Δｘ₂
／ｄ（Δｘ₂）＋Ｃ₂₁）≦０のところが存在する。Ｃ₂₁
が定数のとき、ｄＣ₂₁／ｄ（Δｘ₂）＝０であり、故に
焦点距離の変化と相対的連結定数とは比例する。（３
４）式からｆ₁＞０、ｆ₂＜０とするとΔｘ₂＞０、Ｃ
₂₁＞０のときΔｆ／Δｘ₂＜０となり、Δｘ₂＞０、Ｃ
₂₁＜０のときΔｆ／Δｘ₂＞０となり、図２、図３の例
（ｆ₁＞０、ｆ₂＜０）で示したものとＣ₂₁に対する合
成焦点距離の変化Δｆの符号が逆になっていることがわ
かる。いかなるときでもΔｆ＜０となるように近距離補
正を高倍率側で変化するような領域を有しているとき、
γ₂≠０なる条件が所望の倍率まで満足することにな
る。

【００９８】添付の表３に、上記実施例における自動合
焦のために必要な諸元を前記と同様の４つのポジション
について示す。表３に示した自動合焦に必要な各値は、
前述した解析結果から求められた値であり、これらの値
によっ各ポジション間の合焦が精度よく確実かつ正確に
行うことが可能である。これらの諸元は、本願出願人に
よる先の特願昭61−12391 号に開示した「表１」と同様
の意味を持つ。尚、先の出願における前記との対応関係
を示せば、次のとおりである。像面移動量変換係数：Ｋ₀＝γ_pp 補正係数：Ｃ₀＝−１／ｅ_pq

【００９９】

【表３】

【０１００】ここで、低倍率の合焦領域の場合や、想定
した被写体区分（サンプルポジション）の数区分程度の
デフォーカス量の場合には、合焦に際してｅ_pq，ｅ_qp
の平均値をとり、ｅ_p＝（ｅ_pq＋ｅ_qp）／２として１次元のパラメータに近似することができる。こ
のとき、上記Δｘ_pqの式は、１次元のパラメータで代表
される値によって与えられる。

【０１０１】以上の如き本発明の実施例によれば、無限
遠から撮影倍率が等倍に達する至近距離まで、連続的に
合焦が可能であり、合焦領域全体にわたって撮影距離と
撮影倍率とが１対１に対応するため、自動焦点検出のた
めの制御に誤動作を生ずることがなく簡単な制御装置と
することが可能となる。そして、図１１〜図１３に示す
諸収差図の如く、無限遠は勿論等倍に達する近距離にお
いても極めて良好な結像性能を維持していることが明ら
かである。図１１は無限遠合焦状態、図１２は撮影倍率
β＝−0.85倍の合焦状態、図１３は撮影倍率β＝−1.0
の合焦状態における諸収差図である。

【０１０２】図１４は、本実施例による自動合焦用レン
ズ系が自動合焦装置と組合わされた場合の装置全体の概
略構成を示す図である。

【０１０３】１はカメラボディに装着される上記実施例
の如き自動合焦用レンズ系であり、合焦のために光軸に
沿って移動可能な第１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂とを
有している。レンズ系１を透過した光束は、カメラボデ
ィ内に配置された中央が半透過鏡に形成されたクイック
リターンミラー２及びサブミラー３を介して焦点検出用
の受光素子５に導かれる。受光素子５の出力は像面ずれ
量検出部６に入力され、所定の像面４（フィルム面）か
らの像のずれ量ΔBfが前ピン後ピンの符号を含めて算出
される。７はレンズ系１の図示なき鏡筒内に設けられた
ＲＯＭ等からなるレンズ情報格納部であり、レンズ系１
に固有の表３に示した如き変換係数に関する情報、即ち
像面移動量変換係数及び補正係数等が予め格納されてい
る。８はレンズ系の合焦のための移動量算出部、９は合
焦用レンズの駆動制御部であり、レンズ移動量制御部８
の出力Δｘに基づき、駆動用モータ１０を制御して合焦
レンズを駆動する。１１はレンズ系１の合焦のためのレ
ンズ群の移動量を検出するための検出器によるパルス発
生部であり、このパルス数によって合焦レンズ群の位置
をレンズ駆動制御部９に伝達する。このような自動合焦
装置としの機能及び動作の詳細は、先の特願昭61−1239
1 号にて開示したとおりであるので詳細は省略する。

【０１０４】

【効果】以上の如く、本発明による合焦形態を採用す
ることによって、図１の如く所望の撮影倍率まで撮影距
離に対して一対一に対応づけることができる。これによ
って像面移動係数の微分値γ_iが０となる撮影倍率のと
ころ、すなわち限界撮影距離Ｒ_cを所望の撮影倍率（β
＝−１）の外へ移動させることができる。従って、至近
撮影で焦点距離が長くなる場合でもオートフォーカスに
よる極近接撮影が容易にできるようになった。即ち、オ
ートフォーカスによる合焦サーボのソフトウェアーが単
純となるので誤動作の恐れがなく、簡単かつ正確な合焦
制御が可能となる。

【０１０５】さらに、至近撮影で焦点距離が長くなる場
合、本発明による合焦形態のレンズで高倍率撮影を行う
とき、撮影距離を比較的長くとれるので被写体の照明条
件が有利になるからである。尚、複雑なレンズ群の移動
を伴う合焦方式においても上述した如く、オートフォー
カスの合焦制御においては一群のレンズによる合焦の制
御と同様な形式で、簡単かつ精度よく合焦制御を行うこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による自動合焦用レンズ系の一例を示す
図であり、合焦の際のレンズ群の移動に関連して変化す
る撮影距離Ｒと撮影倍率βとの関係を示す図である。

【図２】本発明による合焦形態との比較のための説明図
である。

【図３】本発明による合焦形態との比較のための説明図
である。

【図４】本発明による合焦形態との比較のための説明図
である。

【図５】レンズ系全体の一体的繰り出しによって近距離
合焦を行う場合の撮影距離Ｒと撮影倍率βとの関係を示
す図である。

【図６】図５に関連して有限撮影距離Ｒ₁とＲ₂との場
合における物点の共役関係を示す光路図である。

【図７】多群レンズ系の移動によって合焦を行う場合の
各物点の共役関係を示す光路図である。

【図８】多群レンズ系の移動による合焦の場合の連結定
数を説明するための光路図である。

【図９】本発明による実施例のレンズ構成図であり、
（Ａ）は無限遠合焦状態、（Ｂ）は至近距離合焦状態
（β＝−1.0)を表している。

【図１０】実施例における第１レンズ群G₁と第２レンズ
群G₂との移動形態の説明図である。

【図１１】本発明による実施例についての諸収差図であ
り、無限遠合焦状態における諸収差量を示している。

【図１２】本発明による実施例についての諸収差図であ
り、撮影倍率β＝−0.85の合焦状態における諸収差量を
示している。

【図１３】本発明による実施例についての諸収差図であ
り、撮影倍率β＝−1.0 の合焦状態における諸収差量を
示している。

【図１４】実施例による自動合焦用レンズ系が自動合焦
装置と組合わされた場合の装置全体を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

G₁…第１レンズ群 G₂…第２レンズ群 G_n…第ｎレンズ群Ｒ…撮影距離 β…撮影倍率

【手続補正書】

【提出日】平成７年１２月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定焦点面と被写体の実際の結像面との
間の像面のずれ量ΔＢｆを検出するための焦点検出手段
と、前記合焦レンズ群の微小移動量に対する像面の微小
移動量の比で表される像面移動量変換係数γと該像面移
動量変換係数γの値を前記像面ずれ量ΔＢｆの値に応じ
て補正する補正係数とに基づいて前記合焦レンズ群の合
焦に必要な移動量Δｘを算出するための算出手段と、該
算出手段で算出された移動量Δｘだけ前記合焦レンズ群
を駆動制御するための駆動制御手段とを備え、前記算出手段は、合焦可能な撮影距離領域におけるｐ番
目の撮影距離に対応するレンズ配置状態において、ｑ番
目の撮影距離に対応して合焦状態にある物体に対する像
面ずれ量ΔＢｆ、必要移動量Δｘおよび像面移動量変換
係数γのデータに基づく第１補正係数と、ｑ番目の撮影
距離に対応するレンズ配置状態において、ｐ番目の撮影
距離に対応して合焦状態にある物体に対する像面ずれ量
ΔＢｆ、必要移動量Δｘおよび像面移動量変換係数γの
データに基づく第２補正係数とに基づいて、自動合焦に
必要な前記補正係数を求めることを特徴とする焦点検出
装置。