JPH1114896A

JPH1114896A - 焦点検出装置

Info

Publication number: JPH1114896A
Application number: JP9163910A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Yamashita; 健一郎山下; Yasuo Suda; 康夫須田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 1999-01-22
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: JP4011676B2

Abstract

(57)【要約】【課題】焦点検出光学系の歪曲収差を許容しつつも、
簡易なセンサ構成で検出精度の高い千鳥状或いは格子状
の焦点検出視野を実現し、対象物の細部をより詳しく測
距する。【解決手段】受光エリア２０２、２０３は、３タイプ
のセンサ列タイプＡ、Ｂ、Ｃを組み合わせることによっ
て構成されている。各サンサー列は焦点検出回路によっ
て蓄積時間が同一に制御される複数の隣接した画素から
成る固定された画素領域を有する。センサ列タイプＡに
は３つの画素領域が、センサ列タイプＢ、Ｃには２つの
画素領域がそれぞれ充てられている。焦点検出光学系を
通してこれらの画素領域に入射する光の強さに応じて、
画素領域毎の蓄積時間は独立に制御され、各々適切なレ
ベルの像信号を得ることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結像光学系を透過
した光束を用いてその結像状態を検出するカメラ等の焦
点検出装置に関し、特に、多数の焦点検出視野を有する
改良された焦点検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開昭６１−１９８０１４
号公報や特開平８−１１４８３９号公報に開示されてい
るように、千鳥状や格子状に焦点検出視野が配置された
焦点検出装置が知られている。焦点検出視野を千鳥状や
格子状に配置すると、焦点検出視野の密度が高くなっ
て、対象物の細部をより詳しく測距することが可能とな
る。対象物の多くの部分についての焦点調節状態が分か
れば、より適切な位置に対物レンズのピント位置を設定
することが可能となって大変に好ましい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
多数の焦点検出視野を設けようとすると、焦点検出光学
系の歪曲収差が悪影響を及ぼして測距精度は低下する傾
向にある。特開平５−１５０１５５号公報には、このよ
うな焦点検出光学系の歪曲収差を前提とした焦点検出光
学系について開示されている。この技術は、エリアセン
サを極めて細かい画素で構成し、歪曲に沿った領域の２
次元に分布した画素を足し合わせて、物体像を仮想的に
１次元サンプリングする手法である。

【０００４】ところが、このエリアセンサには、指定さ
れた領域における光量のピーク値をモニターする機能
と、画素信号を加算して出力する機能とが必要であっ
て、光電変換部以外の周辺回路が複雑化するという欠点
がある。その結果、開口効率が低下して物体像の正確な
位相がセンサ出力に反映され難くなって、物体像の相対
的位置関係から得られる焦点状態情報の精度は低い。こ
の場合、特に精密さが要求されるカメラ等のピントを検
出することは不可能である。

【０００５】そこで、本発明は、焦点検出光学系の歪曲
収差を許容しつつも、簡易なセンサ構成で検出精度の高
い千鳥状或いは格子状の焦点検出視野を実現し、対象物
の細部をより詳しく測距することを可能とする焦点検出
装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の焦点検出装置
は、対物レンズと、前記対物レンズからの光束を受容す
る一対の結像光学系と、多数の画素からなる複数のセン
サ列が並列配置されてなる複数の受光領域を備えた光電
変換素子と、前記光電変換素子を駆動してその出力を処
理する焦点検出回路とを備えた焦点検出装置であって、
前記一対の結像光学系を介して前記光電変換素子上に視
差を持った一対の物体像を投影することにより、前記対
物レンズの焦点状態を検出するための焦点検出視野を形
成し、前記焦点検出回路において前記光電変換素子の出
力を基に前記一対の物体像の相対的位置関係を検出し
て、前記対物レンズの焦点状態を検知する機能を有して
おり、前記センサ列内には、前記焦点検出回路により蓄
積時間が略同一に制御される複数の隣接した画素からな
る固定された画素領域が設けられているとともに、前記
受光領域を構成するセンサ列が前記画素領域の位置に関
して複数のグループに分類されている。

【０００７】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記焦点検出回路が、前記対物レンズの射出瞳を縦
方向に分離する第１の焦点検出系と、前記射出瞳を横方
向に分離する第２の焦点検出系とを有する。

【０００８】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記対物レンズと前記一対の結像光学系との間に、
前記対物レンズの透過光束を反射収斂して前記対物レン
ズの光軸と異なる方向に光路を偏光させる反射鏡を有す
る。

【０００９】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記反射鏡で偏光された光束から赤外線を除去する
赤外線除去フィルタを有する。

【００１０】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、少なくとも前記対物レンズが合焦している際に、検
出対象となる前記光電変換素子の一対の前記センサ列上
に、物体上で同一位置に対応する２次物体像を投影す
る。

【００１１】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記対物レンズにデフォーカスが生じた際に、検出
対象となる前記光電変換素子の一対の前記センサ列上
に、物体上で同一位置に対応する２次物体像を相対的な
位相差を持つように投影する。

【００１２】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記光電変換素子の前記受光領域は、相異なる複数
の前記センサ列が所定の順序で繰り返し配置されたもの
である。

【００１３】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記センサ列が、３つの前記画素領域が接続してな
る第１のセンサ列と、２つの前記画素領域が所定間隔を
もって隣接してなる第２のセンサ列と、２つの画素領域
が前記第２のセンサ列の前記画素領域の間隔に比して大
きい間隔をもって隣接してなる第３のセンサ列とから構
成されている。

【００１４】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記センサ列が、１つの前記画素領域を有する第４
のセンサ列と、２つの前記画素領域が所定間隔をもって
隣接してなる第５のセンサ列とから構成されている。

【００１５】本発明の焦点検出装置の一態様例において
は、前記光電変換素子が、前記焦点検出視野に対して、
歪曲した物体像に関して互いの位相差が１／２画素相当
となる並列した２つの前記画素領域を有し、前記各画素
領域における焦点検出結果の平均値を出力する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るのいくつかの
具体的な実施形態について図名を参照しながら説明す
る。

【００１７】（第１の実施形態）先ず、第１の実施形態
について説明する。図１及び図２は、第１の実施形態の
焦点検出装置の主要構成部分を示す模式図であり、図１
１は、この焦点検出装置をカメラ等の光学機器に適用し
たときの模式図である。この焦点検出装置は、対物レン
ズの射出瞳を縦方向に分離する検出系と、横方向に分離
する検出系とを有し、図１は前者の、図２は後者の光路
を対物レンズの光軸を含む平面上に投影して示したもの
である。

【００１８】図１１において、４０１は対物レンズ、１
０１は対物レンズの光軸、１０２は撮像面、１０３は対
物レンズの光軸１０１上に配置され、中央部に半透過性
の領域を有する主ミラー、４０３はフォーカシングスク
リーン、４０４はペンタプリズム、４０５は接眼レン
ズ、１０４は対物レンズの光軸１０１上に斜めに配置さ
れた第１の反射鏡、１０５は第１の反射鏡１０４によっ
て折り返された撮像面１０２に共役な近軸的結像面、１
０６は第２の反射鏡、１０７は赤外線カットフィルタ
ー、１０８は４つの開口部を有する絞り、１０９は絞り
の開口部に対応して４つのレンズ部を有する再結像レン
ズブロック、１１０は第３の反射鏡、１１１は２対の２
次元型受光エリアを有するエリアセンサである。

【００１９】各受光エリアは同一の開口を持った多数の
画素よりなる複数のセンサ列で構成され、センサ列同士
も対を成している。ここで、第１の反射鏡１０４は楕円
鏡であって、楕円を定義する二つの焦点は、対物レンズ
の光軸１０１上の光線が主ミラー１０３で屈折した後の
光路を逆に対物レンズ側に延長した線上と、その光線が
第１の反射鏡によって反射した後の光路を延長した線上
にそれぞれ位置する。また、第１の反射鏡は焦点検出領
域を制限する視野マスクの役割を兼ねるため、必要な領
域のみが光を反射するようになっている。第２の反射鏡
１０６と第３の反射鏡１１０は平面鏡である。なお、こ
れらの構成要素のうちの光学的に機能する部分は何れも
紙面に対して対称に構成されている。

【００２０】図３は絞り１０８の平面図である。絞り１
０８は金属製あるいは樹脂製の遮光性薄板よりなる。こ
の図３において、１０８ｅ〜１０８ｈは絞り開口部、１
０８ｉ、１０８ｊは位置決め穴である。絞り１０８は位
置決め穴１０８ｉ、１０８ｊを介して再結像レンズブロ
ック１０９に固定される。

【００２１】再結像レンズブロック１０９の光入射側
は、第１の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、射出側は互いに反対方向
に偏芯した２対の凸レンズ１０９ｅ〜１０９ｈとなって
いる。さらに凹状球面の中心は第１の反射鏡１０４によ
って形成される対物レンズの近軸的結像面１０５に、ま
た、前記２対のレンズ部１０９ｅ〜１０９ｈの中心は前
記絞り開口中心の近傍に位置している。このような形に
レンズのパワーを配置する事によって広い波長域にわた
っての高精度な焦点検出が可能である。

【００２２】絞り１０８と再結像レンズブロック１０９
との位置関係は、図３に破線で示した如く絞り１０８の
背後に２対のレンズ１０９ｅ〜１０９ｈが位置するよう
に設定してある。絞り開口１０８ｅ、１０８ｇの開口重
心は、対物レンズの光軸近傍の光路に平行であってレン
ズ部１０９ｅ〜１０９ｇの曲率中心Ｐ６、Ｐ７を含む第
１の平面ＰＬ１上にあり、また、絞り開口１０８ｆ、１
０８ｈの開口重心とレンズ部１０９ｆ〜１０９ｈの曲率
中心は対物レンズの光軸近傍の光路を含み第１の平面Ｐ
Ｌ１と直交する第２の平面ＰＬ２上にある。

【００２３】焦点検出光束の光路としては、絞り開口部
とレンズ部とで同一の添え字で示したもの同士が対応
し、各開口部を通過した光束は第３の反射鏡を介してエ
リアセンサ１１１上に二次物体像を形成する。なお、異
なる添え字の要素を通過した光束はエリアセンサ上の所
定の位置に到達しないため焦点検出には寄与しない。添
え字ｅ、ｇで示した要素を通過する光束を用いる検出系
は、対物レンズの射出瞳を縦方向に分離し、一方、添え
字ｆ、ｈで示した要素を通過する光束を用いる検出系
は、対物レンズの射出瞳を横方向に分離する。以降、瞳
を縦方向に分離する検出系を第１の焦点検出系、瞳を横
方向に分離する検出系を第２の焦点検出系と呼ぶことに
する。

【００２４】以上のように構成された焦点検出装置の光
学作用を説明する。

【００２５】図１および図２に示した１１２ｅ、１１２
ｇ、１１２ｆ、１１２ｈは絞り１０８を通過して焦点検
出に使われる画面中央への光束である。これらの光線の
進む順に説明を加えると、まず、不図示の対物レンズか
らの光束は主ミラー１０３を透過した後、第１の反射鏡
によってほぼ主ミラー１０３の傾きに沿った方向に反射
される。第１の反射鏡１０４は前述のように楕円鏡であ
って、二つの焦点の近傍同士を実質的に投影関係におく
ことができる。ここでは一方の焦点を対物レンズの代表
射出瞳位置の光学的な等価点に、他方の焦点を絞り１０
８の光学的な等価点に設定し、フィールドレンズとして
の機能を持たせている。この対物レンズの代表射出瞳位
置とは、カメラに装着される種々の撮影レンズの射出窓
の条件を勘案し総合的に決定される焦点検出系固有の仮
定瞳位置である。

【００２６】第１の反射鏡１０４で反射した光束は第２
の反射鏡１０６で再び反射し、赤外線カットフィルター
７に入射する。焦点検出の精度を低下させる要因となる
赤外線がここで除去され、対物レンズの収差補正が十分
に成されている波長域の光のみが背後に置かれた絞り１
０８や再結像レンズブロック１０９まで到達する。再結
像レンズブロック１０９の作用で収斂した光束は第３の
反射鏡１１０を介して二次物体像をエリアセンサ１１１
上に形成する。

【００２７】図４はエリアセンサ上の二次物体像の様子
を示す図であって、格子状の物体についての例である。
再結像レンズブロック１０９の４つのレンズによって４
つの二次物体像が形成され、１２２ｇ、１２２ｅおよび
１２２ｆ、１２２ｈがそれぞれ相対的位置関係を検出す
べき対の像となる。ここで、絞り１０８の開口部１０８
ｅ、１０８ｇの間隔と、開口部１０８ｆ、１０８ｈの間
隔とは異なり、間隔の広い第２の焦点検出系の方が二次
物体像の移動が敏感になるため、高精度な焦点検出が可
能である。

【００２８】物体が投影される範囲は、二次物体像１２
２ｇ、１２２ｅと二次物体像１２２ｆ、１２２ｈとでは
異なり、二次物体像１２２ｇ、１２２ｅでは第１の反射
鏡１０４の大きさで決定される領域に、二次物体像１２
２ｆ、１２２ｈではその絞り開口部の間隔の差異から、
主ミラー１０３や第２の反射鏡１０６上で光線が通れる
だけの領域となって、二次物体像１２２ｇ、１２２ｅよ
りも狭くなる。また、第１の反射鏡１０４が斜設されて
いることに起因して、各像には軸対称性の無いかなり大
きな歪みが生じる。

【００２９】但し、このような歪みが存在する場合であ
っても、次の二つの条件を満たせば特に速やかなピント
合わせが必要なカメラ用の焦点検出装置としても問題は
ない。その条件とは、正確な合焦判定を得るためには、
以下に示す条件を満たすことが必要である。

【００３０】（１）少なくとも対物レンズが合焦してい
るとき、検出対象となる一対のセンサ列上には物体上で
同一位置に対応する二次物体像が投影されていること、
つまり、センサ列に直交する方向において二像の倍率差
が小さいこと。

【００３１】（２）また、正確なデフォーカス検出を得
るために、対物レンズのデフォーカスが生じた際、検出
対象となる一対のセンサ列上には物体上で同一位置に対
応する二次物体像が位置的な位相差を持って投影されて
いること。

【００３２】さて、このような観点からこの焦点検出系
の像とセンサについて説明する。まず、瞳を縦方向に分
離する第１の焦点検出系については、第１の反射鏡１０
４の傾きが瞳の分離方向と一致した図１の紙面内である
ために、二次物体像１２２ｇ、１２２ｅの何れについて
も歪みはこの紙面に対称な扇形状となり、歪み自体はか
なり大きい。しかし、二像間での歪みの差に注目すれば
それは僅かであって、特に瞳の分離と直交する方向に相
当する図の横方向の像倍率差はほとんど無い。したがっ
て、例えば図６の如く受光エリアとセンサ列を配置すれ
ば、一方の受光エリア上の任意のセンサ列上に投影され
た物体像と対になる物体像は、他方の受光エリア上の対
応するセンサ列上に投影されることになる。つまり、上
記の条件（１）を満たす。

【００３３】図１０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系全体の役割を一般的に示
した要部ブロック図である。この図１０において、５１
０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５１
４にはフィールドレンズとかフィーフドミラーといった
光学素子からなる瞳投影光学系５１２と、一対の結像レ
ンズ等で構成される再結像光学系５１３が含まれてい
る。５１６は光電変換素子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。

【００３４】ここで光電変換素子５１５に投影される物
体の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にあり得る。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
ついてのそれぞれ性質を求めている。

【００３５】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
に於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られて
光電変換素子上に投影されていると理解できるわけで、
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。

【００３６】さて、図４に戻ってこの焦点検出光学系に
よる歪曲の主な要因を考える。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。つ
まり、二次物体像の歪みの要因は第１の反射鏡１０４す
なわち瞳投影光学系にあり、第１の反射鏡１０４の近軸
的結像面１０５に生じた歪が、再結像レンズブロック１
０９によってそのままエリアセンサ１１１上に投影され
ているといえる。

【００３７】したがって、二次物体像の移動方向は絞り
開口部１０８ｅ、１０８ｆの並び方向であって、像倍率
の変化分を取り除けばエリアセンサ上で図１０５に示す
矢印の方向である。上記のようにセンサ列を設定するこ
とによって同時に（２）の条件をも満たし、これをもっ
て二次物体像の相対的位置関係を比較し、対物レンズの
デフォーカス量を求めることが可能である。

【００３８】図８は、このように配置した受光エリアに
よる撮像面上での焦点検出領域を示す。歪みのある二次
物体像を矩形に整列した受光エリア１１１ｇ、１１１ｅ
で光電変換するために、焦点検出領域１０３は撮像面１
３０内で図のように歪んだ形状となる。

【００３９】次に、瞳を横方向に分離する第２の焦点検
出系について説明する。二像間での像倍率差が瞳の分離
と直交する方向で小さくなるのは、今度は撮像面の中央
部に近い領域だけである。そこで、この部分だけに受光
エリアを限定すれば、一方の受光エリア上の任意のセン
サ列上に投影された物体像と対になる物体像は、他方の
受光エリア上の対応するセンサ列上に投影され、上記の
条件（１）を満たすことになる。

【００４０】図７は図６に示した第１の焦点検出系の受
光エリア１１１ｇ、１１１ｅに加えて第２の焦点検出系
のための受光エリア１１１ｆ、１１１ｈを描いたエリア
センサの平面図である。対となる二次物体像１２２ｆ、
１２２ｈの移動方向は第１の焦点検出系と同様の理由か
ら絞り開口部１０８ｆ、１０８ｈの並び方向であって、
センサ列を図のように設定することによりすでに（２）
の条件も満たすことができている。このような受光リエ
アによる撮像面上での焦点検出領域は図９に示すとおり
であり、焦点検出領域１３４は撮像面１３０内の中央部
となる。

【００４１】以上に示した焦点検出領域を分割して複数
の焦点検出視野を設定し、より細分化された焦点情報を
得られるようにすれば、撮像面上のデフォーカスマップ
から、主となる被写体の中で最も適切な位置に対物レン
ズのピントを自動制御することも可能である。

【００４２】図１７は焦点検出装置の回路構成を示すブ
ロック図である。エリアセンサ１１１にはインターフェ
イス回路１６０が接続され、さらにインターフェイス回
路１６０は処理装置であるマイクロコンピュータ１６５
に接続されている。マイクロコンピュータ１６５によっ
て焦点検出に用いるエリアセンサ１１１の受光エリア内
の領域指定や、光電荷の蓄積制御が行われる。マイクロ
コンピュータ１６５はＣＰＵ（中央処理部）１６１、Ｒ
ＯＭ１６２、ＲＡＭ１６３、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去
可能プログラマブルＲＯＭ）１６４を有し、ＲＯＭ１６
２に格納されているプログラムに従って焦点検出処理動
作を実行する。また、ＥＥＰＲＯＭ１６４には焦点検出
光学系の光学情報が調整行程などによって予め格納され
いる。

【００４３】図１２は焦点検出視野の分布の様子をカメ
ラのファインダーから見た状態として示した図である。
図１３に以後説明に用いる焦点検出視野の名称を示し
た。撮影画面２０１の中央部に千鳥状に配置された合計
４５個の焦点検出視野があり、各行はそれぞれ７，１
０，１１，１０，７個の焦点検出視野よりなっている。
第１の焦点検出系は４５個の焦点検出視野のすべてを、
また、第２の焦点検出系は焦点検出視野ＴＯ、ＵＬ１、
ＵＲ１、Ｃ０、ＤＬ１、ＤＲ１、Ｂ０を構成し、各焦点
検出視野にはエリアセンサのセンサ列を分割して用いて
いる。

【００４４】図１４は第１の焦点検出系の受光エリアを
示した図である。受光エリア２０２、２０３は、図１５
に示した３タイプのセンサ列タイプＡ、Ｂ、Ｃを組み合
わせることによって構成されている。各サンサー列は焦
点検出回路によって蓄積時間が同一に制御される複数の
隣接した画素から成る固定された画素領域を有し、図で
はこのような画素領域をハッチングで示している。セン
サ列タイプＡには３つの画素領域が、センサ列タイプ
Ｂ、Ｃには２つの画素領域がそれぞれ充てられている。
焦点検出光学系を通してこれらの画素領域に入射する光
の強さに応じて、画素領域毎の蓄積時間は独立に制御さ
れ、各々適切なレベルの像信号を得ることが可能であ
る。

【００４５】図１８はエリアセンサ蓄積制御回路の要部
である。各画素領域の対ごとに最大値検出回路部と差動
アンプを持ち、各差動アンプの出力が共通の所定レベル
（ＶＲ）に到達するまで蓄積を行い、到達した時点で蓄
積動作を終了し、読みだし信号（ΦＲ）を各画素領域毎
に送る。回路規模の縮小のため、制御回路５１は基準ク
ロック信号ＩＣＬＫに基づいて各画素領域毎に設けられ
たアナログスイッチＡＳ１ａ、ＡＳ１ｂ〜ＡＳｎａ、Ａ
Ｓｎｂ（ｎは一つの受光エリアにおける画素領域の数）
を順次走査し、共通のコンパレータＣＯＭで全領域の蓄
積終了判断を行う様に構成されている。

【００４６】図１６は図１２に示した４５個の焦点検出
視野の中心を受光エリア２０２上に投影した状態を示す
図である。なお、受光エリア２０３上への投影もほぼ同
等と考えてよい。図中、円の中心が各焦点検出視野の中
心の投影位置であって、第１の反射鏡１０４による像の
歪曲の為に千鳥状に整列していた焦点検出視野がこでは
円弧に添った形に配列される。

【００４７】なお、図１０を用いて先に説明したよう
に、対物レンズのデフォーカスに伴って、物体像が移動
する方向は、像倍率の変化分を取り除けば図５の矢印方
向となる為、センサ列を像の歪曲に合わせて配置するの
は適切でない。

【００４８】一般に、エリアセンサの画素間には配線を
通すスペースを必要とする為に、リニアセンサの場合よ
りも像の位相がセンサ出力に反映されにくく、エリアセ
ンサを焦点検出に用いると焦点検出精度の低下がしばし
ば起こる。図１６に示したエリアセンサでは、焦点検出
の精度をできるだけ上げる為に、ほとんどの焦点検出視
野に対して、歪曲した像に関して互いの位相差が１／２
画素相当となる並列した二つの画素領域を用意し、各画
素領域での焦点検出結果の平均値を出力するようにして
いる。この場合、最終的な焦点検出結果では像の位相検
出誤差が打ち消され、特に高周波成分の多い物体パター
ンで検出精度の向上が期待できる。

【００４９】各焦点検出視野を構成するセンサ列タイプ
を以下に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】複数のセンサ列タイプを用い、さらに、例
えば焦点検出視野ＴＬ６・ＣＬ６・ＢＬ６の列のように
使用するセンサ列タイプをＡ／Ｃ・Ａ／Ａ・Ａ／Ａとい
う具合に乗り移らせることによって、像の歪曲を許容し
ながらも千鳥状の焦点検出視野配置が可能となってい
る。

【００５２】図１９はＲＯＭに格納されている焦点検出
処理プログラムのフローチャートである。マイクロコン
ピューターが焦点検出処理を開始すると、先ずステップ
＃１０１で光電荷の蓄積をエリアセンサ１１１に対して
指示する。このとき光電荷が所定量になるように画素領
域毎に蓄積時間が制御され、後のステップで取り出され
る像信号の大きさは物体の輝度に関わらずほぼ一定とな
る。

【００５３】続くステップ＃１０２では撮影者の視野位
置を検出する不図示の視線検出手段の出力や、対物レン
ズの開放Ｆナンバー情報に基づいて、一つまたは複数の
焦点検出視野を決定する。

【００５４】撮像面３０上での焦点検出視野が決定する
とステップ＃１０３に移行し、二次物体像の光量分布に
応じて蓄積された電荷を像信号として読み出してＲＡＭ
に格納する。

【００５５】所定の受光エリアからの像信号の読み出し
が完了した後、続くステップ＃１０４ではＥＥＰＲＯＭ
に格納されている焦点検出光学系の情報に従って、その
像信号を焦点検出処理に適した形に変換する。具体的に
は、瞳を縦方向に分離する第１の焦点検出系について、
後述する如く演算上で歪曲を整える処理と、デフォーカ
スに伴う像の移動速度を一定に変換する補正処理を行
う。以降、対物レンズのデフォーカスに伴う像の移動速
度を像ズレ敏感度と呼ぶことにする。

【００５６】ステップ＃１０５では、像信号の低周波成
分を取り除くフィルター処理を施す。

【００５７】最後にステップ＃１０６では、ステップ＃
１０４、ステップ＃１０５で処理された像信号に対して
公知の像間隔検出処理を施し、先に設定された焦点検出
視野の焦点状態が検出される。

【００５８】次に、ステップ＃１０４に示した像信号の
補正処理について詳述する。大きく分けてこの補正処理
は次の二つの段階よりなる。・焦点検出光学系の周辺光量落ちの補正・像の歪曲と像ズレ敏感度の補正

【００５９】第１段階の周辺光量落ちの補正はその次に
行う歪曲と像ズレ敏感度の補正の前処理であって、高精
度に二像間の距離を検出するために必要となる。また、
像の歪曲と像ズレ敏感度の補正では、対となる二つの像
の歪曲を同一とし、さらに対物レンズのデフォーカスに
伴う像の移動を信号上で一律に変換することができる。
すなわち、像ズレ敏感度の補正とは、デフォーカスに伴
って像が速く移動する焦点検出視野上の位置ではピッチ
の大きい画素で光電変換し、逆に像が遅く移動する位置
ではピッチの小さい画素で光電変換する状態を演算上で
仮想的に作り出す処理と言える。このときどこの位置で
も仮想画素の面積は同一である。

【００６０】では、先ず周辺光量落ちの補正から説明す
る。二次物体像を図１４の如く同一形状の画素を整列さ
せたセンサ列を用いて同一時間だけ光電変換すると言う
ことは、センサ列に入射する単位面積当たりの光束、す
なわち照度を調べることに相当する。

【００６１】一般に、均一輝度面の光学像の照度は結像
系の焦点距離や倍率に依らずＦナンバーで決定される。
この性質をこの焦点検出系に当てはめて考えると、一対
の再結像光学系についてのセンサ列と絞り開口との関係
が軸対称性を持つことから、センサ列上にも軸対称性を
持つ照度分布が生じ、その分布はコサイン４乗則で決ま
る。図２０はセンサ列から得られる均一輝度面に対応し
た像信号を表す図である。横軸は画素位置、縦軸がその
出力となっており、照度分布となる像信号は実線１７
０、１７１で示される。二次物体像が有する軸対称性の
ない歪曲とは無関係に像信号は対称性を呈している。

【００６２】このような像信号に対し、焦点検出光学系
の周辺光量落ちの補正は、均一輝度面に対応した像信号
のピーク値と各画素の出力との比を各画素の出力に乗
じ、演算上で破線１７２、１７３で示した出力に補正す
るものである。これは後の像の歪曲と像ズレ敏感度の補
正では仮想サンプリング点を撮像面上に形成することか
ら、再結像光学系を通る前の、つまりコサイン４乗則に
よる光量落ちが生じる前の光量分布を再現する必要があ
るためである。

【００６３】次に、像の歪曲と像ズレ敏感度の補正につ
いて説明する。図２１は第１の焦点検出系の光路を説明
するための図である。図は第１の焦点検出系の焦点検出
視野の端部に達する光束のうち、絞り開口部１０８ｅ、
１０８ｇの重心を通る光線を描いている。なお、簡単の
ために主にミラー１０３と第２の反射鏡１０６を省略
し、光路を展開した。

【００６４】第１の反射鏡１０４が対物レンズの光軸１
０１に対して斜設されているため、絞り１０８と第１の
反射鏡１０４との距離は焦点検出視野上の位置によって
異なる。先に説明したように第１の反射鏡１０４にはフ
ィールドレンズとしての作用があり、絞り１０８が対物
レンズ側に投影される際に、この距離差が原因となって
その像１８０、１８１は図のように斜めになる。これを
換言すれば、撮像面１０２上に図示の如く点ＰＡ、Ｐ
Ｂ、ＰＣを定義したときに、これらの点から絞りの像１
８０、１８１の重心を見込む角θ１、θ２、θ３の間に
は θ１＜θ２＜θ３ ………（１）なる大小関係があるということになる。

【００６５】すなわち、対物レンズの瞳を二つに分割し
たときの視差θ１、θ２、θ３が焦点検出視野上の位置
によって異なり、対物レンズのデフォーカスで二つの像
が互いに近づいたり遠ざかったりする速度は一律でな
い。

【００６６】しかも、二つの像の歪曲は厳密には同じで
はなく、図６の上下方向、つまりセンサ列の方向につい
て言えば、二次物体像１２２ｇの方が二次物体像１２２
ｅよりも大きく投影されている。このように像同士の大
きさが異なって二像の相似性が低い状態では、検出さ
れ、Ｋ＝ｋ₀＋ｋ₁×Ｓｌ（Ｊ）＋ｋ₂×Ｓｌ（Ｊ）² ………（２）

【００６７】ここで、Ｋは像ズレ敏感度、Ｓｌ（Ｊ）は
ｘ＝０の位置からＪ番目の画素の仮想サンプリング点の
位置、ｋ₀、ｋ₁、ｋ₂は像ズレ敏感度の分布を表す係
数である。また、ｘ＝０の位置を基準とした像ズレ敏感
度の比Ｈの分布は、Ｈ＝Ｋ／ｋ₀ ………（３）である。

【００６８】１次像面上での仮想サプリングピッチが像
ズレ敏感度に反比例すれば、見かけ上、像の移動速度は
一定になることから、一次結像面上でのサンプリングピ
ッチＰ（Ｊ）と像ズレ敏感度の比ＨにはＡを定数として
式（４）のような関係があればよい。Ｐ（Ｊ）＝Ａ／Ｈ ………（４）（Ａは例えばＡ＝ｐｐ×β ｐｐ＝画素ピッチ
β：基準倍率）

【００６９】ここで、簡単のために無限に細かい仮想サ
ンプリング点を考える。原点から仮想サンプリング点ま
での距離Ｓｌは、ピッチの足し合わせで表せるから、ｔ
を距離Ｓｌの分割量として、Ｓｌ＝∫Ｐｄｔ ………（５）なる関係がある。また、一次結像面上でのサンプリングピッチＰは、Ｐ＝ｄＳｌ／ｄｔ ………（６）のように、Ｓｌのｔによる微分形として書き換えること
もできる。したがって、式（２）、（３）、（４）、
（６）よりｄＳｌ／ｄｔ＝Ａ×ｋ₀／（ｋ₀＋ｋ₁×Ｓｌ＋ｋ₂×Ｓｌ²） ………（７）なる関係が導ける。

【００７０】ｔ＝０のときＳｌ＝０なる境界条件の下
に、式（７）の微分方程式を解き、さらに、Ｓｌを離散
的な値Ｓｌ（Ｊ）に戻すとＳｌ（Ｊ）×（ｋ₀＋（ｋ₁／２）×Ｓｌ（Ｊ）＋（ｋ₂／３）×Ｓｌ（Ｊ） ² ）＝Ａ×ｋ₀×ｔ ………（８）となる。

【００７１】最後に、ｔ＝Ｊ×ｔ₁とし、適当な大きさ
のｔ₁を定めて、各ＪについてのＳｌ（Ｊ）を求めれ
ば、Ｓｌ（Ｊ）以外はすべて定数となるため、｛………
Ｓｌ（−２）、Ｓｌ（−１）、Ｓｌ（０）、Ｓｌ
（１）、Ｓｌ（２）………｝なる数列を知ることがき
る。なお、ｔ₁をＳｌ（Ｊ）＝ｐｐ×βのときのｔとし
て式（８）から求めれば、原点付近の実サンプリング点
のピッチと仮想サンプリング点のピッチとがほぼ等しく
なる。

【００７２】次に、撮像面１３０上におけるセンサ列に
よる実際のサンプリング点を求める。Ｘとｘは、βを基
準倍率（ｘ＝０での倍率）として歪曲収差ｈ（ｘ）によ
って、Ｘ＝ｘ×（β×（１＋ｈ（ｘ）） ………（９）なる関係にある。さらに、センサ列を構成する画素のピ
ッチをｐｐ（定数）とおけば、Ｘ（ｎ）＝ｐｐ×Ｊ×（β×（１＋ｈ（ｐｐ×ｎ））） ………（１０）で表されるＸ（ｎ）は実サンプリング点となる。したが
って、式（１０）から算出される撮像面上の像のサンプ
リングピッチは、二次物体像の歪曲によって不等間隔で
あることが分かる。

【００７３】前述したように、二次物体像の明るさは結
像光学系の焦点距離、倍率、歪曲等に依らずＦナンバー
で決まる。また、二次物体像を等面積の画素で光電変換
した結果は像の照度分布を表している。そこで、各画素
出力が受光開口の重心位置における照度を代表している
と考えれば、センサ列の出力は撮像面を不等間隔にサン
プリングした点の照度を意味することになる。逆に言え
ば、同一面積の開口を持った画素を不等間隔に置いたと
きの出力に等しい。

【００７４】すなわち、二点間の光量変化は直線的であ
るという仮定の下に、撮像面上の任意の点の照度は、そ
の点を挟む実サンプリング点の出力を補間することによ
って求めることができる。隣り合う実サンプリング点、
例えばＸ（ｎ）、Ｘ（ｎ−１）の間には、仮想サンプリ
ング点が複数ある場合や単数ある場合、あるいは全くな
い場合もあるが、何れにしても仮想サンプリング点の両
隣の実サンプリング点を用いることで、より高い補間精
度が期待できる。また、像信号にはすでに焦点検出光学
系の周辺光量落ちの補正が成されているので、補間演算
で二つの画素出力を合成することの弊害もない。

【００７５】では、図２２を用いて像信号の補正につい
て説明する。この図２２において横軸は撮像面上に定義
したセンサ列方向の軸、縦軸は画素出力である。図では
実サンプリング点Ｘ（−１２）、Ｘ（−１１）、Ｘ（−
１０）、Ｘ（−９）、Ｘ（−８）と、仮想サンプリング
点Ｓｌ（−１２）、Ｓｌ（−１１）、Ｓｌ（−１０）、
Ｓｌ（−９）を含む領域について示している。

【００７６】図８で撮像面上に投影されたセンサ列が下
方に行に従って伸びていることが、図５では実サンプリ
ング点Ｘ（−１２）、Ｘ（−１１）、Ｘ（−１０）、Ｘ
（−９）、Ｘ（−８）の間隔が右に行くに従って伸びて
いることに対応し、また、式（１）で表される視差の変
化は、仮想サンプリング点Ｓｌ（−１２）、Ｓｌ（−１
１）、Ｓｌ（−１０）、Ｓｌ（−９）の間隔が左に行く
に従って伸びていることに相当する。

【００７７】上記の手法に従って、Ｓｌ（−１２）はＸ
（−１２）とＸ（−１１）から、Ｓｌ（−１１）はＸ
（−１０）とＸ（−９）から、Ｓｌ（−１０）とＳｌ
（−９）はＸ（−９）とＸ（−８）から算出される。例
えばＳｌ（−１２）の像出力についての算出式は、Ｗ（−１２）＝（Ｓｌ（−１２）−Ｘ（−１２））／（Ｘ（−１１）−Ｘ（− １２）） ………（１１）ＩＭＦ（−１２）＝（ＩＭＯ（−１１）−ＩＭＯ（−１２））×Ｗ（−１２）＋ＩＭＯ（−１２） ………（１２）である。

【００７８】すなわち、Ｓｌ（Ｊ）での補正された像信
号を求めるための一般式は、Ｘ（ｎ）＜Ｓｌ（Ｊ）≦Ｘ（ｎ＋１） ………（１３）を満たすｎに対して、Ｗ（Ｊ）＝（Ｓｌ（Ｊ）−Ｘ（ｎ））／（Ｘ（ｎ＋１）−Ｘ（ｎ）） ………（１４）ＩＭＦ（Ｊ）＝（ＩＭＯ（ｎ＋１）−ＩＭＯ（ｎ））×Ｗ（Ｊ）＋ＩＭＯ（ｎ） ………（１５）となる。

【００７９】焦点検出装置内の実際の処理では、二次物
体像の歪曲収差ｈ（ｘ）と像ズレ敏感度Ｋに基づいて、
予め式（１４）によるＷ（Ｊ）の配列と、Ｊとｎとの対
応関係を算出しておき、式（１５）の処理を行えばよ
い。

【００８０】また、実サンプリング点を求めるための式
（９）に焦点検出光学系の製造誤差を補正する項を盛り
込んでおけば、製品個々に対してより高い精度で像の歪
曲の補正を行うことができる。エリアセンサ１１１上に
形成される物体の二次像は、レンズブロック１０９上の
対となるレンズ部の間隔変動によって動くが、ほぼ歪み
を同一として設計値からシフトすると考えて良い。した
がって、二次物体像の移動距離をδとして、実サンプリ
ング点を求めるための式を、Ｘ＝（ｘ−δ）×（β×（１＋ｈ（ｘ−δ）） ………（１６）のように書き換えることが有効である。δは焦点検出装
置の調整時にＥＥＰＲＯＭ１６４に格納する調整データ
の一つとすればよい。

【００８１】さらに、二次物体像の歪曲と像ズレ敏感度
の変化は、何れもセンサ列間での差が極めて小さいた
め、Ｗ（Ｊ）の配列と、Ｊとｎとの対応関係は同じもの
を用いても差し支えない。

【００８２】図１５に示したように、蓄積時間が同一に
抑制される画素領域のセンサ列内での位置に関して、セ
ンサ列を複数のグループに分類しておけば、すでにグル
ープ毎に使用する画素が決まって為、特定の画素領域の
みに対して上記補正演算を適用するようにもできる。こ
のように構成すると、演算処理の高速化に有利である。

【００８３】なお、以上は二次物体像の光量分布の最大
照度とゼロレベルとの間を含むように取り出した像信号
について、歪曲と像ズレ敏感度の補正を説明したが、最
大照度と最低照度との間を含むように取り出した像信号
についても同一の処理が適用できる。

【００８４】（第２の実施形態）次いで、本発明の第２
の実施形態について説明する。図２３〜図２６は、第２
の実施形態を説明するための図である。

【００８５】先ず、図２３は焦点検出視野の分布の様子
をカメラのファインダーから見た状態として示した図で
あって、図２４に以後説明に用いる焦点検出視野の名称
を示した。撮影画面２１０の中央部に格子状に配置され
た第１の焦点検出系による合計２５個の焦点検出視野が
あり、各行はそれぞれ７，１１，７個の焦点検出視野よ
りなっている。

【００８６】第１の実施形態と同様に、各焦点検出視野
にはエリアセンサのセンサ列を分割して用いており、図
２５に示した２タイプのセンサ列タイプＤ、Ｅを組み合
わせることによって全体の受光エリアが構成されてい
る。各センサ列は焦点検出回路によって蓄積時間が同一
に制御される複数の隣接した画素から成る固定された画
素領域を有し、図ではハッチングで示している。センサ
列タイプＤには１つの画素領域が、センサ列タイプＥに
は２つの画素領域がそれぞれ充てられている。焦点検出
光学系を通してこれらの画素領域に入射する光の強さに
応じて、画素領域毎の蓄積時間は独立に制御され、各々
適切なレベルの像信号を得る事が可能である。

【００８７】図２６は図２３に示した２５個の焦点検出
視野の中心を受光エリア２１１上に投影した状態を示す
図である。なお、不図示の他方の受光エリアへの投影も
ほぼ同等と考えてよい。図中、円の中心が各焦点検出視
野の中心の投影位置であって、第１の反射鏡１０４によ
る像の歪曲の為に格子状に整列していた焦点検出視野が
ここでは円弧に添った形に配列される。

【００８８】各焦点検出視野を構成するセンサ列タイプ
を以下に示す。

【００８９】

【表２】

【００９０】複数のセンサ列タイプを用い、さらに、例
えば焦点検出視野ＴＬ６・ＣＬ６・ＢＬ６の列のように
使用するセンサ列タイプをＥ・Ｄ・Ｅと乗り移らせるこ
とによって、像の歪曲を許容しながらも格子状の焦点検
出視野配置が可能となっている。

【００９１】

【発明の効果】本発明の焦点検出装置によれば、焦点検
出光学系の歪曲収差を許容しつつ、簡単なセンサ構成で
検出精度の高い千鳥状あるいは格子状の焦点検出視野を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焦点検出装置を構成する主要部分を示
す模式図である。

【図２】本発明の焦点検出装置を構成する主要部分を示
す模式図である。

【図３】焦点検出装置の絞りを示す平面図である。

【図４】エリアセンサ上の二次物体像の様子を示す模式
図である。

【図５】二次物体像の移動方向を示す模式図である。

【図６】受光エリアの配置を示す模式図である。

【図７】エリアセンサの平面図である。

【図８】映像面上での焦点検出視野を示す模式図であ
る。

【図９】撮像面上での焦点検出視野を示す図である。

【図１０】位相差検出方式の焦点検出系全体の役割を一
般的に示した要部ブロック図である。

【図１１】カメラの断面図である。

【図１２】焦点検出視野の分布の様子をカメラのファン
イダーから見た状態として示した模式図である。

【図１３】説明に用いる焦点検出視野の名称を示す模式
図である。

【図１４】第１の焦点検出系の受光エリアを示した図で
ある。

【図１５】第１の実施形態において、センサ列タイプの
を説明するための模式図である。

【図１６】図１２に示した焦点検出視野の中心を受光エ
リア上に投影した状態を示す模式図である。

【図１７】焦点検出装置の回路構成を示すブロック図で
ある。

【図１８】エリアセンサ蓄積制御回路の要部を示す回路
図である。

【図１９】焦点検出処理プログラムのフローチャート図
である。

【図２０】センサ列から得られる均一輝度面に対応した
像信号を表す特性図である。

【図２１】第１の焦点検出系の光路を説明するための模
式図である。

【図２２】像信号の補正を説明するための模式図であ
る。

【図２３】焦点検出視野の分布の様子をカメラのファイ
ンダーから見た状態として示した模式図である。

【図２４】説明に用いる焦点検出視野の名称を示す模式
図である。

【図２５】第２の実施形態におけるセンサ列タイプを説
明するための模式図である。

【図２６】図２３に示した焦点検出視野の中心を受光エ
リア上に投影した状態を示す模式図である。

【符号の説明】

１０１対物レンズの光軸１０３主ミラー１０４第１の反射鏡１０６第２の反射鏡１０７赤外線カットフィルター１０８絞り１０９再結像レンズブロック１１０第３の反射鏡１１１エリアセンサ１３０撮像面１６０インターフェイス回路１６１ＣＰＵ１６２ＲＯＭ１６３ＲＡＭ１６４ＥＥＰＲＯＭ２０２，２０３，２１１受光エリア４０１対物レンズ４０３フォーカシングスクリーン４０４ペンタプリズム４０５接眼レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対物レンズと、前記対物レンズからの光
束を受容する一対の結像光学系と、多数の画素からなる
複数のセンサ列が並列配置されてなる複数の受光領域を
備えた光電変換素子と、前記光電変換素子を駆動してそ
の出力を処理する焦点検出回路とを備えた焦点検出装置
において、前記一対の結像光学系を介して前記光電変換素子上に視
差を持った一対の物体像を投影することにより、前記対
物レンズの焦点状態を検出するための焦点検出視野を形
成し、前記焦点検出回路において前記光電変換素子の出
力を基に前記一対の物体像の相対的位置関係を検出し
て、前記対物レンズの焦点状態を検知する機能を有して
おり、前記センサ列内には、前記焦点検出回路により蓄積時間
が略同一に制御される複数の隣接した画素からなる固定
された画素領域が設けられているとともに、前記受光領
域を構成するセンサ列が前記画素領域の位置に関して複
数のグループに分類されていることを特徴とする焦点検
出装置。
【請求項２】前記焦点検出回路は、前記対物レンズの
射出瞳を縦方向に分離する第１の焦点検出系と、前記射
出瞳を横方向に分離する第２の焦点検出系とを有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】前記対物レンズと前記一対の結像光学系
との間に、前記対物レンズの透過光束を反射収斂して前
記対物レンズの光軸と異なる方向に光路を偏光させる反
射鏡を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の
焦点検出装置。
【請求項４】前記反射鏡で偏光された光束から赤外線
を除去する赤外線除去フィルタを有することを特徴とす
る請求項３に記載の焦点検出装置。
【請求項５】少なくとも前記対物レンズが合焦してい
る際に、検出対象となる前記光電変換素子の一対の前記
センサ列上に、物体上で同一位置に対応する２次物体像
を投影することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
項に記載の焦点検出装置。
【請求項６】前記対物レンズにデフォーカスが生じた
際に、検出対象となる前記光電変換素子の一対の前記セ
ンサ列上に、物体上で同一位置に対応する２次物体像を
相対的な位相差を持つように投影することを特徴とする
請求項１〜５のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項７】前記光電変換素子の前記受光領域は、相
異なる複数の前記センサ列が所定の順序で繰り返し配置
されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいず
れか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項８】前記センサ列は、３つの前記画素領域が
接続してなる第１のセンサ列と、２つの前記画素領域が
所定間隔をもって隣接してなる第２のセンサ列と、２つ
の画素領域が前記第２のセンサ列の前記画素領域の間隔
に比して大きい間隔をもって隣接してなる第３のセンサ
列とから構成されていることを特徴とする請求項７に記
載の焦点検出装置。
【請求項９】前記センサ列は、１つの前記画素領域を
有する第４のセンサ列と、２つの前記画素領域が所定間
隔をもって隣接してなる第５のセンサ列とから構成され
ていることを特徴とする請求項７に記載の焦点検出装
置。
【請求項１０】前記光電変換素子は、前記焦点検出視
野に対して、歪曲した物体像に関して互いの位相差が１
／２画素相当となる並列した２つの前記画素領域を有
し、前記各画素領域における焦点検出結果の平均値を出
力することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に
記載の焦点検出装置。