JPS59107311A - 焦点検出信号処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、カメラ等の光学機器に用いられる焦点検出信
号処理方法に関するものである。。

従来、カメラの焦点検出装置の一つの方法として、撮影
レンズの瞳を分割して形成した２像のずれを観測し、合
焦状態を判別するものが知られている。例えば、カメラ
撮影レンズの予定結像面にフライアイレンズ群を配置し
、撮影レンズのデフォーカス量に対応してずれた２像を
発生させる装置が米国特許第４１８５１！３１号公報に
開示されている。第１図はこの装置の概念図を示すもの
であリ、１は焦点検出すべき撮影レンズであり、結像光
束はフィールドレンズ２、フライアイレンズ群３を通過
し、フィルム面と等価な面に置かれた光″＃、変換素子
列Ａ１、Ａ２、ａｓｓ、Ａ１及びＢ１、Ｂ２、−・・、
　Ｂｎにより受光される。なお、同じ添字を有する２個
の光電変換素子対Ａｋ、　Ｂｋはフライアイレンズ群３
とフィールドレンズ２の作用により撮影レンズｌの射出
瞳の部分領域４Ａ、４Ｂにそれぞれ結像している。ここ
で、フィールドレンズｌの作用は像高の異なる光電変換
素子対、換言すれば異なる添字にの光電変換素子アレイ
（ＡＩ（、Ｂｋ）について、常にアレイＡｋが４Ａに、
Ｂｋが４Ｂに結像することを保証している。これは、像
高によって像のけられが生じることを防ぎ、比較的暗い
レンズにおいても焦点検出動作が□確実に行われること
を意図している。

一方、並設した２個の二次結像系により前記予定結像面
に形成された空中像を固体イメージセンサ面に導き、そ
れぞれの像の相対的な位置ずれを検知する所謂二次結像
方式が特開昭５５−１１８０１１１号公報、同５５−１
５５３３１号公報等に開示されている。

この方式は全長が稍々大きくなるが、特殊光学系を必要
としない利点がある。この二次結像方式の焦点検出の原
理を第２図を用いて簡単に説明すると、焦点検出をする
撮影レンズ１１と光軸を同じくしてフィールドレンズ１
２が配置され、これらの後方に２個の二次結像レンズ１
３ａ、１３ｂが並列され、更にその後方にそれぞれ受光
用センサアレイ１４ａ、１４ｂが配置されている。なお
。

１５ａ、１５ｂは二次結像レンズ１３ａ、１３ｂの近傍
に設けられた絞りである。フィールドレンズ１２は撮影
レンズ１１の射出瞳を２個の二次結像レンズ１３ａ、１
３ｂの瞳面に略々結像している。この結果、二次結像レ
ンズ１３ａ、１３ｂのそれぞれに入射する光線束は、撮
影レンズ１１の射出瞳面」二において各二次結像レンズ
１３ａ、１３ｂに対応する、互いに重なり合うことのな
い等面積の領域から射出されたものとなる。フィールド
レンズ１２の近傍に形成された空中像が二次結像レンズ
１３ａ、１３ｂによりセンサアレイ１４、ａ、１４ｂの
面上に再結像されると、前記空中像が形成された光軸方
向の位訝り相違に基づき、再結像された２像はその位置
を変えることになる。

第３図はこの現象が起る様子を示しており、第３図（ａ
）の合焦状態を中心として、第３図（ｂ）、（Ｃ）のよ
うに前ピント、後ピントのそれぞれでセンサアレイ１４
ａ、１４ｂの面上に形成された２像はセンサアレイ１４
ａ、１４ｂ面上を逆方向に移動する。この像強度分布を
センサアレイ１４ａ、１４ｂで光電変換し電気的処理回
路を用いて、前記２像の相対的位置ずれを検出すれば合
焦状態の判別を行うことができる。先に第１図で示した
焦点検出方法も基本的な原理は同様であり、２系等の光
電変換素子アレイＡｋ、　Ｂｋの受光する像か相対的に
位置変化することになる。

光電変換された信号の処理方法としては、例えば米国特
許第４２５０３７ｆｉ号公報が知ら６れている。これは
２個の二次像を光電変換した受光信号をそれぞれａ（ｉ
）　、　　ｂ（ｉ）　　（ただし１＝ｌ−Ｎ）とすると
き、上述の例では適当な定数ｋに対し、・・・（１） をアナログ演算回路により、或いはデジタル的に計算し
、このＶの値の正負により撮影レンズ１１の繰り出し方
向を決定するものである。

また、本出願人は先に、 或いは、 を計算し、■の正負により撮影レンズ１１の繰り出し方
向を決定する方法を提案した。ただし、ここでｍ１ｎ（
ｘ、ｙ）は２実線ｘ、ｙの内、小なるものを表し、ｌｌ
１ａｘ（ｘ、ｙ）は２実線Ｘ、ｙの内、大なるものを表
しており、ｋは適当な定数で通常はｌである。

しかし、これらの（１）〜（３）式に基づく演算処理方
法では、高々撮影レンズｉｔの繰り出すべき方向か判別
されるに過ぎない。そこで、２像のずれから合焦状態を
判別する焦点検出装置では、２像のずれ量とデフォーカ
ス量とがほぼ比例する関係を用いて、一方の像を他方の
像に対し相対的に変位させることにより、撮影レンズ１
１の繰り出し量を計算する方法が知られている。この方
法は基線距離計方式の焦点検出装置について古くから知
られているものである。ＴＴＬ方式の焦点検出装置につ
いても、特開昭５８−７５８０７号公報、特開昭５７−
４５５１０号公報等が公知である。特に近年、半導体集
積回路の価格低下のため、カメラ内部にマイクロプロセ
ッサを有するデータ処理方法が有力な手段となっている
。即ち、像強度分布の光電出力をＡ／Ｄ変換器により複
数ビット長のデジタルデータに変換し、カメラ内部に搭
載されたマイクロコンピュータにより２像のずれ量を演
算し、デフォーカス量を求める方式である。例えば、ｂ
（１）で表わされる像をａ　（ｉ）で表わされる像に対
して回路処理上相対的に移動し、 Ｖ　（＋ｎ）　＝　各１　ａ（ｉ）　−ｂ（ｉ＋ｌ−ｍ
）、１−　Ｚ　ｌ　ａ（ｍ＋１）　−ｂ（ｉ−ｍ）　ｌ
　　　−（４）なるＶ（ｍ）を、設定された相対変位量
ｍの範囲ｍ１≦ｍ≦ｍ２の各整数値について繰り返し演
算する。ｍに対してＶ（ｍ）の値をプロントしたグラフ
は第４図に示すようになる。２像が一致したときＶ　（
ｍ）は０になるべきであるから、第４図では１．５ビツ
ト相当の像ずれ量か存在するることになる。

また、（２）　、　（３）式のＶを用いて同様の処理を
施し、像づれ量の計算ができる。例えば（２）式でｂ（
１）により表される像をａ（ｉ）に対して移動し、Ｖ（
ｍ）　＝　Ｘ　ｍ１ｎ（ａ（ｉ）、ｂ（ｉ＋に−ｍ））
−各ｍ１ｎ（ａ（ｉ＋ｋ）、ｂ（ｉ−ｍ））　・”（５
）を各ｍについて計算すればよい。なお、第４図でも判
るようにＶ（ｍ）＝θとなるｍは必ずしも整数値ではな
く　一方、（４）　、　（５）式に定義されたＶ　（ｍ
）はｍの整数値に対してしか演算できないので、Ｖ（ｍ
）＝Ｏとなるｍを正確に求めるためには何らかの補間手
段を必要とする。最も単純には、Ｖ　Ｃ＋ｎ）　−Ｖ　
（ｍ＋１）≦Ｏとなるｍを求め、そのｍを用いて、 ｎｏ　＝　ｍ＋　ｌ　Ｖ（＋）／　（Ｖ（ｍ＋１）−Ｖ
、（ｍ））　Ｉ　−（６）なるｍ。を直線補間によって
得る方法である。

ト述の方法により像ずれｉｍｏが求まると、それに対応
したデフォーカス量が判るので撮影レンズ１１の移動が
速やかに行える。これは先の（１）〜（３）式を用いた
演算処理法と比較すると改善点は明白である。即ち、（
１）〜（３）式等では１個の演鍵４量の正負によって撮
影レンズ１１の移動方向を決めるだけで、移動量が不明
なので合焦に達するまでに数多くの撮影レンズ位置で焦
点検出動作を行い、次第に合焦に近付けるという試行を
繰り返す作業を必要とするのに対し、（４）　、　（５
）式によれば合焦点が予め予測できるからである。

第２図の構成の焦点検出装置では、並列して形成された
２個の像の一方に着目し、その像が合焦時に対し位置的
にずれている量をＺとすると、この像ずれ量Ｚとデフォ
ーカス量ｄとの関係は、第５図から明らかなようにほぼ
次の（７）式で表されるものとされている。

ｄ　＝　　（ａ／　ｂ）　　・Ｆｏ　　・Ｚ　　　　　
”（７）ただし、Ｆｏは撮影レンズ１１の射出瞳領域４
Ａの中心を通る光線Ｌａが撮影レンズ１１の光軸０とな
す角をＦ値で表したものであり、ｂ　／　ａは二次結像
系１３の倍率Ｍである。また、第１図の構成を有する焦
点検出装置では結像倍率が１であると考えればよく。

ｄ＝Ｆｏ　・Ｚ　　　　　　　　　　・・・（８）の単
純な比例関係があると従来考えられてきた。

なお、Ｚは先に述べたＶ（ｍ）＝Ｏの解ＩＱ、及び二次
結像レンズ１４ａ、１４ｂのピッチｐを用いて、 Ｚ＝　（ｌ／２）　・　ｐ　−ｍｏ　　　　　　・・・
（８）と表される。（８）式で、１７２倍の因子が介入
するのは、ｍ、）の場合に２像間の相対的な位置移動を
老成しているからである。

（８）式及び（７）　、　（８）式を用いると、像ずれ
量ｍｏからデフォーカス量ｄが求められ、撮影レンズ１
１の移動量が決定できる。

ところで、上述の方法に基づくレンズ移動量の決定手順
には次のような問題がある。撮影レンズ１１が大きくデ
フォーカスしていると、前出の第５図に示されているよ
うに射出瞳の部分領域４Ａの中心を通過した光線Ｌａ’
は光軸０とＦ、なる角度で交わり、この角度Ｆ１は合焦
時の交錯角Ｆ。

とは異なる。このため（７）　、　（８）式で表される
像ずれｉｔ：　ｚとデフォーカス量ｄとの関係は、デフ
ォーカス量ｄの絶対値が大きいと誤差を生じ、実際には
第６図に曲線Ｒで示すようにＺ、！−ｄの関係は単純な
一次関係では表されない高次の曲線となる。なお、第６
図の破線Ｓは従来がら撮影レンズ１１を移動するために
用いられている直線近似である。（７）　、　（８）式
を用いた場合の誤差は、デフォーカス量ｄが大きくなる
と１０％もの単位になり無視できない。即ち、この現象
は撮影レンズ１１の移動量の決定精度に大きく影響し、
合焦に到達するために必要な合焦検出動作の試行回数を
増大させることになる。

例えば第７図に示す例では、合焦に達するまでに３回の
焦点検出動作を行わなくてはならない。

第７図においてデフォーカス量の初期値はｄＯであり、
このときの像ずれ量はＺＯとなるので、近似直線Ｓと平
行な直線Ｓ１に沿ってデフォーカス量ｄ、まで撮影レン
ズ１１が移動し、以下に同様な動作で直線Ｓ２、Ｓ３を
たどり許容合焦範囲内の点ｄ３に至る。これは合焦検出
装置としてのリアルタイム性の欠如に直結し、また電源
の消耗等の副次的な悪影響も生ずることになる。

本発明の目的は、上述の従来例の欠点を解消し、予測精
度が高く、合焦への収束が速いデフォーカスψの演錘法
としての焦点検出信号処理方法を提供することにあり、
その要旨は、焦点検出されるべき撮影レンズの射出瞳を
複数個に分割し、該分割された瞳領域を通過した各結像
光束の形成する被写体像を対応する光電変換素子アレイ
により検出し、前記複数個の被写体像の相対的位置変位
により、前記撮影レンズの焦点状態を検出し、前記撮影
レンズのデフォーカス量を演算する方法において、前記
複数個の被写体像の相対的位置変位から前記撮影レンズ
のデフォーカス量を演算する演算式が高次の非線形性を
有することを特徴とする方法である。

前出の第５図で一次結像面と撮影レンズ１１の剣山瞳面
、厳密には二次結像レンズ１３ａ、１３ｂがフィールド
レンズ１２により結像されている位置と撮影レンズ１１
の射出瞳面位置との距離をｇとすると、光線Ｌａ’と光
軸０との交錯角をＦ自白で表しだ儀Ｆ１は、 Ｆ　１−（ｇ　　ｄ）　Ｆｏ　／　ｇ　　　　　−（１
０）と表される。このＦｌを用いて像ずれ量Ｚとデフォ
ーカスｉｄとの関係は、（７）　、　（８）式より近似
の次数が上がった形式で、（７）式に対応し次の（１１
）式が得られる。

ｄ−（ａ／ｂ）Ｆｏ　Ｚ ／　（ｌ　＋　（ａ／ｂ）Ｆｏ　２７ｇ）　・”（１１
）また、（８）式に対応して、 ｄ　＝　Ｆｏ　Ｚ　（１＋　Ｆｏ　Ｚ／　ｇ）　　　　
”・（＋２）が得られる。像ずれ量Ｚが大きいと、きは
Ｆ。２７ｇは１に対し無視できない。即ち、上述のよう
にＺとｄとの関係を非線形な式で表すことが本発明の趣
旨であり、−次式を用いた従来法に比べて、合焦への収
束が著しく改善される。上式は実数型の割算を要するの
で、ティラー級数の有限項で打切り、とりわけ二次項ま
でを考慮することは、簡単な割にはその効果が極めて大
きい。例えば、第７図における曲線Ｒは実用範囲内で二
次近似が可能となるので、デフォーカス量の初期値がｄ
ｏであっても１回の試行でほぼ曲線Ｒに沿って・・許容
範囲のデフォーカス量ｄ３に到達することができる。

（７）　、　（８）式中には、このほか物体とフィルム
面との距離を一定としたとき、撮影レンズ１１を移動す
ることにより縦倍率が変化することによって生ずる誤差
が存在する。また、製造精度の点でＦｏＯ値を精度良く
抑えるのは困難なので、像ずれＨｚとデフォーカス量ｄ
との関係式を一般に次の多項式、 ｄ＝α＋βＺ＋γＺ２＋＃−−・・・（１３）の形で表
しておき、定数α、β、γ、・・争を調整段階で与える
方が望ましい場合がある。このようなときには、固定記
憶回路であるＦｕｓｅＲＯＭ等を用い、調整時にこれら
の記憶手段に定数値α、β、γ、・・・を書き込む手順
を用いる。記憶手段としてはＦｕｓｅＲＯＭに限らず、
任意の種類のＰ−ＲＯＭ、ジャンパ線等が用い得ること
は云うまでもない。製作精度が十分高ければマスクＲＯ
Ｍに直接書き入れ無調整とすることもできる。

上述の例では、演算式の定数項を何らかの形式で記憶す
るものとしたが、像ずれ量Ｚに対応するデフォーカス量
ｄをテーブル化してもよく、また、演算式ｄ　＝　ｄ　
（Ｚ）の第１近似として直線近似を用い、補正演算の形
で更に正確なｄを計算する方法も可能である。その際に
補正量をＺ或いはｄの第１近似に対しテーブル化できる
ことは勿論である。また、アナログ演算回路をデータ処
理に用いる場合には、抵抗値をトリミングする等の手法
が採り得る。これらの変更は比較的に容易であり、本発
明の趣旨、即ちｄ　＝　ｄ　（Ｚ）の関係に非線形な式
を用いるという考え方を制約するものではない。

以上説明したように本発明に係る焦点検出信号処理方法
によれば、像ずれ量からデフォーカス昂を計算する場合
の式を非線形化することにより、高い精度で合焦点を予
測でき、少ない試行回数で効率良く撮影レンズを合焦位
置に移動することができ、光学系の合焦調整が迅速にか
つ正確に実施可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は瞳分割焦点検出方法の説明図、第２図は他の瞳
分割焦点検出方法の説明図、第３図は像ずれ原理の説明
図、第４図な像ずれ演算出力値の特性図、第５図は像ず
れ量とデフォーカス、量の幾何学的位置関係の説明図、
第６図は像ずれ量とデフォーカス量との依存関係の説明
図、第７図は合焦に到達するまでの過程の説明図である
。 符号ｌ、１１は撮影レンズ、２．１２はフィールドレン
ズ、３はフライアレイレンズ群、４Ａ、４Ｂは瞳位置、
１３ａ、１３ｂは二次結像レンズ、１４ａ、１４ｂはセ
ンサアレイである。 図　面　　　　第１図 第３図 第５図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　焦点検出されるべき撮影レンズの射出瞳を複数個
   に分割し、該分割された瞳領域を通過した各結像光束の
   形成する被写体像を対応する光電変換素子アレイにより
   検出し、前記複数個の被写体像の相対的位置変位により
   、前記撮影レンズの焦点状態を検出し、前記撮影レンズ
   のデフォーカス量を演算する方法において、前記複数個
   の被写体像の相対的位置変位から前記撮影レンズのデフ
   ォーカス量を演算する演算式が高次の非線形性を有する
   ことを特徴とする焦点検出信号処理方法。 ２、　前記演算式の一部又は全部を読出し専用メモリに
   テーブル化しておくようにした特許請求の範囲第１項に
   記載の焦点検出信号処理方法。 ３、前記演算を、 ｄ＝（Ｆｏ　／Ｍ）Ｚ／、（ｌ＋ＦｏＺ／　（Ｍｇ））
   又はそのティラー級数の有限項で打切った級数にほぼ等
   しくした特許請求の範囲第１項に記載の焦点検出信号処
   理方法。 ただし、ｄはデフォーカス量、Ｚは像ずれ量、Ｍはフィ
   ルム面から光電変換素子アレイ面への結像倍率、ＦＯは
   前記瞳分割された瞳部分領域の中心を通過する光線が撮
   影レンズの光軸となす角をＦ値で表わした数値、ｇはフ
   ィルム面と撮影レンズ射出瞳面との距離である。