JPS59208513A - 焦点検出装置 - 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、物体の２像の相対的位置が一致したことによ
り合焦を検出する方式の焦点検出装置の改良に関するも
のである。

従来、カメラの焦点検出装置の一つのタイプとして、撮
影レンズの射出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、
撮影レンズの予定焦点面（フィルム面相当面）にフライ
アイレンズ群を配置し、撮影レンズの合焦誤差量に対応
してずれた２＠を発生させる装置が、米国特許第４１８
５１９１号公報に開示されている。また、並設された２
個の二次結像光学系により予定焦点面に形成された空中
像を固体イメージセンサ而に導き、その２像の相対的位
置のずれを検知する所謂二次結像方式が、特開昭５５−
１１８０１９号公報、特開昭５５−１５５３３１号公報
などに開示されている。後者の二次結像方式のものは、
全長がやや大きくなるものの、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装置の概略な第１図に示す
。焦点検出されるべき撮影レンズ１ｈ光軸２を同じくし
てフィールドレンズ３が配置される。その後方の、光軸
２に関して対称な位置に、２個の二次結像レンズ４ａ、
４ｂが配置される。更にその後方に光電変換素子アレイ
５ａ　、５ｂが配置される。二次結像レンズ４　ａ。

４ｂの近傍には絞り６　ａ　＊　６　ｂが設けられる。

フィールドレンズ３は撮影レンズ１の射出瞳を２個の二
次結像レンズ４　ａ　＋　４　ｂの瞳面にほぼ結像する
。その結果、二次結像レンズ４ａ、４ｂにそれぞれ入射
する光線束は、撮影レンズ１の射出瞳面上において各二
次結像レンズ４　ａ　＋４ｂ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３の近傍に形成された空中像が二次
結像レンズ４　ａ　＊　４　ｂにより光電変換素子アレ
イ５　ａ　＊　５　ｂの面上に再結像されると、光軸方
向の空中像位置の変位に基づき、光電変換素子アレイ５
　ａ　＋　５　ｂ上の２像はその位置を変える。第２図
はこの様子を示すもので、第２図囚に示されるように合
焦時には、２像は光電変換素子５ａ　、５ｂの中央部に
位置し、第２図（９）に示されるように後ピント時には
、２像は光軸２から離れる方向に移動し、第２図（Ｏに
示されるように前ピント時には、２像は光軸２に近づ（
方向に移動する。この像強度分布な光電変換し、電気的
信号処理により２像の相対的位置のずれを検出すれば、
合焦状態の判別を行うことができる。

光電変換信号の処理方法の一つが、米国特許第４２５０
３７６号公報に開示されている。光電変換素子アレイ５
ａ又は５ｂを構成する光電変換素子の数をＮとし、ｉ番
目の光電変換素子５ａ　、５ｂの出力信号をａ　（ｉ）
　、　ｂ　（ｉｌとするとき、下記の演算式をアナログ
演算回路により、又はディジタル的に演算する。

Ｖ−ΣＩ　ａ（ｉ）−ｂ　（ｉ＋１　）　ｌ−ｉｌ　ａ
　（ｉ＋１　）−ｂ（ｉｌｌ　　　（］）］−１１− １して、相関量ｖの正負により撮影レンズ１の繰出し、
繰込みを決定する。（１）式に基づく信号処理方法では
、高々撮影レンズ１の移動方向が判別されるにすぎない
。

２像のずれから合焦状態を判別する焦点検出装置におい
て、２＠のずれ量と合焦誤差量とが比例する事実を用い
、一方の像を他方の像に対して相対的に変位させること
により、撮影レンズ１の移動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では古くか
ら知られているところであり、また。

ＴＴＬ方式の焦点検出装置についても特開昭５６−７５
６０７号公報、特開昭５７−４５５１０号公報などによ
り公知である。これらは、２像の光電変換信号をＡ／Ｄ
変換器により複数ビット長のディ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ビーータにより
２像のずれ量を演算し、合焦誤差量を求めるものである
。例えば、ｂ　ｔｉ＋で表される像をａ　（ｉｔで表さ
れる像に対して回路処理上相対的に移動させ、２＠が一
致するまでの移動量を像ずれ量として計算する。即ち、 一一Σｌ　ａ（ｉ）−ｂ　（ｉ＋１＋ｆｉ）　ｌ−Σ１
ａ（ｉ＋１）−ｂ（ｉ＋ｍ）ｌ　　（２）の演算式を、
設定された範囲内の各整数値に相対変位量ｍを順次あて
はめて、繰り返し演算し、相関量隻が零の時の相対変位
量ｍを求める。相対変位量ｍを一４≦ｍ≦＋４の範囲内
で変えた時の相関量隻が、第３図のようになったとすれ
ば、２像が一致した時、相関ｔぬは零になるべきである
から、１．５ピツチ相当の像ずれ量が求まる。

また、（１）式と異なる下記の演算式（３）又は（４）
により撮影レンズ１の移動方向を演算することが本願出
願人により提案されている。

■＝　ｚ　ｍａｒ　（３（ｉ）、　ｂ　（ｉ＋１　）　
）−Σｍαｘ（ａ（ｉ＋１）、ｂｆｉ））　　（４）亀
−１１−１ 但し、ｍｔｎ　（Ｘ　＊　７　）は２実数ｘ、ｙのうち
小なるものを表し、ｍ（ｌｊｃ　（Ｘ　ｒ　Ｙ　）は２
実数Ｘ、ｙのうち大なるものを表す。本願出願人は（３
）　、　（４１式を用いた像ずれ量の計算方法をも同時
に明らかにしている。例えば、（３）式でｂ　ｔｑによ
り表される像をａ　ｆｉｔにより表される像ａ　（ｉｔ
に対して動かし、下記の演算式 ％式％）） （５） を相対変位ｔｒｌＬの各整数値について計算し、−一０
の時の相対変位量ｍを求める。

なお、（２）　、　（５）式を用いる場合、−＝０とな
る相対変位量ｍは１通常、整数にはならないので。

隣接する値−と値Ｖｍ＋１とで符号が反転している点、
つまりぬ・−＋１≦０となる相対変位量ｍを探し、補間
するのが普通である。−・−＋１≦０乞 の条件勾満たす相対変位量ｍは必ずしも１個に限らない
ので、−・−＋、≦０となるすべてのｍについてｌ　Ｖ
−−Ｖ−＋ｓ　ｌを演算し、相関量焉の変化量が最も最
大である相対変位量ｍを用いる方法が知られている。

ところで、前記（１）　、　（３）　、　（４）式では
、光電変換信号ａ　（ｉｌ　、　ｂ　（ｉ）を各々１ピ
ツチずらし、ずらしたａ　（ｉ）とずらさないｂ　（ｉ
ｌの組、及びずらさないａ　（ｉｔとずらしたｂ　＋ｉ
＋の組に対し、何らかの演算を施し、その演算結果のｉ
に関する和同志の差をとっている。即ち、２実数ｘ＋ｙ
についての演算関係をＸ口ｙと表すことにすれば、（１
）　、　（３）。

（４）各式はいずれも ■＝Σａ（ｉｌＤ　ｂ　（ｉｌ１　）−Σａ（ｉｌ１）
口ｂ＋ｉ＋　　　　（６）と書くことができる。これを
図式的に表したものが第４図であり、演算されるデータ
同志を点線又は実線で結んでいる。斜めの点線で表され
た２個のデータの結びつきは、（６）式右辺の第１和に
関する演算ａ　ｆｉｔ口ｂ（ｉｌ１）を示し、斜めの実
線で表された２個のデータの結びつきは、（６）式右辺
の第２和に関する演算ａ（ｉｌ１）口ｂ　ｔｉ＞を示し
ている。同様に、（６）式と同じ形式で（２）　、　（
５）式を表せば、 ”−＝Σａ（ｉ）口ｂ（ｉｌ１＋ｍ） −Σａ（ｉｌ１）口ｂ（ｉ十ｍ）　　　　　　　　（７
）と書くことができ、図式的には第５図で表現された形
となる。なお、第５図では２像が重なり合う全領域で演
算を行っているが、この方法によると演算領域の長さが
相対変位量ｍによって異なる。このため測距エリアから
ごくわずかはずれた位置に高輝度の物体がある場合など
に好ましくない結果がある。そこで、例えば、すべての
相対変位量ｍに対して、同長の演算領域とするため、最
短の場合に合わせて演算領域長を統一する方法もある。

第５図の場合には、ｍ−十２の演算領域に統一する。

＋６）　、　＋７）式で表される従来法では、第４図及
び第５図から明らかなように、　（６）　、　（７）式
中の第１和の演算と第２和の演算とでは、演算の基礎と
なるずらし量が両者合わせて２ピツチ異なっている。例
えばａ（２）に関して見れば、ｂ　（１）　、　ｂ　（
３）と演算関係をもっている。一方、偉ずれ方式の焦点
検出法において、２像の位置を処理上相対的にずらすこ
とは、合焦誤差量を変化させることと等価なシェミレー
シ璽ンの意味をもっており、１ピツチの位置変化は一定
量の合焦誤差量変化に対応している。したがって、上述
の２ピツチの像ずらしに対応する合焦誤差量が小さく、
密度の高いシーミレーシランが行えれば、それだけ精度
の高い焦点検出演算が可能であることはいうまでもない
。しかしながら、そのためには、光電変換素子プレイの
ピッチを細かくしなければならず、測距エリアの大きさ
を一定とすれば、ピッチの細か（なる分だけデータ量は
増大し、電気的処理系の負荷が大きくなる。例えば、マ
イクロコンピュータを用いた処理方式では、データ量の
増加は直ちにデータメモリの増加に直結し、コスト増を
招くほか、処理時間も長くなるので、焦点検出装置のリ
アルタイム性を損ねる。また、各光電変換素子の受光面
積が減少し、感度低下も生ずる。このように、光電変換
素子アレイのピッチを細かくするには限度がある。その
結果、２ピツチの像ずらしに対応する合焦誤差量をあま
り小さくすることはできず、演算の精度はそれに見合っ
た粗さのものとなる。

本発明の目的は、上述した問題点を解決し、像に対する
光電変換サンプリング点のピッチが比較的粗くても、演
算精度を向上させることができる焦点検出装置を提供す
ることである。

この目的を達成するために１本発明は、下記の演算式、
ただしａ（ｉｌ　、　ｂ　（ｉ）は２像のｉ番目のサン
プリング点の光電変換信号、記号Ｘ口ｙは２実数ｘ、ｙ
にかかわる演算関係、即ち１ｘ−ｙｌｒ　”ｎ（Ｘ、）
／）、ｍａ、ｆ（Ｘ、ｙ）のいずれか一つを表すもので
、 を演算する演算手段を設け、以て、相関量Ｖが零になっ
た時の撮影光学系位置から、サンプリング点ピッチの％
に相当する距離だけ離れた位置が合焦位置と判別し、或
いは、相関量Ｖが零になる像ずれ量を求め、それにサン
プリング点ピッチのＨに相当する像ずれ量を差し引いて
、補正像ずれ量を演算し、それによって合焦誤差量を算
出するようにしたことを特徴とする。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する
。

本発明は、下記の（８）式を基本的な相関量とするもの
で、ｆ象ａ　ｆｉｔに対する像ｂ　ｍの像ずらし量を１
ピツチにしている。

■−Σ　ａ（ｉ１口ｂ（ｉ＋ｊ）−Σ　ａ　（ｉ）口ｂ
＋ｊ＋　　　　　（８）１−１　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　１−１また、像ずれ量の演算式は
下記の（９）式となる。

看＝Σａ（ｉ）口ｂ（ｉ＋１＋ｍ、）−Σａ（ｉ）口ｂ
（ｉ＋ｍ）　　　（９）演算記号口を具体的な形で表せ
ば（３）式に対応して（８）式は ■−Σｍ１ｒＬ（ａ（ｉ）、ｂ（ｉｌ１））−Σｍ１ｎ
（ａ（ｉ）、　ｈ（ｉ））　　　Ｏｆ）となり、また（
５）式に対応して（９）式はぬ＝Σｍ１ｒＬ（ａ（ｉｔ
、　ｂ（ｉ＋１＋７７Ｌ）　）−Σ肌ル（ａ（Ｕ、ｂ（
ｉ＋ｙｎ））　　　　　　αυとなる。

第６図は０（ｌｌ１式を演算する演算回路の一例である
。光電変換素子アレイ７．８は、それぞれＮ個の光電変
換素子から成り、光電変換信号ａ　Ｕ＋。

ｂ　ｕ＋を時系列信号として出力する。光電変換信号す
山はアナログシフトレジスタ９により１ビツトだけシフ
トされ、光電変換信号ｂ（ｉｌ１）となる。コンパレー
タ１０は光電変換信号ａ　（ｉ）とｂ（ｉｌ１）を比較
し、ａ（ｉＫｂ　（ｉｌ１　）の時にはアナログスイッ
チ１１をオンさせ、ａ（ｉ）＞　ｂ　（１＋１）の時に
はインバータ１３を介してアナログスイッチ１２をオン
させる。コンパレータ１３は光電変換信号ａ　＋ｉ＋と
ｂ　ｔｉ＋を比較し、ａ（ｉ）＜ｂ（ｉｌＯ時にはイン
バータ１５を介してアナログスイッチ１６をオンさせ、
ａ　（ｉ）　＞　ｂ　（ｊ）の時にはアナログスイッチ
１７をオンさせる。したがって、積分器１８はΣｍ１ｎ
（ａ（ｉ）、ｂ（ｉｌ１）　）を計算シ、積分器１９は
Σｍｉｎ　（ａ（ｉ）、　ｂ（ｉ））を計算する。減算
器２０は積分器１８の出力から積分器１９の出力を減算
するので、減算器２０の出力Ｖは０１式を演算したもの
となる。

０１）式の相関量隻を演算するためには、二つの光電変
換素子アレイ７．８の時系列出力に相対的遅延を与えれ
ばよい。例えば、光電変換素子アレイ８とアナログシフ
トレジスタ９との間に、相対変位量ｍに応じた遅延を与
える遅延素子を設けるとか、光電変換素子アレイ８の読
出し開始時点を制御する、などの手段が考えられる。

演算がマイクロコンビーータによりディジタル的に行わ
れる場合には、光電変換素子７，８の時系列出力は直ち
にＡ／Ｄ変換され、メモリに記憶された後、ソフトウェ
アの制御により演算が実行される。

（８１、（９１式中の記号Ｘ口ｙを１ｘ−ｙｌ、或いは
ｍａｒ（Ｘ、ｙ）としても、同様な演算法が適用できる
ことはいうまでもない。

第４図、第５図と同じ手法で、（８）式、（９）式にお
ける演算関係を図式化したものが第７図、第８図である
。これらからはっきり分かるように、（８）式、（９）
式の第１和の演算でのみ１ピツチの像ずらしを行い、第
２和の演算では像ずらしを行つていないから、全体で像
ずらし量は１ピツチである。これによって、演算の精度
を向上させることができるのであるが、その根拠を第９
図によって説明する。

一一Σｌ　ａ（ｉ）−ｂ　（ｉ＋１＋ｍ）　１−Σｌ　
ａ（ｉｌ−ｂ（ｉ＋ｍ）　ｌ　αの上記の０つ式に基づ
き計算された相関量りを相対変位ｉｍに対してプロット
した図の典型的−例を第９図中）に示す。これに対して
、第９図囚は公知技術である（２）式の相関量−を示す
。これらの図は、いずれも第９図０に示されるパターン
の２像がすべてのｉに対して完全に一致している状態、
即ち合焦状態で演算されたものである。第９図（Ｂ）で
は、像ずれ量の原点はｍ　＝　Ｑではなく、ｍ＝−０，
５である。これは、基本的相関量を定義している（８）
式で、２＠ａ（ｉ）、　ｂ（ｉ）についての像すらしの
取扱いが対称性を欠いて〜・ることに原因している。（
８）式の相関量ｖが零になるのは、第１０図（Ａ）に示
されるように、２像ａｍ　、　ｂ　ｕ＋が光電変換素子
アレイ７．８の０．５ピツチだけ負の方向にずれた状態
においてである。

例えば、（１２＋式では、第１和が第１０図（８）の斜
線部分に相当し、第２和が第１０図（４）の斜線部分に
相当し、側斜線部分の面積が等しくなる。このように、
像ずれ量が零である相対変位ｉｎの値と、Ｖ、　−〇と
なるｍの値とは、０．５だけ異なっているので、正しい
像ずれ量を求めるためには、まず、異なる複数の整数値
ｍについて演算し、ぬ・隻＋ｌ≦Ｏとなり、月は１■。

−隻＋１　ｌが最大となる整数値ｍを探し、閉区間（ｍ
、ｍ＋１）にある隻−００実数解ｍを計算する。次に、
このｍに−０，５の補正項を加えればよい。

（９）式の演算では、第９図（Ｂ）からもわかるように
、−＝０となる相対変位ｔ　７ＦＬの付近で急峻な変化
を示す。このため、゛ノイズにより相関量−が変動して
も、看−０となるｍの値にはそれ程変化がなく、像ずれ
検出感度が高くなる。これに比して、第９図（ｆｉ、）
に示される従来法の場合には、ノイズにより相関量−が
変動すると１ｍ＝Ｏとなるｍの値の変化が太きい。

また、第９図（〜では、Ｖ−ｓとＶ−４との間及び■４
と鳩との間で、変化量の大きいゼロクロス点を生じてお
り、誤判断の機会を生じやすい。これらの点での相関量
ぬの変化量Ｉｖａ−ｖ＋ｌ　、　ｌ　Ｖ−４−Ｖ−５１
は、真のゼロクロス点での変化ｔｌＶＩ−ＶＯＩ。

１ｖｏ−ｖ−＋１とほぼ同程度である。一方、本発明に
よる第９図（６）では、真のゼロクロス点における相関
量焉の変化量１ｖｏｖ口は他の無意味なゼロクロス点に
おける変化ｔｌｖｓ−ｖ４１もしくはＩＶ２　　Ｖｌ＋
に比べてはるかに太きい。したがって、誤判断の可能性
の生じにくい演算法であることがわかる。

（８）式の演算により合焦判別を行う場合には、相関量
ｖが零になった時の撮影レンズ位置から、０．５ピツチ
に相当する距離だけ離れた位置な合焦位置と判別する。

実際の演算では、ｂ　（ｉ）をｂ（ｉ−０，５）に置き
換えて演算し、その相関量■が零になった時を合焦状態
と判別する。

（８）　、　（９）式において、相関量Ｖ　、　Ｖ、の
演算に要する像ずらし量は従来法に比して半減している
ため、特に物体が細かい構造のパターンである場合に有
効である。像ａ　（ｉ）　、　ｂ　（ｉ）の波形が、光
電変換素子アレイのナイキスト周波数に近い高周波成分
を多く含む場合、従来の演算法では判別困難であること
が多いが１本発明によれば判別可能な事例が増大する。

また、本発明では、（８）　、　（９）式の第２和で像
ずらしの操作を行っていないので、その分データ処理が
従来法に比し容易となる。

以上の説明では、撮影光学系を通過した光束による像を
用いる、所謂ＴＴＬ方式の焦点検出装置に適用する形で
述べたが、２像のずれを用いる基線距離計方式の焦点検
出装置にも本発明を適用することができる。また、光電
変換手段として、光電変換素子アレイを用いた例を説明
したが、Ｎ個の等間隔のサンプリング点を有する固体撮
像素子などに代えることができる。

以上説明したように、本発明によれば、下記の演算式 を演算する演算手段を設けて、演算における像ずらし量
を光電変換サンプリング点の１ピッチ分としたから、該
ピッチが比較的粗くても、演算精度を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な二次結像方式焦点検出装置を示す概略
図、第２図（Ａ）　Ｑ３）　（Ｃ’）は焦点調節状態と
像すれとの関係を示す図、第３図は従来の演算式による
演算結果を示す図、第４図及び第５図は従来の演算式に
おける像ずらし量を示す図、第６図は本発明の一実施例
における演算回路を示す回路図、第７図及び第８図は本
発明の演算式における像ずらし量を示す図、第９図囚は
従来の演算式による演算結果を示す図、第９図（８）は
本発明の一実施例の演算式による演算結果を示す図、第
９図０はその２像のパターンを示す図、第１０図（Ａ）
＠は本発明の一実施例における２像の像ずらしの様子を
示す図である。 １・・・撮影レンズ、３・・・フィールドレンズ、４ａ
　＊　４　ｂ・・・二次結像レンズ、５ａ、５ｂ・・・
光電変換素子アレイ、６．７・・・光電変換素子アレイ
、９・・・シフトレジスタ、１０．１４・・・コンパレ
ータ、１１，１２，１６．１７・・・アナログスイッチ
、１８．１９・・・積分器、２０・・−減算器、■。 ぬ・・・相関量、ｍ・・・相対変位量、　ａｆｉ）、　
ｂ（ｉｌ・・・光電変換信号。 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　中　村　稔 −＋ｔＬｒ１ 藪　　　　　　　；− （ 第９図 第７図 第８図 （Ｃ） 司’）　　　　　　　ｂ（ｉ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　合焦誤差量に応じて相対的位置が変化する複数個
   の像を形成する結像光学系と、複数個の像を、Ｎ個の等
   間隔のサンプリング点でそれぞれ光電変換する複数個の
   光電変換手段と、光電変換手段からの光電変換信号によ
   って複数個の像の相対的位置を演算し、その演算結果に
   より焦点調節状態を判別する信号処理手段とを備えた焦
   点検出装置において、下記の演算式、ただし■は相関量
   、ａ　（ｉｌ　、　ｂ　（ｉｔは複数個の像のうち、異
   なる２像の１番目のサンプリング点の光電変換信号、記
   号Ｘ口ｙは２実数ｘ、ｙにかかわる演算関係を表すもの
   で、■＝Σｌ　ａ（ｉ１口ｂ（ｉ＋１）ｔ−Σ１ａｆｉ
   １口ｂ（ｉ）１１−１　　　　　　　　　　　　　　　
   　　　　　　　　　１−１を演算する演算手段を設けた
   ことを特徴とする焦点検出装置。