JPS6052406B2 - 自動焦点検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学装置における合焦点の電子的検出装置で
特に焦点面上もしくはその近傍に配設された空間周波数
フィルターの走査により最良の結像状態を検出し、レン
ズの結像系を制御して自動的に焦点検出を行なう自動焦
点検出方式に関するものである。

撮影レンズの瞳面を複数個に分割し、それぞれの分割
面を通過する光束を結像面もしくはその近傍に配設した
空間周波数フィルターの走査で変調し、その出力光を複
数個の光検出器で受光し、各検出器の出力信号における
振幅もしくは位相差を用いてレンズの合焦位置を検出す
る方法は、従来より周知でありこれに関する各種提案が
発表されている。

このような焦点検出方法は、例えばカメラに組み込むか
装着して自動焦点カメラを実現するのに用いられるもの
であり、この際焦点外れの状態すなわち前ピンであるか
後ピンであるかを判断するための情報が必要となる。
従来の方法においては、基準の光検出器からの出力信号
と、その他の光検出器からの出力信号とを比較して、そ
の位相変移が進相側にあるか、または遅相側にあるかで
前ピン、後ピンの状態を判断していた。

このように光検出器からの出力信号の位相を直接検出す
る場合は、出力信号が例えは正弦状、矩形状等の如き単
純な波形の場合は比較的容易に位相差検出が可能である
が、カメラのレンズによる結像のように対称被写体の形
状が複雑な場合には空間周波数フィルターの走査による
出力信号の波形は一般に単純な波形とはならず、上記の
如き方法による焦点検出並びに前ピン、後ピンの判断は
困難であり、従つて上記の方法による焦点検出にも支障
をきたすことが多くあつた。 本発明は上記の点に鑑み
てなされたもので、カメラの合焦点検出時の如き一般的
な波形の出力信号の場合でも、焦点検出並びに前ピン、
後ピンの判断が容易に行ない得るような焦点検出方式を
提供することを目的とするものてある。以下図面によつ
て本発明を詳細に説明する。

第１図は従来の焦点検出装置の一例を示す光学系の路線
図である。図において１は撮影レンズで例えばカメラの
撮影レンズを表わす。３は光束の透過部と不透過部との
交互配列よりなる一次元格子で構成される空間周波数フ
イルタ一、４はフイールドレンズ、５および６は前記空
間周波数フイルタ一およびリレーレンズを通過した光束
を受光する光検出器で例えばシリコンフオトセル（ＳＰ
Ｃ）等が用いられる。

３の空間周波数フイルタ一はレンズ１の最良結像面位置
もしくはその近傍に配置されており、不図示の駆動装置
により例えば図の矢印方向に振動して光束を走査するよ
うにしてある。

なおこの走査方向は一方向のみにしてもよい。フイール
ドレンズ４は光検出器５，６の受光面を撮影レンズ１の
ほぼ瞳面上に結像させ、仮想的に撮影レンズ１の瞳面２
上に開口５″および６″を形成させるようにしてある。
すなわち瞳面２上の仮想的開口５″，６″と光検出器５
，６の受光面とは前記フイールドレンズ４に関してほぼ
共役関係にあることになる。なお図の実施例ではフイー
ルドレンズ４は空間周波数フイルタ一３と光検出器５，
６との間に配置されているが、これを空間周波数フイル
タ一３と撮影レンズ１との間に配設することも可能であ
る。第１図の光学系において、説明を簡単にするために
点像が結像しているものとする。

図における点像は仮想的開口５″および６″を通過する
光束７および８の交点であり、この位置は撮影レンズ１
を移動させることにより変えられる。今点像が空間周波
数フイルタ一３の面上、すなわち焦点面上に位置してい
る場合（図示の場合）を考えると、光束７および８は空
間周波数フイルタ一３を走査することにより明暗の変調
を受けることになり、これがフイールドレンズ４を介し
て光検出器５および６に受光されると光検出器５および
６からは同位相の電気信号が出力される。（合焦状態）
また点線が空間周波数フイルタ一３の面上にない場合、
すなわち焦点外れの状態では、空間周波数フイルタ一３
の面上で光束７および８は分離しており、従つて空間周
波数フイルタ一３の走査による光束７および８の受ける
明暗の変調は同位相とはならず時間遅れが生じ、これよ
り光検出器５および６から得られる出力信号にも位相変
移が生ずる。従つてこの両者の出力信号間の位相変移を
検出することにより焦点検出を行なうことができる。第
２図は第１図の装置における光検出器５および６の出力
信号の一例を示す波形図である。

図においては空間周波数フイルタ一３は第１図において
下方へのみ移動して点像を走査する場合を示している。
図においてａは光検出器６からの出力信号、ｂは光検出
器５からの出力信号を表わす。

前述のように、点線すなわち光束７と８の交点が第１図
の空間周波数フイルタ一３の左側（撮影レンズ側）にあ
る場合は、空間周波数フイルタ一３の下方向への走査に
よりフイルタ一の開口部の端３５が先に光束７に変化を
与え、ついて光束８が変化を与えられることになる。す
なわち両光束７および８の光量変化には時間的遅れが生
じ、従つて光検出器５，６の出力信号間にはΔφの位相
差が生じることになる。光像が空間周波数フイルタ一３
の面上にある時は、２つの光検出器５および６からの出
力信号は位相差がＯになり、この点で両信号の位相関係
が逆転することになる。この出力信号間の位相差を検出
して前ピン、合焦点および後ピンの状態を判断する方法
が従来の焦点検出方法てあるが、この方法には後述の如
き問題がある。第３図は第１図の装置において一般的な
被写体を走査した時の光検出器出力信号の一例を示す曲
線図である。この場合は第２図示のような単純な波形と
はならず被写体の輝度分布に応じた振幅、位相を有する
複雑な波形となる。以上第２図および第３図の出力信号
間の位相差を検出するには下記の如き周知の方法を用い
る。すなわち第２図、第３図に一点叉線で示した基準レ
ベルを元の波形のピーク間のおおよそ半分のレベルに選
び、この基準レベルと元の波形の交叉する点の位相を求
める。第２図において２つの信号波形ａおよびｂの立下
り時に基準レベルとクロスする瞬間にゼロクロス回路で
パルス発生させる。第４図は第２図の信号波形に対応す
るパルス列を示す図で、それぞれの波形Ａ，ｂに対して
第４図のＡ，ｂが対応する。第６図は位相差検出回路の
一例を示すプロツク図で、入力ａへは第２図ａの信号が
入力し、入力ｂへは第２図ｂの信号が入力する。１０お
よび１『はゼロクロス回路であり、その出力へは第４図
ａおよびｂのパルスが出力し、これらがカウンター１１
へ入力されて両信号の位相差Δψを検出する。

カウンター１１は充分高い周波数のパルスを発生するパ
ルス発生回路を含み前記２つの入力パルスの入力した時
にパルス発生の開始および停止をしてこの間の発生パル
ス数をカウントし両信号の時間差（位相差）を検出する
。第４図のパルス１が入るとカウントを開始し、パルス
４が入つた時カウントを停止し、つぎにパルス２が入る
とカウントを開始、パルス５が入つた時にはカウントを
停止する、このようにしてカウントをくり返し行ない位
相差Δφの平均値を求めるものである。以上の方法で第
３図の如き出力信号間の位相差を検出する場合はゼロク
ロス回路１０，１『の出力へは第５図の如きパルス信号
が得られることになる。

図において、ａおよびｂの２信号間の位相差は同じ波形
部分の立下りにおけるゼロクロス位相間で求めるのであ
るから、例えば第５図ａのパルス２と第５図ｂのパルス
７間の位相差を検出する必要がある。しかるに、この２
つのパルス間にはパルス３、パルス６の如き異なつた波
形部分によるゼロクロスパルスが存在するのでカウンタ
ー１１のカウントは誤つた位相差を検出することになり
、これによつて自動焦点検出を行なつた時は誤動作をす
る原因となる。本発明は上記の如き従来方式による信号
処理にもとずく誤検出を除いた改良された自動焦点検出
方式を提供するものである。上記の如き従来の焦点検出
方式の欠点を改善した信号処理回路の一例を第７図に示
す。

図において光検出器５および６は第１図示の位置にあり
、これらの出力信号は差動回路３１の非反転入力および
反転入力として入力され３１の出力へは両人力信号の差
信号が得られる。これをＲ．ｍ．ｓ回路３２によりＲ．
ｍ．ｓ値をして取り出し撮影レンズを駆動して自動的に
合焦点を得るようにする。この信号処理回路によれば、
光検出器５および６から出力信号が被写体輝度分布によ
り如何に複雑な波形の場合でも、２つの光検出器からの
信号波形は同一であり、光軸方向の像の位置によつて位
相がずれているだけであるから、差動回路３１の出力は
合焦時は位相差が０になり、この点を検出すばレンズの
合焦状態が検出できる。またこの位相のずれによつて像
が空間周波数フイルタ一３の面から離れた状態（すなわ
ちボケている状態）が得られる。なお両信号の振幅が異
なつている場合は合焦時でも両信号の差のＲ．ｍ．ｓ値
は０とならないが、必ず極小値を取るのでこれにより合
焦点の検出が可能である。以上の状態を横軸に光軸方向
の距離を取り縦軸にＲ．ｍ．ｓ値を取つて示す第８図の
如き曲線が得られる。なお上記の例では両信号の差を取
つてあるが、これを両信号の和を取つて極大値の位置を
検出することに同様の効果を得られることは言うまでも
ない。以上の方法では合焦点の検出は可能であるがボケ
の状態が前ピンであるか後ピンであるかを判別するため
の情報は得られないのでこれによつて完全な自動焦点検
出をすることは困難である。焦点検出における前ピンお
よび後ピンの情報を得る方法として第９図に示すものが
従来より知られている。

第９図の方法は撮影レンズ５１からの光束５７，５８を
ビームスプリツタ一５０により２つに分割し、これらの
それぞれを前記第１図と同様の装置２組によつて焦点検
出するものである。図において撮影レンズ５１の後方に
配置されたビームスプリツタ一５０により撮影レンズ５
１の焦点面は７０および７『の２個所に出来る。空間周
波数フイルタ一の如き走査要素５３および５３″は焦点
面７０および７『に対して一方は適当な距離ｄだけ撮影
レンズ５１より遠ざかつた位置に配置され、また他方は
撮影レンズ５１に近ずいた位置に配置されている。これ
ら走査要素５Ｊ３および５３″と光検出器５５，５６お
よび５５″， ５６″との間にはフイールドレンズ５４
および５Ｃが配設され、これにより光検出器５５と５５
５および５６と５６′とは撮影レンズ５１の瞳面上の同
一領域と共役関係に置かれている。従つ門て光束５７は
ビームスプリツタ一５０で分割されて光束６８および６
『となつて光検出器５６および５『にそれぞれ入射し、
また同様にして光束５７はビームスプリツタ一５０で光
束６７および６７″に分割されて光検出器５５および５
５５にフそれぞれ入射する。第９図ｂに示すように光検
出器５５および５６の出力信号は差動回路８１へ入力さ
れ差出力がＲ，ｍ，ｓ回路８２でＲ９ｍ９ｓ値を取られ
て出力Ａを生じる。同様にして光検出器５５″および５
６″の出力信号は差動回路８「で差を取られ、Ｒ，ｍ，
ｓ回路でＲ，ｍ，ｓ値とされて出力Ｂを生ずる。これら
の信号ＡおよびＢは差動回路８３で再び差を取られてＣ
信号として出力される。第９図ａにおいて撮影レンズ５
１を距離ｄだけ左方向に移動した時（Ｘ＝−ｄ）は、像
面７０と走査要素５３の面とが一致し、この時信号は極
小となる。同様にして撮影レンズ５１を距離ｄだけ右方
向に移動した時（Ｘ＝ｄ）は、像面７『が走査要素５３
″の面と一致するので信号Ｂが極小となる。第１０図ａ
は撮影レンズ５１の位置を光軸Ｘの方向に連続的に変え
た時の信号ＡおよびＢの変化を示す曲線図であり、第１
０図ｂは信号ＡＩ：．Ｂの差信号Ｃの変化を示す曲線図
である。図に示すように信号Ｃは撮影レンズ５１が合焦
位置の右側にあると（＋）となり、レンズ５１が合焦位
置の左側にあると（−）となり、合焦点ではＯとなる。
従つてこの信号Ｃによつて合焦位置、前ピン後ピンの状
態を判別することができる。上記第９図に示した従来の
焦点検出方法は、カメラにおける被写体のような複雑な
形状の物体に対しても容易かつ高精度に焦点検出が可能
であるが、これをカメラに組込んで自動焦点装置を構成
する場合は下記の如き不都合な点を有するものである。

すなわちカメラに組込む装置としては、小型、軽量でか
つ低コストであることが望ましいが、第９図に示した装
置では像走査部を２個所に設ける必要があり、かつこれ
らの配置は基準とする像面に対して正確に同一距離だけ
前後に配置する必要があり、またこれら２個の走査要素
のパターンは全く同一であり、かつ同一速度の走査をす
る必要がある。以上により装置の大型化を招き、かつ走
査要素駆動装置並びに要素の高精度であることが必要で
あり、これによつて機構の複雑化を招き、コスト高とな
るものである。本発明は上記の如き従来装置の問題点に
鑑みてなされたもので、その特徴とするところは唯一個
の走査要素を用いて合焦点、前ピンおよび後ピンの検出
を可能とする装置を提供することを目的とするものであ
る。

以下図によつて本発明の実施例一を説明する。第１１図
は本発明による焦点検出装置の一実施例を示す光学配置
図である。

図において１０１は撮影レンズで不図示の駆動装置で光
軸方向（Ｘ方向）に移動可能にされている。１０９は例
えば方解石、水晶等の如き複屈折特性を有する材料で構
成される平行平板、１０３は走査要素で例えば光束の透
過部とで一次格子を構成する空間周波数フイルタ一、１
０４はフイールドレンズ、１１０および１１１は偏光状
態の異なつた入射光束と分割出射する偏光ビームスプリ
ツタ一、５５，５５′，５６および５６５は例えばシリ
コンフオトセルの如き光検出器である。

一般に光学系の結像点“近傍に屈折率ｎ１厚さΔの平行
平板を置いた場合は、結像点は光軸方向にだけ移動する
ことが知られている。

平行平板を複屈折性結晶で構成した場合は、この結晶中
へ入射した光は、常光線と異常光線に分かれ、これらの
光線によつて異なつた量の結像点移動が生じることにな
る。第１１図において平行平板１０９は複屈折性結晶で
構成されその軸が紙面に垂直に配置されているとする。
この時紙面の面内方向に振動面を持つ光が常光線であり
、紙面に垂直方向に振動面を持つ光が異常光線であつて
、結晶のこれら常光線および異常光線に対する屈折率は
ＮＯおよびＮｅであるとする。図示の如く撮影レンズ１
０１結像面近傍に結晶板１０９が置かれた場合は、結晶
板１０９から出射される常光線と異常光線のそれぞれに
対して２つの結像面が生じる。結晶板１０９の置かれて
いない時の像点に対する結晶板１０９の置かれた時の像
点の移動量をそれぞれ常光線に対し１０１異常光線に対
し１ｅで表わせば、（１）式によりとなり、これら像点
移動量の差δは で表わされる。

第１１図は実線で図示されている常光線により作られる
像面に走査要素１０３が置かれている状態を示したもの
で、点線で示してある異常光線による像面１２０に対し
ては、走差要素１０３がδだけ焦点外れの位置に置かれ
ている。常光線と異常光線は互いに振動方向が直交した
直線偏光であり、これらは偏光ビームスプリツタ一１１
０および１１１で分離することができる。従つて光検出
器５５および５６は常光線１１９および１１８を検出し
、光検出器５５″および５６″は異常光線１１９″およ
び１１『を検出することになる。これら光検出器５５，
５５″，５６および５６″からの出力信号は第９図ｂに
示した方法で信号処理を行ない焦点位置の検出を行なう
ことができる。複屈折性結晶１０９として、例えば方解
石を用いるとすると、波長０．５０８μｍの光に対して
ＮＯ＝１．６６５２７、Ｎｅ＝１．４８９５であり、厚
さ３ｗ！ｔの平行平板を用いることにより（５）式より
δ＝２１０ｐｍが得られる。本発明の焦点検出装置は上
記第１１図の実施例のほかに多くの変形が実現可能であ
る。

第１２図は本発明の他の実施例を示す光学配置図で、第
１１図と異る点は複屈折性結晶による平行平板１０９の
結晶軸が紙面内にあつてかつその方向が光軸と適当な角
度を有する点にある。その他の部材は第１１図と同じで
あり、同じ部材は同一符号で示してある。なお平行平板
１５９からの射出光線のうち１１９と１１９″との位置
が第１１図の場合と異なり、これにより偏光ビームスプ
リツタ一１１０により分離される２つの光束を受光する
光検出器５５と５５″の位置が第１１図とは異なる。第
１２図の実施例における結晶板１５９は、例えば微分干
渉顕微鏡において像の横ずらしに使用されるサバール板
の部品として周知のものである。この結晶板１５９の作
用により図示の如く常光線と異常光線による像は相互に
横方向にずれて生じる。この横すれにより光束１１８と
１１９″の交点および光束１１『と１１９の交点はそれ
ぞれ合焦位置（１０３面）から離れた面１２０と１２０
″に生じる。図は走査要素１０３が合焦位置にある状態
を示している。走査要素１０３が面１２０″と一致して
状態では、光検出器５５″と５６″からの出力信号は同
一位相となる。同様にして走査要素１０３が面１２０と
一致した状態では、光検出器５５と５６からの出力信号
が同一位相となる。

これにより第１１図示の実施例と同一効果が得られる。
本発明の第３の実施例を示す第１３図の装置では、結晶
板１６０は結晶軸が紙面に垂直なプリズム１６『と、結
晶軸が面内方向にあり光軸に垂直なプリズム１６『とを
組み合わせて構成したウオラストンプリズムで形成する
。

このウオラストンプリズムを通過した常光線（実線）と
異常光線（点線）とは互に微小角だけ異なつた方向に射
出される。従つて前記ウオーラストンプリズムを撮影レ
ンズ１０２の直後に置くことにより、像面には相互に横
ずれした像が生じ、これによつて第１３図示の実施例と
同一効果が得られる。本発明による焦点検出装置に使用
する結晶板としては、前記第１１図、第１２図、第１３
図に示したもの他、同様の効果を生ずるものであればど
のようなものでも用いられることは勿論であり、例えば
、サバール板、セナルモンプリズム、ロツシヨンプリズ
ム等の如き偏光光学素子を使用して構成することが可能
である。

また、以上の説明では二重像が単純に面内で相互にずれ
て生じるものとして説明を行なつたが、一般には、二重
像は、面内と、光軸方向のずれが組合さつて生じ、この
時にも以上に述べたのと同一の効果が得られる。なお上
記の実施例では走査要素１０３を撮影レンズ１０１の結
像面の近傍に配置したものを示したが、適当にリレー光
学系を用いて撮影レンズの像面に対する共役面を形成さ
せ、この共役面に走査要素を配置することも可能であり
、この場合はリレー光学系中に偏光光学素子を配置する
ことも可能である。第１４図は本発明の第４の実施例を
示す光学配置図である。

図の装置では像走査要素２０３は例えば一枚の・ガラス
平板の表面と裏面に偏光板を用いて同一パターンの格子
を形成したものである。

第１５図は第１４図における像走査要素２０３を構造を
示す切断拡大図で、ガラス基板２０１の一面には偏光板
よりなる格子２０２が配置され、また２０１の・他面に
は格子２０２と同一パターンの偏光板格子２０２″が配
置されている。これらの格子２０２と２０２″とを構成
する偏光板は互に方向が直交する偏光板を用いており、
従つて像走査要素２０３を格子２０２と同一方向の偏光
板（不図示）をノ通して観察する時は、格子２０２″の
みが明暗パターンとして見え、また格子２０２″と同一
方向の偏光板（不図示）を通して観察する時は、格子２
０２のみが明暗パターンとして見えることになる。上記
の如き像走査要素２０３を第１４図のように配置した場
合は、光検出器５５および５６に対しては格子２０２だ
けが作用し、光検出器５５″および５６″に対しては格
子２０２″のみが作用することになる。従つて撮影レン
ズの光軸方向にこれらの２つの偏光板格子がガラスの厚
さだけ互に離れて配置されているために光検出器５５，
５５″， ５６，５６″の出力信号から撮影レンズの合
焦、前ピンおよび後ピンの状態を検出することができる
。つぎに第１６図は本発明の第５の実施例を示す光学配
置図である。

図の装置ては像走査要素３０３は相互に横ずれした格子
３０２と３０２″で構成され、これらの格子３０２，３
０２″は互いに直交した方向の偏光板で作られている。

この様な光学素子を製造するための手段としては、たと
えば米国ポラロイド社の１ヘクトグラフ．Ｊ（商品名）
が知られている。なお図では説明を単純化するために検
出器の大きさは無視して示してある。

図のような配置の装置においては光検出器５５″と５６
″に対しては格子３０２″のみが作用し、光検出器５５
と５６″に対しては格子３０２″のみが作用する。従つ
て光検出器５５と５６からの出力信号の差は、像が面１
２０に生じた時に最小値となり、光検出器５５″と５６
″からの出力信号の差は、像が面１２０に生じた時に最
小値となる。これにより前ピン、後ピンの状態が判別し
得る。以上の本発明による焦点検出装置の各実施例では
偏光状態をすべて互に直交した方向の直線偏光を用いて
例示したが、本発明の装置に用いる偏光状態は互に独立
に検出可能な偏光の組み合わせであれば、上記実施例の
場合に限らないものであり、例えば撮影レンズの直後と
走査要素の直後にそれぞれλ／４板を置くことにより、
被写体からの右回り円偏光と左回り円偏光とを利用する
ことも可能であり、このような装置においては被写体か
らの光束の偏光状態の影響を軽減し得ることになる。

また、実施例では、偏光ビームスプリツタ一を用いて二
つの直線偏光を分離した場合を示したが、この外にも、
ビームスプリツタ一と偏光板の組合せ等、種々の手段が
使用可能である。以上のように本発明の自動焦点検出装
置においては、空間周波数フイルタ一走査による焦点検
出方式に偏光を利用して前ピン、後ピ７状態を確実に判
別し得るようにしたものであり、自動焦点装置としてカ
メラ等の光学機器に適用してその効果は大なるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の焦点検出装置の一例を示す光学系の路線
図、第２図は第１図の装置における光検出器の出力信号
の一例を示す波形図、第３図は第１図の装置において一
般的な被写体を走査した時の光検出器出力信号の一例を
示す波形図、第４図は第２図示の信号に対応するパルス
列を示す図、第５図は第３図示の信号に対応するパルス
列を示す図、第６図は位相検出回路の一例を示すプロツ
ク図、第７図は２個の光検出器からの信号の処理回路の
一例を示すプロツク図、第８図は光軸からの変位に対す
る第７図の出力信号の曲線図、第９図は従来の自動焦点
検出装置および信号処理回路の一例を示す光学配置図お
よび回路プロツク図、第１０図は第９図示の回路による
焦点検出信号の曲線図、第１１図は本発明による焦点検
出装置の一実施例を示す光学配置図、第１２図、第１３
図および第１４図は本発明の他の実施例を示す光学配置
図、第１５図は第１４図示の本発明の実施例１における
像走査要素の構造の一例を示す拡大図、第１６図は本発
明の他の実施例を示す光学配置図である。 １０１・・・・・・撮影レンズ、１０３・・・・・・像
走査要素（空間周波数フイルタ一）、１０４・・・・・
・フイールド・レンズ、５５，５５″， ５６，５６″
・・・・・・光検出素子、１１０，１１１・・・・・・
偏光ビームスプリツタ一、１０９，１５９・・・・・・
偏光板、１６０・・・・・・偏光プリズム、２０３・・
・・・・偏光板による像走査要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 撮影レンズの瞳面を複数個の領域に分割してこれら
   の領域を通過する複数個の光束による像を結像させ、前
   記撮影レンズの焦点面または焦点面の共役面の近傍に配
   設せる走査要素により像走査を行なつて撮影レンズの合
   焦状態、前ピンまたは後ピンの状態を検出する焦点検出
   装置において、前記複数個の光束で形成される像を光軸
   方向に位置ずれした偏光二重像とするためで前記像走査
   要素より物体側に配された偏光手段と、瞳面の分割され
   た領域に対応して光束を受けるためで、且つ該二重像の
   偏光状態の差によりこれら二重像をそれぞれ分離して検
   出する複数の検出手段とを備えた自動焦点検出装置。