JPS6267507A

JPS6267507A - 自動合焦装置

Info

Publication number: JPS6267507A
Application number: JP20646385A
Authority: JP
Inventors: Takaki Hisada; 隆紀久田; Takesuke Maruyama; 竹介丸山; Kenji Sano; 賢治佐野; Hironobu Sato; 裕信佐藤; Takashi Azumi; 安積　隆史
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1987-03-27

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】〔発明の利用分野〕本発明は、自動合焦装置に係り、赤外線を用いた被写体
距離検出装置に関するものである。

〔発明の背景〕

ビデオカメラ等の自動合焦装置において、赤外線を用い
た距離検出装置としては・従来、赤外光発光源からレン
ズ系を通して赤外光束な投射しく投射装置）、被写体で
反射した赤外光を上記投射装置から所定距離（基線長）
だけ離して設置した赤外光検出装置（光学系を含む）で
受光して、受光光束の位置あるいは角度を検出すること
により、いわゆる三角測量によって、被写体までの距離
を検出するものがある。

上記受光々束の位置検出方法としては、２分割センサー
を走査して２つの部分からの出力が等しくなる位置を測
定して検出する方法、複数の受光素子を並べ出力が得ら
れる素子の番号から位置を検出する方法、微小面積のセ
ンサーをｙ軸方向に動かしその出力が最大となる位置を
検出する方法１発光源を走査し受光光束がセンサーをよ
ぎる位置を検出する等積々の方法が提案されている。

このような能動型の距離検出装置において、いわゆる測
距視野は投射した光束の被写体上での大きさで決まる。

ビデオカメラ等の自動合焦装置では赤外光の発光源とし
て小型、高効率の発光ダイオードが弔いられるが、これ
らの素子では光源の大きさが比較的小さく投射光束の大
きさも小さくなるため、測距視野の小さい測距となる。

測距視野が小さい場合、被写体の極く限られた一点にの
み光束が当ることになり、ピントを合わせるべき被写体
がこれより少しずれた位置にあっても合焦しなくなり、
はなはだ不都合である。また、動く被写体や小さな被写
体をとらえる場合にも測距視野が小さいと被写体からフ
を一カスが外れ易く不都合が多い。

例えば、光源の大きさを直径０．５１１１Ｉ、投写用レ
ンズの焦点距離を５０ｘｘ、被写体距離を２ｍとすると
、投写された光束の大きさは大略直径３５罵翼となる。

これは、６倍ズームレンズを装置した２／３インチビデ
オカメラの場合、撮影画角の小さい望遠端においても、
その撮像画面横幅の約１５％にしかならない。

一方、距離測定値の誤差の少なさ、いわゆる測距精度は
、被写体に投射された光束径で決まり、光束が小さく絞
られているほど精度が向上する。

その理由は、上記被写体からの反射光を受光センサーで
受けた時、被写体距離の変化に対し受光スポットが移動
しこの移動を検出して測距するが、受光スボクト径が小
さいほどスポット移動に対しセンサー検出感度が大きく
なるため精度が向上する。

受光スポットの大きさは・受光光学系の焦点距離を短（
することによっても小さくできるが、この場合は、スポ
ットの移動量も小さくなり、被写体距離の変化に対する
センサーの検出感度は太き（ならず測距精度は向上しな
い。

上記のように測距視野を広（するために、投射光束を太
き（すると、測距精度が逆に低下することになる。

また、装置の小型化を進めるに当たつては、上記基線長
を短くすることが不可欠であるが、単純に基線長を短く
すると測距精度が低下する。

これを防止するには投射光束を小さくする必要があり、
上記測距視野を小さくすることになるため、増々光束が
被写体から外れ易（ピントが合わせ難くなる。

以上のように、測距視野の拡大と測距精度の向上は相反
する要素であり、従来測距視野の小さかったこの種の装
置で投射光束を太き（して測距視野を広げようとすると
測距精度が低下するという問題があった。

なお、この種の装置としては、例えば、特公昭４５−５
２７４７号公報、特公昭４６−２８５００号公報等に記
載の測距装置がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記問題点を解決し、測距精度を維持
しながら、広い測距視野を有する自動合焦装置を提供す
ることにある。

−〔発明の概要〕上記目的を達成するために、本発明は赤外光投射用光学
系の光軸と受光用レンズの光軸とを含む平面に垂直な方
向に複数個の光束を投射するととＫより測距視野を広（
したものである。

前述のように、測距精度は投射光束径が太きくなる程劣
化する。被写体距離の変化に対し、受光センサー上光束
が動く方向は投射用光学系の光軸と受光用光学系の光軸
とを含む平面内で両者の光軸を結ぶ距離の方向のみであ
りこれと垂直な方向には関係ない。

従って、投射光束の大きさは、上記投射用光学系の光軸
と受光用光学系の光軸との距離の方向の大きさのみ問題
であり、これと垂直な方向の大きさは測距精度には影響
しない。

そこで、本発明は上記投射用光学系の光軸と受光用光学
系の光軸とを含む平面上に垂直な方向ｆ複数の小さい光
束を並べれば、測距精度に影響することなく光束を並べ
た方向に測距視野を広げることができることを見い出し
たものである。

さらに、上記Ｗ数の光束を実現するために、投射用レン
ズとして次のような形状のものとする。

その第１は、一方の面は軸対称非球面で他面は投射用光
学系の光軸から受光用光学系の光軸に下した垂線の方向
に平行な複数個の平面から成り、上記Ｗ数個の平面は各
々光軸に対し発生させる光束の数だけの種類の異なる傾
き角を持つような琳−レンズでアろうそのｗＸ２は、上記複数個の投射光束の数だけの部分又
は全体のレンズを互いに光軸をずらせて配置したような
１枚レンズである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。Ｗｈ１
図に、本発明の実施例を用いた自動合焦装置全体の概要
を示す。

発光源１より照射された赤外光は、第２図に示すような
構造のレンズ２により被写体５上に複数個のスポット６
．７．８となって投射される。

上記スボク）６，７．８は、受光光学系３によりセンサ
ー４上に結像される。

受光用光学系３の光軸と投射用光学系２の光軸を含む平
面内で上記受光用光学系の光軸から上記投射用光学系の
光軸に下した垂直の方向をｙ軸とすると、上記複数個の
スボク）６，７゜８は、被写体５上で、各々の中心がｙ
軸と垂直な一直線上に並ぶように投射される。これによ
って、測距視野が広くなり・被写体がとらえ易くなる。

一方距離検出は、被写体距離に応じてセンサー４上のス
ポット像９，１０．１１カｙ軸方向に動くことから、ス
ポット像９，１０．１１のｙ軸方向位置を検出すること
により行なう・センサー４は基線長方向に２つの光電面に分かれ、その
境界は複数の投射光束の並びの方向と平行になっている
。

上記センサー４はクランク１７の回動によってｙ軸方向
に移動し、クランク１７はｍ影しンズ１３の距離環１６
に取付けたつげ１８（カムを形成している）に押され回
動する。

センサー４のｙ軸方向の位置はクランク１７、つげ１８
を介して、撮影レンズの距離環１６の回動位置と１対１
に対応している。さらには、センサー４の位置は、これ
に対応する距離環１６の回動位置で合焦する被写体距離
に被写体がある時。

上記２つの光電面からの出力が等しくなるよう設定され
ている。

モータ１４Ｖｃより撮影レンズ１５の距離環１６が回転
すると、上記クランク１７等を介してセンサー４がｙ軸
方向に移動する。センサー４の移動に従い上記センサー
４の２つの光電面の境界が受光々束？、ｔｏ、１１を横
切る時２つの光電面からの出力は等しくなり、回路糸１
２は、これを検出してモータ１４の駆動を停止する。こ
のとき距離環１６は被写体に合焦した位置で停止するこ
とになる。

上記センサーの２つの光電面の境界線は、複数の光束の
並びと平行、すなわちｙ軸と垂直となっているために、
複数の受光々束の内の１つが２一つの光電面の境界忙か
かってその出力が等しくなる状１１１ｖｒなった時、他
の光束も同時に同じ状態となり、センサー４の移動方向
に見ると受光々束の幅は単一の光束の場合と同じである
ため、測距精度は低下しない。

以上のように、ａ数の光束によって、測距精度を損うこ
となく、測距視野を広げることができる。

次に、上記ＷＨの光束を実現する投射用レンズ２の具体
的な例について図面を用いて説明する。

第２図は、本発明の投射用レンズ形状の一例を示す。ｆ
８２図（ａ）は光軸な含みｙ軸と垂直な平面内の断面、
第２図（ｂ）は光軸な含みｙ軸と平行な平面内の断面図
を示す。また、第３図は、上記レンズをシステムに組込
んだ状態で、発光源１から被写体５の方向を見た場合の
図で、投射用レンズ２の平面と投射光束６，７，８、及
び受光用光学系３．被写体５との位置関係を示すもので
ある。

とのレンズ２は、光源から発散する光を集束し投射光束
を形成するのを被写体５側の面２０（回転対称非球面）
で行ない、投射光束を複数に分離するのを光源側の面１
９で行なう。面１９は・ｙ軸に平行でかつ互いに傾きを
持った３つの平面２１．２２．２３から成る。上記３つ
の平面各々の交線は、第３図からもわかるように、ｙ軸
と平行な直線となる。第５図には、光源側の平面２１゜
２２．２３を示している。

面２２はＩ！２図（ａ）に示すように、このレンズ２の
光軸（面２０の回転対称軸）Ｋ垂直であり、発光源１よ
り面２２に入射する赤外光は光束２５となり光軸上のス
ポット７を形成スル。

面２１は、上記レンズ２の光軸に対し、傾きθを持ち、
面２１に入射する光は面２１の傾きによって、全体に光
軸と遠い側に屈折され光束２４となって、被、写体上に
上記光軸から離れた点にスポット８を形成すること疋な
る・この傾きθはｙ軸方向に垂直な面内のみであり、面
２１はｙ軸方向と平行であるため、スポット８の上記光
軸からのずれはｙ軸方向には発生しない。

面２３は、面２１とは逆方向にθだけ傾げたもので面２
３に入射する光は、面２１の場合とは逆方向に屈折され
光束２６となって被写体上にスポット６を形成する。前
述したように被写体上のスボク）６，７．ｆ３はｙ軸方
向とは垂直な方向に一直線上に並ぶ。

このようなレンズは、例えばプラスチックのよう゛な材
料を用いて成形により作成すれば容易に実現できる。成
形に依らない場合でも、非球面研磨、平面研磨は知られ
た技術であり、実現は容易と考えられる。

本実施例のレンズ２の形状寸法の一例を次に示す。

焦点距離：５０ｘｘ、厚さく光軸上）：５ｌｉｌ−レン
ズ有効径：１７ｎ、面２０の非球面形状：ただし、Ｃ−＆７７４３Ｘ１０−２　　Ｋ−−０，７１
３５Ａ悶６．５５０６Ｘ１０−６ｈ：回転軸からの距離　Ｚ：サグ量、面２１の傾きθ：　θ−２，４゜面２３の傾きθ：　θ篇−２，４゜面２２のｙ軸方向に垂直な方向の幅：４．５ｍ（これは
、上記有効径の円形開口面積を３等分圧する幅である。

）ここで、面２１．２５の傾きθは次のように決定した。

上記のような面２０の形状において、面２゜２３の傾き
角θに対し光束が光軸上にある場合からの動き量Ｘは第
４図に示すように変化する。

第４図に示すように、θが数度と小さい場合θとＸはほ
ぼ線形に変化する。また図は、２ｍの距離にある被写体
上での場合であるが、他の距離の場合、Ｘは距離に比例
する。

本実施例では、投射された３つのスポットが被写体上で
互いにほぼ接するようにｙ軸方向に垂ｔに並べることと
した。光源の大きさを直径ｏ、ｓ　ｍとすると、被写体
上での上記スポットの大きさは被写体距離２ｍで、約３
５．、、どなる。上記のようにスポットがほぼ接するた
めには上記Ｘが５５ｍｘＣ被写距離２ｍ）必要である。

そのため、第４図に破線で示すようにθを２．４度とし
た。

これによって、ｙ軸方向と垂直な方向には、投射された
３コのスポットが互いに接して並ぶことになり、測距視
野は単一光束の場合の３倍となる。

例えば、２／３インチ型撮像管を用いたビデオカメラに
用いた場合、単一光束とした場合の測距視は望遠端画面
横幅の約１５％にしかならないが、本実施例の装置を用
いると測距視野は４５％に拡大できることになる。

面２１．２５の傾き角θの値は必ずしも上記の値である
必要はなく、もっと大きくても、また小さくとも本発明
の郊果を損なうものではない。

θを太き（するとさらＶｒ測距視野が大きくなり、小さ
くすると測距視野が比較的小さくなる。面２１、２２．
２３の光軸に対する傾きが同一にならない限り、光束の
分割・測距視野の拡大を得ろことができろ。

以上述べたレンズは、光束を分割する３つの平面２１．
２２．２３　　の光軸との位置関係が、ｙ軸方向に平行
移動したとしてもレンズの形状は不変であり（ｙ軸に平
行なため）、従ってｙ軸方向には位置決め精度が不要で
あり、製作し易い特徴がある。

上記複数の光束を実現する投射用レンズとして本実施例
の他の実施例を第５図〜第１４図に示す。

第５図は、レンズの光源側と被写体側を逆にして、発光
源１の側を軸対称屈折面、被写体側を基線長方向に平行
な平面の組合せ面とした例で、同図は基線長方向に垂直
な断面を示す。

第６図は、第２図のレンズで光束分割用の３つの平面を
段差部５３．５４をつけて組合せたものである。これも
光源側の面３１は、基線長方向と平行な平面で構成され
る。

第７図は、分割光束の数を４つに増した場合の一実施例
である。被写体５側に軸対称非球面、発光源１側をＷ数
千回の組合せ面とした例である。

この実施例では、光軸に近い平面３７．３８の光軸との
傾きをそれぞれ±３°４７／と大き（し、外側のスポッ
ト４１．４４を形成させるようにした。

また光軸に遠い側の平面５６．５９は光軸との傾きをそ
れぞれ±１°１６′と小すくシ、内側のスポット４２．
４５を形成させるようにした。これは外側光線は画角を
小さくして、非球面４０の収差の影響を低減させたもの
である。これによって・被写体上４つのスポットが互い
て接して並ぶものである。平面の傾きの配置はこの逆で
も良（、またその角度は、レンズ面４０の形状と光束の
必要な広がり角度から決定される。

さらには図示しないが、これを第５図に示すように非球
面と組合せ平面を逆にし、あるいは。

第６図に示すようＫ、段を付けて構成しても良い。

また、分割光束数をさらに増した場合、あるいは２コの
分割光束にした場合についても同様である。

第８図は、軸対称レンズ面をフレネル面４６とし、光束
分割用の平面の組合せ面４７も、基線長方向に平行な細
い短冊状に分割し、光軸との傾き角を３種類の分散させ
た構成とし、レンズの薄肉化を図ったものである。

この時、面４４を構成する各平面の光軸との成す角は、
ｔＩＬ２図に示した時の３種と同じ値であるが、各角度
ごとの総面積は、３つとも等しくすることが望ましい。

また、複数の投射光束を実現するには、以上述べたレン
ズ形状の他に第９図に示すよ５な形状がある。

これは投射するスポットの数にレンズを分割し各部の光
軸を互いＫずらせて配置したものである。

第９図は、３つの光束を発生させるために。

レンズを３つに分割し、両側の部分の光軸を中央の部分
の光軸に対し、それぞれＱ、３１０Ｉだけ、ｙ軸と垂直
な方向にずらせたものである。

第１０図はその原理を示すため第９図の片側だけを示し
たものである。レンズを３分割した外側の部分４９は、
その光軸５０（破ＩＭＫて示す）を中央の部分の光軸か
らδだけ光軸に垂直な方向忙移動させて配置されている
。

上記外側の部分４９による光源１の像は、第１０図に示
すごとく、光源１と上記外側の部分４９の主点５２とを
結ぶ直線を延長した点５３に出来る。

このようＫｓレンズの一部４９を、その光軸５０を中央
の光軸からδだげ、ずらせて配置することで中央の光軸
上とは隔れた所に別の光束を投射することができる。

レンズの中央の部分５１を通った光は、中央の光軸上に
光源１の像を作る。

以上のようにレンズを分割し、各々の部分の光軸を上記
複数個の光束を並べる方向にずらせて配置したような形
状のレンズにより複数の光束を実現できる。

第９図に示した実施例は、分割前の形状が被写体５側の
曲率半径　Ｒ１９，２６光源１側の曲率半径　　Ｒ５７，７８厚さ　　　　　　　　　　５ｍｌ８焦点距離　　　　　　　３０１となる両凸レンズである。

レンズ屈折面形状は、上記実施例のような両凸レンズ以
外にも、平凸レンズでもメニスカスレンズでも良い。

第１１図は、レンズを３分割し、中央の部分の光軸に対
し、両側の部分の光軸のずらし方向をＩ！９図に示した
実施例とは逆符号にしたものである。

ｔｌｌ、１２図は、レンズを４分割し、４つの光束を発
生させるものである。内側の２つの部分は互いＫＯ１２
ｕ光軸が隔れており、外側の２つは内側部分の光軸に対
しさらにα２絽ずっ光軸をずらせたものである。

上記したような光軸なずらせた形状のレンズは、例えば
、射出成形法のような方法で製作すれば、成形用金型の
製造が通常のものより難しいが通常のプラスチックレン
ズと同様に製造可能である。

また、スポットの間隔を大きくする場合、はぼ完全な軸
対称形状のレンズを複数配置してもよい。このようなレ
ンズの例を第１３図に示す。

この時、外側の投射スポットは、外側のレンズの主点と
光源１とを結ぶ直線５６．５７（破線で示す）上にでき
る。第１３図中）に、光源１側から見たレンズ形状を示
す。レンズ５５は５つの円が並んだように見える。同図
では、前記ｙ軸は水平方向になるように書かれている。

このような配置のレンズでも、３つ連なった状態の金型
な作成すれば成形により、１つの部品として製作できる
。

前記１１２図からＩＥａ図までに示したような形状は、
片側の面を複数の平面により構成したものであった。

上記形状は製作精度がきびしくないという利点があった
が、これを間層としなければ上記複数の平面は平面でな
くとも良い。

９１４図は、一方の非球面を、第２図のレンズと同じ５
つの部分に分け、外側の部分を、もとの光軸に対し傾け
たものである。傾ける方向は、第２図等と同様光束を並
べる方向である。同図（ａ）は分割される光束の方向に
切断した断面、由）は分割された光束を含む面で切断し
た断面な示す。

以上述べたように、複数の光束を作ることは従来の単一
光束の場合にも用いている投射用レンズの形状を若干変
更するだけで、部品点数も増すことなく実現できる。

これによって、測距視野の広い、赤外線利用の自動合焦
装置が得られる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によって、測距精度を損なう
ことな（測距視野の広い赤外線利用の自動合焦装置を実
現でき、被写体のとらえ易い自動合焦装置を提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成図、第２図は本発
明による投射用レンズの具体的一実施例を示す断面図、
第３図は光束の状態を示す説明図、第４図は第２図に示
すレンズの平面の傾きθと光束のずれＸとの関係を示す
グラフ、第５図〜第１２図は投射用レンズの他の実施例
を示す断面図、第１３図（ａ）、（ｂ）はさらに他の−
実施例を示す断面図及び平面図、第１４図はさらに他の
一実施例を示す断面図である。１・・・発光源、　　　　　２・・・発光レンズ、３・
・・受光レンズ、　　　　４・・・センサー、５・・・
被写体、　　　　　　６．７．８・・・投射スポット、
９．１０．１１・・・受光スポット１１２・・・制御用回路、　　　１５・・・撮影用レンズ
、１４・・・フォーカス＋”Ａ　’ＨＡ　動用モータ、
１５・・・撮像装置、　　　　１６・・・フォーカス環
、１７・・・クランク％　　　　１８・・・ツノく、１
９・・・光束分割面、　　　２０・・・光束集光レンズ
面、２１、２２．２３・・・光束分割用平面。２４、２５．２６・・・投射光束。７メ〉＼代理人弁理士　小　川　勝　男１、− 第１図第２図（“）　　　　　曇（−ｅ−）第３因第６面第　７　閃第８図第９図　４゜第１Ｏ■ （？）

Claims

【特許請求の範囲】１、変調された赤外光を発光する発光素子から投射用光
学系を通して赤外光線を被写体に投射し被写体からの反
射光を受光用光学系を通して受光素子に入射させて距離
検出を行なう自動合焦装置において、上記投射用光学系
の光軸と上記受光用光学系の光軸とを含む平面に対し垂
直な方向に複数個の光束を並べて被写体に投射するよう
にした自動合焦装置。２、上記投射用光学系が、一方の面は軸対称非球面を含
む屈折面で、他の面は上記投射用光学系光軸から上記受
光用光学系の光軸に下した垂線に平行な複数の平面から
成り、上記複数の平面の上記投射用光学系の光軸に対す
る傾き角が複数個の投射光束の数だけ設定されているよ
うな単一のレンズから成ることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の自動合焦装置。３、上記投射光学系が、上記複数の光束と同数のレンズ
を、各々のレンズの光軸を間隔を置いて配置し、上記光
軸配置の並び方向を上記光束の並び方向と同一にしたよ
うなレンズ系で構成されたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の自動合焦装置。４、上記投射光学系として、レンズ又はレンズ屈折面を
上記投射光束の数に分割し、その各々の光軸が上記投射
光束の並びを含む平面内で１本の光軸に対し偏心又は傾
きを持つような形状のレンズから成ることを特徴とする
特許請求の範囲１項記載の自動合焦装置。