JPH0140286B2

JPH0140286B2 -

Info

Publication number: JPH0140286B2
Application number: JP53102259A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Utagawa
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1978-08-24
Filing date: 1978-08-24
Publication date: 1989-08-28
Also published as: JPS5529731A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、所定方向に配列された複数個の光電
素子から構成された光電素子アレイに光学像のを
投影し上記アレイからの光電出力から光学像の変
位を検出する光学像の変位検出装置に関する。

この種の変位検出装置は、例えばカメラ等の焦
点検出装置などについて多数提案されている。し
かしながら、従来の変位検出装置は、光像や光電
素子の配列ピツチ内で変位しても各光電素子の光
電出力が実質的にほとんど変化しないので、この
ような変位を検出できない。従つてこのようなわ
ずかな変位を検出する為には、光電素子の配列ピ
ツチを小さくすることが必要となる。しかし、光
電素子ピツチを小さくすることには当然限界があ
ると共にこれにより光電出力の微弱化を招き、ノ
イズ等の悪影響を受け易くなり好ましくない。

また光電素子アレイにより光像を各光電素子の
光電出力としてピツチＳでサンプリングした場
合、サンプリング定理として知られるように、こ
のサンプリングピツチＳの２倍の周期を持つ周波
数より大きい高次の空間周波数成分は、光電出力
中の情報としてはむしろ有害となるため、抑制す
ることが望ましい。

そこで、本発明の目的は光電素子のピツチより
も小さい光像の変位をも高精度に検出できると共
に光像中の有害な高次の空間周波数成分を抑制で
きる光学像の変位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、本発明は所定方向
に配列された複数個の光電素子から構成された光
電素子アレイと、この光電素子アレイ上に投影さ
れた光学像の変位を検出する検出手段と、を具備
し、上記光電素子は、各隣接光電素子間の境界線
が上記光電素子の配列方向に垂直な垂直線に対し
傾くように配列されており、上記境界線の傾き量
は、上記境界線の上記配列方向への投影長が上記
光電素子の配列ピツチをＳとしたとき約4/3Ｓよ
り大きくかつ約2Sよりも小さくなるように定め
られていることを特徴とするものである。

以下に本発明を本願の先願に係る特願昭52−
135228（特公昭54−68667）の変位検出装置に適用
した一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は上記引用した先出願に係る変位検出装
置を示すもので、これにより上述した高次空間周
波数成分の悪影響を詳説する。係る変位検出装置
であつて、空間的に一次元に配列された12個の光
電素子P₁〜P₁₂からなる光電素子アレイ２が図示
なき光学系の焦点面又はその近傍に配置されてい
る。このアレイ２にこの光学系により、或る照度
分布の光像が結像されると、各素子Pn＝（ｎ＝１
……12）は、自身への入射光強度に関連した電
気出力ｆを発生する。尚、電気出力ｆは、入射光
強度に比例するものでも又、の対数に比例す
るものでもよい。今便宜上このアレイ２の光電素
子P₁〜P₁₂を３群に分割する。即ち、素子P₁〜P₄
で、P₅〜P₆でそして、P₉〜P₁₂で夫々第１群、第
２群そして第３群を構成する。第ｍ群の左からｎ
番目の光電素子への入射光強度を^m _o、そしてそ
の素子の出力をf^m _oと表わす。各光電素子Ｐの出力
f^m _oは、４つの加算器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄから
なる加算手段６に送られる。６ａは各素子群の最
初に位置する素子P₁，P₅，P₉の出力f¹ ₁，f² ₁，f³ ₁を
６ｂは各素子群の第２番目の素子P₂，P₆，P₁₀の
出力を以下同様に６ｃ，６ｄは夫々第３番目、第
４番目の素子出力を夫々加算する。

尚上述の如く、光強度の対数に比例した電気出
力を得たい場合に光電素子の出力が光強度に比例
するものを使用している時は、この各加算器の出
力を対数圧縮するようにするとよい。ベクトル化
手段８は、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの出力に順次
2π×１／４ずつ位相のずれたベクトル量e²〓^×(1/4)i
、
e²〓^×(2/4)ie²〓^×(3/4)i、e²〓^×(4/4)iを掛けるベク
トル化回
路８ａ，８ｃ，８ｄを有する。従つて、各素子群
の第１番目の素子出力f¹ ₁，f² ₁，f³ ₁にはベクトル量
e²〓^×(1/4)iが、第２番目の素子出力f¹ ₂，f² ₂，f³ ₂に
は
e²〓^×(2/4)iが、そして第３番目、第４番目の素子出
力f¹ ₃，f² ₃，f³ ₃と、f¹ ₄，f² ₄，f³ ₄にはe²〓^×(3/4)i及
び
e²〓^×(4/4)iが夫々掛けられる。加算器１０は８ａ〜
８ｄの出力を合計する。

従つて、加算器１０の出力ＩはＩ＝₄ 〓ⁿ⁼¹ （₃ 〓^m=1 f^m _o・e²〓^×(n/4)i）となる。

以上の例は群の数が３、各群内の光電素子数が
４の場合であつたので、これを群数Ｍ各群内の素
子数Ｎと一般化すると、上記出力ＩはＩ＝_N 〓ⁿ⁼¹ （_M 〓^m=1 f^m _o・e²〓^×(n/N)i）となる。

この式から分る様に出力Ｉは素子アレイ２上の
像の照度分布のフーリエ成分、即ち各素子群の空
間的長さをｄmmとすると、光像中の１／ｄ本／mm
の空間周波数成分である。

このように、素子アレイ２の光電素子を複数の
素子群に分け、各群相互については、各群で同一
位置に属する各素子出力例えば、f¹ ₁，f² ₁，f³ ₁には
同一位相のベクトル量例えば、e²〓^×(1/4)iが、かつ
各群内についてはその群内の各素子の出力にはそ
の素子の配列順に、位相が順次増加するベクトル
量が掛けられるように、アレイ２の全素子出力
に、所定のベクトル量を乗ずることにより、アレ
イ上に結像した光像中から、特定のフーリエ成
分、即ち、素子群の長さｄの逆数の空間波数成分
を加算器１０の出力Ｉとして抽出できる。

次に素子アレイ上の光像が第１図で左方に光電
素子１個分だけ変位した場合の加算器１０の出力
の変化を考察する。左に１素子分だけ光像が変位
したので、f^m _oの大きさの光電素子出力には、変位
前より１／Ｎだけ位相のずれたベクトル量 e²〓×_o-1 〓ｉが乗ぜられこのときの加算器１０の出
力I′は以下のようになる。

ここで、右辺の第２項の−f¹ ₁e²〓^×(O/N)iは、光像
の変位前にアレイの左端の素子P₁に入射してい
た光¹ ₁が、その変位後、アレイ外に位置するの
で、この分を考慮したものであり、また第３項は
変位によりアレイの右端の光電素子P₁₂に新たに
入射した光^M+1 ₁によるP₁₂の出力f^M+1 ₁を考慮した
ものである。式を整理すると、 I′＝e^-2〓^×(1/N)i｛_N 〓ⁿ⁼¹ （_M 〓^m=1 f^m _oe²〓^×(n/N)i）＋（f^M+1 ₁−f¹ ₁）e²〓^×(1/N)i｝ ……′ となる。この式において｛｝内の第２項は、像
の変位によつてアレイ内に入つて来た像の部分と
そこから出ていつた像の部分による影響を示すも
ので、この項が第１項に比べて十分小さく無視し
得るならば、この第１項は変位前の出力Ｉそのも
のなので変位前と後の加算器１０の出力ＩとI′と
の相違はe²〓^×(1/N)iが出力I′に付加されている点の
みである。このことは、像が丁度１素子の幅だけ
横ずれした場合、加算器１０の出力の位相が横ず
れの方向に応じて2π／Ｎだけ増加又は減少する
ことを示している。例では、丁度１素子分の光像
の変位を考擦したが変位がこれより小さい場合
も、大きい場合もその変位の量にほぼ比例して出
力の位相がその像の変位の方向に応じて増減す
る。

ところが上述の如く、空間周期ｄmmの空間周波
数成分を抽出する為に、その１周期の長さｄを有
限個の光電素子で分割しているのでこの基本の空
間周期ｄの空間周波数成分の外に、それより高次
の空間周波数成分を同時に抽出してしまう。例え
ば、上述の如く、１周期ｄを４つの光電素子で分
割した場合には、第２図に示す如く、像中の空間
周期ｄの空間周波数成分Ｋ＝2π／ｄはその90％が、空間周期d/3の空間周波数成分3Kはその30％が抽
出され、その空間周波数5Kや7K等の如く更に高
い奇数次の空間周波数成分についてもわずかに抽
出される。このように３次の空間周波数成分3K
は基本空間周波数成分Ｋの抽出効率の３割にも達
する程、多く抽出されるが、３次空間周波数成分
については、像の変位の方向と出力ベクトルＩの
位相の進む方向の関係が基本空間周波数成分Ｋの
場合と逆になつている。従つて基本成分の位相関
係を前提に像のずれの方向を判定するとすれば、
基本空間周波数成分Ｋが少なく３次の成分を多く
含む像に対してはその変位の方向を誤まつて判断
することになる。

従つてこの望ましくない高次の成分の影響を小
さくする必要がある。

この為には１周期ｄの分割数を増せばよい。例
えば８分割とすれば基本成分Ｋ＝2π／ｄの次の高次モードは７次（7K）であり、基本成分の抽出効
率がこの場合97.5％であるのに対して、７次成分
の抽出効率は14％程度なので高次の影響は小さく
なる。

しかし分割数を増す事は処理系を複雑とする。

第３図は、本発明の一実施例を示した図であ
る。Ｐは、光電素子アレイ２を構成する光電素子
である。この素子の配列方向の素子幅、即ち素子
のピツチＳは各素子について等しい。ｄは、抽出
すべき空間周波数成分の１周期の長さ、従つて１
周期を４つの光電素子で分割しているのでｄ＝
4Sとなる。光電素子Ｐはその素子の配列方向に
対して傾いており一方の隣接素子に入り込んでい
る。即ち、光電素子Ｐはその隣接光電素子の境界
線が素子の配列方向に垂直な線と平行でなく、垂
直線に対して傾いている。この傾きの程度は次の
式で表現されるものである。

ｌ＝ｄ／Ｎ−１ …… ｌ：配列方向への境界線の投影長Ｎ：１周期ｄを分割する光電素子数でありこの例
ではＮ＝４このように傾けられた光電素子形状が、３次の
空間周波数成分の影響を減少することを例示的に
以下に示す。

第４図ａは、従来の素子形状を示す図であり、
隣接素子の境界線が素子Ｐの配列方向に対する垂
直線と平行である。空間周波数Ｋ＝2π／ｄの光像、即ち空間周期ｄの光像が、図のように光電素子ア
レイ２に投影されている場合を考える。像の明る
い領域を斜線で示し、暗い領域には斜線を施こさ
ない。即ちP₁P₂には光が達し、P₃P₄には光が達
しないとした。P₁〜P₄の光電出力を第１図のベ
クトル化手段８によつて、夫々π／２ずつずれた位相を有するベクトル量i₁〜i₄に変換する。ただし、
P₃P₄の光電出力は零であるから、｜i₃｜＝｜i₄｜
＝０である。この空間周波数Ｋ＝2π／ｄの光像からのベクトル量i₁〜i₄の合成ベクトルＩは第４図ｂ
に示す如くなる。

第５図ａは、空間周波数3Kの光像、即ち空間
周期d/3の光線が、この従来素子に投影された場
合を示す図である。この時図より判るように、｜
i₃｜＝｜i₄｜＝１／２｜i₁｜＝１／２｜i₂｜である。

第５図ｂは空間周波数3Kの光像からのベクト
ル量i₁〜i₄の合成ベクトルＩを示しているが、合
成ベクトルは零となつていない。

第６図ａは、本発明に従つて傾けられた光電素
子アレイに空間周波数Ｋの光像が投影された場合
を示す図である。そして第６図ｂは合成ベクトル
Ｉを示す。傾きの程度は前式より、ｌ＝ｄ／Ｎ
−１＝ｄ／３としている。

第７図ａは、空間周波数3Kの光像の場合を示
す図であつて、ベクトル量は図から判るように、
｜i₁｜＝｜i₂｜＝｜i₃｜＝｜i₄｜であり、従つてそ
の合成ベクトルＩ＝０となる。この場合、空間周
波数3Kの光像の周期はｄ／３であり、これは傾
きｌに等しい事に注意されたい。

以上の例示から本実施例のパターンの光電素子
アレイに空間周波数Ｋの光像が投影されたとき
は、合成ベクトルＩが生じるが、3Kの光像が投
影されたときは合成ベクトルＩは零になつてしま
うことが示される。従つて、3Kの空間周波数成
分が、光学像の変位検出に悪影響を及ぼすことは
ない。

尚、3Kについての合成ベクトルの大きさを零
とする為に、光電素子の傾きを式を満たすよう
に定めているが、3Kについての合成ベクトルの
大きさは必ずしも零にしなくても光像の変位検出
に悪影響を与えない程度に小さくできればよい。
この為には素子の傾きの程度はｄ／３ｌｄ／２であればよい。

尚、上記不等式の内容を、ｄの代りに光電素子
ピツチＳ＝ｄ／４を用いて換言すると以下の様になる。即ち隣接光電素子間の境界線の投影長ｌは約
４／３Ｓより大きくかつ約2Sよりも小さく定めるこ
とが必要である。

また、このように素子を傾けることにより第３
図に示した如く、配列方向に垂直な方向に延びた
光像ａは必ず複数の光電素子にまたがるので、そ
の光像ａがたとえ素子巾Ｓより小さい距離を変位
しても（光像a′）それを検出できる。

第８図は、本発明に従い別のパターン例を示す
図であるが、内容的には第３図で示したパターン
例と同じである。

以上の例では、光像はその照度分布が素子の配
列方向にのみ変化を有し、それに垂直方向にはほ
ぼ一様であるようなものであつた。

とこはがその垂直方向にも照度分布が著ししく
変化する様な光像の場合には、その垂直方向には
変化ない様な光像に変換することが望ましい。以
下にその例を示す。

第９図において、Ｌは結像レンズ、そして２０
は円柱レンズであつて、素子アレイ２の配列方向
にはパワーを有せず、それを垂直方向に負のパワ
ーを有するものである。素子アレイ２はＬの固定
焦点面に配置しておくと、素子の配列方向には像
はピントが合い、それと垂直方向には像がぼけて
いることになる。よつてその垂直方向にはほぼ一
様な照度分布の像が得られる。尚、この円柱レン
ズのパワーは、点像をこの垂直方向の素子の長さ
の1/2〜１倍の広がりをもつた線像にする程度が
適当である。もちろん円柱レンズの働きは配列方
向に垂直な方向にのみ光像をぼかすことであるか
らこの円柱レンズは正のレンズでもよく、更に結
像レンズＬを円柱レンズとしてもよい。

素子アレイ２の配列方向への光像の変位によつ
て素子アレイ２の一端に新たに入り込む光の強度
と素子アレイ２の他端から出て行く光の強度とが
著しく相違する場合には、上述の光像の変位検出
の精度が悪くなる。

これを防止する１つの方法としては素子アレイ
２の両端付近の素子形状を各端に向つて各素子の
受光面積即ち、配列方向と垂直な方向の素子の長
さが小さくなるようにすればよい。これは第１０
図に示す。第１１図、第１２図は、光電素子アレ
イの両端をテーパ状にした変形例である。

尚、この第１０図〜第１２図のように両端付近
の素子の受光面積を小さくした場合には同一位相
のベクトル量に変換される３つの素子の受光面、
即ち第１図の加算器６ａ〜６ｄで加算される３つ
の素子の受光面の合計が等しくなるように定める
ことが好ましい。これは、アレイが一様に照明さ
れたとき各加算器６ａ〜６ｄの出力を等しくする
為である。

以上の説明から明らかなように、本発明による
と、光電素子は、各隣接光電素子間の境界線が上
記光電素子の配列方向に垂直な垂直線に対して傾
くように配列されており、上記境界線の傾き量
は、上記光電素子の上記境界線の上記配列方向へ
の投影長が上記光電素子の配列ピツチをＳとした
とき約4/3Ｓより大きくかつ約2Sよりも小さくな
るように定められているので、有害な高次空間周
波数成分を抑制できかつ光電素子配列ピツチより
小さい量の光像の変位をも検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の変位検出装置を示す図、第２図
は第１図の装置における抽出出力を示す図、第３
図は本発明の一実施例を示した図、第４図は従来
の光電素子の配列において空間周波数Ｋ＝2π／ｄの光像のベクトル出力を例示する図、第５図は従来
の光電素子の配列において空間周波数3Kの光像
のベクトル出力を例示する図、第６図は第３図の
実施例において空間周波数Ｋ＝2π／ｄの光像のベクトル出力を例示する図、第７図は第３図の実施例
において空間周波数3Kの光像のベクトル出力を
例示する図、第８図は本発明の他の実施例を示す
図、第９図は光電素子の配列方向に垂直な方向の
光像の照度分布を一様化する手段を示す図、そし
て第１０図、第１１図及び第１２図は本発明の実
施例において光電素子アレイの両端をテーパ状に
した場合を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕、光電素子アレイ…
…２、光電素子……P₁〜P₁₂、ベクトル化回路…
…８、加算回路……１０。

Claims

【特許請求の範囲】１所定方向に配列された複数個の光電素子から
構成された光電素子アレイと、この光電素子アレイ上に投影された光学像の変
位を検出する検出手段と、を具備し、上記光電素子は、各隣接光電素子間の境界線が
上記光電素子の配列方向に垂直な垂直線に対して
傾くように配列されており、上記境界線の傾き量
は、上記境界線の上記配列方向への投影長が上記
光電素子の配列ピツチをＳとしたとき約（4/3）
Ｓより大きくかつ約2Sよりも小さくなるように
定められていることを特徴とする光学像の変位検
出装置。