JPH10161008A - 自動焦点調節モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価でかつ改良された自動焦点調節モジュー
ルを提供する。 【解決手段】 本発明の自動焦点調節モジュール１００
は、水平方向に発散され、垂直方向にコリメートされる
光ビームの発生手段と、検出器面との距離よりも長い焦
点距離と短い焦点距離とをもつ少なくとも一対の受光レ
ンズ４０、４２と、前記一対の受光レンズの各々に関連
した検出器面に位置する少なくとも一対の光検出器４
４、４６を含み、該光検出器は被写体から受けた反射光
の強度を示す信号を出力するものであり、さらに該モジ
ュールは前記少なくとも一対の光検出器４４、４６から
出力された信号の差を測定する手段を含み、該信号の差
は検出器面と被写体との距離と相関をもつものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動焦点調節あるい
は距離測定装置に関し、特に被写体距離と相関をもつ信
号を供給する電気光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】カメラ設計者は、価格を低下させつつカ
メラ機能を追加、改善するための努力を行っている。カ
メラ操作をより簡単にする機能については、自動焦点調
節機能が多大な注目を浴びている。自動焦点調節技術の
進歩はレンジすなわち距離測定技術などのカメラ以外の
用途にも適用できるものである。本発明に関係する手法
のひとつに、常時カメラ視野の中心を指向するレーザビ
ームを用いるものがある。レーザビームの光路中の被写
体が光を反射し、反射された光は別々なふたつの光路か
らカメラで受光される。一方の光路における焦点距離は
他方と異なり、レンズがフィルム面上に被写体の焦点を
合わせると、同じ被写体像がこの別々の光路から各光検
出器上に形成される。もっとも一般的な構成では、各光
路における光検出器が発する信号の大きさは、レンズが
焦点位置に存在する時に等しくなる。レンズが焦点位置
の前後に位置している時は、光検出器の信号に差があ
る。この差は近傍チャンネル光検出器と遠方チャンネル
光検出器上の照射スポット径の差を表し、同スポット径
の差は焦点ぼけの量と向きを示す。

【０００３】この他に広く使用されている自動焦点調節
機構として、受動式または能動式いずれかの三角測量機
構がある。受動式三角測量機構は光検出器アレーが付随
したふたつのレンズからなり、同アレー上にカメラ視野
の像が形成される。各光検出器アレーの水平方向に沿っ
た光強度分布の同アレーの中心に対する位置を比較する
ことによって、前記各レンズに付随した光検出器アレー
の中心からの両像の角度変位がわかる。受光レンズの焦
点距離は既知であるため、被写体距離はこの光検出器ア
レー上の光の角度変位と受光レンズの焦点距離から求ま
る。能動式の機構はさらにひとつ以上のＬＥＤ等の光源
を内蔵しており、同光源によって被写体上にひとつ以上
の光スポットが投射される。返ってきた光スポットの角
度位置の解析と受光レンズの焦点距離から被写体との距
離が求まる。角度位置の解析は、ＣＣＤまたは光検出器
アレーもしくはＰＳＤ（位置検出ダイオード）を用いて
行われる。

【０００４】著しく低価格の方式として、ＬＥＤから放
たれる非集光ビームを被写体に投射し、返ってきた光の
強度を測定する方式がある。被写体との距離は、全被写
体が１８％の平均反射率をもつとの仮定に基づいて推算
される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
においては、被写体距離の測定精度が不十分であり、あ
るいは、部品数の増加により装置価格が高くなるという
問題があった。

【０００６】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、安価でかつ改良された自動焦点
調節モジュールを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の一形態において
提供される自動焦点調節モジュールの要旨は、水平方向
に発散され、垂直方向にコリメートされる光ビームの発
生手段と、検出器面との距離よりも長い焦点距離と短い
焦点距離とをもつ少なくとも一対の受光レンズと、前記
一対の受光レンズの各々に関連する検出器面に位置した
少なくとも一対の光検出器を含み、該光検出器は被写体
から受けた反射光の強度を示す信号を出力するものであ
り、さらに該モジュールは、前記少なくとも一対の光検
出器から出力された信号の差を測定する手段を含み、該
信号の差は検出器面と被写体との距離と相関をもつもの
である。

【０００８】上記およびその他の本発明の形態、目的、
特徴および効果は、以下に示す実施形態の詳細な説明と
添付の特許請求の範囲の検討、および添付図を参照する
ことによってより明確に理解される。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１に自動焦点調節モジュール１
００を、図２に同自動焦点調節モジュールの配置を模式
的に示す。レーザダイオード１０などの光源から放たれ
た光ビーム３０は、垂直方向よりも水平方向に長い焦点
距離をもつトロイダルコリメータ（屈折並びに回折性）
レンズ２０によって水平扇形放射形状にされる。扇形放
射３０は被写体５０で反射され、反射した光はふたつの
受光レンズ４０、４２の作用により矩形光検出器４４、
４６上に像を形成する。特徴的には、各光検出器は右
方、中央および左方に対応する三部からなり、この構成
によってユーザは装置視野の右側、中央あるいは左側に
存在する被写体に焦点を合わすことができる。

【００１０】自動焦点調節モジュール１００の動作は、
二つのレンズ４０、４２から距離を置いた被写体５０か
らの焦点ぼけした光のスポット径の差を考察することで
理解できる。レンズ４０、４２は、各々近傍チャンネル
光検出器４４よりも短い焦点距離と遠方チャンネル光検
出器４６よりも長い焦点距離をもつ。近傍チャンネル受
光レンズ４０と遠方チャンネル受光レンズ４２の焦点距
離は、上記光検出器上の焦点ぼけしたスポット径が所定
の交差部に位置した被写体に対して等しくなるように選
択される。カメラ用途においては、この交差位置は約１
５２０ｍｍ（５ｆｔ）である。被写体がカメラから離れ
るにしたがって、近傍チャンネル受光レンズ４０と遠方
チャンネル受光レンズ４２によって形成される像は各レ
ンズの焦点に向かって動く。近傍チャンネル受光レンズ
４０の焦点は当初から光検出器４４の検出器面の前方に
存在するため、上記像の移動により検出器面上の焦点ぼ
けしたスポット径は大きくなる。一方、遠方チャンネル
受光レンズによる像は光検出器４６の検出器面に接近
し、より小さいスポット径が検出器面上に形成される。
（光検出器の感光部の大きさで決定される）検出器の開
口は一定でありかつ上記焦点ぼけしたスポット径よりも
小さい。このため各スポット径間の差は各光検出器が発
生する光電流の差に変換され、さらにこの電流差が被写
体距離に比例した電圧差に変換される。あるいは、各受
光レンズが等しい焦点距離をもち、各光検出器が異なる
検出器面上に位置してもよい。

【００１１】独立多点式自動焦点調節モジュールの特性
は近軸光線トレース方程式を用いることで正確にモデル
化できる。得られた方程式から遠方チャンネルと近傍チ
ャンネルのスポット径に対するフォトダイオード領域の
打ち切り比が求まる。同方程式を以下に示す。

【００１２】

【数１】 式中、Ｙｐｆ、Ｙｐｎは光検出器面上の周縁光線の高
さ、Ｂｆ、Ｂｎは焦点ぼけしたスポット径に対するフォ
トダイオード領域の比、ｒｄはフォトダイオード開口の
半径、ｔは受光レンズと検出器面との距離、ｒ１は受光
レンズの半径、ｚは被写体距離、φｎ、φｆは近傍受光
レンズと遠方受光レンズの倍率、である。

【００１３】また、以下の式で示される打ち切り比の差
から被写体距離に比例した出力信号が得られる。

【００１４】

【数２】 この計算において、焦点ぼけしたスポット内の光強度分
布はほとんど均一とし、焦点ぼけしたスポットの広がり
は周縁光線（レンズ開口端での光線）で区切られるとす
る。本発明においては、反射光の広がりは被写体５０の
幅に依存して変化する事を考慮する必要がある。水平ビ
ームの打ち切りは大半が水平方向ではなく垂直方向で生
じる。このため本発明における動作モードは、Ｍａｒｋ
Ｍ．Ｍｅｙｅｒｓ出願の米国特許第５，５６９，９０
４号、名称「画像記憶装置と併用可能な多点式自動焦点
調節システム」に開示の独立三点式自動焦点調節モジュ
ールに類似している。

【００１５】水平扇形放射を用いることにより、視野の
中心付近の全被写体から距離信号が得られる。第一の実
施形態では、得られた距離信号を用いて受像レンズが焦
点位置に向けて動かされる。別の実施形態では、この距
離信号を用いて指示計を動作させ、距離測定装置等に必
要な目視による距離の読み取りが行われる。

【００１６】図３の曲線Ｂｆは被写体距離が１０００ｍ
ｍから約７０００ｍｍまで変化するときの遠方チャンネ
ル上での出力信号強度を表す。同様に曲線Ｂｎは、被写
体距離が同様の範囲で変化するときの近傍チャンネル上
での被写体信号強度を表す。両チャンネル間の差を被写
体距離に比例した出力信号として図４に示す。

【００１７】図５を参照する。レーザダイオード１０か
らトロイダルコリメータレンズ２０に入射される楕円ビ
ームが放出される。レンズ２０の後面２２は回折性の曲
面をもつ球状面であり、同曲面によって使用波長帯域で
のトロイダルコリメータレンズ２０の色収差が解消され
る。レンズ２０の前面２４はトロイド面であり、このト
ロイド面によってビーム３０は垂直方向にコリメートさ
れ、水平方向に±約５度の範囲で発散される。前面２４
の垂直方向の曲率半径は水平方向の曲率半径より小さ
い。さらに、表面２４の水平方向と垂直方向のいずれか
または両方の曲面を非球面状にしてもよい。フォーミン
グレンズ２０の特性データを表１に示す。

【００１８】

【表１】 図６と図７にレンズ２０の垂直方向と水平方向での光線
収差曲線を示す。図に見られるように、収差は概ね１／
２波の光路差より小さい。また、レンズは中心波長（７
８０ｎｍ）の周囲±１０ｎｍの波長帯で正常に動作する
ことがわかる。

【００１９】図８に近傍チャンネル受光レンズ４０にお
ける回折波形がもっとも強く表れた位置を示す。回折波
形の中心は開口中心（軸ＡとＢの交点）には生じないこ
とがわかる。この性質により受光レンズ４０への入射光
は波長に関連して度分散する。さらにこれによって、レ
ーザ照射光は光検出器の中心に入射し、被写体から来る
可視光と遠赤外光は光検出器開口外に偏向する（図１０
参照）。この受光レンズ４０の焦点距離は１４．７ｍｍ
でありｆ数は１．８である。レンズ４０の特性データを
表２に示す。

【００２０】

【表２】 図９に、同様に偏芯した遠方チャンネル受光レンズ４２
における回折波形のもっとも強い位置を示す。レンズ４
２の焦点距離は１８．１ｍｍでｆ数は２．１である。レ
ンズ４２の特性データを表３に示す。

【００２１】

【表３】 図１０は近傍チャンネル受光レンズ４０の側面図であ
り、光検出器４４の開口内（７８０ｎｍ）の赤外レーザ
光の回折を示す。可視光すなわち波長４００ｎｍから７
００ｎｍの波長の光は光検出器上方の検出器面に入射す
る。一方遠赤外光は光検出器の下方で回折を起こす。こ
の形態では、偏芯した回折部品は分光フィルタとして機
能し、光検出器開口から放たれるレーザダイオードの光
以外の被写体からの光を分散させる。

【００２２】図１１に自動焦点調節モジュール１００に
使用される電気回路のブロック図を示す。レーザ電流ド
ライバ５４は周波数５キロヘルツ（５ｋＨｚ）でレーザ
ダイオード１０に電力を供給しかつ同ダイオードの変調
を行なう。光検出器４４、４６の出力信号は各々増幅器
５６、５８で増幅され、比較のために別々のチャンネル
で処理される。第一のチャンネルを用いて説明を行な
う。増幅された光検出器４４の信号はゲート６０を通し
て相関二重サンプリング回路６２に送られ、積分器６４
に転送される。ゲート動作はレーザ電流ドライバ５４か
らの同期信号により制御される。積分器６２の積分時間
はレーザダイオード１０の点灯時間に一致する。レーザ
ダイオードの消灯時には、光検出器４４からの信号は反
転されて負論理で積分される。これによって、光検出器
の暗電流、周囲のＤＣ光、フリッカおよび１／ｆノイズ
の抽出が行える。本実施形態には各信号チャンネルでの
相関二重サンプリングによる効果も含まれる。レーザダ
イオード１０の点灯時のみ増幅された光検出器信号を積
分することによって、ノイズが減少しかつ信号／ノイズ
比が高まる。

【００２３】増幅された信号の積分は、パルスレーザが
繰り返し動作していずれかのチャンネルにおける積分値
がある規定値に達するまで行われる。同規定値は処理に
最適なレベルとしてコンパレータ６８で規定されるもの
であり、例えば３Ｖである。同時に、第二のチャンネル
４６、５８、６１、６３および６５からの積分信号が差
分段７０によってサンプリングおよび差分される。

【００２４】カメラの対物レンズに必要な焦点調整の方
向と程度を表す出力信号はレーザの絶対照射量および被
写体の反射率に依存しない。この出力信号はアナログで
もデジタルでもよい。出力信号がデジタル信号であれ
ば、マイクロプロセッサを用いたシステムへの応用が容
易に行える。この場合マイクロプロセッサの指示により
モータがカメラの対物レンズを集光位置に動かす。

【００２５】好適な一実施形態を参照して発明の説明を
行った。但し、本発明の範囲内で従来技術により変形お
よび修正が可能なことは明らかである。

【００２６】

【発明の効果】本発明の効果は以下の通りである。

【００２７】本発明により装置光軸の±５度以内のあら
ゆる位置で被写体距離の測定を行なうことができる。

【００２８】また、位置合わせが簡単で部品数が少ない
ために装置価格が安い。

【００２９】また、測定原理が反射光の差分読み取りに
基づいており、このため被写体の反射率には影響されな
い。

【００３０】また、本自動焦点調節モジュールは光源を
内蔵しているため周囲光が暗い環境でも使用可能であ
る。

【００３１】また、本自動焦点調節モジュールはアナモ
ルフィックレンズを用いて光景上に赤外光の一線を生成
できる。

【００３２】さらに、本自動焦点調節モジュールの一形
態において、線形フォトダイオードを三つのセグメント
に分割することによりユーザは左、中央および右の各焦
点区域を選択することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 自動焦点調節モジュールの一例を示す透視図
である。

【図２】 図１の自動焦点調節モジュールの配置を示す
模式図である。

【図３】 近傍チャンネルと遠方チャンネルの光電流の
相関打ち切りを被写体距離の関数として示す曲線の図で
ある。

【図４】 近傍チャンネルと遠方チャンネル間の電圧差
を被写体距離の関数として示す曲線の図である。

【図５】 レーザダイオードビームを照射されたトロイ
ダルコリメートレンズを示す図である。

【図６】 図５のトロイダルレーザダイオードコリメー
タの垂直方向における光線収差を示す曲線の図である。

【図７】 図５のトロイダルレーザダイオードコリメー
タの水平方向における光線収差を示す曲線の図である。

【図８】 近傍チャンネル受光レンズにおける回折波形
がもっとも強く表れる位置を示す図である。

【図９】 遠方チャンネル受光レンズにおける回折波形
がもっとも強く表れる位置を示す図である。

【図１０】 回折性受光レンズの側面での可視光と赤外
光の分散を示す図である。

【図１１】 図１の自動焦点調節モジュールに使用され
る電気回路を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０ レーザダイオード、２０ トロイダルコリメータ
レンズ、２２ トロイダルコリメータレンズの後面、２
４ トロイダルコリメータレンズの前面、３０ビーム、
４０ 近傍チャンネル受光レンズ、４２ 遠方チャンネ
ル受光レンズ、４４ 近傍チャンネル光検出器、４６
遠方チャンネル光検出器、５０ 被写体、５４ レーザ
電流ドライバ、５６〜５８ 増幅器、６０〜６１ ゲー
ト、６２〜６３ 相関二重サンプリング回路、６４〜６
５ 積分器、６８ コンパレータ、７０ 差分段、１０
０ 自動焦点調節モジュール。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自動焦点調節モジュールが、 水平方向に発散され、垂直方向にコリメートされる光ビ
   ームの発生手段と、 検出器面との距離よりも長い焦点距離と短い焦点距離と
   をもつ少なくとも一対の受光レンズと、 前記一対の受光レンズの各々に関連する検出器面に位置
   し、被写体から受けた反射光の強度を示す信号を出力す
   る少なくとも一対の光検出器と、 前記少なくとも一対の光検出器から出力された信号の差
   を測定する手段と、を含み、 該信号の差は検出器面と被写体との距離と相関をもつも
   のであることを特徴とする自動焦点調節モジュール。
2. 【請求項２】 自動焦点調節モジュールが、 水平方向に発散され、垂直方向にコリメートされる光ビ
   ームの発生手段と、 等しい焦点距離をもつ少なくとも一対の受光レンズと、 対応する各受光レンズに対してその焦点位置よりも近い
   位置と遠い位置とに存在し、前記発生ビームの被写体で
   の反射強度を示す信号を供給する少なくとも一対の光検
   出器と、 前記少なくとも一対の光検出器から出力された信号の差
   を測定する手段と、を含み、 該信号の差は自動焦点調節モジュールと被写体との距離
   と相関をもつものであることを特徴とする自動焦点調節
   モジュール。