JPS5988709A - 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】 カメラ等の撮像用光学機器（こおいて、撮像光学系の瞳
を分割し、それぞれの分割領域をａ過した光束による廉
の、デフォーカスに序なう萌ずれを検出して焦点ｍｔ出
を行なう装置に関するものである。

このような焦点１９１出装置の一例として、木■人は特
願昭５　６　−　１　５　７　２　１．　８号において
、微小な臨界角プリズムアレイを用いて撮像光学系の瞳
を分割するものを提案している。このような焦点イリ１
出装置の原理を第１図を用いて簡単に説明する。

第１図において予定焦平面と共役な面の近傍に配置され
た微小ブリズムアレイ１を構成する光学材料の屈折率を
ｎｌ　−　１．５６とし、プリズムの斜面２ａ，２ｂと
その下方に配置した受光素子Ａｎ（ｎ−１〜Ｎ）、Ｂｎ
（ｎ−ｚ−Ｎ）との成す角をθ−４・０°に設定すると
、プリズムの、Ｍ折ｎＳ　ｎ，、　−１の空気と接する
斜面２は撮１象光学系（図示せず）をａつて受光素子Ａ
ｎに入射する光束の主光線０より右側の光束は全反射さ
れて受光素子に達しないが、左側の光束は斜面２ａを透
過して受光素子Ａｎに入射する。逆に、受光素子Ｂｎに
は斜面２ｂＧこ入射するツＣ束の内、主光線より右側の
光束のみが入射する。したがって、受光素子アレイの内
、受光素子部のみの光電変換出力全観測すると、これは
撮１象光学系の瞳の左半分を通過した光束による像を検
出することになり、受光素子Ｂｎのみの出力を観測する
ことは瞳の右半分を油過した光束による像を検出するこ
とになる。このように分割されたこれら二つの像の横ず
れを検出することにより焦点の検出を行なうことができ
る。すなわち頷ずれの方向によってデフォーカスの方向
を知ることかでき、仙ずれの大きざによってデフォーカ
スの程度を知ることができる。

このような微小プリズムアレイを用いるものも含めて佃
ずれを構出して焦点の検出を行なう方式に共通の欠点と
して、高い空間周波数成分を持つ破゛厚体の場合、以下
説明するように誤まった焦点検出をし易いと云う問題が
ある。

今、被写体ｆ象か予定合焦位置から僅かにずれた位ｌｉ
ｔに結慮されているときの受光素子列Ａｎの出力が第２
図Ａの実線曲線Ａで示すようなものであるとすると、能
方の受光素子列Ｂｎの出力は点線曲線Ｂで示すように曲
ＳＡから僅かに位相のずれたものとなる。

今、受光素子Ａｎ，Ｂｎの出力をＡｎ＋　ＢＨとすると
き、例えば、Ｓ一Σ　（−　１人ｎーＢｎー１−ｌ　ｌ
　　Ｉ　Ａｎ＋１。

ｎ−ｔ Ｂｎｌ，）のような評価関数を用いた場合の評価値は、
第２図Ｂのように変化し、Ｐｏのような飴となる。

これに対し、さらにデフォーカスが大きくなった場合、
受光素子列Ｂｎの出力は第２図Ａの一点鎖線曲線Ｂ／の
ようになり曲線Ａと逆位相の状態になってしまう。この
状態で前記評価関数による評価値を計算すると第２図Ｂ
のＢｔ点のようにほとんどゼロとなり、さらにデフォー
カスして位相ずれが大きくなると評価値の反転を生じて
しまい誤信号となる。

不発明の目的は、上述した従来技術の欠点を除去し、高
い周ｅ数成分を持つ被写体に対しても広いデフォーカス
範囲に亘って正確な焦点検出を行なうことができる焦点
検出装置を提供しようとするものである。

本発明は、撮像光学系の瞳を分割し、それぞれの分割領
域を通過した光束をこよる像の、デフォーカスに作なう
横ずれを検出して焦点検出を行なう装面において、微小
な臨界角プリズムアレイと、この臨界角プリズムアレイ
の各斜面を通過した光束か到達する各受光面に、複数個
の分割された受光領域を有する光電変換集子アレイと、
前記複数個の受光領域の内の一個若しくは複数個の領域
を選択し、これら選択された受光領域からの光電変換出
力の和を算出する手段とを具えることを特徴とするもの
である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

高い空間周波数成分を有する被写体で生じる誤信号を防
止する簡単な方法として第３１″４Ａに示すように微小
１裏界角プリズムアレイ］０の各プリズムの斜面１０ａ
、１０ｂと受光素子Ａｎ、Ｂｎのなす角度θを小さくす
るということか考えられる。

第１Ｉ図の従来例では撮像ツＣ学系の主光線０がプリズ
ム斜面と臨界角をなし、第３図Ａにおいて角度α、内の
光束を受光素子Ａｎに入射させるようにしていた０これ
に対し、第３図Ａでは主光瑯Ｏよりも右側の光束がプリ
ズム斜面］、　Ｏａと臨界角をなし、角度α２内の光束
が受光素子Ａｎに入射するようにされている。

第１図および第３図に示すように２つの異った角θを持
つプリズムアレイｌおよび１０によって、受光素子列Ａ
ｎ又はＢｎか検出する瞳の様子を等価的に表わしたもの
が第３図Ｂである。プリズムの屈折率がｎ□−１，５６
で角θ−４０°のときは、］最１象レンズ１１の上半分
の光束（角ｔＷα１内）のみが（７１ 通過するのと等価である。この場合透過光束の重心光束
は角度α、の中心ａよてありデフォーカス位＋ｉ’？　
Ｄに於ける家の横ずれ緻はｄｏと考えて良い。

一方、斜面と受光素子との成す角θが４００よりも小さ
い場合、レンズ１１の中心よりも下側の光束も透過する
ことと等しく、重心光束は角度α２の中心ａ２となり、
デフォーカス位ｆＲＤに於ける酸の（億ずれ川はｄ２と
考えられる。第３図Ｂかられかるように、レンズ１１の
中心よりも下側の光束をより多く透過させるほど同一デ
フォーカス位置に於ける像の横ずれ炭は減少する。

次にプリズムの斜面と受光素子との成す角度θの違いか
、評価値にどのように表われるかを示したのが第４図で
ある。図中Ｓ□が角θの大きな場合の評価値である。受
光素子列ＡｎとＢｎの出力の位相ずれが１８０°になる
デフォーカス位置がＤｏである。これに対し、角θが小
さい場合の評価値はＳ２のようになり、位相ずれが１８
０°になるデフォーカス位ＩＷはＤｌよりもデフォーカ
スした位置Ｄ２になっている。従って角θが小さい場合
の（８） 方がより広いデフォーカス領域でｔ４４倍を生ずること
なくデフォーカスの方向検出ができる。さらに第４図で
はイ立ＩＮ（Ｄ２で評１曲１直がゼロになり、さらにデ
フォーカスすると反転しているように書いであるが、実
際の被写体では位１行Ｄ０で評価される空間周波数成分
よりデフォーカスされた位置Ｄ　では減衰していること
を考慮すると、Ｓ２の評価値カーブが誤信号を発生する
確率はより、減少するものと考えられる。

以上の説明により、プリズムの斜面と受光素子とのなす
角度θを小さくするという簡東な方法で高い空間周波数
成分を持った被′ダ体での検出誤りが軽減されることが
明らかになった。しかしこのような方法には以下に述べ
る重大な欠点がある。

第５図は、第８図Ｂに於ける本心光束ａ、、ａ２カ月最
１象レンズ１１の光＠Ｏとなす角度βと、撮像レンズ１
１が張る光束の光軸との角１ｉＴ（Ｔ−ｊａｎ”　−、
ただしＦはＦナンバ）の関係を計算Ｆ したものである。θ−４０°の場合、Ｔ−２０゜（Ｆ　
−１，４相当）でβ−１０°となり、Ｔ−７゜（Ｆ４相
当）でβ−４°となるのに対し、θ−３３°の場合Ｔ−
２０°でβ−６°となり、Ｔ−’１°でβ−０，４°と
なり角υを４０°から３３°に減少するとＴ−２０°で
はβが０．６倍なのに対し、Ｔ−７゜では０．１倍であ
り、Ｆナンバ〜の大きなレンズに対するβの減少が著る
しいことがわかる□−、Ｆナンバと焦点深度の関係から
考えて、横ずれ方式の焦点横用装置としては、異ったＦ
ナンバへの・撮像光学系に対し同一の錯乱円半径を４え
るデフォーカス位置で同一の横ずれｔｆｔが生じるよう
な関係がのぞましい。その条件はＦナンバが変化しても
Ｔ／βが一定であることである。θ−４０°の場合には
２０　／　１０γ７／４となり、この条件がほぼ満たさ
れていない。この条件を満たすためにはＴ−７°でβ−
２，１°でなければならない。第５図中点線がこの条件
を満すβを示している。

以上の説明で明らかなように高い周波数成分を持つ被写
体で生じる合焦誤信号を防止する目的で臨界角プリズム
の斜面角度θを小さくするだけでは、より大きなＦナン
バの交換レンズＯこ対して検出能力がはなはだしく劣化
してしまう。

本発明は上述した点を考慮し、高い周波数成分を持つ被
写体に対して広範囲のデフォーカスに対して正しい焦点
検出ができるように微小臨界角プリズムの斜面と受光素
子との成す角θを小さくしても、大きなＦナンバを有す
る＃像レンズに対しても高い焦点構出能力を有する焦点
検出装置を実現したものである。

このような本発明の一実施例を第６図に示す。

本発明は第３図Ｒに示すように臨界角プリズムＩＯの斜
面と受光素子の成す角度θを小さくしたことと、各受光
素子Ａｎを２つの受ｙｔ、饋域事に□、１トＡｎ、　２
　％に、また各受光素子ＢｎをＢｎ２、とＢｎ、２に分
割したところに特徴かある。第６図に於ける受光領域Ａ
ｎ１、またはＢｎ、１に入射する光束の重心光束が主光
線となす角βを、受光領域Ａｎ、１またはＢｎｌ、とプ
リズム形状１０ａまたは１０ｂが受光面と接する点から
の距離Ｘの関数として求めたのが第７図である。ただし
、プリズムアレイ１０の屈折率をｎ□−１゜５６、θ−
８３−斜面の水平方向長さをＬ−４・０μｍとする。

ｘ−０の各Ｔについて、βの値は第５図と同じであるの
に対し、例えば、ｘ−２ｏμｍの時、Ｔ−７°（ｌｉ’
４相当）ならば重心光束角βは２．１０となることがわ
かる。図中直線Ｑは前記最適条件Ｔ／β−一定を満たす
点を示したものである。つまり、Ｔ−２０°の時Ｘ−Ｏ
と「ると、Ｔ−１４°でＸ−１０１１ｍ、　Ｔ　−１０
°でＸ−１５μｍ、Ｔ−７°でｘ−２０μｍのようにＸ
を変化していけば各Ｆナンバの光学系に対して最適の横
ずれ射が得られることになる。しかし実際問題として、
前述したようにＸを連続的に変化させることは不可能で
はないが、復雑な装置を必要とするので、本発明では受
光素子の形状を第６図のように固定し、Ｆナンバの小さ
なレンズに対しては受光領域Ａｎ、□とＡｎ、２の出力
の和Ａ、１＋Ａ、２をもって受光素子Ａｎの出力Ａｎと
し、賄１、とＢｎ、２の出力の和Ｂｎ１、十Ｂｎ、２を
もって受光素子Ｂｎの出力Ｂｎとして評価値を計算し、
Ｆナンバの大きなレンズに対してはＡｎ、Ｉ　Ｂｎ、□
のみの１直でｎｉＦ価Ｃ直を計界することとする。−例
としてＸを１５μｍ程度に設定し、Ｆナンバが２−８　
（Ｔ　−１０°）以下ではＡｎ、、＋Ａｎ、ｇ　會Ｂｎ
、１　＋　ＢＨ，２ヲ計にし、２゜８以上ではＡｎ、１
１　Ｂｎ、□のみを出力として取り出すようにすれば、
第７図の数飴例からみて前記条件がおおむね満たされる
ことがわかる。選択すべきＸの値、交換レンズのＦナン
バ、さらにθの値については前記例に限るものではなく
、実際の使用条件を考慮して決定されるべきものである
。

次に本発明による焦点検出装置に用いられる受光素子の
構成と動作の一実施例を第８図によって説明する。受光
領域Ａｎ１、Ｉ　Ａｎ、２（ｎ−１−Ｎ　）を有する受
光素子と受光領域Ｂｎ、ｚ　ｍ　Ｂｎ、２　（ｎ”−１
・・・Ｎ）を有する受光素子が１つの組をなし、Ｎ個の
組か２１６図に示されるプリズム形状によって決められ
る幾何学的配置ａをもって配列されている。

各受光素子の第１の受光領域Ａｎ、１　ｔ　Ｂｎ、ｌは
それぞれトランスファーゲートＴＡｎ１０．ＴＢｎ、１
を介して第１０ＣＤ転送ラインＣＯＤ、に接続され、各
受光素子の第２の受光領域Ａｎ、２１　Ｂｎ、２はそれ
ぞれトランスファゲートＴＡｎ、２．ＴＢｎ１ｇを介し
て第２００Ｄ転送ラインＣ０Ｄ２に接続されている。ト
ランスファゲートＴＡ工、□〜ＴＡＮ、１１　ＴＢｌ、
１〜ＴＢＮ、１のゲートはすべて端子Ｔ０に接続され、
外部制御回路（図示せず）からの信号を受けて制御され
るようになされている。またトランスファゲートＴＡ　
　−ＴＡＮ、２．ＴＢ、２〜ＩＩＢＮ、のゲートは同様
１．２ に端子Ｔ２に接続されている。また転送ラインＣＯＤ工
および０ＯＤ２の出力端はＣＯＤ等で構成される加算器
ＡＤＤに接続され、加算器の出力は外部端子ＯＵＴに接
続されている。

外部制御回路は、公知の方法で受光素子での光電ｔｉ蓄
積を行ない所定の蓄積時間を経過した後前１記蓄積電荷
を転送ラインＣＯＤ　、　Ｇ　Ｇ　Ｄ、に移行させるも
のである。この時、使用レンズのＦナンバが小さい場合
には、信号端子Ｔ０とＴ２の双方に転送信号を送ること
により加算器ＡＤＤからのｎ番目の出力としてＡｎ　−
Ａｎ、１　＋Ａｎ、＄１またはＢｎ−Ｂｎｌ、＋Ｂｎ１
．かｆｕられる。また使用レンズのＦナンバが大きな場
合には、信号端子Ｔ２には信号を送らず、信号端子Ｔ□
σ）みに転送信号を送ることによりｎ番１」の出力とし
てＡｎ　”−Ａｎ、１またはＢｎ−Ｂｎ、□が得られる
。

以上の構成と動作ＱこよってＦナンバの大小により、ｎ
番目の出力としてＡ　　　、Ｂ　　　のみを取るｎ、ｌ
　　　　ｎ、１ かＡｎ、１　＋Ａｎ、２１　Ｂｎ、１　＋”ｎ、２を取
るかの切換えが可能となり、横ずれ量の制御ひ行なうこ
とができる。

受光素子のＩＶ８成としては前記実施例に限定されるも
のではなく、いくつかの変形が考えられる。

例、ｔば、第８図に示した実施例ではトランスファゲー
トＴＡｎ、０．ＴＢｎ２、またはＴＡｎ、、Ｉ　ＴＢｎ
、２を動作させるかさせないかで制御を行なうものであ
るが、観の制御方法も可能である。

第９図に示す実施例において、受光素子の受光領域Ａｎ
、□ＩＢｎ、□をトランスフアーゲー）　ＴＡ、、□。

ＴＢｎｌ、を介して第１転送ラインＣＯＤ□に接ゎ２　
Ｌ、受光領域Ａｎ、２１　Ｂｎ、２をトランスファーゲ
ートＴＡｎ、２．　ＴＢｎ、を経て第２転送ラインｃｃ
Ｄｇに接続し、これら転送ラインの出力側を加算器ＡＤ
Ｄに接続する点は同じであるが、本例では蔓光領域Ａｎ
、１　）　Ｂｎ、１での蓄積とＡｎ、２．Ｂｎ、２での
ｇｒ＆を独立に制御するために受光領域Ａｎ、、１　ｔ
　Ｂｎ、１の制御端子を第１の信号端子Ｇ□に接続し、
受光領域へ□、２１　Ｂｎ、２の制御端子を第２の信号
端子Ｇ２に接続する。一方、総ての受光領域のゲートは
信号端子Ｔ。に接続して転送制御を共通に行なうように
する。

第１０図に示す例では、総ての受光領域の制御端子を蓄
積制御用信号端子Ｇ。に共通に接続すると共に第１およ
び第２の転送ラインＣＯＤよおよびＣＯＤ、も転送制御
用信号端子Ｔ。に共通に接続し、光電荷の蓄積制御だけ
でなく転送ラインでの転送制御も共通に行なう。本例で
は受光領域の出力を選択するために、第２転送ライン０
（３Ｄ２と加算器ＡＤＤとの間に制御器ＳＷを設け、こ
れを制御用信号端子ＯＴに接続し、第２転送ラインＣＯ
Ｄ、に表われる受光領域出力Ａｎ、２．　Ｂｎ、２の通
過または遮断を制御するようにする。

本発明は上述した実施例だけに限定されるものではなく
、幾多の変更や変形が可能である。例えば受光領域出力
の選択制御は上述した例だけではなく、例えば処理時間
に余裕がある場合には総ての受光領域Ａｎ、１．　Ａｎ
、ｇ、　Ｂｎ、ｘ、　Ｂｎ、ｇの出力をＡ／Ｄ変換した
後、ソフトウェアにより加算、非加算を選択するように
してもよい。また、上述した例では各受光素子を２つの
受光領域に分割したが、この数は２つだけに限られるも
のではなく、８つ以上としてもよい。

また、加算、非加算の切換選択は使用する撮像レンズの
Ｆナンバに応じて行なうが、これはレンズ側にＦナンバ
の情報を持たせておき、レンズ交換によりこの情報をカ
メラ本体側に自動的に与えるようにするのが好適である
が、勿論手動で切換えるようにしてもよい。

以上実施例で示したように本発明は臨界角プリズムの斜
面角度を小さくすることにより、高周波成分を多く含む
被写体での検出誤り発生確率を小さくすることができ、
さらに受光部領域を分割し撮像光学系のＦナンノ５に応
じて各領域の出力の和を用いるか、単独の出力のみを用
いるかによって各Ｆナンバに好適な像の横ずれ量を発生
させることができ、したがって交換レンズの種類によら
ず高精度な焦点検出ができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本顧人が先に開発した微小臨界角プリズムアレ
イを用いる横ずれ方式の焦点検出装置の構成を示す図、 第２図ＡおよびＢは同じくその動作を説明するためのグ
ラフ、 第８図ＡおよびＢは本発明の焦点検出装置に用いる臨界
角プリズムと受光素子との構成並びにその動作を説明す
るための図、 第４図はデフォーカス量と評価値との関係を示すグラフ
、 第５図は入射光束最大角と重心光束角度との関係を示す
グラフ、 第６図は本発明の焦点検出装置の臨界角プリズムと受ｙ
Ｃ素子アレイとの配置の一例を示す図、第７図は同じく
その動作を説明するためのグラフ、 第８図は本発明の焦点検出装置の信号処理部分の一例の
構成を示すブロック図、 第９図および第１０図は同じく信号処理部分の他の二つ
の例の構成を示すブロック図である。 ＩＯ・・・臨界角プリズムアレイ、 ｉｏａ、　ｔａｂ　−、斜面、　　Ａｎ、１１　Ａｎ、
Ｊ　Ｂｎ、１．　Ｂｎ、２・・・受光領域、　　　　　
ＴＡｎ、ｉ、　ＴＢｎ、１．　ＴＡｎ、ｇ。 （１９’） ＴＢｎ　、　２・・・トランスファーゲート、００Ｄ１
．　Ｃ０Ｄ２・・・転送ライン、ＡＤＤ・・・加算器、
　　　　ＳＷ・・・制御器。 特許出願人　　　オリンパス光学工業株式会社（２０） ◆１貝叡砥穀印 −４５− 巳＠堕 手続補正書 昭和５８年８　月１２日 １、事件の表示 昭和５７年　特　許　願第１．９７７４．３号２、発明
の名称 焦点検出装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （０３７）　　オリンパス光学工業株式会社外１名 ５゜ １明細書第１Ｏ頁第１２〜１５行を次の通りに訂正する
。 「が一定であることである。θ−４０°の場合、Ｔ−２
０’でのＴ／／は２０／１０　、　Ｔ　−７°でのＴ〃
は７／４となり、この条件がほぼ満たされている。しか
し、θ−８８°の場合、Ｔ　−２０’でのＴ／／は２０
／６　、　Ｔ　−７°でのＴ／βは７／［１，４トなり
、Ｔ／／　−ｏｏｎｓｔ、　ｒｔ］条件Ｅ　満ｔ、−Ｌ
、　、Ｊ代理人弁理士　　杉　　村　　暁　　秀外１名 （２１ ４７−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　　撮像光学系の瞳を分割し、それぞれの分割領域を
   通過した光束による像の、デフォーカスに伴なう佃ずれ
   を検出して焦点検出を行なう装置において、微小な臨界
   角プリズムアレイと、この臨界角プリズムアレイの各斜
   面を通過した光束が到達する各受光面に、複数個の分割
   された受ツＣ領域を有する光電変換素子アレイと、前記
   複数個の受ツを領域の内の一個若しくは複数個の領域を
   選択し、これら選択された受光領域からの光電変換出力
   の和を算出する手段とを具えることを特徴とする焦点検
   出装置。 区　前記臨界角プリズム了レイの斜面を、この斜面とな
   す角か、撮像光学系の光軸がこの斜面となす角よりも小
   さい光束に対して臨界角となるように設定したことを特
   徴とする特許請求の範囲１記載の焦点検出装置。 ８、　前記多数の光電変換素子の各々の複数個の受光領
   域に等しい複数個の電荷転送路と、多数の光電変換素子
   のそれぞれ対応する受光領域で生ずる電荷を対応する電
   荷転送路に送出する多数のゲートと、前記複数の電荷転
   送路の出力を加算する手段とを設け、前記各受光領域に
   対応するゲートを独立に制御し得るよう構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲１または２記載の焦点検出装
   置。 瓜　前記多数の光電変換素子の各々のｒＭ数個の受光領
   域に等しい複数個の電荷転送路と、多数の光電変換素子
   のそれぞれ対応する受光領域における電荷の蓄積を独立
   に禁止または許可する手段と、前記多数の光■を変換集
   子のそれぞれ対応する受光領域で生ずる電荷を対応する
   電荷転送路へ送出する多数のゲートと、前記複数の電荷
   転送路の出力を加算する手段とを具えることを特徴とす
   る特許請求の範囲１または２記載の焦点検出装置。 氏　前記多数の光電変換素子の各々の腹ｉ＃個の受光領
   域に等しい複数個の電荷転送路と、多数の光電変換素子
   のそれぞれ対応する受光領域で生ずる電荷をそれぞれ対
   応する。４Ｅ荷転送路に送出する手段と、複数の電荷転
   送路の出力の１ｆｆｌ過またけ遮断をそれぞれ独立に制
   御する手段と、この制御手段の出力を加算する手段とを
   具えることを特徴とする特許請求の範囲ｌまたは２記載
   の焦点検出装置’ｌ’７　。