JPS61209413A

JPS61209413A - 焦点検出装置

Info

Publication number: JPS61209413A
Application number: JP808986A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Utagawa; 健歌川; Akira Ogasawara; 昭小笠原; Hiroshi Shirasu; 白数　広; Kunihisa Hoshino; 星野　邦久
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1986-01-20
Publication date: 1986-09-17
Also published as: JPS6237364B2

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】本発明は対物レンズの合焦状態を検出する焦点検出装置
に関するものである。

１対の光電素子アレイにそれぞれ合焦すべき物体の光像
を形成し、対物レンズの合焦位置からのずれに応じて各
７レイ上の像の相対位置が変化するようにし、各７レイ
からの光電出力から対応する光像の特定の空間周波数成
分を抽出し、その抽出空間周波数成分の位相の差から両
光型素子アレイ上の光像の相対的変位を検出し、それに
よって対物レンズの焦点位置を検出するような焦点検出
装置を本出願人は既に、！＃願昭５３−１２１４４号と
して出願している。このような合焦検出装置は一般的に
は、十分機能するが、しかし、該特定の空間周波数成分
を全く含まない時には焦点検出ができないという欠点を
有している。

本発明の目的は抽出する空間周波数成分を複数にするこ
とによって上述の欠点を除去するものである。

又さらに、複数の空間周波数成分の大きさ情報を算出す
る手段を設け、該複数の大きさ情報を比較して合焦判定
を行うことによシ、よシ精度の高い焦点検出装置を提供
することを目的とする。

第１図において、対物レンズ１の固定焦点面又はそれと
共役な面にフィールドレンズ２が設けられている。カメ
ラでは、固定焦点面にはフィルムが配置されるので、こ
のフィールドレンズ２は対物レンズ１の光路を分路し、
その分路した光路中に設けることＫなる。再結１逮レン
ズ３．４に関してフィールドレンズ２すなわち、レンズ
１の固定焦点面と共役な位置にそれぞれ光電素子アレイ
５．６が設けられている。この例では、各アレイ５．６
は８つの光電素子Ｐ　１−Ｐ８　、ＰＩ’〜Ｐ８′から
構成されている。対物レンズが合焦すべき物体に、合焦
された場合、対物レンズ１と再結像レンズ３．４によっ
てそれぞれ光電素子アレイ５．６上に形成される物体の
光像と、対応するアレイ５．６と、の位置関係が同一と
なるように、再結像レンズ３．４、アレイ５．６の位置
関係等が定められている。従って、合焦状態のとき、１
対の７レイ５．６の位置的に対応する光電素子Ｐｌとｐ
（・・・・・・Ｐ８とｐ８１への入射光強度は等しくな
る。また、対物レンズ１による物体の像がフィールドレ
ンズ２の前方に形成された時（前ピンのとき）アレイ５
上の像は下方へ、他方アレイ６上の像は上方へ移動する
。逆に、対物レンズ１による像がフィールドレンズ２の
後方に形成された時（後ピンの時）、アレイ５．６上の
像はそれぞれ前ピンのときと逆方向へ移動する。ア１イ
５の各光′亀素子ｐ１％Ｐ、の光電出力はそれぞれ線型
増幅されまｆＣは、対数増幅されたシして、その光′厄
出力に関連した′電気出力Ｖ、〜ｖ８　としてアレイ５
の出力端子５８〜５ｈよ多出力される。アレイ６の光電
素子ｐ　、／〜Ｐ８′の光電出力も同様であって関連電
気出力ｖ１′〜ｖ８′が、出力端子６ａ〜６ｈよ多出力
される。

次にこの関連電気出力Ｖ、〜ｖ８、ｖ、／　、　ｖ８′
の処理を説明する。第２図において空間周波数成分抽出
回路７は、アレイ５上の光像の特定の第１空間周波数成
分を表わす第１屯気信号Ｖ、と、その１／／２の空間周
期の空間周波数成分を表わす第２電気信号ｖ２とを、上
記関連電気出力Ｖ、〜ｖ８から抽出する。第２空間周波
数成分は第１空間周波数成分と異なる空間周期を持つも
のであればよく、上記例に限るものでない。この第１電
気信号ｖ１はアレイ５上の光像が、素子の配列方向に変
位した時、その変位に応じて、一定の関係で変化する位
相情報φ１　と、その抽出空間周波数成分の大きさを表
わす大きさ情報γＩとを含む。

第２電気信号も同様で、位相情報φ２と大きさ情報γ２
を含む。他方の空間周波数成分抽出回路８は、回路Ｔと
同一のもので、アレイ６の関連電気出力ｖ１′〜ｖ　、
／から、そのアレイ上の光像の第１、第２空間周波数成
分を抽出しそれらをそれぞれ表わす第１、第２電気信号
を作る。この第１、第２電気信号はそれぞれ位相情報φ
１′、φ２′大きさ情報１．１　、　？２／を含む。

この抽出回路の原理を第３図によシ説明する。同図にお
いて、光電素子Ｐ、％Ｐ、の関連電気出力ｖ１〜ｖ８は
ベクトル化回路９によルｅｘｐ口２π×−）、ｅｘｐ口
２π×百）・・・・・・・・・ｅｘｐ　（ｉ　２πＸＴ
）　　が乗ぜられ、ベクトルに変換びわる。加算回路１
０はベクトル化回路９の出力を加算する。従゛つて加算
回路１０の出力Ｖは以Ｆの如くなる。

■＝　Σ　ｖｎｅｘｐ（Ｊ２πｘ　−）ｎ＝１　　　　
　　　　　　　　　　　８この出力Ｖ、はアレイの光電
素子ｐ、−ｐ８の配列方向の空間長さｄを空間周期とす
る空間周波数成分の情＠を含むことになる。この出力Ｖ
は特願昭筒５３−１．２１４４号において証明した如く
アレイ上の光像が変位するとその位相φが、変化する。

また、出力Ｖの大きさｒは光像中の抽出した空間周波数
成分の大きさを表わす。

前述の出力■を第１゛岨気信号とするとそれとは異なっ
た空間周期の空間周波数成分に関する第２電気信号を求
めるには、次の如、〈すればよい。ベクトル化回路９に
おいて、関連眠気出力Ｖ、〜ｖ４、ｖ５〜ｖ８　に、ペ
クトルｅｘｐ　（＋　２π×７）〜ｅｘｐ　（＋　２π
×７）をそれぞれ乗することによシ、４つの光電素子の
長さｄ／２と等しい周期の空間周波数成分が得られる。

アレイ５．６と空間周波数抽出回路７．８、の具体的回
路列を第４図、第５図に示す。

第４図において、アレイ５．６のフォトダイオードＰ１
〜Ｐ　［１、ＰＩ’〜Ｐ８′の光電流は、演算増幅器と
その帰還トランジスタ、ダイオードからなる対数変換回
路１２ａ〜１２ｈ１１３ａ〜１３ｈによって入射光強度
の対数に比例した関連電気出力ｖ１〜ｖ８、ｖＩ′〜ｖ
８′に変換される。なお、図では対数変換回路１２ｂ〜
１２ｈ１１３ａ〜１３ｈの帰還トランジスタとダイオー
ドを示していない。回路１５は関連電気出力ｖ　　”＋
ｖ　　、　　ｖ、′〜ｖ、’の平均値が零となるように
帰還をかけている。

この平均値を零にすることはベクトル化回路によって掛
けられるベクトルの値の誤差、具体的には左動増幅器１
６〜２３の入力抵抗などの誤差の影響を小さくするため
である。

次に、抽出回路を示す第５図において端子５ａ〜５ｈ、
６ａ〜６ｈはそれぞれ第４図の同一符号の端子５ａ〜５
ｈ、６ａ〜６ｈに接続されるベクトル化回路は関連電気
出力ｖ１〜ｖ８、ｖ、′〜ｖ８′にベクトルｅｘｐ　（
ｉ　２π×百）〜ｅｘｐ（＋２πｘ、）　　をそのＸ成
分とＸ成分の形で乗するものである。差動増幅器１６は
、上述のベクトルのｎ成分を、関連電気出力■、〜ｖ８
に乗じ加算するもので、各々の入力抵抗の値は乗ずべき
Ｘ成分の逆数に比例したものとなっている。こうして差
動増幅器１６の出力は空間周期ｄの空間周波数成分に関
する第１′Ｉｔ気信号ｖ１のＸ成分となる。

差動増幅器１Ｔは上述のベクトルのＸ成分を関連電気出
力ｖ１〜ｖ８に乗じそれを加算するものである。この出
力は＝１ｍ１＝気信１のＸ成分に相当する。また、差動
増幅器１８．１９は、アレイ６の関連電気出力Ｖ′〜Ｖ
ｓ　Ｉについて、増幅器１７．１８と全く同様にして第
１電気出力左の　Ｘ成分、Ｘ成分を作り出す。また、差
動増幅器２０．２１は、アレイ５についてｄ／２の空間
周期の空間周波数成分に関するｇ　２　を気信号ｖ２の
Ｘ成分、Ｘ成分をそれぞれ出力し、差動増幅器２２．２
３はアレイ６について、第２亀気信号Ｖ２′のＸ成分、
Ｘ成分をそれぞれ出力する。

乗算器２４．２６．２８．３０は、差動増幅器１６．１
８．２０．２２の出力に回路３２からの交流出力ｃｏｓ
ｗｔ　　を乗じ、乗算器２５．２７．２９．３１は、差
動増幅器１７゜１９．２１．２３の出力に回路３２から
の交流出力ｓｉｎｗｔ　　を乗する。加算器３３．３４
．３５．３Ｂはそれぞれ乗算器２４と２５．２６と２７
．２Ｂと２９．３０と３１の出力を加算する。これらの
加算器３３．３４．３５．３６の交流出力がそれぞれ第
１’ｇ気信号ｖ１、ｖ１′、第２＝気信号Ｖ２、■２′
ニ相当りそれらの位相が前記位相φ１、φ１′、φ２、
φ２′であシ、それらの出力を整流回路３７，３８．３
９．４０によって整流したものがそれぞれ前記大きさ情
報ｒ１、ｒ１′、ｒ２、ｒ２′　　となる。

再び第２図において、こうして得た空間周波数成分抽出
回路７．８の第１亀気信号ｖ１１ｙ、　ｒの位相差φ１
−φ１′は、第６図（ａ）に示す如く対物レンズが合焦
位置にあるとき零となシ、前ピン位置では例えば正とな
シ、後ピン位置では負となシ、その差の大きさは合焦位
置からのすれ量に応じて大きくなる。

第２電気信号Ｖ２、■２′の位相差φ２−φ２′につい
ても第６図（ｂ）に示す如く同様である。ところが第６
図（ａ）、（ｂ）から明らかなように、合焦位置から大
きく前ピン又は後ピン位置へずれた場合にも位相差φ、
−φ、′、φ２−φ２Ｉ　　が零となってしまうので、
この位相差のみから、合焦検出を行うと誤ってしまう恐
れがある。

これを防止するために、対物レンズが合焦位置近傍であ
ることを検出する相関検出部４１が設けられている。こ
の相関検出部４１は、Ｖ′。＋１１）　を算出する。こ
の相関関数■の分子は、物体の輝度分布がほぼ一様であ
るとき小さくなり、それに応じて分母も小さくなるので
、この相関関数は輝度分布に無関係に１、対物レンズの
焦点位置に依存するような規格化されたものとなってい
る。詳述すると合焦位置のときｖｉ＝ｖｒであるから分
子が零とな、６、ｘ＝ｏとなり、アレイ５上の１家が７
レイ６上の像に対して相対的に光電素子１個分ずれてい
るような後ピン又は前ピンのとき物体の輝度分布に無関
係にｖ２′＝ｖ１．ｖ３′＝ｖ２゜・・・ｖ’＝ｖ　　
又は　Ｖ　　＝Ｖ　’　＋　Ｖ３　”’　Ｖ　２’・・
・ｖ８＝ｖ、／がそれぞれ成立するので、■＝１となる
。

こうして、この相関関数Ｉは第６図（ｃ）に示す如く合
焦位置α、像の相対位置が１光電素子分すれた前ピン位
置β、同様の後ピン位置ｒの３点で規格化されている。

もちろんこのような規格化された相関関数はこれに限る
ものでなく、撞々のものが考えられる。例えば、１’＝
Σｌ　ｖ、−ｖ６　ｌ　／　（ｒ１＋γ１′＋４＋γ２
′）ｎ＝　ｔでもよい。

次に制御部５０を説明する。この制御部５０は合焦検出
をするのに物体の輝度分布に応じて、位相差φ！−φｌ
′を用いるか他方の位相差φ２−φ２′を用いるかの選
択を行ったシ、位相差φｌ−φｌ′、６−φ２′　や相
関関数■が信頼性の高いものであるか否かの判定などを
行っている。第７図により詳述する。比較器５１は空間
周期ｄの第１空間周波数成分に関する大きさ情報γ！、
γ１′の和の百と、空間周期ｄ／２の第２空間周波数成
分に関する大きさ情報γ２、γ２′の和とを比較し、前
者が大きいときすなわち、光像中に第１空間周波数成分
が多く含まれているとき″Ｈ＃レベルの出力を発生し、
位相φ１１φ１′に関するＦＥＴ５２を導通状態にする
。他方、後者が大きいとき、”Ｌ＃レベルの出力を発生
しインバータ５３を介して、位相φ２、φ２′に関する
ＦＥＴ５４を導通にする。なお、ここで、γ１　とｒ１
′の和を１／２倍したのは、第２空間周波数成分に関す
る位相情報の方が、第１空間周波数成分のものに比べ、
精度が良いためである。ＦＥＴ５２がオンのときは交流
信号φ１１φｌ′が、他方ＦＥＴ５４がオンのときは交
流信号φ２、φ２′がそれぞれ波形整形回路５５によっ
て矩形波に変換後、Ｄ−フリップフロップ５６と排他的
論理和回路５７に入力される。Ｄ−フリップフロップ５
６は両交流信号の位相差φ！−φ１′又はφ２−φ２′
の正負を判別する。前述した如く、この正負は、前ピン
又は後ピンを表わすことになる。排他的論理和回路５１
は、上記位相差の絶対値すなわち大きさを測定する。

この大きさは、合焦位置からのずれ量を表わす。従って
、フリップフロップ５６の出力と回路５７の出力によシ
、合焦状態、前ピン、後ピン及びその程度が分ることに
なる。

比較器５８は規格相関関数比カニと基準レベルＶｆ　　
とを比較し、前者が低いとき”Ｌ”しベル出力を発生す
る。この基準レベルＶｆ　は第６図（ｃ）に示す如く、
相関関数比カニがこのレベル以下である範囲では、第６
図（ａ）、（ｂ）に示す如く、位相差φ１−φ１′、φ
２−φ２′　が必ず正常な範囲ｔｈ　ｔ２　　にあるこ
とを保障するように選定されている。こうして、比較器
５８の出力が“Ｌ″レベルあるとき、対４勿レンズは合
焦近傍にあシ、Ｄ−フリップフロップ５６の出力や排他
的論理和回路５７の出力は正常な焦点検出信号であるこ
とが保障されている。

その輝度分布がほとんど一様で７レイ５．６上の光像が
第１空間周波数成分や第２空間周波数成分をほとんど含
まない黒板の如き物体がある。このような物体に関して
は、位相差φｌ−φｌ′、φ２−φ２′は、ノイズ等が
大きく影響し、アレイ５．６上の光像の相対位置の変化
を忠実に表わすものでなくなってしまう。

従って、この位相差は対物レンズの正確な焦点検出信号
ではなくなってしまう。そこで、このような第１、第２
空間周波数成分をほとんど含まない場合には当然、大き
さ情報ｒ１八′γ２ｒ２′が小さくなっているので、比
較回路６０．６１によってｉ１ｆ報ｒｉｒｍ’　　が一
定レベルｖｆ２　　以上か否かを検出し、同様に比較回
路６２．６３によって情報γ２　γ２′　が一定レベル
Ｖｆ３以上か否かを検出し、ともに一定レベル以上であ
る場合のみにＯＲ回路６４の出力を゛Ｌ’レベルにする
。すなわちこのＯＲ回路６４の出力のＬ”レベルはフリ
ップフロップ５６と回路５７の出力とが正しいことを表
わす。

また、相関出力■の分母が非常に小さい場合は、相関出
力■は多分に誤差を多く含むので、この場合は比較器５
８の出力を合焦近傍を表わす信号として採用することは
適当でない。そこで、比較器６５によって、分母が一定
しベルｖｆ４より大きいか否かを検出する。

そして比較器６５は、分母がＶｆ４よシ小さい　　゛と
き“Ｈ”レベルとなり、この″″Ｈ＃Ｈ＃レベル器５８
の合焦近傍か否かを表わす出力が正しくないかもしれな
いことを意味する。

そしてＯＲ回路６６はその出力が″Ｈ”レベルのとき、
位相差φ、−φ１′、φ２−φ２′が相関出力Ｉかの少
なくとも一方が正しくないことが表わされる。

また、第４図の例は、フォトダイオードからの出力は並
列的に収り出す例でめったが、例えば、時系列的に取り
出す場合、フォトダイオードの菟荷槓蓄時間を、ｒ、十
ｒ、’十γ２＋ｒ２’；一定となるようにＡＧＣをかけ
れば、単に相関出力Σｌ　ｖｎ−ｖ気１が規格化された
ものとなる。

以上のように本発明によれば、１対の光電変換素子アレ
イの出力に関してそれぞれ複数の空間周波数成分を抽出
し、対応する空間周波数成分の位相差から像の相対的変
位を検出しているので、単独の空間周波数成分しか抽出
していない場合よ）も焦点検出能力が高いと同時に、該
Ｍ数の空間周波数成分の大きさ情報ケそれぞれ比較して
合焦判定を行うので、焦点検出精度が高いという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系の配置図、第２図は
一実施例の信号処理系のブロック図、第３図は空間周波
数成分抽出回路の原理を示すブロック図、第４図は光電
素子アレイの具体的回路例を示す回路図、第５図は空間
周波数成分抽出回路の具体的回路例を示す回路図、第６
図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ位相差出力のグラフで、第
６図（Ｃ）は相関出力のグラフである。７ｇ７図は制御部の具体的回路例を示す回路図である。〔主要部分の符号の説明〕１・・・対物レンズ、５．６・・・光電素子アレイ、７
．８・・・空間周波数成分抽出回路、４１・・・相関検
出部。手続補正口　　− 昭和６１年３月１７日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被写体の同一部分から発せられ、それぞれ異なる
経路を介して視差を有する光学的開口を通つた光束から作られる一対の光像を光電変換する光電変換手段と、対物レンズの合焦状態を検出する焦点検出手段とを有する焦点検出装置において、前記一対の光像に含まれる複数の空間周波数成分中の一部の第一の空間周波数成分を抽出し、それに基づいて前記一対の光像の相対的ずれ量に対応する位相差出力を出力する第一位相差検出手段と、前記複数の空間周波数成分中から前記第一の空間周波数成分と異なる一部の第二の空間周波数成分を抽出し、それに基づいて前記一対の光像の相対的ずれ量に対応する位相差出力を出力する第二位相差検出手段と、前記第一及び第二位相差検出手段からの２つの空間周波数成分の出力に基づいてそれぞれの空間周波数成分に関する大きさ情報を検出する第三検出手段とを有し、前記焦点検出手段は、前記第三検出手段で検出されるそれぞれの大きさ情報を比較し、この比較結果に基づいて前記対物レンズの合焦状態を検出することを特徴とする焦点検出装置。