(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズの像面側に設けた光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の素子より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影視野内の１つ又は複数の領域において求める際、該光学手段は該対物レンズからの光束を反射させて所定面上に被写体像を形成する集光性の反射鏡Ｍと、該所定面上に形成された被写体像を該光電変換素子面上に再結像する１対のレンズを少なくとも１つ有する２次結像系、そして該２次結像系に入射する光束を制限する１対の開口を少なくとも１つ有する絞りを有し、該絞りの１対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としたことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
前記反射鏡Ｍは、２次曲線を軸回りに回転してできる曲面の一部から成ることを特徴とする請求項１の焦点検出装置。
【請求項３】
前記反射面Ｍは、前記２次曲線を軸回りに回転してできる曲面の当該回転軸および頂点を含まない領域から成ることを特徴とする請求項２の焦点検出装置。
【請求項４】
前記反射鏡Ｍは、楕円を軸回りに回転してできる回転楕円面であることを特徴とする請求項２又は３の焦点検出装置。
【請求項５】
前記回転楕円面の２つの焦点のうちの一方は、前記対物レンズの光軸に沿って当該回転楕円面に入射する光線上またはその延長上の近傍に、他方は当該回転楕円面により反射された光線上またはその延長上の近傍にあることを特徴とする請求項４の焦点検出装置。
【請求項６】
前記反射鏡Ｍと前記光電変換素子の間には、少なくとも１つの反射鏡Ｍａが存在することを特徴とする請求項１の焦点検出装置。
【請求項７】
前記光電変換素子は２次元配列のエリアセンサであることを特徴とする請求項１の焦点検出装置。
【請求項８】
前記２次結像系は２つ１組のレンズを少なくとも１つ有し、前記対物レンズの異なる瞳の領域を透過する光束から被写体像に関する少なくとも２つの光量分布を前記光電変換素子上に形成し、これら２つの光量分布の相対的な位置の変化から前記対物レンズの焦点状態を検出することを特徴とする請求項１の焦点検出装置。
【請求項９】
前記反射鏡Ｍ及び／または前記反射鏡Ｍａは、その反射領域を規制する規制手段を有することを特徴とする請求項６の焦点検出装置。
【請求項１０】
前記光電変換素子は前記２次結像系の２つ１組のレンズにより形成される２つの被写体像の前記相対的な位置の変化を検出する方向と垂直方向のずれを補正するための遮光手段を有することを特徴とする請求項８の焦点検出装置。
【請求項１１】
前記反射鏡Ｍは前記対物レンズの光軸に対して傾いており、該傾いた平面内において前記２次結像系の２つのレンズは、その光軸方向の頂点位置が異なっていることを特徴とする請求項８の焦点検出装置。
【請求項１２】
前記光電変換素子の面に対する法線が光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項８の焦点検出装置。
【請求項１３】
前記２次結像系の入射瞳と前記対物レンズの瞳とは略共役関係となっており、前記反射鏡Ｍは該入射瞳位置と該対物レンズの瞳位置を各々焦点とする回転楕円鏡より成っていることを特徴とする請求項１の焦点検出装置。
【請求項１４】
前記回転楕円鏡は前記対物レンズによって形成される被写体像を前記所定面上に縮小結像させていることを特徴とする請求項１３の焦点検出装置。
【請求項１５】
対物レンズの像面側に配置した光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係をエリアセンサーより成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの出力信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の複数の領域に対して求める際、該光学手段は該対物レンズの予定結像面よりも物体側に該対物レンズの光軸に対して偏心させた集光性の楕円面鏡より成る反射鏡Ｍにより所定面上に被写体像を形成し、該所定面上に形成した被写体像を反射鏡Ｍａで反射させて１対の開口を少なくとも１つ有する絞りを介して１対のレンズを少なくとも１つ有する２次結像系により該光電変換素子に再結像させると共に該楕円面鏡が該対物レンズの瞳位置と該２次結像系の入射瞳位置に各々焦点が位置するように構成し、該絞りの１対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって前記対物レンズのデフォーカスに伴う２次結像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としていることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか１項記載の焦点検出装置からの信号を用いて対物レンズを構成する合焦レンズを駆動させて合焦を行い撮像手段面上に被写体像を形成していることを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は写真用カメラやビデオカメラ、そして観察装置等に好適な焦点検出装置及びそれを用いた光学機器に関し、特に対物レンズ（撮影レンズ）の瞳を複数の領域に分割し、各領域を通過する光束を用いて複数の被写体像（物体像）に関する光量分布を形成し、これら複数の光量分布の相対的な位置関係を求めることにより、対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の広い領域にわたり２次元的又は連続的に複数の領域に対して検出する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より対物レンズを通過した光束を利用した受光型の焦点検出方式に所謂像ずれ方式（位相差検出方式）と呼ばれる方式がある。
【０００３】
図１６は従来の像ずれ方式を用いた焦点検出装置の光学系（光学機器）の概略図である。図中１０１は撮影を行うための対物レンズ（撮影レンズ）、１０２は半透過性の主ミラー、１０３は焦点板、１０４はペンタプリズム、１０５は接眼レンズ、１０６はサブミラー、１０７はフィルム（感光面）、１０８は焦点検出装置をそれぞれ示している。
【０００４】
同図において、不図示の被写体からの光束は対物レンズ１０１を透過後、主ミラー１０２により上方に反射され、焦点板１０３上に被写体像を形成する。焦点板１０３上に形成された被写体像はペンタプリズム１０４による複数回の反射を経て接眼レンズ１０５を介して撮影者又は観察者によって視認される。
【０００５】
一方、対物レンズ１０１から主ミラー１０２に到達した光束のうちの一部は主ミラー１０２の透過部を透過し、サブミラー１０６により下方に反射され焦点検出装置１０８に導かれる。
【０００６】
図１７は焦点検出の原理を説明するために図１６における対物レンズ１０１と焦点検出装置１０８のみを取り出し、展開して示した説明図である。
【０００７】
図１７の焦点検出装置１０８内において、１０９は対物レンズ１０１の予定焦点面即ちフィル面１０７と共役な面付近に配置された視野マスク、１１０は同じく予定焦点面の付近に配置されたフィールドレンズ、１１１は２つのレンズ１１１−１，１１１−２からなる２次結像系、１１２は２つのレンズ１１１−１，１１１−２に対応してその後方に配置された２つのセンサ列１１２−１，１１２−２を含む光電変換素子、１１３は２つのレンズ１１１−１，１１１−２に対応して配置された２つの開口部１１３−１，１１３−２を有する絞り、１１４は分割された２つの領域１１４−１，１１４−２を含む対物レンズ１０１の射出瞳をそれぞれ示している。
【０００８】
尚、フィールドレンズ１１０は、絞り１１３の開口部１１３−１，１１３−２を対物レンズ１０１の射出瞳１１４中の領域１１４−１，１１４−２の近傍に結像する作用を有しており、射出瞳１１４の各領域１１４−１，１１４−２を透過した光束１１５−１，１１５−２が２つのセンサ列１１２−１，１１２−２にそれぞれ被写体像に関する光量分布を形成するようになっている。
【０００９】
図１７に示す焦点検出装置は一般的に位相差検出方式（像ずれ方式）と呼ばれているもので、対物レンズ１０１の結像点が予定焦点面の前側、即ち対物レンズ１０１側にある場合には２つのセンサ列１１２−１，１１２−２上にそれぞれ形成される被写体像に関する光量分布が互いに近づいた状態となり、逆に対物レンズ１０１の結像点が予定焦点面の後側、即ち対物レンズ１０１と反対側にある場合には２つのセンサ列１１２−１，１１２−２上にそれぞれ形成される被写体像に関する光量分布が互いに離れた状態となる。
【００１０】
しかも２つのセンサ列１１２−１，１１２−２上に形成される被写体像に関する光量分布のずれ量は対物レンズ１０１のディーフォーカス量即ち焦点はずれ量とある関数関係にあるのでそのずれ量を適当な演算手段で算出することにより、対物レンズ１０１の焦点はずれの方向と量を検出している。
【００１１】
このような位相差検出方式の焦点検出装置において被写体の光電変換素子上に形成される２次像に歪曲収差が生じた際には、正確な焦点検出ができなくなってくる。これに対して特開昭６１−１５１１２号公報では焦点検出光学系に歪曲収差を許した際にも、この歪曲による悪影響を排除するための技術を開示している。又特開昭６１−１５１１２号公報では光電変換素子の受光面上に歪みに合わせたマスクを設ける方法が、又特願昭６２−２７９８３５号ではこれを多点測距系に応用したものが提案されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示す従来の焦点検出装置を組み込んだ光学機器においては、焦点検出に必要な光束をサブミラー１０６を介して焦点検出装置１０８に導いている。このため、撮影範囲中の焦点検出が可能な領域の範囲はサブミラー１０６の大きさ（面積）によって規制されてしまう。サブミラー１０６は主ミラー１０２との配置関係から特に上方に拡張することが難しく、従ってフィルム１０７上の上方、即ち被写体側では下方方向に焦点検出可能な領域を拡大することができなかった。
【００１３】
図１６においてサブミラー１０６の面積を主ミラー１０２と干渉することなく大きくするためにはサブミラー１０６を後方に移動する方法が考えられる。しかしながらこの場合、サブミラー１０６を反射した後に形成される対物レンズ１０１の予定焦点面の位置が上方に移動するため、予定焦点面と焦点検出系１０８との距離が離れ、焦点検出装置１０８内のフィールドレンズ（図１２のフィールドレンズ１１０）をかなり大きくする必要がある。これはカメラ底部に焦点検出系を配置する上で大きな障害となる。
【００１４】
上方に移動した予定焦点面に対してフィールドレンズを大型化させないためには予定焦点面にあわせてフィールドレンズを上方に移動すればよいが、こうするとフィールドレンズが撮影光束を遮ってしまい、撮影の際にフィールドレンズを撮影光束外に退避する必要がある。これを実現するには機械的構造が非常に複雑になり、コストもかかる上、従来の焦点検出装置と同等の精度を維持することが困難となる。
【００１５】
一方、従来の焦点検出装置に用いられている光電変換素子としては主にラインセンサを用いており、実質的に焦点検出が可能な領域は撮影範囲中の点又は線状のごく限られた領域に限られている。
【００１６】
従来の焦点検出装置においても複数の焦点検出系を持ち、複数の領域で焦点検出を可能としたものもあるが、各焦点検出領域はそれぞれ孤立しており、各焦点検出領域の中間部にある被写体に対しては焦点をあわせることができなかった。
【００１７】
又位相差検出方式の焦点検出装置において焦点検出光学系に生じる歪曲収差による悪影響を排除するために特開昭６１−１５１１２号公報や特願昭６２−２７９８３５号公報等に開示されている２次像の歪に合致させて像をサンプリングする方法は、対物レンズが合焦状態にあるときにサンプリングされた２つの２次像の同一性は保証されている。
【００１８】
しかしながら、非合焦状態にも横ズレした２つの２次像がサンプリングエリア内にあるとは限らなかった。
【００１９】
即ち、ピントがあっていないときには２つの２次像が光電変換素子の開口方向だけに移動するとは限らないためにこの際の光電変換出力は物体上の異なる部分についてのものとなってくる。デフォーカスの検出誤差は像のズレる方向に直交しないコントラスト成分が多いほど大きく、総じて物体のコントラストの方向はランダムであることから、勿論その位相差に基づいて正確なデフォーカス量を求めることが難しくなってくる。
【００２０】
本発明は、対物レンズ（撮影レンズ）の像面側に設ける焦点検出用の光学手段の各要素を適切に設定することにより焦点検出光学系に歪曲収差が存在していても撮影視野内の上下左右方向の任意の領域で又は／及び複数の領域で特に撮影範囲中の上方に焦点検出可能な領域を拡張すると共に、連続した２次元領域内の任意の点においても焦点検出を高精度に行うことができる焦点検出装置及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の焦点検出装置は、
（１−１）対物レンズの像面側に設けた光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係を複数の素子より成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影視野内の１つ又は複数の領域において求める際、該光学手段は該対物レンズからの光束を反射させて所定面上に被写体像を形成する集光性の反射鏡Ｍと、該所定面上に形成された被写体像を該光電変換素子面上に再結像する１対のレンズを少なくとも１つ有する２次結像系、そして該２次結像系に入射する光束を制限する１対の開口を少なくとも１つ有する絞りを有し、該絞りの１対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としたことを特徴としている。
【００２２】
特に、
（１−１−１）前記反射鏡Ｍは、２次曲線を軸回りに回転してできる曲面の一部から成ること。
【００２３】
（１−１−２）前記反射面Ｍは、前記２次曲線を軸回りに回転してできる曲面の当該回転軸および頂点を含まない領域から成ること。
【００２４】
（１−１−３）前記反射鏡Ｍは、楕円を軸回りに回転してできる回転楕円面であること。
【００２５】
（１−１−４）前記回転楕円面の２つの焦点のうちの一方は、前記対物レンズの光軸に沿って当該回転楕円面に入射する光線上またはその延長上の近傍に、他方は当該回転楕円面により反射された光線上またはその延長上の近傍にあること。
【００２６】
（１−１−５）前記反射鏡Ｍと前記光電変換素子の間には、少なくとも１つの反射鏡Ｍａが存在すること。
【００２７】
（１−１−６）前記光電変換素子は２次元配列のエリアセンサであること。
【００２８】
（１−１−７）前記２次結像系は２つ１組のレンズを少なくとも１つ有し、前記対物レンズの異なる瞳の領域を透過する光束から被写体像に関する少なくとも２つの光量分布を前記光電変換素子上に形成し、これら２つの光量分布の相対的な位置の変化から前記対物レンズの焦点状態を検出すること。
【００２９】
（１−１−８）前記反射鏡Ｍ及び／または前記反射鏡Ｍａは、その反射領域を規制する規制手段を有すること。
【００３０】
（１−１−９）前記光電変換素子は前記２次結像系の２つ１組のレンズにより形成される２つの被写体像の前記相対的な位置の変化を検出する方向と垂直方向のずれを補正するための遮光手段を有すること。
【００３１】
（１−１−１０）前記反射鏡Ｍは前記対物レンズの光軸に対して傾いており、該傾いた平面内において前記２次結像系の２つのレンズは、その光軸方向の頂点位置が異なっていること。
【００３２】
（１−１−１１）前記光電変換素子の面に対する法線が光軸に対して傾いていること。
【００３３】
（１−１−１２）前記２次結像系の入射瞳と前記対物レンズの瞳とは略共役関係となっており、前記反射鏡Ｍは該入射瞳位置と該対物レンズの瞳位置を各々焦点とする回転楕円鏡より成っていること。
【００３４】
（１−１−１３）前記回転楕円鏡は前記対物レンズによって形成される被写体像を前記所定面上に縮小結像させていること。
等、を特徴としている。
【００３５】
（１−２）対物レンズの像面側に配置した光学手段により該対物レンズの瞳の異なる複数の領域を通過した光束を用いて被写体像に関する複数の光量分布を形成し、該複数の光量分布の相対的な位置関係をエリアセンサーより成る光電変換素子により求め、該光電変換素子からの出力信号を用いて該対物レンズの合焦状態を撮影範囲中の複数の領域に対して求める際、該光学手段は該対物レンズの予定結像面よりも物体側に該対物レンズの光軸に対して偏心させた集光性の楕円面鏡より成る反射鏡Ｍにより所定面上に被写体像を形成し、該所定面上に形成した被写体像を反射鏡Ｍａで反射させて１対の開口を少なくとも１つ有する絞りを介して１対のレンズを少なくとも１つ有する２次結像系により該光電変換素子に再結像させると共に該楕円面鏡が該対物レンズの瞳位置と該２次結像系の入射瞳位置に各々焦点が位置するように構成し、該絞りの１対の開口の並び方向を、該対物レンズの光軸と該反射鏡Ｍによる光束の偏向後の光軸とで形成される平面に沿った方向とすることによって前記対物レンズのデフォーカスに伴う２次結像の移動方向を前記開口の並び方向とし、又該光電変換素子を該対物レンズの予定結像面上に逆投影した際に該平面から離れるにしたがって該平面に対して非平行となる形状としていることを特徴としている。
【００３６】
本発明の光学機器は、構成要件（１−１）又は（１−２）の焦点検出装置を用いて撮像手段面上に被写体像を形成していることを特徴としている。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の焦点検出装置をカメラ等の光学機器に適用したときの実施形態１の要部概略図、図２は図１の焦点検出装置を構成する主要部分の要部概略図である。
【００３８】
図中１０１は対物レンズ、１は対物レンズ１０１の光軸、２はフィルム（撮像面）、３は対物レンズ１０１の光軸１上に配置された半透過性の主ミラー、１０３は焦点板であり、対物レンズ１０１による被写体像が主ミラー３を介して結像している。１０４はペンタプリズム、１０５は接眼レンズであり、焦点板１０３上の被写体像を観察している。
【００３９】
４は対物レンズ１０１の像面側に光軸１上に対して斜めに配置された第１の反射鏡であり、集光性の凹面鏡や楕円面鏡等から成っている。５は第１の反射鏡４によるフィルム２に共役な近軸的結像面で被写体像が結像している。６は第２の反射鏡、７は赤外カットフィルター、８は２つの開口８−１，８−２を有する絞り、９は絞り８の２つの開口８−１，８−２に対応して配置された２つのレンズ９−１，９−２を有する２次結像系、１０は第３の反射鏡、１１は２つのエリアセンサ１１−１，１１−２を有する光電変換素子（受光手段）をそれぞれ示している。第１の反射鏡４，第２の反射鏡６，そして２次結像系９等は光学手段の一要素を構成している。
【００４０】
本実施形態における第１の反射鏡４は集光性の曲率を有し、絞り８の２つの開口８−１，８−２を対物レンズ１０１の射出瞳１０１ａ付近に投影するようにしている。
【００４１】
また第１の反射鏡４は必要な領域のみが光を反射するようにアルミや銀等の金属膜が蒸着されていて、焦点検出を行う範囲を制限する視野マスク（規制手段）の働きを兼ねている。他の反射鏡６，１０においても光電変換素子１１上に入射する迷光を減少させるため、必要最低限の領域のみが光反射用として蒸着されている。各反射鏡は反射面として機能しない領域に光吸収性の塗料等を塗布したり、遮光部材を近接して設ける等の規制手段を施すようにしている。
【００４２】
図３は図１の絞り８の平面図である。絞り８は横長の２つの開口８−１，８−２を開口幅の狭い方向（撮影範囲の上下方向）に並べた構成となっている。図中点線で示されているのは、絞り８の開口８−１，８−２に対応して、その後方に配置されている前記２次結像系９の各レンズ９−１，９−２である。
【００４３】
図４は光電変換素子１１の平面図であり、図１で示した２つのエリアセンサ１１−１，１１−２はこの図に示すように２次元的に複数の画素を配列した２つのエリアセンサ１１−１，１１−２を並べたものである。
【００４４】
以上の構成において、図１の撮影レンズ１０１からの２つの光束１２−１，１２−２は主ミラー３を透過後、第１の反射鏡４により、ほぼ主ミラー３の傾きに沿った方向に反射され、近軸的結像面５に被写体像を形成している。このとき第１の反射鏡４は近軸的結像面５上に撮像面２に形成される被写体像を微小結像するようにしている。近軸的結像面５に形成した被写体像からの光束は第２の反射鏡６により反射して再び方向を変えた後、赤外カットフィルター７、絞り８の２つの開口８−１，８−２を経て、２次結像系９の各レンズ９−１，９−２により集光され、第３の反射鏡１０を介して光電変換素子１１のエリアセンサ１１−１，１１−２上にそれぞれ到達する。
【００４５】
図中の光束１２−１，１２−２はフィルム２の中央に結像する光束を示したものであるが、他の位置に結像する光束についても同様の経路を経て、光電変換素子１１に達し、全体として、フィルム（撮影範囲中）２上の所定の２次元領域に対応する光電変換素子１１の各エリアセンサ１１−１，１１−２上に被写体像に関する２つの光量分布が形成される。
【００４６】
本実施形態において、第１の反射鏡４は、２次曲線を軸回りに回転してできる曲面の一部で構成されていて、特に回転楕円面が好適に用いられる。図２においては、第１の反射鏡４の表面形状は点２０を頂点とする楕円２１を軸２２の回りに回転してできる回転楕円面の一部からなり、その焦点は第２の反射鏡６による絞り８の中心の像位置２３付近と、主ミラー３透過後の光軸２４の延長上の点（付図示）の付近に設定されている。そして、光軸２４の延長上の点が対物レンズ１０１の射出瞳位置（種々の対物レンズが交換して用いられる場合にはそれらの平均的な射出瞳置）の付近にあるようにして対物レンズ１０１の射出瞳位置と２次結像系９の入射位置がほぼ結像されるようにしている。
【００４７】
これにより、第１の反射鏡４が理想的なフィールドレンズとしての機能を果たすようにしている。図２から明らかなように、第１の反射鏡４として光学的に使用しているのは回転楕円面の回転軸及び頂点を含まない領域である。
【００４８】
本実施形態の回転楕円面４の具体的な形状は図２の座標軸に対して、
【００４９】
【数１】
0003571835.tif 000002
ｒ＝−３８．５            ｋ＝−０．３７
で表わせる。通常のカメラ（光学機器）と対物レンズ（撮影レンズ）を想定した場合、ｒとｋの範囲は
−２０≦ｒ≦−５０        −１≦ｋ≦−０．２
程度が好ましい。
【００５０】
また本実施形態においては２次結像系９の入射側の面（第１面）９ａを凹面形状とすることで、２次結像系９に入射する光が無理に屈折されることがないようなレンズ構成とし、光電変換素子１１上の２次元領域の広い範囲にわたって良好で一様な結像性能を確保している。
【００５１】
このようにして得られた被写体像に関する２つの光量分布に対して、従来の像ずれ方式の焦点検出方法として説明したと同様の原理に基づき、分離方向即ち図４に示す２つのエリアセンサ１１−１，１１−２の上下方向の相対的位置関係をエリアセンサ１１−１，１１−２の任意の複数の素子より成る各位置で算出することで対物レンズ１０１の焦点状態を２次元的に撮影範囲中の任意の領域で検出している。尚、第１の反射鏡４は、撮影に際し、主ミラー３と同様に撮影光路外に退避させている。
【００５２】
ここで注意すべきことは、第１の反射鏡４の結像に伴う近軸結像面５及び光電変換素子１１上における被写体像の歪みである。前述した通り、第１の反射鏡４は絞り８の２つの開口８−１，８−２を対物レンズ１０１の射出瞳１０１ａ付近に投影する収束性のパワーを有し、光軸１に対し傾いて設けられているため、その結像面５において非対称性の大きな歪曲収差が発生する。
【００５３】
図５は対物レンズ１０１によりフィルム２上に矩形の格子図形が結像された場合に、本実施形態の第１の反射鏡４により同格子図形が図２における結像面５上にどのように歪んで結像されるかを示した平面図であり、上方が図２の主ミラー３側である。
【００５４】
本実施形態においては、こうした像の歪みの発生を極力抑えるために、第１の反射鏡４の光軸２４との交点における法線と光軸２４のなす角をできるだけ小さくし、反射された光束がほぼ主ミラー３に沿う方向、即ちできるだけ前方に反射されるように構成されている。従って、光軸に沿って入射する光線とその反射光線の成す角は鋭角である。第２の反射鏡６は、前方に反射された光束を２次結像系９に導くために設けられたものである。
【００５５】
図５に示すように、フィルム２上で矩形状に形成される図形は第１の反射鏡４により、その結像面５上においては上方が狭く、下方が広い扇形状に結像される。この状態のまま２次結像系９により光電変換素子１１上に再結像すると、光電変換素子１１上においても歪んだ像が形成されることになる。
【００５６】
図６はその状態を示した光電変換素子１１の平面図であり、エリアセンサ１１−１，１１−２に対して矩形が像１３−１，１３−２に示すように歪んだ像として形成される。
【００５７】
エリアセンサは図６のエリアセンサ１１−１，１１−２として示すように、矩形の画素を縦横に規則正しく並べて構成した一般的なものであり、外形も通常矩形状で良い。これに対し、同図に示すような歪んだ像１３−１，１３−２が形成されるということは、矩形の２つのエリアセンサ１１−１，１１−２のフィルム２上への逆投影像が逆に歪んだ形状となり、焦点検出を行う視野が周辺部において傾くことを意味する。
【００５８】
しかし、２つのエリアセンサ１１−１，１１−２上に形成される２つの被写体像がエリアセンサ１１−１，１１−２に対して同じように歪んでいれば、２つの被写体像の相対的な位置を検出する上では、視野が傾いていること自体は何ら障害にはならない。相対的な位置を検出するエリアセンサ１１の列方向（相関方向）の２つの被写体像のずれに関しては、例えば特開昭６２−１７３４１２号公報に開示されているものと同様な方法により光電変換素子からの出力を演算処理し、補正することが可能であるので、エリアセンサ１１の列方向（相関方向）と垂直な方向の２つの被写体像のずれがなければ焦点検出は良好に行なえる。
【００５９】
本実施形態においても２つのエリアセンサ１１−１，１１−２上に形成される２つの被写体像の個々は大きな歪曲を示すが、その歪みのエリアセンサ１１の列方向（相関方向）と垂直方向の差は十分小さいものである。
【００６０】
同方向の差が残存し、焦点検出精度に影響する場合には、特開昭６１−１５１１２号公報に開示されているごとく、各センサ列に沿って歪みの差に相当する湾曲した遮光部材、例えばアルミ等のマスクをセンサ受光面に設けることにより、精度を向上させることができる。
【００６１】
また、２つの被写体像の歪みの差を補正する方法として各像の結像倍率を調整することも可能である。具体的には図２において２次結像レンズ９の２つのレンズ９−１，９−２の射出側面の光軸に沿った頂点位置（レンズ面頂点位置）を異なるように設定するか、２次結像レンズ９全体を光軸に対して傾けて設定し、２つのレンズ９−１，９−２の結像倍率を変化させればよい。また光電変換素子１１を光軸に対して垂直に設けず、傾けることによっても２つの被写体像の倍率及び歪みの調整が行なえる。
【００６２】
次に本実施形態において光電変換素子のうち複数の素子より成る所定領域を対物レンズの予定結像面に逆投影したときに対物レンズ１０１の光軸１と反射鏡４による光束の偏向後の光軸とで形成される平面から離れた位置においては該平面に対して非平行となるようにしたことの特徴とについて説明する。
【００６３】
本発明に係る焦点検出装置を有した光学機器に対して光電変換素子１１上に図７に示すような２次像の歪曲に沿った配列のエリアセンサ５００−１，５００−２を設け、例えば斜線で示したセンサ列の領域５０１，５０２を部分開口としてここに投影される２次像の位置関係を光電変換素子１１からの出力を用いて相対的に比較すれば、対物レンズ１０１の合焦非合焦の判別は可能である。
【００６４】
しかしながら、この焦点検出装置において対物レンズ１０１のデフォーカスによる２次像の移動方向が領域５０１，５０２に沿わなければデフォーカス量の正確な検出はできない。
【００６５】
図８は２次像の移動方向を説明するために位相差検出方式の焦点検出装置全体の役割を一般的に示した要部ブロック図である。
【００６６】
同図において５１０は物体、５１１は対物レンズ、５１４は焦点検出光学系、５１５は光電変換素子である。焦点検出光学系５１４にはフィールドレンズとかフィールドミラーといった光学素子から成る瞳投影光学系５１２と、１対の結像レンズ等で構成される再結像光学系（２次結像系）５１３が含まれている。
【００６７】
５１６は光電変換素子５１５からの出力を処理するマイクロプロセッシングユニットである。ここで光電変換素子５１５に投影される物体５１０の２次像に歪が生じる要因は瞳投影光学系５１２と再結像光学系５１３にある。詳細にはこれらの光学系について別個に光線トレースを行うことによって歪曲についてのそれぞれの性質を求めている。
【００６８】
仮に２次像の歪が再結像光学系に起因している場合について、対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動を１次像面に置き換えて考えれば１次像面においては再結像光学系の絞り開口の並び方向に正確に移動している物体像が再結像光学系によって歪めて光電変換素子上に投影されていると理解でき、２次像の移動は歪に沿った方向となることがわかる。逆に瞳投影光学系に起因している場合には、１次像面上にすでに歪んだ像があって、これを視差を持った再結像光学系が歪みなく光電変換素子上に投影していると理解できるため、対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動方向は再結像光学系の絞り開口の並び方向となることが判る。
【００６９】
なお、２次像に歪を有している個々の焦点検出光学系において、歪の主要因を簡単に知るには次のように考えてもよい。まず、光電変換素子の受光面上の格子を仮定し、これを再結像光学系だけを通して対物レンズ方向に逆投影する。するとここには瞳投影光学系の影響を受けていない格子の像が現われる。仮に受光面上の格子を２次像をサンプリングするための開口とすれば、その像は再結像光学系にとって物体側の画像をサンプリングするための等価な開口である。
【００７０】
もしこの格子が歪を生じて逆投影されたならば、物体の２次像に生じた歪の要因は少なくとも再結像光学系にあり、逆に、格子が歪みなく逆投影されたならば物体の２次像に生じた歪みの要因は瞳投影光学系のみにある。
【００７１】
さて、図７に戻ってこの焦点検出光学系による歪曲の主要因を考える。まず、簡単な光学的考察よりこの内の再結像光学系のみを通して逆投影した光電変換素子上の格子はかなり歪みが少ないことが判る。したがって、２次像に生じる歪みの要因は瞳投影光学系にあり、図１に示した反射鏡４の結像面の歪がそのまま光電変換素子上に投影されていると言える。この結果、２次像の移動方向は図９に示す矢印の方向となる。矢印に沿ってセンサ列を設定すればこれをもって２次像の相対的位置関係を比較し、対物レンズのデフォーカス量を正確に求めることが可能である。
【００７２】
また言い替えれば、この２次像に歪みを有している焦点検出光学系にあって、この主要因が瞳投影光学系である場合に、測距視野即ちセンサ列の予定結像面上への投影像を歪ませて配置することで正確なデフォーカス量の検出が可能となる。
【００７３】
図１０は対物レンズの近軸結像面５における測距視野、図１１は物体像を正立正像として観察可能なファインダー光学系を通して見たときの測距視野をそれぞれ示したものである。図において５２２はファインダー視野、５２０，５２１は全測距視野を表し、このうちの例えば斜線を付した測距視野５２４，５２５について相当する光電変換素子の出力を処理し、この位置での対物レンズの結像状態を歪ませることにより、光電変換素子上では対物レンズのデフォーカスに伴う２次像の移動方向に各センサ列を配列できることになる。
【００７４】
より詳しくは図１０に線５２３で示した対物レンズの光軸と反射鏡による偏向後の光軸とで形成される平面と、測距視野との位置関係として平面５２３の付近ではほぼこれに平行に測距視野を配置し、平面５２３から離れるに従ってこの平面との傾きを大きくしている。また傾斜の方向は本実施形態のように反射鏡が対物レンズの光軸を下向きに偏向する際、図１０に示したフィルム面上において上に向いて開く扇型状である。
【００７５】
図４は以上の各事項を考慮した光電変換素子を示している。
【００７６】
以上の実施形態は図４に示すように光電変換素子１１上に被写体像に関する２つの光量分布を上下に形成しその上下方向のずれを検出するものであった。このような構成の焦点検出装置においては横線のような縦方向に濃淡のある被写体に対してのみ焦点検出が可能であり、縦線のような横方向に濃淡のある被写体に対しては焦点検出ができない。
【００７７】
図１２はこの点を改善した本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は図２の実施形態１に比べて２つのレンズ９−１，９−２からなる２次結像系９にこれと直交する方向に２つのレンズ９−３，９−４の２つのレンズを新たに配置し、それに対応した絞り８に、新たに開口８−３、８−４と光電変換素子１１上にも、それに対応したエリアセンサ１１−３，１１−４を設けたことが異なっており、その他の構成は同じである。
【００７８】
尚図１２においては煩雑さをさけるため図２で示した絞り８の開口８−１，８−２と光電変換素子１１のエリアセンサ１１−１，１１−２及び光束１２−１，１２−２等は省略している。
【００７９】
図１３は本実施形態２における絞り８の開口形状を示したものである。図中８−３，８−４が新たに付け加えられた開口であり、９−３，９−４はそれに対応してその後方に配置されてた２次結像系９を構成する２つのレンズである。
【００８０】
本実施形態では図１３の絞り８の開口８−３，８−４は同開口８−１，８−２に比べ対物レンズ１０１の瞳の周辺の領域の光を取り入れるように、より外側に配置されている。このような構成とすることで焦点検出の際のいわゆる基線長を長くするようにしている。
【００８１】
本実施形態で新たに付け加えられた絞り８の開口８−３，８−４による焦点検出系は、明るいＦナンバーの対物レンズに対しては焦点検出精度を高めることが可能となる。勿論絞り８の開口８−３，８−４が配置される中心からの位置を同開口８−１，８−２と同一とし、焦点検出精度は同等であるが縦横のどちらか一方にのみ濃淡分布がある被写体に対して対物レンズの明るさに関係なく常に焦点検出を可能とする様に構成することも可能である。
【００８２】
図１４は２次結像レンズ９−３，９−４によって光量分布が形成される光電変換素子１１上のエリアセンサ１１−３，１１−４を示したものである。また、図１５は図６と同様の、光電変換素子１１上の格子図形の投影像を示したものである。
【００８３】
図１４や図１５からわかるように本実施形態では左右方向に被写体像の位相差を検出するエリアセンサ１１−３，１１−４に対応する視野領域は、上下方向に被写体像の位相差を検出するエリアセンサ１１−１，１１−２に対応する視野領域に対して小さく設定している。これは次のような理由による。
【００８４】
即ち、本実施形態においては図１５の矩形像２２−１，２２−２の歪みもしくはその差と矩形像２２−３，２２−４の歪みもしくはその差を同時に小さくすることが必要であるが、２つの被写体像の差が特に問題となる方向が直交しているために、これを両立されることは必ずしも容易ではない。両者の被写体像を形成する光束が第１の反射鏡、第２の反射鏡において共通した領域で反射しているため、これらの反射鏡の形状を工夫することで対応することも困難である。こうした情況において、２組の被写体像のうち一方の位相差を検出する方向を短く設定することは非常に有効である。
【００８５】
また、このような構成により、光電変換素子１１が極端に大きくなるのを避けることができ、限られたカメラ内の空間にも容易に焦点検出装置を配置することが可能となる。さらに焦点検出を２次元の任意の領域で行うためには従来の焦点検出装置に比べ膨大な演算処理が必要であり、センサの画素を必要最小限にすることは迅速な焦点検出を行う上でも有利である。
【００８６】
これまでは位相差検出方式の焦点検出装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、２次結像を行なう他の方式の焦点検出装置、例えば被写体像の鮮鋭度から焦点状態を検出する装置に対しても有効である。一方、本発明は焦点検出可能な領域を２次元の連続した領域に拡張する際に好適に用いられるものであるが、１次元のラインセンサを用いた従来の焦点検出装置を複数配置する様な場合に適用しても、焦点検出位置をより周辺に設定することができる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、対物レンズ（撮影レンズ）の像面側に設ける焦点検出用の光学手段の各要素を適切に設定することにより焦点検出光学系に歪曲収差が存在していても撮影視野内の上下左右方向の任意の領域で又は／及び複数の領域で特に撮影範囲中の上方に焦点検出可能な領域を拡張すると共に、連続した２次元領域内の任意の点においても焦点検出を高精度に行うことができる焦点検出装置及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【００８８】
この他、本発明によれば、焦点検出精度を維持しつつ、焦点検出が可能な領域を飛躍的に拡大することができる。また焦点検出が連続した２次元的領域に拡張され、所望とする任意の位置の被写体に焦点を合わせることが容易にでき、撮影又は観察をする際の構図の設定の自由度が増大する等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】図１の焦点検出装置の一部分の拡大説明図
【図３】図１の絞り及び２次結像系を示す説明図
【図４】図１の光電変換素子を示す説明図
【図５】図１の結像面上での像の歪みを示す説明図
【図６】図１の光電変換素子上での像の歪みを示す説明図
【図７】２次像の歪に沿ってセンサ列を配置したエリアセンサの平面図
【図８】焦点検出光学系の概略構成を示す説明図
【図９】２次像の移動方向を示す平面図
【図１０】フィルム面上での測距視野の配置を示す図
【図１１】ファインダー視野内での測距視野の配置を示す図
【図１２】本発明の実施形態２の焦点検出装置の一部分の拡大説明図
【図１３】本発明の実施形態２の絞り及び２次結像系を示す説明図
【図１４】本発明の実施形態２の光電変換素子を示す説明図
【図１５】本発明の実施形態２の光電変換素子上の像を示す説明図
【図１６】従来の焦点検出装置を有するカメラを示す概略図
【図１７】従来の焦点検出装置を示す概略図
【符号の説明】
１    対物レンズの光軸
２    フィルム
３    主ミラー
４    第１の反射鏡
５    結像面
６    第２の反射鏡
７    赤外カットフィルター
８    絞り
９    ２次結像系
１０    第３の反射鏡
１１    光電変換素子
１２    光束
１３    光電変換素子上の像
２２    光電変換素子上の像
２４    対物レンズの光軸
１０１    対物レンズ
１０２    主ミラー
１０３    焦点板
１０４    ペンタプリズム
１０５    接眼レンズ
１０６    サブミラー
１０７    フィルム
１０８    焦点検出装置
１０９    視野マスク
１１０    フィールドレンズ
１１１    ２次結像系
１１２    光電変換素子
１１３    絞り
１１４    対物レンズの射出瞳
１１５    光束
【図１】
0003571835.tif 000003
【図２】
0003571835.tif 000004
【図３】
0003571835.tif 000005
【図４】
0003571835.tif 000006
【図５】
0003571835.tif 000007
【図６】
0003571835.tif 000008
【図７】
0003571835.tif 000009
【図８】
0003571835.tif 000010
【図９】
0003571835.tif 000011
【図１０】
0003571835.tif 000012
【図１１】
0003571835.tif 000013
【図１２】
0003571835.tif 000014
【図１３】
0003571835.tif 000015
【図１４】
0003571835.tif 000016
【図１５】
0003571835.tif 000017
【図１６】
0003571835.tif 000018
【図１７】
0003571835.tif 000019