(57)【要約】【課題】周期的なパターンの被写体に対しても、高精度に焦点検出することができる焦点検出装置を提供する。【解決手段】焦点検出装置が、光学系による像に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する焦点検出部と、前記光学系と前記焦点検出部との間の光路中に配置され、前記光学系による像を歪ませる光学部材と、を備える。【選択図】図１
2011043670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系による像に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する焦点検出部と、
前記光学系と前記焦点検出部との間の光路中に配置され、前記光学系による像を歪ませる光学部材と、
を備えることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
前記光学部材は、
前記光学系と前記焦点検出部との間の、前記光学系の像面の近傍に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記光学系からの光束を前記焦点検出部に向けて反射するミラーと、
前記ミラーで反射された光を前記焦点検出部に導く焦点検出光学系と、
を備え、
前記光学部材は、
前記ミラーと前記フィールドレンズとの間に配置される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の焦点検出装置。
【請求項４】
前記光学部材は、
前記光学系の射出瞳位置、前記光学系の絞り開口に等価な位置に配置される、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項５】
前記光学部材は、
不均一な曲率を有するレンズである、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項６】
前記光学部材は、
前記光学系からの光束を前記焦点検出部へ向けるミラーに配置され、不均一な反射面を有する反射部材である、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
前記光学系による像を撮像する撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点検出装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、位相差検出方式の焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８１５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示されるような焦点検出装置において用いられる位相差検出方式では、周期的なパターンの被写体に対して、焦点検出が困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、周期的なパターンの被写体に対しても、高精度に焦点検出することができる焦点検出装置および撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、光学系による像に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する焦点検出部と、前記光学系と前記焦点検出部との間の光路中に配置され、前記光学系による像を歪ませる光学部材と、を備えることを特徴とする焦点検出装置である。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、周期的なパターンの被写体に対しても、高精度に焦点検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の一実施形態による焦点検出装置を備えるカメラの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の焦点検出装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図２の光学部材の第１例を示す構成図である。
【図４】図２の光学部材の第２例を示す構成図である。
【図５】本実施形態において、周期的なパターンの被写体について、光学部材を介して、イメージセンサ上に結像する被写体像を例示する説明図である。
【図６】図５の場合におけるシフト量と相関量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態による焦点検出装置１２０を組み込んだカメラの構造を概念的に説明する図である。ここでは、この焦点検出装置１２０を備えたカメラが、レンズ交換ができるカメラであり、メインミラーなどを備えている場合について説明する。
【００１０】
このカメラは、カメラボディ１００に交換可能に装着されて被写体の像を結像する撮影レンズ１と、撮影レンズ１を通った光束を反射するメインミラー１１０と、メインミラー１１０で反射された光束が結像するスクリーン１１１と、スクリーン１１１に投影された被写体像を観察するためのペンタプリズム１１３及び接眼レンズ１１４と、を備える。
また、このカメラは、メインミラー１１０を透過した焦点検出光を図面において下方に反射するサブミラー１１５と、サブミラー１１５から反射された焦点検出光に基づいて撮影レンズ１の焦点状態を検出する焦点検出装置１２０と、撮影レンズ１に対してメインミラー１１０後方の焦点面に設定されており、撮影レンズ１を通った光束を撮像する撮像部１３０と、を備える。
【００１１】
この焦点検出装置１２０は、位相差方式で合焦状態を検出するため、サブミラー１１５から反射された焦点検出光を瞳分割する焦点検出光学系８と、瞳分割された一対の検出光による像を検出するイメージセンサ９と、イメージセンサ９を制御するとともに撮影レンズ１の焦点状態を検出する制御装置１１とを備える。
【００１２】
この図１のカメラの動作の概要について説明する。被写体から到来した光束は、撮影レンズ１を通ってカメラボディ１００内に設けられているメインミラー１１０により一部反射されてスクリーン１１１へ導かれ、そこに被写体像が結像される。スクリーン１１１上に結像した被写体像は、ペンタプリズム１１３及び接眼レンズ１１４を経て撮影者（ファインダー観察者）に観察される。
【００１３】
一方、メインミラー１１０を透過した焦点検出光は、メインミラー１１０を透過してサブミラー１１５により反射され、焦点検出光学系８を経てイメージセンサ９上に投影される。制御装置１１は、イメージセンサ９の出力に基づいて撮影レンズ１の焦点状態を表す焦点検出信号を出力する。なお、撮影時にはおいては、メインミラー１１０が撮影レンズ１の光路上から待避させられ、メインミラー１１０後方の撮像部１３０により撮像される。
【００１４】
図２は、図１のカメラの構成において、位相差検出をする焦点検出装置１２０の構成を示す図である。なお、この図２において、図１と同様の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００１５】
撮影レンズ１の瞳領域１Ａを通過した光束は、撮像面と等価な一次像面６上で焦点を結んだ後に、焦点検出光学系８のバンドパスフィルター７、視野マスク２、フィールドレンズ３、絞り開口部４Ａ及び再結像レンズ５Ａを順に通過して、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ上に結像する。同様に、撮影レンズ１の瞳領域１Ｂを通過した光束は、撮像面と等価な一次像面６上で焦点を結んだ後に、焦点検出光学系８のバンドパスフィルター７、視野マスク２、フィールドレンズ３、絞り開口部４Ｂ及び再結像レンズ５Ｂを順に通過して、イメージセンサ９のセンサ列９Ｂ上に結像する。
【００１６】
撮影レンズ１の瞳領域１Ａは、絞り開口部４Ａのフィールドレンズ３による逆投影像に等しく、同様に、瞳領域１Ｂは、絞り開口部４Ｂのフィールドレンズ３による逆投影像に等しい。焦点検出光学系８によるイメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂ上に結像した一対の被写体像の２次像は、撮影レンズ１により結像される被写体の鮮鋭像が、一次像面よりも前に像を結ぶ、いわゆる前ピン状態では互いに遠ざかり、逆に、一次像面よりも後に像を結ぶ、いわゆる後ピン状態では互いに近づく。
【００１７】
撮影レンズ１により結像される被写体の鮮鋭像が、一次像面に像を結ぶ、いわゆる合焦時には、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂ上の被写体像は、相対的に一致する。従って、焦点検出光学系８により結像される一対の被写体像の２次像をイメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂで光電変換して電気信号に変換し、これら一対の被写体像信号を演算処理して、一対の被写体像の２次像の相対位置を求めることにより、撮影レンズ１の焦点調節状態、ここでは、合焦状態から離れている量とその方向（以下、デフォーカス量と呼ぶ）を判定する。焦点検出領域は、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂが、焦点検出光学系８により逆投影されて、一次像面近傍で重なった部分となる。
【００１８】
ここで、一次像面６には、光学系による像を歪ませる光学部材１０が配置されている。この光学部材１０は、たとえば、歪みレンズであり、光学系の光軸に対して像を歪ませる。また、この光学部材１０は、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂにおける各センサの並び方向に対して、像を歪ませる（後述する図５（ｃ）と（ｄ）とを参照）。
【００１９】
この光学部材１０は、たとえば、魚眼レンズである。または、光学部材１０は、樽状、糸巻き状の空間歪みを生じるレンズであってもよい。また、図３に示すように、光学部材１０は、凸レンズの一部の曲率を変えたレンズであってもよい。また、図４に示すように、光学部材１０は、波板状の透過部材であって、光学系による像を歪ませる光学部材であってもよい。
【００２０】
次に、図５を用いて、周期的なパターンを被写体が有する場合に、上述した光学部材１０を介して、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂ上に結像する被写体像の一例、ないし、センサ列９Ａ、９Ｂからの出力の一例について説明する。
【００２１】
たとえば、図５（ａ）に示すように、被写体として、図面上横方向に等間隔な白帯と黒帯とが周期的なパターンの場合、上述した光学部材１０（図５（ｂ）参照）を介して、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂ上に結像する被写体像、ないし、センサ列９Ａ、９Ｂからの出力は、図５（ｃ）と（ｄ）とに示すように、図面上横方向に非等間隔な白帯と黒帯とが繰り返し連続する周期的なパターンとなる。この場合、センサ列９Ａからの出力が、図５（ｃ）に示す出力Ａであり、センサ列９Ｂからの出力が、図５（ｄ）に示す出力Ｂである。
【００２２】
この第１実施形態の場合、一次像面６に光学部材１０が配置されている。すなわち、この光学部材１０は、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂとへの光路に分離される前の光路中に配置されている。そのため、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂには、同様に歪ませられた像が写る。また、このイメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂからは、同様に歪ませられた像に基づいた信号が、出力される。このように、光学部材１０は、同じ間隔で周期性の有る被写体に対して、２次結像面上の結像位置を変位させることができる。
【００２３】
次に、制御装置１１が、イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂからの出力に基づいて、デフォーカス量を求める演算処理について説明する。
【００２４】
イメージセンサ９のセンサ列９Ａ、９Ｂは、それぞれ複数の光電変換素子を一方向に連設したものである。各センサ列９Ａ、９Ｂからは、それぞれの光電素子数に対応した複数の光電変換出力ａ１，・・・，ａｎ、ｂ１，・・・，ｂｎ（ここで、ｎは２以上の任意の自然数）が出力される。
【００２５】
制御装置１１は、これらのデータ列を相対的に所定のデータ分Ｌずつシフトしながら相関演算を行う。具体的には、制御装置１１は、相関量Ｃ（Ｌ）を次式（式１）で算出する。
【００２６】
Ｃ［Ｌ］＝Σ｜ａ(ｉ)−ｂ(ｊ)｜  ・・・（式１）
【００２７】
この（式１）において、Ｌはシフト量でｊ−ｉ＝Ｌであり、Σはラインセンサを構成する画素における総和演算、すなわち、上述したラインセンサの第１の端部と第２の端部との間の総和演算を表す。
【００２８】
こうして得られた相関量Ｃ（Ｌ）の中で、極小値となる相関量を与えるシフト量に、光学系及びイメージセンサの光電変換素子のピッチ幅によって定まる定数を掛けたものがデフォーカス量となる。そして、制御装置１１は、このデフォーカス量に基づいて撮影レンズ１を駆動する。
【００２９】
焦点距離情報は、出力ａと出力ｂの位相差で表されているので、結像される被写体の形状、パターンとは相関が無い。波形の周期は、光学部材１０を介して変化しているので、出力ａ−ｂのシフト量を算出した場合、図６に示すように、１箇所のみでパターンは一致し、相関の極小値が出現する。なお、この図６は、図５の場合にセンサ列９Ａ、９Ｂからの出力に基づいたシフト量と相関量との関係を示すグラフである。
【００３０】
従来は、周期的なパターンを被写体が有する場合には、繰返し極小値が出力されて、どこが焦点位置か、判別不可能となる可能性があった。これに対して、上述した本実施形態による方法を用いることにより、周期的なパターンを被写体が有する場合であっても、図６に示すように、極小値は１箇所とすることが出来、よって焦点距離を正確に判別することが可能となる。
【００３１】
なお、周期的なパターンは、人工構造物に多く見受けられるが、光学部材１０の歪みと同じ周期性を持つ被写体の存在は殆どありえない。よって、歪み光学系に起因して偽合焦が生じる可能性は非常に低い。なお、光学部材１０の歪みは、このような人工構造物、または、自然物と一致しないように形成されていることが望ましい。
【００３２】
なお、光学部材１０の歪み量は、同じ周期の縞模様を写した場合に図５（ｃ）と（ｄ）とに示す出力ａ、ｂに例示する様に、周期が多少異なる程度の歪み量を生じさせれば良い。また、歪みにより、光学距離が異ならないように設計を行うことが望ましい。更に、光学部材１０の歪み量は、出力ａ、ｂ共に同一となる様に設計調整されていることが望ましい。
【００３３】
なお、上述した制御装置１１におけるシフト量の演算方法は、従来と同じ方法で良い。これは、シフト量の演算方法においては、周期の位相差を比較するので、出力の波形、位置の差異は影響しないためである。よって、本実施形態においては、従来からの変更点を少なくして、周期的なパターンの被写体に対しても、高精度に焦点検出することができる。
【００３４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態においては、図２に示すフィールドレンズ３に光学部材１０を配置し、図２に示すフィールドレンズ３で歪を生じさせる。この第２実施形態においては、１次像面近傍にあるフィールドレンズ３の形状を変更し、たとえば、図３に示すように、凸レンズの一部の曲率を変えるようにフィールドレンズ３の形状を変更することにより、フィールドレンズ３に光学部材１０を配置する。このようにしても、第１実施形態とほぼ同じ効果を持たせることが可能である。
【００３５】
なお、上述した第１実施形態においては、一次像面６に光学部材１０が配置されている場合、すなわち、撮影レンズ１などの光学系とイメージセンサ９との間の、光学系の像面に光学部材１０が配置されている場合について説明したが、この第２実施形態のように、光学部材１０は、光学系の像面の近傍に配置されていてもよい。この光学系の像面の近傍とは、たとえば、撮影レンズ１からフィールドレンズ３の間の、任意の位置である。このように、光学系の像面の近傍に光学部材１０が配置されていても、一次像面６に光学部材１０が配置されている場合と同様の効果が得られる。
【００３６】
＜第３実施形態＞
第３実施形態においては、図２に示す絞り開口部４Ａ，４Ｂの瞳内に、絞り開口部４Ａ，４Ｂ両方に同一の歪みを生じる光学部材１０を、それぞれ配置して、像に歪みを生じさせる。
【００３７】
絞り開口部４Ａ，４Ｂの瞳は、第２実施形態におけるフィールドレンズ３による焦点に相当するが、瞳位置のそれぞれに、歪み光学レンズなどの光学部材１０を配置しても、第１実施形態または第２実施形態と同様の効果が得られる。なお、瞳内に歪みレンズを配置する場合、絞り開口部４Ａ，４Ｂの両方に同じ歪みを生じさせる様に、絞り開口部４Ａ，４Ｂに同じ形状の歪みレンズを光学部材１０として配置することが望ましい。
【００３８】
＜第４実施形態＞
第４実施形態においては、図２に示す再結像レンズ５Ａ、５Ｂの位置に光学部材１０を、それぞれ配置して、像に歪みを生じさせる。このようにして、絞り開口部４Ａ，４Ｂの近傍である再結像レンズ５Ａ、５Ｂで、歪みを生じさせても、第３実施形態と同様の効果が得られる。なお、第３実施形態と同様に、再結像レンズ５Ａ、５Ｂの両方の位置に、同一の歪みを生ずる歪みレンズを光学部材１０として配置することが望ましい。
【００３９】
＜第５実施形態＞
第５実施形態においては、図２に示す撮影レンズ１の領域１Ａ、１Ｂの位置に、光軸を中心に光学部材１０を各々配置する。すなわち、光学系の射出瞳位置に、光学部材１０を配置する。
【００４０】
ただし、通常は撮影レンズ１内にこの仮想平面（射出瞳と呼ぶ）が来るように設計されているが、撮影レンズ１内に歪みレンズまたはミラーである光学部材１０を配置すると、撮影する映像に歪みが生じる可能性がある。そのため、射出瞳位置に光学部材１０を配置する場合には、設計時に射出瞳位置を撮影レンズ１よりイメージセンサ９の方にずらすようにして設計を行うことが望ましい。
【００４１】
そこで、撮像画像に影響を与えず、かつ、本実施形態の主旨に適した位置として、サブミラー１１５の位置に射出瞳を設計し、サブミラー１１５に歪み光学系としての光学部材１０を配置することが望ましい。この場合の光学部材１０は、サブミラー１１５に配置され、不均一な反射面を有する反射部材、たとえば、歪みを有しているミラーである。このようにしても、第１実施形態から第４実施形態とほぼ同じ効果が得られる。
【００４２】
上述した第１実施形態から第５実施形態のうちのいずれの実施形態においても、上述した効果と同様の効果が得られる。また、第１実施形態から第５実施形態のうち、任意の実施形態を組み合わせても、上述した効果と同様の効果が得られる。
【００４３】
なお、イメージセンサ９は、第１の光路に分離された光を受光するセンサ列９Ａと、第２の光路に分離された前記光を受光するセンサ列９Ｂとを備えているが、光学部材１０は、一次像面６の近傍に配置されることが望ましい。
【００４４】
このように、一次像面６の近傍に配置される光学部材１０は、光路が１つであるために、１つの部材で構成することができる。これに対して、上記に第３実施形態または第４実施形態に示すように、分離された後の光路に配置される光学部材１０は、２つの部材で構成される。そして、このように２つの部材で構成される光学部材１０は、互いの歪みが同一である必要がある。よって、一次像面６の近傍に配置される光学部材１０は、分離された後の光路に配置される光学部材１０に対比して、光学部材１０の製造が容易となる効果がある。
【００４５】
なお、上記の説明においては、カメラが、焦点検出装置１２０と、この焦点検出装置１２０とは異なる撮像部１３０と備えており、また、メインミラーなどを備えている場合について説明した。しかし、上述した本実施形態は、このような形態のカメラへの適応に限られるものではない。たとえば、焦点検出装置１２０と撮像部１３０とが一体とされており、メインミラー１１０やサブミラー１１５を備えていないカメラにも適応可能である。
【００４６】
この場合、たとえば、撮像部１３０の撮像素子配列中に撮像光学系の瞳の一部からの光束を受光する焦点検出用画素を混在配置して構成したイメージセンサを用いるようにすればよい。
【００４７】
このイメージセンサは、たとえば、図２の撮像部１３０の位置に配置される。そして、この場合、光学部材１０は、たとえば、メインミラー１１０またはサブミラー１１５の位置であって、撮影レンズ１からイメージセンサまでの光路中に配置される。
【００４８】
このような場合、焦点検出時または非撮影時には、被写体から到来した光束は、撮影レンズ１を通って、光学部材１０を介して、イメージセンサに照射される。この場合も、光学部材１０は非対称に像を歪ませるため、周期的なパターンを被写体が有する場合であっても、焦点検出装置またはこの焦点検出装置を備えるカメラは、高精度に焦点検出することができる。
【００４９】
そして、撮影時には、光学部材１０は撮影レンズ１の光路上から待避させられるために、被写体から到来した光束は、撮影レンズ１を通って、イメージセンサに照射される。よって、撮影時に、カメラは、光学部材１０による像の歪みがなく、撮像することができる。
【００５０】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００５１】
１…撮影レンズ、２…視野マスク、３…フィールドレンズ、４Ａ、４Ｂ…絞り開口部、５Ａ、５Ｂ…再結像レンズ、６…一次像面、７…バンドパスフィルター、８…焦点検出光学系、９…イメージセンサ、９Ａ、９Ｂ…センサ列、１０…光学部材、１１…制御装置、１１０…メインミラー、１１１…スクリーン、１１３…ペンタプリズム、１１４…接眼レンズ、１１５…サブミラー、１２０…焦点検出装置、１３０…撮像部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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