(57)【要約】予定結像面から第１〜第３の異なる距離に、第１〜第３の液晶フィルタをそれぞれ配設し、液晶フィルタを透過する光束をフォトダイオードで受光し、電気信号に変換する。第１の液晶フィルタに所定空間周波数の濃淡縞パターンを作成し、第２および第３の液晶フィルタは全透過状態としてフォトダイオードから第１の信号を出力する。同様に、第２の液晶フィルタに濃淡縞パターンを作成し、第１および第３の液晶フィルタを全透過として第２の信号を出力し、第３の液晶フィルタに濃淡縞パターンを作成し、第１および第２の液晶フィルタを全透過として第３の信号を出力する。第１〜第３の信号により焦点位置を算出する。
2003029870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定空間周波数の透過特性を有し、光学系からの結像光束をそれぞれ光軸上の異なる位置で変調する複数の空間変調光学フィルタと、
前記各空間変調光学フィルタを介して結像光束を受光して、受光強度に応じた信号をそれぞれ出力する光電変換部と、
前記光電変換部から出力された信号に基づいて前記光学系の焦点位置を算出する演算部とを備える焦点検出装置。
【請求項２】
光軸上の異なる位置にそれぞれ配設され、光学系からの結像光束が順に入射する複数の透過型液晶フィルタと、
前記複数の透過型液晶フィルタのいずれか一つに所定空間周波数の透過特性パターンが形成されるとともに、その他の液晶フィルタが全透過状態とされるように各液晶フィルタを制御する液晶制御部と、
前記複数の透過型液晶フィルタを透過した光束を受光して、受光強度に応じた信号を出力する光電変換部と、
前記透過特性パターンを前記複数の透過型液晶フィルタに順に形成することにより得られる前記光電変換部からの各信号に基づいて、前記光学系の焦点位置を算出する演算部とを備える焦点検出装置。
【請求項３】
光軸上の異なる位置にそれぞれ配設され、光学系からの結像光束が順に入射する複数の透過型液晶フィルタと、
前記複数の透過型液晶フィルタのいずれか一つに開口パターンを形成し、その他の透過型液晶フィルタのいずれか一つまたは前記開口パターンに所定空間周波数の透過特性パターンを形成するとともに、前記開口パターンおよび透過特性パターンのいずれも形成されていない透過型液晶フィルタを全透過状態とするように各透過型液晶フィルタを制御する液晶制御部と、
前記複数の透過型液晶フィルタを透過した光束を受光して、受光強度に応じた信号を出力する光電変換部と、
前記透過特性パターンを前記複数の透過型液晶フィルタに順に形成することにより得られる前記光電変換部からの各信号に基づいて、前記光学系の焦点位置を算出する演算部とを備える焦点検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の焦点検出装置において、
前記液晶制御部は、前記開口パターンが前記透過型液晶フィルタの表示領域の任意の位置に形成されるように制御する。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれかの焦点検出装置において、
前記透過特性パターンは、所定空間周波数の周期で繰り返す濃淡縞パターンである。
【請求項６】
請求項５の焦点検出装置において、
前記演算部は、第１の濃淡縞パターンを前記液晶フィルタに形成して前記光電変換部で偶関数のフィルタリングデータを取得し、その濃淡縞パターンの位相に対して９０度位相差のある濃淡パターンを前記液晶フィルタに形成して奇関数のフィルタリングデータを取得し、それらのデータに基づいて焦点位置を算出する。
【請求項７】
請求項６の焦点検出装置において、
前記演算部は、偶関数のフィルタリングデータと奇関数のフィルタリングデータの絶対値の平均値を用いて焦点位置を算出する。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれかの焦点検出装置において、
前記空間周波数を変更する周波数制御部を有する。
【請求項９】
請求項８の焦点検出装置において、
前記周波数制御部は、前記光学系による焦点位置からのずれ量が大きい条件下では前記空間周波数を大きくし、ずれ量が小さい条件下では前記空間周波数を小さくする。
【請求項１０】
請求項２〜９のいずれかの焦点検出装置において、
前記光電変換部は、前記光学系からの全光束を受光する受光面積を有するフォトダイオード、光電子増倍管、ＣｄＳのいずれかである。
【請求項１１】
請求項２〜１０の焦点検出装置において、
前記複数の液晶フィルタはそれぞれが透明ガラスに挟まれて一体の光学ブロックとして設けられ、その光学ブロックの光束入射面には入射光束を直線偏光光にする第１の偏光板が設けられ、光学ブロックの光束出射面には、前記第１の偏光板と同一の偏光角の第２の偏光板が設けられている。
【請求項１２】
請求項２〜１１の焦点検出装置において、
前記複数の液晶フィルタは３つ設けられる。
【請求項１３】
被写体像を結像する光学系と、
前記光学系の焦点位置を調整する焦点調整部と、
請求項１〜１２のいずれかに記載の焦点検出装置と、
前記焦点検出装置により検出された焦点位置に基づいて前記光学系の焦点位置が所定位置となるように前記焦点調整部を制御する合焦制御部とを備えることを特徴とする合焦システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の合焦システムを有するカメラ。
【請求項１５】
所定空間周波数の透過特性を有する空間変調光学フィルタを用いて光学系からの結像光束を光軸上の異なる位置で変調し、
前記異なる位置で変調された各光束を光電変換部によって順に受光し、
前記光電変換部から順に出力される各信号に基づいて前記光学系の焦点位置を算出する焦点検出方法。
【請求項１６】
請求項１５の焦点検出方法において、
前記透過特性パターンは、所定の空間周波数の周期で繰り返す濃淡縞パターンである。
【請求項１７】
請求項１６の焦点検出方法において、
前記焦点位置は、第１の濃淡縞パターンを前記空間変調光学フィルタに形成して前記光電変換部で偶関数のフィルタリングデータを取得し、その濃淡縞パターンの位相に対して９０度位相差のある濃淡パターンを前記空間変調光学フィルタに形成して奇関数のフィルタリングデータを取得し、それらのデータに基づいて算出される。
【請求項１８】
請求項１７の焦点検出方法において、
偶関数のフィルタリングデータと奇関数のフィルタリングデータの絶対値の平均値を用いて焦点位置が算出される。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光学系の焦点位置を検出する焦点検出装置、その焦点検出装置を用いた合焦システム、その合焦システムを備えたカメラおよび光学系の焦点検出方法に関する。
背景技術
カメラ等で用いられているオートフォーカスシステムとしては、位相差方式やアクティブ方式が知られている。位相差方式ではレンズ出射位置に仮想的に瞳を想定し、その視差から焦点位置を求めている。例えば、視差に対応した多数のＣＣＤを有するＣＣＤアレイを備えている。通常は、フィルム面または合焦を想定する面に共役な位置にフィールドレンズを置き、その後段にＣＣＤアレイの各ＣＣＤに対応する結像光学系が設けられ、被測定光束が各ＣＣＤに結像される。このような位相差方式では、結像面に共役な位置で焦点を測定するため、結像位置での焦点状態をほぼ直接に知ることができる。
一方、アクティブ方式の場合には、一般的に赤外光を被写体に照射して、被写体で反射された光を一定の基線長を持つように置かれたＳＰＤ（シリコン・フォト・ダイオード）等の受光素子で受光し、三角測量の原理を用いて測距を行っている。すなわちアクティブ方式は被写体までの距離を求めるものであり、合焦状態を直接求めているものではない。そのため、アクティブ方式を用いたオートフォーカス装置では、測距された被写体距離に対応して対物レンズを繰り出すようにしている。
また、上述した二つの方式に加えて、ビデオカメラやデジタルカメラ等の電子撮像装置に採用されているコントラスト方式と呼ばれるオートフォーカスシステムがある。この方式では、合焦レンズを駆動させながら撮像素子で画像を撮像し、撮像素子の出力を利用して合焦状態を求めている。通常、撮像画像のコントラスト情報が最も高まったときが合焦状態であるとされる。この方式は、合焦状態を検出する素子と撮像素子とが同一なので、機械的誤差や調整誤差等の影響を受けないという利点がある。
しかしながら、位相差方式の焦点検出方法では、検出領域および視差に対応した数のＣＣＤを用意する必要があり、さらに、各ＣＣＤに対して結像光学系をそれぞれ備える必要があった。そのため、被写体画面全域に分布するようにＡＦ領域を設けることは光学系の構成上困難であり、せいぜい数個の領域が設けられるのが一般的である。また、いったん所定の構成で製作されたシステムは変更が困難であり、使用状況に応じて構成を変更することはできない。
一方、アクティブ方式は上述したように測距装置であり、対物レンズと連動したフィードバックループを有するオートフォーカスシステムとして機能させることができない。すなわち、オープンなシステムとして使用せざるを得ず、装置の組立調整誤差やオートフォーカスを実行するまでのシステムの影響を受け易く、精密で補正の効く堅牢なシステムを望めない。
また、コントラスト方式の場合には、画像を撮像しながらレンズを移動してコントラストの山を見つける手法が採用されるので、合焦速度の点で問題があった。すなわち、ビデオレートでしかＡＦ信号が更新できず、しかも、コントラストの山は合焦点を通り越して始めて分かるというものなので、合焦点にたどり着くまでに相当の時間を要するという欠点があった。
発明の開示
本発明の目的は、容易に焦点位置が検出でき構造の簡単な焦点検出装置およびその焦点検出装置を用いた合焦システム、さらには、その合焦システムを有するカメラ、および焦点検出方法を提供することにある。
本発明による焦点検出装置は、所定空間周波数の透過特性を有し、光学系からの結像光束をそれぞれ光軸上の異なる位置で変調する複数の空間変調光学フィルタと、各空間変調光学フィルタを介して受光して、受光強度に応じた信号をそれぞれ出力する光電変換部と、光電変換部から出力された信号に基づいて光学系の焦点位置を算出する演算部とを備える。
空間変調光学フィルタを透過型液晶フィルタで構成することができる。この場合、複数の透過型液晶フィルタのいずれか一つに所定空間周波数の透過特性パターンが形成され、その他の透過型液晶フィルタが全透過状態とされるように各透過型液晶フィルタを液晶制御部で制御する。すなわち、光電変換部で複数個のデータを所得し、それら複数のデータから焦点位置を算出する。
複数の透過型液晶表示装置のいずれか一つに開口パターンを形成し、その他の透過型液晶フィルタのいずれか一つまたは開口パターンに所定空間周波数の透過特性パターンを形成するとともに、開口パターンおよび透過特性パターンのいずれも形成されていない透過型液晶フィルタを全透過状態とするようにしても良い。開口パターンを透過型液晶フィルタの表示領域の任意の位置に形成しても良い。
上記空間周波数を変更しても良い。光学系による焦点位置からのずれ量が大きい条件下では空間周波数を大きくし、ずれ量が小さい条件下では空間周波数を小さくすればよい。
光電変換部は、光学系からの全光束を受光する受光面積を有するフォトダイオード、光電子増倍管、ＣｄＳのいずれかが好ましい。
複数の液晶フィルタを、それぞれが透明ガラスに挟まれて一体の光学ブロックとして設けることができる。そして、その光学ブロックの光束入射面には入射光束を直線偏光光にする第１の偏光板を設け、光学ブロックの光束出射面には、第１の偏光板と同一の偏光角の第２の偏光板を設けるのが好ましい。
液晶フィルタを３つ設ける場合、予定結像面から第１〜第３の異なる距離に、第１〜第３の液晶フィルタをそれぞれ配設し、液晶フィルタを透過する光束をフォトダイオードなどの光電変換部で受光し、電気信号に変換する。第１の液晶フィルタに所定空間周波数の濃淡縞パターンを作成し、第２および第３の液晶フィルタは全透過状態としてフォトダイオードから第１の信号を出力する。同様に、第２の液晶フィルタに濃淡縞パターンを作成し、第１および第３の液晶フィルタを全透過として第２の信号を出力し、第３の液晶フィルタに濃淡縞パターンを作成し、第１および第２の液晶フィルタを全透過として第３の信号を出力する。第１〜第３の信号により焦点位置を算出する。
本発明による合焦システムは、被写体像を結像する光学系と、光学系の焦点位置を調整する焦点調整部と、上記焦点検出装置と、その焦点検出装置により検出された焦点位置に基づいて光学系の焦点位置が所定位置となるように焦点調整部を制御する合焦制御部とを備える。この合焦システムをカメラに搭載することができる。
本発明による焦点検出方法は、所定空間周波数の透過特性を有する空間変調光学フィルタを用いて光学系からの結像光束を光軸上の異なる位置で変調し、異なる位置で変調された各光束を光電変換部によって順に受光し、その光電変換部から順に出力される各信号に基づいて光学系の焦点位置を算出する。
上記透過特性パターン、すなわち変調パターンは、所定空間周波数の周期で繰り返す濃淡縞パターンである。フーリエｃｏｓ波に相当する透過率の濃淡縞パターン、あるいは、フーリエｓｉｎ波に相当する透過率の濃淡縞パターンを採用できる。濃淡縞パターンを通過する光束はフーリエ変換されたことになり、フィルタの所定位置における所定空間波長の空間周波数成分が解析できる。換言すると、焦点位置からの像ずれ量に応じて空間周波数成分が減衰されるから、複数の空間変調光学フィルタ、たとえば複数の液晶フィルタの透過光束の複数の信号強度により像ずれ量を算出できる。
第１の濃淡縞パターンを液晶フィルタなどに形成して光電変換部で偶関数のフィルタリングデータを取得し、その濃淡縞パターンの位相に対して９０度位相差のある第２の濃淡パターンを液晶フィルタなどに形成して奇関数のフィルタリングデータを取得し、それらのデータに基づいて焦点位置を算出してもよい。具体的には、偶関数のフィルタリングデータと奇関数のフィルタリングデータの絶対値の平均値を用いて焦点位置を算出する。９０度位相差のあるデータを使用することにより、焦点検出対象が動体であっても正確な焦点検出ができる。
本発明によれば、光電変換部で検出される光強度のピーク位置が光学系の焦点位置と一致しているので、結像光束を光軸上の異なる位置で変調したときに得られる各信号に基づいて信号のピーク位置を算出することにより、光学系の焦点位置を容易に求めることができる。また、空間変調光学フィルタや透過型液晶フィルタで変調された光束の強度を光電変換部で検出する構成としたことにより、装置構成を簡素化することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
−第１の実施の形態−
《装置構成の説明》
図１は本発明による焦点検出装置の第１の実施の形態を用いたオートフォーカスシステムの概略構成を示すブロック図である。撮影レンズ８から出射された被写体光は、検出部１によって検出される。検出部１はフィルタブロック２と光電変換素子であるフォトダイオード３とから成る。光電変換素子にはＣｄＳ等を用いても良い。図１では撮影レンズ８の後方に検出器１を図示しているが、実際には、検出部１は撮像面または合焦を想定する面とほぼ共役な位置に配設される。レンズ８を通過した被写体光は不図示の銀塩フィルムやＣＣＤ撮像素子等に導かれるが、その光路途中で分割されて検出部１にも入射する。
フィルタブロック２は３つのフィルタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備えており、光軸に沿ってフォトダイオード３側から順にフィルタ２Ａ，フィルタ２Ｂおよびフィルタ２Ｃが配設されている。後述するようにフィルタ２Ａ〜２Ｃは液晶フィルタで構成されており、各フィルタ２Ａ〜２Ｃの液晶の状態はフィルタ制御部４Ａ〜４Ｃによってそれぞれ独立に制御される。フォトダイオード３の出力はアンプ５により増幅された後に、Ａ／Ｄコンバータ６によりデジタル信号に変換されて制御装置７に入力される。制御装置７の演算部７ａでは、入力された信号に基づいて焦点検出状態が演算される。制御装置７は、フィルタ制御部４Ａ〜４Ｃを制御するとともにレンズ駆動装置９を制御して、オートフォーカス動作を行わせる。
図２は検出部１の構造を示す図である。図２において１１Ａ，１１Ｂは偏光板、１４はガラス基板である。各ガラス基板１４は所定のピッチｄで配設されている。一対のガラス基板１４に挟まれてフィルタ２Ａ〜２Ｃが設けられている。なお、本実施の形態では、被写体光束の全体を受光して焦点検出を行うように構成した。そのため、フォトダイオード３の受光面は、像面における被写体像全体を十分カバーできるだけの面積を有している。ただし、被写体光束の一部で焦点検出を行う場合には、受光面はその部分をカバーできるだけの大きさを有していれば良い。
図２に示すようにフィルタ２Ａ〜２Ｃは、それぞれ一対の透明導電膜１３とその間の液晶１２とから構成される。４枚のガラス基板１４と３組のフィルタ２Ａ〜２Ｃは、偏光板１１Ａ，１１Ｂの間に挟まれている。上述したようにガラス基板１４はピッチｄで並べられているので、フィルタ２Ａ〜２Ｃの間隔もｄとなっている。なお、図２では偏光板１１Ａ，１１Ｂを３層の液晶１２に対して共通のものとしているが、図３に示すようにそれぞれが独立して一対の偏光板を有する透過型液晶パネル１５を３組積層してフィルタ２Ａ〜２Ｃとしても良い。
図２の左側から検出部１に入射した被写体光束は、偏光板１１Ａにより直線偏光した光とされる。この光は、各フィルタ２Ａ〜２Ｃの液晶１２を通過する間に偏向角が変えられる。その結果、偏向板１１Ｂから出射した光の強度は、偏向板１１Ｂの透過軸と直線偏光の振動方向との角度に依存したものとなる。例えば、透過軸と振動方向との角度をδとすれば、透過光の強度はｃｏｓδの二乗に比例することになる。すなわち、液晶フィルタ２Ａ〜２Ｃをフィルタ制御部４Ａ〜４Ｃで制御して、フィルタ２Ａ〜２Ｃを通過する間の偏向角の変化量を調整することにより、透過光の強度を変えることができる。
例えば、δ＝０（ｄｅｇ）であれば入射光は全て透過され、δ＝９０（ｄｅｇ）であれば入射光はフィルタによって全て遮光されることになる。これらの制御は各フィルタ２Ａ〜２Ｃ毎に行うことができるとともに、種々の透過パターンを各フィルタ２Ａ〜２Ｃに形成することができる。例えば、透過・不透過のパターンを縞状に形成したフィルタ２Ｂをフォトダイオード３側から観察すると、透過光の強度が縞状に変化しているため、図４に示すような濃淡縞パターンが観察される。以下では、このような場合には、「フィルタ２Ｂに図４に示すような濃淡縞フィルタパターンが形成されている」と表現することにする。
本実施の形態では、図４に示すような空間周波数を持つ濃淡フィルタパターンをフィルタ２Ａ〜２Ｃに個別に形成する。このようなフィルタ２Ａ〜２Ｃを光束中に挿入するということは、フィルタに入射する光束を空間的に変調することと等価である。変調された光束は、フォトダイオード３によってその光強度に対応する電流に変換される。
《デフォーカスについて》
まず、焦点はずれ量であるデフォーカスについて説明する。図５に示すように、フィルタ２Ｂの右側の位置ｘにレンズ８の焦点２０がある場合について考える。位置ｘでの被写体像のボケ具合は、焦点２０を頂点とする円錐２１をフィルタ２Ｂが切断する面の直径ｒで表現することができる。光軸と円錐の母線とのなす角をθとすると、直径ｒは次式（１）のように表される。
ｒ＝２ｘｔａｎθ    …（１）
この系でｔａｎθはレンズのＦ値（＝焦点距離／口径）の逆数と１／２との積であるので、ぼけ具合であるｒは次式（２）で表せる。
ｒ＝ｘ／Ｆ    …（２）
このｒは一次フィルタの減衰の波長と考えることができる。従って、ぼけ効果によって生じる被写体像の空間波長Ｒでの減衰ｆは次式（３）のように表される。
ｆ＝１／｛１＋ｉ（ｘ／ＲＦ）｝    …（３）
次式（４）のＩはｆの絶対値を取ったものであり、波長Ｒの空間周波数成分のデフォーカス量ｘによる減衰を表している。
Ｉ＝１／｛１＋（ｘ／ＲＦ）２｝１／２    …（４）
後述するように、このＩはフォトダイオード３により検出される光の強度に対応しており、本実施の形態では検出される光の強度もＩと表すことにする。
《焦点検出方法》
式（４）は、波長Ｒの空間周波数成分の減衰がデフォーカス量ｘによって規定されていることを示している。このことは、複数の場所における波長Ｒの空間周波数成分が分かれば、デフォーカス量ｘが推定することができることを示唆している。図６の曲線Ｌ１はデフォーカス量ｘに対するＩの変化を示したものである。ｘ＝０では、すなわち、フィルタ２Ｂが焦点位置にある場合にはＩ＝１で、ｘの絶対値が大きくなるほどＩは小さくなる。所定位置における波長Ｒの空間周波数成分を調べるには、その位置で光束をフーリエ変換してやれば良い。
ところで、図４に示す濃淡縞フィルタパターンは画面中央を原点とする左右に対称なパターンであり、フーリエｃｏｓ波に相当する透過率を有している。なお、不透過部から隣の不透過部までの距離が波長Ｒである。このような濃淡縞フィルタパターンを有するフィルタ２Ｂを光束中に挿入すると、このフィルタ２Ｂを透過する光束はフーリエｃｏｓ変換を受けることになる。すなわち、フォトダイオード３に向かう光束の強度は下記の式（５）とすることができる。
Ｉθ＝Ｉ０∫ｆ（ｘ）ｃｏｓθｆｄｘ    …（５）
ここで、Ｉ０は、光学系も含めた液晶フィルタの透過率を表す係数である。また、ｃｏｓθｆがフーリエｃｏｓ変換を表す。
式（５）においてθは空間波長がＲのときの空間周波数であり、Ｉθは波長Ｒの空間周波数成分を表している。なお、フィルタ２Ｂにフーリエｓｉｎ波に相当する透過率の濃淡縞フィルタパターンを形成すれば、フーリエｓｉｎ変換に相当するＩθが得られる。焦点位置算出の際には、いずれの変換を用いても良い。
このようにフィルタ２Ｂで変調された光束をフォトダイオード３で受光すると、フォトダイオード３の出力はハード的にフーリエ変換された強度になる。濃淡縞フィルタパターンの波長Ｒを変更すると、波長Ｒに応じたフーリエ変換が行われることになる。そのため、種々の位置ｘに対して測定された出力を図６のｘ−Ｉ平面上にプロットすると、それらのデータは図６の曲線Ｌ１と同一プロファイルを有する曲線となる。すなわち、ｘ＝０にピークを有する曲線となる。
図２に示したように、検出部１はピッチｄで配置された３つのフィルタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを有している。そのため、フィルタ２Ａに濃淡縞フィルタパターンを形成してその他を全透過パターンとした場合、フィルタ２Ｂに濃淡縞フィルタパターンを形成してその他を全透過パターンとした場合、フィルタ２Ｃに濃淡縞フィルタパターンを形成してその他を全透過パターンとした場合の３つのデータを同一被写体像に関して得ることができる。
本実施の形態では、フィルタ２Ｂの位置が撮像装置の撮像面と共役な位置となるようにフィルタブロック２が配設されているとする。そのため、フィルタ２Ｂに濃淡縞フィルタパターンを形成したときに観測される光強度Ｙｂは次式（６）のようになる。フィルタ２Ａに濃淡縞フィルタパターンを形成した場合には、下記の式（７）の光強度Ｙａが、フィルタ２Ｃに濃淡縞フィルタパターンを形成した場合には、下記の式（８）の光強度Ｙｃがそれぞれ観測される。なお、ａは光束に減衰がないときに観測される光強度を表している。各観測データＰ１〜Ｐ３を光強度曲線Ｙ上にプロットすると図７のようになる。
Ｙｂ＝ａ／｛１＋（ｘ／ＲＦ）２｝１／２            …（６）
Ｙｃ＝ａ／｛１＋（（ｘ＋ｄ）／ＲＦ）２｝１／２    …（７）
Ｙａ＝ａ／｛１＋（（ｘ−ｄ）／ＲＦ）２｝１／２    …（８）
これらの方程式（６）〜（８）から、未知数であるフィルタ２Ｂの位置ｘおよび減衰がないときの光強度ａを算出することができる。位置ｘの正負に関しては、図５のように焦点２０よりもレンズ８方向にある場合を正とする。例えば、図７に示すデータ例では、レンズ８の焦点位置はフィルタ２Ｂの後方の距離ｘの位置にあることになる。そして、レンズ８をレンズ駆動装置９で駆動して焦点位置を前方に距離ｘだけ移動させれば合焦状態となる。
ところで、上述した例では、２つの未知数ｘ，ａに対して方程式は３つあるので冗長性があるといえる。よって、前述したボケの程度を表す減衰の定数ｒ（式（３））に関しても、焦点検出時の測定データから算出することができる。この定数ｒは、レンズ８の構成や被写体の位置によっては必ずしも正確に所定のボケを示していない可能性があるので、実態に即した計算が望ましい。
《フィルタパターンについて》
上述した式（４）によれば、強度Ｉはフィルタ２Ａ〜２Ｃの空間波長Ｒに依存している。図８の曲線Ｌ１１〜Ｌ１３は、異なる空間波長Ｒに対する光強度Ｉを示したものである。曲線Ｌ１１の波長Ｒ１に対して、曲線Ｌ１２の波長Ｒ２はＲ２＝Ｒ１／２であり、曲線Ｌ１３の波長Ｒ３はＲ３＝Ｒ１／４である。すなわち、縞パターンの波長Ｒを小さくするほど曲線のピーク形状が鋭くなる。
そのため、焦点位置がフィルタ２Ａ〜２Ｃに近い場合には、焦点位置付近の変化が大きい曲線Ｌ１３の方が焦点位置の算出精度が高くなる。逆に、焦点位置がフィルタ２Ａ〜２Ｃから離れている場合には、得られるデータは曲線Ｌ１１〜Ｌ１３の裾野付近の値なので、比較的変化が大きくかつ出力の大きな曲線Ｌ１１の方が焦点位置が算出しやすい。言い換えると、デフォーカス量ｘが大きい場合には濃淡縞フィルタパターンの波長Ｒを大きくし、デフォーカス量ｘが小さい場合に波長Ｒを小さくして精度の高い焦点位置検出を行うようにする。例えばカメラに搭載した場合には、ＡＦ（オートフォーカス）開始時にはＲを大きくし、合焦状態に近づいたならばＲを小さくすれば良い。また、得られた出力値が算出に必要な基準値よりも小さい場合には、波長Ｒをより大きくしてデータを取り直せば良い。基準値の例としては、後述する光の直流成分Ｉｃに一定の比率ｋを乗算したｋ・Ｉｃを用いることができる。
図７のデータＰ１〜Ｐ３は、フィルタ２Ａ〜２Ｃの順に濃淡縞フィルタパターンを形成することにより順に取得される。比較すべき光強度Ｉは同一画像に対する強度であるので、データ取得中は被写体が静止していることが好ましい。しかしながら、実際には被写体が画面内で動いてしまう可能性が、すなわち位相がずれる可能性が大きい。このような場合には、フーリエ変換の実部（ｃｏｓ変換）または虚部（ｓｉｎ変換）のどちらかを採用するのではなく、その両方から絶対値を取ってやればこのような位相のずれにも対応できる。
具体的には、画面中心に対して偶関数（ｃｏｓ）のフィルタパターンを表示したときのデータＹｃｏｓと、奇関数（ｓｉｎ）のフィルタパターンを表示したときのデータＹｓｉｎとを用いて、次式（９）のように絶対値Ｙをとってやれば良い。
Ｙ＝（Ｙ２ＣＯＳ＋Ｙ２ＳＩＮ）１／２    …（９）
通常は実部のみを対象とすれば十分であるが、より精密な測定を行うためにはこのような具関数の縞と奇関数の縞とを表示して、絶対値Ｙを用いて焦点位置を算出すれば良い。そうすることによって、ブレにも強い焦点検出を行うことができる。
《実際の動作について》
フィルタ２Ａ〜２Ｃにフィルタパターンを形成して、そのときの光強度をフォトダイオード３で検出する際には、フィルタ２Ａ〜２Ｃの液晶１２のコントラストおよびフォトダイオード３の校正データを取得しておく必要がある。これは、フォトダイオード３には暗電流があり、液晶１２も透過状態および遮光状態で１００％透過および１００％遮光とならないためである。
最初に、全てのフィルタ２Ａ〜２Ｃの液晶１２を透過状態にして、そのときのフォトダイオード３の出力Ｉｃを記録する。次に、フィルタ２Ａ〜２Ｃのいずれか１つを全遮光状態にしてフォトダイオード３の出力Ｉｄを記録する。このとき、残り２つのフィルタは透過状態にしたままとする。ここでは、フィルタ２Ａ〜２Ｃの遮光状態は全て同じとして、代表一つについてだけＩｄを測定したが、もちろん、フィルタ２Ａ〜２Ｃのそれぞれを全遮光状態にした３種類の出力Ｉｄをそれぞれ測定しても良い。３種類の出力Ｉｄを用いて演算を行えば、より精度良く焦点位置演算を行うことができる。
フォトダイオード３の出力がＩｒであった場合、このときの実効的な光強度Ｉは、次式（１０）に示すように検出値Ｉｒから暗電流による出力Ｉｄを引いた値となる。
Ｉ＝Ｉｒ−Ｉｄ    …（１０）
当然、フィルタ２Ａ〜２Ｃの全てを透過状態とした全開出力の実効値Ｉｃｃは式（１１）で表され、これは０次のフーリエ出力（直流成分）である。
Ｉｃｃ＝Ｉｃ−Ｉｄ    …（１１）
なお、Ｉｃは、全てのフィルタ２Ａ〜２Ｃの液晶１２を透過状態にして、そのときのフォトダイオード３の出力である。
このＩｃｃを参考データとして、計測された値が信頼できるかどうかを判定することができる。
前述したように、図４に示すようなｃｏｓ波に相当する透過率を有する濃淡縞フィルタパターンが形成されたフィルタを光束中に挿入すると、光束はフーリエｃｏｓ変換を受ける。濃淡縞フィルタパターンの空間波長Ｒを大きくしたり小さくしたりすることで、各種空間波長Ｒに対応するフーリエ変換がフォトダイオード３から出力される。ただし、暗電流による出力Ｉｄなどを考慮すると出力Ｉｃｏｓは次式（１２）のようになる。
ＩＣＯＳ＝∫ｆ（ｘ）ｃｏｓθｆｄｘ＋（Ｉｃ＋Ｉｄ）／２    …（１２）
また、図４に示す濃淡縞フィルタパターンの位相をπ／２だけずらして表示すると、次式（１３）で表されるフーリエｓｉｎ変換となる。
ＩＳＩＮ＝∫ｆ（ｘ）ｓｉｎθｆｄｘ＋（Ｉｃ＋Ｉｄ）／２    …（１３）
ここで、ｓｉｎθｆがフーリエｓｉｎ変換を表す。
前述した式（９）におけるＹｃｏｓおよびＹｓｉｎは、これらのＩｃｏｓおよびＩｓｉｎからオフセット成分（第２項）を除いたものである。
図３のように汎用の液晶板１５をフィルタ２Ａ〜２Ｃとして使用する場合には、非常に小さな波長の濃淡縞フィルタパターンを表示する場合に量子化のレベルが無視できなくなる。このような場合には、単一のｃｏｓ波（またはｓｉｎ波）ではなく、高調波成分の素性がよく分かっている矩形波を使用すると良い。図９はそのようなフィルタパターンを示したものであり、（ａ）は縦縞を形成したもので、（ｂ）は横縞を形成したものである。図９（ａ）の場合には、全透過の縦縞領域２０Ａと全遮光の縦縞領域２０Ｂとを左右方向に交互に繰り返し表示したものである。図９（ｂ）の場合には、全透過の横縞領域２１Ａと全遮光の横縞領域２１とを上下方向に交互に繰り返し表示したものである。
単一のｓｉｎ波やｃｏｓ波に比べて、矩形波は理想的とはいえないものの問題なく実用に供することができる。また、液晶でグラデーション表示する場合の難しさを考えると、表示の単純さからｓｉｎ波やｃｏｓ波よりも扱いやすいと言える。
なお、被写体に横方向のコントラスト変化がほとんど無い場合には、図４や図９（ａ）のような縦縞パターンで変調すると出力値が非常に小さくなり演算ができない。そこで、そのような場合には図９（ｂ）に示すような横縞パターンを形成して焦点位置の演算を行う。逆に、被写体に縦方向のコントラスト変化がほとんど無い場合には、横縞パターンでは出力値が非常に小さくなるので、縦縞パターンを形成して焦点位置演算を行う。また、縞パターンは縦縞および横縞に限らず、斜め方向に傾いた縞パターンでも良い。この場合には被写体に縦方向のコントラストおよび横方向のコントラストのいずれにも対応することができる。
［変形例］
上述した第１の実施の形態では、液晶１２を用いた３つのフィルタ２Ａ〜２Ｃを使用してフィルタブロック２としたが、このフィルタの数は必ずしも３つに限らない。すなわち、液晶１２で表示可能なフレーム数が多くなれば、より多くのフィルタを用いても、静止画像と見なせる範囲内で各フィルタのフーリエ変換出力値を検出することができる。その結果、演算精度の向上を図れる。しかしながら、現状では、液晶１２のオン・オフ動作時間がフィルタ数に対する制限となっている。
ところで、式（６）〜（８）に示したように強度Ｙの未知数はｘとａの２つである。そのため、フィルタは最低限２つあれば良く、そうすることにより装置構成もより簡素化できる。図１０に示した検出部１００は、フィルタブロック１０１に２つのフィルタ２Ａ，２Ｂを備えたものである。図２に示した検出部１と図１０の検出部１００とはフィルタの数が異なるだけで、フィルタ２Ａ，２Ｂの詳細構造は同一である。この装置の場合には、上述した式（６），（７）で表される二つのデータが観測され、これらの式（６），（７）を解いてｘおよびａを求めれば良い。ただし、Ｙａ＝Ｙｂとなった場合には、フィルタ２Ａ、２Ｂは焦点を挟んで焦点位置から等距離にあると考えられるので、それらの中間位置ｘ＋ｄ／２に焦点があるものとする。
−第２の実施の形態−
第１の実施の形態ではレンズ８からの全光束を用いて焦点検出を行ったが、画面のある特定領域の光束を用いて焦点検出を行っても良い。図１１はフィルタ２Ｃに表示されたフィルタパターンを示す図である。フィルタパターンには矩形の窓２０１が形成されており、窓２０１の領域には図４に示したパターンと同様の濃淡縞パターンが形成されている。窓２０１の外側の領域は全遮光状態となっている。なお、窓２０１の形状は矩形に限らない。フィルタ２Ｃに液晶フィルタを用いる場合、窓２０１を形成する位置は、画素による量子化という問題を除けば任意の場所に任意の大きさおよび形状で形成することができる。
第１の実施の形態ではフィルタ２Ａ〜２Ｃの全てを全透過状態にして全開出力Ｉｃを校正データとして検出したが、第２の実施形態では窓２０１を形成するフィルタに関しては、窓２０１の領域のみを全透過状態とする。そのため、Ｉｃは窓２０１の形態により異なるローカル変数となる。なお、窓２０１が形成されたフィルタ２Ｃ以外のフィルタ２Ａ、２Ｂは、第１の実施の形態と同じように全透過状態とされる。
焦点検出の際の、すなわちフーリエ変換の際のフィルタ制御方法としては次のような方法がある。
一つには、窓２０１をフィルタ２Ａ〜２Ｃの特定のもの、例えばフィルタ２Ｃに形成する。データ取得の手順としては、まず、図１２（ａ）に示すようにフィルタ２Ｃに窓２０１を形成し、窓２０１内の全領域を透過状態とする。フィルタ２Ｂは全透過状態とし、フィルタ２Ａには図４と同様の濃淡縞フィルタパターンを形成する。この状態でフォトダイオード３の出力を第１のデータとして取得する。
次に、図１２（ｂ）のようにフィルタ２Ａを全透過状態とし、フィルタ２Ｂに濃淡縞フィルタパターンを形成する。フィルタ２Ｃの状態は図１２（ａ）の場合と同様である。図１２（ｂ）に示す状態で第２のデータを取得する。最後に、図１２（ｃ）に示すようにフィルタ２Ａ，２Ｂを全透過状態とする。フィルタ２Ｃには窓２０１を形成し、窓２０１内の領域に図１２の（ａ），（ｂ）のフィルタ２Ａ，２Ｂに形成したのと同様の濃淡縞フィルタパターンを表示する。図１２（ｃ）に示す状態で第３のデータを取得する。そして、これら３つのデータから第１の実施の形態と同様な手順で焦点位置を算出する。なお算出手順の説明は省略する。
第２の方法としては、図１３に示すように濃淡縞フィルタパターンが形成された窓２０１を、順にフィルタ２Ａ〜２Ｃに形成する方法である。まず、図１３（ａ）のようにフィルタ２Ａに窓２０１を形成するとともに、窓２０１内に濃淡縞フィルタパターンを表示する。その他のフィルタ２Ｂ，２Ｃは全透過状態とする。図１３（ａ）に示す状態で第１のデータを取得する。
次に、図１３（ｂ）に示すように、フィルタ２Ｂに濃淡縞フィルタパターンが表示された窓２０１を形成するとともに、フィルタ２Ａ，２Ｃを全透過状態として第２のデータを取得する。最後に、図１３（ｃ）に示すように、フィルタ２Ｃに濃淡縞フィルタパターンが表示された窓２０１を形成するとともに、フィルタ２Ａ，２Ｂを全透過状態として第３のデータを取得する。そして、これら３つのデータから第１の実施の形態と同様な手順で焦点位置を算出する。
第１の方法では、いずれのデータ取得の場合も、窓２０１は同一のフィルタ２Ｃに形成される。そのため、窓２０１によって切り取られる光束の領域が常に同一であるという利点を有している。このことは、各フィルタ２Ａ〜２Ｃによってフーリエ変換された光束を検出し、その結果を比較して焦点位置を算出する装置においては精度の点で重要である。なお、この場合には、レンズ８に最も近いフィルタ２Ｃに光束を切り取るための窓２０１を形成するのが好ましい。
一方、第２の方法の場合には、データ毎に窓２０１によって切り取られる光束の領域が異なるため補正が必要となる。例えば、光軸から窓２０１の輪郭までの距離を用いて窓２０１の位置を補正しなければならない。厳密にはフィルタに対する焦点の位置も考慮して補正しなければならないので、合焦動作のためにレンズ８の焦点位置を変えた場合には、それに伴って補正をし直さなければならない。そのため、正確な補正は非常に難しい。なお、上述した第１および第２の方法では窓２０１にも濃淡縞フィルタパターンを形成したが、窓２０１のみを形成したフィルタを備え、このフィルタの他に濃淡縞フィルタパターンを形成するフィルタを３つ備えるようにしても良い。
従来、カメラ等においては、画面上に合焦可能な複数のフォーカス領域を設け、そのいずれかの領域を選択的に用いて合焦動作を行うものが知られている。本実施の形態においても、窓２０１を形成する位置を複数設定し、それらのいずれかを用いるかによって、同様の合焦動作を行わせることができる。例えば、図１４（ａ）のように、フィルタ２Ｃの画面上に５つの窓形成領域２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ，２０２ｅを設定し、それらの一つに窓２０１を形成する。図１４（ｂ）は、窓２０１を領域２０２ｃに形成した場合である。なお、窓形成領域の数は５つに限らず、窓２０１の形状も矩形に限らない。
《測光について》
ところで、窓２０１内を全透過にして検出される光強度はフーリエ変換の０次項すなわち直流成分であり、窓２０１によって規定される光強度である。そのため、全透過状態の窓２０１の形状や位置を任意に変更することにより、画面上の任意の領域の光強度を測定することができる。これはカメラ等で採用されている多分割測光に対応するものである。この場合にも、窓２０１はフィルタ２Ｃに形成する。測光の場合には、窓２０１の部分は透過状態とし、他のフィルタ２Ａ，２Ｂは全透過状態とする。
このように、本実施の形態では、窓２０１が形成された部分に濃淡縞フィルタパターンを形成すれば焦点検出を行うことができ、窓２０１内を全透過状態にすれば測光を行うことができる。従来の測光システムでは、受光素子であるフォトダイオードの出力をそのまま絶対値として採用しているため、暗電流の影響が避けられず精度上の制約となっていた。一方、本実施の形態では、フィルタ２Ａ〜２Ｃを全遮光とすることによって暗状態を作り出すことができるので、全透過と全遮光との差を取ることにより実効的な光強度だけを測定することができる。その結果精度の高い測光を行うことができる。
なお、上述した例では、図１４（ａ）のように窓２０１の設定可能領域を予め設定したが、フィルタ２Ａ〜２Ｃは液晶フィルタであるため、表示画面上の任意の位置に窓２０１を形成することが可能である。窓２０１を任意の位置に形成することにより、画面上の任意の位置の測光が可能となる。
−第３の実施の形態−
図１５は、本発明による焦点検出装置の第３の実施の形態を示す図であり、図１と同様のブロック図である。図１５に示す焦点検出装置では、図１のフォトダイオード３に代えて光電子増倍管２１０を受光素子に用いた。２１１は光電子増倍管２１０の電源である。微弱な被写体光がフィルタブロック２を通過して光電子増倍管２１０の光電面に入射すると、光電面から光電子が放出される。この光電子は２次電子放出により増幅され、最終的には５０万〜１００万倍に増幅された信号が光電子増倍管２１０から出力される。光電子増倍管２１０から出力された信号はアンプ５により増幅されＡ／Ｄコンバータに入力される。その他の構成については図１に示した装置と全く同様である。フィルタブロック２の構成や焦点検出動作等については第１および第２の実施の形態と同様なので説明を省略する。
従来の焦点検出装置は、像の位置を特定して焦点を検出するようなシステムであったため、受光素子としてＣＣＤ素子などのように位置の検出も可能なデバイスが必要とされた。そのため、使用できる受光素子が限定され、微弱光に強いが位置検出ができない光電子増倍管などを使用することができなかった。しかし、本実施の形態の焦点検出装置では、光強度の比較から焦点位置を算出するようにしているので、受光素子には位置検出機能が要求されない。そのため、受光素子として図１５に示すような光電子増倍管２１０を使用することができ、非常に微弱な被写体光に対しても焦点検出を行うことができる。例えば、長時間露光が前提とされるような星明かりの下でのオートフォーカス機構にも利用することができる。また、対物レンズの構成次第では、ほとんど明かりがない状態での距離系として使うこともできる。
上述した実施の形態では、フィルタブロック２に３つまたは２つのフィルタを設けて被写体光束を変調したが、図１６のように一つのフィルタ２Ａをアクチュエータ３００で移動するようにしても良い。すなわち、濃淡縞フィルタパターンを形成したフィルタ２Ａを位置ｘ＋ｄに位置決めし、そのときのフォトダイオード３の検出値を第１のデータとする。次いで、フィルタ２Ａを被写体側へ距離ｄだけ移動して位置ｘに位置決めし、そのときのフォトダイオード３の検出値を第２のデータとする。さらに、フィルタ２Ａを被写体側へ距離ｄだけ移動して位置ｘ−ｄに位置決めし、そのときのフォトダイオード３の検出値を第３のデータとする。そして、これらの３つのデータに基づいて焦点位置を算出する。なお、アクチュエータとしては、例えばピエゾ素子を用いたアクチュエータなどがある。
空間変調光学フィルタを透過型液晶フィルタ（液晶表示素子）２Ａ〜２Ｃを例に説明したが、液晶に限らず波長Ｒの空間周波数の透過特性を有するものであれば良い。光電変換部としては、フォトダイオード３や光電子増倍管２１０の他にＣｄＳなどでも良い。以上説明した焦点検出装置および合焦システムは、カメラ以外にも顕微鏡、望遠鏡などのように画像を光学的に撮影したり観察したりする種々の光学装置に搭載することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による焦点検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。
図２は、検出部１の詳細を示す図である。
図３は、検出部１の他の例を示す図である。
図４は、濃淡縞フィルタパターンが形成されたフィルタ２Ａを示す図である。
図５は、デフォーカスを説明する図である。
図６は、デフォーカス量ｘとＩとの関係を示す図である。
図７は、観測データＰ１〜Ｐ３を示す図である。
図８は、異なる波長Ｒに対する光強度Ｉを示す図である。
図９は、フィルタパターンを示す図であり、（ａ）は縦縞を形成したもので、（ｂ）は横縞を形成したものである。
図１０は、２つのフィルタ２Ａ，２Ｂを有する検出部１００を示す図である。
図１１は、第２の実施の形態を説明する図であり、フィルタ２Ｃに表示されたフィルタパターンを示す図である。
図１２は、フィルタ２Ａ〜２Ｃの制御方法を示す図であり、（ａ）は第１の手順を、（ｂ）は第２の手順を、（ｃ）は第３の手順をそれぞれ示している。
図１３は、フィルタ２Ａ〜２Ｃの第２の制御方法を示す図であり、（ａ）は第１の手順を、（ｂ）は第２の手順を、（ｃ）は第３の手順をそれぞれ示している。
図１４（ａ）および（ｂ）は、窓形成領域２０２ａ〜２０２ｅの配置を示す図である。
図１５は、本発明による焦点検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
図１６は、一つのフィルタ２Ａをアクチュエータ３００で移動する場合の構成を示すブロック図である。
【図１】
2003029870.tif 000003
【図２】
2003029870.tif 000004
【図３】
2003029870.tif 000005
【図４】
2003029870.tif 000006
【図５】
2003029870.tif 000007
【図６】
2003029870.tif 000008
【図７】
2003029870.tif 000009
【図８】
2003029870.tif 000010
【図９】
2003029870.tif 000011
【図１０】
2003029870.tif 000012
【図１１】
2003029870.tif 000013
【図１２】
2003029870.tif 000014
【図１３】
2003029870.tif 000015
【図１４】
2003029870.tif 000016
【図１５】
2003029870.tif 000017
【図１６】
2003029870.tif 000018
【国際調査報告】
2003029870.tif 000019
2003029870.tif 000020