(57)【要約】    【課題】  高精度の焦点検出ができる像ズレ方式を利用した焦点検出装置を得ること。    【解決手段】  撮影レンズの像側に設けた光学手段と、該光学手段により該撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束を用いて被写体像に関する対の光量分布を検出する受光手段と、該対の光量分布の相対的な位置関係を該受光手段からの信号により求めて、該撮影レンズの合焦状態を求める演算手段とを有する焦点検出装置であって、該光学手段は、該撮影レンズの予定結像面に配置した視野絞りと、該視野絞りより該受出手段側に配置した非球面を含むフィールドレンズと、該フィールドレンズの該受光手段側に１対を単位とする複数の開口を有する開口絞りと、１対を単位とする複数のレンズより成る２次結像系とを有しており、該フィールドレンズの位置を適切に設定したこと。【選択図】  図３
2008089691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズの像側に設けた光学手段と、該光学手段により前記撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束を用いて被写体像に関する対の光量分布を検出する受光手段と、該対の光量分布の相対的な位置関係を前記受光手段からの信号により求めて、前記撮影レンズの合焦状態を求める演算手段とを有する焦点検出装置であって、前記光学手段は、前記撮影レンズの予定結像面に配置した視野絞りと、前記視野絞りより前記受光手段側に配置したフィールドレンズと、該フィールドレンズの前記受光手段側に１対を単位とする複数の開口を有する開口絞りと、１対を単位とする複数のレンズより成る２次結像系とを有しており、前記フィールドレンズは、前記視野絞り側の面が球面形状であり、前記受光手段側の面が非球面形状であり、前記視野絞りから前記フィールドレンズの前記視野絞り側の面までの距離をＸ１、前記視野絞りから前記フィールドレンズの前記受光手段側の面までの距離をＸ２、前記視野絞りから前記開口絞りの距離をＬとするとき、
Ｌ／３＜Ｘ２
０＜Ｘ１＜０．１５Ｌ
なる条件を満足することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点検出装置を有することを特徴とするカメラ本体。
【請求項３】
請求項１に記載の焦点検出装置を有するカメラ本体と、該カメラ本体に装着される撮影レンズとを有す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に関し、例えば、銀塩フィルム上に像を形成する一眼レフレックスカメラや、固体撮像素子を有するデジタル一眼レフレックスカメラなどの撮像装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、銀塩カメラあるいはデジタルカメラの多くは、撮影レンズ（対物レンズ）の焦点を自動的に調節する自動焦点調節機能を内蔵している。
【０００３】
特に、一眼レフカメラには、一対の被写体像の光量分布の相対的位置関係より撮影レンズの焦点状態を検出する方式、所謂像ズレ方式と称される焦点検出装置が多く用いられている（特許文献１、２）。
【０００４】
像ズレ方式の焦点検出装置は、撮影レンズの予定結像面に配置した視野絞りと、フィールドレンズと、該フィールドレンズからの光が入射する一対の開口が設けられた開口絞りを有している。更に、その開口絞りの近傍に配置された２次結像レンズ（再結像レンズ）と、受光手段とで構成される。
【０００５】
撮影レンズからの結像光束は、視野絞りとフィールドレンズを通過し、開口絞りに導かれる。２次結像レンズは、開口絞りの一対の開口を通過した光束によって被写体像に関する一対の光量分布を、受光手段の受光部（画素列、センサー）面上に形成する。そして受光手段で受光した一対の被写体像の光量分布の相対的位置関係より、撮影レンズの焦点状態を検出する。
【０００６】
この像ズレ方式の焦点検出装置において焦点検出精度を向上させるために、特許文献１では、フィールドレンズの少なくとも１面を非球面形状としている。
【特許文献１】特公平６−１４１３２号公報
【特許文献２】特開平９−２１８３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
像ズレ方式の焦点検出装置では、撮影レンズの射出瞳から射出する光束の収差状態によって焦点検出結果の良否が左右される。この為高精度の焦点検出を行うためには、フィールドレンズの少なくとも１面を非球面形状とするのが大変有効である。
【０００８】
しかしながら一般に、非球面形状の面を有するレンズの製作は難しい。
【０００９】
このときのフィールドレンズは、一般的に製作上の関係から多くの場合プラスチック材より成るモールドレンズを用いている。
【００１０】
モールドレンズを成形するときに用いる型を製作するときには、型を所望の形状になるようバイトで削る。この過程において多くの場合、図４に示すようにレンズの光学有効部分４０に微小な凹凸４３が生じてくる。これはバイト４１の先端の微小な形状が切削後に挽き目４２として残るためである。このときの型に残った凹凸４３の形状は成形時にレンズ表面に転写されてしまう。
【００１１】
一方、像ズレ方式の焦点検出装置において、受光手段で検知する１対の被写体像は、１次結像面で一度像を結ぶ。このため１次結像面近くでは、被写体像を形成する光束は細くなる。例えば開口絞りは撮影レンズの一部の光束を使用し、明るさとしてのＦナンバーは１２程度と暗い。フィールドレンズは１次結像面又はその近傍に配置されるのでフィールドレンズを通る光束の径は非常に細くなる。非球面形状の面を有するフィールドレンズは前出したように、表面に凹凸部が残る。このためフィールドレンズを通過する光の大きさ（光束径）がフィールドレンズの表面の凹凸の大きさ以下であると、凹凸の影響に対する敏感度が高くなる。即ち凹凸部で光が散乱され、この散乱光が受光手段に入射する割合が散乱されない光に対して高くなる。このため焦点検出精度が大きく低下してくる。従って、非球面を有するフィールドレンズを含む像ズレ方式の焦点検出装置ではフィールドレンズの非球面に入射する光の径と非球面の表面に生じる凹凸部との関係に留意することが重要になってくる。
【００１２】
本発明は、非球面を有するフィールドレンズを用いて像ズレ方式で焦点検出を行うとき、フィールドレンズの非球面に生ずる凹凸部による影響を少なくし、高精度の焦点検出ができる像ズレ方式を利用した焦点検出装置及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の焦点検出装置は撮影レンズの像側に設けた光学手段と、該光学手段により該撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束を用いて被写体像に関する対の光量分布を検出する受光手段と、該対の光量分布の相対的な位置関係を該受光手段からの信号により求めて、該撮影レンズの合焦状態を求める演算手段とを有する焦点検出装置であって、該光学手段は、該撮影レンズの予定結像面に配置した視野絞りと、該視野絞りより該受出手段側に配置したフィールドレンズと、該フィールドレンズの該受光手段側に１対を単位とする複数の開口を有する開口絞りと、１対を単位とする複数のレンズより成る２次結像系とを有しており、該フィールドレンズは、該視野絞り側の面が球面形状であり、該受光手段側の面が非球面形状であり、該視野絞りから該フィールドレンズの該視野絞り側の面までの距離をＸ１、該視野絞りから該フィールドレンズの該受光手段側の面までの距離をＸ２、該視野絞りから該開口絞りの距離をＬとするとき、
Ｌ／３＜Ｘ２
０＜Ｘ１＜０．１５Ｌ
なる条件を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によればフィールドレンズの非球面に生ずる凹凸部による影響を少なくし、高精度の焦点検出ができる像ズレ方式を利用した焦点検出装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明の焦点検出装置を一眼レフ用のデジタルカメラに適用したときの実施例１の要部概略図である。図２は図１の一部分の光路を展開した説明図である。図３は、図２の一部分の拡大説明図である。
【００１６】
図１、図２、図３においてＬＢは交換可能なレンズ本体、ＣＢはレンズ本体ＬＢが装着されるカメラ本体（撮像装置）である。１は交換可能なレンズ本体ＬＢに収納された撮影レンズ、２はＱＲミラー（クイックリターンミラー）、３は焦点検出用の反射鏡、４は視野絞りであり、撮影レンズ１の予定結像面（１次結像面）４ａ上又はその近傍に位置している。５はフィールドレンズであり、回転対称又は回転非対称の非球面形状のレンズ面を有している。７は開口絞りであり１対の開口７１、７２を有している。８は２次結像レンズ（２次結像系）であり１対のレンズ８１、８２より成っている。９は焦点検出用の受光手段である。各部材３〜５、７〜９は焦点検出装置ＳＢの一要素を構成している。又、部材４、５、７、８は被写体像に関する２次像を形成する光学手段（焦点検出光学系）の一要素を構成している。１０は焦点板、１１は正立像形成用の光学部材でありペンタダハプリズムより成っている。１２は接眼レンズである。各部材１０〜１２はファインダー系の一要素を構成している。１３は光学フィルター、１４は被写体像を形成する撮像素子である。尚フィルム用カメラのときはフィルムである。２１はカメラ本体ＣＢ側の各種演算を行う演算手段（ＣＰＵ）、２２はレンズ本体ＬＢ側の各種のレンズ情報を記憶している記憶装置（記録部）、２３はレンズ駆動用のモータである。
【００１７】
次に、本実施例に用いているフィールドレンズ５の光学作用及びその配置に関して説明する。
【００１８】
フィールドレンズ５の光学機能としては１次結像面４ａ上又はその近辺に配置する必要性がある。一眼レフカメラにおいては、ファインダー光学系と焦点検出光学系に光を導く、クイックリターンミラー２とサブミラー３を撮影レンズ１と１次結像面４ａの間に配置しなくてはならない。カメラのミラーボックス部分を小さくするために、２枚のミラー２、３は１次結像面４ａに近づけて配置されている。この配置のために、焦点検出光学系の１次結像面４ａはミラーボックス内に存在している。フィールドレンズ５を１次結像面４ａよりも撮影レンズ側におくとミラーボックス外にフィールドレンズ５が飛び出てしまい撮影の光線を遮る。このため、１次結像面４ａよりも受光手段９側にフィールドレンズ５が配置される。フィールドレンズ５は１次結像面４ａにできた被写体像を開口絞り７や２次結像光学系８にリレーするために用いられている。いま、１次結像面４ａと開口絞り７の位置を固定して考える。このとき、１次結像面４ａよりも離れた位置にフィールドレンズ５を配置すると、１次結像面４ａの近傍に配置した場合と比べてフィールドレンズ５と開口絞り７の位置が近くなるため強いパワー（屈折力）が必要になる。パワーが強くなると開口絞り７面において色収差が大きくなり、開口絞り７の開口７１、７２の大きさや対となる絞り開口７１，７２の間隔を狭めるなどしなくてはならずその結果、焦点検出精度が低下してくる。また、フィールドレンズ５を光が通過する部位の違いにより光を屈折させるパワーの変化が大きくなるため、光の開口絞り７への入射角度の変化も大きくなる。開口絞り７の面に入射する光の角度は、受光手段９に入射する光の角度と関連があり、受光手段９上での明るさ分布がコサイン４乗則によりばらつく。この明るさのばらつきはシェーディングと呼ばれ補正を行う対象となるが、補正量が大きくなると焦点検出の際のノイズとなるゴースト光が増大してくる。従って、シェーディングの発生を防ぐため、開口絞り７への光の入射角度の変化はできるだけ小さいほうが望ましい。また、フィールドレンズ５のパワーが強くならないようにするには、１次結像面４ａと開口絞り７の面の距離を遠ざける方法がある。
【００１９】
しかしながら、この方法は焦点検出装置が大型化してくる。そこで本実施例では以上の理由から、フィールドレンズ５を１次結像面４ａよりも受光手段９側に配置している。
【００２０】
次に本実施例の焦点検出について説明する。焦点検出の原理は、像ズレ方式と呼ばれるものであり、例えば特開平７−１５９６８４号公報に開示している方法と同じである。被写体からの光は撮影レンズ１を通過した後、撮影レンズ１の像側に配置され、ハーフミラーより構成されたＱＲミラー２を透過する。ＱＲミラー２を通過した光は、焦点検出用の反射鏡３で反射された後に撮影視野を制限する（被写体像の一部のみが通過する）ようにした視野絞り４に入射する。視野絞り４を通過した光はフィールドレンズ５に入射する。このとき撮影レンズ１による被写体像は視野絞り４が位置している予定結像面４ａに形成される。その後、光はフィールドレンズ５を通過し、２つの開口７１、７２を有する開口絞り７を通過し、各開口７１、７２ごとに結像レンズを設けた２次結像レンズ８の方向に集光される。そして２次結像レンズ８によって焦点検出用の受光手段９の各センサー９ａ、９ｂ上に各々被写体像を再結像させる構成となっている。
【００２１】
ここで焦点検出用の受光手段９には、撮影レンズ１の予定焦点面４ａに配置された視野絞り４と、２次結像レンズ８の開口近傍に配置された開口絞り７によって光束を制限される。そして撮影画面の特定領域に関し、撮影レンズ１の射出瞳の一対となる特定領域１ａを通過した光束のみが抽出されて結像される。
【００２２】
実施例１の焦点検出装置ではこのようにして焦点検出用の受光手段９上に形成された一対の被写体像に関する光量分布の相対的な位置関係をＣＰＵ２１で算出し、撮影レンズの合焦状態を求める。そしてＣＰＵ２１からの信号に基づいて、モータ２３で撮影レンズ１内のフォーカスレンズを駆動することによって焦点検出を行う。
【００２３】
本実施例の焦点検出装置ＳＢは、１対の開口７１，７２を有する開口絞り７と、１対のレンズ８１、８２よりなる２次結像レンズ８を有するが、１対を単位とする複数の開口を有する開口絞りと、１対を単位とする複数のレンズより成る２次結像レンズであればよい。
【００２４】
一方、撮影レンズ１によって形成される被写体像のうちＱＲミラー２によって反射された光束は、撮像素子１４と光学的に共役な位置に配置された焦点板１０の焦点面上に結像する。この焦点面を拡散透過した被写体像は正立像形成用の光学部材１１によって正立像となった後に接眼レンズ１２によって拡大して撮影者が観察可能となるように構成されている。
【００２５】
そして、ＣＰＵ２１による焦点検出結果に基づいて記憶装置２２、モータ２３等で焦点調節が行われる。その後、撮影に際しては、ＱＲミラー２、及び焦点検出用の反射鏡３は撮影レンズ１の光路外に回動して退避する。そして、被写体像は赤外カットフィルターを含む光学フィルター１３を介して撮像素子１４上に結像され画像信号を記録するように構成している。
【００２６】
ここでカメラ本体側の演算用ＣＰＵ２１は、焦点検出用の受光手段９からの出力信号と、レンズ情報の記憶装置２２に記憶されたレンズ情報を用いる。例えば撮影レンズ１の最良焦点位置と焦点検出装置が出力する焦点位置との撮影レンズ１の色収差等に基づくずれに関する情報を用いている。そして撮影レンズ１の焦点調整のための駆動量を算出し、レンズ駆動用のモータ２３に算出された信号を伝達してフォーカスレンズを駆動して焦点調節を行うように構成している。
【００２７】
本実施例の焦点検出装置においては、フィールドレンズ５に用いる非球面の位置は、１次結像面４ａよりも光軸方向に沿ってなるべく遠いことが望ましい。１次結像面４ａに近く結像した被写体からの光束は、あるＦナンバーＦｎｏの拡散角度を持って広がっていく。このときのＦナンバーＦｎｏは撮影レンズ１の持つＦナンバーの明るさではなく、焦点検出光学系４、５、７、８が用いるＦナンバーＦｎｏに相当する。ＦナンバーＦｎｏは、主に開口絞り７の開口７１、７２の大きさで決定される。一般的には開口７１、７２の開口は０．６ｍｍ程度と非常に小さな（暗い）値である。この角度を持って広がっている光がフィールドレンズ５の表面で散乱の影響を受けにくくするには、光がフィールドレンズ５の挽き目部分の大きさよりも大きいな径の光となって通過させればよい。前述したように被球面形状のレンズを作成するとレンズ面上に０．１ｍｍ弱の間隔（ピッチ）で凹凸ができる。これに対して光の広がりは大きければ大きいほどよいのは明白である。例えば光の広がりは、出来れば０．２ｍｍ以上あるのが良い。凹凸のピッチと同程度の光の広がりであると０．１ｍｍピッチ周期の影響が大きい。光の広がりを０．２ｍｍ以上にすることで、フィールドレンズ５のレンズ表面の凹凸形状の影響を緩和することができる。
つまりフィールドレンズ５の非球面の位置は、次の如く設定している。いま１次結像面４ａからフィールドレンズ５の非球面までの空気換算光路長をＸ２とする。１次結像面４ａから開口絞り７の絞り面までの空気換算光路長をＬとする。開口絞り７の開口７１，７２の大きさを０．６ｍｍとすると、非球面上での光束の大きさＤＹは
ＤＹ＝０．６×Ｘ２÷Ｌ
と表すことが出来る。この値ＤＹが０．２よりも大きな値となるにはＸの値が、
０．２＜０．６×Ｘ２／Ｌ
より
Ｌ／３＜Ｘ２  ・・・・・・（１）
となる必要があることを意味している。
このため、この非球面を配置するのはフィールドレンズ５の開口絞り７側（後面）が望ましい。フィールドレンズ５の予定結像面４ａ側（前面）に非球面を用いて、条件式（１）を満足する位置にフィールドレンズ５を配置すると、フィールドレンズ５の位置が開口絞り７に近くなり、焦点検出の機能を低下させるため望ましくない。
従って、フィールドレンズ５の後面に非球面を用い、前面側は球面により構成することが望ましい。
球面であれば、１次結像面４ａ近辺に配置しても、球体の表面上の凹凸が小さいため設計目的と異なる角度への光線の曲げ量は少なく問題はすくない。
また、フィールドレンズ５の特性として１次結像面４ａ又はその近辺に配置するこが望ましい。このため、球面である前面は、１次結像面４ａからフィールドレンズ５前面までの空気換算光路長をＸ１とすると
０＜Ｘ１＜０．１５Ｌ  ・・・・・・（２）
であることが望ましい。値Ｘ１が条件式（２）を外れて大きくなり、予定結像面４ａより、開口絞り７側にフィールドレンズ５前面が配置されると、フィールドレンズ５が開口絞り７に近くなり、フィールドレンズ５のパワーが大きくなってくる。この結果、焦点検出の精度が低下してくるので良くない。
次に本実施例の焦点検出光学系の数値例を示す。
数値実施例においてｉは撮影レンズ側（拡大側）からの光学面の順序を示し、ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔である。ｒｉ、ｄｉの単位ではｍｍである。ｎｉとνｉはそれぞれｄ線を基準とした第ｉ番目の光学部材の屈折率、アッベ数を示す。
【００２８】
またｋを円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを非球面係数とする。光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとする。このとき、非球面形状は、
ｘ＝（ｈ２／ｒ）／［１＋［１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）２］１／２］
＋Ａｈ４＋Ｂｈ６＋Ｃｈ８＋Ｄｈ１０＋Ｅｈ１２
で表示される。但しｒは近軸曲率半径である。
【００２９】
なお、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０−Ｚ」を意味する。
【００３０】
視野絞り前面    r1=0        d1=0.04
視野絞り後面    r2=0        d2=2.26
フィールド前面  r3=15.42    d3=4.5        n3=1.52       ν3=56.2
フィールド後面  r4=(非球面) d4=13.32
絞り前面        r5=0        d5=0.04
絞り後面        r6=0        d6=0.2
メガネ前面      r7=0        d7=1.2      n7=1.52       ν7=56.2
メガネ後面      r8=-1.38    d8=3.24
(非球面)
r=-14.02      k=0    A=0    B=4.8e-5      C=1.1e-6      D=0    E=0
本実施例では、条件式（１）、（２）に関する値は次のとおりである。
【００３１】
Ｘ１＝2.3
Ｘ２＝6.8
Ｌ＝20.12
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１の撮像装置の要部断面図
【図２】図１の焦点検出装置部分の光路を展開した水平断面展開図
【図３】図１の焦点検出装置の主要部の要部斜視図
【図４】非球面の表面形状の説明図
【符号の説明】
【００３３】
ＬＢ  レンズ本体
ＣＢ  カメラ本体
ＳＢ  焦点検出装置
１  撮影レンズ
２  ＱＲミラー
３  焦点検出用の反射鏡
４  視野絞り
５  フィールドレンズ
７  開口絞り
８  ２次結像レンズ
９  焦点検出用の受光手段
１０  焦点板
１１  正立像形成用の光学部材
１２  接眼レンズ
１３  光学フィルター
１４  被写体像を形成する撮像素子
２１  カメラの演算用ＣＰＵ（演算手段）
２２  レンズ情報の記憶装置
２３  レンズ駆動用のモータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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