(57)【要約】【課題】  一対の像の分割方向（離間方向）において、再結像レンズの一対のレンズ部による屈折力の対称性を保持する。【解決手段】  撮影レンズから入射されて視野開口２Ｘで設定される焦点検出領域を通過した撮影光束は、コンデンサレンズ３を通過した後、一対の開口４ａ，４ｂで瞳分割される。この一対の光束は再結像レンズ部５ａ，５ｂにより一対の受光センサアレイ６ａ、６ｂ面上に再結像される。再結像レンズ５は両凸レンズであり、出射側の凸面５ｓの曲率は、一対の受光センサアレイ６ａ，６ｂのうち対応する一対のセンサ素子に入射する光束が再結像レンズ５で受ける屈折力が等しくなるように形成される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズから入射される撮影光束を制限して撮影画面内に焦点検出領域を設定する視野開口を備える視野マスクと、
前記焦点検出領域を通過した撮影光束を集光するコンデンサレンズと、
前記コンデンサレンズの後方に配置され、焦点検出領域を通過した撮影光束を一対の開口で制限して瞳分割する絞りマスクと、
前記絞りマスクの開口重心に対して光軸を偏位して配置されるとともに、前記絞りマスクで瞳分割された一対の光束をそれぞれ再結像させるレンズ部を有する再結像レンズと、
前記再結像レンズにより受光面上に再結像された一対の光束をそれぞれ電気信号に変換して出力する一対の受光センサアレイとを備え、
一対の受光センサアレイから出力される検出信号列の相関を得ることにより焦点検出演算を行うための焦点検出モジュールにおいて、
前記再結像レンズは入出射面の曲率がほぼ等しい両凸レンズであり、
その再結像レンズの出射側凸面は非球面であり、その曲率は、前記一対の受光センサアレイのうち対応する一対のセンサ素子にそれぞれ入射する前記光束のそれぞれが受ける屈折力がほぼ等しくなるように形成されることを特徴とする焦点検出モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮影光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置に用いられる焦点検出モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
位相差検出方式の焦点検出装置として、特許文献１に開示されているものが知られている。この焦点検出方式は、撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過する光束のうち、予め撮影画面内に設定された焦点検出領域を通過する一対の像を受光センサアレイに再結像させ、一対の像の相対的な位置関係のズレに基づいて、撮影レンズの焦点調節状態を検出する方式である。
【０００３】
【特許文献１】特許第２５８６０８９号
【０００４】
特許文献１記載の焦点検出装置では、再結像レンズの入射側を球面凸レンズ、出射側を軸外ほど屈折力の小さい非球面凸レンズとし、光軸上から軸外に至るまでバランス良く像面湾曲収差を除去している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の焦点検出装置を用いて焦点検出領域を広げようとすると、一対の受光センサの長さを長くする必要があり、センサの中心間隔が長く（大きく）なる。このため、絞りマスクの一対の開口の離間距離、再結像レンズの離間距離をそれぞれ大きくすると、焦点検出装置が大型化する。このとき、絞りマスクの一対の開口間距離を大きくすると、撮影レンズのＦ値が制限されるので、撮影レンズのＦ値に基づいて上記開口間距離を規定した上で、再結像レンズの一対のレンズ部間距離を大きくして焦点検出領域を広げることになる。すなわち、瞳分割用の一対の開口の中心に対して、再結像レンズを構成する一対のレンズ部の光軸を焦点検出光学系の光軸から遠くに配置する。換言すると、一対の開口と一対のレンズ部とが偏心して配置される。
【０００６】
このように各光学素子を配置すると、文献１のように入出射面の曲率が大きく異なる場合には、一対の像の分割方向（離間方向）において、再結像レンズの一対のレンズ部による屈折力の対称性が崩れ、受光センサアレイ上に入射する一対の像も光学的に対称性が得られないものとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による焦点検出モジュールは、撮影レンズから入射される撮影光束を制限して撮影画面内に焦点検出領域を設定する視野開口を備える視野マスクと、焦点検出領域を通過した撮影光束を集光するコンデンサレンズと、コンデンサレンズの後方に配置され、焦点検出領域を通過した撮影光束を一対の開口で制限して瞳分割する絞りマスクと、絞りマスクの開口重心に対して光軸を偏位して配置されるとともに、絞りマスクで瞳分割された一対の光束をそれぞれ再結像させるレンズ部を有する再結像レンズと、再結像レンズにより受光面上に再結像された一対の光束をそれぞれ電気信号に変換して出力する一対の受光センサアレイとを備え、一対の受光センサアレイから出力される検出信号列の相関を得ることにより焦点検出演算を行うための焦点検出モジュールにおいて、再結像レンズは入出射面の曲率がほぼ等しい両凸レンズであり、その再結像レンズの出射側凸面は非球面であり、その曲率は、一対の受光センサアレイのうち対応する一対のセンサ素子にそれぞれ入射する光束のそれぞれが受ける屈折力がほぼ等しくなるように形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、絞りマスクの開口重心に対して偏心した光軸を有する再結像レンズを入出射面の曲率がほぼ同じで、かつ、出射面をとくに非球面としたことで、再結像レンズの各レンズ部の出射面から出射する光束の出射角がほぼ等しくなる。そのため、互いに相関をとる一対の像の対称性が確保され、焦点検出演算の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の焦点検出装置を一眼レフカメラに適用した実施の形態を説明する。
図１は本発明による焦点検出装置を搭載した一眼レフカメラの概略構成図である。被写体からの光束は、レンズ鏡筒ＬＢ内の撮影レンズＬＥを透過してカメラボディＣＢ内に導かれる。カメラボディＣＢに導かれた光束の一部は、半透過性のメインミラー５１を透過し、サブミラー５２にて下方に反射された後、焦点検出モジュール１０へ入射される。焦点検出演算回路であるＣＰＵ５６は、焦点検出モジュール１０の出力である焦点検出信号に基づいてレンズ駆動モータ５７を駆動し、撮影レンズＬＥの焦点調節を行う。一方、メインミラー５１で反射された光束はペンタプリズム５４を介して接眼レンズ５５にて観察される。ペンタプリズム５４と接眼レンズ５５とによりファインダを構成する。Ｉはフィルム，ＣＣＤなどの撮影手段である。
【００１０】
図２は、この実施の形態における焦点検出装置の焦点検出領域を示す。図２において、Ｍは撮影光学系による被写体像の撮影範囲を表す撮影画面であり、図に示すように水平方向に長い長方形である。この焦点検出装置では、撮影画面Ｍの中央部にあって水平方向に延びる焦点検出領域Ａと、撮影画面Ｍの左右の周辺部にあって垂直方向に延びる焦点検出領域ＣおよびＤとが設定されている。Ｌｘは撮影レンズの光軸に対応する画面中心を示す。以下では、説明を簡単にするため、焦点検出領域Ａについて詳細に説明する。
【００１１】
焦点検出モジュール１０による焦点検出方式は、周知の位相差検出方式ないし瞳分割型再結像方式と呼ばれるものである。この方式は、撮影光学系の射出瞳面上の異なる部分を通過した一対の光束により形成される一対の像の相対的な位置関係のズレに基づいて、撮影光学系の焦点調節状態を検出する方式である。 
【００１２】
図３および図４に示すように、焦点検出モジュール１０は、視野マスク２と、コンデンサレンズ３と、絞りマスク４と、再結像レンズ５と、イメージセンサ６とを有する。１は図１の撮影レンズＬＥ、１ａ，１ｂは焦点検出領域Ａに対応する瞳領域を示す。
【００１３】
焦点検出モジュール１０をさらに説明する。
撮影レンズ１の撮影光軸に沿って進行してサブミラー５２で反射された焦点検出光束は、撮影光束の１次結像面である予定焦点面で結像する。図３および図４では、視野マスク２の開口２Ｘの位置が一次結像面である。開口２Ｘは焦点検出領域Ａを規定する。
【００１４】
視野マスク２の背後にコンデンサレンズ３が配置され、コンデンサレンズ３の後方には、一対の絞り開口４ａ，４ｂを有する絞りマスク４が配置されている。絞りマスク４の背後に一対のレンズ部５ａ，５ｂを有する再結像レンズ５が配置されている。再結像レンズ５の後方には、一対の受光センサアレイ６ａ，６ｂを有するイメージセンサ６が配置されている。受光センサアレイ６ａ，６ｂはそれぞれ光電変換素子で構成される。
【００１５】
なお、上述したメインミラー５１とサブミラー５２は焦点検出光学系の光学要素であり、焦点検出モジュール１０とともに焦点検出装置を構成するが、図４では図示を省略する。
【００１６】
図５に示すように、瞳分割用の一対の開口４ａ，４ｂの中心（重心）４ｊに対して、再結像レンズ５を構成する一対のレンズ部５ａ，５ｂの光軸５ｊは焦点検出光学系の光軸Ｌから遠くに配置されている。換言すると、一対の開口４ａ，４ｂと一対のレンズ部５ａ，５ｂが偏心して配置されている。このような光学素子の配置により、焦点検出装置を大型化することなく、しかも、撮影レンズのＦ値による制限を受けることなく、焦点検出領域を広げることができる。
【００１７】
図５に詳細を示すように、再結像レンズ５のレンズ部５ａ，５ｂのそれぞれは、入射側に球面凸面５ｎを有し、射出側に非球面凸面５ｓを有する。入射側球面凸面５ｎの中心５ｎＣと射出側非球面凸面５ｓの中心５ｓＣと結んだ線分がレンズ部５ａ，５ｂの光軸５ｊとなる。この実施の形態では、レンズ部５ａ，５ｂの周辺領域のうち主に焦点検出光学系の光軸Ｌに近い周辺領域に、絞りマスク開口４ａ，４ｂで分割された光束が入射するようにする。すなわち、絞りマスク４の開口４ａ，４ｂの重心位置４ｊを、レンズ部５ａ，５ｂの光軸５ｊよりも焦点検出光学系の光軸Ｌ側に位置させる。
【００１８】
また、出射側の非球面凸面５ｓの形状は次のように設定される。図６も参照して説明する。図６に示すように、視野マスク２の開口２Ｘの重心位置をＫ０、上端位置をＫ１、下端位置をＫ２とする。開口２Ｘで制限を受けた光束は、コンデンサレンズ３，再結像レンズ部５ａ，５ｂを通過して受光センサアレイ６ａ，６ｂに入射する。受光センサアレイ６ａの上端素子には位置Ｋ２に対応する光像Ｋ２’、中央素子には位置Ｋ０に対応する光像Ｋ０’、下端素子には位置Ｋ１に対応する光像Ｋ１’がそれぞれ形成される。一方、受光センサアレイ６ｂについても同様に、上端素子に光像Ｋ２”、中央素子に光像Ｋ０”、下端素子に光像Ｋ１”がそれぞれ形成される。
【００１９】
図５および図６から分かるように、受光センサアレイ６ａの上端素子に入射する光束ｋ２は、非球面凸面５ｓの光軸近傍から射出し、受光センサアレイ６ｂの上端素子に入射する光束ｋ２’は、非球面凸面５ｓの光軸近傍から焦点検出光学系の光軸Ｌ側に離れた領域から射出する。非球面凸面５ｓの光軸近傍と、光軸近傍から焦点検出光学系の光軸Ｌ側に離れた領域の曲率はほぼ等しくされ、いずれの光束ｋ２，ｋ２‘が再結像レンズ５で受ける屈折力はほぼ等しい。なお、図５中、出射側の破線は入射側凸面と同一の曲率の球面レンズの形状を示す。
【００２０】
ＣＰＵ５６は、受光センサアレイ６ａの検出信号列と受光センサアレイ６ｂの検出信号列との相関演算を行い焦点調節状態を演算する。受光センサアレイ６ａの検出信号列は、上端Ｋ２の素子から中央Ｋ０の素子を経て下端Ｋ１の素子の順番に出力される列信号である。受光センサアレイ６ｂの検出信号列は、上端Ｋ２の素子から中央Ｋ０の素子を経て下端Ｋ１の素子の順番に出力される列信号である。これら列信号に対して互いに相関演算が行われる。したがって、出射側凸面５ｓの曲率は、一対の受光センサアレイ６ａ，６ｂのうち対応する一対のセンサ素子に入射する光束が受ける屈折力がほぼ等しく（出射角がほぼ等しく）なるように設定される。
【００２１】
このような焦点検出光学系により焦点検出光束がイメージセンサ６上に結像する。すなわち、一次結像面で結像した像は、コンデンサレンズ３から開口４ａ，４ｂを通過して一対の像に分割される。分割された一対の像は、再結像レンズ部５ａ，５ｂにより受光センサアレイ６ａ，６ｂにボケ像または鮮鋭像として再結像する。ボケ像は、いわゆる後ピン、前ピンと呼ばれ、一対の検出信号列の相関が低く、鮮鋭像が結像する際の一対の検出信号列の相関は高い。この相関関係に基づいて撮影レンズ１の焦点調節状態が演算される。
【００２２】
この実施の形態の再結像レンズ５の各レンズ部５ａ，５ｂの出射側非球面凸面５ｓの形状は、上述したように、たとえば受光センサアレイ６ａの上端素子に入射する光束ｋ２と、受光センサアレイ６ｂの上端素子に入射する光束ｋ２’が再結像レンズ５でそれぞれ受ける屈折力がほぼ等しくなるように決定されている。その結果、互いに相関をとる一対の像の屈折力の対称性が確保される。したがって、この受光センサアレイ６ａ，６ｂから出力される検出信号列の相関をＣＰＵ５６で演算して算出される撮影レンズ１による焦点調節状態は従来に比べて信頼性が向上する。
【００２３】
図８は、本実施の形態の再結像レンズ５の比較例を示す図であり、再結像レンズ５の各レンズ部の出射側の球面凸レンズ面の曲率を入射側の球面凸レンズ面の曲率よりも大きくした例である。図８から分かるように、受光センサアレイ６ａの光束ｋ２に比べて、受光センサアレイ６ｂの光束ｋ２’は、再結像レンズ部５ｂで大きな屈折力を受けている。換言すると、受光センサアレイ６ｂの光束ｋ２’のレンズ部５ｂからの出射角度は、受光センサアレイ６ａの光束ｋ２に比べて大きい。したがって、対応する光束ｋ２，ｋ２’は互いに異なる屈折力を受けたものとなり、光学的な対称性が悪いことは明らかである。
【００２４】
以上では、再結像レンズ５ａ，５ｂの射出側凸面５ｓを非球面レンズとしたが、図７に示すように、レンズ部光軸周辺を球面領域５ｐ、球面領域５ｐの周辺を非球面領域５ｈとしてもよい。この場合も、上で説明したように、たとえば受光センサアレイ６ａの上端素子に再結像レンズ部５ａから入射する光束ｋ２と受光センサアレイ６ｂの上端素子に再結像レンズ部５ｂから入射する光束ｋ２’が、再結像レンズ部５ａ，５ｂにより等しい屈折力を受けるように、射出側凸面の非球面領域５ｈの形状を決定する必要がある。
【００２５】
焦点検出領域Ｃ，Ｄについても同様に構成することができる。この場合、各焦点検出領域Ｃ，Ｄに対して、視野開口、絞り開口、再結像レンズ、受光センサアレイが設けられ、焦点検出領域Ａで説明したような構成を採用すればよい。
【００２６】
要するに本発明は、次のように構成される限り、再結像レンズ部の凸面形状はどのように設定してもよい。すなわち、本発明による焦点検出装置は、撮影レンズから入射される撮影光束を制限して撮影画面内に焦点検出領域を設定する視野開口２Ｘを備える視野マスク２と、焦点検出領域を通過した撮影光束を集光するコンデンサレンズ３と、コンデンサレンズ３を通過した撮影光束を一対の開口４ａ，４ｂで制限して瞳分割する絞りマスク４と、絞りマスク４の開口重心に対して光軸を偏位して配置されるとともに、絞りマスク４で瞳分割された一対の光束をそれぞれ再結像させるレンズ部５ａ，５ｂを有する再結像レンズ５と、再結像レンズ５により受光面上に再結像された一対の光束をそれぞれ電気信号に変換して出力する一対の受光センサアレイ６ａ、６ｂとを有する撮像素子６とを備える。そして、再結像レンズ５は入出射面５ｓ，５ｎの曲率がほぼ等しい両凸レンズであり、その再結像レンズ５の出射側凸面５ｓは非球面であり、その曲率は、一対の受光センサアレイ６ａ、６ｂのうち対応する一対のセンサ素子にそれぞれ入射する光束のそれぞれが受ける屈折力がほぼ等しくなるように形成される。焦点検出演算回路であるＣＰＵ５６は、一対の受光センサアレイ６ａ，６ｂから出力される検出信号列の相関を得ることにより周知の焦点検出演算を行う。
【００２７】
本発明は、以上で説明した実施の形態に限定されることなく、種々の形態で実現することができる。たとえば、レンズ交換式の銀塩一眼レフカメラに限らず、デジタルカメラなどの種々のカメラに使用できる。焦点検出光学系も種々の形態に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態の焦点検出装置を組み込んだ自動焦点調節一眼レフカメラの断面図である。
【図２】撮影画面内に設定された３つの焦点検出領域を示す図である。
【図３】焦点検出光学系の構成を示す図である。
【図４】焦点検出光学系の構成を示す図である。
【図５】絞りマスクの一対の開口と再結像レンズの配置を説明する図である。
【図６】一対の受光センサアレイ上に形成される一対の像の対称性を説明する図である。
【図７】再結像レンズの変形例を示す図である。
【図８】再結像レンズの比較例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：撮影レンズ                      ２：視野マスク
３：コンデンサレンズ                ４：絞りマスク
５：再結像レンズ            ５ａ，５ｂ：レンズ部
５ｎ：球面凸レンズ面                ５ｓ：非球面凸レンズ面
６：イメージセンサ        ６ａ，６ｂ：受光センサアレイ
【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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【図７】
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【図８】
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