CN100533199C - 焦点检测装置、光学设备和摄像系统 - Google Patents

Abstract

公开一种焦点检测装置、光学设备和摄像系统，该焦点检测装置能够进行精确的焦点检测。该焦点检测装置包括：第一成像镜头单元，其包括第一对镜头部，第一对镜头部利用通过沿第一方向成对的第一对开口之后的来自摄像光学系统的光束在第一对光接收元件阵列上形成第一对像；和第二成像镜头单元，其包括第二对镜头部，第二对镜头部利用通过沿第二方向成对的第二对开口之后的来自摄像光学系统的光束在第二对光接收元件阵列上形成第二对像。第二对镜头部之间的中点位于第一对镜头部之间，并偏离第一对镜头部之间的中点。

Description

焦点检测装置、光学设备和摄像系统

技术领域

本发明涉及一种用于调节如数字照相机、摄像机和胶片照相机等摄像设备中的摄像光学系统的焦点的焦点检测装置，更具体地，涉及一种相位差检测方法中的焦点检测装置。

背景技术

焦点检测方法包括由摄像元件产生图像信号(videosignal)并将该图像信号用于焦点检测的所谓的对比度检测方法。对比度检测方法的焦点检测包括在光轴上逐渐移动摄像光学系统的调焦镜头的同时搜索对应于对比度峰值的对好焦位置(in-focuspo sition)，因此该方法倾向于需要长时间来获得对好焦状态。

为此，在单反数字照相机中，常常采用相位差检测方法进行焦点检测。在相位差检测方法中，由于可以从摄像光学系统的散焦量(defocus amount)确定用于获得对好焦状态的调焦镜头的必要移动距离，所以与对比度检测方法相比，可以显著地减少获得对好焦状态所花的时间。

在相位差检测方法的焦点检测中，已经提出多点焦点检测，其中，不仅在摄像范围的中央设置焦点检测区域，而且在摄像范围周边的轴外区域中设置焦点检测区域。日本特开平8(1996)-262320号公报是这种焦点检测方法的一个例子，并且公开了在摄像范围内的轴外区域中进行焦点检测的焦点检测装置。

在日本特开平8(1996)-262320号公报中公开的焦点检测装置中，利用由形成在二次摄像镜头的入射面上的一对镜头部和形成在二次摄像镜头的出射面上的一对棱镜部形成在一对光接收元件阵列上的一对像(image)来进行轴外区域中沿水平方向的相位差检测。摄像镜头的散焦在水平方向上移动该成对像，其中配置光圈中的一对开口。像的移动方向称为相关方向。

当二次摄像镜头的入射侧的镜头部和二次摄像镜头的出射侧的棱镜部被共同看作一个光学系统时，用于检测水平方向上的相位差的成对光学系统不仅在用作相关方向的水平方向上是不对称的，而且在垂直方向上也是不对称的。

在不仅在相关方向(水平方向)上不对称而且在垂直方向上也不对称的成对光学系统中，由温度和湿度等周围环境的改变而引起的二次摄像镜头的变形使光接收元件阵列上的成对像沿水平方向和垂直方向都移动。由于成对光学系统是不对称的，所以成对像中的一个的移动距离不同于另一个的移动距离。

已经对通过设置检测温度和湿度的传感器来校正由周围环境改变导致在相关方向上具有不同移动距离的成对像的移动的方法提出了一些方案。即使在相关方向上进行了校正，成对像在与相关方向正交的垂直方向上的移动也可能导致变化的取决于被摄体的焦点检测结果，从而降低了焦点检测精度。

在日本特开平8(1996)-262320号公报中公开的焦点检测装置包括仅沿一维方向在轴外区域中布置的光接收元件阵列。存在不能进行取决于被摄体对比度成分的焦点检测的可能。

发明内容

本发明提供一种能够在摄像范围的轴外区域中进行精确焦点检测而不会受到周围环境的改变或被摄体的对比度成分影响的焦点检测装置。

根据一个方面，本发明提供一种焦点检测装置，其包括：第一成像镜头单元，其包括第一对镜头部，所述第一对镜头部利用通过沿第一方向成对的第一对开口之后的来自摄像光学系统的光束在第一对光接收元件阵列上形成第一对像；和第二成像镜头单元，其包括第二对镜头部，所述第二对镜头部利用通过沿第二方向成对的第二对开口之后的来自所述摄像光学系统的光束在第二对光接收元件阵列上形成第二对像；其中，所述第二对镜头部之间的中点位于所述第一对镜头部之间，并偏离所述第一对镜头部之间的中点。

根据另一方面，本发明提供一种如摄像设备等光学设备，该光学设备包括上述的焦点检测装置。根据再一方面，本发明提供一种摄像系统，该摄像系统包括作为光学设备的摄像设备和可拆卸地安装在该摄像设备上的摄像镜头(可换镜头)。

从参考附图对本发明的优选实施例的以下说明中，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出包含作为本发明实施例1的焦点检测装置的单反数字照相机的剖视图。

图2是示出实施例1的焦点检测装置的立体图。

图3是示出实施例1中的从视场掩模(field mask)看的光圈的主视图。

图4A是示出实施例1中的二次成像镜头单元的入射面的主视图。

图4B是示出实施例1中的二次成像镜头单元的出射面的后视图。

图5是实施例1中的从视场掩模看的光接收传感器的主视图。

图6示出实施例1中的后投影到视场掩模上的每个光接收元件阵列。

图7是示出从上方看的实施例1的焦点检测装置的光学剖视图。

图8是示出从侧面看的实施例1的焦点检测装置的光学剖视图。

图9是示出从上方看的实施例1的焦点检测装置的光学剖视图。

图10是示出从侧面看的实施例1的焦点检测装置的光学剖视图。

图11示出实施例1中的光圈上方的镜头部。

图12示出实施例1中的光圈上方的光接收元件阵列。

图13A和图13B示出实施例1中的焦点检测性能。

图14是示出实施例1中的二次成像镜头单元的放大部分的立体图。

图15A是示出作为本发明实施例2的焦点检测装置的立体图。

图15B是示出实施例2的焦点检测装置的立体图。

图16A是示出作为本发明实施例3的焦点检测装置的立体图。

图16B是示出实施例3的焦点检测装置的立体图。

图17是示出从上方看的实施例4的焦点检测装置的光学剖视图。

具体实施方式

以下将参考附图对本发明的优选实施例进行说明。

实施例1

图1示意性示出了包含作为本发明实施例1的焦点检测装置的单反数字照相机(光学设备和摄像设备)的结构。

在图1中，附图标记200表示单反照相机的主体，附图标记201表示可拆卸地安装在照相机主体200上的摄像镜头。附图标记L表示设置在摄像镜头201中的摄像光学系统201a的光轴(以下简称为摄像镜头201的光轴)。

在摄像镜头201的预定成像面的附近，设置摄像元件单元204，该摄像元件单元204包括光学低通滤波器、红外线截断滤波器和由CCD传感器或CMOS传感器形成的摄像元件。

在摄像镜头201和摄像元件单元204之间，设置主镜202和副镜203，该主镜202和副镜203在通过光学取景器观察期间布置在从摄像镜头201到摄像元件单元204的光路上，在摄像操作期间从光路上的光束退避。主镜202由半反镜(half mirror)形成。在通过取景器观察时，来自摄像镜头201的光束被分为指向稍后说明的取景器光学系统的反射光和到达副镜203的透射光。反射光在聚焦板205的漫射面上成像，并且使用者经由五棱镜206和目镜207观察该漫射面上的像。聚焦板205、五棱镜206和目镜207构成取景器光学系统。

另一方面，通过主镜202透射之后的光被副镜203反射，指向焦点检测装置208。

在摄像操作中，摄像元件单元204中的摄像元件对由来自摄像镜头201的光束形成的被摄体像进行光电转换。设置在照相机主体200中的未示出的图像处理电路对来自摄像元件的输出进行预定的处理，以产生图像信号。图像信号在未示出的显示器上表现为图像，或者在未示出的记录介质(如半导体存储器和光盘等)上记录为图像数据。

图2示出焦点检测装置208的结构。实施例1的焦点检测装置208利用相位差检测方法检测摄像镜头201的焦点状态。在实际的焦点检测装置中，通过使用镜子或类似物折叠光路以实现小型化，但图2示出展开为直线的光路。

附图标记210表示视场掩模，其在中央和左右具有十字形开口(以下称为掩模开口)210a、210b和210c。视场掩模210设置在与摄像元件单元204的摄像面等价的位置或该摄像面的近旁，该摄像面用作摄像镜头201的预定成像面。

附图标记211表示场镜(field lens)，其设置在视场掩模210的后方。场镜211包括多个镜头部211a、211b和211c，这些镜头部具有不同的光学作用且具有不同的镜头光轴。镜头部211a、211b和211c分别与掩模开口210a、210b和210c关联。换句话说，镜头部211a、211b和211c分别对通过掩模开口210a、210b和210c之后的光束提供光学作用。

附图标记212表示具有多个开口的光圈。附图标记213表示二次成像镜头单元(成像镜头单元)，其包括与形成在光圈212中的多对开口关联的多对镜头部。由摄像镜头201在预定成像面上形成的被摄体像被二次成像镜头单元213再次形成在光接收传感器215的光接收元件阵列上，该光接收传感器215设置在单元213的后方。红外线截断滤波器(未示出)设置在光圈212的直接前方，以去除焦点检测不必要的红外波长成分。

图3至图5示出当从光轴方向看时图2所示的各构件。图3示出从视场掩模210看时光圈212的形状。图4A示出从入射面看时二次成像镜头单元213的形状。图4B示出从出射面看时二次成像镜头单元213的形状。图5示出从视场掩模210看时光接收传感器215的形状。

在图3中，在光圈212的中央形成开口212a-1和212a-2，该开口212a-1和212a-2在与摄像镜头201(成像光学系统201a)的像面即稍后说明的摄像范围(或屏幕)中的垂直方向对应的方向(第一方向)上成对。在光圈212的中央还形成开口212a-3和212a-4，该开口212a-3和212a-4在与摄像范围中的水平方向对应的方向(第二方向)上成对。在以下说明中，在光圈212中形成的开口称为光圈开口。第一方向和第二方向分别称为垂直方向和水平方向。

在光圈212的右部，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对光圈开口212b-1、212b-2以及212b-3、212b-4。在光圈212的左部，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对光圈开口212c-1、212c-2以及212c-3、212c-4。

在图4A中，与光圈开口关联的棱镜部形成在二次成像镜头单元213的入射侧。具体地，在入射面的中央，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对棱镜部213a-1、213a-2以及213a-3、213a-4。在入射面的右部，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对棱镜部213b-1、213b-2以及213b-3、213b-4。在入射面的左部，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对棱镜部213c-1、213c-2以及213c-3、213c-4。

在图4B中，由球面形成的且与图4A中的棱镜部关联的镜头部形成在二次成像镜头单元213的出射侧。在出射面的中央，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对镜头部214a-1、214a-2以及214a-3、214a-4。在右部(从入射侧看时的右，图4B中的左)，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对镜头部214b-1、214b-2以及214b-3、214b-4。在左部(从入射侧看时的左，图4B中的右)，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对镜头部214c-1、214c-2以及214c-3、214c-4。

在图5中，与图4B中的镜头部关联的光接收元件阵列形成在光接收传感器215上。在传感器215的中央，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对光接收元件阵列215a-1、215a-2以及215a-3、215a-4。在传感器215的右部，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对光接收元件阵列215b-1、215b-2以及215b-3、215b-4。在传感器215的左部，形成分别在垂直方向上和水平方向上成对的两对光接收元件阵列215c-1、215c-2以及215c-3、215c-4。

图3至图5中由含脚标a、b和c的附图标记表示的开口、棱镜部、镜头部和光接收元件阵列对应于图2中由含脚标a、b和c的附图标记表示的视场掩模210的开口和场镜211的镜头部。

例如，光束通过掩模开口210b，通过场镜211b，并通过两对光圈开口212b-1、212b-2以及212b-3、212b-4，从而该光束被分成四个光束。四个光束进入二次成像镜头单元213中的两对棱镜部213b-1、213b-2以及213b-3、213b-4，并分别从两对镜头部214b-1、214b-2以及214b-3、214b-4射出。四个光束从两对镜头部射出，然后在光接收传感器215中的两对光接收元件阵列215b-1、215b-2以及215b-3、215b-4上形成与掩模开口210b关联的四个开口像。

图5中由虚线示出的四个十字形216-1、216-2、216-3和216-4表示开口像，其中，开口像216-1和216-2成对，开口像216-3和216-4成对。

在如上述构造的焦点检测装置208中，来自摄像镜头201的预定成像面的散焦使成对光学像(二次光学像)在成对开口像内彼此接近地移动或彼此离开地移动。

例如，成对开口像216-1和216-2内的光学像被沿垂直方向移动。如图5所示，可以通过在垂直方向上配置成对的光接收元件阵列来检测该移动。具体地，基于来自光接收元件阵列215b-1和215b-2的输出来检测光学像中的光量分布，并利用公知的相关计算确定光学像之间的间隔，以确定算出的光学像之间的间隔与摄像镜头201处于对好焦状态时光学像之间的间隔的偏差。

利用包括作为变量的偏差且预先存储的多项式来逼近光学像之间的间隔的偏差与摄像镜头201的散焦量之间的关系，由此使得可以估算摄像镜头201的散焦量。估算结果可以用于进行摄像镜头201的焦点检测(调焦镜头的驱动量的计算)。除了前述对光接收元件阵列215b-1和215b-2的说明中的垂直方向由水平方向替代之外，焦点检测的相同原理用于光接收元件阵列215b-3和215b-4。

光接收元件阵列215b-1和215b-2各包括在垂直方向上布置的多个光接收元件。因而，成对的光接收元件阵列215b-1和215b-2适于在垂直方向上具有对比度成分的被摄体的焦点检测。另一方面，光接收元件阵列215b-3和215b-4各包括在水平方向上布置的多个光接收元件，从而成对的光接收元件阵列215b-3和215b-4适于在水平方向上具有对比度成分的被摄体的焦点检测。可以结合该两对的焦点检测结果，以实现不受被摄体对比度成分的方向影响的所谓的交叉型(cross type)焦点检测。

尽管上面用含脚标b的附图标记表示的元件形成的焦点检测光学系统进行了说明，但相同的说明可用于用含脚标a或c的附图标记表示的元件形成的焦点检测光学系统。

图6示出向后投影到视场掩模210上的光接收传感器215的光接收元件阵列。由于视场掩模210设置得接近摄像镜头201的预定成像面，所以将图6中的表示看作预定成像面也是没有问题的。

在图6中，由比视场掩模210略大的框表示的矩形217对应于由摄像镜头201形成的像(像圈)中由摄像元件204进行图像转换的用作屏幕的摄像范围。在三个掩模开口210a、210b和210c中，光接收元件阵列的后投影像218a、218b、218c、219a、219b和219c形成并示出为十字形区域。由于成对的光接收元件阵列在预定的成像面上一致，所以它们在图6中重叠。通过光接收元件阵列的后投影提供后投影像218a、218b、218c、219a、219b和219c，从而在这些十字形区域中可以检测到被摄体中的光量分布。换句话说，后投影像用作所谓的交叉焦点检测区域。

在实施例1中，三个交叉焦点检测区域设置在摄像范围217的中央和两个轴外区域中，可以通过利用在该三个焦点检测区域中的任一个中的被摄体像进行焦点检测。由于交叉焦点检测区域在两个正交方向上延伸，所以不管被摄体的对比度成分方向如何，可以对几乎所有被摄体进行焦点检测。轴外区域(或简称为轴外)指相对于中央部距光轴L(参考图2)更远距离处的区域，该中央部用作包含光轴L的轴上区域。

焦点检测装置优选包括多个尽可能远离中央的焦点检测区域。考虑到应该组装到照相机中，希望焦点检测系统具有减小的全长，以提供整个设备的小型化。另外，从制造成本观点出发，由于光接收传感器在焦点检测装置中占高成本比例，所以希望光接收传感器占据最小的可能面积。

为了满足上述要求并实现光学焦点检测系统，视场掩模210的轴外开口被设置成尽可能远离视场掩模210与光轴L的交点。光轴L指从图1所示的摄像镜头201的光轴L延伸的轴线，也就是说，光轴L指对应于光轴L的轴线，以及由副镜203弯折并到达焦点检测装置208中的与摄像范围的中心对应的位置的轴线，即焦点检测装置208的中心轴。光轴L可以称作焦点检测装置(焦点检测光学系统)中的中心光轴。

希望焦点检测装置208具有以下结构：光束通过掩模开口210a、210b和210c，被场镜211朝向光轴L显著地折射，通过光圈212和二次成像镜头单元213，会聚到光接收传感器215。然而，光束的折射导致像差(aberration)。由场镜211引起的显著折射导致如像散、彗差(comatic aberration)和色差(chromatic aberration)等引起成像性能劣化的各种类型的像差，这使得难以提供适合于符合要求的焦点检测的二次光学像。在利用相位差检测方法的焦点检测中，成对的二次光学像之间的间隔需要一致，而与像高和波长无关。因而，以下两点对二次光学像的性能尤其重要。

(1)成对的二次光学像在其移动方向上的歪曲应该关于二次光学像的中心对称。

(2)在成对的二次光学像中在其移动方向上不应该存在倍率的色差。

当如实施例1中那样，场镜显著折射光时，由于色差由棱镜效果引起，所以需要完全去除在(2)中说明的像差。

为了实现这，在实施例1中，可以适当地设定色差的方向和用于去除色差的装置，以实现对轴外区域中的周围环境变化较不敏感的交叉型焦点检测装置。以下将对用于轴外区域的焦点检测系统的结构进行说明。在以下说明中，具有含脚标a的附图标记的元件被包含在用于摄像范围的中央的焦点检测系统中。该系统是公知的，由此省略了其说明。

首先，将对设置在摄像范围的轴外区域中的焦点检测区域(以下简称作轴外焦点检测区域)的沿垂直方向延伸的焦点检测区域218b和218c进行说明。

图7示出在从上方看焦点检测装置208时的光学剖面。附图标记220b-1(220b-2)和220c-1(220c-2)分别表示从摄像镜头201射出，分别在十字形掩模开口210b和210c的中央成像，并分别通过光圈开口212b-1(212b-2)和212c-1(212c-2)的光束。换句话说，在用于轴外焦点检测区域218b和218c的成对的光束之中，光束220b-1(220b-2)和220c-1(220c-2)分别在成对的光接收元件阵列215b-1、215b-2以及215c-1、215c-2的中央成像。由于在垂直方向上成对的构件具有关于包含光轴L的水平面对称的形状，所以所述成对的构件在图7中重叠。

成对的光束220b-1和220b-2、220c-1和220c-2被场镜211朝向光轴L极大地折射。它们经由平面棱镜部213b-1和213c-1进入二次成像镜头单元213，从球面镜头部214b-1和214c-1射出，并在光接收传感器215上成像。因而，在光接收传感器215上，由于由场镜211折射引起的棱镜效果，在与图7的剖面平行的方向上发生色差。

然而，成对的光束220b-1、220b-2以及220c-1、220c-2与图5所示的成对的光接收元件阵列215b-1、215b-2以及215c-1、215c-2关联，从而光学像之间的间隔的检测方向(相关方向)与色差的方向正交。在光学像之间的间隔的检测方向上产生(1)和(2)中所说明的对于焦点检测系统中的二次光学像重要的上述像差。因此，与图7的剖面平行的方向上的色差几乎不会影响焦点检测。

可以通过优化棱镜部的角度以及光圈开口、棱镜部、镜头部在像差方向上的位置关系来校正上述色差。然而，色差不会影响焦点检测性能，从而通过考虑在二次成像镜头单元213中的光束分离来设置该剖面中的实施例1的二次成像镜头单元213，而无需考虑色差的校正。稍后将详细说明光束分离。

另一方面，在与图7正交的光学剖面中，成对的焦点检测光学系统类似于由具有含脚标a的附图标记的元件形成的在中央的成对的焦点检测光学系统。可以进行已知的像差校正，以提供上面在(1)和(2)中说明的性能。

图8示出在从侧面看焦点检测装置208时的光学剖面。在该剖面中，具有含脚标b和c的附图标记的元件重叠。在成对的光束220b-1(220c-1)和220b-2(220c-2)中，其主光线几乎不被折射。

二次成像镜头单元213中的成对的棱镜部213b-1和213b-2由朝向光轴L倾斜相同角度的平面形成。成对的镜头部214b-1和214b-2由中心位于相关光圈开口212b-1和212b-2的中心附近的球面形成。

从图7和图8可以明显看出，成对的棱镜部213b-1和213b-2的面法线矢量仅在图8的剖面方向上倾斜。

由于图8的剖面对应于二次光学像之间的间隔的检测方向，所以自然校正了(1)和(2)中的像差。另外，如上所述，当在光接收元件阵列的中央成像的主光线几乎不被折射时，仅通过二次成像镜头单元213的轻微程度的优化就可以容易地校正(1)和(2)中的像差。

与焦点检测区域218b和218c相关联的成对的焦点检测光学系统关于与连接成对的光圈开口212b-1、212b-2和212c-1、212c-2的开口中心(或开口重心)的线段正交并二等分该线段的平面对称。换句话说，成对的焦点检测光学系统在二次光学像之间的间隔的检测方向上对称。

接着，将对图6所示的轴外焦点检测区域的在水平方向上延伸的焦点检测区域219b和219c进行说明。

图9示出与图7类似地在从上方看焦点检测装置208时的光学剖面。附图标记220b-3、220b-4以及220c-3、220c-4分别表示通过摄像镜头201，分别在掩模开口210b和210c的中央成像、并分别通过图3中的成对的光圈开口212b-3、212b-4和212c-3、212c-4的光束。换句话说，在用于轴外焦点检测区域219b和219c的成对的光束之中，光束220b-3、220b-4以及220c-3、220c-4在成对的光接收元件阵列215b-3、215b-4以及215c-3、215c-4的中央成像。

与图7中的光束类似，成对的光束220b-3和220b-4、220c-3和220c-4大部分被场镜211朝向光轴L折射，进入二次成像镜头单元213。

由于光束被场镜211显著折射，所以在二次成像系统中发生如色差等各种类型的像差。然而，与图7和图8中的情形不同，色差的方向对应于通过成对的光接收元件阵列215b-3、215b-4、215c-3和215c-4的二次光学像之间的间隔的检测方向。另外，由于场镜211的折射角在进入二次成像镜头单元213的成对的光束220b-3和220b-4之间以及在进入二次成像镜头单元213的成对的光束220c-3和220c-4之间不同，所以不同程度地发生像差。

因而，在实施例1中，通过优化棱镜部的角度以及光圈开口、棱镜部、镜头部在像差方向上的位置关系来校正上述色差。由于在成对的光束之间不同程度地发生像差，所以在成对的光束之间校正量也不同。基本上，在图9的剖面中，二次成像光学系统由在各对中具有不对称形状的成对的光圈开口、成对的棱镜部和成对的镜头部形成。然而，在实施例1中，考虑到制造的困难，仅成对的镜头部具有相同的形状(对称形状)。

利用该结构，(2)中的上述像差可以被校正至能够进行焦点检测的水平。(1)中的像差由场镜211优化。场镜211仅需要能够提供摄像镜头201的出瞳和光圈212之间的成像关系。在实施例1中，通过弯曲场镜211的入射面和出射面以提供均匀的光强度来去除(1)中的像差。

另一方面，在与图9的剖面正交的剖面中，成对的焦点检测光学系统类似于由具有含脚标a的附图标记的元件形成的在中央的成对的焦点检测光学系统。在与二次光学像之间的间隔的检测方向正交的方向上的像差不会大到成为问题。

图10示出在从侧面看焦点检测装置208时的光学剖面。在该剖面中，具有含脚标b和c的附图标记的元件和成对元件重叠。

在图10中，光束220b-3(220b-4、220c-3、220c-4)包括与光轴L重叠的主光线并且不被折射。实质上仅在于光圈开口、棱镜部和镜头部被布置成它们的中心与图10中的光轴L重叠。

与焦点检测区域219b和219c相关联的成对的焦点检测光学系统关于与连接成对的光圈开口212b-3、212b-4或212c-3、212c-4的开口中心(或开口重心)的线段正交并二等分该线段的平面不对称。换句话说，成对的焦点检测光学系统在二次光学像之间的间隔的检测方向上不对称。为焦点检测区域218b和219b而设置的焦点检测光学系统相结合，以提供光圈、镜头部、以及光接收元件阵列之间的实施例1的特征位置关系。

图11示出该特征位置关系，其中，为焦点检测区域218b和219b而设置的镜头部在光圈212的前视图上重叠。由圆圈示出镜头部，以便于识别镜头中心(或光轴)即作为透镜的球面的顶点的面顶点。

在图11中，点L表示光轴L通过的点。点L对应于连接中央部中的成对的光圈开口212a-1和212a-2的中心的线段的中点以及连接中央部中的成对的光圈开口212a-3和212a-4的中心的线段的中点。尽管在图11中未示出，点L对应于连接中央部中的成对的镜头部214a-1和214a-2的中心(镜面顶点)的线段的中点以及连接中央部中的成对的镜头部214a-3和214a-4的中心的线段的中点。

点A对应于连接轴外区域中的成对的光圈开口212b-1和212b-2的中心的线段的中点以及连接成对的光圈开口212b-3和212b-4的中心的线段的中点。当附图标记230表示连接成对的光圈开口212b-3和212b-4的中心的线段在配置成对的光圈开口212b-3和212b-4的水平方向上的延长线时，延长线230通过点L。

中央和轴外区域中的两对光圈开口通过场镜211被投影到成像镜头201的出瞳上。为了更有效地使用关于轴线对称的出瞳，使连接其中一对光圈开口的中心的线段的中点与连接另一对光圈开口的中心的线段的中点一致。这可以有利地确保足够的基线长，以提供快速焦点检测光学系统和大的焦点检测区域。

另一方面，连接轴外区域中的成对的镜头部214b-1和214b-2的中心的线段的中点是点B，连接成对的镜头部214b-3和214b-4的中心的线段的中点是点C。点B不与点C对应。具体地，点B比点C更接近点L。

这是因为，由于如上所述通过场镜211朝向光轴L折射光线，成对的镜头部214b-3和214b-4需要从成对的镜头部214b-1和214b-2朝向光轴L移位。利用图9中描述的色差校正来优化成对的镜头部214b-3和214b-4，并使成对的镜头部214b-3和214b-4配置成镜头部的中心之间的中点对应于点C。

由于在成对的镜头部214b-1和214b-2中水平方向的像差不会成为问题，所以考虑通过光圈开口212b-1和212b-2的光束分离来设置它们。光束分离指作为四个球面镜头部214b-1、214b-2、214b-3和214b-4之间的边界的线的优化，以防止光束在通过光圈开口212b-1之后经由镜头部214b-1之外的镜头部行进。结果，成对的镜头部214b-1和214b-2的中心之间的中点对应于被移成比点C更接近轴线L的点B的位置。

在两对中使中点移位的结构不仅用在镜头部中，而且也用在棱镜部中。在成对的棱镜部中，形成成对棱镜部的两平面之间的直线被视为中线。在从图11所示的光轴方向看时，成对的棱镜部213b-1和213b-2之间的中线对应于延长线230。另一方面，成对的棱镜部213b-3和213b-4之间的中线不与连接成对的光圈开口212b-1和212b-2的中点的线段231对应，而是被移成比线段231更接近点L。移位的中线不经过点B或点C。

由于棱镜部不位于远离光圈212的位置，所以可充分地进行光束分离。因而，考虑到二次成像镜头单元213的容易制造，如图4A所示，两对棱镜部被均匀地划分为垂直方向和水平方向上的四个，但如图9所示，在四个划分的棱镜部的顶点处产生台阶。例如，由于成对的棱镜部213b-1和213b-2具有对称形状，所以它们的顶点一致。然而，成对的棱镜部213b-3和213b-4的顶点在垂直于图4纸面的方向上从成对的棱镜部213b-1和213b-2的顶点移位。棱镜部的台阶可以形成为使棱镜部的顶点一致，并且最高台阶在离开顶点的位置产生。

接着，图12示出在光圈212的前视图上的为焦点检测区域218b和219b设置的光接收元件阵列。在图12中，点D是连接成对的光接收元件阵列215b-1和215b-2的中心的线段的中点，点E是连接成对的光接收元件阵列215b-3和215b-4的中心的线段的中点。点D和点E被移成沿延长线230的方向都比图11所示的上述点A和点B及点C更接近光轴L，点D被移成比点E更接近光轴L。

这是由以下导致的：通过对光束分离给予高优先级来与成对的光接收元件阵列215b-1和215b-2相关联地设置镜头部214b-1和214b-2、以及考虑到像差而与成对的光接收元件阵列215b-3和215b-4相关联地设置镜头部214b-3和214b-4。

当充分地进行光束分离时，考虑到二次光学像的成像位置，通过设置镜头部，可以使点D与点E一致。然而，在实施例1中，由于点D和点E仅具有微小失配地设置，因此点D和点E不一致。

图13A和图13B示出轴外焦点检测区域中的涉及上述点(1)和(2)的焦点检测性能。图13A示出焦点检测区域218b(或218c)中的焦点检测性能。图13B示出焦点检测区域219b(或219c)中的焦点检测性能。

在图13A和图13B中，水平轴表示沿从焦点检测区域的中心朝向其周边的方向的像高。垂直轴表示当光学像之间的间隔在焦点检测区域的中心等于零时，成对的二次光学像之间的间隔的改变量。脚标C、d和F用于表示对于每个波长的改变量，并且分别对应于C线(656.27nm)、d线(587.56nm)和F线(486.13nm)。

在图13A中，光学像之间的间隔的改变量240C、240d和240F关于垂直轴对称，并且具有依赖于像高和波长的小变化，这表明顺利地校正了改变量。

在图13B中，光学像之间的间隔的改变量241C、241d和241F关于垂直轴不对称。这是因为形成焦点检测区域219b(219c)所用的二次成像光学系统的元件在每对中是不对称的。然而，在实施例1中，光学像之间的间隔的改变量241C、241d和241F被校正至焦点检测可能的水平，尽管与图13A中的改变量相比，它们包含依赖于像高和波长的略微更大的变化。

上述结构实现轴外区域中的交叉型相位差检测方法中的焦点检测。

接着，将对如温度和湿度等周围环境改变发生时的实施例1的优点进行说明。

由周围环境改变引起的形成焦点检测光学系统的构件的膨胀或收缩使成对的二次光学像之间的间隔变化，从而提供不同于常温的焦点检测结果的焦点检测结果。为此，在传统方法中，预先测量由温度改变引起的二次光学像之间的间隔的改变，并将其作为数据保持，基于该测量数据和来自为焦点检测装置设置的温度传感器或湿度传感器的输出来校正焦点检测结果。然而，如果成对的二次光学像在除间隔检测方向之外的方向上移位，则焦点检测结果依赖于被摄体而变化。

因而，在焦点检测系统中，防止由环境改变导致的光学像在除了像间隔检测方向之外的方向上的移位很重要。光学像在除了间隔检测方向之外的方向上的这种移位的主要原因在于焦点检测光学系统的二次成像镜头单元213的形状的改变。为此，在实施例1中，二次成像镜头单元213构造成由环境改变引起的光学像的移位不太可能在除了间隔检测方向之外的方向上发生。

在与成对的二次光学像之间的间隔的检测方向正交的方向(以下称作像间隔正交方向)上，如图7和图10所示，二次成像镜头单元213形成为在视场掩模210的开口的中央成像的光束的主光线几乎不被折射。形成在二次成像镜头单元213的出射侧的镜头部由在每对中具有相同形状的球面透镜制成。结果，由于环境改变引起的像移位不太可能在像间隔正交方向上发生。

图14是示出形成在二次成像镜头单元213的入射侧的棱镜部的与轴外焦点检测区域218c和219c关联的棱镜部的放大图。在图14中，光轴Lc与光轴L平行且通过图4A中的棱镜部的顶点。

附图标记250-1、250-2、250-3和250-4分别表示棱镜部213c-1、213c-2、213c-3和213c-4的重心处的法线矢量。

成对棱镜部213c-1和213c-2的法线矢量250-1和250-2与光轴Lc在同一点相交，且相对于光轴Lc成相等的角度θ1和θ2。具体地，光轴Lc和法线矢量250-1和250-2在作为垂直平面的同一平面上。成对棱镜部213c-1和213c-2的像间隔正交方向由箭头251示出。由于成对棱镜部213c-1和213c-2在箭头251的方向上不倾斜，所以由于环境改变引起的像移位更加不太可能在像间隔正交方向上发生。

即使当棱镜面由于环境改变而变形时，由于在箭头251的方向上棱镜部213c-1和213c-2之间不存在倾斜差异，所以在成对棱镜部213c-1和213c-2中发生相同程度的变形。因而，像移位不太可能在像间隔正交方向上发生。

成对棱镜部213c-3和213c-4的法线矢量250-3和250-4与光轴Lc在不同点相交，且相对于光轴Lc成不同的角度θ3和θ4。光轴Lc和法线矢量250-3和250-4在作为水平面的同一平面上。成对棱镜部213c-3和213c-4的像间隔正交方向由箭头252示出。成对棱镜部213c-3和213c-4在箭头252的方向上不倾斜，从而由于环境改变引起的像移位不太可能在像间隔正交方向上发生。当棱镜面由于环境改变而变形时，由于不同的角度θ3和θ4，在箭头251的方向上发生不同的变形。由于这仅影响成对光学像之间的间隔，可以通过上述已知的方法进行校正。

在箭头252的方向上，由于棱镜部213c-3和213c-4之间不存在倾斜差异，所以发生相同程度的变形。因而，像移位不太可能在像间隔正交方向上发生。

尽管结合包含在单反照相机中的焦点检测装置对实施例1进行了说明，但本发明不限于此，焦点检测装置可以安装在其它光学设备上。另外，结合包含在光接收传感器上形成二次光学像的二次成像系统的焦点检测装置对实施例1进行了说明，但本发明的实施例包括含一次成像系统的焦点检测装置。

实施例2

图15A和图15B示出作为本发明的实施例2的焦点检测装置的结构。实施例2是实施例1的变形例，并且与实施例1相比，在摄像范围包括增大数量的交叉焦点检测区域。

在图15A和图15B中，焦点检测装置308包括视场掩模310、场镜311、光圈312、二次成像镜头单元313和光接收传感器315。

视场掩模310形成有与九个焦点检测区域关联的九个十字形的掩模开口310a至310i。对于每个焦点检测区域，场镜311、光圈312、二次成像镜头单元313、以及光接收传感器315分别具有镜头部、两对光圈开口、两对棱镜部和两对镜头部、以及两对光接收元件阵列。该结构使得能在成像范围中的九个位置进行交叉型焦点检测。

视场掩模310、场镜311、光圈312、二次成像镜头单元313以及光接收传感器315的基本想法与实施例1中相同。

例如，与掩模开口310b、310c、310d和310g关联的焦点检测光学系统的结构与实施例1中说明的与轴外焦点检测区域210b、210c关联的焦点检测光学系统的结构相同。与设置在摄像范围的对角位置的四个焦点检测区域310e、310f、310h和310i关联的焦点检测光学系统对应于绕光轴L顺时针或逆时针转动的实施例1中的与轴外焦点检测区域210b、210c关联的焦点检测光学系统。

光轴L存在于设置在对角位置的交叉焦点检测区域的其中一个延伸方向即两对光圈开口中的一对的设置方向的延长线上。

上述结构可以在摄像范围的广区域设置的许多焦点检测区域中实现交叉型焦点检测。在环境改变和被摄体对比度成分方面，实施例2可以获得与实施例1中的效果相似的效果。

实施例3

图16A和图16B示出作为本发明的实施例3的焦点检测装置的结构。实施例3是实施例1的变形例，并且与实施例1相比，在摄像范围包括增大数量的交叉焦点检测区域。

在图16A和图16B中，焦点检测装置408包括视场掩模410、场镜411、光圈412、二次成像镜头单元413和光接收传感器415。

视场掩模410形成有三个掩模开口410a、410b和410c。每个掩模开口具有通过垂直地连接由图16A中的虚线限定的三个十字形开口形成的形状。三个掩模开口410a、410b和410c用于在摄像范围内提供总共九个交叉焦点检测区域。在以下说明中，在垂直方向上配置的三个焦点检测区域被称作一组焦点检测区域。

对于每组焦点检测区域，场镜411、光圈412、二次成像镜头单元413、以及光接收传感器415分别具有镜头部、两对光圈开口、两对棱镜部和两对镜头部、以及两对光接收元件阵列。例如，由掩模开口410a形成的三个交叉焦点检测区域与场镜411的一个镜头部、两对光圈开口、两对棱镜部和两对镜头部、以及两对光接收元件阵列关联。

一个掩模开口与光接收传感器415上在垂直方向上成对的两个光接收元件阵列关联，并且在使用时，该成对的光接收元件阵列中的每一个被划分成垂直方向上的三个。一个掩模部与在水平方向上成对的三组(三对)光接收元件阵列关联。这为一个掩模开口提供三个交叉焦点检测区域。

视场掩模410、场镜411、光圈412、二次成像镜头单元413以及光接收传感器415的基本想法与实施例1中相同。二次成像镜头单元413的棱镜部和镜头部形成比实施例1中的二次光学像大的二次光学像，但二次成像镜头单元413的结构与实施例1中的类似。因而，在环境改变和被摄体对比度成分方面，实施例3可以获得与实施例1中的效果相似的效果。

实施例4

本实施例使用比上述传感器215大的传感器215A。传感器215A比对应于场镜211的场镜211A大。场镜211A折射入射光以使入射光在具有更大面积的传感器215A上形成像。

图17是对应于实施例1中的图7的剖视图。通过场镜211A的周边侧的光束被由此沿稍微偏离光轴L的方向折射。在该情况下，上述点B、C、D、和E移动到比上述点A相对于在延长线230的方向上的光轴L更远的一侧。点D和E比点B和C更远离光轴L地移位。此外，点B比点C更远离光轴L地移位，以及点D比点E更远离光轴L地移位。该构造使得可获得上述像差校正和光束分离。

大传感器215A可被分为中央部和周边部。

如上所述，根据实施例1至4，可以适当地设定用于在摄像范围内的轴外区域中进行焦点检测的焦点检测光学系统的结构和配置，以获得不会受到环境改变或被摄体对比度成分影响的精确的焦点检测。

Claims (10)

1.一种焦点检测装置，用于检测一对像之间的相位差，该焦点检测装置包括：

第一成像镜头单元，其包括第一对镜头部，所述第一对镜头部利用通过沿第一方向成对的第一对开口之后的来自摄像光学系统的光束在第一对光接收元件阵列上形成第一对像；和

第二成像镜头单元，其包括第二对镜头部，所述第二对镜头部利用通过沿第二方向成对的第二对开口之后的来自所述摄像光学系统的光束在第二对光接收元件阵列上形成第二对像；

其中，所述第二对镜头部之间的中点位于所述第一对镜头部之间，并偏离所述第一对镜头部之间的中点。

2.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，所述第二对镜头部之间的所述中点位于所述第一对镜头部之间，并在所述第一方向上偏离所述第一对镜头部之间的所述中点。

3.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，入射所述第一和第二对镜头部的光量被包括分别对应于所述第一和第二对镜头部的第一和第二对掩模开口的掩模调节，所述第一对掩模开口之间的中点与所述第二对掩模开口之间的中点重合。

4.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，所述第二对镜头部之间的所述中点位于比所述第一对镜头部之间的所述中点更远离所述摄像光学系统的光轴的位置。

5.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，在所述第二方向上，所述第一对镜头部的光轴位于比所述第一对开口的中心更接近所述焦点检测装置的光轴的位置，所述焦点检测装置的所述光轴对应于所述摄像光学系统的光轴，以及

在所述第二方向上，所述第一对光接收元件阵列的中心位于比所述第一对开口的所述中心更接近所述焦点检测装置的所述光轴的位置。

6.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，在所述第二方向上，所述第一对光接收元件阵列的所述中心位于比所述第一对镜头部的光轴更接近所述焦点检测装置的光轴的位置，所述焦点检测装置的所述光轴对应于所述摄像光学系统的光轴。

7.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，所述第二对镜头部具有在所述第二方向不对称的形状。

8.根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，所述第一对镜头部和所述第二对镜头部分别具有相同的形状。

9.一种光学设备，其包括：

权利要求1～8中任一项所述的焦点检测装置。

10.一种摄像系统，其包括：

摄像设备，其包括权利要求1～8中任一项所述的焦点检测装置；以及

摄像镜头，其安装在所述摄像设备上，且包括摄像光学系统。

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