專利名稱：焦點檢測裝置、對焦系統(tǒng)、照相機以及焦點檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的焦點檢測裝置、使用該焦點檢測裝置的對焦系統(tǒng)、具備該對焦系統(tǒng)的照相機以及光學(xué)系統(tǒng)的焦點檢測方法。
背景技術(shù)：
作為用于照相機等的自動聚焦照相機系統(tǒng)，以被公開的有相位差方式以及移動方式。在相位差方式中假設(shè)人眼在透鏡出射位置上，從而根據(jù)該視差求出焦點位置。例如配備具有對應(yīng)視差的多個CCD的CCD陣列。通常在與底片面或假定對焦的面共軛的位置設(shè)置場透鏡，且在此后方設(shè)置與CCD組的各CCD對應(yīng)的成像光學(xué)系統(tǒng)，因此被測光束成像在各CCD上。在這種相位差方式中由于在與成相面共軛的位置測出焦點，因此可以大致直接得知成像位置上的焦點狀態(tài)。
另一方面，當(dāng)采用移動方式時，一般向被攝體照射紅外光，從而通過配置成能使由被攝體反射的光具有一定基線長的SPD(硅光二極管)等光敏器件受光，并利用三角測量的原理進行測距。即移動方式為求得至被攝體的距離的方式，而并非是直接求出對焦?fàn)顟B(tài)的方式。因此在使用移動方式的自動聚焦裝置中與所測出的被攝體距離對應(yīng)而陸續(xù)放出對物透鏡此外，除了上述的兩種方式外，還有在攝像機以及數(shù)碼照相機等電子攝像裝置中采用的被稱作對比度方式的自動聚焦系統(tǒng)。在該方式中驅(qū)動對焦透鏡而由攝像元件拍攝圖像，從而利用攝像元件的輸出值而求出對焦?fàn)顟B(tài)。通常認為拍攝圖像的對比度信號最為強烈時是對焦?fàn)顟B(tài)。該方式中檢測對焦?fàn)顟B(tài)的元件與攝像元件為同一個，因此具有不受機械誤差以及調(diào)整誤差等影響的優(yōu)點。
但是，在相位差方式的焦點檢測方法中需要準備與檢測區(qū)域以及視差對應(yīng)數(shù)的CCD，還需要分別具備對應(yīng)各CCD的成像光學(xué)系統(tǒng)。因此把AF區(qū)域設(shè)置成分布在被攝體圖面全域上則在光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成上較困難，所以一般最多設(shè)置幾個區(qū)域。且一旦制作成規(guī)定構(gòu)成的系統(tǒng)就很難進行變換，因此無法根據(jù)使用狀況而對構(gòu)成進行變換。
另一方面，移動方式為如上所述的測距裝置，因此無法起到具有與對物透鏡連動的反饋環(huán)的自動聚焦系統(tǒng)的作用。不得不使用開放系統(tǒng)，容易受裝置組合調(diào)整誤差以及到進行自動聚焦的期間的系統(tǒng)的影響而無法得到精密且可以有效修正的牢固的系統(tǒng)。
此外，當(dāng)采用對比度方式時，采用邊拍攝圖像邊移動透鏡而尋找對比度峰的方法，因此在對焦速度方面存在一些問題。即具有只能在視頻微分上更新AF信號，并且對比度峰只有在經(jīng)過對焦點時才能得知，因此在達到對焦點之前需要一定的時間的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠容易檢測焦點位置的具有簡單結(jié)構(gòu)的焦點監(jiān)測裝置以及使用該焦點裝置的對焦系統(tǒng)，進而提供一種具有該對焦系統(tǒng)的照相機以及焦點檢測方法。
本發(fā)明的焦點檢測裝置具備具有規(guī)定空間頻率的透過特性，且把來自光學(xué)系統(tǒng)的成像光束分別在光軸上的不同位置調(diào)制的多個空間調(diào)制光學(xué)濾光器、通過各空間調(diào)制光學(xué)濾光器受光，且分別輸出受光強對應(yīng)的信號的光電轉(zhuǎn)換器、以及基于光電轉(zhuǎn)換器輸出的信號算出光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的運算部。
空間調(diào)制光學(xué)濾光器可由透過型液晶濾光器構(gòu)成。在這種情況下，在多個透過型液晶濾光器的某一個中形成規(guī)定空間頻率的透過特性圖形，且在液晶控制部控制各透過型液晶濾光器，以便其余的透過型液晶濾光器成為全透過狀態(tài)。即通過光電轉(zhuǎn)換部得到多個數(shù)據(jù)，并從這些多個數(shù)據(jù)算出焦點位置。
也可以在多個透過型液晶顯示裝置的某一個上形成開口圖形，在其余的透過型液晶濾光器的某一個或開口圖形上形成規(guī)定空間頻率的透過特性圖形，同時把未形成開口圖形以及透過特性圖形中的任一種的透過型液晶濾光器設(shè)成全透過狀態(tài)。把開口圖形形成在透過型液晶濾光器的顯示區(qū)域的任何位置都可以。
上述空間頻率也可以進行變換。在與光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的偏差量大的條件下，使空間頻率變大，而在偏差量小的條件下，則使空間頻率變小為好。
光電轉(zhuǎn)換部優(yōu)選具有接收來自光學(xué)系統(tǒng)的總光束的受光面積的光電二極管、光電倍增管、以及CdS的任一種。
可通過把多個液晶濾光器分別夾在透明玻璃中而設(shè)置成一體的光學(xué)組件。并且，在此光學(xué)組件的光入射面上設(shè)置使入射光變?yōu)榫€偏振光的第1偏振片，而在光學(xué)組件的光輸出面上設(shè)置具有與第1偏振片相等的偏振角的第2偏振片為好。
當(dāng)設(shè)置3個液晶濾光器時，從預(yù)定成像面起分別在第1～第3的不同的距離設(shè)置第1～第3液晶濾光器，從而根據(jù)光電二極管等光電轉(zhuǎn)換部接收透過液晶濾光器的光，并轉(zhuǎn)換成電信號。在第1液晶濾光器上形成規(guī)定空間頻率的濃淡條紋圖形，并把第2以及第3液晶濾光器置為全透過狀態(tài)而由光電二極管輸出第1信號。同樣在第2液晶濾光器上形成濃淡條紋圖形，并把第1以及第3液晶濾光器置為全透過狀態(tài)而輸出第2信號，在第3液晶濾光器上形成濃淡條紋圖形，并把第1以及第2液晶濾光器置為全透過狀態(tài)而輸出第3信號。從而根據(jù)第1～第3信號算出焦點位置。
本發(fā)明的對焦系統(tǒng)具備形成被攝體像的光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的焦點調(diào)整部、上述的焦點檢測裝置、以及基于由該焦點檢測裝置檢測的焦點位置控制焦點調(diào)整部而使光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置成為規(guī)定位置的對焦控制部。
本發(fā)明的焦點檢測方法利用具有規(guī)定空間頻率的透過特性的空間調(diào)制光學(xué)濾光器在光軸上的不同位置調(diào)制來自光學(xué)系統(tǒng)的成像光束，并通過光電轉(zhuǎn)換部依次接收在不同位置被調(diào)制的各光束，從而基于依次從該光電轉(zhuǎn)換部輸出的各信號算出光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置。
上述的透過特性圖形即調(diào)制圖形為在規(guī)定空間頻率周期內(nèi)重復(fù)的明暗條紋圖形。可采用相當(dāng)于付里葉cos波的透過率的濃淡條紋圖形，或者可以采用相當(dāng)于付里葉sin波的透過率的明暗條紋圖形。通過明暗條紋圖形的光束已被進行了付里葉變換，從而可以解析出濾光器規(guī)定位置上的規(guī)定空間波長的空間頻率成分。換言之，由于空間頻率成分根據(jù)從焦點位置的像偏差量而衰減，因此可根據(jù)多個空間調(diào)制光學(xué)濾光器例如多個液晶濾光器的透過光束的多個信號強度算出像偏差量。
也可以使第1明暗條紋圖形形成在液晶濾光器等上，并通過光電轉(zhuǎn)換部得出偶函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)，而把與該明暗條紋圖形的相位有90度相位差的第2明暗條紋圖形形成在液晶濾光器等上，并得出奇函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)，從而基于這些數(shù)據(jù)算出焦點位置。具體講，利用偶函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)與奇函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)的絕對值算出焦點位置。通過使用具有90度相位差的數(shù)據(jù)，即使焦點檢測對象為動體，也能正確地檢測出焦點。
根據(jù)本發(fā)明，由光電轉(zhuǎn)換部檢測出的光強的波峰位置與光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置一致，因此通過基于在光軸上的不同位置調(diào)制成像光束時得出的各信號而算出信號的波峰位置，可以很容易地求出光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置。且通過作成由光電轉(zhuǎn)換部檢測出被空間調(diào)制光學(xué)濾光器以及透過型液晶濾光器調(diào)制的光束的強度的構(gòu)成，可以對裝置構(gòu)成進行簡單化。


圖1為表示本發(fā)明的焦點檢測裝置的第1實施方式的框圖。
圖2為表示檢測部1的詳細構(gòu)成的圖。
圖3為表示檢測部1的另一種例的圖。
圖4為表示形成明暗條紋濾波圖形的濾光器2A的圖。
圖5為說明散焦?fàn)顩r的圖。
圖6為表示散焦量x與I之間關(guān)系的圖。
圖7為表示觀測數(shù)據(jù)P1～P3的圖。
圖8為表示不同波長對應(yīng)的光強I的圖。
圖9為表示濾波圖形的圖，(a)為形成縱條紋的圖，(b)為形成橫條紋的圖。
圖10為表示具有2個濾光器2A、2B的檢測部100的圖。
圖11為說明第2實施方式的圖，且表示顯示在濾光器2c上的濾波圖形的圖。
圖12為表示濾光器2A～2C的控制方法的圖，(a)表示第1順序，(b)表示第2順序，(c)表示第3順序。
圖13為表示濾光器2A～2C的第2控制方法的圖，(a)表示第1順序，(b)表示第2順序，(c)表示第3順序。
圖14(a)以及(b)表示窗形成區(qū)域202a～202e的配置的圖。
圖15為表示本發(fā)明的焦點檢測裝置的第3實施方式的框圖。
圖16為表示由調(diào)節(jié)器300移動一個濾光器2A時構(gòu)成的框圖。
具體實施例方式
以下參照附圖而對本發(fā)明的實施方式進行說明。
—第1實施方式—“裝置構(gòu)成的說明”圖1為表示使用本發(fā)明的焦點檢測裝置的第1實施方式的自動聚焦系統(tǒng)的概略構(gòu)成的框圖。從攝像透鏡8出射的被攝體光被檢測部1檢測出。檢測部1由濾光單元2和作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管3構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換元件中也可以使用CdS等。在圖1中在攝像透鏡8的后側(cè)圖示了檢測器1，但實際上檢測部1配置在與攝像面或假定的對焦的面大致共軛的位置上。通過透鏡8的被攝體光被導(dǎo)入未圖示的銀鹽底片以及CCD攝像元件等，但在光程中被分割而后入射到檢測部1上。
濾光單元2具備3個濾光器2A，2B，2C，并沿著光軸從光電二極管3側(cè)起依次配置了濾光器2A、濾光器2B以及濾光器2C。如后所述，濾光器2A～2C由液晶濾光器構(gòu)成，且各濾光器2A～2C的液晶的狀態(tài)被濾光器控制部4A～4C控制成相互獨立的狀態(tài)。光電二極管3的輸出值被放大器5進行放大后，通過A/D轉(zhuǎn)換器6被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號而輸入到控制裝置7。在控制裝置7的運算部7a中基于輸入的信號算出焦點檢測狀態(tài)?？刂蒲b置7對濾光器控制部4A～4C控制，同時控制透鏡驅(qū)動裝置9，從而進行自動聚焦。
圖2為表示檢測部1的結(jié)構(gòu)的圖。圖2的11A、11B為偏振片，14為玻璃襯底。各玻璃襯底14以規(guī)定的節(jié)距d進行配置。濾光器2A～2C被一對玻璃襯底14夾在中間而形成。而且在本實施方式中接收全部被攝體光束而進行焦點檢測。因此光電二極管3的受光面具有能充分包含成像面的被攝體像整體的面積。但當(dāng)用部分被攝體光束進行焦點檢測時，受光面只要有能包含該部分的大小為好。
如圖2所示，濾光器2A～2C分別由一對透明導(dǎo)電薄膜13和此間的液晶12構(gòu)成。4張玻璃襯底14與3組濾光器2A～2C被夾在偏振片11A、11B之間。如上所述，玻璃襯底14以節(jié)距d并列設(shè)置，因此濾光器2A～2C的間隔也成為d。而且在圖2中偏振片11A、11B對3層的液晶12是共同的，但如圖3所示，也可以分別進行獨立而累加3組具有一對偏振片的透過型液晶板15而作為濾光器2A～2C。
從圖2左側(cè)入射到檢測部1的被攝體光束通過偏振片11A成為線偏振光。該光在通過各濾光器2A～2C的液晶12期間，偏振角被改變。其結(jié)果，使從偏振片11B出射的光的強度依賴于偏振片11B的透過軸與線偏振光的振動方向之間的角度。例如若把透過軸與振動方向之間的角度置成δ，則透過光的強度與cosδ的二次方成比例。即通過由濾光器控制部4A～4C控制液晶濾光器2A～2C而調(diào)整通過濾光器2A～2C期間的偏振角的變化量，可以改變透過光的強度。
例如，如果δ＝0(deg)，則入射光全部通過，如果δ＝90(deg)，則入射光全部被濾光器擋住。每個濾光器2A～2C能都進行這些控制，同時能把各種透過圖形形成在各濾光器2A～2C中。例如從光電二極管3側(cè)觀察把透過·不透過圖形形成為條紋狀的濾光器2B，由于透過光的強度變化為條紋狀，因此可觀察到如圖4所示的明暗條紋圖形。以下，將把這種情況表示為“在濾光器2B上形成了如圖4所示的明暗條紋濾波圖形”。
在本實施方式中把如圖4所示的具有空間頻率的明暗濾波圖形個別地形成在濾光器2A～2C上。所謂把這種濾光器2A～2C插入到光束中等價于把入射到濾光器中的光束進行空間調(diào)制。被調(diào)制的光束通過光電二極管3被轉(zhuǎn)換成與該光強對應(yīng)的電流。
“關(guān)于散焦”首先，對于焦點具有偏差量的散焦情況進行說明。如圖5所示，對于透鏡8的焦點20在濾光器2B右側(cè)位置x的情況進行研究。在位置x上的被攝體像的離焦程度可通過濾光器2B截斷以焦點20為頂點的圓錐21的面的直徑r表現(xiàn)出來。若把光軸與圓錐母線間的夾角設(shè)為θ，則直徑r可表示成以下式(1)r＝2x tanθ …(1)在該式中tanθ為透鏡的F值(＝焦距/口徑)的倒數(shù)與1/2之積，因此離焦程度r由以下式(2)表示。
r＝x/F …(2)此r可認為是經(jīng)過一次濾光器衰減的波長。因此由離焦效應(yīng)導(dǎo)致的被攝體像的空間波長R的衰減f可表示為以下式(3)。
f＝1/{1+i(x/RF)} …(3)下式(4)的I取f的絕對值，并表示波長R的空間頻率成分隨散焦量x衰減的狀況。
I＝1/{1+(x/RF)2}1/2…(4)如后所述，該I與被光電二極管3檢測出的光強對應(yīng)，且在本實施方式中檢測出的光強也將表示為I。
“焦點檢測方法”式(4)表示波長R的空間頻率成分的衰減隨散焦量x而被確定的狀況。該狀況暗示若得知多處的波長R的空間頻率成分，便可以推算出散焦量x。圖6的曲線L1表示與散焦量x對應(yīng)的I的變化。當(dāng)x＝0時即濾光器2B在焦點位置上時，I＝1，且x的絕對制越大I越小。要調(diào)節(jié)規(guī)定位置上的波長R的空間頻率，則在該位置上對光束進行付里葉變換為好。
可是，圖4所示的明暗條紋濾波圖形為以圖面中央為原點的左右對稱的圖形，且具有相當(dāng)于付里葉cos波的透過率。并且，從不透過部至相鄰的不透過部之間的距離為波長R。若把具有這種明暗條紋濾波圖形的濾光器2B插入導(dǎo)光束中，則透過該濾光器2B的光束將要進行付里葉cos變換。即對著光電二極管3的光束的強度可由下述式(5)表示。
Iθ＝I0∫f(x)cosθfdx …(5)在這里，I0為表示包括光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)的液晶濾光器的透過率的系數(shù)。且cosθf表示付里葉cos變換。
式(5)的θ為空間波長為R時的空間頻率，且Iθ表示波長R的空間頻率成分。而且，若在濾光器2B上形成相當(dāng)于付里葉sin波的透過率的明暗條紋濾波圖形，便得出相當(dāng)于付里葉sin變換的Iθ。在算出焦點位置時，可使用任一種變換。
通過光電二極管3接收如此的被濾光器2B調(diào)制的光束，則光電二極管3的輸出成為被強制地成為付里葉變換的強度。若改變明暗條紋圖形的波長R，將被進行波長R所對應(yīng)的付里葉變換。因此，若把在各種位置x測出的輸出值圖示在圖6的x-I平面上，則這些數(shù)據(jù)便成為具有與圖6的曲線L1同一分布的曲線。即成為在x＝0時具有波峰的曲線。
如圖2所示，檢測部1具有以節(jié)距d配置而成的3個濾光器2A、2B、2C。因此對于同一被攝體像能夠得到當(dāng)在濾光器2A上形成明暗條紋圖形而使其余變成全透過圖形時、當(dāng)在濾光器2B上形成明暗條紋圖形而使其余變成全透過圖形時、以及當(dāng)在濾光器2C上形成明暗條紋圖形而使其余變成全透過圖形時等3種數(shù)據(jù)。
在本實施方式中把濾光組件2設(shè)置成使濾光器2B的位置與攝像裝置的攝像面共軛的位置。因此在濾光器2B上形成明暗條紋圖形時所觀測到的光強Yb便如下式(6)。當(dāng)在濾光器2A上形成明暗條紋圖形時，觀測出下式(7)的光強Ya，而在濾光器2C上形成明暗條紋圖形時，觀測出下式(8)的光強Yc。并且，a表示無衰減時測出的光強。把各觀測數(shù)據(jù)P1～P3圖示在光強曲線Y上則如圖7所示。
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)通過這些方程(6)～(8)，可算出作為未知數(shù)的濾光器2B的位置x以及無衰減時的光強a。關(guān)于位置x的正負，如圖5所示將比焦點20更靠進鏡頭8的方向設(shè)為正。例如在圖7所示的數(shù)據(jù)例中透鏡8的焦點位置便位于濾光器2B后方的距離x的位置上。并且通過透鏡驅(qū)動裝置9驅(qū)動透鏡8把焦點位置向前方移動距離x，便成為對焦?fàn)顟B(tài)。
可是，在上述例中對2個未知數(shù)x、a有3個方程，因此可以說具冗余性。因此關(guān)于表示前述的離焦程度的衰減常數(shù)r(式(3))，也可根據(jù)焦點檢測時的測量數(shù)據(jù)算出。此常數(shù)r根據(jù)透鏡8的構(gòu)成以及被攝體的位置不同而不一定能十分準確地表示規(guī)定的離焦程度，因此希望結(jié)合實際狀態(tài)而進行計算。
“關(guān)于濾波圖形”根據(jù)上述的式(4)，強度I隨著濾光器2A～2C的空間波長R變化。圖8的曲線L11～L13表示不同的空間波長R對應(yīng)的光強I。相對于曲線L11的波長R1，曲線L12的波長R2為R2＝R1/2，曲線L13的波長R3為R3＝R1/4。即越減小條紋圖形的波長R，曲線的波峰形狀變得越尖。
因此當(dāng)焦點位置接近濾光器2A～2C時，在焦點位置附近變化大的曲線L13算出的焦點位置的精度高。相反，當(dāng)焦點位置遠離于濾光器2A～2C時，由于得出的數(shù)據(jù)為曲線L11～L13下部領(lǐng)域附近的值，故變化較大且輸出值大的曲線L11容易算出焦點位置。換言之，當(dāng)散焦量x大時，增大明暗條紋濾波圖形的波長R，而當(dāng)散焦量x小時，則減小波長R，以便能夠進行高精度的焦點位置檢測。例如當(dāng)搭載于照相機時，AF(自動聚焦)開始時增大R，而接近對焦?fàn)顟B(tài)時則減小R為好。且當(dāng)?shù)贸龅妮敵鲋敌∮谟嬎闼璧幕禃r，則在增大波長R而改變數(shù)據(jù)為好。作為基值的例可采用在后述的光直流成分Ic上成上一定比例k的k·Ic。
圖7的數(shù)據(jù)P1～P3，通過以濾光器2A～2C的順序形成明暗條紋濾波圖形而依次得出。待比較的光強I為對應(yīng)同一圖像的強度，因此數(shù)據(jù)取得中優(yōu)選被攝體靜止的狀態(tài)。但是，實際上被攝體在圖面內(nèi)活動的可能性即相位偏移的可能性很大。在這種情況下，不采用付里葉變換的實部(cos變換)或虛部(sin變換)的某一方，而是取此雙方的絕對值，也可以對應(yīng)這種相位偏移。
具體講，利用表示對于圖面中心為偶函數(shù)(cos)的濾波圖形時的數(shù)據(jù)Ycos與表示奇函數(shù)(sin)的濾波圖形時的數(shù)據(jù)Ysin，如下式(9)取絕對值Y為好。
Y＝(Y2cos+Y2sin)1/2…(9)通常只要把實部設(shè)為對象便足矣，但為了進行更精密的測量而表示成這種偶函數(shù)條紋和奇函數(shù)條紋，從而利用絕對值Y算出焦點位置為好。由此，模糊時也能進行準確的焦點檢測。
“光與實際動作”
在濾光器2A～2C上形成濾波圖形而通過光電二極管3檢測此時的光強時，需要預(yù)先求出濾光器2A～2C的液晶的對比度和光電二極管3的校正數(shù)據(jù)。這是由于在光電二極管3內(nèi)有暗電流，而即使液晶12也無法在透過狀態(tài)和遮光狀態(tài)中形成100％透過和100％遮光的緣故。
最先，把全部的濾光器2A～2C的液晶12置成透過狀態(tài)而記錄此時的光電二極管3的輸出值Ic。接著，把濾光器2A～2C中的任一個置成全遮光狀態(tài)而記錄光電二極管3的輸出值Id。此時，其余2個濾光器保持著透過狀態(tài)。在這里，使濾光器2A～2C的遮光狀態(tài)全部相同而只對代表的其中之一進行了Id測量，但當(dāng)然也可以分別把濾光器2A～2C置為全遮光狀態(tài)而分別測出3種輸出值Id。采用3種輸出值Id進行運算，可以更精確地進行焦點位置運算。
當(dāng)光電二極管3的個輸出值為Ir時，此時的實效光強I如下式所示變成從檢測值Ir減去暗電流導(dǎo)致的輸出值Id的值。
I＝Ir-Id…(10)當(dāng)然，把濾光器2A～2C全部置成透過狀態(tài)的全開輸出的實效值Icc可由式(11)表示，這是0次的付里葉輸出(直流成分)。
Icc＝Ic-Id …(11)再者，Ic為把全部的濾光器2A～2C的液晶12置成透過狀態(tài)時的光電二極管3的輸出值。
把此Icc作為參考數(shù)據(jù)，能夠判斷測出的值是否可靠。
如前所述，如果把形成如圖4所示的具有cos波所相當(dāng)?shù)耐高^率的明暗條紋濾波圖形的濾光器插入到光束中，光束便被進行付里葉cos變換。根據(jù)增大或減小明暗條紋濾光器的空間波長R，由光電二極管3輸出對應(yīng)各種空間波長R的付里葉變換值。但是，若考慮到由暗電流導(dǎo)致的輸出值Id等，輸出值Icos便如下式(12)所示。
Icos＝∫f(x)cosθfdx+(Ic+Id)/2 …(12)此外，如果把圖4所示的明暗條紋圖形的相位偏移π/2而進行表示，便如下式(13)表示的付里葉sin變換。
ISIN＝∫f(x)sinθfdx+(Ic+Id)/2 …(13)在這里，sinθf表示付里葉sin變換。
前述式(9)中的Ycos和Ysin為從這些Icos和Isin除去偏移成分(第2)項的值。
如圖3所示，當(dāng)作為濾光器2A～2C使用通用的液晶板15時，在表示非常小的波長的明暗條紋圖形時的量子化程度則無法忽視。在這種情況下，不使用單一的cos波(或sin波)，而使用熟知高次諧波的特性的矩形波為好。圖9表示這種濾波圖形，(a)為形成縱條紋的圖形，(b)為形成橫條紋的圖形。圖9(a)的情況為把全透過的縱條紋區(qū)域20A和全遮光的縱條紋區(qū)域20B在左右方向上反復(fù)交替而表示的圖形。圖9(b)的情況為把全透過的橫條紋區(qū)域21A和全遮光的橫條紋區(qū)域21B在上下方向上反復(fù)交替而表示的圖形。
與單一的sin波與cos波相比，矩形波雖說不夠理想但毫無疑問能提供實用值。且如果考慮由液晶表示漸變時的難度，根據(jù)表示的單純度可認為比sin波和cos波更容易使用。
再者，當(dāng)被攝體幾乎沒有橫向的對比度變化時，若以如圖4或圖9(a)的縱條紋圖形進行調(diào)制，由于輸出值變得非常小而無法進行運算。因此，在這種情況下，形成如圖9所示的橫條紋圖形而進行焦點位置運算。相反，當(dāng)被攝體幾乎沒有縱向的對比度變化時，使用橫條紋圖形會使輸出值變得非常小，因此形成縱條紋圖形而進行焦點位置運算。且條紋圖形不限于縱條紋和橫條紋，也可以是向斜向傾斜的條紋。在這種情況下，能夠與被攝體的縱向?qū)Ρ榷群蜋M向?qū)Ρ榷戎械娜我环N對應(yīng)。
在上述的第1實施方式中使用采用了液晶12的3個濾光器2A～2C構(gòu)成濾光組件2，但這種濾光器數(shù)并不一定限于3個。即如果能以液晶12表示的框數(shù)變多，即使使用更多的濾光器，在認為是靜止圖像的范圍內(nèi)也能夠檢測濾光器的付里葉變換輸出值。其結(jié)果，可實現(xiàn)提高運算精度。但是，在目前液晶12的開·關(guān)動作時間限制濾光器數(shù)。
可是，如式(6)～(8)所示強度Y的未知數(shù)是x和a等2個。因此，濾光器最低應(yīng)為2個，由此也能簡化裝置構(gòu)成。圖10所示的檢測部100在濾光組件101中具備2個濾光器2A、2B。圖2所示的檢測部1與圖10中的檢測部100只有濾光器數(shù)不同，而濾光器2A、2B的詳細結(jié)構(gòu)則相同。在此裝置的情況下，可觀測出由上述式(6)、(7)表示的兩個數(shù)據(jù)，從而對這些式(6)、(7)進行求解而求出x和a為好。但當(dāng)成為Ya＝Y(jié)b時，可認為濾光器2A、2B把焦點夾在中間而位于離焦點位置等距離的位置上，因此焦點在這些的中間位置x+d/2。
—第2實施方式—在第1實施方式中利用來自透鏡8的總光束而進行焦點檢測，但也可以利用圖面的某特定區(qū)域的光束而進行焦點檢測。圖11為表示被顯示在濾光器2C上的濾波圖形的圖。在濾波圖形上形成矩形窗口201，并在窗口201的區(qū)域中形成與圖4所示的圖形相同的明暗條紋圖形。窗口201的外側(cè)區(qū)域變成全遮光狀態(tài)。而且，窗口201的形狀不限于矩形。當(dāng)在濾光器2C中采用液晶濾光器時，形成窗口201的位置除了像素的量子化等問題外，可在任何位置形成任何大小和形狀。
在第1實施方式中把濾光器2A～2C全部置為全透過狀態(tài)而把全開輸出值Ic作為校正數(shù)據(jù)而進行了檢測，但在第2實施方式中對于形成窗口201的濾光器則只把窗口201區(qū)域置成全透過狀態(tài)。因此，Ic根據(jù)窗口201的狀態(tài)而成為不同的局部變量。而且，形成窗口201的濾光器2C以外的濾光器2A、2B與第1實施方式一樣被置成全透過狀態(tài)。
作為焦點檢測時的即付里葉變換時的濾光器控制方法有以下的方法。
一種是把窗口201特定在濾光器2A～2C上，例如形成在濾光器2C上。作為數(shù)據(jù)取得順序，首先如圖12(a)所示在濾光器2C中形成窗口201，并把窗口201內(nèi)的總區(qū)域置成透過狀態(tài)。把濾光器2B置成全透過狀態(tài)，并在濾光器2A上形成與圖4相同的明暗條紋濾波圖形。根據(jù)該狀態(tài)作為第1數(shù)據(jù)取得光電二極管3的輸出值。
接著，如圖12(b)所示把濾光器2A置成全透過狀態(tài)，并在濾光器2B上形成明暗條紋濾波圖形。濾光器2C的狀態(tài)與圖12(a)時的情況相同。根據(jù)圖12(b)所示的狀態(tài)取得第2數(shù)據(jù)。最后，如圖12(c)所示把濾光器2A、2B置成全透過狀態(tài)。在濾光器2C中形成窗口201，并在窗口201內(nèi)顯示與圖12(a)、(b)濾光器2A、2B上形成的圖形相同的明暗條紋圖形。根據(jù)如圖12(c)所示的狀態(tài)取得第3數(shù)據(jù)。且根據(jù)這些3個數(shù)據(jù)以與第1實施方式相同的順序算出焦點位置。且省略算出順序的說明。
作為第2方法是如圖13所示把形成明暗條紋圖形的窗口201依次形成在濾光器2A～2C中的方法。首先，如圖13(a)所示在濾光器2A上形成窗口201，同時在窗口201內(nèi)顯示明暗條紋圖形。其余濾光器2B、2C則置成全透過狀態(tài)。根據(jù)圖13(a)所示的狀態(tài)取得第1數(shù)據(jù)。
接著，如圖13(b)所示，在濾光器2B上形成顯示明暗條紋圖形的窗口201，同時把濾光器2A、2C置成全透過狀態(tài)而取得第2數(shù)據(jù)。最后，如圖13(c)所示，在濾光器2C上形成顯示明暗條紋圖形的窗口201，同時把濾光器2A、2B置成全透過狀態(tài)而取得第3數(shù)據(jù)。并且，根據(jù)這些3個數(shù)據(jù)以與第1實施方式相同的順據(jù)算出焦點位置。
在第1方法中在取得任一數(shù)據(jù)時，窗口201都形成在同一個濾光器2C上。因此具有通過窗口201截取的光束的區(qū)域常常是相同的優(yōu)點。這在精度方面對檢測通過各濾光器2A～2C被進行付里葉變換的光束并比較其結(jié)果而算出焦點位置的裝置很重要。而且，在這種情況下，優(yōu)選在最接近透鏡8的濾光器2C上形成用于截取光束的窗口201。
另一方面，當(dāng)使用第2方法時，每個數(shù)據(jù)由于由窗口201截取的光束的區(qū)域不同而需要補正。例如不得不利用光軸至窗口201輪廓的距離而補正窗口201的位置。嚴密為還應(yīng)考慮相對于濾光器的焦點位置而進行補正，因此當(dāng)為了對焦動作而改變透鏡8的焦點位置時，不得不于此相應(yīng)的重新進行補正。因此，正確的補正非常難。而且，在上述的第1和第2方法中在窗口201內(nèi)也形成了明暗條紋圖形，但也可以具備3個配備只形成窗口201的濾光器而在該濾光器的其余部分形成明暗條紋圖形的濾光器。
以往，照相機等在圖面上設(shè)置多個能夠?qū)沟木劢箙^(qū)域，從而選擇使用其中的任一區(qū)域而進行對焦動作的方法被公知。在本實施方式中也可以設(shè)定多個形成窗口201的位置，并根據(jù)其中的某一個而進行同樣的對焦動作。例如，如圖14(a)所示在濾光器2C的圖面上設(shè)定5個窗口形成區(qū)域202a、202b、202c、202d、202e，并在其中的一個形成窗口201。圖14(b)為把窗口201形成在區(qū)域202c中的情況。而且，窗口形成區(qū)域的數(shù)不限于5個，且窗口201的形狀也不限于矩形。
“關(guān)于測光”可是，把窗口201內(nèi)置成全透過而檢測出的光強為付里葉變換的0次項即直流成分，且根據(jù)窗口201規(guī)定的光強。因此，通過任意改變?nèi)高^狀態(tài)的窗口201的形狀和位置，可以測量圖面上的任意區(qū)域的光強。這與被照相機等采用的多分割測光對應(yīng)。在這種情況下，窗口201還形成在濾光器2C上。當(dāng)測光時，把部分的窗口201置成透過狀態(tài)，而其余濾光器2A、2B置成全透過狀態(tài)。
就這樣，在本實施方式中若在形成窗口201的部分形成明暗條紋圖形，就可以進行焦點檢測，而把窗口201內(nèi)置成全透過狀態(tài)，就可以進行測光?，F(xiàn)有的測光系統(tǒng)由于對作為光敏器件的光電二極管的輸出值以原值作為絕對值采用，因此不能避免暗電流的影響而在精度上受到了限制。另一方面，在本實施方式中通過把濾光器2A～2C置成全遮光而能夠作出暗狀態(tài)，因此通過得出全透過與全遮光之差而可以測量實效的光強。其結(jié)果，可以進行高精度的測光。
再者，在上述例中如圖14(a)所示預(yù)先設(shè)定了窗口201的可設(shè)定區(qū)域，但由于濾光器2A～2C為液晶濾光器，因此能在顯示圖面上的任意位置上形成窗口201。根據(jù)使窗口201形成在任意位置，可進行圖面任意位置的測光。
—第3實施方式—圖15為表示本發(fā)明的焦點檢測裝置的第3實施方式的圖，且與圖1相同的框圖。在圖15所示的焦點檢測裝置中取代圖1的光電二極管3而把光電倍增管210使用在光敏器件中。211為光電倍增管210的電源。如果微弱的被攝體光通過濾光組件2而入射到光電倍增管210的光電面上，便從光電面釋放電子。此電子通過2次電子釋放而被放大，最終放大到50萬～100萬倍的信號從光電倍增管210輸出。從光電倍增管210輸出的信號被放大器5放大而輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中。其余構(gòu)成與圖1所示的裝置全部相同。對于濾光組件2的構(gòu)成和焦點檢測動作等由于與第1和第2實施方式相同而省略說明。
現(xiàn)有的焦點檢測裝置為特定像的位置而檢測焦點的系統(tǒng)，因此作為光敏器件需要如CCD元件等還能檢測位置的設(shè)備。因此，可使用的光敏器件被限定，從而無法使用對微弱光很強，但不能進行位置檢測的光電倍增管等。但在本實施方式的焦點檢測裝置中由于根據(jù)比較光強而算出焦點位置，因此對光敏器件不要求位置檢測功能。因此，作為光敏器件可使用如圖15所示的光電倍增管210，且對于非常微弱的被攝體光也能進行焦點檢測。例如，還可利用在以長時間曝光為前提的星空下的自動聚焦機構(gòu)中。且根據(jù)對物透鏡的構(gòu)成情況，可用作幾乎沒有亮光的狀態(tài)下的測距系統(tǒng)。
在上述實施方式中在濾光組件2中設(shè)置3個或2個濾光器而對被攝體光束進行了調(diào)制，但也可以如圖16所示使調(diào)節(jié)器300移動濾光器2A。即把形成明暗條紋圖形的濾光器2A固定在位置x+d上，并把此時的光電二極管3的檢測值當(dāng)作第1數(shù)據(jù)。繼而，把濾光器2A向被攝體側(cè)移動距離d而固定在位置x上，并把此時的光電二極管3的檢測值當(dāng)作第2數(shù)據(jù)。進而，把濾光器2A向被攝體側(cè)移動距離d而固定在位置x-d上，并把此時的光電二極管3的檢測值當(dāng)作第3數(shù)據(jù)。并且，基于這些3個數(shù)據(jù)而算出焦點位置。而且，作為調(diào)節(jié)器例如有采用了壓電元件的調(diào)節(jié)器。
對于空間調(diào)制光學(xué)濾光器以透過型液晶濾光器(液晶顯示元件)2A～2C為例進行了說明，不限于液晶只要是具有波長R的空間頻率的透過特性的元件便都可以。作為光電轉(zhuǎn)換部除了光電二極管3和光電倍增管210以外，CdS等也是可以的。以上說明的焦點檢測裝置和對焦系統(tǒng)除了搭載于照相機以外，還可以搭載于如顯微鏡和望遠鏡等以光學(xué)方式拍攝圖像或觀察的各種光學(xué)裝置中。
權(quán)利要求
1.一種焦點檢測裝置，具備具有規(guī)定空間頻率的透過特性，且把來自光學(xué)系統(tǒng)的成像光束分別在光軸上的不同位置調(diào)制的多個空間調(diào)制光學(xué)濾光器、通過所述各空間調(diào)制光學(xué)濾光器受光成像光束，且分別輸出受光強對應(yīng)的信號的光電轉(zhuǎn)換器、以及基于所述光電轉(zhuǎn)換器輸出的信號算出光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的運算部。
2.一種焦點檢測裝置，具備分別設(shè)置于光軸上的不同位置，且依次入射來自光學(xué)系統(tǒng)的成像光束的多個透過型液晶濾光器、在所述多個透過型液晶濾光器的某一個中形成規(guī)定空間頻率的透過特性圖形，同時控制各透過型液晶濾光器，以便其余的透過型液晶濾光器成為全透過狀態(tài)的液晶控制部、接收透過所述多個透過型液晶濾光器的光束，并根據(jù)受光強度而輸出信號的光電轉(zhuǎn)換部、以及基于通過把所述透過特性圖形依次形成在所述多個透過型液晶濾光器上而得出的來自所述光電轉(zhuǎn)換部的信號算出所述光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的運算部。
3.一種焦點檢測裝置，具備分別設(shè)置于光軸上的不同位置，且依次入射來自光學(xué)系統(tǒng)的成像光束的多個透過型液晶濾光器、控制各透過液晶濾光器，以便在所述多個透過型液晶濾光器的某一個上形成開口圖形，在其余的透過型液晶濾光器的某一個或所述開口圖形上形成規(guī)定空間頻率的透過特性圖形，同時把未形成所述開口圖形以及透過特性圖形中的任一種的透過型液晶濾光器置成全透過狀態(tài)的液晶控制部、接收透過所述多個透過型液晶濾光器的光束，并根據(jù)受光強度而輸出信號的光電轉(zhuǎn)換部、以及基于通過把所述透過特性圖形依次形成在所述多個透過型液晶濾光器上而得出的來自所述光電轉(zhuǎn)換部的信號算出所述光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的運算部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的焦點檢測裝置，所述液晶控制部進行控制，使所述開口圖形形成在所述透過型液晶濾光器的顯示區(qū)域的任意位置上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2～4中的任一項的焦點檢測裝置，所述透過特性圖形為在規(guī)定空間頻率的周期內(nèi)重復(fù)的明暗條紋圖形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的焦點檢測裝置，所述運算部使第1明暗條紋圖形形成在液晶濾光器上，并通過所述光電轉(zhuǎn)換部得出偶函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)，而把與該明暗條紋圖形的相位有90度相位差的明暗條紋圖形形成在所述液晶濾光器上，并得出奇函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)，從而基于這些數(shù)據(jù)算出焦點位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的焦點檢測裝置，所述運算部利用偶函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)與奇函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)的絕對值的平均值而算出焦點位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求2～7中的任一項的焦點檢測裝置，具有改變所述空間頻率的頻率控制部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的焦點檢測裝置，所述頻率控制部在與所述光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置的偏差量大的條件下，使所述空間頻率變大，而在偏差量小的條件下，則使所述空間頻率變小。
10.根據(jù)權(quán)利要求2～9中的任一項的焦點檢測裝置，所述光電轉(zhuǎn)換部為具有接收來自所述光學(xué)系統(tǒng)的總光束的受光面積的光電二極管、光電倍增管、以及CdS的任一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求2～10的焦點檢測裝置，所述多個液晶濾光器分別夾在透明玻璃中而設(shè)置成一體的光學(xué)組件，且在此光學(xué)組件的光入射面上設(shè)置使入射光變?yōu)榫€偏振光的第1偏振片，而在光學(xué)組件的光輸出面上設(shè)置具有與所述第1偏振片相等的偏振角的第2偏振片。
12.根據(jù)權(quán)利要求2～11的焦點檢測裝置，所述多個液晶濾光器設(shè)置了3個。
13.一種對焦系統(tǒng)，其特征在于，具備使被攝體像成像的光學(xué)系統(tǒng)、根據(jù)權(quán)利要求1～12中任一項所述的焦點檢測裝置、基于由所述焦點檢測裝置檢測的焦點位置而控制所述焦點調(diào)整部，以便所述光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置成為規(guī)定位置的對焦控制部。
14.一種照相機，具有根據(jù)權(quán)利要求13所述的對焦系統(tǒng)。
15.一種焦點檢測方法，利用具有規(guī)定空間頻率的透過特性的空間調(diào)制光學(xué)濾光器在光軸上的不同位置調(diào)制來自光學(xué)系統(tǒng)的成像光束，并通過光電轉(zhuǎn)換部依次接收在所述不同位置被調(diào)制的各光束，從而基于依次從所述光電轉(zhuǎn)換部輸出的各信號算出所述光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的焦點檢測方法，所述透過特性圖形為在規(guī)定空間頻率的周期內(nèi)重復(fù)的明暗條紋圖形。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的焦點檢測方法，所述焦點位置是在所述空間調(diào)制光學(xué)濾光器上形成第1明暗條紋圖形，并通過所述光電轉(zhuǎn)換部得出偶函數(shù)的濾波循環(huán)數(shù)據(jù)，而把與該明暗條紋圖形的相位有90度相位差的明暗條紋圖形形成在所述空間調(diào)制光學(xué)濾光器上，并得出奇函數(shù)的濾波數(shù)據(jù)，從而基于這些數(shù)據(jù)算出。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的焦點檢測方法，利用偶函數(shù)的濾波循環(huán)數(shù)據(jù)與奇函數(shù)的濾波循環(huán)數(shù)據(jù)的絕對值的平均值而算出焦點位置。
全文摘要
本發(fā)明從預(yù)定成像面起分別在第1～第3的不同的距離設(shè)置第1～第3液晶濾光器，從而根據(jù)光電二極管等光電轉(zhuǎn)換部接收透過液晶濾光器的光，并轉(zhuǎn)換成電信號。在第1液晶濾光器上形成規(guī)定空間頻率的明暗條紋圖形，并把第2以及第3液晶濾光器置為全透過狀態(tài)而由光電二極管輸出第1信號。同樣在第2液晶濾光器上形成明暗條紋圖形，并把第1以及第3液晶濾光器置為全透過狀態(tài)而輸出第2信號，在第3液晶濾光器上形成明暗條紋圖形，并把第1以及第2液晶濾光器置為全透過狀態(tài)而輸出第3信號。從而根據(jù)第1～第3信號算出焦點位置。
文檔編號G02B7/36GK1559018SQ0281893
公開日2004年12月29日 申請日期2002年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月27日
發(fā)明者巖根透 申請人:株式會社尼康