今日のおじさん、なに食べました? (仮)

妻の料理と、おじさんの毎日の記録です。ほんのり工学テイスト。

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最近の娘写真集(2歳11か月)
【今日の夕食】
 今日も娘(2歳11か月)は、ほとんど昼寝をせずに、一日元気でした。妻のほうは、午前中ずっと寝ていたそうです。年齢の差が出ました。
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OLYMPUS E-PM2+MZD45mmF1.8;90mm相当、F2.8、SS1/100、ISO400
★米飯

★卵わかめスープ

★鯖みぞれ煮
 先日作った蒸し鯖を、リメイクしたそうです。身がしっかりしていて、おいしかったです。

★4点盛りプレート
・豆腐
・青菜油揚げ
・ゆでたまご
・ひじき煮豆

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【今日のおじさん】最近の娘写真集(2歳11か月)
 毎週水曜日は、娘(2歳11か月)について書きます。さて、今週の娘は。

 今週の娘写真集です。

 砂場で遊ぶ娘。
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OLYMPUS E-PM2+MZD45mmF1.8;90mm相当、F1.8、SS1/4000、ISO200

 自転車に空気を入れる娘。
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OLYMPUS E-PM2+MZD45mmF1.8;90mm相当、F2.8、SS1/1250、ISO200

 大きな石をステージに見立てて、踊り歌う娘。
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OLYMPUS E-PM2+MZD45mmF1.8;90mm相当、F1.8、SS1/1250、ISO200

 もうすぐ3歳です。やんちゃ加減が、増してきました。いたずら好きは、妻に似たようです。


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センリョウ(実家からのいただきもの)
【今日の夕食】
 今日の妻と娘(2歳11か月)は、母子分離の育児サークルでした。娘は昼寝をせず、元気です。
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OLYMPUS E-PM2+MZD45mmF1.8;90mm相当、F4.0、SS1/100、ISO500
★ラーメン
 通販で買った、登録商標「比内地鶏ラーメン」です。スープの味が良いです。麺がつゆを吸って、どんどん量が増えて、おなかいっぱいになりました。

★米飯

★4点盛りプレート
・春雨サラダ
・ひじき煮豆
・さつまいも
・鶏ニラ団子

★りんご

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【今日のおじさん】センリョウ(実家からのいただきもの)
 妻が、私の実家で「センリョウ」をもらってきました。玄関が、華やかになりました。
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牛肉まぜごはん(レモン汁つき)
【今日の夕食】
 今日の妻と娘(2歳11か月)は、私の実家に遊びに行ったそうです。
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OLYMPUS E-PM2+MZD45mmF1.8;90mm相当、F2.8、SS1/100、ISO320
★牛肉混ぜごはん
 ちらし寿司ふうです。酢は使わず、レモン汁をかけて食べます。

★鮭ミニ鍋

★春雨サラダ

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ピントが合わない・遅い・不正確~一眼レフ、位相差AFの問題点
【今日の夕食】
 今日は、娘(2歳11ヶ月)と、自転車で公園まで行きました。もらった自転車ですが、補助輪と、後ろから押せる棒が付いていて、便利です。娘は、まだ漕ぐのは難しい様子でしたが、ハンドル操作は危なげなくこなしていました。
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★米飯

★ニラ鶏つくね、レタス
 ニラたっぷりの、鶏肉団子です。麩が入って、ふんわりとした食感でした。おいしいですよ。

★4点盛りプレート
・トマト
・ゆで卵
・鯖蒸し焼き(酢で蒸しました)
・マカロニサラダ

★ポンカン、ぶどう(レッドグローブ)
 ポンカンは、妻の好物です。レッドグローブは、味は良いですが、皮と種が気になりました。

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【今日のおじさん】ピントが合わない・遅い・不正確~一眼レフ、位相差AFの問題点
 昨年(2013年)の9月に、初めての「一眼レフカメラ」(ノンレフ)を買いました。レンズやカメラに関して、いろいろな実験や考察を進めています。
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 今回は、一眼レフカメラ(ミラー付き)の特徴である「位相差AF(位相差オートフォーカス)」が、うまく動作しなくなる状況について、書きます。


★位相差AFがうまく動かないとき
 これまで、オートフォーカスの一方式である「位相差AF(位相差検出AF、位相検出方式AF)」のしくみや構造について、いくつか記事を書きました。
★一発で高速ピント合わせ!~位相差検出AFのしくみ →こちら
★位相差AFのエッジ検出、センサーが2個1組の理由 →こちら
★一眼レフ分解実験!キャノンEOS、位相差AFの構造 →こちら

 位相差AFは、「一発で高速に」ピントが合うのが、特長とされます。しかし、以下のような場合、位相差AFは、うまく動作しない(AFが遅くなる、不正確になる、動作できない)と考えられます。
a)被写体のエッジが明瞭でない
b)被写体が同じパターンの繰り返し模様の場合
c)AF前のボケが大きい
d)レンズのF値が大きすぎる

 以下、それぞれの場合について、ピントが合いにくい理由を示します。


★被写体のエッジが明瞭でない場合
 位相差AFでは、下図1のように、撮影レンズの像を2次レンズ(セパレータレンズ)で2つに分けて、この像をAF用センサ(ラインセンサ)に再結像させています。この2つのセンサ上の像の「エッジ」のズレから、ピントの合うレンズ位置を算出するのが、位相差AFの原理です。
<図1>
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 上図1の通り、位相差AFでピント合わせを行うためには、像のエッジを検出する必要があります。エッジ位置が分からないと、2つのセンサ上の像のズレが分からないからです。
 このため、下図2のように、AF検出ラインの方向(2次レンズおよびラインセンサーの並び方向)に明暗差がない対象物の場合には、ピント合わせができません。この場合、センサーの出力が一様になってしまい、エッジ位置を定義できないからです。
<図2>
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 図2のような対象物の場合には、上下方向でなく、左右方向にエッジを検出できれば、位相差AFでもピント合わせが可能です。すなわち、同じ対象物でも、横位置でなく縦位置にカメラを構えれば、検出ラインの方向が90°変わるので、位相差AFが機能すると考えられます。
 しかし、ピントを合わせるために、カメラの姿勢(すなわち構図)を変えないとならないのは、実用上、たいへん不便です。そこで、下図3のような、「クロスセンサー(クロス測距)」の配置が用いられることがあります。
<図3>
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 この「クロスセンサー」では、縦方向に並んだ「横線検出」用の2次レンズ・センサーと、横方向に並んだ「縦線検出」用の2次レンズ・センサーを備えています。この構成によれば、縦方向と横方向に、同時にエッジ検出が可能です。このため、一方向にはコントラストが不明瞭な撮影対象物であっても、他方向のエッジ検出ができれば、ピントを合わせられます。

 実際のカメラには、複数の位相差AFエリア(測距点)があります。そして、このようなクロスセンサーは、AFエリアのうち、特に重要な箇所(中央など)に限定して、配置されているようです。このため、AFエリアごとに、エッジ検出の確実性が異なる場合があります。
 下の写真は、実際の位相差AFユニットを分解して、2次レンズ(セパレーターレンズ)を取り出したものです(分解の詳細は→こちらの記事)。このカメラは、旧式のため、AFエリアは3箇所だけです。3箇所のAFエリアに対応して、3箇所に窓があります。そして、中央の窓には2組の2次レンズ対が、左右の窓には各1組の2次レンズ対が見えます。つまり、この例では、中央はクロスセンサー、左右は一方向センサー(横線検出)になっています。
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 また、上図3のクロス測距に加えて、45°斜め方向にも2組のセンサーを配置する、「デュアルクロスセンサー(デュアルクロス測距)」というものも存在するようです[1]。このデュアルクロスであれば、より多くの撮影対象について、確実にエッジ検出ができると考えられます。デュアルクロスは、主に高級機に装備されているようです。さらに、ラインセンサーを2ラインとした「千鳥配列」という構成も、用いられることがあるそうです[1]。
[1]キャノン;EOS-1DX、クロス測距点と配置
http://cweb.canon.jp/eos/special/1dxsp/afcustom5.html

 なお、上のようなコントラストが不明瞭な対象物は、位相差AFと並ぶ主要なAF方式である「コントラスト検出式AF」も、苦手な対象物です。しかし、コントラスト検出式では、AFエリア内のどこかに明暗差があれば、正確なピント合わせができます。この点では、デュアルクロスの位相差AFよりも優れると言えそうです。


★被写体が同じパターンの繰り返し模様の場合
 位相差AFでは、2次レンズで分離した2つの像の、エッジ位置のズレから、ピントの合うレンズ位置を求めます。しかし、下図4のように、AFエリア内に似たようなエッジが複数存在する場合、問題が生じます。どのエッジとどのエッジが対応するのかを、どのように判定するのか、という問題です。
<図4>
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 上図4では、AFエリア内のエッジは2個だけです。このため、「上から1番目のエッジの位置を調べる」といった、単純な取り決めでも、エッジを正しく対応させられそうです。しかし、エッジがもっとたくさん増えた場合、エッジの対応は困難です。2個のセンサ上の像のズレによって、上のセンサで見えるエッジが、下のセンサでは見えない、といった状況が生じうるためです。例えば、細かい格子模様の壁紙など、同一パターンがAFエリア内で繰り返される撮影対象では、異なるエッジの位置でズレを判断してしまい、AFが不正確になったり、著しく低速になったりするかもしれません。
 このような、繰り返し模様の対象物の場合でも、繰り返しの方向が一方向であれば、前述の「クロス測距」で、AFの確実性を高めることができそうです。

 なお、「コントラスト検出式AF」では、同一パターンの繰り返しであっても、明暗差があれば、正確なピント合わせができます。このような対象物では、コントラスト検出式が、位相差AF方式に優れていると言えそうです。


★AF前のボケが大きい場合
 これは、オートフォーカスに入る前に、ピントが大きくボケている場合です。すなわち、いわゆる「大ボケ」から、ピントを合わせる場合です。下図5のように、初期のレンズ位置が、ピントの合うレンズ位置から、大きくズレている場合を考えます。この図5では、レンズが、撮像面に著しく近い状態です。
<図5>
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 この場合、レンズの結ぶ像が、2次レンズにかなり近づきます。このため、2次レンズの結ぶ像の位置も、ピントが合った状態に比べて、大きくズレます。上図では、上側AFセンサーにおいて、像がセンサーからはみ出してしまいます。このため、エッジ位置がセンサーで検出できなくなってしまいます。
 また、センサー上に結ばれる像も、ピンボケになってしまい、エッジがボヤけてしまいます。このため、下側AFセンサーにおいては、エッジがつぶれてしまいます。エッジ検出はできなくはありませんが、検出されたエッジ位置は、不正確になっていそうです。

 以上のように、初期のピント外れが大きすぎると、位相差AFは、うまく動作できなくなってしまいます。レンズの焦点距離が大きいほど、レンズの移動範囲は増すので、ピント外れの程度が増して、位相差AFが正しく動作できない機会が増しそうです。
 このような「大ボケ」で位相差AFが動作できない場合には、「当てずっぽう」でレンズを動かす、いわゆる「シーク動作」が必要になります。レンズを動かした後、AFセンサーがエッジを検出できるようになれば、位相差AFを開始できます。しかし、このシーク動作のために、位相差AF本来の、「一発で高速にピント合わせ」という特徴は、得られなくなってしまいます。

 なお、位相差AFでなく、「コントラスト検出式AF」では、状況によらず、レンズを動かす「シーク動作」が必須です。このため、大ボケ・小ボケに関わらず、ピント合わせに時間を要します。ただ、コントラスト検出AFが前提のカメラ(ミラーレスやコンデジ)では、このシーク動作を前提に制御系(モーター仕様、移動レンズ重量、制御アルゴリズムなど)を設計しているようです[2]。
 対する位相差AFは、基本的にポイントtoポイントのレンズ移動が前提になっていそうで、シーク動作は特殊動作と考えて、制御系を設計しているかもしれません。したがって、同じようなシーク動作であれば、コントラスト検出AFが、位相差AFよりも高速である、という可能性も、十分考えられます。
 結局、ピント合わせのスピードは、AF方式(位相差AFかコントラストAFか)だけでなく、フォーカス系全体の特性によって決まる、ということだと思います。おそらく最悪なのは、位相差AFが前提の一眼レフで、コントラストAFを動作させた場合です。具体的には、一眼レフで「ライブビュー」を使って撮影させる場合です。ライブビューでは、ミラーを跳ね上げて、撮像素子の画像を液晶画面に映した状態で撮影します。ミラーが使えないので、AFセンサーは使えません。したがって、ピント合わせは、コントラストAFとなります。店頭で、実機を使ってみて感じたのですが、この場合のピント合わせは、とても遅いです。最近では、この弱点を克服するために、撮像素子に位相差AFセンサを埋め込み、ライブビューでも位相差AFが使えるカメラが登場しつつあります(例:キャノン EOS 70D の「デュアルピクセルCMOS AF」[3]など)。しかし、現状では、コンデジやマイクロフォーサーズのコントラストAFの速度には、まだ追いつけていないように感じます(撮像素子サイズの違いも効いていそうです)。
[2]Studio Graphics;メーカーに聞く デジタルカメラのココが知りたい!! - 第9回 タムロンに聞く
http://aska-sg.net/maker_int/makers-009-20120206.html
[3]キャノン;EOS 70Dオートフォーカス
http://cweb.canon.jp/eos/lineup/70d/feature-speedy.html


★レンズのF値が大きすぎる場合
 位相差AFには、動作可能な「最大F値」があります。使用する撮影レンズが、この最大F値よりも大きい(暗い)と、位相差AFは動作しません。例えば、キャノンの高級一眼レフ「EOS-1D X」というカメラでは、複数のAFエリアのうち、あるエリアはF2.8以下(F2.8光束対応)、別のエリアはF4以下(F4光束対応)、また別のエリアはF5.6以下(F5.6光束対応)でないと、AFが動作しないようです[1][4]。
 F値が大きくなると位相差AFが動作しなくなる理由を、下図6で説明します。下図6は、F2.8以下で動作する位相差AFであるとします。この図6では、レンズはF2.8以下のものを取り付けています。

[4]キャノン;カメラミュージアム-技術レポート 2011年9月号
http://web.canon.jp/Camera-muse/tech/report/2011/09/
<図6>
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 レンズのF値は、レンズの焦点距離f(≒L2)に対する、レンズ直径Dの比です。F値=f÷Dで、F値は定義されます。つまり、同じ焦点距離の場合、F値が小さいほど、レンズ直径(有効径、口径、Aperture)が大きいことを示します。レンズ直径が大きいと、多くの光を取り込めます。図6では、上下の2次レンズに、十分な光を送ることができます。

 一方、図7は、F値が大きいレンズ、たとえばF5.6のレンズを取り付けた状態です。この場合、レンズの取り込む光の範囲は、かなり狭まります。このため、2次レンズには、光が入らなくなってしまいます。この状態では、AFセンサーに像が得られません。よって、位相差AFが動作できません。(最近のカメラは、どのレンズが取り付けられているか、電気信号でレンズと情報を交換しています。レンズのF値が対応範囲外であると、そのAFエリアは選択不可能になる仕組みが、カメラに搭載されているようです。)
<図7>
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 F値が大きい場合でも、位相差AFを動作させるためには、2次レンズ間の距離hを小さくするか、2次レンズ直径を大きくするか、が考えられます。しかし、これらの対策では、エッジ位置の検出精度が悪くなったり、AFセンサー上の像がボケやすくなったり、という問題がありそうです。つまり、検出精度をとるか、確実性(対応レンズ、検出範囲の広さ)をとるか、といった、トレードオフになります。上級機では、F値の小さいレンズとの組み合わせが前提のようで、高価な、F値の小さい(明るい)レンズを使わないと、使えるAFエリアが制限されてしまいます。

 対する「コントラストAF」では、使用レンズの制限はありません。また、撮影される像そのものでエッジの明瞭さ(コントラストの強さ)を検出するため、ピント合わせの正確さが常に確保できます。


★まとめ
 位相差AFにおいて、ピント合わせができない・不正確になる・低速になるなどの場合について、その理由を調べました。
 位相差AFは、コントラストAFよりも高速と言われています。しかし、位相差AFが本来の性能を発揮するためには、被写体の性状や使用レンズ範囲などに関して、多くの制限があるようです。位相差AF本来の「高速・一発でピント合わせ」というメリットを十分に活かすためには、これらの事情を、しっかりと把握しておく必要があると思われます。

 逆に言うと、上のような位相差AFの制限を考えると、いつでも・確実に・そこそこ速くピントが合うコントラストAFは、きわめて実用性の高い、使いやすいAF方式であると言えそうです。実際、私の一眼ノンレフ(マイクロフォーサーズ)のコントラストAFは、きわめて高速かつ正確です。状況によっては、位相差AFを超える速さかもしれません。


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一眼レフ分解実験!キャノンEOS、位相差AFの構造
【今日の夕食】
 今日は、娘(2歳11か月)と、図書館に行き、帰りに公園で昼食をとりました。曇りでしたが、あまり寒くなく、過ごしやすい一日でした。
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OLYMPUS E-PM2+MZD45mmF1.8;90mm相当、F4.0、SS1/100、ISO500
★米飯、カレー
 先日の残りのカレーです。

★4点盛りプレート
・マカロニサラダ
・トマト
・豆腐
・かぼちゃそぼろ煮

★ぶどう(アメリカ産レッドグローブ)

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【今日のおじさん】一眼レフ分解実験!キャノンEOS、位相差AFの構造
 昨年9月に、初めての一眼レフ(ノンレフ)カメラを買いました。このカメラを買ってから、レンズやカメラへの関心が高まり、いろいろ調べています。

 今回は、一眼レフカメラ(ミラー付き)を分解して、「位相差AF(位相差オートフォーカス)」の構造を調べました。現物の写真・画像を、豊富に載せます。


★カメラの分解
 位相差AFは、一眼レフカメラの特徴となっている、オートフォーカスのしくみです。この原理については、以前の記事で書きました。
★一発で高速ピント合わせ!~位相差検出AFのしくみ →こちら
★位相差AFのエッジ検出、センサーが2個1組の理由 →こちら

 上の記事は、机上の検討でした。しかし、実際のイメージ(例えば、セパレータレンズはどれくらいの寸法か?)を知るためには、現物の調査が不可欠です。
 そこで、位相差AFの、AFユニットを調べるために、一眼レフを買いました。リサイクルショップ「ワットマン」で見つけたジャンク品なので、100円(税込)と安価でした。機種はキャノンの「EOS Kiss(イオス キス)」です。デジタル一眼レフ(デジイチ)ではなく、フィルム時代の一眼レフです。(Wikipedia 「キャノン EOS Kiss」の項を参照すると、これは1996年発売の2代目「New EOS Kiss」らしいです。)
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 元に戻す必要はないので、手当たりしだいに、ねじを緩めます。ほとんどのねじはタッピンねじで、プラスチックのボディに直接固定されていました。
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 開けてみて、びっくりしました。外装カバーのすぐ下には、フィルム状のプリント基板(フレキシブル基板)が、ぎっしりと詰まっています。大きい集積回路らしき部品も見えます。回路ボックスのようなものはなく、カバーと本体の隙間に、回路や素子が配置されているようです。ムダのない作りですが、組み立ては大変そうです。このカメラには、「MADE IN TAIWAN」と記載がありました。
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 でっかいコンデンサー(220μF)です。ストロボ発光用でしょうか。
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 ペンチやニッパーを使って、基板フィルムや配線を破壊しつつ、なんとかここまでバラしました。もう、元には戻せません。
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★寄り道~光学ファインダー
 今回は、AFセンサーの調査が目的ですが、少し寄り道します。「一眼レフ」ならではの、光学ファインダーを調べてみました。
 光学ファインダーの付いた、いわゆる「ペンタ部」をバラします。ペンタ部は、シーリング剤で隙間をベッタリと封止されていました。
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 一眼レフと言えば、「ペンタプリズム」と思っていたのですが、これはプリズムではありませんでした。ミラー(平面鏡)を複数貼り合わせた構造です。このミラーで、レンズで反転した像を、元の向きに戻すのだと思います。(「EOS Kiss」は廉価機種なので、ペンタプリズムを使っていないのかもしれません。)
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 光学ファインダーの上には、丸いレンズのようなものが見えます。これは、おそらく測光に使うセンサー(AE用センサー)だと思われます。
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★AFセンサーの取り付け状態
 いよいよ、本題の位相差AFセンサーです。

 解体を進めて、レンズ取り付け部分だけになりました。
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 裏面です。黒色の、複数の板が重なったような部分が、シャッターです。フィルム(デジカメでは撮像センサー、撮像素子)の直前にシャッター幕が配置されている、いわゆる「フォーカルプレーン」方式です。先幕と後幕の、2枚が重なっています。
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 一眼レフの「レフ(reflex)」の名の由来である、ミラーです。このミラーで、レンズから来た光が上方に曲げられて、光学ファインダーに像が写ります。また、このミラーは、「半透過ミラー(ハーフミラー)」になっています。光の一部はミラーを透過して、さらに裏側にある別のミラーで、下方向に導かれます。そして、下に導かれた光が、AFセンサーに入ります。
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 光の経路は、下の図の通りです。2枚のミラーで、光を2方向に分岐しています。
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 ミラーを上げたところ。シャッターを切ると、ミラーが持ち上がり、その後に後幕シャッターが開いて、フィルムが露光されます。そして、すぐに先幕シャッターが閉まって、露光が完了する仕組みです。
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 そして、ミラーを上げると、下方にAFセンサーユニットが見えます。3個の穴が並んでいる部分です。このカメラは、3点の位相差AFエリアを持っているようです。それぞれの穴が、3個のAFエリアに対応しているのだと思います。
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 このAFセンサーユニットを、裏面から見たところです。45°程度に傾いた、鏡が見えます。AFセンサーユニットの窓に入った光は、この鏡でさらに曲げられて、AFセンサー本体に導かれるようです。 
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 AFセンサーユニットは、ねじで固定されていました。ねじを外して、AFセンサーユニットを取り外したところです。AFセンサーユニットを外した上方には、2つのミラーが見えます。
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★AFセンサーの構造
 ここで、位相差AFセンサーの構造を、おさらいしておきます。下図のように、撮影用レンズの像を、2個の2次レンズ(セパレータレンズ)で分解して、AFセンサー(ラインセンサー)上に像を結ぶのが、位相差AFセンサーの仕組みでした(詳しくは、→こちらの記事)。位相差AFによれば、2つのAFセンサーの像のズレから、ピントが合うレンズ位置を算出できます。
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 取り外したAFセンサーユニットです。ユニットの手前には、丸いレンズのような部品がついていました。これも、何かのセンサーだと思われますが、何に使われるものなのか、分かりません。AFセンサー周辺の明るさを測定するためのものでしょうか。
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 ユニットのカバーを外すと、レンズらしきものが現れました。これは「セパレータレンズ」ではなく、集光のためのレンズだと思われます。
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 レンズを斜めから見たところ。途中に段がついて、3個のレンズに分かれているようです。
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 ユニットを横から見たところです。上側が光の入口(窓)、斜め45°に見える箇所がミラーです。そして右側には、センサー本体があります。
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 ミラーを外したところ。ミラーは、シール剤で接着されていました。ミラー面は、窓に相当する3か所を除いて、黒塗りされています。余計な光をカットする意図があるのかもしれません。
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 センサー本体の拡大です。3個並んでいる丸い窓の中に、セパレータレンズがあるように見えます。
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 さらに分解します。セパレータレンズらしきものと、基板部分を分離しました。
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 セパレータレンズ(と思われるもの)です。3組があり、左右の窓には2個のレンズ、中央の窓には4個のレンズが並んでいます。左右の窓では上下1組のセパレータレンズで横線検出を、中央の窓では上下1組+左右1組のセパレータレンズで横線+縦線検出(クロス測距)を、行う構成なのだと推察されます。すべてのレンズは、1個のプラスチック部品に、まとめてモールド(成型)されているように見えます。
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 AFセンサー(ラインセンサー)です。緑色っぽく見える部分が、ラインセンサーかもしれません。中央窓に対応する部分には十字状に4箇所、左右窓に対応する部分には一直線上に2箇所、配置されているように見えます。
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 セパレータレンズと、ラインセンサーの対応です。左右の窓間の距離に比べて、左右のラインセンサー間の距離は小さいです。これは、光が窓に斜めに入ってくるためと思われます。上述の、AFユニット入口のすぐ後にあるレンズ(段のついたレンズ)で、光の方向を変えて、光をなるたけ近くに集めて、センサーを小型にする狙いがあるのかもしれません。
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 セパレータレンズ間の距離を、測定してみました。約1mmでした。また、レンズ直径は、0.5mm程度に見えます。
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★まとめ
 実際のカメラを分解して、位相差AFユニットを取り出しました。
 位相差AFの構成要素である、「2次(セパレータレンズ)」と「AFセンサ(ラインセンサ)」らしきものを、確認できました。1組のセパレータレンズの中心間距離は、1mm程度でした。


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