JP2005181717A - 撮像装置および撮像用機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、装置全体の大きさを小型化することができ、かつ高品質の画像を取得することができる撮像装置を提供する。
【解決手段】 撮像装置10は、物体からの光束λiが第1入射面11aから入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第1反射面11bで光束を反射した後で第1射出面11cから射出する第1プリズム11と、第1射出面11cから射出された光束λmが第2入射面12aから入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第2反射面12b,12cで光束を反射した後で第2射出面12dから射出する第2プリズム12と、第1射出面11cと第2入射面12aとの間に配置されるシャッタ機構13と、第1プリズム11および第2プリズム12を含む光学系の結像面45に配置されて光学系によって形成される物体像を電気信号に変換する撮像素子15とを備える。
【選択図】 図2
【解決手段】 撮像装置10は、物体からの光束λiが第1入射面11aから入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第1反射面11bで光束を反射した後で第1射出面11cから射出する第1プリズム11と、第1射出面11cから射出された光束λmが第2入射面12aから入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第2反射面12b,12cで光束を反射した後で第2射出面12dから射出する第2プリズム12と、第1射出面11cと第2入射面12aとの間に配置されるシャッタ機構13と、第1プリズム11および第2プリズム12を含む光学系の結像面45に配置されて光学系によって形成される物体像を電気信号に変換する撮像素子15とを備える。
【選択図】 図2
Description
本発明は、デジタルカメラ、カメラ付携帯電話などに用いる撮像装置に係り、特に、反射面などに自由曲面を用いたプリズムを使用する撮像装置と、これを用いた撮像用機器に関する。
近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話に使用される撮像装置として、共軸系の光学系を用いた撮像装置が多数出願されている。共軸系とは、光学系の光軸(撮像系の絞りと撮像画面の中心を結ぶ軸)に対してレンズ等の光学素子が回転対称に設けられた光学系である。共軸系の撮像装置は、例えば、下記特許文献1〜3に開示されている。
最近のデジタルカメラやカメラ付携帯電話は、小型化、薄型化、高性能化が要求されてきており、これらの機器に共軸系の光学系を使用した撮像装置においては、撮像装置の大きさをコンパクトにしようとすると、レンズの枚数を少なくする必要がある。しかし、レンズの枚数を少なくすると光学系で発生する歪曲収差を小さく抑えることが困難になり、画質が低下する。また、画質を良くしようとすると、レンズの枚数を多くする必要が発生し、この結果、撮像装置が大きくなるという問題が発生する。
これらの問題点を解決するための一つの手段として、偏心光学系を使用した撮像装置が提案されている。例えば、自由曲面等を使用したプリズムを使用した撮像光学系を使用した撮像装置が下記の特許文献4〜6に記載されている。
これらの特許文献4〜6に記載されている技術の狙いは、プリズムを使用して撮像光学系を形成し、そのプリズムの光入射面や、光射出面、あるいは反射面に自由曲面を使用することによって、コンパクトでかつ画質の良い画像を得ることができる点である。特に、特許文献5や特許文献6では、2個のプリズムを組み合わせ、物体に近い方の第1プリズムの光入射面、反射面、光射出面、および撮像面に近い方の第2プリズムの光入射面、二つの反射面、光射出面、の合計7面の全てに自由曲面を使用することが記載されている。
このような光学系の特徴としては、
(1)3面ある反射面は、パワー(屈折力)を有する自由曲面を使用しているが、これらの反射面は、レンズ等の屈折光学系に比べて、大きなパワーを得ることができると同時に色収差の影響を受けない。
(2)コンパクトな空間内に7面の光学面を有することができる。したがって限られた空間内に光学要素を凝縮して設定することができる。
(3)光学性能を高めるには、光学系全体の光路長をある程度長くすることが望ましいが、このようなプリズム光学系を使用することにより、光路を折り曲げていることによって、光路長は、長いが全体の大きさをコンパクトにすることができる。
以上の理由によりコンパクトでありながら、画質を高めることが可能である。
(1)3面ある反射面は、パワー(屈折力)を有する自由曲面を使用しているが、これらの反射面は、レンズ等の屈折光学系に比べて、大きなパワーを得ることができると同時に色収差の影響を受けない。
(2)コンパクトな空間内に7面の光学面を有することができる。したがって限られた空間内に光学要素を凝縮して設定することができる。
(3)光学性能を高めるには、光学系全体の光路長をある程度長くすることが望ましいが、このようなプリズム光学系を使用することにより、光路を折り曲げていることによって、光路長は、長いが全体の大きさをコンパクトにすることができる。
以上の理由によりコンパクトでありながら、画質を高めることが可能である。
なお、特許文献7に記載されている光学系では、被写体側から、反射鏡、レンズによる光学系、反射鏡の順に構成されているが、この方式に比べて特許文献5や特許文献6に開示されている光学系は、横幅を小さくすることができるため、よりコンパクトな撮像装置を提供することができる。
特開2000−272587号公報
特開2002−267928号公報
特開2002−120122号公報
特開平11−326766号公報
特開2002−196243号公報
特開2003−84200号公報
特開平7−333505号公報
デジタルカメラやカメラ付携帯電話など、電気的撮像装置が普及することにともない、より高画質での撮影が望まれ、物体像を画像データに変換する撮像素子であるCCDの画素数も増える傾向にある。画素数の多いCCDは、インターレース型が多い。インターレース型CCDにおいては、画像データを奇数フィールドと偶数フィールドの2回に分けて読み出すものがある。
2つのフィールドの画像データは、一度に同時に読み出せないため、画像データの読み出し中は、CCDに光が入射しないように遮光する必要がある。この場合、遮光せずに画像データを読み出すと、奇数フィールドと偶数フィールドの露光時間が同一ではなくなるため、都合が悪い。そこで、画像データを読み出す間、CCDを遮光しておく機械式シャッタを設ける必要がある。
また、被写体の輝度は、広範囲にわたる。撮像素子の画素数が大きくなると、1つの画像データの中で精細な階調をつけることができるようになる。しかし、様々な条件の輝度下において、シャッタの開放時間と撮像素子の持つダイナミックレンジのみで最適な露出時間で撮影することが難しい。この問題を解決するためには、撮像素子へ投光される光量を変化させるための絞りが必要である。
しかしながら、特許文献1〜3に開示される共軸系の光学系に機械式シャッタや絞りをさらに備えるには、容積的に嵩張るため、撮像装置の小型化および薄型化が難しい。一方、特許文献4〜6には、自由曲面プリズムを用いた撮像光学系が示されている。しかし、具体的に機械式シャッタと絞りの搭載方法について記載されたものはない。
そこで、本発明は、装置全体の大きさを小型化することができ、かつ高品質の画像を取得することができる撮像装置および、この撮像装置を備える撮像用機器を提供することを目的とする。
本発明に係る撮像装置は、物体からの光束が第1入射面から入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第1反射面で前記光束を反射した後で第1射出面から射出する第1プリズムと、第1射出面から射出された光束が第2入射面から入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第2反射面で光束を反射した後で第2射出面から射出する第2プリズムと、第1射出面と第2入射面との間に配置されるシャッタ機構と、第1プリズムおよび第2プリズムを含む光学系の結像面に配置されて光学系によって形成される物体像を電気信号に変換する撮像素子とを備える。
シャッタ機構は、第1射出面から射出された光束を第2入射面に向けて通過させる開状態と、第1射出面から射出された光束を遮断する閉状態とのどちらかに選択的に切換わるシャッタ羽根を備える。または、シャッタ機構は、連動する少なくとも2枚のシャッタ羽根を有し、これらのシャッタ羽根を、第1射出面から射出された光束を第2入射面に向けて通過させる開状態と、第1射出面から射出された光束を遮断する閉状態とのどちらかに選択的に切換える。
また、シャッタ機構に絞りの機能を持たせるために、シャッタ機構に、第1射出面から射出される光束を横切る方向にシャッタ羽根を移動および保持する羽根駆動機構を備え、羽根駆動機構は、シャッタ羽根によって形成される開口の大きさを閉状態から開状態までの間で変化させる。
また、撮像素子に入射される光量を調整するために、第1射出面から射出される光束の外径よりも小さい開口を有した絞りを第1射出面と第2入射面との間に配置する。この場合、必要に応じて絞りを利かせるために、絞りは、第1射出面と第2入射面との間で第1射出面から射出される光束を横切る挿入位置と、光束から外れる退避位置とのどちらか一方に選択的に保持する。また、絞りは、挿入状態で開口の中心が光束の中心軸と同軸に配置することが好ましい。そして、撮像装置の嵩を小さくするために、絞りは、シャッタ機構に設ける。
または、絞りを設ける代わりに、光の量を減少させる減光フィルタを第1プリズムと第2プリズムとの間に備える。減光フィルタは、第1射出面と第2入射面との間で第1射出面から射出される光束を横切る挿入位置と、光束から外れる退避位置とのどちらか一方に選択的に保持する。
また、光学系の組立精度を向上させるために、互いの相対的な位置を保持する嵌合部を第1プリズムと第2プリズムとにそれぞれ備える。この場合、より好ましくは、第1プリズム側に設けられる嵌合部と第2プリズム側に設けられる嵌合部とは、直接嵌合させる。
また、第1プリズムと第2プリズムとシャッタ機構と撮像素子との相対位置を保持するフレームを備えることも効果的である。この場合、フレームは、シャッタ機構を第1プリズムと第2プリズムとの間に位置決め保持する第1壁と、撮像素子を結像面に位置決め保持する第2壁とを有する。そして、第1壁と第2壁とは、一体に形成されていると好ましい。
本発明に係る撮像用機器は、上述の撮像装置によって得られる電気信号に所定の電気的処理を施して画像データを得る処理手段と、適用された情報記録媒体に処理手段からの画像データを記録する記録手段とを有する。
本発明に係る撮像装置によれば、撮像素子から画像データを読み出す間、撮像素子に入射する光を遮断できる。したがって、インターレース型CCDの奇数フィールドと偶数フィールドの露光時間を同一にできる。そして、この撮像装置を用いることによって、機器全体のサイズをコンパクトに保ちながら画質の良い画像を得ることができる撮像用機器を提供することが可能となる。
また、シャッタ機構に開閉式の減光フィルタを設ける発明によれば、光量の調節を行なうことができるので、明暗の差の大きい被写体条件など、撮像素子の有する電子シャッタ機能では不十分な状態において、減光フィルタを適宜挿入することにより撮像素子の有する電子シャッタでも画質の良い画像を得ることができる。
本発明に係る第1の実施形態の撮像用機器について、デジタルカメラ1を一例に図1から図14を参照して説明する。デジタルカメラ1は、図1に示すように、ハウジング2の外部に面して、レリーズボタン3、フラッシュ4、ファインダ光学系5、撮像光学系6、および画像表示部7(図2参照)が設けられている。レリーズボタン3は、操作部の1つである。
ハウジング2は、図2に示すように、撮像光学系6の主要部を構成する撮像装置10、処理手段としての画像処理回路21、記録手段としての記録部22等を内蔵している。画像処理回路21は、撮像装置10によって得られる電気信号に所定の電気的処理を施すことにより、画像データを得る機能を担っている。記録部22は、画像処理回路21からの画像データを一時的に保管したり、適用された記録媒体に記録するための記録手段として機能する。撮像装置10に入射される被写体からの光束が通過する入射窓6aがハウジング2に設けられている。
撮像装置10は、図2および図3に示すように、第1プリズム11と第2プリズム12とシャッタ機構13とフィルタ機構14と撮像素子15とを備える。第1プリズム11は、第1入射面11aと第1反射面11bと第1射出面11cとを備え、第1反射面11bが回転非対称な自由曲面形状に形成された偏心プリズムである。第2プリズム12は、第2入射面12aと2つの第2反射面12b,12cと第2射出面12dとを備え、2つの第2反射面12b,12cがそれぞれ回転非対称な自由曲面形状に形成された偏心プリズムである。
物体からの光束λiは、図4に示すように、第1入射面11aから入射し、第1反射面11bで反射された後、第1射出面11cから射出される。第1プリズム11の第1射出面11cから射出された光束λmは、第2入射面12aから入射し、2つの第2反射面12b,12cでそれぞれ反射された後、第2射出面12dから射出される。そして、第2射出面12dから射出された光束λoは、結像面45に物体像を形成する。
シャッタ機構13およびフィルタ機構14は、図4に示すように第1プリズム11の第1射出面11cと第2プリズム12の第2入射面12aとの間に配置される。図6に示すように、シャッタ機構13は、2枚のシャッタ羽根33,34と、羽根駆動機構の一部品である羽根駆動リング32とを備えている。フィルタ機構14は、減光フィルタとしてのND(Natural Density)フィルタ36を備えている。シャッタ羽根33,34には、羽根駆動リング32を介してシャッタアクチュエータ27が連結され、NDフィルタ36には、フィルタアクチュエータ28が連結されている。なお、これらの細部については、後述する。
撮像素子15は、基板23に実装されており、受光面15aが結像面45に配置されている。撮像素子15は、例えばフォトトランジスタなど光を電気信号に変換する半導体素子が受光面15aに多数並べられたCCD(Charge-coupled device)である。第2射出面12dと受光面15aとの間には、図4に示すように、フィルタ15bが取り付けられている。フィルタ15bの代わりに、カバーガラスを取り付けても良い。基板23には、撮像素子15と画像処理回路21との間の連係を取る画像素子IF(インターフェース)回路24が実装される。また、シャッタアクチュエータ27およびフィルタアクチュエータ28を作動させる駆動回路25をさらに基板23に実装しても良い。
第1プリズム11と第2プリズム12とシャッタ機構13と撮像素子15とは、フレーム30に取り付けられている。フレーム30は、第1壁30aと第2壁30bとを有する。図4に示すように、第1壁30aは、第1プリズム11と第2プリズム12との間に挟まれて第1射出面11cから射出される光束λmを横切る方向に配置される。第2壁30bは、第2射出面12dから射出される光束λoを横切る方向に配置され、第1プリズム11側まで延びている。フレーム30は、第1壁30aが第2壁30bに対して突き当たるT字形に一続きに形成されている。第1壁30aと第2壁30bとには、それぞれ光束λm,λoが通過する開口部30c,30dが設けられている。
また、第1壁30aの開口部30cを取り巻く周囲の3か所に、第1プリズム11側と第2プリズム12側とを連通する取付孔31x,31y,31zが設けられている。本実施形態においては、2つの取付孔31x,31yが開口部30cに対して第2壁30bから遠い側の角部に設けられ、1つの取付孔31zが開口部30cに対して第2壁30b寄りの位置に設けられている。
第1プリズム11および第2プリズム12は、各取付孔31x,31y,31zに対応する位置に、柱状の嵌合部11x,11y,11z,12x,12y,12zが形成されている。嵌合部11x,11y,11z,12x,12y,12zには、この嵌合部11x,11y,11z,12x,12y,12zより一回り細く形成されて、取付孔31x,31y,31zに差し込まれる嵌入部11r,12rが設けられている。本実施形態においては、図5に示すように、第1プリズム11の嵌入部11rが取付孔31x,31y,31zに嵌着され、第2プリズム12の嵌入部12rが取付孔31x,31y,31zに対してわずかに隙間を有した状態である。したがって、少なくとも第2プリズム12は、第1壁30aに対して接着固定される。
第1プリズム11の嵌入部11rの先端には、位置決め用の凸部11sが設けられ、これに対向する第2プリズム12の嵌入部12rの先端には、位置決め用の凹部12tが設けられている。このように、第1プリズム11と第2プリズム12とが凸部11sと凹部12tとによって直接当接し、相対的な位置決めを行なう。また、第1プリズム11の嵌入部11rが取付孔31x,31y,31zに嵌着することで、フレーム30と第1プリズム11および第2プリズム12とが相対的に位置決めされる。
なお、これらの形状は、第1プリズム11と第2プリズム12との相対的な位置決めをするためのものであるので、それぞれ逆に形成されていても良いし、嵌入部11r,12rと凸部11sおよび凹部12tとの組み合わせを入れ替えても機能は同じである。したがって、例えば、第2プリズム12の嵌入部12rが取付孔31x,31y,31zに嵌着し、その先端に凹部12tが設けられていても良い。また、第1プリズム11側に延びた第2壁30bには、図3に示すように、第2壁30b寄りに設けられた取付孔31zに第1プリズム11の嵌入部11rが正しく嵌着されたことを確認するための視認窓30eが設けられている。
第1プリズム11側の第1壁30aには、図6に示すように、シャッタ・フィルタ保持部31が設けられており、シャッタ羽根33,34を含むシャッタ機構13およびNDフィルタ36を含むフィルタ機構14が組み込まれている。第2プリズム12と反対側の第2壁30bには、図4に示すように、基板取付部30fが設けられている。基板23は、撮像素子15の受光面15aが結像面45に位置決めされるように間座17を適宜間に挟んで、基板取付部30fに止めねじ18で固定される。止めねじ18は、図3に示すように、第1プリズム11および第2プリズム12によって折り返される光束λi,λm,λoの光軸が通る面に沿う方向およびこれと直交する方向に、撮像素子15の角度を調整できるように配置される。
以上のようにフレーム30に対して第1プリズム11と第2プリズム12とシャッタ機構13とフィルタ機構14と撮像素子15とがそれぞれ固定されることによって、第1プリズム11と第2プリズム12とシャッタ機構13とフィルタ機構14と撮像素子15とは、互いの相対位置が保持される。
次に、フレーム30の第1壁30aに設けられるシャッタ・フィルタ保持部31に組み込まれるシャッタ機構13およびフィルタ機構14の詳細な構成について、図6および図7を参照して説明する。
シャッタ・フィルタ保持部31には、図6に示すように第1壁30aに対して、シャッタ機構13の羽根駆動リング32、二枚のシャッタ羽根33,34、シャッタ機構13とフィルタ機構14とを仕切るスペーサ35、フィルタ機構14のNDフィルタ36、シャッタ・フィルタ保持部31を覆うカバー37の順に重合わせて取り付けられている。
シャッタ・フィルタ保持部31には、図6に示すように第1壁30aに対して、シャッタ機構13の羽根駆動リング32、二枚のシャッタ羽根33,34、シャッタ機構13とフィルタ機構14とを仕切るスペーサ35、フィルタ機構14のNDフィルタ36、シャッタ・フィルタ保持部31を覆うカバー37の順に重合わせて取り付けられている。
また、第1壁30aの第2プリズム12側には、羽根駆動リング32を介してシャッタ羽根33,34に連結される羽根駆動機構の1部品であるシャッタアクチュエータ27と、NDフィルタ36に連結されるフィルタ駆動機構であるフィルタアクチュエータ28とを有している。シャッタアクチュエータ27およびフィルタアクチュエータ28は、ロータリーソレノイドタイプのアクチュエータであって、それぞれ回動軸27a,28aとコイルとを本体ケース27b,28bに内蔵している。
本実施形態において、シャッタアクチュエータ27の回動軸27aとフィルタアクチュエータ28の回動軸28aとは、第1プリズム11と第2プリズム12とが並ぶ方向に沿って、第1射出面11cから射出される光束λmの光軸に沿う方向と平行に、同軸に並べて配置されている。シャッタアクチュエータ27の本体ケース27bとフィルタアクチュエータ28の本体ケース28bとは、一体に形成されており、第1壁30a寄りに配置されるシャッタアクチュエータ27側の端面にビス穴27qが設けられている。第1壁30aには、ビス挿通孔31qが設けられている。シャッタアクチュエータ27およびフィルタアクチュエータ28は、ビス挿通孔31qを通してビス穴27qに螺合されたビス38によって、第1壁30aに固定される。すなわち、シャッタアクチュエータ27側がシャッタ羽根33,34やNDフィルタ36の位置により近い側に配置されている。
シャッタアクチュエータ27の回動軸27aには、半径方向に延びる羽根駆動アーム41が固着されている。羽根駆動アーム41の先端には、光束λmの光軸方向に沿って第1プリズム11側に延びるリング駆動ピン41eが取り付けられている。リング駆動ピン41eは、羽根駆動アーム41の回動方向に沿って第1壁30aに設けられた円弧状の長孔31eに通される。
フィルタアクチュエータ28の回動軸28aには、フィルタ駆動アーム42が固着されている。フィルタ駆動アーム42は、回動軸28aから半径方向に延びる基部42aと、基部42aの回動端から光束λmの光軸と平行に第1壁30aに向かって延びる延長部42bと、延長部42bの第1壁30a側端で第1壁30aに沿って折れ曲がる先端部42cとを有している。先端部42cには、光束λmの光軸方向に沿って第1プリズム11側に延びるフィルタ駆動ピン42fが取り付けられている。フィルタ駆動ピン42fは、フィルタ駆動アーム42の回動方向に沿って第1壁30aに設けられた円弧状の長孔31fおよびスペーサ35に設けられた円弧状のフィルタ駆動ピン挿通孔35fに通される。
なお、フィルタ駆動アーム42が上述のように複雑に折り返されているのは、第2プリズム12との干渉を回避するために、第2プリズム12を迂回するためである。したがって、シャッタアクチュエータ27の回動軸27aとフィルタアクチュエータ28の回動軸28aとを平行に並べて第1壁30aのそれぞれ第2プリズム12と干渉しない位置に配置することで、フィルタ駆動アーム42の形状を簡素化することができる。
シャッタ・フィルタ保持部31には、図6に示すように、嵌合開口31bと、支持ピン31c,31dと、長孔31e,31fと、第1平面部31kと、第2平面部31mと、第3平面部31nと、第4平面部31pと、ビス挿通孔31qとが設けられている。嵌合開口31bは、光束λmの光軸を中心に第1壁30aを貫通している。
嵌合開口31bの第1プリズム11側には、第1平面部31kが光束λmの光軸と交差する方向に広がっている。第1平面部31kには、リング駆動ピン41eが通される長孔31eと、フィルタ駆動ピン42fが通される長孔31fと、シャッタアクチュエータ27およびフィルタアクチュエータ28を第1壁30aに固定するビス38を通すビス挿通孔31qとが設けられている。長孔31eは、リング駆動ピン41eが移動する軌跡に沿って円弧状に設けられている。長孔31fは、フィルタ駆動ピン42fが移動する軌跡に沿って円弧状に設けられている。
第1平面部31kと第2平面部31mと第3平面部31nと第4平面部31pとは、互いに平行に配置されている。第2平面部31mは、第1平面部31kよりも第1プリズム11側に設けられている。第3平面部31nは、第2平面部31mよりも第1プリズム11側に設けられている。第4平面部31pは、第3平面部31nよりも第1プリズム11側に設けられている。支持ピン31c,31dは、光束λmの光軸を中心とする第2平面部31mの対称の位置に配置されている。
なお、本実施形態おいて、第4平面部31pは、第1壁30aの第1プリズム11側面である。つまり、第1プリズム11および第2プリズム12の嵌合部が挿入される取付孔31x,31y,31zは、第4平面部31pから第2プリズム12側の面まで貫通して設けられている。
羽根駆動リング32は、リング開口32aと嵌合凸部32bとフランジ部32kとアーム部32dと長孔32eと羽根駆動ピン32g,32hを有している。リング開口32aは、光束λmの光軸を中心とする円形に設けられている。嵌合凸部32bは、嵌合開口31bの内径よりもやや小さい外径の円筒上に形成されており、嵌合開口31bに挿嵌される。フランジ部32kは、嵌合凸部32bの第1プリズム11側から第1平面部31kに沿って鍔状に広がっており、第1平面部31kと摺接する。
アーム部32dは、第1平面部に設けられた長孔31fと重なる位置に向かってフランジ部32kから半径方向に延びている。長孔32eは、アーム部32dに設けられ、光束λmの光軸を中心とする半径方向に長径が配置されている。長孔32eは、第1壁30aを貫通して第1プリズム11側に突出したリング駆動ピン41eと係合する。したがって、シャッタアクチュエータ27によって羽根駆動アーム41が回動されると、羽根駆動リング32は、光束λmの光軸を中心に回動する。羽根駆動ピン32g,32hは、光束λmの光軸を中心とする回転対称にフランジ部32kに配置され、第1プリズム11側に向かって延びている。
シャッタ羽根33,34は、三日月形あるいは鎌形に形成されており、一方の端にピン孔33c,34dおよび揺動用長孔33g,34hをそれぞれ備えている。シャッタ羽根33は、ピン孔33cに支持ピン31cを挿通させた状態にシャッタ・フィルタ保持部31に装着される。シャッタ羽根34は、ピン孔34dに支持ピン31dを挿通させた状態にシャッタ・フィルタ保持部31に装着される。
シャッタ羽根33,34は、円弧の内側を光束λmの光軸側に向けて光束λmの光軸に沿う方向に一部が重なった状態で、光束λmの光軸を中心に回転対称に配置されている。揺動用長孔33g,34hは、それぞれ羽根駆動ピン32g,32hに嵌合する。これにより、羽根駆動リング32がシャッタアクチュエータ27によって回動すると、シャッタ羽根33,34は、それぞれ支持ピン31c,31dを中心に回動する。
スペーサ35は、第4平面部31pより内側のシャッタ・フィルタ保持部31に装着される。スペーサ35には、絞り開口35aと、支持ピン挿通孔35c,35dと、フィルタ駆動ピン挿通孔35fと、羽根駆動ピン挿通孔35g,35hとを備える。絞り開口35aは、光束λmの光軸を中心とする円孔である。絞り開口35aの開口径は、リング開口32aよりもわずかに小さい。
スペーサ35は、支持ピン挿通孔35c,35dに支持ピン31c,31dを通して第3平面部31nに当接する状態で、シャッタ・フィルタ保持部31に装着される。
支持ピン挿通孔35c,35dは、羽根駆動ピン32g,32hの逃し孔として設けられており、羽根駆動リング32が回動することによって羽根駆動ピン32g,32hが移動する軌跡に対応した円弧状の長孔に形成されている。フィルタ駆動ピン挿通孔35fは、フィルタアクチュエータ28がフィルタ駆動アーム42を回動させることによってフィルタ駆動ピン42fが移動する軌跡に対応した円弧状の長孔に形成されている。
スペーサ35は、シャッタ羽根33,34の光束λmの光軸に沿う方向の回動隙間を確保し、かつ、シャッタ羽根33,34とNDフィルタ36とをそれぞれ独立して回動可能に分離している。
NDフィルタ36は、図11に示すように、絞り開口35aを覆う十分な大きさを有しており、支持ピン挿通孔36cと、フィルタ駆動ピン挿通孔36fと、切欠き部36gとを有している。NDフィルタ36は、スペーサ35より第1プリズム11側に突出する支持ピン31cとフィルタ駆動ピン42fとにそれぞれ支持ピン挿通孔36cとフィルタ駆動ピン挿通孔36fとを嵌合させた状態に装着される。
切欠き部36gは、図11に示すように、NDフィルタ36と羽根駆動ピン32gとが互いに干渉しないように、光束λmの光軸に沿う方向に羽根駆動ピン挿通孔35gと重ならない形状に設けられている。なお、羽根駆動ピン32g,32hは、スペーサ35を超えて第1プリズム11側に突出しない場合は、切欠き部36gは、不要である。
NDフィルタ36は、フィルタアクチュエータ28がフィルタ駆動アーム42を回動させることによって支持ピン31cを中心に回動する。そして、NDフィルタ36は、第1射出面11cから射出される光束λmを横切る挿入位置(図10)と、光束λmから外れる退避位置(図11)とのどちらか一方に選択的に位置決め保持される。
カバー37は、第4平面部31pと当接し、開口部37aと、支持ピン嵌合孔37c,37dと、フィルタ駆動ピン挿通孔37fと、係止片37g,37hとを備える。開口部37aは、光束λmの光軸を中心とする円形に設けられている。支持ピン嵌合孔37c,37dは、支持ピン31c,31dの先端と嵌合する。このように、支持ピン31c,31dは、シャッタ羽根33,34の回動中心軸として機能するとともに、スペーサ35およびカバー37の固定部材としても機能する。
フィルタ駆動ピン挿通孔37fは、フィルタアクチュエータ28がフィルタ駆動アーム42を回動させることによってフィルタ駆動ピン42fが移動する軌跡に対応した円弧状の長孔に形成されている。係止片37g,37hは、第1壁30aの外周に被さるように第1プリズム11側に向かって折り返されている。係止片37g,37hには、係止孔37i,37jが設けられている。係止孔37i,37jは、第1壁30aの外周に形成された係止突起31i,31jと係合する。
上述したように組み付けられたシャッタ機構13およびフィルタ機構14は、第1壁30aのシャッタ・フィルタ保持部31にスペーサ35を介して組み込まれ、シャッタ羽根33,34とNDフィルタ36をそれぞれ独立して回動可能な状態に保持する。
なお、シャッタ機構13およびフィルタ機構14は、第1壁30aの光束λmの光軸に沿う方向の投影面積内に収まって配置されることから、光束λmの光軸の直交面上の占有エリアがフレーム30で与えられる。
なお、シャッタ機構13およびフィルタ機構14は、第1壁30aの光束λmの光軸に沿う方向の投影面積内に収まって配置されることから、光束λmの光軸の直交面上の占有エリアがフレーム30で与えられる。
上述したシャッタ機構13のシャッタ羽根33,34の動作について、図8、図9を参照して説明する。図8および図9は、図6中のA−Aに沿ってシャッタ機構13を第1プリズム11側から見た平面図である。シャッタ機構13の開状態は、図8に示し、シャッタ機構13の閉状態は、図9に示す。
シャッタアクチュエータ27は、開状態において、オフ状態である。回動軸27aは、本体ケース27b内に内蔵される例えばねじりコイルばね等によって、図8中で反時計回り方向に付勢されている。したがって、羽根駆動アーム41のリング駆動ピン41eと係合する羽根駆動リング32は、図8中で時計回り方向に付勢される。その結果、シャッタ羽根33,34は、開状態において、図8に示すように、スペーサ35の投影面積内に隠れる開放位置に保持されており、第1射出面11cから射出された光束λmを第2入射面12aに通過させる。そして、シャッタ羽根33,34がシャッタ・フィルタ保持部31の内壁に当接するか、リング駆動ピン41eが長孔31eに当接するか、あるいは、羽根駆動リング32のアーム部32dがシャッタ・フィルタ保持部31の内壁に当接するか、いずれかによって、図8に示す開状態に維持されている。シャッタ機構13は、通常の状態において、図8に示す開状態になっている。
撮影操作が行なわれ、所定時間の間、物体像からの光を受光すると、シャッタアクチュエータ27がオンされ、回動軸27aとともに羽根駆動アーム41が時計回りに回動される。これにより、リング駆動ピン41eによって羽根駆動アーム41と係合する羽根駆動リング32は、光束λmの光軸を中心に反時計回りに回動される。そして、羽根駆動ピン32g,32hと係合するシャッタ羽根33,34は、図9に示す用に光束λmを横切る遮断位置に支持ピン31c,31dを中心に回動される。
この結果、シャッタ機構13は、リング開口32aを覆う第1射出面11cから射出される光束λmを遮断する閉状態となる。したがって、撮像素子15から画像データを取り込み終わるまでの間に撮像素子15に物体からの光束が当たり続けることを防止することができる。したがって、インターレース型CCDの奇数フィールドと偶数フィールドの露光時間を同一にできる。
また、上述したフィルタ機構14のNDフィルタ36の動作について、図10および図11を参照して説明する。図10および図11は、図6中のB−Bに沿ってフィルタ機構14を第1プリズム11側から見た平面図である。NDフィルタ36が退避位置に保持されている非減光状態を図10に示す。NDフィルタ36が挿入位置に保持されている減光状態を図11に示す。
フィルタアクチュエータ28は、非減光状態において、オフ状態である。回動軸28aは、本体ケース28bに内蔵される例えばねじりコイルばね等によって、図10中で時計回り方向に付勢されている。したがって、フィルタ駆動アーム42のフィルタ駆動ピン42fとフィルタ駆動ピン挿通孔36fで係合するNDフィルタ36は、支持ピン31cを中心に図10中で反時計回りに回動する方向に付勢されている。
その結果、NDフィルタ36は、非減光状態において、図10に示すようにスペーサ35の投影面積内に隠れる位置となる絞り開口35aから外れた退避位置に保持される。そして、第1プリズム11の第1射出面11cから射出された光は、NDフィルタ36を透過せずに絞り開口35aを通って第2プリズム12の第2入射面12aに入射される。NDフィルタ36は、図10に示すように、フィルタ駆動ピン42fが第1壁30aに設けられた長孔31f、スペーサ35のフィルタ駆動ピン挿通孔35f、カバー37のフィルタ駆動ピン挿通孔37fのいずれかと当接することによって、退避位置に維持されている。フィルタ機構14は、通常の状態において、図10に示す非減光状態になっている。
撮像用機器であるデジタルカメラ1に別途設けられる輝度計、もしくは、撮像素子15で検出される輝度を基に、物体からの光が強すぎるとフィルタアクチュエータ28がオンされる。これにより、回動軸28aとともにフィルタ駆動アーム42は、反時計回りに回動される。フィルタ駆動ピン42fによってフィルタ駆動アーム42と係合するNDフィルタ36は、支持ピン31cを中心に退避位置から時計回りに回動され、図11に示すように、光束λmを横切る挿入位置に保持される。
この結果、第1射出面11cから射出された光束λmは、NDフィルタ36を透過することによってこのNDフィルタ36の有する割合で減光された後、第2プリズム12の第2入射面12aに入射される。したがって、被写体の輝度が、広い領域に渡る場合においても、精細な階調をつけて撮像することができるようになる。
なお、第1プリズム11および第2プリズム12の嵌合部と、第1壁30aに設けられた取付孔31x,31y,31zとの取付構造の他の形態を図12(A)〜(D)に示す。図12(A)〜(D)に示すように、第1プリズム11と第2プリズム12とが直接接していない形状でも良い。図12(A)〜(D)のいずれの形態においても、第1プリズム11と第2プリズム12とを第1壁30aを介して相対的に位置決めできる。
図12(A)に示す形態において、第1プリズム11および第2プリズム12に設けられた嵌合部11x,11y,11z,12x,12y,12zは、第1壁30aに設けられた取付孔31x,31y,31zに対し、嵌着される嵌入部11r,12rをそれぞれ備えている。それぞれの嵌入部11r,12rの基部11u,12u側が第1壁30aの外面に突き当たることによって、第1プリズム11および第2プリズム12は、第1壁30aを介して相対的に位置決めされる。
図12(B)に示す形態において、第1プリズム11および第2プリズム12に設けられた嵌合部11x,11y,11z,12x,12y,12zは、第1壁30aに設けられた取付ボス30vに対し、外嵌する凹部11v,12vをそれぞれ備えている。嵌合部11x,11y,11z,12x,12y,12zの先端が、第1壁30aの外面に突き当たることによって、第1プリズム11および第2プリズム12は、それぞれ第1壁30aを介して相対的に位置決めされる。
図12(C)に示す形態において、第1プリズム11に設けられた嵌合部11x,11y,11zは、図12(B)に示す第1プリズム11の嵌合部11x,11y,11zと同様の形状であり、第2プリズム12に設けられた嵌合部12x,12y,12zは、図12(A)に示す第2プリズム12の嵌合部12x,12y,12zと同様の形状である。なお、嵌合部12x,12y,12zの嵌入部12rは、第1壁30aに設けられた嵌合穴30rに挿嵌される。
図12(D)に示す形態において、第1プリズム11に設けられた嵌合部11x,11y,11zは、図12(A)に示す第1プリズム11の嵌合部11x,11y,11zと同様の形状であり、第2プリズム12に設けられた嵌合部12x,12y,12zは、図12(B)に示す第2プリズム12の嵌合部12x,12y,12zと同様の形状である。なお、嵌合部11x,11y,11zの嵌入部11rは、第1壁30aに設けられた嵌合穴30rに挿嵌される。
また、第1壁30aと第2壁30bとがそれぞれ別部材で構成されている形態のフレーム30について、これらの接合部50の構造を図13に拡大して示す。図13に示すように、第1壁30aの接合端51には、固定用ビス52と螺合されるねじ穴53が設けられている。第2壁30bの接合面54には、溝55が形成されている。溝55の幅は、第1壁30aの接合端51よりも広く形成されており、底部55aに固定用ビス52を挿通するビス通し孔55bが設けられている。ビス通し孔55bは、溝55の一方の側壁に接合端51を押し当てた状態で、ねじ穴53と重なる位置に設けられている。図13に示すように第1壁30aと第2壁30bとは、2つの面によって互いに位置決めされる。
NDフィルタ36の代わりに絞りプレート100を装着した状態を図14に示す。絞りプレート100は、スペーサ35に設けられる絞り開口35aよりも口径の小さい絞り孔100aを光束λmの光軸と同軸に有している。絞りプレート100は、NDフィルタ36と同様に設けられた支持ピン挿通孔100cによって支持ピン31cに枢支されるとともに、駆動ピン挿通孔100fと係合するフィルタ駆動ピン42fによって回動され、挿入位置か退避位置のいずれかに位置決めされる。また、NDフィルタ36と同様に羽根駆動ピン32gとの干渉を回避する切欠き部100gが設けられている。
この絞りプレート100をNDフィルタ36と同様に駆動することで、撮像素子15へ透光される光量を変化させることができる。なお、絞り孔100aの口径は、撮像装置の使用に応じて適宜決定されるものであり、図14に示す絞り開口35aと絞り孔100aとの関係に基づく比率に限定されるものではない。
また、本実施形態におけるNDフィルタ36を遮光性の部材に変えることによって、シャッタ機構13とフィルタ機構14との機能を互いに入れ替えることも可能である。例えば、NDフィルタ36の代わりに設ける遮光性の部材を開状態と閉状態とに切換わる機械式シャッタとして使用する。そして、羽根駆動アーム41の回動範囲に制限を加える、または、羽根駆動リング32の回動範囲に制限を加える、あるいは、シャッタ羽根33,34の回動範囲に制限を加えるなどによって、スペーサ35の絞り開口35aより小さい開口を残した絞り状態にシャッタ羽根33,34を保持する。
また、シャッタアクチュエータ27にステッピングモータを使用してシャッタ羽根33,34を複数段階に駆動および位置決めすると、複数の絞り値を設定することのできる絞り機構を提供することができる。なお、シャッタ羽根の枚数は、数を増やすことによって、より円形に近い開口を作ることができる。また、シャッタアクチュエータ27およびフィルタアクチュエータ28は、光束λmの光軸と同軸に設けられる中空モータに置き換えることができる。
なお、シャッタ羽根33,34によって形成する絞りの開口や絞りプレート100の絞り孔100aである開口を極端に小さくしなければならないような撮像条件においては、開口が小さいがために回折現象が生じる場合がある。このような撮像条件においては、エネルギーの相対分光分布を変えることなく光の強度を減らすことのできるNDフィルタ36を用いることが適当である。
本発明に係る第2の実施形態の撮像装置10aについて、図15から図17を参照して説明する。なお、第1の実施形態に示した撮像装置10の構成と同じ機能を有した構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図15に示す撮像装置10aにおいて、第2壁30bは、第1壁30aから第2プリズム12側に向かって延びており、第1プリズム11側に延びていない。つまり、フレーム30は、第2プリズム12の第2入射面12a側と第2射出面12d側を囲うL字形に一続きに形成されている。また、撮像素子15が実装された基板23は、第2壁30bに設けられる基板取付部30fに対応した大きさに形成されている。
基板23は、図16に示すように、弾性部材の一形態であるコイルスプリング19を基板取付部30fとの間に挟んだ状態で、基板取付部30fに調整ねじ20で保持される。基板23は、コイルスプリング19によって基板取付部30fから離れる方向に付勢された状態である。結像面45に対する撮像素子15の受光面15aの位置は、調整ねじ20の締め込み量を調整することによって、微調整することができる。したがって、結像面45に対する受光面15aの位置合せが容易である。
なお、コイルスプリング19の代わりに弾性部材として、ゴムシートやばね座金を用いても良い。また、コイルスプリング19を設ける代わりに、第1の実施形態と同様に間座17を挟んで撮像素子15の受光面15aを結像面45に対して位置決め調整しても良い。逆に、コイルスプリング19やゴムシート、ばね座金などを第1の実施形態において間座17の代わりに用いても良い。
また、第1プリズム11の嵌合部11x,11y,11zおよび第2プリズム12の嵌合部12x,12y,12zは、第1の実施形態で示したように、第2の実施形態においても図12(A)〜(D)に示すような形態であっても良い。また、NDフィルタ36を備える代わりに、図14に示す絞りプレート100を備えても良い。
さらに、第1壁30aと第2壁30bとがそれぞれ別部材で構成されている形態のフレーム30について、これらの結合部60の構造を図17に拡大して示す。図17に示すように、第1壁30aは、第2プリズム12側に面して当接部61を有している。第1プリズム11に面した第2壁30bの端面62には、固定用ビス63と螺合されるねじ穴64が設けられている。第1壁30aの当接部61と第2壁30bの端面62を当接させた状態でねじ穴64に対応する第1壁30aの当接部61には、固定用ビス63を挿通するビス通し孔65が、設けられている。
本発明に係る撮像用機器の一例として、撮像装置をカメラ付携帯電話160に組み込んだ例を図18に示す。このカメラ付携帯電話160に、前述の各実施形態で説明した撮像装置(例えば撮像装置10)を撮像光学系6として組込むことにより、カメラ付携帯電話160の小型化および薄型化、そして高画質化が可能である。
図19および図20は、それぞれ本発明の撮像用機器に適用される撮像装置の互いに異なる例を示している。
図19に示した撮像装置10cは、第1プリズム111と第2プリズム112の各面201〜206が全て自由曲面からなる。第1面201より入射した光は、第1面201で屈折して第2面202で全反射し、次に、第3面203で屈折したのち、第4面204で屈折する。さらに第5面205で全反射したのち、第6面206で全反射し、第5面205で屈折したのち結像面45にて結像する。
図19に示した撮像装置10cは、第1プリズム111と第2プリズム112の各面201〜206が全て自由曲面からなる。第1面201より入射した光は、第1面201で屈折して第2面202で全反射し、次に、第3面203で屈折したのち、第4面204で屈折する。さらに第5面205で全反射したのち、第6面206で全反射し、第5面205で屈折したのち結像面45にて結像する。
図20に示された撮像装置10dは、第1プリズム221と第2プリズム222の各面231〜238が全て自由曲面からなる。第1面231より入射した光は、第1面231で屈折して第2面232で全反射し、さらに第3面233で全反射したのち、第4面234と第5面235で屈折し、さらに第6面236と第7面237で全反射したのち、第8面238で屈折し、結像面45にて結像する。
なお、この発明を実施するに当たり、プリズム光学系や、撮像素子をはじめとして、発明の構成要素をこの発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できることは言うまでもない。
1…デジタルカメラ(撮像用機器)、10,10a,10c,10d…撮像装置、11…第1プリズム、11a…第1入射面、11b…第1反射面、11c…第1射出面、11r…嵌入部、11s…凸部、11u…基部、11v…凹部、11x,11y,11z…嵌合部、12…第2プリズム、11a…第2入射面、12b,12c…第2反射面、12d…第2反射面、12r…嵌入部、12t…凹部、12u…基部、12v…凹部、12x,12y,12z…嵌合部、13…シャッタ機構、15…撮像素子、21…画像処理回路(処理手段)、22…記録部(記録手段)、27…シャッタアクチュエータ(羽根駆動機構)、30…フレーム、30a…第1壁、30b…第2壁、32…羽根駆動リング(羽根駆動機構)、33,34…シャッタ羽根、35a…絞り開口(絞り)、36…NDフィルタ(減光フィルタ)、41…羽根駆動アーム(羽根駆動機構)、45…結像面、100…絞りプレート(絞り)、100a…絞り孔、111…第1プリズム、112…第2プリズム、160…カメラ付携帯電話(撮像用機器)、221…第1プリズム、222…第2プリズム、λi,λm,λo…光束。
Claims (15)
- 物体からの光束が第1入射面から入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第1反射面で前記光束を反射した後で第1射出面から射出する第1プリズムと、
前記第1射出面から射出された前記光束が第2入射面から入射されて少なくとも1つの自由曲面形状の第2反射面で前記光束を反射した後で第2射出面から射出する第2プリズムと、
前記第1射出面と前記第2入射面との間に配置されるシャッタ機構と、
前記第1プリズムおよび前記第2プリズムを含む光学系の結像面に配置されて前記光学系によって形成される物体像を電気信号に変換する撮像素子と
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 前記シャッタ機構は、前記第1射出面から射出された光束を前記第2入射面に向けて通過させる開状態と、前記第1射出面から射出された光束を遮断する閉状態とのどちらかに選択的に切換わるシャッタ羽根を備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記シャッタ機構は、連動する少なくとも2枚のシャッタ羽根を有し、
前記シャッタ羽根は、前記第1射出面から射出された光束を前記第2入射面に向けて通過させる開状態と、前記第1射出面から射出された光束を遮断する閉状態とのどちらかに選択的に切換わることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記シャッタ機構は、前記第1射出面から射出される光束を横切る方向に前記シャッタ羽根を移動および保持する羽根駆動機構を備え、
前記羽根駆動機構は、前記シャッタ羽根によって形成される開口の大きさを前記閉状態から前記開状態までの間で変化させることを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。 - 前記第1射出面から射出される光束の外径よりも小さい開口を有した絞りを前記第1射出面と前記第2入射面との間に配置することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記絞りは、前記第1射出面と前記第2入射面との間で前記第1射出面から射出される光束を横切る挿入位置と、前記光束から外れる退避位置とのどちらか一方に選択的に保持されることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記絞りは、前記挿入状態で前記開口の中心が前記光束の中心軸と同軸に配置されることを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。
- 前記絞りは、前記シャッタ機構に設けられることを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。
- 光の量を減少させる減光フィルタを前記第1プリズムと前記第2プリズムとの間に備え、
前記減光フィルタは、前記第1射出面と前記第2入射面との間で前記第1射出面から射出される光束を横切る挿入位置と、前記光束から外れる退避位置とのどちらか一方に選択的に保持されることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1プリズムと前記第2プリズムとは、互いの相対的な位置を保持する嵌合部をそれぞれ備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記第1プリズム側に設けられる前記嵌合部と前記第2プリズム側に設けられる前記嵌合部とは、直接嵌合することを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。
- 前記第1プリズムと前記第2プリズムと前記シャッタ機構と前記撮像素子との相対位置を保持するフレームを備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記フレームは、
前記シャッタ機構を前記第1プリズムと前記第2プリズムとの間に位置決め保持する第1壁と、
前記撮像素子を前記結像面に位置決め保持する第2壁と
を有することを特徴とする請求項12に記載の撮像装置。 - 前記第1壁と前記第2壁とは、一体に形成されていることを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 請求項1に記載の撮像装置によって得られる電気信号に所定の電気的処理を施して画像データを得る処理手段と、
適用された情報記録媒体に前記処理手段からの前記画像データを記録する記録手段と
を有することを特徴とする撮像用機器。
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