JP2012063520A - 測距装置、レンズシステムおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置のズームレンズ側で要求される合焦精度に対応した測距仕様を満たす測距装置を提供することを目的とする。
【解決手段】撮像装置によって撮像される被写体までの距離を三角測距の原理によって測定する測距装置であって、前記被写体までの距離の測距可能な最大遠距離が、前記撮像装置の過焦点距離の最大値の１／２以上とする測定手段を有する測距装置を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動焦点調節機能を有する撮像装置に取り付け可能な測距装置、この測距装置を備えたレンズシステムおよび撮像装置に関するものである。

撮像装置における自動焦点調節で行われる工程は、大きく分類すると、焦点検出工程と焦点調節工程の二工程がある。焦点検出工程では、高精度の被写体情報を得るために、撮像装置から独立した測距装置を用いることがある。この測距装置は、焦点検出を行うために、三角測距の原理を利用するものがある。三角測距の原理には、対象物が発する光により焦点検出を行うパッシブ型と、装置側から対象物に向けて投射した光の反射を検出することにより、測距を行うアクティブ型がある。一方、焦点調節工程では、上記焦点検出の結果に基づいて、光学系を合焦させる。このように、撮像装置の自動焦点調節において、高精度に被写体情報を検出するためには、撮像系とは別に、測距系を設ける必要があった。このため、撮像装置に、撮像系とは別に測距系を搭載することにより、撮像装置全体の大型化等の問題が生じていた。

従来、このような問題に対して、測距センサと測光センサとを同一基板上に配置し、かつ、独立に設けられた複数の測距レンズと測光レンズとを一体形成した測距・測光装置が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。なお、測距レンズを含む測距光学系を結像系とし、測光レンズを含む測光光学系を非結像系としていた。この測距・測光装置によれば、測距光学系と測光光学系を一つの装置に構成しても、高精度な測距、測光が可能になるとともに、小型化、ローコスト化を図ることができていた。

特開２００４−１２８６３号公報

上記従来技術では、測距レンズと測光レンズとが一体構造となっていることから生ずる光学的な制約や測距レンズに対する測光レンズの必要画角からくる制約を緩和する測距装置（あるいは測光装置）を提供することによって、小型化を図っていた。また、測距・測光の精度も、上記小型化に伴う制約を緩和することによって、実現させるものであった。ところで、測距装置の精度は、これを搭載する撮像装置のズームレンズ側で要求される合焦精度に対応するものでなければならない。しかしながら、上記従来技術による測距装置では、このズームレンズ側で要求される合焦精度に対応した測距仕様を満たすことは、容易ではなかった。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、撮像装置のズームレンズ側で要求される合焦精度に対応した測距仕様を満たす測距装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、撮像装置によって撮像される被写体までの距離を三角測距の原理によって測定する測距装置であって、
前記被写体までの距離の測距可能な最大遠距離が、前記撮像装置の過焦点距離の最大値の１／２以上とする測定手段を有することを特徴とする。

この構成によれば、前記測距装置により、撮像装置の全ズーム領域において合焦可能な測距精度を得ることができる。

また、前記測定手段は、一対のレンズと前記一対のレンズによって前記被写体の像がそれぞれ結像される一対のセンサとを有し、
前記撮像装置の過焦点距離の最大値をＨ、前記一対のレンズの焦点距離をｆｓ、前記一対のレンズの光軸間の距離で特定される基線長をｌｓ、前記センサの変位量の最小分解能をｄｓとするとき、

但し、Ｈ＝ｆｉｔ^２／（δ・Ｆｎｏｔ）
ｆｉｔ：撮像装置の最大焦点距離
δ：撮像装置の許容錯乱円
Ｆｎｏｔ：撮像装置のｆｉｔにおけるＦナンバー
なる条件を満足することが好ましい。

本発明によれば、自動焦点調節機能を有する撮像装置の全ズーム領域において求められる測距精度を満たす測距装置を得ることができるため、本発明にかかる測距装置によって撮像装置の合焦精度を向上させることができるという効果を奏する。

パッシブ型測距装置の概念図である。 撮像装置との関係で求められるパッシブ型測距装置の測距精度の条件を示した概念図である。 本発明にかかるパッシブ型測距装置の測距精度を示す概念図である。 本発明にかかる測距装置の実施例１のレンズの構成である。 図４のレンズの基線長に直交方向の諸収差である。 図４のレンズの基線長方向の諸収差である。 本発明にかかる測距装置の実施例２のレンズの構成である。 図７のレンズの基線長に直交方向の諸収差である。 図７のレンズの基線長方向の諸収差である。 本発明にかかる測距装置の実施例３のレンズの構成である。 図１０のレンズの基線長に直交方向の諸収差である。 図１０のレンズの基線長方向の諸収差である。

本実施の形態では、以下、パッシブ型測距装置を例として説明するが、これに限定する趣旨ではない。従って、三角測距の原理を採用するものであれば、アクティブ型測距装置であってもよい。図１は、パッシブ型測距装置の概念図である。パッシブ型測距装置は、一対の同仕様のレンズＧ１及びＧ２と、レンズＧ１、Ｇ２に各々対向して並列配置されているセンサＳ１、Ｓ２を有する測定手段を備えている。レンズＧ１とＧ２は、各々の光軸Ｘ１とＸ２が平行になるように並列配置され、光軸Ｘ１及びＸ２の間の距離は基線長ｌｓとして定義される。光軸Ｘ１上に、レンズＧ１を介して、センサＳ１に対向する位置に存在する被写体Ｏの像をセンサＳ１及びＳ２上に結像させる。ここで、レンズＧ１の主点位置Ｍから被写体Ｏまでの距離をＬ、レンズＧ１及びレンズＧ２の焦点距離をｆｓ、センサＳ２において測定される結像点の位相差量をＳとする。そうすると、三角測距の原理により、被写体距離Ｌは以下の式で与えられる。
Ｌ＝（ｆｓ・ｌｓ)／Ｓ
上記式において、焦点距離ｆｓと基線長ｌｓは既知の値であるので、位相差量Ｓを求めることで、被写体距離Ｌを算出することが出来る。

図２は、撮像装置のズームレンズとの関係で求められるパッシブ型測距装置の測距精度の条件を示した概念図である。図２において、センサＳ２上で基線長ｌｓと水平な方向に展開するセンサＳ２の変位量の最小分解能をｄｓとする。また、前記最小分解能ｄｓ単位で変位させた変位量に対応する各被写***置をａ、ｂ、ｃ、レンズＧ１の主点位置Ｍから各被写体までの距離をＬａ、Ｌｂ、Ｌｃとする。ここで、ａは、パッシブ型測距装置の測距可能な最大遠距離である。さらに、各被写***置において撮像装置から求めた前方被写界深度をａ２、ｂ２、ｃ２、後方被写界深度をａ１、ｂ１、ｃ１とする。

図２（１）では、最小分解能ｄｓの前記変位量に対応して、被写***置ａと被写***置ｂとは、離散的に隣り合っている。この離散的に隣り合う被写***置ａと被写***置ｂとの間の範囲内で、被写***置ａの前方被写界深度ａ２と被写***置ｂの後方被写界深度ｂ１とが、間隔なく連続している。従って、センサＳ２の最小分解能ｄｓの変位量の単位では、測距できない被写体距離間であっても、この連続的な状態の場合は、撮像装置側から見ると、連続的に合焦できる状態になる。従って、以上のような構成であれば、精度の良い合焦が可能になる。

一方、図２（２）では、被写***置ａと被写***置ｂとの間の範囲内で、被写***置ａの前方被写界深度ａ２と被写***置ｂの後方被写界深度ｂ１との間に間隔ｉが発生している。従って、この場合、撮像装置側から見ると、この間隔ｉの部分に存在する被写体については、合焦できない領域になる。従って、このような構成になると、精度の良い合焦が困難になる。

図２（１）および（２）から、測距精度が高い条件を設定するには以下の式を満たす必要がある。
ａ２＋ｂ１≧Ｌａ−Ｌｂ
前記パッシブ型測距装置の測定手段が、撮像装置の全ズーム領域において、この条件を満足するように構成されていればよい。ここで、ｆｉｔは撮像装置の最大焦点距離、δを撮像装置の許容錯乱円、Ｆｎｏｔを撮像装置のｆｉｔにおけるFナンバーとすると、上記式は、以下のように展開される。
ａ２＝（δ・Ｆｎｏｔ・Ｌａ^２）／（ｆｉｔ^２＋δ・Ｆｎｏｔ・Ｌａ）
ｂ１＝（δ・Ｆｎｏｔ・Ｌｂ^２）／（ｆｉｔ^２−δ・Ｆｎｏｔ・Ｌｂ）
Ｌａ＝（ｆｓ・ｌｓ）／ｄｓ
Ｌｂ＝（ｆｓ・ｌｓ）／２ｄｓ
Ｈを撮像装置の過焦点距離の最大値、すなわち、撮像装置の望遠端で最大値となる過焦点距離とし、上記の式をまとめると、以下の式となる。
Ｈ／２≦（ｆｓ・ｌｓ）／ｄｓ
但し、
Ｈ＝ｆｉｔ^２／（δ・Ｆｎｏt）
式（１）の右辺は、パッシブ型測距装置における測距可能な最大遠距離を示す。従って、この測距可能な最大遠距離が、撮像装置の過焦点距離の最大値の１／２以上になるようにすれば、撮像装置側の全ズーム領域で高い測距精度を維持することができる。図３は、式（１）の条件を満たす状態、すなわち、本発明にかかるパッシブ型測距装置の測距精度を示す概念図である。図３（１）は、図２（１）で示した通り、被写***置ａと被写***置ｂとの間の範囲内で、被写***置aの前方被写界深度a２と被写***置ｂの後方被写界深度ｂ１とが、間隔なく連続している状態を示している。このとき、過焦点距離の１／２は、被写***置ａの位置になる。式（１）は、撮像装置の過焦点距離の最大値の１／２が、前記パッシブ型測距装置で測距可能な最大遠距離以下であればよいので、図３（２）のような状態であってもよい。すなわち、被写***置ａと被写***置ｂとの間の範囲内で、被写***置aの前方被写界深度a２の一部と被写***置ｂの後方被写界深度ｂ１の一部とが、重なる状態であってもよい。なお、許容錯乱円δは、撮像装置のピッチの２倍とする。

ところで、パッシブ型測距装置の基線長、焦点距離が小さくなると、測距精度が低下し、Ｆナンバーの明るさを確保することが困難になる。また、パッシブ型測距装置のパワーが強くなり、光学性能を出すことが困難になる。一方、パッシブ型測距装置の基線長や焦点距離が大きくなると、Ｆナンバーの明るさを確保しようとする場合に、装置自体が大型化するという問題が生じる。そこで、本発明にかかる測距装置を実際に撮像装置に取り付けて使用する場合には、許容範囲として下記の条件式を満たすことが好ましい。

式（１）では、数値範囲が１を超えたところで、図２（２）で示したような間隔が空くが、２．５までであれば、撮像装置の合焦に支障はない範囲である。

より高精度な自動焦点調節機能を実現するためには、移動する被写体に対して常にピントが合い続ける必要がある。この移動する被写体の追従性能を上げるには、センサＳ１、Ｓ２が備える被写体距離を演算する演算処理回路により、短い時間で測距演算の回数を増やす必要がある。そのためには短い時間で規定の光量をセンサＳ１、Ｓ２に取り込む必要がある。そこで、パッシブ型測距装置のＦナンバーを明るくすることで、センサＳ１、Ｓ２に短い時間で規定の光量を取り込むことが可能になる。追従性能に関しては撮像装置のＦナンバーも関連している。撮像装置のＦナンバーが暗いと被写界深度が深くなることで、パッシブ型測距装置における移動被写体の追従が容易になる。逆に撮像装置のＦナンバーが明るいと、被写界深度が浅くなることでパッシブ型測距装置による移動する被写体の追従が困難になる。以上より、パッシブ型測距装置の受光量に関して、以下の条件式を満たすことが好ましい。

但し、Ｆｎｏｓｌ：前記パッシブ型測距装置の基線長に直交方向のＦナンバー
Ｆｎｏｓｗ：前記パッシブ型測距装置の基線長方向のＦナンバー
式（２）の上限を超えると、パッシブ型測距装置のＦナンバーが明るくなり、装置全体が大型化する。また、式（２）の下限を下回ると、パッシブ型測距装置のＦナンバーが暗くなり、撮像装置のＦナンバーが明るくなり、追従性能が悪化する。

パッシブ型測距装置の焦点距離は固定なため、画界は常に一定である。これに対して、撮像装置はズームにより画界が変化する。撮像装置の画界よりパッシブ型測距装置の画界が大きいと、撮影者が本来測距したい被写体以外の物体を測距してしまい不都合である。逆に、撮像装置の画界よりパッシブ型測距装置の画界が小さ過ぎると、測距する領域が小さくなり、撮影者が狙った被写体を捉えることが難しくなる。よって、撮像装置の画界に対してパッシブ型測距装置の画界を適切に設定する必要がある。そこで、パッシブ型測距装置と撮像装置の画界に関して以下の条件式を満たすことが好ましい。

パッシブ型測距装置の焦点距離が大きくなると条件式（３）の上限を超え、Ｆナンバーの明るさを確保しようとするとパッシブ型測距装置が大型化してしまう。パッシブ型測距装置の焦点距離が小さくなると条件式（３）の下限を超え、撮像装置の画界よりパッシブ型測距装置の画界が大きくなる。その結果、撮影者が本来測距したい被写体以外の物体を測距してしまう。また、パッシブ型測距装置の焦点距離が小さくなることで、測距精度が低下してしまう。更に、パッシブ型測距装置のパワーが強くなることで、光学性能を出すのが困難になる。

色収差が大きいとセンサＳ１，Ｓ２上で波長による結像位置のズレが発生し、被写体がぼやけて結像される。そのため、被写体を結像させる分解能が低下し、空間周波数の高い被写体を測距するのが困難になる。そこで、パッシブ型測距装置の色収差に関して以下の条件式を満たすことが好ましい。

但し、ｆｓｉ：パッシブ型測距装置を構成する各レンズの焦点距離
νｓｉ：パッシブ型測距装置を構成する各レンズのアッベ数
パッシブ型測距装置において色収差が十分に補正されないと条件式（４）の上限を超え、空間周波数の高い被写体を測距するのが困難になる。
（実施例）

次にパッシブ型測距装置の具体的な実施例を示す。いずれの実施例も、パッシブ型測距装置の構成は、被写体側から順にレンズＬと、絞りＰ、センサのカバーガラスを介して、センサＳとなっている。収差図中にて、軸上色収差図及び倍率色収差図中のｅ線、ｇ線はそれぞれの波長５４６ｎｍ、４３６ｎｍに対する収差である。△Ｓはサジタル、△Ｍはメリディオナルである。また、図中のＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角（°）を示す。表中のｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、ｎｄは波長５４６ｎｍにおける屈折率、νｄはアッベ数、*は非球面を示す。非球面は次式で定義される。

但し、ｃは曲率(1/r)、ｙは光軸からの高さ、ｋは円錐係数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０・・・は各次数の非球面係数である。

また、本実施例で使用した撮像装置のズームレンズは、以下の３通りである。
[ズームレンズ１]
撮像装置の最大焦点距離（ｆｉｔ) １００ｍｍ
撮像装置のｆｉｔにおけるＦナンバー（Ｆｎｏｔ） ４
撮像装置の許容錯乱円(δ) ０．０１ｍｍ
測距装置のセンサＳの変位量の最小分解能（ｄｓ) ９．３８×１０^−５ｍｍ
[ズームレンズ２]
撮像装置の最大焦点距離(ｆｉｔ) ３２２ｍｍ
撮像装置のｆｉｔにおけるＦナンバー（Ｆｎｏｔ) ５．２
撮像装置の許容錯乱円（δ) ０．０１ｍｍ
測距装置のセンサＳの変位量の最小分解能（ｄｓ) ９．３８×１０^−５ｍｍ
[ズームレンズ３]
撮像装置の最大焦点距離（ｆｉｔ) １４００ｍｍ
撮像装置のｆｉｔにおけるFナンバー（Ｆｎｏｔ) １２
撮像装置の許容錯乱円（δ） ０．０１ｍｍ
測距装置のセンサＳの変位量の最小分解能（ｄｓ) ５．８６×１０^−６ｍｍ

（第１実施例）
図４は第１実施例にかかるパッシブ型測距装置の構成図、図５は基線長に直交方向の諸収差、図６は基線長方向の諸収差、表１はセンサＳに関する光学系の数値データである。第１実施例は被写体側から順に正レンズ、負レンズ、正レンズの３枚構成である。表２は、前記ズームレンズ１〜３について、各々条件式（１）〜（４）に対応する値を示した。

（第２実施例）
図７は第２実施例にかかるパッシブ型測距装置の構成図、図８は基線長に垂直方向の諸収差、図９は基線長に水平方向の諸収差、表３はセンサＳに関する光学系の数値データである。第２実施例は被写体側から順に正レンズ、負レンズの２枚構成である。表４は、前記ズームレンズ１〜３について、各々条件式（１）〜（４）に対応する値を示した。

（第３実施例）
図１０は第３実施例にかかるパッシブ型測距装置の構成図、図１１は基線長に垂直方向の諸収差、図１２は基線長に水平方向の諸収差、表５はセンサＳに関する光学系の数値データである。第３実施例は正レンズの１枚構成である。表６は、前記ズームレンズ１〜３について、各々条件式（１）〜（４）に対応する値を示した。

表２、表４及び表６からも明らかなように、実施例１から実施例３における前記ズームレンズ１〜３の数値は、いずれも条件式を満足している。

なお、前記測距装置は、この測距装置による被写体までの距離の算出結果に基づいて自動焦点調節を行うズームレンズとともに、レンズシステムを構成してもよく、また、このレンズシステムを備えた撮像装置を構成するものであってもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Ｇ１、Ｇ２ レンズ
Ｓ１、Ｓ２ センサ
Ｘ１、Ｘ２ 光軸
Ｍ 主点位置
ｌｓ 基線長
ｆｓ 焦点距離
ｄｓ センサの変位量の最小分解能

Claims (7)

1. 撮像装置によって撮像される被写体までの距離を三角測距の原理によって測定する測距装置であって、
   前記被写体までの距離の測距可能な最大遠距離が、前記撮像装置の過焦点距離の最大値の１／２以上とする測定手段を有することを特徴とする測距装置。
2. 前記測定手段は、一対のレンズと前記一対のレンズによって前記被写体の像が結像される一対のセンサとを有し、
   前記撮像装置の過焦点距離の最大値をＨ、前記一対のレンズの焦点距離をｆｓ、前記一対のレンズの光軸の間の距離で定義される基線長をｌｓ、前記センサの変位量の最小分解能をｄｓとするとき、
   

   

   但し、Ｈ＝ｆｉｔ^２／（δ・Ｆｎｏｔ）
   ｆｉｔ：撮像装置の最大焦点距離
   δ：撮像装置の許容錯乱円
   Ｆｎｏｔ：撮像装置のｆｉｔにおけるＦナンバー
   なる条件を満足することを特徴とする請求項1記載の測距装置。
3. 前記基線長に直交方向のＦナンバーをＦｎｏｓｌとし、前記基線長方向のＦナンバーをＦｎｏｓｗとしたとき、
   

   

   
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項２記載の測距装置。
4. 前記レンズの焦点距離をｆｓとし、前記撮像装置の最大焦点距離をｆｉｔとするとき、
   

   

   なる条件式を満足することを特徴とする請求項２または請求項３記載の測距装置。
5. 前記測距装置を構成する各レンズの焦点距離をｆｓｉとし、前記測距装置を構成する各レンズの各アッベ数をνｓｉとしたとき、
   

   

   なる条件式を満足することを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の測距装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の測距装置と、前記測距装置による被写体までの距離の算出結果に基づいて自動焦点調節を行うズームレンズと、を備えたことを特徴とするレンズシステム。
7. 請求項６記載のレンズシステムを備えたことを特徴とする撮像装置。

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