JP2018189661A - 自動焦点装置、レンズ装置及び自動焦点方法 - Google Patents

自動焦点装置、レンズ装置及び自動焦点方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ズーム倍率や被写体距離の変化に対応して、撮影している被写体に補助光を照射することができ、且つ自動焦点光学系への影響を減らして補助光を照射することができる自動焦点装置、レンズ装置及び自動焦点方法を提供する。【解決手段】赤外ダイクロイックミラー26により、撮影レンズ14に入射した被写体光を撮像部16に導く光路上から、自動焦点用被写体光を分岐する。自動焦点用被写体光を遮光板42に配置した瞳分割レンズ41により瞳分割する。瞳分割レンズ41を経た自動焦点用被写体光をフォーカスセンサ43で撮像し、瞳情報として取得する。焦点制御部32により瞳情報に基づいて撮影レンズ14の焦点を合焦位置に制御する。遮光板42に配された補助光源33により、撮影レンズ14を介して被写体に自動焦点用補助光を照射する。【選択図】図1

Description

本発明は、自動焦点装置、レンズ装置及び自動焦点方法に関する。
近年、カメラ、例えばテレビカメラ用の撮像システムには、撮像素子の高画素化、及び表示機器の大型化に伴い、より高精細な映像が求められる。特に、焦点合わせにおいては、カメラに搭載されるビューファインダの制約から、求められる高精細映像を実現するのが非常に困難になっている。そこで、高精度で迅速に自動焦点(AF:autofocusオートフォーカス)ができることが要望されている。
自動焦点を高精度に行う方式の一つとして、位相差方式がある。例えば、特許文献1では、光軸に対し偏心させた対の絞りとレンズを用いて瞳分割を行い、1次結像光学系による位相差方式により焦点位置を検出している。
また、可視光映像信号による合焦が困難な場合に、赤外光放射手段を動作させて被写体を照明し、赤外光映像信号により合焦動作を行うビデオカメラが提案されている(特許文献2)。更に、撮影レンズを通して自動焦点用補助光を被写体に向けて照射するTTL(through the lens)カメラが提案されている(特許文献3)。
特開2011−102952号公報 特開平10−13730号公報 特開平11−167137号公報
特許文献1に記載のように、撮影レンズに入射する光を利用する自動焦点装置では、暗い被写体では焦点が合わなかったり、合焦精度が低下したりする。このため、特許文献2のように、撮影レンズの外部から補助光を発光することが行われている。しかし、単に補助光を撮影レンズの外部から照射しても、視差やズーム倍率の変化によって被写体に対し最適な位置に補助光を照射することができない。また、特許文献3に記載のように、撮影レンズを介して補助光を被写体に向けて照射する場合には、補助光の照射用光学系と、自動焦点用の入射用光学系が別途必要になる。このため、それぞれの光学系を必要として構成がその分だけ複雑になってしまう。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、ズーム倍率や被写体距離の変化に対応して、撮影している被写体に補助光を照射することができ、且つ自動焦点光学系への影響を減らして補助光を照射することができる自動焦点装置、レンズ装置及び自動焦点方法を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明の自動焦点装置は、自動焦点用被写体光分岐部、自動焦点用撮像部、焦点制御部、及び補助光源を備える。自動焦点用被写体光分岐部は、撮影レンズに入射した被写体光を映像用撮像素子に導く光路上から、可視光領域と異なる所定波長領域の自動焦点用被写体光を光路と異なる光路に分岐する。自動焦点用撮像部は、自動焦点用被写体光分岐部により分岐された自動焦点用被写体光を遮光領域により瞳分割し、瞳分割を経た自動焦点用被写体光を撮像し、得られる被写体の画像情報を瞳情報として取得する。焦点制御部は、自動焦点用撮像部により取得された瞳情報に基づいて撮影レンズの焦点を合焦位置に制御する。補助光源は、遮光領域に配され、自動焦点用被写体光分岐部及び撮影レンズを介して被写体に自動焦点用補助光を照射する。
補助光源は、自動焦点用被写体光の光軸に直交する方向に離間して配される第1補助光源及び第2補助光源を有することが好ましい。そして、第1補助光源及び第2補助光源を交互に発光させ、自動焦点用補助光による反射の影響が少ない瞳情報を取得する。
第1補助光源及び第2補助光源は、自動焦点用補助光の焦点位置をずらして照射することが好ましい。また、補助光源は、照明光による照射画角が変更可能な照明光学系を有することが好ましい。
自動焦点用撮像部は、補助光源で照明された照射画角領域から瞳情報を取得することが好ましい。
撮影レンズは可変絞りを有し、自動焦点用補助光が可変絞りでけられることなく通過する位置に補助光源が配置されることが好ましい。また、自動焦点用補助光が可変絞りの変化によりけられる状態では補助光源を消灯することが好ましい。更に、補助光源が点灯している状態では自動焦点用補助光をけることがない絞りに可変絞りが制御されることが好ましい。
本発明のレンズ装置は、上記の自動焦点装置を有する。本発明の自動焦点方法では、光路分岐ステップ、瞳情報取得ステップ、焦点制御ステップ、及び補助光照射ステップを有する。では、自動焦点用被写体光分岐部により、撮影レンズに入射した被写体光を映像用撮像素子に導く光路上から、可視光領域と異なる所定波長領域の自動焦点用被写体光を光路と異なる光路に分岐する。瞳情報取得ステップでは、自動焦点用撮像部により、自動焦点用被写体光分岐部により分岐された自動焦点用被写体光を遮光領域により瞳分割し、瞳分割を経た自動焦点用被写体光を撮像し、得られる被写体の画像情報を瞳情報として取得する。焦点制御ステップでは、自動焦点用撮像部により取得された瞳情報に基づいて撮影レンズの合焦位置を求め、合焦位置となるように焦点を制御する。補助光照射ステップでは、合焦位置が求まらない場合に、遮光領域に配される自動焦点用補助光源により、自動焦点用被写体光分岐部及び撮影レンズを介して被写体に自動焦点用補助光を照射する。
本発明によればズーム倍率や被写体距離の変化に対応して、撮影している被写体に補助光を照射することができ、且つ自動焦点光学系への影響を減らして補助光を照射することができる自動焦点装置、レンズ装置及び自動焦点方法を提供することができる。
本発明の自動焦点装置及びレンズ装置を有するテレビカメラを示す概略図である。 第1実施形態の瞳分割レンズ及び補助光源を有する遮光板を示す平面図である。 第2実施形態の瞳分割レンズ及び補助光源を有する遮光板を示す平面図である。 補助光による撮影レンズ内での反射等による戻り光の瞳分割レンズへの影響を説明する概略図である。 結像位置が異なる第1補助光源及び第2補助光源を有する第3実施形態を説明する概略図である。 光軸方向にシフトする照明レンズを有する補助光源を備えた第4実施形態を説明する概略図である。 可変絞りの開口を制御して補助光のけられを無くす第5実施形態を説明する概略図である。 補助光源が遮光板の中央にない場合の変形例1を示す概略図である。 補助光源が遮光板の中央にない場合の変形例2を示す概略図である。 補助光のスポット径に対応する照射画角領域の画素から瞳情報を得る変形例3を示す概略図である。
[第1実施形態]
図1は、テレビカメラ11の概略構成を示している。テレビカメラ11は、レンズ装置12とカメラ本体13とから構成されている。レンズ装置12はカメラ本体13に着脱可能に取り付けられ、レンズ装置12の交換が可能になっている。
レンズ装置12は、撮影レンズ14及び制御部15を有する。撮影レンズ14は、例えば被写体側から固定フォーカスレンズ21、移動可能な移動フォーカスレンズ22、変倍系と補正系とからなるズームレンズ23、可変絞り(アイリス)24、前側リレーレンズ25、自動焦点用被写体光分岐部としての赤外ダイクロイックミラー26、及び、後側リレーレンズ27を有する。なお、図中の各レンズの構成は簡略化しており、複数のレンズから成るレンズ群を1つのレンズで示したものもある。
制御部15は、移動フォーカスレンズ22、ズームレンズ23や可変絞り24を制御する。撮影レンズ14は、カメラ本体13の撮像部16に映像用(記録/再生用)の被写体像を結像する。また、赤外ダイクロイックミラー26により、被写体像を自動焦点用撮像部31に向けて分岐する。
カメラ本体13は、撮像部16及び画像処理部17を有する。撮像部16は、レンズ装置12により結像された被写体像を電気信号に変換する。撮像部16は、色分解光学系16a、映像用撮像素子16b〜16dを有する。色分解光学系16aは、被写体像を赤色光、緑色光、青色光の3色に分解する。映像用撮像素子16b〜16dは例えばCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型等の固体撮像素子から構成されており、三色画像を電気信号に変換する。画像処理部17は、映像用撮像素子16b〜16dから出力された信号に所定の処理を施し、記録/再生用の所定方式の映像信号を生成する。これによって記録/再生用のカラー映像が撮像部16により撮影される。
赤外ダイクロイックミラー26は、リレー光学系を構成する前側リレーレンズ25と後側リレーレンズ27との間で、光軸O1に対して略45度に傾斜して配置されている。赤外ダイクロイックミラー26は、被写体光の可視波長域のうち赤外域近くの波長域を反射し、それ以外の被写体光を透過する。これにより、カメラ本体13の撮像部16に導かれる映像用被写体光から、自動焦点用被写体光が分岐される。自動焦点用被写体光の光軸O2は、映像用光学系の光軸O1と略直交して、瞳分割による位相差方式の自動焦点装置30に導かれる。この赤外ダイクロイックミラー26により、光路分岐ステップが処理される。
自動焦点装置30は、赤外ダイクロイックミラー26、自動焦点用撮像部31、焦点制御部32、及び補助光源33を備える。
自動焦点用撮像部31は、瞳分割レンズ41と遮光板42と撮像素子としてのフォーカスセンサ43とを備えている。自動焦点用撮像部31は、瞳分割レンズ41を通過した自動焦点用被写体光をフォーカスセンサ43で撮像し、この撮像データを瞳情報として焦点制御部32に送る。
焦点制御部32は、焦点位置算出部45を有する。焦点位置算出部45は、瞳情報に基づき焦点のずれ(デフォーカス量)を検出する。焦点制御部32は、デフォーカス量を「0」とするように、移動フォーカスレンズ22を移動する。これにより、自動焦点制御が行われる。瞳分割による位相差方式のデフォーカス量の算出、及びこれに基づく焦点制御は周知であり、詳細な説明は省略する。自動焦点用撮像部31及び焦点位置算出部45により、瞳情報取得ステップが処理される。また、焦点制御部32により焦点制御ステップが処理される。
補助光源33は、瞳分割による遮光領域、本実施形態では、遮光板42による遮光領域に配されている。この補助光源33により補助光照射ステップが処理される。図2に示すように、補助光源33は、2つの瞳分割レンズ41の間で遮光板42の中央に配されている。補助光源33は赤外LED(light emitting diode)から構成されている。この補助光源33は、例えば700〜1500nm程度までの近赤外線を発光し、自動焦点用補助光として用いられる。なお、一般的に可視光とは、概ね400nmから750nm程度の波長域の光をいい、赤外光とは、750nmから2.5μmまでを近赤外、2.5μmから50μmまでを中赤外、50μm以上を遠赤外と定義されている。本実施形態にいう「赤外域近くの波長域」とは、上記の可視波長域のうち、650nm〜750nmの間に含まれる波長域が好ましく用いられる。
自動焦点用補助光は、赤外ダイクロイックミラー26及び撮影レンズ14を介して被写体に照射される。自動焦点用補助光は、被写体が暗く焦点制御部32で合焦位置が算出不可能なときに点灯される。また、合焦位置が算出不可能なときに点灯する代わりに、常時点灯してもよい。
本実施形態では、瞳分割レンズ41の間で、遮光板42の中央に補助光源33が配されているので、受光する自動焦点用被写体光を阻害することなく、補助光を照射することができる。しかも、赤外ダイクロイックミラー26及び撮影レンズ14を介して補助光を被写体に照射することができ、撮影レンズ14のズーム倍率や被写体距離によることなく、常に撮影している被写体に対し補助光を照射することができる。このように、撮影する被写体に対し補助光の視差がないため、被写体距離の影響を受けることがない。また、撮影レンズ14のズーム光学系を通して補助光を照射するため、撮影している画角と同一画角で補助光を照射することができる。従って、ズーム倍率や被写体距離が変化しても暗い被写体に対し焦点を合わせることができる。
[第2実施形態]
図3に示す第2実施形態では、遮光板50に4個の瞳分割レンズ51と、2個の補助光源52を設けている。瞳分割レンズ51は、遮光板50に対し、同心円上で円周方向に90°ピッチで4個配されている。2個の補助光源52は、4個の瞳分割レンズ51を2個に分ける対称線方向に離間して配されている。2個の補助光源52は補助光線の結像位置が同じである同一補助光源が用いられる。暗い被写体の撮影の際に、焦点位置算出部45によって、2個の補助光源52が交互に発光される。焦点位置算出部45は、交互に発光させた補助光のうち、補助光による反射等による戻り光の影響が少ない瞳情報が得られる瞳分割レンズ51から瞳情報を取得する。なお、以下の各実施形態や変形例において、第1実施形態と同一構成部材には同一符号を付して重複した説明を省略している。
図4に示すように、補助光による撮影レンズ14内での反射等による戻り光54は、補助光源52と瞳分割レンズ51との位置に応じて、変化する。そこで、予め実機における実験や設計時のシミュレーションにより、補助光源52と瞳分割レンズ51とを対応付けておく。先ず、2個の補助光源52を交互に点灯したときに、それぞれの補助光源52による戻り光54の影響が少ない方の瞳分割レンズ51を決定する。次に、決定した瞳分割レンズ51とそのとき点灯した補助光源52とを対応付ける。被写体が暗い場合には、2個の補助光源52を交互に発光させ、一方の補助光源52を発光させたときに、対応付けされたグループの瞳分割レンズ51からの瞳情報を採用する。また、他方の補助光源52を点灯させたときには同じく対応付けされたグループの瞳分割レンズ51からの瞳情報を採用する。このようにして、補助光源33からの戻り光54による影響が小さい瞳情報を得ることができる。
なお、第2実施形態では4個の瞳分割レンズ51と2個の補助光源52との例で説明したが、瞳分割レンズ51及び補助光源52は複数あればよく、上記と同様にして補助光源52による戻り光54の影響を少なくすることができる。また、第2実施形態以降の説明では、個々のレンズやミラーの図示を省略し、一つの撮影レンズ14として図示を簡略化している。
本実施形態では、複数の補助光源52を設けて、補助光の反射等による戻り光54の影響が小さい瞳情報を利用することができる。従って、暗い被写体の撮影時の合焦をより一層精度良く行うことができる。
[第3実施形態]
図5に示すように、第3実施形態では、第1補助光源61と第2補助光源62の補助光による被写体側の結像位置(焦点位置)をずらして照射する。例えば、一方は他方に対し相対的に被写体側の結像位置が近くなるように、両者で結像位置を変えている。これにより、第1補助光源61からの補助光は実線で示すようになり、第2補助光源62からの補助光は破線で示すようになる。これら二つの補助光源61,62は同時に点灯される。撮影レンズ14のフォーカス位置によって、二つの補助光源61,62による照射状態は変化する。しかし、二つの補助光源61,62を発光させることにより、結像位置が近距離から遠距離のフォーカス位置で画面中心部分の光強度が極端に落ちることがないように二つの補助光を組み合わせて用いることができる。第3実施形態によれば、フォーカス位置によって中心部分の補助光源の照射強度の低下を改善することができる。
[第4実施形態]
図6に示すように、第4実施形態では、光源本体66と光軸方向にシフトする照明レンズ65とを有する補助光源67を備えている。照明レンズ65は、単体レンズの場合には照明レンズ65そのものが、複数レンズの場合には可動レンズが光軸方向にシフトする。これにより、補助光の被写体への照射範囲である照射画角が変更され、補助光のスポットの大きさが変更可能になる。従って、補助光を暗い被写体に対して適切に照射することができる。
[第5実施形態]
図7に示すように、第5実施形態では、可変絞り24による補助光70のけられを無くすように、可変絞り24の開口24aを制御している。第1実施形態と同様に、補助光源33が遮光板42の中心に配置されて、可変絞り24に補助光70が並行光として入射する場合を示している。(A)は可変絞り24に入射する補助光70の光束径が開口24aの直径より小さい場合であり、(B)は補助光70の光束径が開口24aの直径と同じ場合であり、(C)は補助光70の光束径が開口24aの直径よりも大きい場合である。
(A)、(B)の場合は、可変絞り24による補助光70のけられは無いが、(C)の場合は補助光70が可変絞り24によりけられる。このため、補助光70の一部が戻り光となって、自動焦点用撮像部31(図1参照)に入り、自動焦点の精度が低下する。これを防止するため、第5実施形態では、補助光源33が点灯している場合には、可変絞り24による補助光70のけられがない範囲に開口24aを開く。すなわち補助光70が可変絞り24でけられることがない開口24aの直径を最小絞りとして、可変絞り24を制御する。
けられが発生するか否かは、可変絞り24の開口24aの直径が図7(C)の状態にあるか否かで決定する。具体的には、実機における実験や、設計段階におけるシミュレーションにより、けられが発生する可変絞り24の最小絞りを決めておき、この状態になったときに、けられが発生すると判定する。本実施形態の場合は、可変絞り24でけられた戻り光がフォーカスセンサ43(図1参照)に入射することによる自動焦点の精度の低下を防止することができる。なお、けられが発生する場合に補助光70の光束を絞り、最小絞り時にけられなくしたり、補助光源33を消灯したりしてもよい。
また、可変絞り24を制御する場合に、フォーカスセンサ43で被写体のコントラストを検出し、コントラストが高くなる絞り位置に制御してもよい。この場合には、可変絞り24による補助光70のけられによる反射光で発生するフレアによるコントラスト低下と、可変絞り24による明るさの最適化でのコントラスト向上との効果を最適化することができる。
[変形例1]
図8は、補助光源75が遮光板50の中央にない場合の変形例を示している。補助光源75は、照明レンズ76を照明光軸に対して交差方向にシフト又は傾斜させる変位機構(図示省略)を有している。変位機構によって補助光78の照射方向や範囲を変更することができる。従って、補助光78の照射方向や範囲を変更することにより、補助光78を暗い被写体に対して適切に照射することができる。
[変形例2]
図9は、変形例1の照明レンズ76を変位機構77でシフト又は傾斜させる代わりに、遮光部80を設けて、被写体の照射に不要な補助光81を遮光する。遮光部80は固定式であっても、又は遮光領域が変更可能な可動式であってもよい。変形例2の場合には、補助光源82による補助光81の照射方向が厳密でなくとも、被写体に補助光81を照射することができる。また、不要な反射によるフォーカス検出への影響を軽減することができる。
[変形例3]
図10は、上記実施形態において、補助光のスポット径を変更する場合の変形例3を示している。変形例3では、瞳分解レンズにおける受光領域85において、補助光のスポット径に対応する照射画角領域86(受光領域85よりも面積が小さい)の画素から瞳情報を得ている。この場合には、照射画角領域86の面積が小さい分だけ瞳情報の対象画素数を減らすことができ、焦点位置算出部45における高速化や低電力化を図ることができる。
なお、上記各実施形態では、遮光板50に補助光源52を設けているが、瞳分割による遮光領域内に配置されていれば良く、遮光板50以外の位置に設けてもよい。また、上記実施形態では、遮光板50に複数の瞳分割レンズ51を設けているが、遮光板50は瞳分割レンズ51毎に分割して設けてもよい。また、フォーカスセンサ43も瞳分割レンズ51の分割数や配置状態に応じて、瞳分割レンズ毎や瞳分割グループ毎に設けてもよい。
本発明は、上記実施形態や変形例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、上記実施形態や変形例を適宜組み合わせることも可能である。
11 テレビカメラ
12 レンズ装置
13 カメラ本体
14 撮影レンズ
24 可変絞り
24a開口
26 赤外ダイクロイックミラー
30 自動焦点装置
31 自動焦点用撮像部
32 焦点制御部
33,52,61,62,67,75,82 補助光源
41,51, 瞳分割レンズ
42,50 遮光板
43 フォーカスセンサ
45 焦点位置算出部
54 戻り光
65 照明レンズ
66 光源本体
70,78,81 補助光
76 照明レンズ
77 変位機構
78 補助光
80 遮光部
O1 光軸
O2 光軸

Claims (10)

  1. 撮影レンズに入射した被写体光を映像用撮像素子に導く光路上から、可視光領域と異なる所定波長領域の自動焦点用被写体光を前記光路と異なる光路に分岐する自動焦点用被写体光分岐部と、
    前記自動焦点用被写体光分岐部により分岐された自動焦点用被写体光を遮光領域により瞳分割し、前記瞳分割を経た自動焦点用被写体光を撮像し、得られる被写体の画像情報を瞳情報として取得する自動焦点用撮像部と、
    前記自動焦点用撮像部により取得された瞳情報に基づいて前記撮影レンズの焦点を合焦位置に制御する焦点制御部と、
    前記遮光領域に配され、前記自動焦点用被写体光分岐部及び前記撮影レンズを介して被写体に自動焦点用補助光を照射する補助光源とを
    を備える自動焦点装置。
  2. 前記補助光源は、前記自動焦点用被写体光の光軸に直交する方向に離間して配される第1補助光源及び第2補助光源を有し、前記第1補助光源及び第2補助光源を交互に発光させて前記自動焦点用補助光による反射の影響が少ない瞳情報を取得する請求項1記載の自動焦点装置。
  3. 前記補助光源は、前記自動焦点用被写体光の光軸に直交する方向に離間して配される第1補助光源及び第2補助光源を有し、前記第1補助光源及び前記第2補助光源からの前記自動焦点用補助光の焦点位置をずらして照射する請求項1又は2記載の自動焦点装置。
  4. 前記補助光源は、照明光による照射画角が変更可能な照明光学系を有する請求項1から3いずれか1項記載の自動焦点装置。
  5. 前記自動焦点用撮像部は、前記補助光源で照明された照射画角領域から前記瞳情報を取得する請求項1から4いずれか1項記載の自動焦点装置。
  6. 前記撮影レンズは可変絞りを有し、前記自動焦点用補助光が前記可変絞りでけられることなく通過する位置に前記補助光源が配置される請求項1から5いずれか1項記載の自動焦点装置。
  7. 前記撮影レンズは可変絞りを有し、前記自動焦点用補助光が前記可変絞りの変化によりけられる状態では補助光源を消灯する請求項1から6いずれか1項記載の自動焦点装置。
  8. 前記撮影レンズは可変絞りを有し、前記補助光源が点灯している状態では前記自動焦点用補助光をけることがない絞りに制御される請求項1から6いずれか1項記載の自動焦点装置。
  9. 請求項1から8いずれか1項記載の自動焦点装置を有するレンズ装置。
  10. 自動焦点用被写体光分岐部により、撮影レンズに入射した被写体光を映像用撮像素子に導く光路上から、可視光領域と異なる所定波長領域の自動焦点用被写体光を前記光路と異なる光路に分岐するステップと、
    自動焦点用撮像部により、前記自動焦点用被写体光分岐部により分岐された自動焦点用被写体光を遮光領域により瞳分割し、前記瞳分割を経た自動焦点用被写体光を撮像し、得られる被写体の画像情報を瞳情報として取得するステップと、
    前記自動焦点用撮像部により取得された瞳情報に基づいて前記撮影レンズの合焦位置を求め、前記合焦位置となるように焦点を制御するステップと、
    前記合焦位置が求まらない場合に、前記遮光領域に配される自動焦点用補助光源により、前記自動焦点用被写体光分岐部及び前記撮影レンズを介して被写体に自動焦点用補助光を照射するステップと
    を有する自動焦点方法。
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