JP2022170573A - 光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射光学系を用いた場合にリングボケを低減することが可能な光学系を提供する。【解決手段】光学系は、反射光学系（６０１Ｂ、６０１Ｃ）と、光軸（ＯＡ）を中心として回転対称な透過率分布層または反射率分布層を含む光学調整層（４０１）とを有し、光学調整層（４０１）は、光軸（ＯＡ）とは異なる位置で透過率または反射率の極大値（Ｔｍａｘ、Ｒｍａｘ）を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光学系および撮像装置に関する。

特許文献１には、反射部材（反射ミラー）を用いて光を内面反射させることで、小型で長焦点距離を実現し、高倍率の撮像を行うことが可能な光学系が開示されている。特許文献２には、光軸中心での透過率が最大で、周辺部ほど透過率を低下することでボケの形状を滑らかにするアポタイゼーションフィルタが開示されている。

特開２００４－８５７２５号公報 特開２０００―４７０８５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された光学系では、光軸中心を透過する光が存在しないため、ぼけの形状がリング状になるリングボケが発生する。リングボケは撮影画像の画質を低下させるため、リングボケの低減が反射光学系を用いた結像光学系における課題となる。このようなリングボケは、特許文献２に開示されたアポタイゼーションフィルタで低減することはできない。

そこで本発明は、反射光学系を用いた場合にリングボケを低減することが可能な光学系および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学系は、反射光学系と、光軸を中心として回転対称な透過率分布層または反射率分布層を含む光学調整層とを有し、前記光学調整層は、前記光軸とは異なる位置で透過率または反射率の極大値を有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、反射光学系を用いた場合にリングボケを低減することが可能な光学系および撮像装置を提供することができる。

本実施形態における撮像装置の構成図である。 本実施形態における反射光学系の構成図である。 一般的なボケと本実施形態のリングボケとの比較図である。 本実施形態における光学調整層の一例である。 本実施形態における光学調整層の透過率分布の一例である。 本実施形態における光学調整層の反射率分布の一例である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施形態における撮像装置１０および比較例としての撮像装置２０について説明する。図１（ａ）は本実施形態における撮像装置１０の構成図であり、撮像装置１０は反射光学系を有するレンズ装置（交換レンズ）６００を備えている。図１（ｂ）は比較例としての撮像装置２０の構成図であり、撮像装置２０は通常の（反射光学系を有しない）レンズ装置（交換レンズ）５００を備えている。撮像装置１０、２０はそれぞれ、カメラ本体（レンズ交換式デジタルカメラ本体）１００と、カメラ本体１００に対して着脱可能なレンズ装置６００またはレンズ装置５００とを備えて構成される。なお本実施形態は、カメラ本体１００とレンズ装置とが一体的に構成された撮像装置にも適用可能である。

レンズ装置６００（またはレンズ装置５００）内の各レンズ群（撮像光学系）を透過した光束は、被写体像を受光する撮像素子１０１へ導かれる。撮像素子１０１は、被写体像を電気信号に変換するマトリクス状に配置された画素部により構成される。電気信号に変換された画素情報は、カメラＣＰＵ１０４へ出力される。カメラＣＰＵ１０４は、画像信号や焦点検出信号を得るための各種補正処理や、得られた画像信号をライブビュー画像や記録画像、ＥＶＦ画像へ変換するための処理を行う。なお本実施形態において、これらの処理をカメラＣＰＵ１０４で行うが、これに限定されるものではなく、専用回路で行ってもよい。

操作部材１０５は、カメラ本体１００の撮影モードや撮影条件（Ｆ値、ＩＳＯ、露光時間など）を設定するための各種部材である。記憶媒体１０６はフラッシュメモリであり、撮影した静止画や動画を記録するための媒体である。ファインダ内表示器１０７は、有機ＥＬディスプレイや液晶ディスプレイなどの小型で高精細な表示手段としてのディスプレイ１０８と接眼レンズ１０９とを有する。外部表示器１１０は、裸眼視に適した画面サイズの有機ＥＬディスプレイや液晶ディスプレイが用いられる。カメラ本体１００の設定状態、ライブビュー画像、撮影済み画像等の各種情報は、ファインダ内表示器１０７や外部表示器１１０に表示される。

フォーカルプレンシャッタ１１１は、撮像素子１０１の前面に配置されている。シャッタ駆動部１１２は、例えばモータであり、シャッタの羽根を駆動制御することで、静止画を撮像する際の露光時間を制御する。カメラ側通信端子１１３は、レンズ装置６００（またはレンズ装置５００）を装着するためのカメラマウント部に設けられている。カメラ側通信端子１１３はレンズマウント部に設けられたレンズ側通信端子５０８とともに、カメラＣＰＵ１０４と後述のレンズＣＰＵ５０７との間でやりとりされる情報を送受信する。

本実施形態において、レンズ装置６００（またはレンズ装置５００）はカメラ本体１００に対して着脱可能である。レンズ装置５００は、反射光学系を有する。レンズ装置６００は、焦点距離が可変なズームレンズである。ただし、レンズの種類は問わない。

被写体からの光束は、第１レンズ群６０１（または第１レンズ群５０１）、第２レンズ群５０２（図１（ｂ）のみ）、および第３レンズ群５０３を透過し、カメラ本体１００内の撮像素子１０１の撮像面に被写体像を形成する。第１レンズ群６０１は、反射光学系を有する。なお、詳細な構成については後述する。第２レンズ群５０２は、光軸ＯＡに沿った方向（光軸方向）に進退して変倍を行うバリエータである。第３レンズ群５０３は、光軸方向に進退して焦点調節を行うフォーカスレンズである。第３レンズ群５０３は、ステッピングモータなどを用いたフォーカス駆動部５０４により駆動される。

図１（ｂ）に示されるようにレンズ装置５００にのみ設けられている絞り５０５は、レンズ装置５００に入射する光量を調節するための複数の絞り羽根を備えて構成されている。絞り駆動部５０６は、絞り羽根を所定の撮影Ｆ値になるまで絞り込み駆動する。図１（ａ）の反射光学系では、絞り５０５および絞り駆動部５０６を設置することが困難なため、絞り５０５および絞り駆動部５０６が設けられていない。レンズＣＰＵ５０７は、レンズ側通信端子５０８およびカメラ側通信端子１１３を介してカメラＣＰＵ１０４と通信し、各種情報を送受信するとともに、カメラＣＰＵ１０４からの指令に基づいてフォーカス駆動部５０４や絞り駆動部５０６を駆動制御する。

レンズ装置５００のズームレンジや開放Ｆナンバは撮影意図に応じて設計されるが、反射光学系を有するレンズ装置６００では、開放Ｆナンバはズーム状態やフォーカス状態によらず、一定値となるように構成されている。一方、レンズ装置６００において、射出瞳と撮像面との間の距離、いわゆる射出瞳距離は、フォーカス状態に応じて変化する。

次に、図２を参照して、図１（ａ）に示される第１レンズ群６０１、すなわち反射光学系を有するレンズについて説明する。図２は、反射光学系の概略図である。図２において、左の実線６０４は被写体であり、点線は被写体６０４の一点から出射された光線を示す。被写体６０４から出射された光はレンズ６０１Ａを通って集光し、レンズ６０１Ｂで反射される。さらに、レンズ６０１Ｃで反射、屈折された光はレンズ６０１Ｂを通り、レンズ６０１Ｅを通過し、第３レンズ群（フォーカスレンズ）５０３を通過した後、撮像素子１０１の撮像面に結像する。レンズ６０１Ａは、反射光学系による反射前の光が通過する第１レンズであり、レンズ６０１Ｅは、反射光学系による反射後の光が通過する第２レンズである。

レンズ６０１Ｂ、６０１Ｃは、図２中の光路を逆行させ反射させる反射レンズであり、反射光学系を構成する。レンズ６０１Ｂは第１反射レンズ、レンズ６０１Ｃは第２反射レンズである。レンズ６０１Ｃには、光路とは反対面（被写体面側）に遮光部６０１Ｄが取り付けられる。このように、第１レンズ群６０１の内部において光路を折り返すことで、小型でありながら、撮像面では長焦点距離な画像を取得することができる。

次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、リングボケについて説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、一般的なボケ（通常のボケ）とリングボケとの比較図であり、図３（ａ）は一般的なボケ、図３（ｂ）はリングボケをそれぞれ示す。反射光学系を含む光学系では、光束の受光領域に遮光部６０１Ｄが配置されているため、被写体が撮像素子１０１上に結像しない場合のボケ形状がリング状（リングボケ）となる。図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、通常のボケが一様な点像となっているのに対して、リングボケはボケ中心が遮光されており品位が良好でない。特に、リングボケの品位が良好でない理由は、リングの内側で急激な画質差が出るためである。

本実施形態の目的の一つは、反射光学系を含む光学系（撮像光学系）におけるリングボケを低減することである。このため本実施形態では、光軸ＯＡを中心として回転対称な透過率分布層または反射率分布層を有する光学調整層を用いる。光学調整層は、光軸ＯＡから離れた位置において透過率または反射率の極大値を有することにより、リングボケの内側における急激な画質差を低減することができる。

次に、図４および図５（ａ）、（ｂ）を参照して、光学調整層として透過率分布層を用いた場合について説明する。図４は、光学調整層の一例である。図４に示されるように、光学調整層は、光軸ＯＡを中心として回転対称な透過率分布層４０１である。内側エッジ４０２は、遮光部６０１Ｄに対応する領域であり、内側エッジ４０２よりも内側の領域には光線が通らない。外側エッジ４０３は光束の最大径に相当し、全光束は外側エッジ４０３の内側に含まれる。

図５（ａ）は、光学調整層の透過率分布の一例である。図５（ａ）において、破線は光学調整層がない場合の透過率分布、実線は光学調整層がある場合の透過率分布をそれぞれ示す。また図５（ａ）において、横軸は光束全域で規格化した光軸ＯＡ（光軸中心）からの距離ｒ、縦軸は透過率をそれぞれ示す。図５（ａ）に示されるように、本実施形態における光学調整層の透過率は、光軸ＯＡから離れた位置ｒ１（すなわち、光軸ＯＡとは異なる位置）で極大値Ｔｍａｘを有する（透過率は位置ｒ１で最大となる）。内側エッジ４０２はｒ＝０．２の位置にあり、内側エッジ４０２と外側エッジ４０３との間に透過率の極大値Ｔｍａｘを示す。ここで、内側エッジ４０２の前後における透過率変化はリングボケ内側における画質に関わるため、変化は緩やかであることが望ましい。

図５（ｂ）は、光線の無い内側エッジにおける透過率を０とした光学系全域における透過率分布の一例である。図５（ｂ）において、破線は光学調整層がない場合の透過率分布、実線は光学調整層がある場合の透過率分布をそれぞれ示す。また図５（ｂ）において、横軸は光束全域で規格化した光軸ＯＡ（光軸中心）からの距離ｒ、縦軸は透過率をそれぞれ示す。光学調整層がない場合、透過率は一定であるため、内側エッジ前後における透過率変化が急になる。一方、光学調整層を設けた場合、内側エッジ前後における透過率変化は緩やかになる。光量確保の観点から、内側エッジおける透過率よりも、透過率の極大値および外側エッジにおける透過率が高いことが好ましい。

光学調整層として透過率分布層を用いる場合、光線通過領域が、撮像素子１０１の像高にできるだけ依存しないレンズ群に設けることが好ましい。例えば、透過率分布層は、図２における光学系（第１レンズ群６０１）への最初の入射レンズとなるレンズ６０１Ａ、または、全ての反射が終了した後のレンズ６０１Ｅに設けることが好ましい。

次に、図６を参照して、光学調整層として、光軸ＯＡを中心として回転対称な反射率分布層を用いた場合について説明する。反射分布層は、反射光学系の反射部に設けることが好ましい。図６は、光学調整層として反射率分布層を用いた場合の反射率分布の一例である。図６において、横軸は光束全域で規格化した光軸ＯＡ（光軸中心）からの距離ｒ、縦軸は反射率をそれぞれ示す。図６に示されるように、本実施形態の反射率分布層は、光軸ＯＡから離れた位置ｒ２（すなわち、光軸ＯＡとは異なる位置）で極大値Ｒｍａｘを有する（反射率は位置ｒ２で最大となる）。内側エッジ４０２はｒ＝０．２の位置にあり、内側エッジ４０２と外側エッジ４０３との間において、反射率の極大値を有する。ここで、内側エッジ４０２の前後における反射率の変化はリングボケ内側における画質に関わるため、反射率の変化は緩やかであることが好ましい。光量確保の観点から、内側エッジ４０２おける反射率よりも、反射率の極大値および外側エッジ４０３における反射率が高いことが好ましい。

光学調整層として反射率分布層を用いる場合、反射光学系の反射部に設けることが好ましい。例えば、反射率分布層は、図２におけるレンズ６０１Ｂまたはレンズ６０１Ｃに設けることが好ましい。

以上のように、本実施形態の光学系は、反射光学系（レンズ６０１Ｂ、６０１Ｃ）と、光軸ＯＡを中心として回転対称な透過率分布層または反射率分布層を含む光学調整層とを有する。光学調整層は、光軸とは異なる第１位置（光軸からの距離がｒ１、ｒ２である位置）において、透過率または反射率の極大値（Ｔｍａｘ、Ｒｍａｘ）を有する。

好ましくは、光学調整層は透過率分布層を含み、透過率の極大値（Ｔｍａｘ）は、透過率分布層の透過領域における遮光部６０１Ｄの端に相当する第２位置（内側エッジ４０２）での透過率よりも高い。また好ましくは、透過率分布層の透過領域のうち第２位置における透過率は、光束の最大径に相当する第３位置（外側エッジ４０３）における透過率よりも低い。また好ましくは、透過率の変化率（透過率分布の傾き）が最大となる位置は、第１位置と第２位置との間にある。

好ましくは、光学調整層は反射率分布層を含み、反射率の極大値（Ｒｍａｘ）は、反射領域における遮光部の端に相当する第２位置での反射率よりも大きい。また好ましくは、反射率分布層の反射領域のうち第２位置における反射率は、光束の最大径に相当する第３位置における反射率よりも低い。また好ましくは、反射率の変化率（反射率分布の傾き）が最大となる位置は、第１位置と第２位置との間にある。

本実施形態によれば、反射光学系を用いた場合にリングボケを低減することが可能な光学系および撮像装置を提供することができる。

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。

例えば、撮像面位相差素子やライトフィールドなどの点像形状が性能に影響を及ぼす撮像装置との組み合わせにおいて本実施形態の構成を採用してもよい。また、反射光学系を含む光学系に有効であり、光学系が交換レンズである場合、カメラ本体と一体的に構成されている場合のいずれでもよい。

４０１ 光学調整層
６０１Ｂ、６０１Ｃ レンズ（反射光学系）

Claims (14)

1. 反射光学系と、
   光軸を中心として回転対称な透過率分布層または反射率分布層を含む光学調整層とを有し、
   前記光学調整層は、前記光軸とは異なる第１位置において、透過率または反射率の極大値を有することを特徴とする光学系。
2. 遮光部を更に有し、
   前記光学調整層は、前記透過率分布層を含み、
   前記透過率の前記極大値は、前記透過率分布層の透過領域における前記遮光部の端に相当する第２位置での光の透過率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記反射光学系による反射前の光が通過する第１レンズと、
   前記反射光学系による反射後の光が通過する第２レンズとを更に有し、
   前記光学調整層は、前記第１レンズまたは前記第２レンズに設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記反射光学系は、第１反射レンズおよび第２反射レンズを含み、
   前記第１反射レンズは、前記第１レンズを通過した光を反射し、
   前記第２反射レンズは、前記第１反射レンズにより反射され前記第１レンズを通過した光を反射し、
   前記遮光部は、前記第２反射レンズに設けられていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 前記透過率分布層の前記透過領域のうち前記第２位置における前記透過率は、光束の最大径に相当する第３位置における前記透過率よりも低いことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光学系。
6. 前記透過率の変化率が最大となる位置は、前記第１位置と前記第２位置との間にあることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 遮光部を更に有し、
   前記光学調整層は、前記反射率分布層を含み、
   前記反射率の前記極大値は、反射領域における前記遮光部の端に相当する第２位置での光の反射率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
8. 前記光学調整層は、前記反射光学系に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 前記反射光学系は、第１反射レンズおよび第２反射レンズを含み、
   前記光学調整層は、前記第１反射レンズまたは前記第２反射レンズに設けられていることを特徴とする請求項８に記載の光学系。
10. 前記遮光部は、前記第２反射レンズに設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
11. 前記反射率分布層の前記反射領域のうち前記第２位置における前記反射率は、光束の最大径に相当する第３位置における前記反射率よりも低いことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. 前記反射率の変化率が最大となる位置は、前記第１位置と前記第２位置との間にあることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の光学系。
13. 前記光学系は、カメラ本体に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学系。
14. 撮像素子と、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学系とを有することを特徴とする撮像装置。

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