JP5569132B2 - 測距装置および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、測距装置および撮像装置に関する。
従来、瞳分割方式によって結像光学系の焦点検出を行う光学機器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
上述の装置では、回折格子と液晶とを組み合わせた電気光学素子を結像光学系の瞳面に挿入し、射出瞳における異なる領域を通過した光を異なる方向に偏向している。そして、それぞれの光束を結像光学系の像を撮像する撮像素子の異なる領域に結像させ、その撮像データに基づいて位相差AFを行うようにしている。
特開2006−106435号公報
しかしながら、上述した従来の装置では、偏光により瞳分割を行い位相差検出を行う場合に、固定の瞳遮蔽部材で瞳分割を行っているため、レンズのF値や要求性能に合わせた測距を行うことができず自由度が低いという問題があった。
本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる測距装置および撮像装置を提供することを目的とする。
発明の測距装置は、対物レンズの瞳と共役な面に配置され第1偏光の光を出力する第1の偏光素子と、前記第1の偏光素子から出力された第1の光束が通過する第1領域と、前記第1の偏光素子から出力された第2の光束が通過する第2領域と、前記第1の偏光素子から出力された第3の光束が通過する第3領域とを有し、前記第1の光束、及び、前記第2の光束を第2偏光にし、前記第3の光束の偏光軸を回転しない第1の旋光子と、前記対物レンズの瞳と共役な面に配置され前記第1の旋光子から出力された前記第2偏光の前記第1の光束、及び、前記第2偏光の前記第2の光束を出力する第2の偏光素子と、前記第2の偏光素子から出力された前記第1の光束を前記第1偏光にし、前記第2の光束の偏光軸を回転しない第2の旋光子と、前記第2の旋光子から出力された前記第1の光束と、前記第2の旋光子から出力された前記第2の光束とを分離する偏光分離素子と、前記第1の光束による第1の像を撮像する第1の撮像素子と、前記第2の光束による第2の像を撮像する第2の撮像素子と、被写体の同一領域に対応する、前記第1の像と前記第2の像との相対的なズレに基づいて焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有していることを特徴とする。
この場合、前記第1偏光の光と前記第2偏光の光とは、互いに直交する偏光軸を有することが好ましい。
また、前記第1の旋光子による旋光を行わず、全面遮光するモードを有することが好ましい。
また、前記第1の旋光子を、透過領域の全面で任意の角度だけ旋光させるモードを有することが好ましい。
また、前記第1の旋光子は、ドットマトリクス状の透過領域を有することが好ましい。
また、前記第1の旋光子、及び、前記第2の旋光子は、液晶旋光子であることが好ましい。
また、本発明の撮像装置は、上述した構成の測距装置のいずれかを有することを特徴とする。
本発明では、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる。
本発明の撮像装置の第1の実施形態を示す説明図である。 図1の液晶旋光子の詳細を示す説明図である。 測距の原理を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第2の実施形態を示す説明図である。 図4の撮像装置の遮光状態を示す説明図である。 図4の撮像装置の遮光状態の種類を示す説明図である。 図4の撮像装置の撮像動作を示す説明図である。 図4の撮像装置の液晶シャッタと瞳分割液晶旋光子を一体形成した状態を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第3の実施形態の瞳マスク液晶旋光子の動作の種類を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第4の実施形態を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第5の実施形態を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の測距装置の第1の実施形態を示している。この実施形態では、本発明が、カメラからなる撮像装置に適用されている。
撮像装置は、対物レンズ11、偏光素子13、液晶旋光子15、偏光分離素子17、第1の撮像素子19、第2の撮像素子21、画像処理部23、カメラ制御部25、AF駆動機構27、液晶駆動部29、画像メモリ31を備えている。
対物レンズ11の瞳位置には、偏光素子13が設けられている。偏光素子13は、偏光フィルタからなり対物レンズ11からの光の偏光軸を例えばP偏光の光に揃える。
液晶旋光子15は、光の偏光軸を電気的に変更する。液晶旋光子15の光透過面は、図2(a)に示すように、光軸を中心に直交4分割した領域R1,R2,R3,R4に分割されている。そして、各領域R1,R2,R3,R4は、液晶駆動部29の駆動により独立して駆動可能とされている。例えば偏光素子13からP偏光が入射される場合には、図2(b)に示すように、光軸から左側の領域R1,R3に入射したP偏光がS偏光になり、右側の領域R2,R4に入射したP偏光がそのまま透過するように駆動する。また、例えば図2(c)に示すように、光軸から上側の領域R1,R2に入射したP偏光がS偏光になり、下側の領域R3,R4に入射したP偏光がそのまま透過するように駆動する。
偏光分離素子17は、液晶旋光子15からの例えばP偏光を偏光分離面17aを介して透過させ第1の撮像素子19上に結像させる。図2(d)は、液晶旋光子15が図2(b)のように制御されている時の第1の撮像素子19の像を示している。P偏光である右側の像のみが撮像されている。図2(e)は、液晶旋光子15が図2(c)のように制御されている時の第1の撮像素子19の像を示している。P偏光である下側の像のみが撮像されている。一方、偏光分離素子17は、S偏光を偏光分離面17aで反射させ第2の撮像素子21上に結像させる。従って、第2の撮像素子21の像は、図2(d)の像と左右が逆の像になる。また、図2(e)の像と上下が逆の像になる。
第1の撮像素子19と第2の撮像素子21とは、光学的に等価な位置に配置されており、第1の撮像素子19にピントの合った像が結像されると、第2の撮像素子21にもピントの合った像が結像される。第1の撮像素子19および第2の撮像素子21には、例えば受光素子が2次元状に配列されたCCDが用いられる。
上述した撮像装置では、第1の撮像素子19および第2の撮像素子21の出力はそれぞれ画像処理部23に送られ、A/D変換、色処理等の画像処理が施される。また、画像処理部23では、第1の撮像素子19および第2の撮像素子21の出力から得られた画像データに基づいて、焦点検出に関する演算を行う。カメラ制御部25は、画像処理部23で算出された焦点検出演算値に基づいてAF駆動機構27を駆動制御し対物レンズ11の焦点調節を行う。また、カメラ制御部25は、カメラの全体を制御する。画像処理部23で得られた画像データは、画像メモリ31に記録される。
図3は、上述した撮像装置における焦点検出方式の原理を示している。
物体面M1から発した光束は対物レンズ11によって結像される。対物レンズ11を介して偏光素子13に光束が入射すると、偏光素子13により例えばP偏光に揃えられる。偏光素子13を通過した光束は、液晶旋光子15により、例えば図2(b)に示すような偏光状態とされる。図2(b)のP偏光は、偏光分離素子17の偏光分離面17aを透過して第1の撮像素子19の像面M2の近傍に結像される。一方、S偏光は偏光分離面17aで反射され第2の撮像素子21の像面M2の近傍に結像される。
図3(a)は合焦状態を示したものであり、P偏光による像もS偏光による像も像面M2上にかつ同一位置に結像されている。すなわち、第1の撮像素子19の撮像画像と第2の撮像素子21の撮像画像とを重ねると、結像位置が一致している。図3(b)は前側にデフォーカスした状態を示している。結像位置は像面M2よりも後方にあるため、像面M2上の像はボケており、P偏光、S偏光による像の位置にズレが生じている。P偏光による像は光軸に対して上側に像ズレしており、S偏光による像は光軸に対して下側に像ズレしている。図3(c)は後側にデフォーカスした状態を示している。P偏光による像は光軸に対して下側に像ズレしており、S偏光による像は光軸に対して上側に像ズレしている。
このように、液晶旋光子15からの偏光成分を偏光分離素子17で分離して、第1の撮像素子19および第2の撮像素子21に結像することにより各偏光成分の画像を取得し、その2つの画像の中の像の位相差を比較することで、通常の位相差AFと同様にしてデフォーカス量を算出することができる。また、第1の撮像素子19および第2の撮像素子21の画像データに基づいて画像を生成することで、被写体の撮影像を取得することができる。
この実施形態の撮像装置では、液晶旋光子15を複数の領域R1,R2,R3,R4に分割し、各領域R1,R2,R3,R4を通過する偏光の偏光軸を自由に設定可能にしたので、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる。
そして、液晶旋光子15の偏光状態、すなわち遮蔽状態を電気的に切り替えることが可能なため、位相差AFの基線長の方向を瞬時に切り替えることができる。これにより例えば縦横のパターンしか持たないような被写体でも、直交する2方向の基線長で測距することが可能になり種々のパターンの被写体を正確に測距することができる。例えば縦縞のパターンの場合には、図2(d)に示す左右分割のパターンが選択される。また、横縞のパターンの場合には、図2(e)に示す上下分割のパターンが選択される。
なお、第1の実施形態では、液晶旋光子15は光軸を中心にして十字状に4分割されているが、4分割されている各領域が光軸を中心にそれぞれ2分割されて、全体として8分割され、各領域が液晶駆動部29の駆動により独立して駆動可能な構成であってもよい。この8分割された構成により、液晶旋光子15を斜めに分割されたパターンとすることが可能となり、例えば、斜めの縞パターンの被写体に対しても正確に測距することが可能になる。なお、液晶旋光子15は4分割、8分割以外の分割数で分割された構成としてもよい。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の測距装置の第2の実施形態を示している。この実施形態では、本発明が、カメラからなる撮像装置に適用されている。なお、この実施形態において第1の実施形態と同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
撮像装置は、対物レンズ11、液晶シャッタ33、瞳分割液晶旋光子35、偏光分離素子17、第1の撮像素子19、第2の撮像素子21、画像処理部23、カメラ制御部25、AF駆動機構27、液晶駆動部29、画像メモリ31を備えている。
対物レンズ11の瞳位置には、液晶シャッタ33が設けられている。液晶シャッタ33は、第1の偏光素子37、瞳マスク液晶旋光子39、第2の偏光素子41を備えている。
第1の偏光素子37は、対物レンズ11からの光の偏光軸を例えばP偏光の光に揃える。
瞳マスク液晶旋光子39は、光の偏光軸を電気的に変更する。瞳マスク液晶旋光子39は、光軸を中心とした直交する4方向のそれぞれに、光軸からの距離により領域分割されている。より具体的には、中央部には円を4分割した形状の中央領域C1,C2,C3,C4が形成されている。外周部には、90の角度を置いて4箇所の外側領域T1,T2,T3,T4が形成されている。そして、各領域C1,C2,C3,C4,T1,T2,T3,T4は、液晶駆動部29の駆動により独立して駆動可能とされている。
第2の偏光素子41は、瞳マスク液晶旋光子39からの光の偏光軸を例えばS偏光の光に揃える。
瞳分割液晶旋光子35は、瞳マスク液晶旋光子39の領域分割方向に対応する形で4つの領域G1,G2,G3,G4に分割されている。より具体的には、瞳マスク液晶旋光子39の中央領域C1,C2,C3,C4の1つと外側領域T1,T2,T3,T4の1つとが各領域G1,G2,G3,G4に存在するように4分割されている。
上述した撮像装置では、図5に示すように、瞳マスク形状に領域分割された液晶シャッタ33を通過した光は、光軸を中心にした対称な形で対物レンズ11の瞳をマスクする。
図5では、第1の偏光素子37に、例えばP偏光用の偏光素子13が使用されている。第2の偏光素子41に、例えばS偏光用の偏光素子13が使用されている。また、瞳マスク液晶旋光子39の外周の左右の領域T2,T4のみが、入射されるP偏光がS偏光になるように制御されている。従って、対物レンズ11からの光束は、液晶シャッタ33を通過すると、図5(a)に示すようになる。すなわち、瞳マスク液晶旋光子39の外周の左右の領域T2,T4の光のみが、第2の偏光素子41を透過している。
さらに、瞳分割液晶旋光子35の左の領域G2のみが、入射されるS偏光がP偏光になるように制御されている。従って、偏光分離素子17の偏光分離面17aを透過して第1の撮像素子19に結像されるP偏光の像は、図5(b)に示すようになる。P偏光である左側の領域T2の像のみが撮像されている。一方、偏光分離素子17の偏光分離面17aで反射して第2の撮像素子21に結像されるS偏光の像は、図5(c)に示すようになる。S偏光である右側の領域T4の像のみが撮像されている。
この実施形態の撮像装置では、瞳マスク液晶旋光子39および瞳分割液晶旋光子35を複数の領域に分割し、各領域を通過する偏光の偏光軸を自由に設定可能にしたので、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる。
すなわち、この実施形態では、瞳マスク液晶旋光子39と瞳分割液晶旋光子35の駆動パターンを組み合わせると、例えば図6(a)〜(d)に示すようなパターンで瞳の透過領域を選択することができる。
そして、瞳の配列の上下左右と、透過領域の光軸からの距離を選択できるので、被写体の縦横のパターン、あるいは、対物レンズ11のFナンバー等により最適な状態を選択することができる。例えば、大口径の対物レンズ11を使用した時は、図6(a)、(b)に示すように、光軸から離れた領域T1,T2,T3,T4を用いて測距が行われる。一方、小口径の対物レンズ11を使用した時は、図6(c)、(d)に示すように、光軸に近い領域C1,C2,C3,C4を用いて測距が行われる。
さらに、この実施形態の撮像装置では、瞳マスク液晶旋光子39が、図7に示すように液晶シャッタ33および絞りとして動作するので別途機械シャッタや絞り機構を設ける必要がなくなる。すなわち、瞳マスク液晶旋光子39は、光学系の絞り位置に配置されるため、通常必要になる機械シャッタや絞り機構の配置と干渉する。なお、略同一の位置に設けることもできるが、そのために絞り位置周辺に空間を設ける必要が生じ、対物レンズ11の位置に制約が生まれ光学性能や光学系の大きさの制約になる。一方、この実施形態では、図7(b)、(d)に示すように、瞳マスク液晶旋光子39の全面の旋光を0にすることで、第1の偏光素子37および第2の偏光素子41を透過する光がなくなり全遮蔽状態とすることができる。
図7を用いて撮影時の流れを説明すると以下のようになる。
ステップS1:先ず、図7(a)に示すように、瞳マスク液晶旋光子39を部分旋光状態とすることで瞳マスクを形成し、測距状態で測距を行う。
ステップS2:次に、図7(b)に示すように、瞳マスク液晶旋光子39の旋光を0とした全面遮光状態にし、撮像素子のリセットを行う。
ステップS3:次に、瞳マスク液晶旋光子39を全面で旋光し全面透過状態で露光を行う。この時、瞳マスク液晶旋光子39の旋光を0〜90度の範囲で選択することにより、透過光量を選択することができる。
ステップS4:露光時間に応じて透過した後、再び瞳マスク液晶旋光子39の全面で旋光を0とし全面遮蔽にする。この状態で撮像素子の読み出しを行う。
ステップS5:撮像素子の読み出し終了後、再び瞳マスク液晶旋光子39を部分旋光状態にして測距を行う。
なお、この実施形態の撮像装置では、図8に示すように、液晶シャッタ33および瞳分割液晶旋光子35が一体化されている。瞳マスク液晶旋光子39および瞳分割液晶旋光子35は、二枚の基板Kの間に液晶Eを収容して形成されている。第1の偏光素子37の偏光膜37aと瞳マスク液晶旋光子39の基板Kとの間には、反射防止膜Hがコーティングされている。瞳マスク液晶旋光子39および瞳分割液晶旋光子35と第2の偏光素子41の偏光膜41aとの間には、反射防止膜Hがコーティングされている。これにより界面の反射による透過光量の減衰、ゴースト・フレアを低減することができる。また、全体が一体化するため組み立て性を向上することができる。
(第3の実施形態)
図9は、本発明の撮像装置の第3の実施形態を示している。
この実施形態では、瞳マスク液晶旋光子39Aの駆動領域が微細分割されている。
瞳マスク液晶旋光子39Aは、図9(a)に示すように、一般のドットマトリクス液晶ディスプレイのように駆動領域が微細分割されている。微細な駆動領域を状況に合わせて駆動することにより、より多くの機能を実現することが可能になる。
(1)図9(b)に示すように、単純な固定パターンと同様の透過領域とすることで、瞳マスクとして機能させることができる。
(2)図9(c)に示すように、露光時、光軸に対して同心円状の透過領域とすることで、絞りとして機能させることができる。
(3)図9(d)に示すように、絞り駆動と並行して、透過領域の透過量を調整することで、絞りと同時に光量調整を行うことができる。
このように、瞳マスク、シャッタ、絞りと3つの役割を果たすことができるので、機械シャッタや絞り機構を不要にでき、機械的干渉を防止し、また、部品点数の削減、設計自由度の維持、動作音の抑制が可能になる。
(第4の実施形態)
図10は、本発明の撮像装置の第4の実施形態を示している。
この実施形態では、再結像位相差AFに第1の実施形態で示した測距装置が適用されている。
図10(a)は第4の実施形態における測距装置の基本構成を示している。再結像光学系内の対物レンズ11の瞳位置と光学的に等価(共役)な面に、フィールドレンズ43を介して偏光素子13と液晶旋光子15とを配置した。図10(a)では、再結像レンズ45,47の間に、偏光素子13と液晶旋光子15とが配置されている。この場合、対物レンズ11の瞳位置に偏光素子13を挿入したのと同等の瞳分割効果を得ることができる。
図10(b)は、図10(a)に示す測距装置を一眼レフデジタルカメラに内蔵した場合を示す。対物レンズ11からの被写体光束は、メインミラー49の背後に設けられたサブミラー51によりカメラボディ53の下方に反射され、フィールドレンズ43、再結像レンズ45、偏光素子13、液晶旋光子15の順に通過する。液晶旋光子15を出射した光束はミラー55により90度折り曲げられ、再結像レンズ47を通った後に偏光分離素子17に入射する。偏光分離素子17で分離された偏光成分は、それぞれ撮像素子19,21に入射する。撮像は専用の撮像素子57により行われる。なお、符号59はペンタプリズムを示している。
(第5の実施形態)
図11は、本発明の撮像装置の第5の実施形態を示している。
この実施形態では、再結像位相差AFに第2の実施形態で示した測距装置が適用されている。
図11(a)は第5の実施の形態における測距装置の基本構成を示す図であり、再結像光学系内の、対物レンズ11の瞳位置と光学的に等価(共役)な面に第1の偏光素子37、瞳マスク液晶旋光子39、第2の偏光素子41、瞳分割液晶旋光子35とを配置した。図11(a)では、再結像レンズ45,47の間に、第1の偏光素子37、瞳マスク液晶旋光子39、第2の偏光素子41、瞳分割液晶旋光子35とが配置されている。この場合、対物レンズ11の瞳位置に偏光素子37等を挿入したのと同等の瞳分割効果を得ることができる。
図11(b)は、図11(a)に示す測距装置を一眼レフデジタルカメラに内蔵した場合を示す。対物レンズ11からの被写体光束は、メインミラー49の背後に設けられたサブミラー51によりカメラボディ53の下方に反射され、フィールドレンズ43、再結像レンズ45、第1の偏光素子37、瞳マスク液晶旋光子39、第2の偏光素子41、瞳分割液晶旋光子35の順に通過する。瞳分割液晶旋光子35を出射した光束はミラー55により90度折り曲げられ、再結像レンズ47を通った後に偏光分離素子17に入射する。偏光分離素子17で分離された偏光成分は、それぞれ撮像素子19,21に入射する。撮像は専用の撮像素子57により行われる。
(実施形態の補足事項)
以上、本発明を上述した実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、以下のような形態でも良い。
(1)上述した実施形態では、本発明の測距装置を撮像装置に適用した例について説明したが、例えば、双眼鏡等の光学機器に広く適用することができる。
11…対物レンズ、13…偏光素子、15…液晶旋光子、17…偏光分離素子、19…第1の撮像素子、21…第2の撮像素子、25…カメラ制御部、33…液晶シャッタ、35…瞳分割液晶旋光子、37…第1の偏光素子、39…瞳マスク液晶旋光子、41…第2の偏光素子。

Claims (7)

  1. 対物レンズの瞳と共役な面に配置され第1偏光の光を出力する第1の偏光素子と、
    前記第1の偏光素子から出力された第1の光束が通過する第1領域と、前記第1の偏光素子から出力された第2の光束が通過する第2領域と、前記第1の偏光素子から出力された第3の光束が通過する第3領域とを有し、前記第1の光束、及び、前記第2の光束を第2偏光にし、前記第3の光束の偏光軸を回転しない第1の旋光子と、
    前記対物レンズの瞳と共役な面に配置され前記第1の旋光子から出力された前記第2偏光の前記第1の光束、及び、前記第2偏光の前記第2の光束を出力する第2の偏光素子と、
    前記第2の偏光素子から出力された前記第1の光束を前記第1偏光にし、前記第2の光束の偏光軸を回転しない第2の旋光子と、
    前記第2の旋光子から出力された前記第1の光束と、前記第2の旋光子から出力された前記第2の光束とを分離する偏光分離素子と、
    前記第1の光束による第1の像を撮像する第1の撮像素子と、
    前記第2の光束による第2の像を撮像する第2の撮像素子と、
    被写体の同一領域に対応する、前記第1の像と前記第2の像との相対的なズレに基づいて焦点状態を検出する焦点検出手段と、
    を有していることを特徴とする測距装置。
  2. 請求項1に記載の測距装置において、
    前記第1偏光の光と前記第2偏光の光とは、互いに直交する偏光軸を有することを特徴とする測距装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の測距装置において、
    前記第1の旋光子による旋光を行わず、全面遮光するモードを有することを特徴とする測距装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の測距装置において、
    前記第1の旋光子を、透過領域の全面で任意の角度だけ旋光させるモードを有することを特徴とする測距装置。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の測距装置において、
    前記第1の旋光子は、ドットマトリクス状の透過領域を有することを特徴とする測距装置。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の測距装置において、
    前記第1の旋光子、及び、前記第2の旋光子は、液晶旋光子であることを特徴とする測距装置。
  7. 請求項から請求項6のいずれか1項に記載の測距装置を有することを特徴とする撮像装置。
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