CN100520557C - 光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学设备，其能够防止ND滤光器所引起的图像质量的恶化。该光学设备包括具有大小可变的孔径的孔径光阑、可相对于孔径光阑的孔径移动的ND滤光器、驱动ND滤光器的传动器、以及控制该传动器的控制器。ND滤光器包括其大小可以完全覆盖第一孔径的部件，其中该第一孔径是孔径光阑变窄的孔径。控制器控制传动器，使得ND滤光器在任何光阑操作中没有停顿地在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置上所述部件相对于孔径光阑变窄的第一孔径缩回，在第二位置上所述部件完全覆盖第一孔径。

Description

光学设备

技术领域

本发明涉及诸如摄影机或者数码相机之类的包括孔径光阑机构和ND(中性密度(neutral density))滤光器的光学设备。

背景技术

包括在光学设备中的光量调整装置使用多个光阑叶片改变光阑孔径的面积，以调整到达图像拾取元件的光量并获得适当的曝光量。

为了防止所谓的小孔径衍射造成的光学性能的降低，光量调整装置防止光阑孔径的面积小于某个小孔径，并使用覆盖小孔径的ND滤光器在高亮度对象的摄像中设置适当的光量(参见日本专利特开No.2002-55374)。

然而，在包括ND滤光器的常规的光量调整装置中，有时控制ND滤光器的位置使得ND滤光器进入仅覆盖了小孔径一部分的状态，即所谓的半覆盖状态。

在这种半覆盖状态中，形成小于小孔径的开口(未覆盖的开口)，其被ND滤光器的顶端和小孔径的边缘所包围，并且这个小开口可以导致小孔径衍射。因而，ND滤光器不能充分地防止小孔径衍射所导致的图像质量的下降。

并且，通过汽相沉积膜来产生ND滤光器。在半覆盖状态下，在传输波阵面上出现板的厚度上的梯级(step)(光学路径长度之差)，从而导致图像质量的下降。

此外，为了减小光学设备的尺寸，可以把ND滤光器的水平线状顶端保持在进入全光阑孔径的位置上。在这种情况下，ND滤光器的顶端存在于光阑孔径中，直到全光阑孔径变窄到某个范围为止。

当把常规的CCD传感器用作图像拾取元件并且例如点光源形式的高亮度物体存在于图像拾取区域时，出现垂直拖尾(verticalsmear)，并且在形成光阑孔径的光阑叶片的线状部分的倾角方向上由衍射产生光束。可以通过把诸如CMOS传感器之类的无拖尾传感器用作图像拾取元件来防止这种拖尾和光束。

然而，如上所述，当ND滤光器的水平线状顶端进入光阑孔径时，即使使用了无拖尾图像拾取元件，顶端的衍射也在垂直方向上产生光束并且降低图像质量。

发明内容

本发明提供一种能够防止由ND滤光器所导致的图像质量下降的光学设备。

根据一个方面，本发明提供一种光学设备，其包括具有大小可变的孔径的孔径光阑、可相对于孔径光阑的孔径移动的ND滤光器、驱动ND滤光器的传动器、以及控制该传动器的控制器。ND滤光器包括其大小能够完全覆盖第一孔径的部件，其中该第一孔径是孔径光阑变窄的孔径，并且控制器控制传动器使得ND滤光器在任意光阑操作中没有停顿地在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置上所述部件从孔径光阑变窄的第一孔径缩回，在第二位置上所述部件完全覆盖第一孔径。

根据另一方面，本发明提供一种光学设备，其包括具有大小可变的孔径的孔径光阑、以及可相对于孔径光阑的孔径移动的ND滤光器。当用于覆盖孔径的ND滤光器的移动方向是第一方向，并且平行于ND滤光器的光入射/出射面且垂直于第一方向的方向是第二方向时，在第一方向中ND滤光器的顶端具有与在第二方向中延伸的线状形状不同的形状。

根据再一方面，本发明提供一种光学设备，其包括具有大小可变的孔径的孔径光阑；以及可相对于孔径光阑的孔径移动的ND滤光器。当用于覆盖孔径的ND滤光器的移动方向是第一方向，并且与图像拾取元件的扫描方向平行的方向是第二方向时，在第一方向中ND滤光器的顶端具有与在第二方向中延伸的线状形状不同的形状，其中该图像拾取元件把通过孔径光阑的孔径的光所形成的光学图像转换成电信号。

从下面参考附图对优选实施例的描述中，本发明的其他目的和特征将变得更明显。

附图说明

图1是作为本发明实施例1的摄影机的透镜镜筒部分的结构的分解透视图；

图2是实施例1的透镜镜筒部分的结构的剖视图；

图3是实施例1的摄影机的电结构的框图；

图4是实施例1的光量调整单元的分解透视图；

图5是示出了通过实施例1的光量调整单元得到的光量调整和MTF之间的关系的图表；

图6是实施例1的光量调整单元在每一操作位置中的状态的前视图；

图7是在实施例1的光量调整单元中检测ND滤光器的位置的方法的前视图；

图8是示出了实施例1中ND滤光器的位置与磁性传感器的输出之间的关系的图表；

图9是示出了通过常规的光量调整单元得到的光量调整与MTF之间的关系的图表；

图10是常规的光量调整单元在每一操作位置中的状态的前视图；

图11是示出了实施例1的摄影机中光量调整单元的控制序列的流程图；

图12是示出了作为本发明实施例2的摄影机中光量调整单元的控制方法的操作图；

图13是光量调整单元在图12中的每一操作位置上的状态的前视图；

图14是示出了通过作为本发明实施例4的光量调整单元得到的光量调整与MTF之间的关系的图表；

图15是作为本发明实施例5的光量调整单元的示意性前视图；

图16是实施例5的光量调整单元在每一操作位置中的状态的前视图。

具体实施方式

现在，将参考附图对本发明的优选实施例进行描述。

【实施例1】

图1和2示出了作为本发明实施例1的摄影机(光学设备)的透镜镜筒部分的结构。

透镜镜筒部分包括作为图像拾取光学系统的可变放大倍率光学系统，按照从物侧起的顺序由4个透镜单元组成：凸透镜单元、凹透镜单元、凸透镜单元和凸透镜单元。在下面的描述中，物侧有时被称为前侧，并且图像拾取元件侧被称为后侧。

在这些图中，按照从物侧(图中的左侧)起的顺序，L1表示固定的第一透镜单元，L2表示在光轴方向上移动用于改变放大倍率的第二透镜单元。L3表示垂直于光轴移动用于图像稳定的第三透镜单元，L4表示在光轴方向上移动用于聚焦的第四透镜单元。

附图标记1a表示保持第一透镜单元L1的前透镜镜筒，并且附图标记1b表示把前透镜镜筒1a固定于其上的固定透镜镜筒。

附图标记2表示保持第二透镜单元L2的第二可移动框架，并且附图标记3表示可垂直于光轴移动地容纳第三透镜单元L3的移位单元。

附图标记4表示保持第四透镜单元L4的第四可移动框架，并且附图标记5表示把诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的图像拾取元件15(参见图2)安装于其上的后透镜镜筒，该图像拾取元件15把已通过光阑孔径的光所形成的光学图像转换成电信号。

两个导杆6和7被固定在固定透镜镜筒1b和后透镜镜筒5之间。被设置在第二可移动框架2上的套筒部分2d可移动地与导杆6接合并且在光轴方向上被引导。被设置在第二可移动框架2中的U形凹槽部分2e可移动地与导杆7接合，并且防止第二可移动框架2环绕导杆6旋转。

被设置在第四可移动框架4上的套筒部分4d可移动地与导杆7接合并且在光轴方向上被引导。被设置在第四可移动框架4中的U形凹槽部4e可移动地与导杆6接合，并且防止第四可移动框架4环绕导杆7旋转。

相对于后透镜镜筒5安置移位单元3，并且把移位单元3放置并保持在后透镜镜筒5与固定透镜镜筒1b之间。

附图标记9表示对到达图像拾取元件15的光量进行调整的光量调整单元(光量调整装置)，该图像拾取元件15把进入了图像拾取光学系统并通过光阑孔径的光所形成的光学图像转换成电信号。可改变光阑孔径大小的光量调整单元9通过由步进电动机构成的光阑电动机9b的驱动力而垂直于光轴移动图2中的两个光阑叶片9a，以改变光阑孔径的直径。光阑叶片9a和光阑电动机9b构成孔径光阑。

光量调整单元9还具有ND滤光器，以便可独立于光阑叶片9a被移入光学路径或移出光学路径。稍后将对ND滤光器进行描述。光量调整单元9从前方通过未示出的螺杆固定到移位单元3上。

固定透镜镜筒1b被安置在后透镜镜筒5上，并如上所述在固定透镜镜筒1b与后透镜镜筒5之间保持移位单元3，固定透镜镜筒1b连同移位单元3一起从后部通过未示出的3个螺杆固定到后透镜镜筒5上。前透镜镜筒1a、固定透镜镜筒1b以及后透镜镜筒5构成透镜镜筒主体。

附图标记4a、4b以及4c分别表示线圈、驱动磁体、以及用于关闭磁通量的轭，它们构成在光轴方向上移动第四透镜单元L4(第四可移动框架4)的聚焦驱动单元。

当电流流经线圈4a时，在磁体4b和线圈4a之间由磁力线的互斥而产生洛伦兹力，在光轴方向上驱动第四透镜单元L4与第四可移动框架4。第四可移动框架4保持未示出的在光轴方向上被多极磁化的传感器磁体。

根据传感器磁体的移动读取磁力线变化的MR传感器12被固定到后透镜镜筒5上。其检测第四可移动框架4(第四透镜单元L4)的位置。

附图标记10表示在光轴方向上移动第二透镜单元L2的变焦电动机，其由步进电动机构成。变焦电动机10的输出轴的前端被形成在横向延伸的U形支持板10a前侧上的承载部分可旋转地保持。输出轴的后端被形成在支持板10a后侧上的承载部可旋转地保持。导向螺杆被形成在变焦电动机10的输出轴上，并且与安装到第二可移动框架2的架子2a接合。因而，当旋转变焦电动机10时，导向螺杆与架子2a之间的接合导致在光轴方向上对第二可移动框架2进行驱动。扭矩线圈弹簧2b向第二可移动框架2与导杆6和7、第二可移动框架2和架子2a以及架子2a和导向螺杆施加偏压，以防止其间的反冲。

附图标记11表示由测光值光断路器构成的变焦复位开关。变焦复位开关11对形成在第二可移动框架2中的光屏蔽部分2c的移动进行光学检测，以输出电信号。因而，稍后描述的CPU可以确定第二可移动框架2(第二透镜单元L2)是否在参考位置上。变焦复位开关11经由一个板被螺杆固定在前透镜镜筒1上。

图3示出了本实施例中摄影机的电结构。在图3中，用与图1和2中相同的附图标记表示参考图1和2描述的透镜镜筒部分的组件，并且将省略对其的描述。

附图标记37表示作为控制摄影机的控制器的CPU。附图标记38表示对图像拾取元件15的输出执行预定放大或伽马(gamma)校正的摄像机信号处理电路。经过这种预定处理的图像信号被传送到AE门39和AF门40。在AE门39和AE门40的每一个中，从整个图像区域中设置最适于曝光测定和聚焦的信号提取范围。每一个门的大小可以是可变的，或者可以提供多个AE门39和多个AF门40。

附图标记41表示AF信号处理电路，其产生用于AF(自动对焦)的AF信号，并基于图像信号的高频分量产生用于对比度AF的AF评估值信号。附图标记42表示由摄影者操作的变焦开关，并且附图标记43表示变焦追踪存储器。变焦追踪存储器43存储要在改变放大倍率时依据物距和第二透镜单元L2的位置而设置的第四透镜单元L4的位置的信息。CPU 37中的存储器可以被用作变焦追踪存储器。

例如，当摄像者对变焦开关42进行操作时，CPU 37驱动变焦电动机10。同时，CPU 37控制聚焦驱动单元(线圈4a)的通电，使得第四透镜单元L4的位置与依据第二透镜单元L2的位置和物距从变焦追踪存储器43中读取的位置相匹配。

在AF操作中，CPU 37控制聚焦驱动单元的通电，使得来自AF信号处理电路41的AF评估值信号达到峰值(最大值)。

此外，为了获得适当的曝光，CPU 37基于已通过AE门39的Y信号的输出平均值来控制作为传动器的光阑电动机9b。这就控制了光阑孔径的直径。附图标记36表示设置在光量调整单元9中的光阑编码器，其检测光阑叶片的位置，也就是光阑孔径的直径。

接着，将参考图4对光量调整单元9进行详细描述。可以改变光阑孔径大小的光量调整单元9包括具有固定光阑孔径9g的光阑底板9h、两个光阑叶片9a1和9a2、以及连接到光阑电动机9b的输出轴和光阑叶片9a1与9a2的驱动杆9a3。对光阑电动机9b进行操作以在相反方向上驱动两个光阑叶片9a1和9a2，并改变由光阑叶片9a1和9a2所形成的光阑孔径的大小(直径)。这样的光量调整单元9也被称为所谓的“刀型光阑”。

光量调整单元9包括具有透明部分的渐变ND滤光器9f。ND滤光器9f被安装在ND支持板9e上。附图标记9c表示作为传动器的ND电动机，用于独立于光阑叶片9a1和9a2把ND滤光器9f(ND支持板9e)移入光学路径或者移出光学路径。ND驱动臂9d连接到ND电动机9c的输出轴，以及连接到ND支持板9e。因而，对作为传动器的ND电动机9c进行操作以平行于光阑孔径面来驱动ND滤光器9f。

具有透明部分的渐变ND滤光器9f在插入到光学路径的方向中按照从顶端起的顺序，具有透明部分9f3、渐变密度部分9f2以及最大密度部分9f1。在本实施例中，透明部分9f3与第一部件相对应，并且渐变密度部分9f2和最大密度部分9f1对应于具有低于第一部件的透光率的第二部件。

ND滤光器9f是这样的，由透明无色塑胶板上除顶端以外的部件上的汽相沉积膜形成渐变密度部分9f2和最大密度部分9f1。没有汽相沉积膜的顶端是透明部分9f3。在此，措词“透明无色”包括，除完全透明无色的状态之外，当把透明部分9f3移入光学路径和移出光学路径时认为在拾取的图像中没有出现颜色变化或者亮度变化的状态。具体地，透光率优选地被设置在100％到75％的范围内，更优选地是100％到87.5％。换句话说，如果包括透明部分9f3和一部分渐变密度部分9f2的部件具有75％或更高的透光率，则该部件对应于第一部件，尽管上面已经描述了“透明部分9f3对应于第一部件”。

如稍后将要描述的，透明部分9f3具有这样的大小，以至于如下所述完全覆盖对应于F4.0的光阑孔径。

最大密度部分9f1被设置为例如ND1.0的密度。在透明部分9f3和最大密度部分9f1之间设置朝着最大密度部分9f1密度增大(透光率降低)的渐变密度部分9f2，从而引起光阑孔径中的密度差并防止MTF的恶化。渐变密度部分9f2中相邻密度部分之间的密度差被设为ND 0.3或更小，用于防止亮度的快速变化。

透明部分9f3的表面与具有渐变密度部分9f2的最小密度的汽相沉积膜表面之间的厚度差、以及具有渐变密度部分9f2的不同密度的汽相沉积膜表面与最大密度部分9f1之间的厚度差优选地是图像拾取元件15具有灵敏度的最小波长的三分之一或更小。这防止了由厚度差所导致的MTF的恶化。

塑胶板被形成为一个没有诸如用于通过光的孔之类的梯级的简单平板。

接着，将参考图5和6对光量调整单元9的控制方法进行描述。图5示出了光量调整单元9的透射光量(T数)和透镜镜筒部分的MTF(调制传递函数)之间的关系。透射的光量被示为孔径值(F值)。同样的方式也适用于描述其他实施例的图。

通过改变光阑孔径的面积和改变ND滤光器9f的插入状态的组合来控制光量调整单元9透射的光量，其中该光阑孔径由两个光阑叶片9a1和9a2形成并且具有基本上菱形的形状。图6示出了，对光阑孔径和ND滤光器9f的插入状态进行控制，以便按照位置A02到I02的顺序减少光量调整单元9透射的光量(从光轴方向来看)。图6中的位置A02、B02、......、I02与图5中的图表上用相同附图标记表示的状态相对应。在下面的描述中，两个光阑叶片9a1和9a2被共同称为“光阑叶片9a”。

首先减小光阑孔径的面积(图5中的范围a02)，用于减小光量调整单元9透射的光量。接着，插入ND滤光器9f(图5中的范围b02)。然后，在ND滤光器9f被完全插入(完全覆盖光阑孔径)之后，再次减小光阑孔径的面积(图5中的范围c02)。

位置A02示出了打开状态，其中光阑叶片9a缩回在作为全光阑孔径的固定光阑孔径9g之外。在这种打开状态下，ND滤光器9f的透明部分9f3的一部分覆盖全光阑孔径的一部分。ND滤光器9f可以完全缩回到全光阑孔径之外。

之后，朝着与F2.0相对应的位置B02驱动光阑叶片9a。这减少了光量并增大了MTF。此外，当朝着与F2.8相对应的位置C02和与F4.0相对应的位置D02驱动光阑叶片9a时，光量减小并且MTF逐渐减小。

然后，在把光阑孔径固定在与F4.0相对应的孔径面积(第一光阑孔径)上的状态下，开始ND滤光器9f的插入驱动。位置E02指示ND滤光器9f的顶端9f4在插入方向上马上要覆盖F4.0的光阑孔径的一部分之前的状态(第一状态)。

位置F02指示其中在ND滤光器9f的插入完成之后透明部分9f3完全覆盖F4.0的光阑孔径的状态(第二状态)。ND滤光器9f不停顿在从位置E02到位置F02的任何光阑操作中(也就是说，不考虑物体的亮度变化)。具体地，ND滤光器9f的顶端9f4在任何光阑操作中不停顿在与F4.0的光阑孔径的内部相对应的位置上。在图5中，连接位置E02与位置F02的虚线箭头意味着控制ND滤光器9f以便没有任何光阑操作中的停顿而从位置E02移动到位置F02。独立于光量调整来执行ND滤光器9f从位置E02到位置F02的插入操作。因而，几乎不减少光量。MTF几乎不如下所述地改变。

透明部分9f3的插入方向的长度对应于(等于或稍微长于)用透明部分9f3完全覆盖F4.0的光阑孔径在相同方向上的长度。

这是因为太长的透明部分9f3会增加ND滤光器9f的大小，并且会防止包括了ND滤光器9f的光量调整单元9或摄影机的尺寸的减小。

如果认为在如上所述的插入中拾取的图像没有出现颜色变化或亮度变化，则透明部分9f3的插入方向上的长度可以短于F4.0的光阑孔径在相同方向上的长度。整个ND滤光器9f的插入方向上的长度L9f被设置为与全光阑孔径的直径ΦD9相对应的长度。优选地以尽可能高的速度把ND滤光器9f从位置E02驱动到位置F02，例如，以作为传动器的ND电动机9c驱动的ND滤光器9f的最大速度来驱动ND滤光器9f。然而，速度不能太低于来自图像拾取元件15的图像捕获速度(用于捕获一幅场图像所需的时间：例如，60场/秒)，其中该图像拾取元件15把通过了光阑孔径的光所形成的光学图像转换成摄影机中的电信号。具体地，速度可以是其中MTF的恶化难以察觉的水平。

例如，ND滤光器9f优选地在位置E02和位置F02之间以1/2秒或更低的速度移动。

更优选的，ND滤光器9f在位置E02和位置F02之间以1/4秒或更低的速度移动，其中1/4秒是用于捕获15幅场图像所需的时间。

即使控制ND滤光器9f的顶端9f4以便在任何光阑操作中均不停顿在F4.0的光阑孔径中，F4.0的光阑孔径被透明部分9f3完全覆盖，并且因而在摄像机系统中不出现快速的亮度变化(亮度冲击)。如果在摄像机系统中没有识别出快速的亮度变化，则透明部分9f3的透光率可以低于100％。

此外，如果在摄像机系统中没有识别出快速的亮度变化，渐变密度部分9f2的一部分可以覆盖F4.0的光阑孔径的一部分，而不是仅用透明部分9f3完全覆盖F4.0的光阑孔径。在这种情况下，透明部分9f3与一部分渐变密度部分9f2对应于第一部分，并且另一部分的渐变密度部分9f2与最大密度部分9f1对应于透光率小于第一部件的第二部件。

然而，在防止摄像机系统中MTF恶化的范围内，在位置E02与位置F02之间的ND滤光器9f的移动可以停顿一会儿。

然后，把ND滤光器9f驱动到最大密度部分9f1与渐变密度部分9f2完全覆盖F4.0的光阑孔径的位置(位置G02)。然后，随着ND滤光器9f停顿，光阑孔径的面积再次减小，以减小透射的光量(位置H02和I02)。小孔径衍射导致从位置G02到位置I02的MTF的恶化。

将参考图7和8对用于控制ND滤光器9f的顶端9f4以便其在任何光阑操作中没有停顿地在光阑孔径(F4.0)中移动的详细方法进行描述。

如图7所示，驱动磁体9c1被放置在ND电动机9c中，并连接到ND驱动臂9d。通过磁体9c1的旋转来移动安装到ND支持板9e上的ND滤光器9f。

为了检测磁体9c1的旋转角度，磁性传感器9c2被放置在磁体9c1的北极和南极之间的磁化边界的附近。霍尔元件等可以被用作磁性传感器9c2。

磁体9c1的旋转角度和磁性传感器9c2的输出值具有线性关系，并且因而如图8所示，ND滤光器9f的位置和磁性传感器9c2的输出也具有线性关系。

在ND滤光器9f的顶端9f4马上要覆盖光阑叶片9a形成的F4.0的光阑孔径的一部分之前，在位置E02上，磁性传感器9c2的输出是M％。位置F02上的磁性传感器9c2的输出是N(>M)％，在该位置F02上，F4.0的光阑孔径被ND滤光器9f的透明部分9f3(或者透明部分9f3与渐变密度部分9f2的一部分)完全覆盖。在这种情况下，在F4.0的光阑孔径中移动ND滤光器9f使得ND滤光器9f的顶端9f4在任何光阑操作中均不停顿的控制是这样的控制，其使得磁性传感器9c2的输出A处于M％<A<N％的范围是非使用范围。实际上，磁性传感器9c2的输出与ND滤光器9f的位置之间的关系依据ND滤光器9的安装误差而改变，并且因而(M-α)％<A<(N+α)％的范围优选地是考虑到余量α的非使用范围。

图9示出了在常规的光量调整单元中透射光量与透镜镜筒部分的MTF之间的关系。图10示出了控制光阑孔径与ND滤光器的插入状态，以便按照位置A01到L01的顺序减小常规的光量调整单元中透射光量。图10中的操作位置A01、B01、...、L01对应于图9中图表上相同附图标记所表示的状态。不为图10中的ND滤光器提供透明部分，而是从其顶端提供渐变密度部分和最大密度部分。

光阑孔径从打开状态的位置A01到F2.0上的位置B01变窄，以增加MTF。如果进一步使光阑孔径变窄到F2.8上的位置C01和F4.0上的位置D01，则MTF逐渐减小(图9中的范围a01)。

在ND滤光器的顶端马上要覆盖F4.0的光阑孔径的一部分以减少光量(图9中的范围b01)之前，把ND滤光器从位置E01插入到光阑孔径中。在其中ND滤光器的顶端覆盖F4.0的光阑孔径的一部分的位置F01到H01中，由ND滤光器的顶端和光阑孔径边缘所包围的未覆盖的小开口的衍射和与ND滤光器板的厚度相对应的光学路径长度中的差导致MTF的恶化。

具体地，MTF的恶化开始于位置E01，并在ND滤光器的顶端通过光阑孔径中心(图像拾取光学系统的光轴的中心)的位置G01处达到最大。然后，MTF继续下降，直到ND滤光器完全覆盖F4.0的光阑孔径的位置I01为止。接着，F4.0的光阑孔径在位置J01处被最大密度部分完全覆盖，然后光阑孔径在位置K01和L01处再次变窄(图9中的范围c01)。在这段时间中，小孔径衍射导致MTF的恶化。

尽管可允许的MTF的恶化依据图像拾取元件的像素间距而变，但是假定在这种摄影机中可允许的MTF是40％。在这种情况下，在常规的光量调整单元的配置与控制方法中，在位置F01到位置H01和位置K01及其后的位置上识别出图像的恶化。

另一方面，在本实施例的光量调整单元的配置与控制方法中，在位置H02之前都没有识别出图像的恶化。

在常规的ND滤光器中，不提供透明部分，并且因而即使以高速把ND滤光器的顶端从位置E01驱动到位置I01以便ND滤光器的顶端在任何光阑操作中均不停顿在光阑孔径中，在渐变密度部分中也会发生光量的衰减，并且快速亮度变化很明显。

具体地，在本实施例中，在ND滤光器9f的顶端提供透明部分9f3，并且控制ND滤光器9f(ND电动机9c)移动，使得ND滤光器的顶端在任何光阑操作中均不停顿在小于全光阑孔径的窄光阑孔径中。这可以抑制快速的亮度变化以及MTF的恶化。

在本实施例中，已对如下情况进行了描述，其中在光阑孔径达到与F4.0相对应的大小之后插入并驱动ND滤光器9f，但是在光阑孔径达到与不同的孔径值(例如，F5.6)相对应的大小之后可以插入并驱动该ND滤光器。在允许衍射导致的图像质量的下降的范围内，在具有最小光阑孔径或者尽可能小的光阑孔径的F值上插入ND滤光器，从而减小了ND滤光器的面积，这有利于减小光量调整单元和包括该单元的摄影机的尺寸。具体地，尽管如上所述MTF依赖于图像拾取元件的像素间距，但是通常优选地把摄影机的最大分辨频率的30％的MTF设为下限，并且在F值达到与等于或高于这种限制的MTF相对应的值时插入ND滤光器。

接着，将参考图11对实施例中的光量调整单元的控制序列进行描述。图11中的流程图示出了CPU 37依据计算机程序执行的、依赖于物体亮度变化的光量反馈控制的序列。在图11中，字符“Y＂指示“是”，＂N＂指示“否”，并且＂S＂指示“步骤”。

首先，在步骤902中，CPU 37基于从图3中的AE门39输出的Y信号的平均值(测光值)，确定是否获得相对于物体当前亮度的最佳曝光状态。

接着，在步骤903中，CPU 37确定ND滤光器9f是否处于缩回位置(图6中的位置A02到D02)。当ND滤光器9f处于缩回位置时，仅通过驱动光阑叶片9a来控制曝光，因而在步骤904确定是否导致曝光过度或者曝光不足。当确定导致了曝光过度时，在步骤905中控制光阑电动机9b把光阑叶片9a移向关闭方向，然后在步骤902中再次确定是否获得最佳曝光。当在步骤904确定导致了曝光不足时，在步骤906中控制光阑电动机9b把光阑叶片9a移向打开方向，然后在步骤902中确定是否获得最佳曝光。

在步骤903中，当ND滤光器9f未处于缩回位置时，在步骤907中确定ND滤光器9f是否处于完全覆盖位置(图6中的位置G02到I02)。同样，当ND滤光器9f处于完全覆盖位置时，通过打开或者关闭孔径光阑来执行曝光控制，并且因而在步骤908中确定是否导致曝光过度或者曝光不足。当确定导致了曝光过度时，在步骤909中控制光阑电动机9b使得光阑叶片9a移向关闭方向。当确定导致了曝光不足时，在步骤910中控制光圈电动机9b使得光阑叶片9a移向打开方向。然后，在步骤902中再次确定是否获得最佳曝光。

当步骤907中ND滤光器9f未处于完全覆盖位置时，在步骤911中确定是否导致曝光过度或者曝光不足。当导致了曝光过度时，在步骤912中控制ND电动机9c以便把ND滤光器9f移向覆盖方向(插入方向)。此时，为了控制ND滤光器9f的顶端9f4，以便在任意光阑操作中其不停顿在F4.0上的光阑孔径中，在步骤913中确定ND滤光器9f的顶端9f4是否处于马上要覆盖F4.0上的光阑孔径的一部分之前的状态(马上在插入方向上半覆盖之前的状态)。这种状态对应于图6中的位置E02。当ND滤光器9f的顶端9f4处于马上在插入方向上半覆盖之前的状态时，在步骤914中控制ND电动机9c以便在任何光阑操作中没有停顿地把ND滤光器9f高速移向图6中的位置F02。

另一方面，当在步骤911中导致了曝光不足时，在步骤915中控制ND电动机9c把ND滤光器9f移向缩回方向。此时，为了控制ND滤光器9f的顶端9f4，以便在任意光阑操作中其不停顿在F4.0上的光阑孔径中，在步骤916中确定ND滤光器9f的顶端9f4是否处于马上要覆盖F4.0上的光阑孔径的一部分之前的状态(马上在缩回方向上半覆盖之前的状态)。这种状态对应于图6中的位置F02。当ND滤光器9f的顶端9f4处于马上在缩回方向上半覆盖之前的状态时，在步骤917中控制ND电动机9c以便在任何光阑操作中没有停顿地把ND滤光器9f高速移向图6中的位置E02。

【实施例2】

在实施例1的摄影机中，当物体的亮度改变时的光量调整单元的控制方法将被描述为实施例2。

如上所述，当使用光量调整单元9执行与物体亮度相对应的曝光控制时，光量调整单元9透射的光量通过改变光阑孔径的面积与改变ND滤光器9f的插入状态的组合而被控制。此时，例如在图5和6中，当物体的亮度是使得当设置了F4.0上的光阑孔径时获得适当的曝光，则可能发生下面描述的问题。具体地，物体亮度反复地从对应于F4.0的亮度轻微减小或者增加，ND滤光器9f的插入和缩回以高速进行重复，而导致了所谓的不规则振荡。

因而，在本实施例中，使ND滤光器9f插入时的物体亮度(测光值)与ND滤光器9f缩回时的物体亮度(测光值)不同。这防止了上述的不规则振荡。

然而，在光阑孔径的大小固定在F4.0上的情况下，不能简单地通过使ND滤光器9f插入时的物体亮度与ND滤光器9f缩回时的物体亮度不同而获得物体亮度的最佳曝光。

因而，在本实施例中，使ND滤光器9f插入时的光阑孔径大小与ND滤光器9f缩回时的光阑孔径大小不同，以获得物体亮度的最佳曝光。现在将参考图12和13对其控制方法进行描述。

图12和13示出了在物体亮度改变时光阑孔径大小的变化、与ND滤光器9f的插入和缩回状态之间的关系。图12中的实线箭头表示当物体从暗侧变到亮侧时光阑叶片9a和ND滤光器9f的控制方法。虚线箭头表示当物体从亮侧变到暗侧时光阑叶片9a和ND滤光器9f的控制方法。

当物体从暗侧变到亮侧时，光阑孔径首先变窄以控制最佳曝光，直到F5.6为止(图13中位置A03到E03)。然后，ND滤光器9f以高速插入，使得ND滤光器9f的顶端9f4在任何光阑操作中均不停顿在对应于F5.6的光阑孔径中，也就是说，不进入半覆盖状态(位置F03)。此外，ND滤光器9f然后移向密度渐增方向，以执行最佳曝光控制。

在ND滤光器9f移向全覆盖位置(位置G03)之后，光阑孔径再次变窄，以执行曝光控制(位置H03)，其中在该全覆盖位置G03上，F5.6上的光阑孔径被最大密度部分9f1和渐变密度部分9f2完全覆盖。

另一方面，当物体从亮侧变到暗侧时，从位置H03到位置J03把从位置F03到位置H03的上述操作进行反转，其中在位置J03上，ND滤光器9f的透明部分9f3覆盖F5.6上的光阑孔径。然后，如果物体变暗，ND滤光器9f不移向缩回方向，而是首先加宽光阑孔径以确保最佳曝光。然后，如果即使在光阑孔径被加宽至F4.0(位置K03)时仍未获得最佳曝光，则ND滤光器9f缩回(位置L03)。同样，此时ND滤光器9f高速缩回，以便ND滤光器9f的顶端9f4在任何光阑操作中均不停顿在F4.0的光阑孔径中。

因而，在本实施例中，使ND滤光器9f插入时的物体亮度(第一测光值)与ND滤光器9f缩回时的物体亮度(第二测光值)不同。此外，如果ND滤光器9f的透明部分9f3完全覆盖光阑孔径的状态(透明部分插入状态)中物体亮度在第一测光值与第二测光值之间变化，则改变光阑孔径的大小。这防止了重复ND滤光器9f的插入和缩回时的不规则振荡。

在本实施例中，已对当ND滤光器9f插入时光阑孔径是F5.6，并且当ND滤光器9f缩回时光阑孔径是F4.0的情况进行了描述，但是也可以自由地选择F值。

【实施例3】

为了防止在实施例2中描述的ND滤光器9f的不规则振荡，可以采用不同于实施例2的方法。

具体地，当物体亮度在透明部分插入状态中在第一测光值和第二测光值之间变化时，可以改变图像拾取元件15的电子快门控制中的快门速度，以防止不规则振荡并获得适当的曝光。

例如，当ND滤光器9f插入时，依据物体亮度(第一测光值)和光阑孔径(F5.6)把电子快门速度设为1/250秒。当ND滤光器9f缩回时，依据物体亮度(第二测光值)和光阑孔径(F4.0)把电子快门速度设为1/125秒。当测光值在透明部分插入状态中在第一测光值和第二测光值之间变化时，电子快门速度在1/250秒和1/125秒之间变化，而不使ND滤光器9f缩回。这可以防止不规则振荡并获得适当的曝光。

在实施例2中通过改变光阑孔径来防止不规则振荡的方法和在本实施例中通过改变电子快门速度的方法可以组合使用。

【实施例4】

现在，将参考图14对作为本发明实施例4的光量调整单元9(光量调整装置)的控制方法进行描述。图14示出了本实施例中光量调整单元9透射的光量(T值)和透镜镜筒部分的MTF之间的关系。在本实施例中，用于ND滤光器9f的插入和缩回的光阑孔径是对应于F5.6的光阑孔径。图14示出了控制ND滤光器9f的光阑孔径和插入状态，以便在本实施例中按照位置A到I的顺序减小光量调整单元9透射光量。位置A是完全打开状态，从位置A到对应于F5.6的位置E，减小光阑孔径的面积以减小的光量。从位置A到位置E，MTF曾经从位置A增加并且随后减小。在位置E上的MTF是40％，并且没有识别出图像质量的下降，这在正常使用中没有问题，其中在位置A到位置E中，位置E上的MTF最小。

在位置E中，暂停驱动光阑叶片9a，然后不考虑光量控制而在短时间内插入ND滤光器9f的透明部分9f3。因而，如实施例1中所述，可以在由ND滤光器的厚度梯级(光学路径长度的差)导致的MTF恶化按照惯例已成为问题的位置之间防止MTF的恶化。可以在这些位置之间确保平坦的MTF值。

在位置F上，ND滤光器9f的插入从位置E推进，渐变密度部分9f2被插入到F5.6上的光阑孔径的中间位置上。在这种状态下，透明部分9f3从中间位置完全覆盖顶端部分。这可以防止由ND滤光器9f的厚度梯级导致的MTF的恶化。

同样，在ND滤光器9f的插入进一步推进的位置G到H中，渐变密度部分9f2与最大密度部分9f1中的密度差没有导致MTF的恶化，从而允许ND滤光器9f在没有图像质量下降的情况下执行光量控制。

因而，在所述的从完全打开状态的位置A到最大密度部分9f1完全覆盖F5.6上的光阑孔径的位置H中，在没有所讨论的MTF恶化(恶化到低于40％或30％的值)的情况下执行光量控制。

【实施例5】

图15示出了本发明实施例5的光量调整单元的示意性结构。在本实施例的光量调整单元中，光阑机构的结构与实施例1中的相同，但是ND滤光器的形状不同于实施例1中的形状。

图16示出了本实施例的光量调整单元在每一操作位置中的状态。在操作位置A02到I02中的状态基本上与实施例1中的相同。然而，由于ND滤光器的形状不同于实施例1，在位置A02和B02中由ND滤光器的顶端部分覆盖的光阑孔径的部分不同于实施例1。光量调整单元的控制方法与实施例1中的相同。

在图15和16中，附图标记9f′表示具有透明部分的渐变ND滤光器。如同实施例1，ND滤光器9f′按照从插入到光学路径的方向从顶端起具有透明部分9f3、渐变密度部分9f2、以及最大密度部分9f1·同样，在本实施例中，透明部分9f3对应于第一部件，并且渐变密度部分9f2与最大密度部分9f3对应于透光率低于第一部件的第二部件。

在图15中，附图标记D表示完全打开的光阑孔径(固定的光阑孔径)。附图标记S1表示在完全打开的光阑孔径上由两个光阑叶片形成的孔径形状。

由光阑叶片形成的孔径具有相对于光阑孔径的中心(光轴)纵向和横向对称的形状，并且由线状部分S11和S12以及弓形部分S13组成。提供线状部分S11和S12来形成当使两个光阑叶片变窄时如图16所示的多边形(菱形)孔径，并且线状部分S11和S12相对于通过光阑孔径中心的垂直面V倾斜相同的角度。线状部分S11和S12还相对于通过光阑孔径中心的水平面H倾斜相同的角度。

另一方面，与实施例1到4不同，在插入到光学路径的方向(第一方向)上，不同于与ND滤光器9f′的光入射/出射面平行且与插入方向垂直(第二方向)延伸的线状形状，形成ND滤光器9f′的透明部分的顶端。具体地，在从相对端的插入方向，第二方向的中心部分具有所谓的倾斜型突起。第二方向可以被称为平行于图1和3中所示的图像拾取元件15的扫描线的方向(即，扫描线方向)。

附图标记N11和N12表示形成顶端的线状部分，其相对于通过光阑孔径中心的垂直面V倾斜相同的角度。线状部分还相对于通过光阑孔径中心的水平面H倾斜相同的角度。在垂直面上线状部分N11和N12相交的顶点部分在顶端的插入方向上最突出。如图15所示，在ND滤光器9f′的顶端中包括顶点部分的中心部分被放置在面对完全打开光阑孔径D(光学路径)的区域中，并且相对端相对于完全光阑孔径D缩回。顶点部分可以由具有小曲率半径的曲线构成，使得在线状部分N11和N12之间的交叉点上不形成角度。

线状部分N11和N12与光阑叶片的线状部分S11和S12形成菱形。具体地，线状部分S11和S12形成的角度与线状部分N11和N12形成的角度相同。换句话说，线状部分N11和N12在ND滤光器9f′顶端相对于第二方向(水平面H)形成的角度与光阑叶片的线状部分S11和S12相对于第二方向形成的角度相同。这对应于如下构造，其中，如图16中的位置F02所示，当形成具有相对于水平面H倾斜的孔径边缘的菱形光阑孔径时，形成与孔径边缘具有相同倾斜角度的ND滤光器9f′的顶端。

在此“相同”指的是0°到10°的差的范围。在本实施例中，线状部分S11和S12形成的角度与线状部分N11和N12形成的角度均被设为120°。

当点光源形式的高亮物体存在于图像拾取区域中时，产生倾斜角度方向上光阑叶片的线状部分S11和S12上衍射的光束、以及倾斜角度方向上ND滤光器9f′的线状部分N11和N12的光束。然而，在本实施例中，在不同于水平方向的相同方向上产生这两种光束。

这可以防止在垂直方向上的光束，当ND滤光器9f的顶端具有如实施例1到4所示的水平线状形状时，易于产生这种光束。在本实施例中，在沿着光阑叶片的线状部分的倾斜角度方向的方向上产生该光束，并且自然作为拾取图像中光束的产生状态。

换句话说，本实施例可以防止尽管使用了诸如CMOS传感器之类的无拖尾的图像拾取元件，在垂直方向上产生该光束，而拾取诸如拖尾图像之类的不自然图像。

在本实施例中，ND滤光器的顶端通过两条线的组合形成为角形，但是顶端还可以被形成为弓形、或者线状形状与弓形组合的形状。

另外，依据每一个实施例，可以对ND滤光器进行操作以便防止ND滤光器仅覆盖第一孔径的一部分的状态(半覆盖状态)。这可以可靠地防止由半覆盖状态所导致的图像质量的下降。

依据每一个实施例，当ND滤光器的第二部件被插入到孔径中或者从孔径中缩回时，可以用第一部件覆盖第一孔径，从而防止由对应于ND滤光器厚度的光学路径长度之差所导致的图像质量的下降。

此外，在实施例5中，将ND滤光器的顶端形成得以便具有不同于在第二方向(平行于ND滤光器的光入射/出射面、且垂直于第一方向或图像拾取元件的扫描方向)上延伸的线状形状的形状。这可以防止垂直方向上的光束，当ND滤光器具有简单的水平线状顶端形状时易于产生这种光束。这可以防止由不自然产生的光束所导致的图像质量的下降，同时减小了光量调整装置的尺寸从而减小光学设备的尺寸。

已对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明不限于这些实施例，可以进行各种变化或改变。

例如，在实施例中，已对集成透镜的摄影机进行了描述，但是本发明也可以被应用到其他的光学设备中，诸如集成透镜的数字静态照相机或者可互换透镜。

此外，本发明不限于这些优选实施例并且可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种变化或修改。

Claims (9)

1、一种光学设备，包括：

具有大小可变的孔径的孔径光阑；

可相对于孔径光阑的孔径移动的ND滤光器；

驱动ND滤光器的传动器；以及

控制该传动器的控制器，

其中，ND滤光器包括其大小可以完全覆盖第一孔径的第一部件，其中该第一孔径是孔径光阑变窄的孔径，以及

控制器控制传动器，使得ND滤光器在任何光阑操作中没有停顿地在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置上所述第一部件相对于孔径光阑变窄的第一孔径缩回，在第二位置上所述第一部件完全覆盖第一孔径。

2、如权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一部件具有75％或更高的透光率。

3、如权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一部件包括透光率为75％或更高的部分、以及在ND滤光器的移动方向上与透光率为75％的部分相邻并且透光率小于75％的部分。

4、如权利要求1所述的光学设备，其中，控制器控制传动器，以便依据第一测光值把ND滤光器从第一位置移动到第二位置，并且依据不同于第一测光值的第二测光值把ND滤光器从第二位置移动到第一位置。

5、如权利要求4所述的光学设备，其中，控制器控制孔径光阑，以便当ND滤光器位于第二位置的状态中测光值在第一测光值与第二测光值之间变化时改变孔径的大小。

6、如权利要求4所述的光学设备，进一步包括光电地转换物体图像的图像拾取元件，

其中，控制器执行控制，以便当ND滤光器位于第二位置的状态中测光值在第一测光值和第二测光值之间变化时改变图像拾取元件的电子快门速度。

7、如权利要求1所述的光学设备，其中，ND滤光器包括具有某种透光率的所述第一部件以及透光率小于第一部件的第二部件。

8、如权利要求1所述的光学设备，

其中，当用于覆盖孔径的ND滤光器的移动方向是第一方向，并且平行于ND滤光器的光入射/出射面、且垂直于第一方向的方向是第二方向时，在第一方向上的ND滤光器的顶端具有不同于在第二方向中延伸的线状形状的形状。

9、如权利要求1所述的光学设备，

其中，当用于覆盖孔径的ND滤光器的移动方向是第一方向，并且与图像拾取元件的扫描线方向平行的方向是第二方向时，在第一方向上的ND滤光器的顶端具有不同于在第二方向上延伸的线状形状的形状，其中该图像拾取元件把由已通过孔径光阑的孔径的光所形成的光学图像转换成电信号。

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