CN100533200C - 光学仪器及摄影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学仪器及摄影系统，该光学仪器可以进行由TTL相位差检测方式且光瞳分割方式的高速且高精度的焦点检测。该光学仪器具有第1光学元件，该第1光学元件分割通过第1光学系统的出射光瞳后朝向光电转换元件去的光所包含的第1偏振光成分而使其朝向光电转换元件上的不同受光区域去。另外，另一种光学仪器具有第1光学元件和第2光学元件，该第1光学元件分割通过第1光学系统的出射光瞳后朝向光电转换元件的光所包含的第1光成分而使其朝向光电转换元件上的不同受光区域去；该第2光学元件相对于所述第1光成分分割来自所述第1光学元件的所述光所包含的第2光成分。

Description

光学仪器及摄影系统
技术领域
本发明涉及一种利用光电转换元件而进行自动焦点调节(AF)的光学仪器。
背景技术
在单镜头反光式数字静像照相机中的焦点检测采用即使对于动作迅速的被摄影体也能够进行正确的焦点检测的所谓的光瞳分割方式。
图7中表示的是以往的单镜头反光式数字静像照相机系统的概略构成。摄影者通过目镜104观察被摄物体时，透过摄影镜头120的来自被摄物体的光110的一部分经设于摄影机主体100上的主镜101反射而在焦点板102上形成被摄物体像。在焦点板102上形成的被摄物体像经由五棱镜103和目镜104而被引导入摄影者的眼中。
来自被摄物体的光110的一部分透过主镜101后、由副镜105反射而被引导到焦点检测单元106。焦点检测单元106由场镜、反射镜、光圈掩模、二次成像镜头、受光传感器等构成，受光传感器接受通过摄影镜头120的不同光瞳区域的光束，从构成该受光传感器的一对(或多对)线路传感器分别输出像信号。然后，根据该像信号的相位差，可以检测出摄影镜头120的焦点状态(散焦方向和散焦量)。进一步由检测出的焦点状态计算出摄影镜头120的聚焦透镜123的驱动方向和驱动量，通过驱动聚焦透镜123而取得对焦状态。
另外，在摄影时，主镜101和副镜105退避到光路之外，透过了摄影镜头120的来自被摄物体的光被引导至图像传感器108。
然而，在如所述那样的TTL(Through the Taking Lens)的相位差检测方式且光瞳分割方式的焦点检测方法中，由于必须有焦点检测专用的传感器和二次成像光学系统，所以难以实现照相机的小型化和低成本化。
因此，最近提出一种数字静像照相机，该数字静像照相机利用用于拍摄被摄物体而设置的图像传感器来进行TTL相位差检测方式和光瞳分割方式的焦点检测。例如，日本特开平9-43507号公报中公开了一种焦点检测方法，在摄影镜头的光瞳近旁处，插入使来自该光瞳的一部分的光通过的掩模，利用来自与通过切换该掩模的开口位置而形成的两个像相应的图像传感器的信号来进行焦点检测。
另外，还提出一种焦点检测系统(日本特开2004-46132号公报)，该焦点检测系统是将图像传感器的一部分作为AF用传感器领域，在该领域中，引导由设置在摄影光学系统内的裂像棱镜而分割出的2个光束的焦点检测系统。
还提出一种结构，该结构是通过将全息照相光学元件配置于比一次成像面靠近物体的一侧，从而实现TTL相位差方式的AF的结构(日本特开平4-147207号公报)。
但是，日本特开平9-43507号公报提出的焦点检测方法中，是两次读出图像传感器的输出(像信号)、并比较这些像信号而进行焦点检测的；该图像传感器的输出(像信号)是由图像传感器检测通过使掩模的开口位置变化、而通过了摄影镜头的不同光瞳区域的光的像而得到的。为此，切换掩模的开口位置和读出来自图像传感器的两个像信号都需要一定的时间，不适用于针对动作迅速的被摄物体的焦点检测。
另外，日本特开2004-46132号公报提出的使用裂像棱镜的方法中，与TTL相位差检测方式不同，需要比裂像棱镜大的像。另外，裂像棱镜的边界线上的像的形状若不是直线，则即使是对焦状态也会判断成非对焦等，在进行焦点检测上还有制约，不能取得与TTL相位差检测方式同等的焦点检测性能。
另外，日本特开平4-147207号公报提出的使用全息照相光学元件的方法，虽然原理上与TTL相位差检测方式相同，但在判断焦点状态上形成重要的光瞳分割方向上的两个像(AF像)时，由于使用的是色分散大的全息照相光学元件，所以不能取得像差少的像，则在进行焦点检测上没有现实性。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可以采用TTL相位差检测方式且光瞳分割方式进行高速且高精度的焦点检测的光学仪器。
本发明的一种光学仪器，具有分割第1偏振光成分而在光电转换元件上的相互不同区域形成用于检测相位差的像的第1光学偏转元件；该第1偏振光成分包含于通过第1光学系统的出射光瞳后朝向光电转换元件去的光；
所述第1光学偏转元件具有单轴性透光材料部和偏振光膜、多个衍射光栅；其中，该单轴性透光材料部具有特定的光轴方向，该偏振光膜具有与所述单轴性透光材料部的上述光轴方向大致正交的偏振光轴方向，并且具有多个开口区域，该多个衍射光栅分别具有炫耀形状，且炫耀方向各不相同。
另外，本发明的另一种光学仪器，具有第1光学偏转元件和第2光学元件；该第1光学偏转元件分割通过第1光学系统的出射光瞳后朝向光电转换元件去的光所包含的第1光成分而在上述光电转换元件上的相互不同的区域形成用于检测相位差的像；该第2光学元件相对所述第1光成分分离来自所述第1光学偏转元件的所述光所包含的第2光成分。
通过参照以下附图说明优选实施例，将可清楚地了解本发明的其它目的或特征。
附图说明
图1是表示作为本发明的实施例1的照相机系统的构成的示意图。
图2是表示实施例1中光路的示意图。
图3A～3D是表示实施例1中的光学偏转元件的构成及其制造方法的说明图。
图4A、4B是表示实施例1中的焦点检测及用取景器观察时的光路的示意图。
图5是表示实施例1的焦点检测原理的说明图。
图6是表示作为本发明的实施例2的照相机系统的构成的示意图。
图7是表示现有的照相机系统的构成的示意图。
具体实施方式
下面参照附图，说明本发明的优选实施例。
【实施例1】
图1中表示的是作为本发明的实施例的单镜头反光式数字静像照相机系统的概略构成。另外，对与图6中所示的以往的照相机系统通用的构成元件标注与图7相同的附图标记。
300是照相机主体(光学仪器)，该照相机主体300的安装部111上通过镜头安装部121安装有摄影镜头(交换镜头)120。
摄影镜头120上设有摄影光学系统125和未图示的MPU等镜头控制电路等，该摄影光学系统125作为第1光学系统由包括聚焦透镜123在内的多个透镜及光圈124所构成。该镜头控制电路能够通过镜头侧接点122和照相机侧接点112、与设在照相机主体300上的MPU等照相机控制电路309通信。另外，照相机控制电路309具有图像处理功能，同时还具有焦点检测功能，该图像处理功能是指根据来自后述的摄像元件108的信号而生成被摄物体像，该焦点检测功能是指根据来自摄像元件108的信号检测摄影光学系统125的焦点状态、并运算聚焦透镜123的驱动量。
在照相机主体300中，200是作为第1光学元件的光学偏转元件，在后面说明其具体构成。另外，108是作为由CCD传感器、CMOS传感器等构成的光电转换元件的摄像元件(图像传感器)，在光学偏转元件200与摄像元件108之间配置有作为第2光学元件的偏振光分光束镜301。另外，摄像元件108的正前方设有红外线滤光器及低通滤波器107。
102是焦点板，103是将形成于焦点板102上的被摄物体像引导到目镜104的五棱镜，由该焦点板102、五棱镜103及目镜104构成了作为第2光学系统的取景器光学系统。
图2中表示检测在所述照相机系统中的摄影光学系统125的焦点状态(焦点检测)时的光路。
透过摄影光学系统125的来自被摄物体的光110首先入射到光学偏转元件200上。该光110是无偏振光的光。在光学偏转元件200中，使该光100中的具有相对于图中z-x平面平行的偏振光面的第1偏振光成分的一部分(以下称为+偏转光)211朝向图中+y方向偏转透过。偏振光分光束镜301具有透过该第1偏振光成分、反射具有相对于图中z-x平面正交(即与y-z平面平行的)的偏振光面的第2偏振光成分的特性。
由此，该第1偏振光成分的+偏转光211透过偏振光分光束镜301向摄像元件108的图中上侧的受光区域聚光。另外，第1偏振光成分的一部分(以下称为-偏转光)212被偏转向图中-y方向，并透过偏振光分光束镜301向摄像元件108的图中下侧的受光区域聚光。
到达了摄像元件108的第1偏振光成分的+偏转光211和-偏转光212是通过了摄影光学系统125的出射光瞳上的不同区域的光。由此，由这些+偏转光211和-偏转光212在摄像元件108上形成一对像，根据相应于该一对像的来自摄像元件108的输出信号(像信号)可以进行光瞳分割方式的焦点检测。
另一方面，所述光110所包含的第2偏振光成分210原样不变地直线前进而透过光学偏转元件200，由作为第2光学元件的偏振光分光束镜301反射后向焦点板102上聚光而形成被摄物体像。由此，即使在利用第1偏振光成分(+偏转光211和-偏转光212)进行焦点检测时，摄影者也可以通过取景器光学系统观察被摄物体像。
在此，参照图3A～3D说明光学偏转元件200的构成及制造方法。如图3D所示，光学偏转元件200由从光入射侧依次配置的形成有炫耀衍射光栅的树脂基板201、配置于衍射光栅的光栅槽部(谷部)的液晶202、如图3C所示在其一部分上形成有开口204a、204b的偏振光膜204、及粘贴有该偏振光膜204的玻璃基板203所构成。
如图3A所示，树脂基板201上形成有光栅槽为方向相同、炫耀方向相互不同的第1衍射光栅201a和第2衍射光栅201b。这些炫耀衍射光栅201a、201b是用模具将其与树脂基板201成型为一体的成形方法制造的。
如图3B所示，在这样的树脂基板201中的两个衍射光栅201a、201b的光栅槽部中填充作为单轴性透光材料的液晶202。在此，该液晶202的标准折射率no被选择成与树脂基板201的折射率ng大致一致。
首先，在衍射光栅201a、201b的表面上涂敷聚酰亚胺等的定向膜进行定向处理。然后，在光栅槽部填充UV固化型液晶202并通过对其加热而除去溶剂后，照射紫外线使液晶202固化。此时，液晶高分子的分子轴定向为与衍射光栅201a、201b的光栅槽方向(x方向)大致平行。在图3B中，以棒状表示液晶高分子的分子轴。液晶高分子的分子轴方向与对于偏振光的光轴方向基本一致。
在光栅槽部填充有液晶202、并固化了的树脂基板201的液晶202侧粘合已粘贴有偏振光膜204的玻璃基板203。形成于偏振光膜204上的开口204a、204b分别被配置在与衍射光栅201a、202b对应的区域。开口204a、204b配置于相对于含有光轴(z轴)的y-z平面对称的位置。另外，偏振光膜204配置成其偏振光轴(光轴)方向与填充于光栅槽中的液晶202的光轴方向大致正交。
其次，参照图4A及图4B说明一边由取景器光学系统观察被摄物体像一边进行光瞳分割方式的焦点检测的方法。
在图4A、4B中表示分离用于取景器观察的第2偏振光成分210和用于焦点检测的第1偏振光成分(+偏转光211和-偏转光212)的状态。
在图4A中表示与通过设于光学偏转元件200上的偏振光膜204的开口204a的中心的z-x平面正交的面上的光路。通过摄影光学系统125的出射光瞳的一部分区域(第1区域)、再透过了衍射光栅201a的光(第1及第2偏振光成分)向偏振光膜204的开口204a入射。偏振光膜204的偏振光轴方向被设定为可吸收具有与图中z-x平面平行的偏振光面的第1偏振光成分。
将配置于衍射光栅201a的光栅槽部的液晶202的分子轴取向为与光栅槽部方向(x方向)大致平行。由于液晶202的异常折射率ne相对树脂基板201的折射率ng的关系是：
ne>ng  ...(1)
所以具有与液晶202的分子轴大致平行的偏振光面(与z-x面平行的偏振光面)的第1偏振光成分被偏转向图中+y方向。虽然透过了液晶202的第1偏振光成分的一部分由偏振光膜204所吸收，但透过了偏振光膜204的开口204a及玻璃基板203的第1偏振光成分中的+偏转光211透过偏振光分光束镜301而到达摄像元件108的图中上侧的受光区域。
例如，在树脂基板201的折射率ng为1.5、液晶202的异常折射率ne为1.7、+偏转光211的必要偏转角φ为8°的场合，通过将衍射光栅201a、201b的光栅间距p设定为4μm、将树脂基板201的倾斜角θ设定为35°，从而得到希望的偏转角φ。
另外，在图4B中表示与通过设于光学偏转元件200上的偏振光膜204的开口204a的中心的z-x平面正交的面上的光路。通过了摄影光学系统125的出射光瞳的其他部分区域(第2区域)的光(第1及第2偏振光成分)入射至偏振光膜204的开口204b上。
将配置在衍射光栅201b的光栅槽部中的液晶202的分子轴取向为与光栅槽方向(x方向)大致平行，因为树脂基本201的折射率ng与液晶202的异常折射率ne处于所述式子(1)的关系，所以具有与液晶202的分子轴大致平行的偏振光面(与z-x平面平行的偏振光面)的第1偏振光成分被偏转向图中-y方向。虽然透过液晶202的第1偏振光成分的一部分被偏振光膜204吸收，但透过了偏振光膜204的开口204b及玻璃基板203的第1偏振光成分的-偏转光212透过偏振光分光束镜301而到达摄像元件108的图中下侧的受光区域。
另一方面，由于液晶202的标准折射率no相对树脂基板201的折射率ng的关系是：
no≈ng  ...(2)
所以具有与液晶202的分子轴正交的偏振光面(与y-z平面平行的偏振光面)的第2偏振光成分210不受衍射光栅201a、201b的偏转作用而直线前进。并且，该第2偏振光成分210由偏振光分光束镜301反射而聚光至焦点板102上形成被摄物体像。形成于焦点板102上的被摄物体像通过五棱镜103及目镜104而被摄影者观察到。
然后，参照图5A、5B说明利用所述+偏转光211和-偏转光212进行焦点检测的原理。图5A中表示摄影光学系统125相对某被摄物体处于对焦状态时的光路。透过摄影光学系统125入射到光学偏转元件200的光中，作为具有与图中z-x平面平行的偏振光面的第1偏振光成分的、通过了偏振光膜204的开口204a、204b的+偏转光211和-偏转光212透过图5中未示出的偏振光分光束镜301后，在摄像元件108上成像。此时，对应于由+偏转光211和-偏转光212形成的两个像的、来自在摄像元件108中沿x方向延伸的规定的2条线的像信号为如图5所示状态。
虽然+偏转光211和-偏转光212通过摄影光学系统125的出射光瞳上的不同区域，但由于摄影光学系统125处于相对于被摄物体对焦的状态，所以由通过了开口204a的+偏转光211形成的像(像信号)A和由通过了开口204b的-偏转光212形成的像(像信号)B在摄像元件108的x方向上重合。
另外，图5B中表示摄影光学系统125相对被摄物体处于所谓前焦点状态时的光路。+偏转光211和-偏转光212在摄像元件108的跟前一次成像后发散而到达摄像元件108。此时，对应于由+偏转光211和-偏转光212形成的两个像的、来自所述2条线的像信号为如图5E所示状态。
因为摄影光学系统125处于前焦点状态，所以由通过了开口204a的+偏转光211形成的像(像信号)A和由通过了开口204b的-偏转光212形成的像(像信号)B在摄像元件108的-x方向上错开。由此，根据该错开的方向与像A与像B其间的位置关系(相位差)，通过图1所示的照相机控制电路309检测摄影光学系统125的散焦方向(前焦点方向)及散焦量。
另外，图5C中表示摄影光学系统125相对于被摄物体处于所谓后焦点状态时的光路。+偏转光211和-偏转光212以其光束扩展的状态到达摄像元件108。此时，对应于由+偏转光211和-偏转光212形成的两个像的、来自所述2条线的像信号为如图5F所示状态。
因为摄影光学系统125处于后焦点状态，所以由通过了开口204a的+偏转光211形成的像(像信号)A和由通过了开口204b的-偏转光212形成的像(像信号)B在摄像元件108的+x方向上错开。由此，根据该错开的方向与像A与像B其间的位置关系(相位差)，通过图1所示的照相机控制电路309检测摄影光学系统125的散焦方向(后焦点方向)及散焦量。
照相机控制电路309根据检测出的散焦方向及散焦量运算用于获得图1所示的聚焦透镜123的对焦状态的驱动方向及驱动量，通过未图示的镜头控制电路来控制该聚焦透镜123的驱动。
另外，由于本实施例中的光学偏转元件200具有偏振光特性，若被摄物体有偏振光特性则将受其影像。因此，为消除被摄物体的偏振光特性，最好在光学偏转元件200的光入射侧设置1/2波长板，根据需要使向光学偏转元件200入射的光的偏振光面(偏振光方向)旋转。
如上述用取景器观察的同时、进行焦点检测及AF控制后，通过摄像元件108拍摄被摄物体像时，使光学偏转元件200和偏振光分光束镜301退避至从摄影光学系统125到摄像元件108之间的光路以外。
如以上说明，采用本实施例，可以一边通过取景光学系统确认被摄物体，一边利用摄像元件进行焦点检测，同时，不需要焦点检测专用的传感器或光学系统，可以实现照相机的小型化、低成本化。
而且，因为是通过被光学偏转元件偏转了的2束光束在摄像元件上形成两个像，所以可以通过从摄像元件的一次的像信号的读出而进行焦点检测，即使对动作迅速的被摄物体也可以进行精度优良的焦点检测。
另外，因为光学偏转元件将通过摄影光学系统的不同光瞳领域的光偏转向不同方向，所以可以根据由偏转后的各光所形成的像而进行TTL相位差检测方式且光瞳分割方式的焦点检测。
另外，通过将光学偏转元件构成为偏转分离第1偏振光成分使之用于形成焦点检测像、另一方面使此外的第2偏振光成分原样不变地透过，从而可以由第2偏振光成分形成取景器像，可获得不失真的取景像。
另外，通过用原样不变地透过光学偏转元件、并用由偏振光分光束镜反射的第2偏振光成分形成取景器像，从而可以抑止取景器像的光量降低。
另外，通过使偏振光分光束镜及光学偏转元件可以退避到摄影光学系统与摄像元件之间的光路以外，从而可以摄影到没有由偏振光分光束镜或光学偏转元件导致的失真或光量降低的被摄物体图像。
并且，由于光学偏转元件是由炫耀方向不同的第1及第2炫耀衍射光栅、单轴性透光材料和偏振光膜所构成，所以可以提供用于进行光瞳分割方式的焦点检测的廉价的光学元件。
虽然在所述实施例1中说明的是在照相机主体内同时设置光学偏转元件200和偏振光分光束镜301的情形，但也可以如图6所示，可以将光学偏转元件200配置在摄影镜头(交换镜头)420内的光瞳位置(光圈124的位置)或其近旁处。
并且，虽然在所述实施例1、2中说明的是镜头交换式的单镜头反光式照相机系统，但本发明也可适用于这之外的照相机系统(例如，镜头一体型的照相机系统)。
另外，虽然在所述各实施例中说明的是通过光学偏转元件200分别使第1偏振光成分的一部分偏转向+y方向、使另一部分偏转向-y方向，也可以仅使一部分偏转、另一部分不偏转地向摄像元件108导入。在该场合，一对像将形成于例如摄像元件的上部和中央处。
另外，虽然在所述各实施例中说明的是使+偏转光211和-偏转光212向与这些偏振光所通过的摄影光学系统的光瞳区域的分割方向相同的方向偏转的场合，但各偏转光的偏转方向并不限于此。
另外，虽然在所述各实施例中说明的是由2个偏转光211、212而在摄像元件108上形成两个像的场合，但也可以增加偏转光的数量或其偏转方向使其形成4个等更多的像。
并且，虽然在所述实施例中说明的是使用具有炫耀衍射光栅的光学偏转元件200的场合，但也可以使用这样的炫耀衍射光栅之外的、具有偏转光束作用且少发生色差的元件来构成光学偏转元件。另外，虽然是对所述实施例中所示的光学偏转元件在其衍射光栅的光栅槽部配置了液晶的场合进行了说明，但衍射光栅和液晶间的配置关系不限于此，也可以配置成将在玻璃基板之间封入了液晶的部件与衍射光栅(树脂基板)邻接。
另外，虽然在所述实施例中是对使用利用偏振光特性分割入射光的一部分、并在摄像元件108上形成两个像的光学偏转元件200的场合进行了说明，但作为本发明的第1光学元件，也可以使用利用偏振光特性以外的光学特性(例如波长特性)来分割入射光的一部分的光学偏转元件。
如以上说明，根据所述各实施例，因为分割向第1光学元件入射的第1偏振光成分而同时在光电转换元件上形成一对像，与切换掩模的开口位置的情况等相比，可以以高速取得信号。而且，与使用裂像棱镜或全息照相光学元件的情况相比，可以形成适合于焦点检测的色差小的一对像。因此，可以进行由TTL相位差检测方式且光瞳分割方式的高速且高精度的焦点检测。
另外，通过将来自第1光学元件的光中包含的第2光成分(例如第2偏振光成分)与朝向光电转换元件去的第1光成分分离(例如第1偏振光成分)，从而可在光电转化元件上仅形成所述一对像，同时，可以将第2光成分用作取景器观察等其他用途。

Claims (8)

1.一种光学仪器，其特征在于，具有分割第1偏振光成分而在光电转换元件上的相互不同区域形成用于检测相位差的像的第1光学偏转元件；该第1偏振光成分包含于通过第1光学系统的出射光瞳后朝向光电转换元件去的光；
所述第1光学偏转元件具有单轴性透光材料部和偏振光膜、多个衍射光栅；其中，该单轴性透光材料部具有特定的光轴方向，该偏振光膜具有与所述单轴性透光材料部的上述光轴方向大致正交的偏振光轴方向，并且具有多个开口区域，该多个衍射光栅分别具有炫耀形状，且炫耀方向各不相同。
2.根据权利要求1所述的光学仪器，其特征在于，所述第1光学偏转元件使通过了所述出射光瞳中第1区域的所述第1偏振光成分朝向所述光电转换元件上的第1区域去，并使通过了所述出射光瞳中第2区域的所述第1偏振光成分朝向所述光电转换元件上的第2区域。
3.根据权利要求1所述的光学仪器，其特征在于，该光学仪器具有摄像元件作为所述光电转换元件，该摄像元件用于对由所述第1光学系统形成的被摄物体像进行摄影。
4.根据权利要求1所述的光学仪器，其特征在于，具有根据所述相位差检测所述第1光学系统的焦点状态的焦点检测装置。
5.根据权利要求1所述的光学仪器，其特征在于，具有第2光学元件，该第2光学元件相对于所述第1偏振光成分分离来自所述第1光学偏转元件的所述光所含有的第2偏振光成分。
6.根据权利要求5所述的光学仪器，其特征在于，所述第2光学元件使所述第2偏振光成分入射到第2光学系统。
7.根据权利要求5所述的光学仪器，其特征在于，所述第1光学偏转元件及所述第2光学元件可以在从所述第1光学系统朝向所述光电转换元件的光路的内外移动。
8.一种摄影系统，其特征在于，包括：具有第1光学系统的镜头装置；摄影装置，其是安装所述镜头装置的、权利要求1至7中任一项所述的光学仪器。
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