CN102436056A - 测距装置、透镜系统以及摄影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测距装置、透镜系统以及摄影装置。该测距装置根据三角测距的原理测定到达由摄影装置摄影的被摄影体的距离，该测距装置具有测定单元，该测定单元将到达上述被摄影体的距离的能够测距的最远距离设为不小于上述摄影装置的超焦距的最大值的1/2。

Description

测距装置、透镜系统以及摄影装置

技术领域

本发明涉及能够安装于具有自动焦点调节功能的摄影装置中的测距装置、具备该测距装置的透镜系统以及摄影装置。

背景技术

在摄影装置的自动焦点调节中进行的步骤大致分类为焦点检测步骤和焦点调节步骤这二个步骤。在焦点检测步骤中，为了得到高精度的被摄影体信息，有时使用从摄影装置中独立出来的测距装置。该测距装置有的为了进行焦点检测而利用三角测距的原理。在三角测距的原理中，有利用对象物所发出的光进行焦点检测的无源型、和通过检测从装置侧向对象物投射的光的反射而进行测距的有源型。另一方面，在焦点调节步骤中，根据上述焦点检测的结果进行光学系统的聚焦。这样，在摄影装置的自动焦点调节中，为了高精度地检测被摄影体信息，需要与摄影系统分开设置测距系统。因此，在摄影装置中，由于与摄影系统分开搭载测距系统，从而产生了摄影装置整体大型化等状况。

以往，针对这样的状况提出有如下方案：将测距传感器和测光传感器配置在同一基板上，并且，将独立地设置的多个测距透镜和测光透镜一体形成的测距/测光装置(例如，参照日本特开2004-12863号公报)。另外，将包含测距透镜的测距光学系统作为成像系统，将包含测光透镜的测光光学系统作为非成像系统。根据该测距/测光装置，即使将测距光学系统和测光光学系统构成为一个装置，也能够进行高精度的测距、测光，并且能够实现小型化、低成本化。

在上述以往技术中，通过提供如下所述的测距装置(或者测光装置)而实现了小型化，该测距装置(或者测光装置)缓和了由于测距透镜和测光透镜成为一体构造而产生的光学性的限制、测光透镜的必要视场角对测距透镜的限制。另外，通过缓和与上述小型化相伴的限制，测距/测光的精度也得以实现。不过，测距装置的精度必须与搭载该测距装置的摄影装置的变焦镜头侧所要求的聚焦精度对应。但是，在基于上述以往技术的测距装置中，不容易满足与该变焦镜头侧所要求的聚焦精度对应的测距规格。

发明内容

本发明就是鉴于这样的状况而提出的，提供一种满足与摄影装置的变焦镜头侧所要求的聚焦精度对应的测距规格的测距装置。

本发明提供一种测距装置，根据三角测距的原理测定到达由摄影装置拍摄的被摄影体的距离，其特征在于：

具有测定单元，该测定单元将到上述被摄影体的距离的能够测距的最远距离设为不小于上述摄影装置的超焦距的最大值的1/2。

根据该结构，能够通过上述测距装置得到能在摄影装置的整个变焦区域中聚焦的测距精度。

另外，上述测定单元具有一对透镜和一对传感器，该一对传感器通过上述一对透镜分别形成上述被摄影体的像，

在设上述摄影装置的超焦距的最大值为H、上述一对透镜的焦距为fs、由上述一对透镜的光轴间的距离确定的基线长度为ls、上述传感器的位移量的最小分辨率为ds时，优选满足下式的条件。

[数式1]

0.06≤(H·ds)/(2·ls·fs)≤2.5...(1)

其中，H＝fit²/(δ·Fnot)

fit：摄影装置的最大焦距

δ：摄影装置的散光圈(circle of confusion)

Font：摄影装置的fit中的F值

根据本发明，因为能够得到满足在具有自动焦点调节功能的摄影装置的整个变焦区域中要求的测距精度的测距装置，所以通过本发明的测距装置起到能够提高摄影装置的聚焦精度的效果。

本发明的进一步的特征能够通过参照附图并结合以下典型的实施方式而加以明确。

附图说明

图1是无源型测距装置的概念图。

图2A和图2B是表示在和摄影装置的关系中要求的无源型测距装置的测距精度的条件的概念图。

图3A和图3B是表示本发明的无源型测距装置的测距精度的概念图。

图4是本发明的测距装置的实施例1的透镜的结构。

图5是正交于图4的透镜基线长度的方向的各像差。

图6是图4的透镜基线长度方向的各像差。

图7是本发明的测距装置的实施例2的透镜的结构。

图8是正交于图7的透镜基线长度的方向的各像差。

图9是图7的透镜基线长度方向的各像差。

图10是本发明的测距装置的实施例3的透镜的结构。

图11是正交于图10的透镜基线长度的方向的各像差。

图12是图10的透镜基线长度方向的各像差。

具体实施方式

在本实施方式中，以下以无源型测距装置为例进行说明，但其并非意在限定于此。因此，只要是采用三角测距的原理的装置，则也可以是有源型测距装置。图1是无源型测距装置的概念图。无源型测距装置具备测定单元，该测定单元具有一对相同规格的透镜G1以及G2、与透镜G1、G2分别对置而并列配置的传感器S1、S2。透镜G1和G2以各自的光轴X1和X2平行的方式并列配置，将光轴X1以及X2之间的距离定义为基线长度ls。将在光轴X1上隔着透镜G1而存在于与传感器S1对置的位置上的被摄影体O的像成像在传感器S1以及S2上。在此，设从透镜G1的主点位置M到被摄影体O的距离为L、透镜G1以及透镜G2的焦距为fs、在传感器S2中所测定的成像点的位置差量为S。于是，根据三角测距的原理，被摄影体距离L通过下式赋予。

L＝(fs·ls)/S

在上述式子中，因为焦距fs和基线长度ls为已知值，所以能够通过求相位差量S而算出被摄影体距离L。

图2是表示在和摄影装置的变焦镜头的关系中要求的无源型测距装置的测距精度条件的概念图。在图2中，设在传感器S2上在和基线长度ls水平的方向上展开的传感器S2的位移量的最小分辨率为ds。另外，设与以上述最小分辨率ds为单位移动的位移量对应的各被摄影体位置为a、b、c，设从透镜G1的主点位置M到各被摄影体的距离为La、Lb、Lc。在此，a是无源型测距装置的能够测距的最远距离。另外，设在各被摄影体位置上由摄影装置所要求的前景深度为a2、b2、c2，设后景深度为a1、b1、c1。

在图2A中，与最小分辨率ds的上述位移量对应地，被摄影体位置a和被摄影体位置b离散地相邻。在该离散地相邻的被摄影体位置a和被摄影体位置b之间的范围内，被摄影体位置a的前景深度a2和被摄影体b的后景深度b1无间隔地连续。因此，如果是以传感器S2的最小分辨率ds为位移量的单位的情况下，即使是不能测距的被摄影体距离间，如果从摄影装置侧看，在该连续的状态时也成为能够连续聚焦的状态。因此，如果是以上那样的结构，则能够进行精度高的聚焦。

另一方面，在图2B中，在被摄影体位置a和被摄影体位置b之间的范围内，在被摄影体位置a的前景深度a2和被摄影体位置b的后景深度b1之间产生有间隔i。因此，在这种情况下，如果从摄影装置侧看，则关于存在于该间隔i的部分的被摄影体成为不能聚焦的区域。因此，如果成为这样的结构，则高精度的聚焦变得困难。

根据图2(1)以及(2)可知，为了设定测距精度高的条件需要满足以下的式子。

a2+h1≥La-Lh

上述无源型测距装置的测定单元只要构成为在摄影装置的整个变焦区域中满足该条件即可。在此，如果设fit为摄影装置的最大焦距、δ为摄影装置的散光圈，并将Fnot设为摄影装置的fit中的F值，则上述式子能够展开为如下所示。

a2＝(δ·Fnot·La²)/(fit²+δ·Fnot·La)

b1＝(δ·Fnot·Lb²)/(fit²-δ·Fnot·Lb)

La＝(fs·ls)/ds

Lb＝(fs·ls)/2ds

如果将H设为摄影装置的超焦距的最大值，即，设为在摄影装置的远视端(telescopic end)成为最大值的超焦距，整理上述算式，则成为下式所示。

H/2≤(fs·ls)/ds

其中，

H＝fit²/(δ·Fnot)

式(1)的右边表示在无源型测距装置中的能够测距的最远距离。因此，如果设为该能够测距的最远距离不小于摄影装置的超焦距的最大值的1/2，则能够在摄影装置侧的整个变焦区域中维持高的测距精度。图3是表示满足式(1)的条件的状态，即本发明的无源型测距装置的测距精度的概念图。如图2A所示那样，图3A示出在被摄影体位置a和被摄影体位置b之间的范围内，被摄影体位置a的前景深度a2和被摄影体位置b的后景深度b1无间隔地连续的状态。此时，超焦距的1/2为被摄影体位置a的位置。因为只要摄影装置的超焦距的最大值的1/2小于等于上述无源型测距装置中能测距的最远距离即可，所以式(1)也可以是图3B所示的状态。即，在被摄影体位置a和被摄影体位置b之间的范围内，被摄影体位置a的前景深度a2的一部分和被摄影体位置b的后景深度b1的一部分也可以是重叠的状态。另外，散光圈δ设为摄影装置的节距(pitch)的2倍。

但是，如果无源型测距装置的基线长度、焦距变小，则测距精度下降，难以确保F值的亮度。另外，无源型测距装置的功率增强，提供光学性能变得困难。另一方面，如果无源型测距装置的基线长度和焦距变大，则在需要确保F值的亮度的情况下，产生装置自身大型化的问题。因此，在将本发明的测距装置实际安装到摄影装置中使用的情况下，作为容许范围优选满足以下的条件式。

[数式1]

0.06≤(H·ds)/(2·ls·fs)≤2.5...(1)

在式(1)中，在数值范围超过1的位置，空出如图2B所示那样的间隔，如果到2.5，则为摄影装置的聚焦没有障碍的范围。

为了实现更高精度的自动焦点调节功能，需要对移动的被摄影体始终连续聚焦。为了提高该移动的被摄影体的跟踪性能，需要通过具备传感器S1、S2的运算被摄影体距离的运算处理电路在短时间内增加测距运算的次数。因此需要在短时间内将规定的光量取入到传感器S1、S2中。因此，通过提高无源型测距装置的F值的亮度，能够在短时间向传感器S1、S2中取入规定的光量。摄影装置的F值也与跟踪性能有关联。因为如果摄影装置的F值暗则景深变深，所以无源型测距装置中的移动被摄影体的跟踪变得容易。相反，因为如果摄影装置的F值明亮则景深变浅，所以基于无源型测距装置对移动的被摄影体的跟踪变得困难。根据以上情况，关于无源型测距装置的受光量，优选满足以下的条件式。

[数式2]

1.06≤Fnot²/(Fnosl·Fnosw)≤32.9...(2)

其中，Fnosl：正交于上述无源型测距装置的基线长度的方向的F值

Fnosw：上述无源型测距装置的基线长度方向的F值

在超过式(2)的上限时，无源型测距装置的F值变亮，装置整体大型化。另外，在低于式(2)的下限时，无源型测距装置的F值变暗，摄影装置的F值变亮，跟踪性能恶化。

因为无源型测距装置的焦距是固定的，所以视场始终一定。与此相对，摄影装置因变焦而视场发生变化。如果无源型测距装置的视场比摄影装置的视场大，则对摄影者本来想测距的被摄影体以外的物体进行测距，这是不适当的。相反，如果无源型测距装置的视场与摄影装置的视场相比过小，则测距的区域变小，难以捕捉摄影者瞄准的被摄影体。由此，需要相对于摄影装置的视场适当地设定无源型测距装置的视场。因此，关于无源型测距装置和摄影装置的视场优选满足以下的条件式。

[数式3]

0.005≤fs/fit≤0.2...(3)

在无源型测距装置的焦距变大时超过条件式(3)的上限，如果要确保F值的亮度则无源型测距装置将大型化。在无源型测距装置的焦距变小时超过条件式(3)的下限，与摄影装置的视场相比无源型测距装置的视场变大。其结果是，对摄影者本来想测距的被摄影体以外的物体进行测距。另外，由于无源型测距装置的焦距变小，所以测距精度降低。进而，由于无源型测距装置的功率增强，提供光学性能变得困难。

如果色像差大则在传感器S1、S2上产生由波长引起的成像位置的偏差，被摄影体被模糊成像。因此，使被摄影体成像的分辨率下降，对空间频率高的被摄影体测距变得困难。因此，关于无源型测距装置的色像差优选满足以下的条件式。

[数式4]

$\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{\mathrm{fsi}\·\mathrm{vsi}}\right|\≤0.002(1/\mathrm{mm})...\left(4\right)$

其中，fsi：构成无源型测距装置的各透镜的焦距

vsi：构成无源型测距装置的各透镜的阿贝值

在无源型测距装置中如果未充分修正色像差，则超过条件式(4)的上限，对空间频率高的被摄影体的测距变得困难。

(实施例)

以下示出无源型测距装置的具体的实施例。无论哪个实施例，无源型测距装置的结构都是从被摄影体侧开始依次为透镜L、光圈P、传感器S，其中在光圈P与传感器S之间隔着传感器的盖玻片。在像差图中，轴上色像差图以及倍率色像差图中的e线、g线是针对各个波长546nm、436nm的像差。ΔS是弧矢(sagittal)，ΔM是子午线(meridional)。另外，图中的Fno表示F值，ω表示半视场角(°)。表中的r表示曲率半径，d表示透镜厚度或者透镜间隔，nd表示波长546nm的折射率，vd表示阿贝值，＊表示非球面。非球面用下式定义。

[数式5]

其中，c是曲率(1/r)，y是距离光轴的高度，k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10...是各次数的非球面系数。

另外，在本实施例中使用的摄影装置的变焦透镜是如下三种。

[变焦镜头1]

摄影装置的最大焦距(fit)100mm

摄影装置的fit的F值(Font)4

摄影装置的散光圈(δ)0.01mm

测距装置的传感器S的位移量的最小分辨率(ds)9.38×10^-5mm

[变焦透镜2]

摄影装置的最大焦距(fit)322mm

摄影装置的fit的F值(Font)5.2

摄影装置的散光圈(δ)0.01mm

测距装置的传感器S的位移量的最小分辨率(ds)9.38×10^-5mm

[变焦透镜3]

摄影装置的最大焦距(fit)1400mm

摄影装置的fit的F值(Font)12

摄影装置的散光圈(δ)0.01mm

测距装置的传感器S的位移量的最小分辨率(ds)5.86×10^-6mm

(第1实施例)

图4是第1实施例的无源型测距装置的结构图，图5是正交于基线长度的方向的各像差，图6是基线长度方向的各像差，表1是与传感器S相关的光学系统的数值数据。第1实施例是从被摄影体侧开始依次为正透镜、负透镜、正透镜的3片结构。表2关于上述变焦透镜1～3示出与各个条件式(1)～(4)的对应的值。

[表1]

[表2]

	变焦透镜1	变焦透镜2	变焦透镜3
				条件式(1)	0.06	0.52	0.27
条件式(2)	3.66	6.17	32.9
				条件式(3)	0.2	0.062	0.014
条件式(4)	3.73-5	3.73-5	3.73-5

(第2实施例)

图7是第2实施例的无源型测距装置的结构图，图8是垂直于基线长度的方向的各像差，图9是基线长度上水平方向的各像差，表3是关于传感器S的光学系统的数值数据。第2实施例是从被摄影体侧开始依次为正透镜、负透镜的2片结构。表4关于上述变焦透镜1～3示出与各个条件式(1)～(4)对应的值。

[表3]

[表4]

	变焦透镜1	变焦透镜2	变焦透镜3
				条件式(1)	0.12	1.00	0.50
条件式(2)	1.78	3.00	16.0
				条件式(3)	0.1	0.031	0.007
条件式(4)	1.98-3	1.98-3	1.98-3

(第3实施例)

图10是第3实施例的无源型测距装置的结构图，图11是垂直于基线长度的方向的各像差，图12是基线长度上水平方向的各像差，表5是与传感器S相关的光学系统的数值数据。第3实施例是1片正透镜的结构。表6关于上述变焦透镜1～3示出与各条件式(1)～(4)对应的值。

[表5]

[表6]

	变焦透镜1	变焦透镜2	变焦透镜3
				条件式(1)	0.31	2.44	1.25
条件式(2)	1.06	1.79	9.55
				条件式(3)	0.09	0.026	0.006
条件式(4)	1.92-3	1.92-3	1.92-3

从表2、表4以及表6可知，实施例1至实施例3中的上述变焦透镜1～3的数值都满足条件式。

另外，上述测距装置可以和变焦透镜一起构成透镜系统，该变焦透镜根据由该测距装置得到的到被摄影体的距离的运算结果进行自动焦点调节，同时，也可以通过该透镜系统和例如CCD、CMOS的成像元件构成摄影装置。

以上，说明了本发明优选的实施方式，但本发明并不限于这些实施方式，在其主旨的范围内能够进行各种变形以及变更。

虽然已经参考示范性的实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不仅限于所公开的示范性实施例。以下权利要求的范围应该被给予最广泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

本申请要求2010年9月15日提交的日本专利申请No.2010-206766的优先权，通过引用将该申请的全部内容并入本文。

Claims (7)

1.一种测距装置，根据三角测距的原理测定到达由摄影装置摄影的被摄影体的距离，其特征在于：

具有测定单元，该测定单元将到达上述被摄影体的能够测量的最远距离设为不小于上述摄影装置的超焦距的最大值的1/2。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于：

上述测定单元具有一对透镜和一对传感器，在该一对传感器上通过上述一对透镜形成上述被摄影体的像，

在设上述摄影装置的超焦距的最大值为H、上述测定单元的上述一对透镜的焦距为fs、以上述测定单元的上述一对透镜的光轴间的距离定义的基线长度为ls、上述测定单元的上述传感器的位移量的最小分辨率为ds时，满足下述条件，

【数式1】

0.06≤(H·ds)/(2·ls·fs)≤2.5...(1)

其中，H＝fit²/(δ·Fnot)

fit：摄影装置的最大焦距

δ：摄影装置的散光圈

Font：在摄影装置的fit中的F值。

3.根据权利要求2所述的测距装置，其特征在于：

在设正交于上述测定单元的上述基线长度的方向的F值为Fnosl、设上述测定单元的上述基线长度方向的F值为Fnosw时，满足下述的条件式

【数式2】

1.06≤Fnot²/(Fnosl·Fnosw)≤32.9...(2)

4.根据权利要求2所述的测距装置，其特征在于：

在设上述测定单元的上述透镜的焦距为fs、上述摄影装置的最大焦距为fit时，满足下述的条件式

【数式3】

0.005≤fs/fit≤0.2...(3)。

5.根据权利要求2所述的测距装置，其特征在于：

在设构成上述测距装置的各透镜的焦距为fsi、设构成上述测距装置的各透镜的阿贝数为vsi时，满足下述的条件式

【数式4】

$\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{\mathrm{fsi}\·\mathrm{vsi}}\right|\≤0.002(1/\mathrm{mm})...\left(4\right)$

6.一种透镜系统，其特征在于，具备：

测距装置，根据三角测距的原理测定到达由摄影装置摄影的被摄影体的距离，该测距装置具有测定单元，该测定单元将到达上述被摄影体的能够测量的最远距离设为不小于上述摄影装置的超焦距的最大值的1/2；以及

变焦透镜，根据由上述测距装置得到的距离进行自动焦点调节。

7.一种摄影装置，其特征在于，具备：

测距装置，利用三角测距原理测定到达到由摄影装置摄影的被摄影体的距离，该测距装置具有测定单元，该测定单元将到达上述被摄影体的能够测量的最远距离设为不小于上述摄影装置的超焦距的最大值的1/2；

成像元件；以及

变焦透镜，将来自上述被摄影体的光引导到上述成像元件，根据由上述测距装置得到距离进行自动焦点调节。

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