JP2001083422A - 光学素子及びそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】適切に設定した形状の光学素子を用いて、物体
像を撮像手段面上に高精度に結像させることができる光
学素子及びそれを用いた光学装置を得ること。 【解決手段】透明体の表面に光束が入射する入射面と、
曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面にて反射
された光束を射出する出射面とが一体に成形され、該複
数の反射面のうち少なくとも一つの反射面の光学有効領
域から光束の一部を分割し、取り出す光束取り出し手段
を有する光学素子において、該光束取り出し手段から取
り出した光束は、該光束の進行方向に垂直な面内の異な
る方位で互いに光束の最小スポットを結ぶ位置が異なっ
ていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学素子及びそれを
用いた光学装置に関し、特に曲率を有した複数の反射面
を一体構成した光学素子を利用したビデオカメラやスチ
ールビデオカメラやデジタルカメラやファインダー及び
複写機等に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より凹面鏡や凸面鏡等の反射面を利
用した光学系が種々と提案されている。

【０００３】例えば、反射面に曲率を持たせた光学プリ
ズムが、米国特許第４，７７５，２１７号公報や特開平
２−２９７５１６号公報等に開示されている。

【０００４】米国特許第４，７７５，２１７号公報に
は、観察光学系における接眼鏡の構成が開示されてい
る。同公報は情報表示体に表示された表示画像を観察す
ると共に、外界の風景をオーバーラップして観察する光
学系を開示している。

【０００５】特開平２−２９７５１６号公報は、観察光
学系における接眼鏡の構成に関するものであり、同公報
では、平行な平面間を全反射させ光束を導くことによ
り、光学系全体の薄型化を図っている。

【０００６】これらの従来例では、全反射を巧みに用い
各反射面での光量ロスを最小限に抑える例が示されてい
る。しかしながら、反射面に入射する全ての光線に対し
て、全反射条件を満たそうとすると、面形状の自由度が
少なく、反射面にて効率の良い収差補正が行なえないと
いう問題があった。

【０００７】これらの問題点を解決すべく、本出願人
は、特開平８−２９２３６８号公報、特開平８−２９２
３７１号公報及び特開平８−２９２３７２号公報等にお
いて、複数の曲面や平面の反射面を一体的に形成した光
学素子を用いて、光学系全体の小型化を図りつつ、又反
射光学系にありがちな各反射面の配置精度（組立精度）
を緩やかにした反射型の光学系を提案している。

【０００８】また、光学素子内部や表面の泡やゴミや異
物などの欠陥の画像への悪影響を緩和するために、本出
願人は、特開平１１−１０９２４３号公報において、中
間結像位置で画角に依存しない収差を意図的に発生さ
せ、中間結像面付近での光スポットのサイズを大きく
し、さらに、中間結像位置で画角に依存しない非点収差
を意図的に発生させる光学系を提案している。これによ
り、ズームやフォーカスで中間結像位置が変動しても、
問題となる泡やゴミや異物などの欠陥の画像への影響を
低減した良好なる光学系を得ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ＣＣＤ等の固
体撮像素子を用いる撮像光学系（撮像装置）において
は、被写体にピントが合っていないときの誤差、即ちフ
ォーカシングの誤差を検出し、それに基づいてフォーカ
スを行っている。フォーカシングの誤差の検出は、撮像
素子の出力である画像のボケを検出することにより行う
ことが多い。

【００１０】実際に撮像した画像信号からボケ量（フォ
ーカシングの誤差）を検出する一方法として、画像信号
の高周波成分だけを取り出すバンドパスフィルターを介
して所定の周波数帯域のレベルをモニターし、それをフ
ォーカシング誤差信号とし、その信号レベルが最大にな
ったところをピントがあったところとするＴＶ−ＡＦと
呼ばれる方法が一般に採用されている。

【００１１】信号レベルの最大ピーク位置を検出するの
に、フォーカシングレンズを信号レベルが大きくなる方
向へ移動して行くため、山登り方式のＴＶ−ＡＦと呼ば
れている。

【００１２】山登り方式のＴＶ−ＡＦでは合焦位置を示
す信号レベルのピークは、その変化が増加から減少に変
化した点として検出されるから、かならず合焦位置をま
たいだ制御が必要であり、制御の方向はフォーカシング
レンズを動かさない限り検出できない。

【００１３】そのため、山登り方式ＴＶ−ＡＦの欠点と
しては、合焦に至るまでのスピードが遅いことと、合焦
点の検出精度が低いことが挙げられる。

【００１４】本発明は光学系全体の小型化及び簡素化を
図りつつ、フォーカシング誤差信号を高精度にかつ容易
に得られる光学素子及びそれを用いた光学装置の提供を
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学素
子は、透明体の表面に光束が入射する入射面と、曲率を
有する複数の反射面と、該複数の反射面にて反射された
光束を射出する出射面とが一体に成形され、該複数の反
射面のうち少なくとも一つの反射面の光学有効領域から
光束の一部を分割し、取り出す光束取り出し手段を有す
る光学素子において、該光束取り出し手段から取り出し
た光束は、該光束の進行方向に垂直な面内の異なる方位
で互いに光束の最小スポットを結ぶ位置が異なっている
ことを特徴としている。

【００１６】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記光束取り出し手段は、少なくともその一部が所
定の透過率を有する反射面であることを特徴としてい
る。

【００１７】請求項３の発明は請求項２の発明におい
て、前記光束取り出し手段から取り出された光束は、前
記複数の反射面が配列された面内と、その略垂直面内と
で、最小スポットを結ぶ位置が異なることを特徴として
いる。

【００１８】請求項４の発明は請求項３の発明におい
て、前記光束取り出し手段から取り出された光束は、所
定の非点収差を有することを特徴としている。

【００１９】請求項５の発明の光学装置は、請求項１か
ら４のいずれか１項に記載の光学素子を用いたことを特
徴としている。

【００２０】請求項６の発明の光学装置は、請求項１か
ら４のいずれか１項に記載の光学素子を複数個組合せて
構成することを特徴としている。

【００２１】請求項７の発明は請求項５又は６の発明に
おいて、前記光束取り出し手段から取り出された光束を
検出するための光検出器を有することを特徴としてい
る。

【００２２】請求項８の発明は請求項７の発明におい
て、前記光検出器の出力からフォーカシングの誤差信号
を得ることを特徴としている。

【００２３】請求項９の発明は請求項８の発明におい
て、前記光束取り出し手段と前記光検出器との間に光学
的パワーを有する光学部材を有することを特徴としてい
る。

【００２４】請求項１０の発明は請求項７，８又は９の
発明において、前記光検出器は光検出領域が空間的に分
割された分割光検出器であることを特徴としている。

【００２５】請求項１１の発明は請求項１０の発明にお
いて、前記分割光検出器は田型状に４分割された４分割
光検出器であり、その分割線の少なくとも１本の方向
は、前記取り出された光束の最小スポットの幅方向に対
して略４５度回転していることを特徴としている。

【００２６】請求項１２の発明は請求項１０の発明にお
いて、前記分割光検出器の出力を演算しフォーカシング
誤差信号を出力する演算装置を有することを特徴として
いる。

【００２７】請求項１３の発明は請求項１２の発明にお
いて、前記演算装置は、前記４分割光検出器の２組の対
向する検出領域の出力の和を演算し、さらにその差を演
算することを特徴としている。

【００２８】請求項１４の発明は請求項１２の発明にお
いて、前記演算装置は、前記フォーカシング誤差信号か
らフォーカシング誤差の方向を判別し、別のフォーカシ
ング誤差信号と組合せが可能であることを特徴としてい
る。

【００２９】請求項１５の発明の光学装置は、透明体の
表面に、光束が入射する入射面と、該入射面からの光束
を順次反射する曲率を有する複数の反射面と、該複数の
反射面にて反射された光束を射出する射出面と、を一体
に形成された光学素子を用いて物体像を撮像手段面上に
形成する光学装置において、該光学素子の該複数の反射
面のうちの少なくとも１つの反射面には光束の一部を分
割し、取り出す光束取り出し手段が設けられており、該
光束取り出し手段から取り出した光束を互いに直交する
方向で屈折力が異なる光学部材を用いて光検出器に導光
し、該光検出器からの信号より、該光学素子に関するフ
ォーカシングの誤差信号を得ていることを特徴としてい
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。

【００３１】なお、本明細書中にて度々使用する、オフ
アキシャル光学系、及びその骨組みとなる基準軸の定義
については、例えば特開平９―５６５０号公報や特開平
１０−３９１２１号公報における定義に従うものとす
る。

【００３２】まず、基準軸とオフアキシャル光学系につ
いて説明する。

【００３３】本発明の光学系には通常の共軸光学系にお
ける光軸のごとき対称軸が存在しない。そこで光学系中
に "基準軸" を設定して、この基準軸をベースとして光
学系中の諸要素の構成を記述する。

【００３４】先ず基準軸の定義を説明する。一般的には
物体面から像面にいたる基準となる基準波長の或る光線
の光路をその光学系における "基準軸”と定義する。こ
れだけでは基準となる光線が定まらないので、通常は以
下の2 つの原則のいずれかに則り基準軸光線を設定す
る。

【００３５】（１）光学系に部分的にでも対称性を有す
る軸が存在し、収差のとりまとめが対称性よく行なうこ
とができる場合にはその対称性を有する軸上を通る光線
を基準軸光線とする。

【００３６】（２）光学系に一般的に対称軸が存在しな
い時、あるいは部分的には対称軸が存在しても、収差の
とりまとめが対称性よく行なえない時には、物体面中心
（被撮影、被観察範囲の中心）から出て、光学系の指定
される面の順に光学系を通り、光学系内の絞り中心を通
る光線、又は光学系内の絞り中心を通って最終像面の中
心に至る光線を基準軸光線と設定し、その光路を基準軸
とする。

【００３７】このようにして定義される基準軸は一般的
には折れ曲がっている形状となる。ここで、各面におい
て各面と基準軸光線との交点を各面の基準点とし、各面
の物体側の基準軸光線を入射基準軸、像側の基準軸光線
を射出基準軸とする。さらに、基準軸は方向（向き）を
持つこととし、その方向は基準軸光線が結像に際して進
行する方向を正とする。よって、入射、射出側に各々入
射基準軸方向、射出基準軸方向が存在する。このように
して基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しく
は反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的
に像面に到達する。なお、複数の面で構成された光学素
子（光学系）においては、その最も物体側の面へ入射す
る基準軸光線をこの光学素子（光学系）の入射基準軸、
最も像側の面から射出する基準軸光線をこの光学素子
（光学系）の射出基準軸とする。又、これらの入射・射
出基準軸の方向の定義は面の場合と同じである。

【００３８】又、本明細書においては入射基準軸に対し
て傾いて配置された曲面の反射面をOff-Axial 反射面と
呼び、Off-Axial 反射面を有する光学素子をOff-Axial
（オフアキシャル）光学素子と呼ぶこととする。

【００３９】次に本実施形態について説明する。図１は
本発明の光学装置の実施形態１の要部断面図、図２は本
発明の光学装置の実施形態１の要部斜視図である。

【００４０】図１において、１は光入射面と光射出面、
そして曲率を有した複数の反射面が透明体の表面に一体
に形成された光学素子である。同図には光路も示してあ
る。光学素子１は物体側より順に、光入射面である凹屈
折面（負屈折面）Ｒ２と、凹面鏡Ｒ３、凸面鏡Ｒ４・凹
面鏡Ｒ５・凸面鏡Ｒ６・凹面鏡Ｒ７の５つの反射面と、
光出射面である凸屈折面（正屈折面）Ｒ８を有する光学
ガラスや光学プラスティック等の光学的に透明な材料で
構成されている。

【００４１】これらの面は回転非対称な非球面からな
り、非共軸光学系の構成をとり、オフアキシャル光学系
と呼ばれている。Ｒ１（４）は光学素子１の物体側に配
置した絞り（入射瞳）である。Ｒ９（３）は最終結像面
であり、２次元ＣＣＤ等の撮像素子（撮像媒体）の撮像
面が位置する。絞りＲ１と光学素子１は光学系の一要素
を構成している。５は光学系の基準軸である。反射面Ｒ
７は光学系の瞳に近く、光学有効領域の透過率が３０％
に設定されており、光学素子１に入射した物体からの光
束の一部１０が取り出される光束取り出し手段を構成し
ている。面Ｒ７からの光束はシリンドリカルレンズベー
スの非対称非球面のオフアキシャルなセンサーレンズ１
１により、アパーチャー１２を介して４分割の光検出器
１３上に集光している。

【００４２】本実施形態では該光束取り出し手段から取
り出された光束は、該光束の方向に垂直な面内の異なる
方位で最小スポットを結ぶ位置が異なっている。尚、セ
ンサーレンズ１１は互いに直交する方向で屈折力の異な
るレンズより構成しても良い。

【００４３】本実施形態における基準軸５は絞り４の中
心を通り、最終結像面３の中心に至る光線の光路（一点
鎖線）と定義している。入射面Ｒ２で、光学素子１に入
射する基準軸５ａの方向と、出射面Ｒ８で光学素子１か
ら出射する基準軸５ｂの方向は略平行でかつ逆方向であ
る。

【００４４】本実施形態における結像関係を説明する
と、物体ＯＢからの光６は、絞り４により入射光量を規
制された後、光学素子１の凹屈折面Ｒ２に入射する。

【００４５】凹屈折面Ｒ２に入射した光は、凹屈折面Ｒ
２のパワーにより物体光６を発散光とした後、凹面鏡Ｒ
３にて反射されるとともに、凹面鏡のパワーにより中間
結像面ＩＰ１上に物体像を一次結像する。

【００４６】このように、早い段階にて光学素子１内に
物体像を結像することにより、絞り４より像側に配置さ
れた面の光線有効径の増大を抑制している。

【００４７】中間結像面ＩＰ１に一次結像された物体光
６は、凸面鏡Ｒ４、凹面鏡Ｒ５、凸面鏡Ｒ６、凹面鏡Ｒ
７にて反射を繰り返しながら、それぞれの反射鏡の持つ
パワーによる影響を受けつつ、凸屈折面Ｒ８に至り、凸
屈折面Ｒ８のパワーにて屈折された物体光６は、撮像素
子面３上に物体像を形成する。この様に光学素子１は、
入出射面による屈折と、曲率を有する複数の反射鏡によ
る反射を繰り返しながら、所望の光学性能と全体として
正のパワーを有する光学ユニットとして機能している。
最終結像面Ｒ９に位置するＣＣＤで検出する画像のピン
ト合わせ（フォーカシング）は光学素子１をＺ方向に移
動することにより行う。ＣＣＤ（３）とセンサーレンズ
１１、アパーチャー１２、４分割の光検出器１３は固定
されている。

【００４８】光束取り出し手段としての凹面鏡Ｒ７より
光学素子１の外部に取り出された光束１０は屈折し、セ
ンサーレンズ１１によりオフアキシャルの収差を補正さ
れ、かつ所定の非点収差を与えられ、アパーチャー１２
によりおおよそ中心の画角が選択され、４分割の光検出
器１３上にスポットを結ぶ。

【００４９】次に、図２に示す本発明の光学素子１の斜
視図について説明する。図２において、図１と同一番号
のものは同一の部品を示す。

【００５０】本発明においては、入射及び出射用の一対
の屈折面の他に、曲率を有した複数の反射面を隣接配置
した反射面群を透明体の表面に対向して形成することに
より、光学素子１を形成している。

【００５１】図２において、物体からの光が入射する凹
屈折面Ｒ２の後方に配置された、光学素子１の第一反射
面である凹面鏡Ｒ３と、第三反射面である凹面鏡Ｒ５
と、光学素子１の最終反射面である凹面鏡Ｒ７は、図２
に示す様に、Ｙ方向に３つの反射面を隣接して配列して
形成した第一の反射面群７となっている。

【００５２】また第一の反射面群７に対向して形成され
ている、光学素子１の第二反射面である凸面鏡Ｒ４と、
第四反射面である凸面鏡Ｒ６も、２つの反射面が一体化
されてＹ方向に配列された第二の反射面群８となってお
り、第一の反射面群７と第二の反射面群８及び入射出屈
折面Ｒ２、Ｒ８により光学素子１を構成している。

【００５３】本実施形態においては、センサーレンズ１
１のベースとなっているシリンドリカルレンズの母線と
子線はそれぞれ基準軸５を含むＹＺ面とそれに直交する
Ｘ軸を含む面内にある。

【００５４】それに対し、４分割光検出器１３を、図２
に示すように、その分割線が各々ＹＺ面に対し基準軸５
を中心に４５度傾けて配置している。

【００５５】図３（Ａ）〜（Ｃ）は、物体のデフォーカ
ス状態に応じて、４分割光検出器１３とその面上に集光
される光スポット２０の光量分布の関係を示した模式図
である。

【００５６】図３（Ｂ）は合焦状態を示し、光スポット
２０は４分割光検出器１３面上で最小錯乱円となりほぼ
対称な円となる。

【００５７】図３（Ａ）はデフォーカス状態にある場合
の光検出器１３上のスポット２０の光量分布の一例を示
している。図３（Ａ）ではピントがずれているため光束
２０が合焦時に対し相対的に発散しており、本来はスポ
ットが結ぶ前に光検出器１３に入射することになるが、
センサーレンズ１１によりＹＺ面内（より正確にはＹ軸
と基準軸５の張る面内）でちょうど焦点を結び、縦長の
楕円形のスポット２０となる。

【００５８】４分割光検出器１３の４つの各光検出領域
の出力をそれぞれ、対向する出力の和を加算回路１４，
１５を用いて演算し、さらにそれぞれの出力の差を減算
器１６を用いて演算すると、縦長の楕円スポット２０の
光量分布の非対称性を反映して負の出力が得られる。

【００５９】一方加算回路１７によりその和も演算して
おき、その差分回路１６の出力を割り算回路１８で割っ
てフォーカシング誤差信号１９を得ることができる。加
算回路１７の出力はスポット２０の全光量に相当するた
め、それで差信号出力１６を割れば光量で規格化をした
ことになり、物体の明るさや絞り値等による変動による
フォーカシング誤差信号へのクロストークを低減するこ
とができる。

【００６０】図３（Ｃ）は図３（Ａ）とは逆方向のデフ
ォーカス状態の場合の光検出器１３上のスポット２０の
一例を示している。光束２０が合焦時に比べ相対的に収
束しているので、本来はスポットが光検出器１３の手前
で結んでしまうが、センサーレンズ１１によりＺＸ面内
（基準軸５とＸ軸が張る面内）でちょうど焦点を結び、
今度は横長の楕円形スポット２０となる。

【００６１】この場合のデフォーカス誤差信号１９は、
スポット２０の非対称性を反映して図３（Ａ）と逆に正
の信号となる。

【００６２】デフォーカスを横軸にとって、フォーカシ
ング誤差信号出力１９の変化を模式的に示したのが図３
（Ｄ）である。デフォーカス量が大きい場合はスポット
２０のボケが大きく光量分布の非対称性が小さいため誤
差信号出力１９は小さいが、デフォーカス量が小さくな
ってくると、スポット２０は楕円形状に近づき光量分布
の非対称性が現れ、センサーレンズ１１で与えられた非
点収差に応じて、誤差信号１９がピークを持つ。

【００６３】図３（Ｄ）の負のピークＡが図３（Ａ）の
状態に対応し、正のピークＣが図３（Ｃ）の状態に対応
する。さらにデフォーカス量が小さくなるとスポット２
０は絞られたままで最小錯乱円に近づいて行くため非対
称性が無くなって、徐々に誤差信号出力１９がゼロに近
づいて行く。ついに図３（Ｂ）に相当する合焦時には光
量分布は対称となり誤差信号１９はゼロとなる。それが
図３（Ｄ）の点Ｂである。

【００６４】このようにフォーカシング誤差信号出力１
９がＳ字カーブを描くため、図３（Ｄ）の点Ａから点Ｂ
の範囲では、この誤差信号１９を用いて光学素子１のＺ
方向位置制御に対しネガティブフィードバックの制御を
かければ合焦状態が保たれることになる。なお図３
（Ｄ）に破線で示したカーブは全光量出力１７の変化を
示したもので、点Ａから点Ｂの範囲に入っているかどう
かは全光量出力１７のレベルから判定できるため、フォ
ーカシング不能の状態に陥ることを防止することが可能
である。

【００６５】また本実施形態では、光学素子１をＣＣＤ
（Ｒ９面）に対し相対的にＺ方向に移動してフォーカシ
ングを行うが、フォーカシング誤差信号２０を得るため
の光検出器１３の系の軸５とＺ軸がＹＺ面内で平行で無
く角度をもつため、原理的に図３の紙面の横方向にスポ
ットのズレが生じる。その様子を示したのが図４
（Ａ）、（Ｂ）のスポット２０と光検出器１３の関係で
ある。

【００６６】本発明の構成によれば、非対称な光量分布
のスポット、たとえば楕円の長軸と短軸に対し４５度の
方向に分割線を設け、対向する領域の和を加算回路１
４，１５でとり、その差を減算器１６で検出しているの
で、図４（Ａ），（Ｂ）の横方向（ＹＺ面内）のずれ、
縦方向（Ｘ方向）のずれをある程度キャンセルできる構
成となっている。

【００６７】従って光学系の仕様で許される範囲であれ
ば、フォーカシングの移動方向と検出方向が異なるため
に生じるフォーカシング誤差信号への位置ずれのクロス
トークを無視することができる。

【００６８】さらにクロストークが許容値を超える場合
は、合焦位置がゼロクロスするように、一方の対向する
光検出器出力のレベルを調整できるような、図４（Ａ）
または図４（Ｂ）に示したようにクロストーク補正回路
２１または２２を付加することも可能である。また、こ
の調整レベルをあらかじめ定めた物体距離や絞りに応じ
た曲線としてメモリに記憶しておき、適応的に調整・補
正することも可能である。

【００６９】次に本発明の実施形態２について説明す
る。実施形態１では４分割光検出器１３から得たフォー
カシング誤差信号１９のみを使ってフォーカシング制御
を行い合焦を得る例を示した。

【００７０】本発明はこの焦点検出方式の他に従来例で
ある所謂山登りＴＶ−ＡＦ方式との組合せも可能であ
り、また製品の狙いによっては効率のよい方法である。
すなわちＣＣＤの画像から山登りＴＶ−ＡＦ方式で直接
フォーカシング誤差信号を得るが、ボケ量が大きい場合
や合焦ピーク位置検出時などの制御方向の正負の判定が
山登りＴＶ−ＡＦ方式で得意でない場合に、この４分割
光検出器１３からの誤差信号１９を使ってトータルのフ
ォーカシング制御のスピードを向上させることができ
る。

【００７１】図５に示したブロック図は、４分割光検出
器から得たフォーカシング誤差信号と山登りＴＶ−ＡＦ
方式から得たフォーカシング誤差信号を切り替えて、よ
り早いフォーカシング動作を実現する例である。４分割
光検出器２４からの出力は図３（Ａ）または図４
（Ａ），（Ｂ）に示したような演算器２５により前述の
クロストークの除去等が行われ図３（Ｄ）のようなフォ
ーカス誤差信号を得る。その出力を２値化回路２６で図
３（Ｅ）の如く２値化する。Ｈレベルがフォーカシング
が正側にずれ、Ｌレベルが負側にずれていることを示し
ている。

【００７２】一方、ＣＣＤ２７の出力からバンドパスフ
ィルタ（ＢＰＦ）２８で抜き出した信号レベルが最大ピ
ークになるようにフォーカシングアクチュエーター３２
を駆動する山登り方式ＴＶ−ＡＦも用意しておく。ＢＰ
Ｆ２８の出力もＡ／Ｄ変換器２９でデジタルに変換し、
先の２値化回路の出力とともにＭＰＵ３０に入力する。

【００７３】山登り方式はアクチュエータ３２を動かし
て、動かす前の記憶した信号レベルに対する変化を検出
して初めてアクチュエータ３２を合焦位置に移動する方
向が求められる。また、信号の最大値を見つけ出すに
は、各信号レベルを記憶しておき前後の信号レベルを比
較し信号レベルの変化が正から負に変わる点を探さねば
ならない。

【００７４】つまり最大値を過ぎて信号レベルが減少す
ることを確認しなければ最大値を発見できないため、発
見後，逆戻りをして最大値にアクチュエータを制御する
必要がある。さらには画像により信号レベルの絶対値が
変化するため、サーチする領域を絞ることが困難であ
る。またアクチュエータを動かすピッチも小さい程分解
能があがり最大値を確定しやすいが、ピッチが小さい分
大きなデフォーカス位置からのフォーカシングに非常に
時間がかかる。

【００７５】一方ピッチを大きくすれば最大値を乗り越
え行き過ぎてしまう可能性が高いが、最大値を超えたか
どうかはさらに移動を行わない限り検知できない。

【００７６】そこで４分割光検出器２４からのフォーカ
シング誤差の方向判別信号、つまり２値化回路２６の出
力を参照することで、山登り方式の信号を参照すること
無しに、高速にアクチュエータ３２を合焦近傍に制御す
ることができるようになる。

【００７７】最後の合焦位置への制御は実際の画像から
取り出した山登り方式ＴＶ−ＡＦの誤差信号を用いる。
これは、実際のカメラで最も多いのは３次元立体物への
合焦であり、合焦させたい領域の選択や、対象物の選択
等、山登り方式ＴＶ−ＡＦ誤差信号の方が、純粋物理的
な光束の収束・発散を判定する非点収差による誤差信号
に比べ、より画像との合焦の対応がとりやすいためであ
る。

【００７８】二つの方式の誤差信号レベルをＭＰＵ３０
で判定し、切り換えスイッチ（ＳＷ）３１でアクチュエ
ータ３２を制御する信号を適宜に切り替えることが可能
なため、フォーカシングのスピード向上ばかりでなく、
よりきめこまかなフォーカシング制御が可能となる。

【００７９】なお、説明のためアナログ信号で制御する
場合を示したが、もちろん両誤差信号をＡ／Ｄ変換しＭ
ＰＵ内で処理することも可能で、自由度が大きくまた回
路的にもアナログ部を少なくすることができる。

【００８０】図６は本発明の撮像装置の実施形態３の要
部断面図、図７は本発明の撮像装置の実施形態３の要部
斜視図である。

【００８１】本実施形態は本出願人が特開平１１−１０
９２４３号公報で提案している光学素子に本発明を適用
した場合を示している。

【００８２】本実施形態の光学素子は中間結像位置で画
角に依存しない非点収差を意図的に発生させている。こ
れにより中間結像位置で問題となる泡やゴミや異物など
の欠陥の画像への影響を低減している。

【００８３】本実施形態では、中間結像位置ＩＰ１は凸
反射面Ｒ４と凹反射面Ｒ５の中間にあり、反射面Ｒ４を
光束取り出し手段とし、反射面Ｒ４の光学有効領域の透
過率を３０％にすることで、フォーカシング用の光束２
１を光学素子１より外部に取り出している。

【００８４】反射面Ｒ４から屈折して出射した光束２１
は上述のようにすでに非点収差を有し、かつ収束光であ
るため、前述の実施形態１のようなセンサーレンズが不
要となる。ＣＣＤと、基準軸５に垂直に配置されたアパ
ーチャー２２と４分割光検出器２３を固定して構成すれ
ばよい。

【００８５】本実施形態では光学素子内のゴミによる光
学性能劣化を防止するための非点収差量と敏感度の高い
フォーカシング誤差信号を得るための非点収差量をバラ
ンスする必要がある。

【００８６】光束２１はアパーチャー２２を介しほぼ中
心の画角を選択し、４分割光検出器２３に集光される。
光束２１の非点収差による楕円スポットの方向は前記実
施形態１と同様で、Ｘ軸方向の縦長楕円と、それに垂直
なＹＺ面内の横長楕円である。

【００８７】従って、４分割光検出器２３の分割線の方
向も同様で、光検出器２３の面内で基準軸５を中心に、
ＹＺ面に対し４５度傾けた構成となっている。

【００８８】また本実施形態では、薄型デジタルカメラ
を実現するために、入射面Ｒ２と反射面Ｒ３の間に４５
度反射面Ｒ４５°を挿入した構成とし、光束の入射方向
をＸ方向としている。しかしながらフォーカシング制御
のため光学素子をＸ方向に移動させるとＣＣＤ上の画像
がシフトするため、前記実施形態と同様に光学素子１は
Ｚ方向に移動させる。

【００８９】なお、本実施形態ではセンサーレンズが無
い最も部品点数が少ない例を示したが、もちろんゴミ対
策とフォーカシング誤差検出のバランスをとるのには、
光束２１のオフアキシャルの収差を補正するセンサーレ
ンズを挿入することは可能である。

【００９０】但し、図５に示した実施例のように、非点
収差によるフォーカシング誤差検出を主に方向判別に用
い、最終の合焦を山登り方式ＴＶ−ＡＦによるフォーカ
シング誤差検出で行う場合は、非点収差によるフォーカ
シング誤差信号波形のオフセット分を図４（Ａ），
（Ｂ）に示したような補正回路２１，２２により方向判
別に支障をきたさない範囲で補正することが可能であ
る。

【００９１】図８は本発明の光学装置の実施形態４の要
部断面図である。本実施形態は光学装置に用いる光学系
として複数の光学素子を用いたズームレンズの場合を示
している。

【００９２】図８のズームレンズは３倍のズーム比を３
群（３つの光学素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）で実現した例で
ある。図８において、第１面は入射瞳である絞り面Ｒ１
である。第２面Ｒ２〜第８面Ｒ８で光学素子Ｂ１を、第
９面Ｒ９〜第１５面Ｒ１５で光学素子Ｂ２を、第１６面
Ｒ１６〜第２２面Ｒ２２で光学素子Ｂ３を構成してい
る。

【００９３】第１，第２，第３の光学素子Ｂ１，Ｂ２，
Ｂ３の相対的位置を変えて変倍を行っている。第２３面
Ｒ２３は像面でありＣＣＤを配置している。

【００９４】物体ＯＢからの光束は絞り（入射瞳）Ｒ１
から第１の光学素子Ｂ１に入射し、第２面Ｒ２で屈折
し、第３面Ｒ３，第４面Ｒ４、第５面Ｒ５、第６面Ｒ
６，第７面Ｒ７で順次反射し、第８面Ｒ８で屈折し、光
学素子Ｂ１を射出する。光学素子Ｂ１内の面Ｒ４近傍に
中間結像する。さらに、光学素子Ｂ１と光学素子Ｂ２の
間の位置ＩＰ２に２次結像する。

【００９５】位置ＩＰ２に結像した物体からの光束で光
学素子Ｂ２に入射した光束は、第９面Ｒ９で屈折し、第
１０面Ｒ１０、第１１面Ｒ１１、第１２面Ｒ１２、第１
３面Ｒ１３、第１４面Ｒ１４で順次反射し、第１５面Ｒ
１５で屈折し、光学素子Ｂ２から射出する。ここでは面
Ｒ１２と面Ｒ１３の間に中間結像している。また面Ｒ１
５近傍に瞳を形成している。

【００９６】光学素子Ｂ２を射出した光束で光学素子Ｂ
３に入射した光束は、第１６面Ｒ１６で屈折し、第１７
面Ｒ１７、第１８面Ｒ１８、第１９面Ｒ１９、第２０面
Ｒ２０、第２１面Ｒ２１で順次反射し、第２２面Ｒ２２
で屈折し、光学ブロックＢ３を射出する。ここで面Ｒ１
８近傍に中間結像している。

【００９７】光学ブロックＢ３を射出した光束は最終結
像面である第２３面Ｒ２３上に物体像を結像する。具体
的にはＣＣＤがＲ２３の位置に配置されている。

【００９８】変倍動作に伴う各光学素子の移動は、第１
の光学素子Ｂ１は固定であり、第２の光学素子Ｂ２は広
角端から望遠端に向かってＺマイナス方向に移動し、第
３の光学素子Ｂ３は広角端から望遠端に向かってＺマイ
ナス方向に移動する。像面である第２３面Ｒ２３は変倍
に際しては移動しない。広角端から望遠端に向かっての
変倍により光学素子Ｂ１と光学素子Ｂ２の間隔は狭ま
り、光学素子Ｂ２と光学素子Ｂ３の間隔は広がり、光学
素子Ｂ３と像面Ｒ２３との間隔は広がる。

【００９９】また広角端から望遠端に向かって第１面Ｒ
１から第２３面Ｒ２３の間で全系の光路長は長くなる方
向に変化する。３つの光学素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の入射
と射出の基準軸はおのおの平行で逆方向を向いている。
このように一つの平面内で薄型の光学素子を相対移動す
ることにより変倍する構造を取り、薄型のズームレンズ
を構成している。

【０１００】フォーカシングは第２の光学素子Ｂ２の移
動により行うため、光学素子Ｂ２の中間結像近傍の反射
面Ｒ１２を光束を取り出し手段とし、反射面Ｒ１２の透
過率を２０％とし、フォーカシング誤差信号検出のため
の光束１０を光学素子Ｂ２より取り出している。取り出
した光束は実施形態１と同じように、オフアキシャルの
収差を補正し、所定の非点収差を与えるセンサーレンズ
４０により、アパーチャー４１を介して４分割光検出器
４２上に集光される。

【０１０１】本発明は、本実施形態のようにフォーカシ
ング誤差信号を取り出す面を、フォーカシングを行う光
学素子の光路中に設けることにより実施可能であり、ズ
ームレンズのような複数の光学素子からなる光学装置に
も適用可能である。

【０１０２】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、光学系全
体の小型化及び簡素化を図りつつ、フォーカシング誤差
信号を高精度にかつ容易に得られる光学素子及びそれを
用いた光学装置を達成している。

【０１０３】この他本発明によれば、光学素子および光
学系の小型化・簡素化を維持しつつ、高速で正確なフォ
ーカシング制御を実現する光学装置を達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光学装置の実施形態１の要部断面図

【図２】 本発明の光学装置の実施形態１の要部斜視図

【図３】 本発明の光学装置の実施形態１の光検出器の
説明図

【図４】 本発明の光学装置の実施形態１の光検出器の
説明図

【図５】 本発明の光学装置の実施形態２の光検出器の
説明図

【図６】 本発明の光学装置の実施形態３の要部断面図

【図７】 本発明の光学装置の実施形態３の要部斜視図

【図８】 本発明の光学装置の実施形態４の要部断面図

【符号の説明】

１ 曲率を有した複数の反射面が一体に形成された
光学素子 Ｒ９ ＣＣＤ等の撮像素子面 Ｒ１ 光学素子１の物体側に配置された絞り ５ 撮影光学系の基準軸 ６ 物体からの光束 １３，２３，４２ 光検出器 １１，４０ センサーレンズ １２，２２，４１ アパーチャー

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明体の表面に光束が入射する入射面
   と、曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面にて
   反射された光束を射出する出射面とが一体に成形され、
   該複数の反射面のうち少なくとも一つの反射面の光学有
   効領域から光束の一部を分割し、取り出す光束取り出し
   手段を有する光学素子において、該光束取り出し手段か
   ら取り出した光束は、該光束の進行方向に垂直な面内の
   異なる方位で互いに光束の最小スポットを結ぶ位置が異
   なっていることを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 前記光束取り出し手段は、少なくともそ
   の一部が所定の透過率を有する反射面であることを特徴
   とする請求項１の光学素子。
3. 【請求項３】 前記光束取り出し手段から取り出された
   光束は、前記複数の反射面が配列された面内と、その略
   垂直面内とで、最小スポットを結ぶ位置が異なることを
   特徴とする請求項２の光学素子。
4. 【請求項４】 前記光束取り出し手段から取り出された
   光束は、所定の非点収差を有することを特徴とする請求
   項３の光学素子。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
   光学素子を用いたことを特徴とする光学装置。
6. 【請求項６】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
   光学素子を複数個組合せて構成することを特徴とする光
   学装置。
7. 【請求項７】 前記光束取り出し手段から取り出された
   光束を検出するための光検出器を有することを特徴とす
   る請求項５又は６の光学装置。
8. 【請求項８】 前記光検出器の出力からフォーカシング
   の誤差信号を得ることを特徴とする請求項７の光学装
   置。
9. 【請求項９】 前記光束取り出し手段と前記光検出器と
   の間に光学的パワーを有する光学部材を有することを特
   徴とする請求項８の光学装置。
10. 【請求項１０】 前記光検出器は光検出領域が空間的に
    分割された分割光検出器であることを特徴とする特許項
    ７，８又は９の光学装置。
11. 【請求項１１】 前記分割光検出器は田型状に４分割さ
    れた４分割光検出器であり、その分割線の少なくとも１
    本の方向は、前記取り出された光束の最小スポットの幅
    方向に対して略４５度回転していることを特徴とする請
    求項１０の光学装置。
12. 【請求項１２】 前記分割光検出器の出力を演算しフォ
    ーカシング誤差信号を出力する演算装置を有することを
    特徴とする請求項１０の光学装置。
13. 【請求項１３】 前記演算装置は、前記４分割光検出器
    の２組の対向する検出領域の出力の和を演算し、さらに
    その差を演算することを特徴とする請求項１２の光学装
    置。
14. 【請求項１４】 前記演算装置は、前記フォーカシング
    誤差信号からフォーカシング誤差の方向を判別し、別の
    フォーカシング誤差信号と組合せが可能であることを特
    徴とする請求項１２の光学装置。
15. 【請求項１５】 透明体の表面に、光束が入射する入射
    面と、該入射面からの光束を順次反射する曲率を有する
    複数の反射面と、該複数の反射面にて反射された光束を
    射出する射出面と、を一体に形成された光学素子を用い
    て物体像を撮像手段面上に形成する光学装置において、
    該光学素子の該複数の反射面のうちの少なくとも１つの
    反射面には光束の一部を分割し、取り出す光束取り出し
    手段が設けられており、該光束取り出し手段から取り出
    した光束を互いに直交する方向で屈折力が異なる光学部
    材を用いて光検出器に導光し、該光検出器からの信号よ
    り、該光学素子に関するフォーカシングの誤差信号を得
    ていることを特徴とする光学機器。