JP2004012863A

JP2004012863A - 測距・測光装置およびカメラ

Info

Publication number: JP2004012863A
Application number: JP2002167006A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Saito; 斎藤　博
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】測距系と測光系とを撮影系とは光学的に独立に設けた系において、小型でローコスト、高検出精度の測距・測光装置が必要である。
【解決手段】撮影レンズを透過する光束とは別の光束を用いて被写体距離の検出を行うとともに、撮影レンズを透過する光束とは別の光束を用いて測光を行う測距・測光装置において、測距センサーと測光センサーとを同一基板上に配置し、かつ互いに独立に設けられた複数の測距レンズと測光レンズとを一体形成し、測距レンズを含む測距光学系を結像系とし、測光レンズを含む測光光学系を非結像系とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動焦点調節機能（ＡＦ）および自動露出調整機能（ＡＥ）を有したカメラに用いられる測距・測光装置に関するものであり、更に詳しくは、撮影レンズを透過する光束とは別の光束を用いて被写体距離の検出（測距）と測光とを行う測距・測光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮影レンズを透過する光束以外の光束を利用して、測距および測光を行うカメラにおいては、特開平９−２０３９２７号公報にて提案されているように、カメラの正面から見て、撮影レンズに対して測距系および測光系がそれぞれ上下左右のある位置に配置されている。
【０００３】
また、米国特許第５，３０２，９９７号では、測距系と測光系を一体化構造にして撮影レンズに対して斜め上方向に配置することが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平９−２０３９２７号公報にて提案の構成の場合、測距系と測光系とを独立に設けてカメラに配置していたために、その分のスペースが必要であり、部品点数もそれぞれ独立に必要であるため、カメラが大型化したり、部品点数が多いためにコスト高になるといった問題がある。
【０００５】
また、上記米国特許５，３０２，９９７号にて開示のものでは、測距系と測光系とを一体化構造として部品を一体化させてはいるが、同実施例の場合、体積的にはほとんど独立に設けた場合と変わらないため、測距系と測光系のスペースを確保するために、カメラが大型化する問題がある。
【０００６】
また、測距系のセンサーと測光系のセンサーとが隣接して配置されているため、測距光学系を透過した光束が測光センサーに入射しやすく、測光誤差が生じるおそれがある。また、逆に、測光光学系を透過した光束が測距センサーに入射して測距誤差が増加するおそれがある。
【０００７】
さらに、ローコスト化するためには、比例縮小的に受光センサーの基板の寸法やレンズの焦点距離を小さくする必要があるが、これにより測距光学系の基線長を短くすると、測距精度が低下したり、レンズの焦点距離が短くなりすぎたりして、レンズを成型するための型の加工の難易度が高くなったり、レンズのコバ厚を確保する必要性により焦点距離を短くした分すべてが小型化に寄与しなくなったりするという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、測距系と測光系とを撮影系とは光学的に独立に設けた系において、小型でローコストの構成を可能とする測距・測光装置およびこれを備えたカメラを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、撮影レンズを透過する光束とは別の光束を用いて被写体距離の検出を行うとともに、撮影レンズを透過する光束とは別の光束を用いて測光を行う測距・測光装置において、測距センサーと測光センサーとを同一基板上に配置し、かつ互いに独立に設けられた複数の測距レンズと測光レンズとを一体形成し、測距レンズを含む測距光学系を結像系とし、測光レンズを含む測光光学系を非結像系としている。
【００１０】
これにより、測距レンズと測光レンズとが一体構造となっていることから生ずる光学的な（すなわち、焦点距離、レンズバックフォーカス等の）制約や測距レンズに対する測光レンズの必要画角からくる制約（一般に必要最大画角が測光光学系の方が広いため、焦点距離を短くする必要がある）を緩和することができ、小型でローコストの測距・測光装置を実現することが可能とする。
【００１１】
なお、測距レンズの焦点距離をｆＡＦ、測光レンズの焦点距離をｆＡＥとしたときに、
−０．５＜ｆＡＦ／ｆＡＥ＜０．６　…（１）
なる条件を満足するようにするとよい。
【００１２】
上記条件式（１）において、下限を超えると測光レンズの発散力が強くなりすぎるため、測光レンズの有効部が大型化したり、測距系に対して測光系のＦｎｏが暗くなりすぎるため、光量不足が生じたりする。また、上限を超えると、測光レンズの正の焦点距離が短くなってくるため、レンズの型の加工難易度が高くなったり、測距レンズとのバックフォーカスの差が大きくなってレンズ間の段差が大きくなったりする。
【００１３】
また、測距レンズの実行Ｆナンバー（センサー側から見た開口角から換算される等価円形状絞り時のＦナンバー）をＡＦ．Ｆｎｏとし、測光レンズの実効ＦナンバーをＡＥ．Ｆｎｏとしたときに、
１．２＜ＡＥ．Ｆｎｏ／ＡＦ．Ｆｎｏ＜４．０　…（２）
なる条件を満足するようにするのが好ましい。
【００１４】
上記条件式（２）において、下限を超えると、相対的に測光系が明るくなることによるレンズ面の有効部確保のために基線長が伸びて系全体が大型化してくる。また、上限を超えると、測光センサーの受光部の大きさの制約条件より、センサー基板の小型化や最適配置が難しくなってくる。
【００１５】
更に、測距レンズの基線長直交方向における測距センサーの受光面中心と測光センサーの受光面中心との距離をＸとし、測光センサーの受光面の基線長直交方向の幅をＹとしたときに、
０．０５＜Ｘ／Ｙ＜２．０　…（３）
なる条件を満足するようにしてもよい。
【００１６】
装置を小型化、ローコスト化するためには、受光センサーの基板寸法を小さくするするのが有効であるが、ＡＦ性能を確保するためには、基線長方向の長さを確保する必要がある。上記条件式（３）は、基線長直交方向の基板寸法を小さくした場合の測距センサーの受光面中心と測光センサーの受光面中心とをずらすのが有効であることを示すものである。
【００１７】
上記条件式（３）の下限を超えると、基線長直交方向に対して、測距センサーおよび測光センサーの受光部の配置の対称性がよくなってくるために、測距用のラインセンサーの横にＡＦ信号処理回路を配置した場合、測光センサーの受光部および、その処理回路のレイアウトの関係上、基板が大型化してしまう。また、上限を越えると、一体レンズの有効部で測距系と測光系とで非対称性が大きくなってしまうことより、レンズ全体が大型化してしまったり、測距系と測光系とのパララックスが大きくなることによる問題が発生する。
【００１８】
同一半導体プロセスで同一基板上に製作された受光センサーの場合、受光の分光感度特性はほとんど同一となる。必要な分光感度特性は測距系の場合、より感度を得ようとすると、視感度領域から赤外領域の広範囲に対して、測光系では視感度領域のみであり、赤外領域に感度を有した場合、測定誤差となってしまう。
【００１９】
このような分光感度を補正するには、非結像系である測光光学系中に入れるのが好ましい。これは、非結像系に入れたほうが、挿入された部材による面精度やピントズレの影響が結像系よりも影響が小さいためである。更に、単一レンズであることや必要な分光感度領域が狭いほうが有利である。
【００２０】
上述した系において、測距光学系および測光光学系のうち少なくとも一方の基線長直交方向の実効Ｆナンバーを、基線長方向の実効Ｆナンバーよりも小さく（明るく）したほうがよい。
【００２１】
これは短い基線長の状態で、測距光学系および測光光学系の双方のＦナンバーを明るくしようとした場合、測距のための光束と測光のための光束の基線長方向の干渉を小さくするための条件である。これにより、より小型で感度の高い系が構成可能となる。
【００２２】
さらに、基線長をＺとしたとき、
０．７＜Ｚ／ｆＡＦ＜１．２　…（４）
なる条件を満足するのがよい。
【００２３】
下記条件式（４）において、下限を超えると、レンズ上の光束分離が困難となり、ゴーストフレアーの影響が大きくなって性能の低下が著しくなる。また、上限を超えると、測距光学系の結像性能がきびしくなったり、小型化が困難となったりする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の第１実施形態である測距・測光装置の構成を示している。本装置は図１２に示すカメラ２０に搭載される。測距・測光装置１０は撮影レンズ２１の上方近傍に配置され、カメラ２０に搭載された演算処理回路（図示せず）は、それぞれのセンサーからの情報をもとにして被写体距離や測光量を演算し、撮影レンズ２１を被写体に合焦するように制御すると同時に、被写体の露出量が所定の値になるようにカメラを制御する。
【００２５】
図２において、２２はファインダー対物窓であり、２３はストロボ発光窓である。
【００２６】
図１において、１，２は一対の測距（以下、ＡＦという）レンズであり、これらＡＦレンズ１，２の光学的なレンズ面形状は同じであり、本実施形態において、図１の左側の面は非球面であり、右側の面は球面で構成されている。
【００２７】
３は測光（以下、ＡＥという）レンズであり、ＡＦレンズ１，２のちょうど中間に配置されている。換言すると、ＡＥレンズ３に対してＡＦレンズ１とＡＦレンズ２とは対称な位置関係となっている。
【００２８】
また、ＡＥレンズ３は、図１の左側の面も右側の面も球面で構成されている。
【００２９】
ここで、レンズ１，２，３は同じ材質の樹脂より一体化されて形成されており、具体的には射出成形で一体成形される。
【００３０】
４はレンズ１，２，３に対してそれぞれ設けられた開口絞りであり、本実施形態では、レンズホルダー５に一対成形されている。従って、ホルダー５はその一部にレンズからの光束を制限する開口絞りを有することと、レンズを保持、固定する役割を有している。
【００３１】
６はＡＦ系、ＡＥ系の受光センサーが形成されている基板面（つまりは、センサー受光面）の位置を表しており、ＡＦレンズ１，２を含むＡＦ光学系は、センサー受光面６上に被写体像の焦点がほぼ合うように設定されている。また、ＡＥ光学系は、センサー受光面６で被写体像が相当ぼけた状態になるように設定されている。
【００３２】
この状態をＡＥのセンサー側から被写体側への逆投影で考えると、センサー受光面のある点からの光束は被写体側で発散するような状態（ＡＥ光束７）の投影関係になっており、このような関係に設定することにより小さなＡＥセンサーの受光面にもかかわらず、ＡＥレンズ３の焦点距離を短くせずに、被写体側の広い範囲を測光することを可能としている。
【００３３】
図２には、センサー受光面６上でのセンサー素子の配置を模式的に示している。図２において、８と９はＡＦ用の一次元ラインセンサーであり、ラインセンサー８はＡＦレンズ１からの光束を、ラインセンサー９はＡＦレンズ２からの光束を受光するためのものである。
【００３４】
ラインセンサー８，９の近傍には、それぞれＡＦ信号処理回路１１，１２が配置され、それぞれのラインセンサーからの電気信号の情報を処理する。
【００３５】
１０はＡＥセンサー（の受光面）であり、ＡＥレンズ３からの光束を受光する。これらセンサー８，９，１０およびＡＦ信号処理回路１１，１２は同一基板上に構成されており、該基板上にはその他に、図示していないが、電源回路、信号増幅回路、ＡＥ信号処理回路等の多くの回路が隙間なく配置されている。
【００３６】
ここで、ＡＦラインセンサー８，９とＡＥセンサー１０の基線長方向に対して直交する方向（以下、基線長直交方向という：図２の左右方向）の配置をみると、それら受光面の中心位置は同一直線状に配列されるのではなく、距離Ｘだけずれている。これは、基板の小型化を考えた場合、基線長方向に関してはＡＦ必要精度の関係上、基線長はラインセンサーの画素ピッチとの関係よりほぼ決まってしまい、基線長方向の基板短縮は性能確保をするためには難しいからである。
【００３７】
また、基線長直交方向に関しては、ＡＦ、ＡＥセンサーの受光面の寸法形状が異なること、および受光センサーに付随する大きな周辺回路の配置を考えると、ＡＥまたはＡＦセンサーを基板の中央からある程度ずらして配置した方が基板面積を小さくする上で好ましいからでもある。
【００３８】
図３には、図１に示した開口絞り４の形状を示しており、４０はレンズホルダー５を正面から見たときの開口絞り４の形状を表している。３つの開口部のうち４１と４２の開口部は、ＡＦレンズ１，２用の開口絞りであり、４３の開口部はＡＥレンズ３用の開口部である。
【００３９】
ここで、開口部４１，４２の形状は長方形であり、基線長方向（図３における上下方向）の開口寸法に対して基線長直交方向の開口寸法の方を大きく設定している。
【００４０】
この目的としては、基線長を長くせずにレンズ面の面積を有効活用してレンズを明るくできる理由のほかに、測距に使用するラインセンサーでは、必要とする画角特性において、レンズ性能が必要な方向はラインセンサーの長手方向であるため、ラインセンサーの長手方向に直交する方向のレンズのＦナンバーをラインセンサーの長手方向のＦナンバーより明るく設定した方がよいからである。
【００４１】
たとえば、同じ円形開口での実効Ｆナンバーのものに対して比較すると、コマ収差等の光学性能を良好にすることができる。
【００４２】
また、ＡＥレンズ３用の開口部４３の開口形状は正方形となっている。これは、非結像系のＡＥ光学系で広角の測光をするためには、開口絞りを比較的センサーの近傍に配置するのがよいが、このときの開口絞りの形状が測光する被写体の画角と相関をもつことになる、すなわち開口部の広い方向がより広い範囲を測光することになる。したがって、できるだけ測光したい画面の形状に開口絞りの形状を合わせるのが好ましいが、この実施形態では、レンズの基線長方向の大きさのバランスを考慮して正方形形状にしている。
【００４３】
基線長方向において、レンズ面上でＡＦ用の光束とＡＥ用の光束とが近接してくると、有効画角以外の光束が隣接しているレンズ面やセンサーに入射して、ゴースト、フレアー成分となり、それが測距誤差や測光誤差となる。また、ＡＦ用の開口部４１，４２に対してＡＥ用の開口部４３の中心の位置は、ＡＥセンサーに対応して基線長直交方向にある量シフトしている。
【００４４】
図４には、本実施形態のレンズを光軸方向から見た時の形状を示している。ＡＦレンズ１，２の基線長方向のＦナンバーより、基線長直交方向のＦナンバーの方を明るくするために、レンズ形状は基線長直交方向が基線長方向よりも長くなるように設定している。また、ＡＦレンズ１，２に対してＡＥレンズ３の光軸位置は、ＡＥセンサー１０に対応して基線長直交方向にある量シフトしている。
【００４５】
本実施形態の数値実施例は、後に示す数値実施例１である。
【００４６】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である測距・測光装置の構成を示している。
【００４７】
なお、第１実施形態と共通する構成要素には、第１実施形態と同符号を付している。
【００４８】
本実施形態の数値実施例は、後に示す数値実施例２である。
（第３実施形態）
図６から図１１には、本発明の第３実施形態である測距・測光装置の構成を示している。
【００４９】
なお、第１実施形態と共通する構成要素には、第１実施形態と同符号を付している。
【００５０】
本実施形態の数値実施例は、後に示す数値実施例３である。
（数値実施例１）
ＡＦレンズ
焦点距離ｆ＝５．０ｍｍ　基線長４．５ｍｍ
開口絞り位置　ｒ２より０．４ｍｍ
開口絞り寸法　１．１０ｘ２．８４ｍｍ（矩形）
実効Ｆｎｏ　１．８２（Ｆｎｏ基線長方向３．３０、基線長直交方向１．２８）
ｒ１　非球面　　ｄ　２．００　　ｎ　１．５２９９６　νｄ　５５．８
ｒ２　−１４．７２５２３　　ｂｆ　３．８８３
非球面係数（ｒ１）
Ｒ＝３．０７９２４
Ｂ＝−３．８３１３９Ｅ−３
Ｃ＝２．５４８０３Ｅ−４
Ｄ＝−１．７０２８７Ｅ−４
Ｅ＝１．３３８５９Ｅ−５
但し、非球面形状は下記関係式で定義されるものを示す。
【００５１】

但し、ｈ＝√（Ｙ^２＋Ｚ^２）
測光レンズ
焦点距離ｆ＝３２．２２ｍｍ
開口絞り位置　ｒ２より１．４ｍｍ
開口絞り寸法　０．８２ｘ０．８２ｍｍ（矩形）
実効Ｆｎｏ　３．１２（Ｆｎｏ基線長方向３．５２、基線長直交方向３．５２）
（センサー側よりみたときの射出瞳の張る角度で定義）
受光面サイズ０．９ｘ０．６０ｍｍ
シフト量Ｘ＝０．４０ｍｍ
ｒ１　４．００　ｄ　１．６０　　ｎ　１．５２９９６　νｄ　５５．８
ｒ２　４．５０　　ｂｆ　４．２８３
（数値実施例２）
ＡＦレンズ
焦点距離ｆ＝４．０ｍｍ　基線長４．０ｍｍ
開口絞り位置　ｒ２より０．３２ｍｍ
開口絞り寸法　０．９０ｘ１．８６ｍｍ（矩形）
実効Ｆｎｏ　２．０（Ｆｎｏ基線長方向３．２４、基線長直交方向１．５７）
ｒ１　非球面　　ｄ　１．６０　　ｎ　１．５２９９６　νｄ　５５．８
ｒ２　−１１．７８０１８　　ｂｆ　３．１０
非球面係数（ｒ１）
Ｒ＝２．４６３４
Ｂ＝−７．４８３１８Ｅ−３
Ｃ＝７．７７５９７Ｅ−４
Ｄ＝−８．１１９９４Ｅ−４
Ｅ＝９．９７３２５Ｅ−５
測光レンズ
焦点距離ｆ＝−３５．６ｍｍ
開口絞り位置　ｒ２より１．１２ｍｍ
開口絞り寸法　０．５０ｘ０．８７ｍｍ（矩形）
実効Ｆｎｏ　３．１０（Ｆｎｏ基線長方向４．６１、基線長直交方向２．６５）
（センサー側よりみたときの射出瞳の張る角度で定義）
受光面サイズ　０．８ｘ０．５０ｍｍ
シフト量Ｘ＝０．７０ｍｍ
ｒ１　４．８０　ｄ　１．１８　　ｎ　１．５２９９６　νｄ　５５．８
ｒ２　３．５０　　ｂｆ　３．４２６
（数値実施例３）
ＡＦレンズ
焦点距離ｆ＝５．０ｍｍ　基線長４．５ｍｍ
開口絞り位置　ｒ２より０．４０ｍｍ
開口絞り寸法　０．９０ｘ２．８４ｍｍ（矩形）
実効Ｆｎｏ　２．０（Ｆｎｏ基線長方向４．０、基線長直交方向１．２７）
ｒ１　非球面　　ｄ　２．００　　ｎ　１．５２９９６　νｄ　５５．８
ｒ２　−１４．７２５２３　　ｂｆ　３．８８
非球面係数（ｒ１）
Ｒ＝３．０７９２４
Ｂ＝−３．８３１３９Ｅ−３
Ｃ＝２．５４８０３Ｅ−４
Ｄ＝−１．７０２８７Ｅ−４
Ｅ＝１．３３８５９Ｅ−５
測光レンズ
焦点距離ｆ＝３８．７８ｍｍ
開口絞り位置　ｒ２より０．４０ｍｍ
開口絞り寸法　１．１０ｘ１．１０ｍｍ（矩形）
実効Ｆｎｏ　３．１３（Ｆｎｏ基線長方向３．５３、基線長直交方向３．５３）
（センサー側よりみたときの射出瞳の張る角度で定義）
受光面サイズ　０．６ｘ０．４０ｍｍ
シフト量Ｘ＝０．１５ｍｍ
ｒ１　４．００　ｄ　１．５５　ｎ　１．５２９９６　νｄ　５５．８
ｒ２　４．３０　　ｂｆ　４．２８３
本実施形態では、小型化、ローコスト化、合焦精度および露出量の検出精度を向上させるために、前述した条件式（１）〜（４）を満たすことが好ましい。
【００５２】
ここで、上記数値実施例１から３における条件式（１）〜（４）の値を表１に示す。
【００５３】
【表１】

【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測距光学系と測光光学系とを１つの装置として構成しても、それぞれの光学系を明るく、結像性能が良好で、ゴーストフレアー等に対して強くなることにより、測距および測光において精度が高く信頼性の高い測距・測光装置を実現することができる。
【００５５】
また、一体構造としていることや、小型のローコストセンサー基板を使用することができるため、装置全体の小型化およびローコスト化に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の基線長方向断面を示す図。
【図２】上記第１実施形態の基板上の素子配置を示す図。
【図３】上記第１実施形態の開口絞り形状を示す図。
【図４】上記第１実施形態のレンズ正面を示す図。
【図５】本発明の第２実施形態の基線長方向断面を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態の基線長断面を示す図。
【図７】上記第３実施形態の基板上の素子配置を示す図。
【図８】上記第３実施形態の開口絞り形状を示す図。
【図９】上記第３実施形態のレンズ正面を示す図。
【図１０】上記第３実施形態のＡＦレンズの基線長直交断面を示す図。
【図１１】上記第３実施形態のＡＥレンズの基線長直交断面を示す図。
【図１２】本発明の第１実施形態を説明するための図。
【符号の説明】
１，２　ＡＦレンズ
３　ＡＥレンズ
４　開口絞り
５　レンズホルダー
６　センサー受光面（基板面）
７　ＡＥ光束
８，９　ＡＦ用一次元ラインセンサー
１０　ＡＥセンサー
１１，１２　ＡＦ信号処理回路
４１，４２　ＡＦ用開口部
４３　ＡＥ用開口部

Claims

撮影レンズを透過する光束とは別の光束を用いて被写体距離の検出を行うとともに、前記撮影レンズを透過する光束とは別の光束を用いて測光を行う測距・測光装置であって、
測距センサーと測光センサーとが同一基板上に配置され、かつ互いに独立に設けられた複数の測距レンズと測光レンズとが一体形成されており、
前記測距レンズを含む測距光学系は結像系であり、前記測光レンズを含む測光光学系は非結像系であることを特徴とする測距・測光装置。
前記測距レンズの焦点距離をｆＡＦとし、前記測光レンズの焦点距離をｆＡＥとしたとき、
−０．５＜ｆＡＦ／ｆＡＥ＜０．６
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の測距・測光装置。
前記測距レンズの実行ＦナンバーをＡＦ．Ｆｎｏとし、前記測光レンズの実効ＦナンバーをＡＥ．Ｆｎｏとしたとき、
１．２＜ＡＥ．Ｆｎｏ／ＡＦ．Ｆｎｏ＜４．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の測距・測光装置。
前記測距レンズの基線長直交方向における前記測距センサーの受光面中心と測光センサーの受光面中心との距離をＸとし、前記測光センサーの受光面の基線長直交方向の幅をＹとしたとき、
０．０５＜Ｘ／Ｙ＜２．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の測距・測光装置。
前記測距光学系に対して、前記測光光学系中に分光感度を補正する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の測距・測光装置。
前記測距光学系又は前記測光光学系の基線長直交方向の実効Ｆナンバーが、それぞれの基線長方向の実効Ｆナンバーよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の測距・測光装置。
前記測距レンズの焦点距離をｆＡＦとし、前記測距光学系の基線長をＺとしたとき、
０．７＜Ｚ／ｆＡＦ＜１．２
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の測距・測光装置。
請求項１から７のいずれかに記載の測距・測光装置を備えたことを特徴とするカメラ。