JP2006308496A - 測距装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光センサーアレイの総セグメント数を増やさないようにして、測距装置の製造コストの低減を図る。
【解決手段】 一対の結像レンズＬ、Ｒによる結像光束は、それぞれ光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒに結像させる。演算部１０４は、各結像レンズＬ、Ｒによる結像状態を光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒの出力信号から読み取って被測定物Ｔからの距離を演算により算出する。結像レンズＬ、Ｒは、液状レンズの小滴であり、液状レンズは各結像レンズＬ、Ｒを各結像レンズＬ、Ｒの光軸ＳL、ＳR方向に対して垂直方向へ移動することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定物からの距離を測定する測距装置及びこの測距装置を備えた撮像装置に関する。

従来、自動焦点カメラ等に搭載される外光三角方式（ステレオ方式）の測距装置１０１は、図１に示すように、被写体（被測定物体）Ｔに臨んで両眼視差を作る左右一対の結像レンズ（正のレンズ）Ｌ、Ｒを含む複眼結像光学系と、この結像レンズＬ、Ｒの略焦平面上に配置されてその結像（照度分布）を電気信号列に変換する光電変換素子である光センサーアレイ（例えば、フォトセンサーアレイ）１０２Ｌ、１０２Ｒと、光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒのセル（セグメント）毎の出力信号を順次量子化する量子化回路１０３と、この量子化されたデジタル値の左右一対の結像データ列に基づいて所要の論理演算処理を行い、被写体Ｔまでの距離を示す距離信号を算出する演算手段となる演算部１０４と、を備えている。
左右一対の結像レンズＬ、Ｒは、光軸ＳL、ＳRが平行で焦点距離ｆeが同一であり、同一面上に配置されて両眼結像光学系を構成しており、被写体Ｔは基準長（光軸間隔又は眼幅）Ｂだけ隔てた左右一対の結像レンズＬ、Ｒにより結像され、焦平面に相当する光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒ上にはそれぞれ倒立実像の被写体像が結ばれる。被写体Ｔが前方無限遠に存在する場合、結像点は光軸上の焦点に合致する。被写体Ｔまでの距離が有限長ｄの場合は、その距離ｄは三角測量の原理（三角形の相似）に基づいて次式で与えられる。
ｄ＝Ｂｆe／（ＸR＋ＸL）＝Ｂｆe／Ｘ ・・・（１）
ここで、ＸR、ＸLは、被写体Ｔ中の代表物点Ｐの左右の像点ＰR、ＰL（図示せず）と結像レンズＲ、Ｌの光軸ＳR、ＳLとの距離（偏位）であり、Ｘは、ＸRとＸLの和で、被写体像の相対的な総偏移量（位相差）である。従って、この空間的な位相差Ｘを求めることにより距離ｄを求めることができる。
しかし、被写体（被測定物体）Ｔは、代表物点Ｐとして存在するのではなく、空間的広がりを持っているため、光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒ上では多数のセンサー範囲に跨がる被写体像面（照度分布）が結像することになり、同一被写体Ｔ上の同一物点の像点をにわかに特定することはできない。そのため、演算部１０４では、左右一方の光センサーアレイ１０２Ｌ又は１０２Ｒによる結像データ列と他方の光センサーアレイ１０２Ｒ又は１０２Ｌによる結像データ列との相関性を調べて、同じ被写体像の照度パターンになるゾーン（ウインドウ位置）を見つけ出すことにより、位相差Ｘを光センサーアレイのセグメント数の形で求めるようにしている。
特許第３２９１９９６号 実開平２−１７１３号公報 特開２００３−５０３０３公報

しかしながら、測距装置１０１において、被写体Ｔまでの距離が近くなると（光束ＬL1、ＬR1の場合）、被写体Ｔまでの距離が遠い場合に比べて（光束ＬL2、ＬR2の場合）、ＸRとＸLの値が大きくなり、総セグメント数の多い光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒでないと光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒに入射するはずの光が光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒから外れてしまうので、総セグメント数の多い光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒが必要になり、測距装置１０１自体の製造コストの上昇に直結するという不具合がある。
そこで、本発明の目的は、測距装置について、光センサーアレイの総セグメント数を増やさなくて済み、製造コストの低減を図ることができるようにすることである。

請求項１に記載の発明は、一対の結像レンズと、前記一対の結像レンズによる結像光束をそれぞれ結像させる光センサーアレイと、前記各結像レンズによる結像状態を前記光センサーアレイの出力信号から読み取って被測定物からの距離を演算により算出する演算手段と、前記各結像レンズを当該各結像レンズの光軸方向に対して垂直方向へ移動するレンズ駆動手段と、を備えていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の測距装置において、レンズとなる小滴が前記結像レンズである液状レンズをさらに備え、前記レンズ駆動手段は、前記液状レンズが有する前記小滴を移動させる手段であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の測距装置において、前記被測定物からの光束を反射して前記光センサーアレイに入射させる反射部材をさらに備え、前記各結像レンズからの光束がそれぞれ入射する前記光センサーアレイの間隔をＸ、前記各結像レンズ間の間隔をＹとしたときに、前記光の反射により、０．５Ｙ＜Ｘ＜１０Ｙという関係を満足することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の測距装置において、前記反射部材として第１反射部材、第２反射部材をさらに備え、前記被測定物から前記第１反射部材、前記結像レンズ、前記第２反射部材、前記光センサーアレイが順に配置されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の測距装置において、透明材料で形成され外気との境界面が前記第１反射部材及び前記第２反射部材となる反射光路部材をさらに備えていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の測距装置において、前記反射光路部材は、前記各結像レンズ側について共通の一体の部材であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の測距装置を備えていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の撮像装置において、撮影レンズが沈胴式に収納されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、結像レンズを光軸の軸方向と垂直な方向に移動させることができるので、被測定物までの距離が近くても光センサーアレイに入射するはずの光が光センサーアレイから外れてしまうことがなく、光センサーアレイの総セグメント数を増やさなくて済み、製造コストの低減を図ることができる。
請求項２に記載の発明によれば、液状レンズによりレンズ駆動手段を容易に実現することができる。
請求項３に記載の発明によれば、測距装置のサイズが大きくなり過ぎ、あるいは、測距精度が悪化する事態を防止することができる。
請求項４に記載の発明によれば、第１及び第２反射部材により請求項３記載の発明を実現することができる。
請求項５に記載の発明によれば、第１反射部材と第２反射部材を単一の反射光路部材で実現することができる。
請求項６に記載の発明によれば、複数の反射光路部材を一体にしてさらに装置のコンパクト化を実現することができる。
請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれかの一項に記載の測距装置を備えているので、撮像装置そのものをコンパクト化できる。
請求項８に記載の発明によれば、撮像装置が沈胴型である場合における収納時の寸法を有効に小型化できる。

本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態の測距装置１は、その基本構成は図１に示す測距装置１０１と同様であり、被写体（被測定物）Ｔに臨んで両眼視差を作る左右一対の結像レンズ（正のレンズ）Ｌ、Ｒを含む複眼結像光学系と、この結像レンズＬ、Ｒの略焦平面上に配置されてその結像（照度分布）を電気信号列に変換する光電変換素子である光センサーアレイ（例えば、フォトセンサーアレイ）１０２Ｌ、１０２Ｒと、光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒのセル（セグメント）毎の出力信号を順次量子化する量子化回路１０３と、この量子化されたデジタル値の左右一対の結像データ列に基づいて所要の論理演算処理を行い、被写体Ｔまでの距離を示す距離信号を算出する演算部１０４と、を備えている。被写体Ｔまでの距離が有限長ｄの場合は、その距離ｄは三角測量の原理（三角形の相似）に基づいて前述の（１）式で与えられる。その他の測距装置１０１との共通点については、前述の測距装置１０１と同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。
本実施形態の測距装置１が従来の測距装置１０１と異なるのは、結像レンズＬ、Ｒを光軸ＳL、ＳRの軸方向と垂直な方向に移動させるレンズ駆動手段を備えている点である。このように、結像レンズＬ、Ｒを光軸ＳL、ＳRの軸方向と垂直な方向に移動させることができるので、図２に示すように、結像レンズＬ、Ｒを互いに近づけるように移動させれば、被写体Ｔまでの距離が近くなっても（光束ＬL1、ＬR1の場合）、光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒに入射するはずの光が光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒから外れてしまうことがなく（図１）、光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒに確実に入射させることができる（図２）。
本実施形態では、具体的には結像レンズＬ、Ｒに図３に示すような液状レンズ１１１の小滴ｔを用い、この液状レンズ１１１に設けられた小滴ｔの位置を移動する駆動機構によりレンズ駆動手段を実現する。

次に、液状レンズ１１１の構成、動作について説明する。
図３は液状レンズ１１１の拡大縦断面図であり、図４は後述の複数の電極１１３の構成を示す拡大平面図である。なお、図３、図４に示すような液状レンズは、例えば特許文献３などに開示されている。
図３、図４に示すように、この液状レンズ１１１は、透明な絶縁層１１２と、その表面上に配置された透明な流体からなる小滴ｔと、この小滴ｔから絶縁層１１２により絶縁された複数の電極１１３と、さらには絶縁層１１２と電極１１３とを支持する透明基板１１４と、小滴ｔに接続された小滴電極１１５と備えている。小滴電極１１５の電位をＶ０、各電極１１３の各電位はそれぞれＶ１〜Ｖ４とすると、これら電圧Ｖ０〜Ｖ５の電位差によって、液状レンズを前述のように駆動することができる。
次に、液状レンズ１１１の動作について説明する。
小滴ｔと絶縁層１１２とがなす接触角θ１は、小滴ｔと絶縁層１１２と周囲の空気との相互の界面張力から決定される。そして小滴ｔと電極１１３との間に電位差が存在しない場合（Ｖ０＝Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４）には、小滴ｔは、小滴ｔの体積Ｖｏｌと接触角θ１とにより規定される形状（図３、図４に実線で示している）を維持し、小滴ｔの曲率半径Ｒ１が定まる。また、小滴ｔは複数の電極１１３の中心に存在する（図４の実線の位置）。
次に、小滴ｔの位置を移動させる液状レンズ１１１の動作について説明する。４つの電極１１３に選択的に電圧を印加することにより、小滴ｔの位置を変化させることができる。例えば、電位Ｖ１と電位Ｖ３を電位Ｖ０と等しくし、電位Ｖ２を電位Ｖ４より大きくすることにより、小滴ｔはより高い電位の方向に引かれて、図５に示す矢印ｙの方向に移動する。このように、液状レンズ１１１は電極に選択的に電圧を印加することによって、レンズ位置、すなわち焦点位置の調整が可能である。
これにより、結像レンズＬ、Ｒを液状レンズ１１１の小滴ｔでそれぞれ構成し、各電極１１３への選択的な電圧の印加を行う電圧制御回路（図示せず）によって、小滴ｔで構成される結像レンズＬ、Ｒを光軸ＳL、ＳRの軸方向と垂直な方向に移動させるレンズ駆動手段を実現することができる。
また、図６は、偏心によるブレ補正で発生する偏心収差を球面以外の所望の形状に制御することで補正した例であり、シフト偏心した小滴ｔを実線で示している。
なお、言うまでもないが、図３〜図６を参照して説明した液状レンズ１１１は液状レンズの１構成例であって、さまざまな機種の液状レンズを本発明に適用することができる。

また、液状レンズ１１１を備えた前述の測距装置１において、図７に示すように、各結像レンズＬ、Ｒを透過した光を反射して光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒに入射させる第１反射部材１２１、第２反射部材１２２をさらに設け、光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒの間隔をＸ、各結像レンズＬ、Ｒ間の間隔をＹとしたときに、反射部材１２１、１２２での光の反射により、“０．５Ｙ＜Ｘ＜１０Ｙ”という関係を満足するようにしてもよい。
これは測距装置に入射する被写体Ｔからの２本の光束が測距装置１に入射する際の間隔と光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒの間隔との関係を示すものである。光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒの間隔Ｘが上限の１０Ｙを超えると測距装置１そのもののサイズが大きくなり過ぎ、下限の０．９Ｙよりも小さくなると測距精度が悪化するため、“０．５Ｙ＜Ｘ＜１０Ｙ”という関係を満足することにより、測距装置１のサイズが大きくなり過ぎ、あるいは、測距精度が悪化する事態を防止することができる。
この場合に、図８に示すように、被写体Ｔから順に第１反射部材１２１、結像レンズＬ、Ｒ、第２反射部材１２２、光センサーアレイ１０２Ｌ、１０２Ｒとなるように、測距装置１の各部材を配置するようにしてもよい。
また、図９に示すように、第１反射部材１２１及び第２反射部材１２２を、一体形成の反射光路部材１２３で構成してもよい。この反射光路部材１２３は透明材料で形成され、反射光路部材１２３と外気との境界面が第１反射部材１２１、第２反射部材１２２となる。
さらに、図９の例では、結像レンズＬ側と、結像レンズＲ側とで反射光路部材１２３を別部材としているが、図１０に示すように、両反射光路部材１２３を一体とした反射光路部材１２４を設けるようにしてもよい。
これにより、図９の場合に比べて部品点数を削減でき、組み付け工数を減らすことができる。

図１１は、本実施形態の撮像装置１１の斜視図である。この撮像装置１１は、たとえば、デジタルカメラなどであり、不図示の撮像素子（ＣＣＤ）によりスチル画像などを撮影する。撮像装置１１は前述の測距装置１を備えており、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、その筐体の正面側に結像レンズＬ、Ｒが設けられている。
なお、図１１において、符号１２はフラッシュ、符号１３はファインダ、符号１４は操作ボタン、符号１５はシャッタボタン、符号１６は電源スイッチ、符号１７はズームレバー、符号１８は液晶モニタ、符号１９は通信カードスロット、メモリカードスロットである。撮影レンズ２１は、使用されないときは、図１１（ａ）に示すように、撮像装置１１本体に「沈胴式」で収納される。
撮像装置１１は、撮像素子からの出力を中央演算装置（図示せず）の制御を受ける信号処理装置（図示せず）によって処理し、デジタル画像情報に変換する。即ち、撮像装置１１は撮影画像をデジタル情報とする機を有している。
図示しない信号処理装置によってデジタル化された画像情報は、中央演算装置の制御を受ける画像処理装置において所定の画像処理を受けた後、半導体メモリ（メモリカードスロット１９にセットされる）に記録される。液晶モニタ１８には、撮影中の画像を表示することもできるし、半導体メモリに記録されている画像を表示することもできる。また、半導体メモリに記録した画像は、通信カード等（通信カードスロット１９にセットされる）を使用して外部へ送信することも可能である。

図１１（ａ）に示すように、撮影レンズ２１は撮像装置１１の携帯時には「沈胴状態」にあり、ユーザが電源スイッチ１６を操作して電源を入れると、図１１（ｂ）に示すように鏡胴２２が繰り出される。このとき、鏡胴２２内部でズームレンズの各群は、例えば「短焦点端の配置」となっており、ズームレバー１７を操作することで各群の配置が変化して長焦点端への変倍を行うことができる。このとき、ファインダ１３も撮影レンズ２１の画角変化に連動して変倍する。
半導体メモリに記録した画像を、液晶モニタ１８に表示し、あるいは通信カード等を使用して外部へ送信する場合は、操作ボタン１４の操作により行う。
前述したように、液状レンズ１１１は、小滴ｔと電極１１３との間の電位差がない場合、所望の接触角θと所望の接触角ヒシテリシスを有するよう設計可能である。これは、小滴ｔについて適宜の材料、寸法、体積を選択することにより実現可能で、結像レンズＬ、Ｒは小滴ｔの湾曲度と位置の制御の両方の設計の自由度が得られ、これにより結像レンズＬ、Ｒの調整可能な幅と、焦点長さと焦点位置と開口数の選択可能な幅とが広がることになる。
電極１１３は、選択的にバイアスされて結像レンズＬ、Ｒの焦点長さと横方向（光軸ＳL、ＳRの軸方向と垂直な方向）の焦点位置を調整する。結像レンズＬ、Ｒの形状は、適宜の電圧を印加することにより保持される。
なお、本発明は上記の実施形態の例に基づいて説明したが、これに限定されるものではない。特許請求の範囲は、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の他の変形例も含むよう解釈すべきである。なお、特許請求の範囲に記載した参照番号は、発明の容易なる理解のためで、権利範囲を限定的に解釈するよう用いるべきものではない。

本発明の一実施形態の測距装置の基本構成を示す概念図である。 本実施形態の測距装置における結像レンズの移動について説明する概念図である。 液状レンズの拡大縦断面図である。 液状レンズの拡大平面図である。 液状レンズにおけるレンズの移動について説明する拡大縦断面図である。 液状レンズにおけるレンズの移動について説明する拡大平面図である。 反射部材を備えた測距装置の概念図である。 反射部材を備えた測距装置の他の構成例の概念図である。 反射部材を備えた測距装置の他の構成例の概念図である。 反射部材を備えた測距装置の他の構成例の概念図である。 測距装置を備えた撮像装置の概観図である。

符号の説明

１ 測距装置、１１ 撮像装置、１０２Ｌ、１０２Ｒ 光センサーアレイ、１０４ 演算手段、１１１ 液状レンズ、１２１ 第１反射部材、１２２ 第２反射部材、１２３、１２４ 反射光路部材、Ｌ、Ｒ 結像レンズ、Ｔ 被測定物、ｔ 小滴

Claims (8)

1. 一対の結像レンズと、
   前記一対の結像レンズによる結像光束をそれぞれ結像させる光センサーアレイと、
   前記各結像レンズによる結像状態を前記光センサーアレイの出力信号から読み取って被測定物からの距離を演算により算出する演算手段と、
   前記各結像レンズを当該各結像レンズの光軸方向に対して垂直方向へ移動するレンズ駆動手段と、を備えていることを特徴とする測距装置。
2. レンズとなる小滴が前記結像レンズである液状レンズをさらに備え、
   前記レンズ駆動手段は、前記液状レンズが有する前記小滴を移動させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記被測定物からの光束を反射して前記光センサーアレイに入射させる反射部材をさらに備え、
   前記各結像レンズからの光束がそれぞれ入射する前記光センサーアレイの間隔をＸ、前記各結像レンズ間の間隔をＹとしたときに、前記光の反射により、０．５Ｙ＜Ｘ＜１０Ｙという関係を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の測距装置。
4. 前記反射部材として第１反射部材、第２反射部材をさらに備え、
   前記被測定物から前記第１反射部材、前記結像レンズ、前記第２反射部材、前記光センサーアレイが順に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の測距装置。
5. 透明材料で形成され外気との境界面が前記第１反射部材及び前記第２反射部材となる反射光路部材をさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
6. 前記反射光路部材は、前記各結像レンズ側について共通の一体の部材であることを特徴とする請求項５に記載の測距装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の測距装置を備えていることを特徴とする撮像装置。
8. 撮影レンズが沈胴式に収納されることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。

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