JP2007178821A - オートフォーカス結像光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光束を結像光学系内で分岐して合焦検出を行う結像光学系において、様々な使用状況に対応可能とする。
【解決手段】フォーカス移動群１の像側の光路中に少なくとも１つの光路分岐光学系３を有する。光路分岐光学系３からの光束を用いて合焦状態を検出する合焦検出手段１２、演算手段１３、フォーカス移動群１を駆動制御する駆動手段１４を有し、合焦検出手段１２からの信号に基づいてフォーカス移動群１を駆動制御する。光路分岐光学系３の物体側に挿脱可能な焦点距離変換光学系２が配置され、合焦検出手段１２からの信号に対するフォーカス移動群１の駆動量、合焦検出手段１２の検出精度を焦点距離変換光学系２の挿脱に応じて切換え可能とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、光路中に分岐光学系を有し、分岐光束を用いてオートフォーカスを行うオートフォーカス結像光学系に関するものである。

スチルカメラやビデオカメラ等の撮影装置におけるオートフォーカス技術としては、従来から種々の方式が提案されている。特に、光路中に分岐光学系を配置し、分岐光路中にオートフォーカス検出手段を設けたレンズ・撮像装置が特許文献１〜３に提案されている。

これらの特許文献のように、分岐光学系からの分岐光束により合焦状態を検出しオートフォーカスを行う撮像システムでは、原則として分岐光学系以降の合焦検出側の光学系と撮像側の光学系との関係を一定とすることが必要である。これにより次の項目が達成され、適切な合焦制御が可能となる。

（ａ）合焦検出手段からの検出値と撮像面での合焦状態の関係が一定に保たれる。

（ｂ）画面周辺部の被写体に対するオートフォーカスを考えた場合に、撮像面上の所定位置に対応する測距枠の位置関係が一定に保たれる。

更に、フォーカス移動群の単位操作量とピント変化量の関係を所定の関係とすることが望ましい。それにより、高速・高精度のオートフォーカスが達成可能である。

（ｃ）フォーカス移動群の単位操作量とピント変化量の関係を所定の関係とし、この関係に基づいてフォーカス移動群の操作速度や位置制御精度を規定できる。

特開昭５５−７６３１２号公報 特開平９−２７４１３０号公報 特開２００２−３６５５１７号公報

しかし、一般にテレビカメラ用の結像光学系では、結像光学系内に挿脱可能な焦点距離変換光学系が配置されている。この焦点距離変換光学系の光路への挿脱によって、分岐光学系以降の合焦検出側の光学系と撮像側の光学系との関係が維持できなくなるので、上述の（ａ）、（ｂ）を達成できなくなるという問題点がある。

また、焦点距離変換光学系の挿脱によってフォーカス移動群の単位操作量とピント変化量の関係を維持することができなくなり、（ｃ）を達成することができなくなるという問題点がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、入射光束を結像光学系内で分岐して合焦検出を行う結像光学系において、高精度かつ高速で、様々な結像光学系の使用状況に対応可能なオートフォーカス結像光学系を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るオートフォーカス結像光学系の技術的特徴は、フォーカス移動群と、該フォーカス移動群の像側の光路中に配置した少なくとも１つの光路分岐光学系と、前記フォーカス移動群と前記光路分岐光学系の間に挿脱可能に配置した焦点距離変換光学系と、前記光路分岐光学系からの分岐光束を用いて前記フォーカス移動群による合焦状態を検出する合焦検出手段と、該合焦検出手段の出力を基にオートフォーカス演算を行う演算手段と、該演算手段の出力を基に前記フォーカス移動群を駆動制御する駆動制御手段とを有することにある。

本発明に係るオートフォーカス結像光学系によれば、合焦検出出力に対するフォーカス群駆動量、合焦検出手段の検出精度を適切に設定可能となり、焦点距離変換光学系の挿脱によらず適切なオートフォーカスを行うことが可能になる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例に先立って説明する結像光学系の概略図である。入射光の光路上に、フォーカス移動群１、光路に挿脱自在の焦点距離変換光学系２、分岐光学系３、撮像側部分光学系４ａ、撮像手段５が順次に配列され、分岐光学系３の分岐方向に検出側部分光学系４ｂ、合焦検出素子６が配列されている。

光路への焦点距離変換光学系２の挿入前において、フォーカス移動群１の結像倍率をβ１、撮像側部分光学系４ａの結像倍率をβ４ａ、検出側部分光学系４ｂの結像倍率をβ４ｂとすると、撮影側結像倍率βａ及び検出側結像倍率βｂは、次式で表される。
βａ＝β１・β４ａ （１）
βｂ＝β１・β４ｂ （２）

従って、撮影側結像倍率βａに対する検出側結像倍率βｂの結像倍率比Ｒβａｂは次式で表され、この結像倍率比Ｒβａｂは分岐光学系３以降の撮像側部分光学系４ａ、検出側部分光学系４ｂの結像倍率βａ、βｂによって決まる。
Ｒβａｂ＝βｂ／βａ＝β４ｂ／β４ａ （３）

次に、撮像手段５の対角方向の撮像範囲、つまりイメージサイズをＳ０、合焦検出素子６に含まれる合焦検出素子６の対角方向の測距枠の取り得る範囲をＡ０とすると、イメージサイズＳ０に対する合焦検出可能範囲の割合Ｒａｓは次式で表される。
Ｒａｓ＝（Ａ０／Ｓ０）・Ｒβａｂ （４）

ここで、この合焦検出可能範囲の割合Ｒａｓの条件としては、次式の範囲であることが望ましい。
０．３＜Ｒａｓ＜１．１ （５）

即ち、（５）式の上限を越えると、測距枠の取り得る範囲Ａ０が画面外にはみ出てしまい、適切に合焦できなくなってしまう。また、（５）式の下限を越えると、画面上で測距枠の取り得る範囲Ａ０が限られてしまい、適切なフレーミングに支障をきたしてしまう。

焦点距離変換光学系２による光学的な倍率変換がなされる場合に、焦点距離変換光学系２の変換倍率をβ２とすると、焦点距離変換光学系２が光路に挿入された場合の撮影側結像倍率βａ’、検出側結像倍率βｂ’はそれぞれ次式となる。
βａ’＝β１・β２・β４ａ （６）
βｂ’＝β１・β２・β４ｂ （７）

従って、焦点距離変換光学系２の光路への挿入後の撮影側結像倍率βａ’に対する検出側結像倍率βｂ’の結像倍率比Ｒβａｂ’は次式となる。
Ｒβａｂ’＝βｂ’／βａ’＝Ｒβａｂ （８）

焦点距離変換光学系２の挿入前後において、結像倍率比Ｒβａｂは変化しないので、（４）式から合焦検出可能範囲の割合Ｒａｓも変化せず、焦点距離変換光学系２の挿脱によって測距枠の取り得る範囲Ａ０は変わることはない。

測距枠は図２に示すように合焦検出素子６の範囲全体を使用する方式、図３に示すように任意の範囲を連続的に移動・選択する方式、図４に示す離散的な領域の全体又は一部を選択する方式等の何れでもよい。なお、測距枠の取り得る範囲Ａ０は、合焦検出側の像面における長さ寸法で規定し、特に指示しない場合は画面の水平・垂直・対角の何れの寸法を含むものとする。

撮像側でピントずれ量ΔＳａがある場合に、検出側のピントずれ量ΔＳｂは、撮像側に対する検出側結像倍率比Ｒβａｂの二乗に比例し、次式で表される。
ΔＳｂ＝ΔＳａ・Ｒβａｂ² （９）

従って、結像倍率比Ｒβａｂが分かっていれば、検出側でピントずれ量ΔＳｂを測定することにより、撮像側のピントずれ量ΔＳａを求めることができる。

焦点距離変換光学系２の挿入前において、フォーカス移動群１の単位移動量に対する撮像側ピント変化量をΔＦａとしたとき、検出側ピント変化量ΔＦｂは次式で表される。
ΔＦｂ＝ΔＦａ・Ｒβａｂ² （１０）

従って、合焦のために必要なフォーカス移動群１の駆動量Ｘは次式となる。
Ｘ＝−ΔＳａ・ΔＸａ＝−ΔＳｂ・ΔＸｂ （１１）

ただし、ΔＸａ＝１／ΔＦａ、ΔＸｂ＝１／ΔＦｂで表され、検出側のピントずれ量ΔＳｂを測定し、（１１）式に基づいた駆動量Ｘによりフォーカス制御することによって、高速かつ高精度なオートフォーカスが達成できる。

焦点距離変換光学系２が光路に挿入され、光学的な倍率変換がなされる場合に、焦点距離変換光学系２の挿入後の検出側のピント変化量ΔＦｂ’は、次式で表される。
ΔＦｂ’＝ΔＦａ・β２²・Ｒβａｂ²＝ΔＦｂ・β２² （１２）

従って、焦点距離変換光学系２の挿入後のフォーカス移動群１の駆動量Ｘ’は次式となる。
Ｘ’＝−ΔＳｂ／ΔＦｂ’＝Ｘ／β２² （１３）

焦点距離変換光学系２の挿入前に対し、検出値当りのフォーカス駆動量が変化してしまうことを回避するために、駆動量Ｘ’は次式の範囲とすることが望ましい。
０．８＜β２²・Ｘ’／Ｘ＜１．２ （１４）

これにより、焦点距離変換光学系２の挿脱によらずに、合焦制御をほぼ同等に維持することができる。

撮像手段５に対する最小錯乱円径をδ、結像光学系の絞り値（Ｆナンバ）をＦＮｏとすると、撮像側における焦点深度ｄｆは次式で表される。
ｄｆ＝２・ＦＮｏ・δ （１５）

焦点距離変換光学系２の光路への挿入前において、撮像側で必要な合焦精度Ｐａと、検出側検出精度Ｐｂの関係は、結像倍率比Ｒβａｂの二乗を用いて次式で表される。
Ｐｂ＝Ｐａ・Ｒβａｂ² （１６）

また、検出側合焦精度Ｐｂは焦点深度ｄｆに比例した値とすると次式となる。
Ｐｂ＝ＣＰ・ｄｆ・Ｒβａｂ²
＝ＣＰ・２・ＦＮｏ・δ・Ｒβａｂ² （１７）

ただし、ＣＰは定数であり、この定数ＣＰの値としては、次式の範囲程度が望ましく、この定数ＣＰの値を設定することにより、検出側合焦精度Ｐｂと焦点深度ｄｆを任意に設定することが可能となる。
０．１＜ＣＰ＜１．０ （１８）

焦点距離変換光学系２を光路に挿入した状態における結像光学系のＦナンバＦＮｏ’は、挿入前のＦナンバＦＮｏに対して変化し、次式で表される。
ＦＮｏ’＝ＦＮｏ・β２ （１９）

結像倍率比Ｒβａｂは前述のように、焦点距離変換光学系２の挿脱によって変化せず、次式で表される。
Ｒβａｂ’＝Ｒβａｂ （２０）

従って、焦点距離変換光学系２の挿入後の検出側合焦精度Ｐｂ’は、（１７）、（１９）、（２０）式から次式となる。
Ｐｂ’・β２＝Ｐｂ （２１）

焦点距離変換光学系２の挿脱による検出側合焦精度Ｐｂをほぼ同等とするためには、次式のような範囲とすることが望ましい。
０．９＜（Ｐｂ’・β２）／Ｐｂ＜１．１ （２２）

図５は実施例の構成図を示している。入射光の光路中には、フォーカス移動群１、光路に挿脱可能な焦点距離変換光学系２、分岐光学系３、リレーレンズ群１１、撮像手段５が配列され、分岐光学系３の分岐方向には合焦検出素子６を有する合焦検出手段１２が配置されている。合焦検出手段１２の出力は演算手段１３に接続され、演算手段１３の出力はフォーカス移動群１を駆動する駆動手段１４に接続されている。また、演算手段１３には焦点距離変換光学系２の挿脱を検知する検知手段１５の出力が接続されている。なお、実施例における焦点距離変換光学系２の焦点距離変換倍率β２は２．０である。

光路分岐光学系３により分岐された光束により、合焦検出手段１２はその検出値を出力し、演算手段１３の演算によりフォーカス移動群１を駆動制御してオートフォーカスを行っている。焦点距離変換光学系２を光路に挿入すると、撮像範囲に対する合焦検出可能範囲の割合Ｒａｓ’は次式となる。
Ｒａｓ’＝Ｒａｓ （２３）

挿入前に対し画面上での測距可能範囲は変化せず、本実施例では焦点距離変換光学系２の挿脱によって測距可能範囲は変化することはない。

焦点距離変換光学系２を挿入すると、検出側ピント変化量ΔＦｂ’は、（１２）式から次式となる。
ΔＦｂ’＝０．２５・ΔＦｂ （２４）

このピント変位量ΔＦｂ’は焦点距離変換光学系２の挿入前に対して変化してしまうので、挿入後のフォーカス移動群１の駆動量Ｘ’を次式とすることにより、焦点距離変換光学系２の挿脱前後で同等の合焦制御を達成する。
Ｘ’＝０．２５・Ｘ （２５）

本実施例では、δ＝０．０１ｍｍ、Ｒβａｂ＝１．０であり、ＣＰ＝０．２５として、（１８）式の条件を満たして適切な合焦制御を可能としている。

焦点距離変換光学系２を挿入すると、結像光学系のＦナンバＦＮｏ’は、挿入前のＦナンバＦＮｏに対して変化し次式となる。
ＦＮｏ’＝２．０・ＦＮｏ （２６）

焦点距離変換光学系２の挿入時の検出側の合焦精度Ｐｂ’を挿入前の検出側の合焦精度Ｐｂに対して、次式とすることにより、焦点距離変換光学系２の挿脱前後で合焦精度を同等に維持している。
Ｐｂ’＝２．０・Ｐｂ （２７）

図６は実施例の結像光学系を備えた撮像装置の構成図を示している。撮像装置はカメラ本体Ｃと結像光学系Ｌで構成され、結像光学系Ｌはカメラ本体Ｃに交換自在に装着されている。

結像光学系の概略図である。 合焦検出素子の測距枠の説明図である。 合焦検出素子の測距枠の説明図である。 合焦検出素子の測距枠の説明図である。 実施例の結像光学系の構成図である。 撮像装置の構成図である。

符号の説明

１ フォーカス移動群
２ 焦点距離変換光学系
３ 分岐光学系
４ａ 撮像側部分光学系
４ｂ 検出側部分光学系
５ 撮像手段
６ 合焦検出素子
１１ リレーレンズ群
１２ 合焦検出手段
１３ 演算手段
１４ 駆動手段
１５ 検出手段

Claims (4)

1. フォーカス移動群と、該フォーカス移動群の像側の光路中に配置した少なくとも１つの光路分岐光学系と、前記フォーカス移動群と前記光路分岐光学系の間に挿脱可能に配置した焦点距離変換光学系と、前記光路分岐光学系からの分岐光束を用いて前記フォーカス移動群による合焦状態を検出する合焦検出手段と、該合焦検出手段の出力を基にオートフォーカス演算を行う演算手段と、該演算手段の出力を基に前記フォーカス移動群を駆動制御する駆動制御手段とを有することを特徴とするオートフォーカス結像光学系。
2. 前記焦点距離変換光学系の前記光路への挿脱に伴って、前記演算手段は前記合焦検出手段からの信号に対する前記フォーカス移動群の駆動量を切換えることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス結像光学系。
3. 前記焦点距離変換光学系の前記光路への挿脱に伴って、前記合焦検出手段からの信号に対する前記駆動制御手段の制御精度を切換えることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス結像光学系。
4. 請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載のオートフォーカス結像光学系と、該オートフォーカス結像光学系の像側に配置した撮像手段とを有することを特徴とする撮影装置。

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