JP2009031356A - 自動合焦装置、自動合焦制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コントラストＡＦを考慮していない構成の撮影光学系の自動合焦も行うことができる、縮小光学系を備えた自動合焦装置等を提供する。
【解決手段】カメラ本体１に着脱可能な交換レンズ２と、交換レンズ２の光路上後方に配置され光学像を再結像することなく縮小する縮小光学系１１と、縮小光学系１１の光路上後方に配置された撮像素子１３と、縮小光学系１１を光軸に沿って複数位置に移動させ撮像素子１３からの画像信号のコントラスト成分に基づき合焦状態を検出するフォーカス制御部１４と、検出された合焦状態に基づいて交換レンズ２を駆動し合焦動作を行わせるように制御するカメラマイクロコンピュータ１８と、を備えた自動合焦装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮影光学系により結像されようとする光学像を再結像することなく縮小する縮小光学系を備えた自動合焦装置と、その自動合焦制御方法と、に関する。

撮影光学系を介して被写体光像を撮像素子等に結像する際に、狙いの被写体に合焦が行われるように自動調整する自動合焦装置は、従来より種々のものが提案されている。このような自動合焦装置に用いられる技術としては、例えば、位相差ＡＦとコントラストＡＦ（いわゆる山登りＡＦ）とが挙げられる。

ここに、位相差ＡＦは、セパレータレンズを用いて２つの像を形成し、これら２つの像同士の間隔を測定して前ピンまたは後ピンの何れであるかとその合焦位置からのずれ量とを検出するＡＦ方式である。

また、コントラストＡＦは、撮像素子から得られる画像データから高周波成分を抽出し、抽出された高周波成分が撮像素子に結像されている被写体像のコントラストを表す量であるとして、レンズを移動させながらコントラストを検出し、検出されるコントラストが最も高い位置を探索して、そのピーク位置を合焦位置であるとするＡＦ方式である。

ところで、例えば特開２０００−１２１９３２号公報には、マスターレンズの光学像を再結像することなく縮小する縮小光学系が開示されている。このような縮小光学系を用いると、マスターレンズにより結像される光学像よりも小さい光学像が得られるために、縮小光学系を使用しない場合よりも小さい撮像素子を使用することが可能となり、撮像装置を安価に構成することができるという利点がある。
特開２０００−１２１９３２号公報

上記特開２０００−１２１９３２号公報に記載されたような光学系においてＡＦを行うことを考えたときに、位相差ＡＦを行うことはできない。なぜならば、該公報の図１〜図３に示されているように、縮小光学系はローパスフィルタの直前に配置されているが、この位置は通常の一眼レフレックスタイプのカメラにおいてミラーボックスが配置されている位置であるために、クイックリターンミラーを配置することができず、撮影光束を位相差ＡＦを行うＡＦセンサ側へ分配することができないからである。

従って、このような光学系においてＡＦを行う場合には、コントラストＡＦが候補に挙げられることになる。しかし、ＡＦ方式として位相差ＡＦが採用されていることが多い銀塩一眼レフレックスカメラに用いられる交換レンズは、オーバー無限大やオーバー至近への駆動を考慮したものとはなっていないために、合焦位置の前後にレンズを駆動する必要があるコントラストＡＦにそのまま使用しようとしても、制約が生じてしまうことになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、コントラストＡＦを考慮していない構成の撮影光学系の自動合焦も行うことができる、縮小光学系を備えた自動合焦装置と、その自動合焦制御方法と、を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、第１の発明による自動合焦装置は、光学像を結像するためのものであってカメラ本体に対して着脱可能な撮影光学系と、上記撮影光学系の光路上後方に配置され該撮影光学系により結像されようとする光学像を再結像することなく縮小するように機能するものであり１以上のレンズを含むレンズ群として構成された縮小光学系と、上記縮小光学系の光路上後方に配置され該縮小光学系により縮小された光学像を光電変換して画像信号を出力する撮像素子と、上記縮小光学系を構成するレンズ群の全部または一部を上記撮影光学系の光軸に沿って前後に移動させるための縮小光学系駆動部と、上記撮像素子から出力された画像信号に基づき上記撮像素子の撮像面における合焦状態を検出する合焦状態検出部と、上記合焦状態検出部により検出された合焦状態に基づいて上記撮影光学系を駆動し合焦動作を行わせるように制御する合焦駆動制御部と、を具備したものである。

また、第２の発明による自動合焦装置は、上記第１の発明による自動合焦装置において、上記撮影光学系は、１以上のレンズを含むレンズ群として構成されたものであり、上記合焦状態検出部は、上記撮影光学系の光軸に沿って前後に移動された上記縮小光学系を構成するレンズ群の全部または一部の複数位置において撮像して得られた複数の画像データのコントラスト成分に基づいて上記縮小光学系による上記光学像の結像位置と上記撮像面との相対的な位置関係を検出するものであり、上記合焦駆動制御部は、上記合焦状態検出部による検出結果に基づいて上記撮影光学系を構成するレンズ群の一部または全部を駆動して合焦動作を行わせるように制御するものである。

さらに、第３の発明による自動合焦装置は、上記第２の発明による自動合焦装置において、上記撮影光学系の光路上の上記縮小光学系と上記撮像素子との間に配設され該撮像素子への露光時間を調節するためのメカニカルシャッタをさらに具備し、上記合焦状態検出部は、合焦調節時には上記メカニカルシャッタを開放にして上記縮小光学系が該メカニカルシャッタ内に移動するのを許可し、本撮影時には該縮小光学系を該メカニカルシャッタ外に退避させるようにさらに制御するものである。

第４の発明による自動合焦制御方法は、光学像を結像するためのものであってカメラ本体に対して着脱可能な撮影光学系と、上記撮影光学系の光路上後方に配置され該撮影光学系により結像されようとする光学像を再結像することなく縮小するように機能するものであり１以上のレンズを含むレンズ群として構成された縮小光学系と、上記縮小光学系の光路上後方に配置され該縮小光学系により縮小された光学像を光電変換して画像信号を出力する撮像素子と、を備えた自動合焦装置の自動合焦制御方法であって、上記縮小光学系を構成するレンズ群の全部または一部を上記撮影光学系の光軸に沿って前後に移動させる縮小光学系駆動ステップと、上記撮像素子から出力された画像信号に基づき上記撮像素子の撮像面における合焦状態を検出する合焦状態検出ステップと、上記合焦状態検出部により検出された合焦状態に基づいて上記撮影光学系を駆動し合焦動作を行わせるように制御する合焦駆動制御ステップと、を有する方法である。

本発明の自動合焦装置とその自動合焦制御方法によれば、コントラストＡＦを考慮していない構成の撮影光学系の自動合焦も行うことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［実施形態１］
図１から図１５は本発明の実施形態１を示したものであり、図１は自動合焦装置が適用される撮像装置の構成を示すブロック図である。

この撮像装置は、カメラ本体１と、このカメラ本体１に対して着脱可能な撮影光学系たる交換レンズ２と、を備えている。

交換レンズ２は、焦点距離を調節する機能を備えたズームレンズ５と、焦点位置を調節する機能を備えたフォーカスレンズ６と、これらズームレンズ５およびフォーカスレンズ６のレンズ位置等の情報を取得すると共に制御を行うレンズマイクロコンピュータ７と、を備えている。

カメラ本体１は、縮小光学系１１と、シャッタ１２と、撮像素子１３と、フォーカス制御部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、記録部１７と、カメラマイクロコンピュータ１８と、を備えており、例えば電子カメラとして構成された本体となっている。

縮小光学系１１は、交換レンズ２がカメラ本体１に装着された際に、この交換レンズ２の光路上後方に配置されるようにカメラ本体１内に設けられたものである。この縮小光学系１１は、交換レンズ２により結像されようとする光学像を再結像することなく縮小するように機能するものであり、後で実施例を挙げて説明するように、１以上のレンズを含むレンズ群として構成されている。

シャッタ１２は、交換レンズ２の光路上の縮小光学系１１と撮像素子１３との間に配設され、撮像素子１３への露光時間を調節するためのメカニカルシャッタ（一例を挙げればフォーカルプレーンシャッタ）として構成されたものである。

撮像素子１３は、縮小光学系１１の光路上後方に配置され、この縮小光学系１１により縮小された光学像を光電変換して画像信号を出力するものである。

フォーカス制御部１４は、合焦調節時に縮小光学系１１を構成するレンズ群の全部または一部を交換レンズ２の光軸に沿って前後に移動させ、複数の位置において撮像素子１３から出力された複数の画像信号に基づき、この撮像素子１３の撮像面における合焦状態をＡＦ評価値として検出するものであり、縮小光学系駆動部と合焦状態検出部とを兼ねたものとなっている。なお、縮小光学系１１はパワーを有しているために、縮小光学系１１が光軸方向に移動すると、焦点位置も移動するようになっている。

画像処理部１５は、撮像素子１３から得られた画像データに画素補間処理やホワイトバランス調整処理、ノイズ除去処理、階調変換処理、画素数変換処理、圧縮処理などの各種の画像処理を施して、表示用の画像データや記録用の画像データを生成するものである。

表示部１６は、画像処理部１５により生成された表示用の画像データに基づき画像を表示するものであり、例えばＬＣＤ等の表示デバイスを含んで構成されている。

記録部１７は、画像処理部１５により生成された記録用の画像データをメモリカード等の記録媒体に記録して保存するものである。

カメラマイクロコンピュータ１８は、カメラ本体１内の各部を制御する制御部である。このカメラマイクロコンピュータ１８は、フォーカス制御部１４により検出されたＡＦ評価値に基づいて、交換レンズ２のレンズマイクロコンピュータ７と通信を行い、交換レンズ２を駆動して合焦動作を行わせるように制御する合焦駆動制御部を兼ねたものとなっている。

なお、この撮像装置は、一眼レフレックスカメラにおけるミラーボックスの位置に縮小光学系１１が配設されているものであるために、一眼レフレックスタイプの光学ファインダは備えていない。そこで、この撮像装置においては、表示部１６を介したライブビューにより被写体を観察しながら構図を確認し、撮像を行うようになっている。

次に、図２は、ワンショットＡＦにおける撮像装置の作用を示すフローチャートである。

この処理を開始すると、ライブビューの開始が指示される（ステップＳ１）。

このライブビューは、撮像素子１３からの画像データに基づき行われるものであるために、シャッタ１２を開く（ステップＳ２）。

そして、撮像素子１３による撮像を開始する。このときには、フォーカス制御部１４によるＡＦ評価値の取得も合わせて行う（ステップＳ３）。

そして、２段スイッチでなるレリーズボタンの１段目が押圧され、ファーストレリーズが行われたか否かを判定する（ステップＳ４）。

ここで、ファーストレリーズがまだ行われていないと判定された場合には、行われるまでファーストレリーズの検出を繰り返して行う。

一方、ステップＳ４においてファーストレリーズが行われたと判定された場合には、フォーカス制御部１４が縮小光学系１１を光軸方向に移動開始する（ステップＳ５）。上述したステップＳ２においてシャッタ１２を開放にしているために、この縮小光学系１１の光軸方向への移動の際には、縮小光学系１１は、フォーカス制御部１４の制御に基づき、シャッタ１２内に移動するのを許可されている。

そして、フォーカス制御部１４は、撮像素子１３からの画像データに基づき、縮小光学系１１の光軸方向の複数点位置において、ＡＦ評価値を取得する（ステップＳ６）。すなわち、フォーカス制御部１４は、縮小光学系１１を交換レンズ２の光軸に沿って前後に移動し、光軸上の複数位置において撮像して得られた複数の画像データのコントラスト成分に基づいて、縮小光学系１１による光学像の結像位置と撮像面との相対的な位置関係を検出し、ＡＦ評価値を取得する。

続いて、取得されたＡＦ評価値に基づいて、フォーカスレンズ６を略合焦位置に移動するためには、このフォーカスレンズ６を何れの方向（光軸に沿った前方側または後方側）に、およそどれだけの量だけ移動させれば良いかの情報を検出することができたか否かを判定する（ステップＳ７）。

このステップＳ７において、まだ検出されない場合には、ステップＳ６へ戻ってＡＦ評価値の取得を行う。

一方、ステップＳ７において検出された場合には、フォーカス制御部１４は、縮小光学系１１を所定の初期位置まで移動させてから停止させる（ステップＳ８）。この初期位置は、縮小光学系１１がシャッタ１２外に退避した位置、つまりシャッタ１２とは抵触しない位置となっている。従って、その後のセカンドレリーズ後に、本撮影のためにシャッタ１２の開閉が行われても、縮小光学系１１がシャッタ１２と干渉することはない。

その後、カメラマイクロコンピュータ１８は、フォーカス制御部１４により検出された移動方向および移動量に基づいて、レンズマイクロコンピュータ７を介してフォーカスレンズ６を駆動開始する（ステップＳ９）。なお、ここではおおまかな合焦位置が既に分かっているために、フォーカスレンズ６を合焦位置へ向けて高速に移動することができる。

そして、フォーカスレンズ６を移動しながら、フォーカス制御部１４はＡＦ評価値の取得を所定時間間隔で次々と行う（ステップＳ１０）。

続いて、カメラマイクロコンピュータ１８は、フォーカス制御部１４から時々刻々と得られるＡＦ評価値に基づいて、コントラストＡＦ、つまりいわゆる山登りＡＦを行い、合焦点の近傍に至ったか否かを検出する（ステップＳ１１）。ここに、コントラストＡＦは、上述したように、撮像素子から得られる画像データから高周波成分を抽出し、抽出された高周波成分が撮像素子に結像されている被写体像のコントラストを表す量であるとして、レンズを移動させながらコントラストを検出し、検出されるコントラストが最も高い位置を探索して、そのピーク位置を合焦位置であるとするＡＦ方式である。

ここで、合焦点の近傍に至るまでは、フォーカスレンズ６を高速に移動しながら、ステップＳ１０のＡＦ評価値の取得を行う。

また、ステップＳ１１において、合焦点の近傍に至ったと判定された場合には、フォーカスレンズ６を低速駆動に切り換えて移動させる（ステップＳ１２）。

そして、上述したステップＳ１０と同様に、フォーカスレンズ６を移動しながら、フォーカス制御部１４はＡＦ評価値の取得を所定時間間隔で次々と行う（ステップＳ１３）。

続いて、カメラマイクロコンピュータ１８は、フォーカス制御部１４から時々刻々と得られるＡＦ評価値に基づいて、コントラストＡＦを行い、合焦点に至ったか否かを検出する（ステップＳ１４）。

ここで、合焦点に至るまでは、フォーカスレンズ６を低速に移動しながら、ステップＳ１３のＡＦ評価値の取得を行う。

また、ステップＳ１４において、合焦点に至ったと判定された場合には、フォーカスレンズ６を停止させる（ステップＳ１５）。

その後、２段スイッチでなるレリーズボタンの２段目が押圧され、セカンドレリーズが行われたか否かを判定する（ステップＳ１６）。

ここで、セカンドレリーズが行われていないと判定された場合には、さらに、ファーストレリーズが解除されたか否かを判定する（ステップＳ１７）。

ここで、ファーストレリーズが解除されたと判定された場合には、上述したステップＳ４へ戻って、次にファーストレリーズが行われるのを待機する。

また、ステップＳ１７において、ファーストレリーズが解除されていないと判定された場合には、ステップＳ１６へ戻って、セカンドレリーズの検出を繰り返して行う。

こうして、ステップＳ１６においてセカンドレリーズが行われたと判定された場合には、本露光を行うに先立って、撮像素子１３に蓄積された不要電荷等を排出するために、まずシャッタ１２を閉じる（ステップＳ１８）。

その後、シャッタを開いて本撮影を行い、露光時間が経過した後にシャッタを閉じて画像データを撮像素子１３から出力し、画像処理部１５により処理を行って、記録部１７に記録すると共に、表示部１６に表示する（ステップＳ１９）。

こうして本撮影が終了したら、電源スイッチの状態や撮像装置のモードが撮影モードであるか再生モードであるか等のモードボタンの状態を検出することにより、撮影終了であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。

ここで、撮影終了でない場合には、上述したステップＳ２へ戻って、シャッタを開いて撮像を開始し、次にファーストレリーズが行われるのを待機する。

また、ステップＳ２０において撮影終了であると判定された場合には、この処理を終了する。

続いて、図３は、コンティニュアスＡＦにおける撮像装置の作用を示すフローチャートである。この図３の処理において、上述した図２の処理と同様である部分については同一の符号を付して説明を省略する。

コンティニュアスＡＦは、よく知られているように、ファーストレリーズがオンである間はオートフォーカスを継続的に行うものであり、動きがある被写体に対して用いられることが多いＡＦモードである。

従って、このコンティニュアスＡＦにおいては、ステップＳ１４において合焦点が検出された後も、フォーカスレンズ６をその位置に直ちに停止させるステップＳ１５の処理は行わず、そのままステップＳ１６の処理へ進んでセカンドレリーズが行われたか否かを判定する。そして、セカンドレリーズが行われず、ファーストレリーズがオンのままである間は、ステップＳ１３へ戻って合焦動作を継続して行う。

そして、ステップＳ１６において、セカンドレリーズが行われたことを検出した後に、はじめてステップＳ１５の処理を行ってフォーカスレンズ６を停止させる。

その後は、図２と同様に、ステップＳ１８およびそれ以降の処理へ進む。

次に、上述したような撮影光学系および縮小光学系の実施例について説明する。

［実施例１］
図４から図９は撮影光学系および縮小光学系の実施例１を示したものであり、図４はワイド端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図、図５は標準焦点距離の無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図、図６はテレ端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図、図７はワイド端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図、図８は標準焦点位置における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図、図９はテレ端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図である。ここに、図７〜図９において、一点鎖線は波長４３５．８４（ｎｍ）の光に係る収差を、点線は波長６５６．２７（ｎｍ）の光に係る収差を、実線は波長５８７．５６（ｎｍ）の光に係る収差を、それぞれ表している。

なお、図中においては、物体側から順にレンズにＬｉ（ｉ＝１，２，３，…）の符号を付し、面番ｉ（ｉ＝１，２，３，…）に対応する面を符号ｒｉにより表している。

この光学系は、主レンズ系としての撮影光学系Ｍと、縮小光学系Ａと、シャッタＳＨと、光学ローパスフィルタＬＰＦと、赤外カットフィルタＩＲとを、物体側から撮像素子１３の撮像面ＩＳ側へ向けて順に配設して構成されている。

撮影光学系Ｍは、正のパワーを有する第１レンズ群Ｇｒ１と、負のパワーを有する第２レンズ群Ｇｒ２と、正のパワーを有する第３レンズ群Ｇｒ３と、正のパワーを有する第４レンズ群Ｇｒ４と、を有して構成されていて、第３レンズ群Ｇｒ３と第４レンズ群Ｇｒ４との間に絞りＳが配設されている。第１レンズ群Ｇｒ１は、レンズＬ１〜Ｌ３を有し、光学面はｒ１〜ｒ５である。第２レンズ群Ｇｒ２はレンズＬ４〜Ｌ７を有し、光学面はｒ６〜ｒ１３である。第３レンズ群Ｇｒ３はレンズＬ８〜Ｌ１０を有し、光学面はｒ１４〜ｒ１８である。絞りＳの光学面はｒ１９である。第４レンズ群Ｇｒ４はレンズＬ１１〜Ｌ１５を有し、光学面はｒ２０〜ｒ２７である。

縮小光学系Ａは、物体側から、両凸の正レンズＬ１６、Ｌ１６と接合された両凹の負レンズＬ１７、非球面を有する物体側凸の正メニスカスレンズＬ１８で構成され、光学面はｒ２８〜ｒ３２である。

シャッタＳＨの光学面はｒ３３，ｒ３４である。光学ローパスフィルタＬＰＦの光学面はｒ３５である。赤外カットフィルタＩＲの光学面はｒ３６，ｒ３７である。ただし、光学面ｒ３３〜ｒ３７については、図面が煩雑になるのを避けるために図示を省略している。

また、以下の表１に示すレンズデータにおいては、Ｒが曲率半径、Ｄが軸上面間隔、Ｎｄが屈折率、ｖｄがアッベ数をそれぞれ表し、曲率半径にＡＳＰの文字を付した面は非球面であることを表している。

［表１］
面番 R D Nd vd
1 72.478 2.50 1.78472 25.68
2 43.701 5.84 1.60311 60.64
3 120.289 0.15
4 50.871 4.15 1.77250 49.60
5 116.574 D5
6 48.059 1.79 1.77250 49.60
7 11.994 5.96
8 402.032 1.31 1.72916 54.68
9 22.394 2.08
10 500.000 1.50 1.58213 59.38
11 31.403 ASP 1.87
12 32.588 3.64 1.84666 23.78
13 -56.554 D13
14 97.862 1.01 1.68893 31.07
15 14.964 4.48 1.51742 52.43
16 -77.798 0.71
17 -27.525 ASP 1.40 1.58213 59.38
18 -500.000 D18
19 絞り D19
20 18.374 5.94 1.51533 64.14
21 -516.779 ASP 0.28
22 38.905 1.45 1.74100 52.64
23 15.385 9.44 1.48749 70.23
24 -23.308 0.20
25 -278.157 1.15 1.80610 40.92
26 17.639 7.00 1.48749 70.23
27 -34.682 D27
28 12.800 6.50 1.81600 46.62
29 -280.000 0.90 1.68893 31.07
30 9.600 2.25
31 20.000 2.10 1.49700 81.54
32 58.000 ASP 2.72
33 ∞ 0.70
34 ∞ 0.40
35 ∞ 0.50 1.54200 77.40
36 ∞ 1.40 1.54771 62.84
37 ∞

なお、この表１におけるＤ５，Ｄ１３，Ｄ１８，Ｄ１９，Ｄ２７については、後でズームデータとして示される。

次に、面番１１，１７，２１，３２の各非球面の非球面係数は、次の表２に示すようになっている。ここに、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２は、それぞれ４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数を表し、Ｒは上述した曲率半径、ｋは円錐係数を表している。

［表２］
非球面係数
面番 R k
11 31.403 0.000
A4 A6 A8 A10 A12
-1.59167e-05 -4.17989e-08 -6.00836e-10 9.02919e-12 -5.95551e-14
面番 R k
17 -27.525 0.000
A4 A6 A8 A10 A12
2.20919e-05 6.95067e-08 -5.02249e-10 2.01464e-12 2.22828e-15
面番 R k
21 -516.779 0.000
A4 A6 A8 A10 A12
5.76661e-05 1.94040e-08 4.24227e-10 -5.56377e-12 1.96330e-14
面番 R k
32 58.000 0.000
A4 A6 A8
1.54000e-04 -2.20000e-07 5.40000e-08

さらに、ワイド端（Ｗｉｄｅ）、標準焦点位置（Ｓｔｄ）、テレ端（ｔｅｌｅ）のズームデータは、次の表３に示すようになっている。

［表３］
ズームデータ
Wide Std tele
焦点距離 7.54 14.42 27.24
ＦＮＯ． 1.46 1.64 1.84
画角２ω 73.55 41.79 22.98

D5 1.00 16.33 31.63
D13 7.94 3.70 1.46
D18 6.09 1.37 1.00
D19 10.45 6.44 1.00
D27 1.80 12.08 23.62

加えて、縮小光学系Ａのレンズデータは、次の表４に示すようになっている。ここに、Ｆｃ感度は、縮小光学系Ａの光軸方向への移動量に対する像面の移動量の比を示すものである。

［表４］
焦点距離 83.30 (mm)
Ｆｃ感度 0.55x
横倍率 0.67x

［実施例２］
図１０から図１５は撮影光学系および縮小光学系の実施例２を示したものであり、図１０はワイド端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図、図１１は標準焦点距離の無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図、図１２はテレ端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図、図１３はワイド端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図、図１４は標準焦点位置における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図、図１５はテレ端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図である。ここに、図１３〜図１５において、一点鎖線は波長４３５．８４（ｎｍ）の光に係る収差を、点線は波長６５６．２７（ｎｍ）の光に係る収差を、実線は波長５８７．５６（ｎｍ）の光に係る収差を、それぞれ表している。

なお、図中に示した各符号は、上述した実施例１と同様である。また、図面が煩雑になるのを避けるために、光学面ｒ３３〜ｒ３９についての図示を省略しているのも、上述した実施例１と同様である。

この実施例２の光学系も、主レンズ系としての撮影光学系Ｍと、縮小光学系Ａと、シャッタＳＨと、光学ローパスフィルタＬＰＦと、赤外カットフィルタＩＲとを、物体側から撮像素子１３の撮像面ＩＳ側へ向けて順に配設して構成されている。そして、撮影光学系Ｍのレンズ群構成や各レンズ構成、各光学面の符号は、実施例１と同様である。ただし、縮小光学系Ａは、物体側から、物体側凸の正メニスカスレンズＬ１６、Ｌ１６と接合された物体側凸の負メニスカスレンズＬ１７、非球面を有する物体側凸の正メニスカスレンズＬ１８で構成され、光学面はｒ２８〜ｒ３２である。

そして、この実施例２のレンズデータは、次の表５に示すようになっている。

［表５］
面番 R D Nd vd
1 72.478 2.50 1.78472 25.68
2 43.701 5.84 1.60311 60.64
3 120.289 0.15
4 50.871 4.15 1.77250 49.60
5 116.574 D5
6 48.059 1.79 1.77250 49.60
7 11.994 5.96
8 402.032 1.31 1.72916 54.68
9 22.394 2.08
10 500.000 1.50 1.58213 59.38
11 31.403 ASP 1.87
12 32.588 3.64 1.84666 23.78
13 -56.554 D13
14 97.862 1.01 1.68893 31.07
15 14.964 4.48 1.51742 52.43
16 -77.798 0.71
17 -27.525 ASP 1.40 1.58213 59.38
18 -500.000 D18
19 絞り D19
20 18.374 5.94 1.51533 64.14
21 -516.779 ASP 0.28
22 38.905 1.45 1.74100 52.64
23 15.385 9.44 1.48749 70.23
24 -23.308 0.20
25 -278.157 1.15 1.80610 40.92
26 17.639 7.00 1.48749 70.23
27 -34.682 D27
28 21.100 6.03 1.77250 49.60
29 50.000 1.61 1.63980 34.46
30 14.600 3.18
31 29.300 3.74 1.49700 81.54
32 88.500 ASP 5.00
33 ∞ 0.70
34 ∞ 0.40
35 ∞ 0.50 1.54200 77.40
36 ∞ 2.80 1.54771 62.84
37 ∞

次に、面番１１，１７，２１，３２の各非球面の非球面係数は、表６に示すようになっている。

［表６］
非球面係数
面番 R k
11 31.403 0.000
A4 A6 A8 A10 A12
-1.59167e-05 -4.17989e-08 -6.00836e-10 9.02919e-12 -5.95551e-14
面番 R k
17 -27.525 0.000
A4 A6 A8 A10 A12
2.20919e-05 6.95067e-08 -5.02249e-10 2.01464e-12 2.22828e-15
面番 R k
21 -516.779 0.000
A4 A6 A8 A10 A12
5.76661e-05 1.94040e-08 4.24227e-10 -5.56377e-12 1.96330e-14
面番 R k
32 88.500 0.000
A4 A6
-8.00000e-06 1.50000e-09

さらに、ワイド端（Ｗｉｄｅ）、標準焦点位置（Ｓｔｄ）、テレ端（ｔｅｌｅ）のズームデータは、次の表７に示すようになっている。

［表７］
ズームデータ
Wide Std tele
焦点距離 10.99 21.01 39.71
ＦＮＯ． 2.13 2.40 2.67
画角２ω 75.47 43.21 23.83

D5 1.00 16.33 31.63
D13 7.94 3.70 1.46
D18 6.09 1.37 1.00
D19 10.45 6.44 1.00
D27 4.89 15.17 26.71

加えて、縮小光学系Ａのレンズデータは、次の表８に示すようになっている。ここに、Ｆｃ感度は、上述したように、縮小光学系Ａの光軸方向への移動量に対する像面の移動量の比を示すものである。

［表８］
焦点距離 43.27 (mm)
Ｆｃ感度 0.74x
横倍率 0.51x

なお、上述した実施例１，２においては、縮小光学系Ａは１つのレンズ群として構成されていて、この１つのレンズ群が一体で光軸方向に移動するようになっていたが、これに限らず、複数のレンズ群により構成して、一部のレンズ群のみが光軸方向に移動するように構成しても構わない。

また、上述した実施例１，２に示したような光学系における縮小光学系Ａ（縮小光学系１１）は、撮像面ＩＳ側（撮像素子１３側）へ最大に移動させると、メカニカルシャッタで構成されるシャッタＳＨ（シャッタ１２）のシャッタ幕と干渉する位置に至るように構成されている。

しかし、コントラストＡＦを行う場合には、シャッタＳＨは開放されている必要がある。従って、縮小光学系Ａを開放された状態のシャッタ幕内に入り込むように構成することにより、縮小光学系Ａのより大きな移動幅を確保することができるようになっている。

すなわち上述したように、合焦状態検出部であるフォーカス制御部１４は、合焦調節時には、シャッタ１２のシャッタ幕を開放にして縮小光学系１１がシャッタ１２内に移動するのを許可するように制御するようになっている。さらに、フォーカス制御部１４は、本撮影時には、縮小光学系１１をシャッタ１２外に退避させるようにさらに制御するようになっている。

このように、シャッタ１２が開放されているときに、縮小光学系１１をシャッタ幕と干渉する位置まで駆動し得るように構成したために、縮小光学系の移動によるピント面の移動を大きくすることができるために、設計の自由度が増し、カメラ本体１の小型化、高性能化を図ることが可能となる。

また、上述した縮小光学系１１は、焦点位置が遠距離側であるかまたは近距離側であるかを判定し、さらに遠距離側または近距離側にどの程度フォーカスレンズ６を移動させたら良いかを判定するために移動されるために、バックラッシがなるべく小さく、かつレスポンス性が高いことが望ましい。そこで、縮小光学系１１を光軸方向に駆動するための駆動源として、例えば、圧電素子等を用いることも考えられる。

さらに、上述では、縮小光学系１１をカメラ本体１の内部に配置したが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、カメラ本体１と交換レンズ２との間に介在させて配置するように（例えば、中間リング等と同様の装着方式となるように）構成しても構わない。

このような実施形態１によれば、撮影光学系を駆動することなく、小型に構成することが可能な縮小光学系を駆動して合焦状態を検出し合焦方向の判定を行うことが可能となるために、合焦動作を高速化することが可能となる。

また、撮影光学系による光学像を縮小光学系により縮小して撮像面に結像するようにしたために、例えば銀塩カメラに使用していた交換レンズを、この銀塩カメラの撮影フォーマットよりも撮像面の面積が小さいＣＣＤを搭載したデジタルカメラにも、撮影される被写体範囲をほぼ変更することなく使用することが可能になる。

このような既存の交換レンズを面積が小さいＣＣＤを搭載したデジタルカメラに使用するケースでは、縮小光学系をカメラ本体側に配置することが考えられるが、このときの配置は撮像素子の前面側であるために、例えば一眼レフレックスカメラにおいてはミラーボックスの位置に配置することになる。このときには、ミラーボックスを設けることができなくなり、光学式の一眼レフレックスファインダを使用することができない反面、ミラーボックスを設けないことにより、カメラを小型化することができると共に、安価に構成することが可能となる利点がある。

さらに、縮小光学系を用いると、光束が収束されるために、光が集光されることになり、交換レンズ２の元々のＦ値よりもＦ値が小さくなる（つまり、明るいレンズになる）という利点もある。

このように、コントラストＡＦを考慮していない構成の交換レンズを使用した場合にも自動合焦が可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。このように、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

本発明は、撮影光学系により結像されようとする光学像を再結像することなく縮小する縮小光学系を備えた自動合焦装置と、その自動合焦制御方法と、に好適に利用することができる。

本発明の実施形態１の自動合焦装置が適用される撮像装置の構成を示すブロック図。 上記実施形態１において、ワンショットＡＦにおける撮像装置の作用を示すフローチャート。 上記実施形態１において、コンティニュアスＡＦにおける撮像装置の作用を示すフローチャート。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例１において、ワイド端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例１において、標準焦点距離の無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例１において、テレ端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例１において、ワイド端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例１において、標準焦点位置における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例１において、テレ端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例２において、ワイド端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例２において、標準焦点距離の無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例２において、テレ端無限遠における撮影光学系および縮小光学系の様子を光軸に沿って示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例２において、ワイド端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例２において、標準焦点位置における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図。 上記実施形態１の撮影光学系および縮小光学系の実施例２において、テレ端における撮影光学系の（Ａ）球面収差、（Ｂ）像面湾曲収差、（Ｃ）歪曲収差、（Ｄ）倍率色収差をそれぞれ示す図。

符号の説明

１…カメラ本体
２…交換レンズ（撮影光学系）
５…ズームレンズ
６…フォーカスレンズ
７…レンズマイクロコンピュータ
１１…縮小光学系
１２…シャッタ
１３…撮像素子
１４…フォーカス制御部（縮小光学系駆動部、合焦状態検出部）
１５…画像処理部
１６…表示部
１７…記録部
１８…カメラマイクロコンピュータ（合焦駆動制御部）
Ｍ…撮影光学系
Ａ…縮小光学系
Ｇｒ１…第１レンズ群
Ｇｒ２…第２レンズ群
Ｇｒ３…第３レンズ群
Ｇｒ４…第４レンズ群
Ｌ１〜Ｌ１８…レンズ
ＳＨ…シャッタ
ＬＰＦ…光学ローパスフィルタ
ＩＲ…赤外カットフィルタ
ＩＳ…撮像面

Claims (4)

1. 光学像を結像するためのものであって、カメラ本体に対して着脱可能な撮影光学系と、
   上記撮影光学系の光路上後方に配置され、該撮影光学系により結像されようとする光学像を再結像することなく縮小するように機能するものであり、１以上のレンズを含むレンズ群として構成された縮小光学系と、
   上記縮小光学系の光路上後方に配置され、該縮小光学系により縮小された光学像を光電変換して画像信号を出力する撮像素子と、
   上記縮小光学系を構成するレンズ群の全部または一部を上記撮影光学系の光軸に沿って前後に移動させるための縮小光学系駆動部と、
   上記撮像素子から出力された画像信号に基づき、上記撮像素子の撮像面における合焦状態を検出する合焦状態検出部と、
   上記合焦状態検出部により検出された合焦状態に基づいて上記撮影光学系を駆動し合焦動作を行わせるように制御する合焦駆動制御部と、
   を具備したことを特徴とする自動合焦装置。
2. 上記撮影光学系は、１以上のレンズを含むレンズ群として構成されたものであり、
   上記合焦状態検出部は、上記撮影光学系の光軸に沿って前後に移動された上記縮小光学系を構成するレンズ群の全部または一部の複数位置において撮像して得られた複数の画像データのコントラスト成分に基づいて、上記縮小光学系による上記光学像の結像位置と上記撮像面との相対的な位置関係を検出するものであり、
   上記合焦駆動制御部は、上記合焦状態検出部による検出結果に基づいて、上記撮影光学系を構成するレンズ群の一部または全部を駆動して合焦動作を行わせるように制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の自動合焦装置。
3. 上記撮影光学系の光路上の上記縮小光学系と上記撮像素子との間に配設され、該撮像素子への露光時間を調節するためのメカニカルシャッタをさらに具備し、
   上記合焦状態検出部は、合焦調節時には上記メカニカルシャッタを開放にして上記縮小光学系が該メカニカルシャッタ内に移動するのを許可し、本撮影時には該縮小光学系を該メカニカルシャッタ外に退避させるようにさらに制御するものであることを特徴とする請求項２に記載の自動合焦装置。
4. 光学像を結像するためのものであってカメラ本体に対して着脱可能な撮影光学系と、上記撮影光学系の光路上後方に配置され該撮影光学系により結像されようとする光学像を再結像することなく縮小するように機能するものであり１以上のレンズを含むレンズ群として構成された縮小光学系と、上記縮小光学系の光路上後方に配置され該縮小光学系により縮小された光学像を光電変換して画像信号を出力する撮像素子と、を備えた自動合焦装置の自動合焦制御方法であって、
   上記縮小光学系を構成するレンズ群の全部または一部を上記撮影光学系の光軸に沿って前後に移動させる縮小光学系駆動ステップと、
   上記撮像素子から出力された画像信号に基づき上記撮像素子の撮像面における合焦状態を検出する合焦状態検出ステップと、
   上記合焦状態検出部により検出された合焦状態に基づいて上記撮影光学系を駆動し合焦動作を行わせるように制御する合焦駆動制御ステップと、
   を有することを特徴とする自動合焦制御方法。

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