JP2013231888A - 焦点位置検出装置およびそれを用いた撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｆナンバー、被写体位置に依存せず、高精度なオートフォーカスシステムを位相差方式で実現すること。
【解決手段】 Ａ偏光の光束を瞳分割後に、片方の光束のみ半波長板で偏光状態をＡからＢ偏光に変化させる。２つの光束を分割するミラーにPBS（偏光ビームスプリッター）を使用することでフォーカス位置から被写体が大きく離れていても焦点検出を可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放送用カメラ（ＴＶカメラ）、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラなどに用いられる撮影レンズにおける焦点位置情報を得るのに好適な撮像システムに関する。

近年、テレビカメラ用の撮像システムには、撮像素子の高画素化、および表示機器の大型化に伴い、より高精細な映像が求められる。特に、フォーカシングにおいては、カメラに搭載されるビューファインダーの制約から、求められる高精細映像を実現するのが非常に困難になっている。そこで、高精度で迅速にオートフォーカス（自動合焦）ができることが切望されている。

高精度なオートフォーカスを行う方式の一つとして、「位相差方式」がある。この方式では、光軸に対し偏心させた対の絞りとレンズを用い、光束の一部をそれぞれ結像させる。偏心させた光路を通るため、その光軸と垂直な方向における光束位置の変移は物体距離に依存する。光束位置の変移量を観察することで測距を行う（非特許文献１）。

SMPTE Motion Imaging Journal March 2008 P22-29

図８に従来の位相差方式の一形態に関する模式図を示す。従来の位相差方式においては、図８に示したように、レンズ絞り８０１を含み一次結像面へ像を形成する１次結像光学系Ｇ１、瞳分割絞り８０２とそれに対応する眼鏡レンズ８０３を含む２次結像光学系Ｇ２から構成されている。ここでいう眼鏡レンズとは、瞳分割絞りによって分割された光束を、各々の光電変換素子上に結像させるための偏心レンズ対のことをいう。１次結像光学系Ｇ１を通り第一結像点を結んだ光束は２次結像光学系に導かれ、光軸に対し対称な位置に配置される瞳分割絞り８０２により、２つの光束に分割される。２つの光束は、それぞれ眼鏡レンズ８０３を通り、光電変換素子８０４に結像される。物体距離に応じて、光束位置が光軸と垂直な方向に移動する。

しかし、２次結像光学系上に瞳分割絞り８０２を設けることから、測距をするためには１次結像光学系に制約を設ける必要がある。具体的には、レンズ絞り８０１と瞳分割絞り８０２との間に瞳結像的な共役関係を満たす必要がある。ここでいう瞳結像的な共役関係とは、レンズ絞り（８０１）面上の物体が瞳分割絞り（８０２）面上に結像するように、１次結像光学系の射出瞳位置を構成することを意味する。このような共役関係を満たすことにより、軸外光束についても、けられることなく、測距することが可能となる。

さらに、本形態の位相差方式では、瞳分割間隔８０７（基線長）が固定である。瞳分割間隔８０７は測距できる最大Ｆナンバーを決定する。図８において、レンズ絞り８０１は測距できる最大Ｆナンバーの位置にある。これ以上絞ると、測距のために用いる光束がけられ、センサーに光が届かないため、測距できない。従って、本形態の位相差方式では、２次結像系の瞳分割間隔によって、測距できる最大Ｆナンバーが決定してしまう。測距できるＦナンバーを広く取るためには、瞳分割間隔を短くとる必要がある。

加えて、瞳分割間隔８０７は測距精度にも影響を与える。物体距離に対する２次結像光学系透過後の（光軸に垂直な方向の）光束位置の変移量は、瞳分割間隔８０７が大きいほど大きい。従って、瞳分割間隔８０７を短くしてしまうと、測距の精度が下がってしまう。

本発明の目的は、上記の諸問題を解決するためになされたものであり、位相差方式において、Ｆナンバーおよび被写体距離に依らず、大ボケ状態からも高精度な測距を実現する撮像システムを提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明では、位相差方式により焦点位置検出を行うオートフォーカスシステムを持ち、瞳分割の間隔を可変にすることを特徴とした撮像システムにおいて、分割した双方の光束を異なる偏光状態とし、偏光ビームスプリッターを用いて光束を分離することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、位相差方式において、Ｆナンバーおよび被写体距離に依らず高精度な測距を実現する撮像システムが得られる。

実施例１における光学配置の模式図 本発明における光学配置の模式図 実施例２における光学配置の模式図（元５） 実施例２の軸上光束における瞳分割エリア（元３） 実施例２の軸外光束における瞳分割エリア（元４） 実施例３における光学配置の模式図 実施例４における光学配置の模式図 従来の位相差方式の模式図

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図２に本発明の位相差方式の模式図を示す。本発明の位相差方式は、１次結像光学系に瞳分割絞り２０２を配置している。ここでいう１次結像光学系とは、中間結像点を持たない、すなわち本線撮像系と等価な一次結像面へ像を形成する光学系を指す。１次結像光学系中には、偏光板等を用いることで、光線の偏光方向を予め揃えておく。瞳分割絞り２０２は光軸と垂直な方向に開口位置を変化させることができ、瞳分割絞り間隔を可変にする。これは、Ｆナンバーに応じて瞳分割間隔を可変にすることにより、レンズ絞りを絞ることによる光線のけられをなくすためである。瞳分割絞り２０２によって分割される光束の片方に図のような半波長板２０７を配置する。これにより、それぞれの光束が異なる直線偏光方向を持つ。一次結像面には光電変換素子２０４、２０５を配置している。また、瞳分割絞り２０２により分割された光束をそれぞれ異なる光電変換素子２０４、２０５で検出するために、２つの光束を分離するための偏光ビームスプリッター（以後ＰＢＳと呼ぶ）２０３を配置している。ＰＢＳを用いることで、図のように光束が交差するような大ボケ時でも、正しい光電変換素子に光束を導くことができる。

また、瞳分割間隔は測距の精度にも影響を与える。位相差方式の場合、瞳分割間隔が大きいほど測距精度が高い。本発明においては、Fナンバーが小さい場合、即ち、焦点深度が浅く高い測距精度が必要な場合に瞳分割間隔を大きくすることができる。

［実施例１］
図１に示す実施例１は、本発明における光学配置の一例である。ズームレンズなどの本線光学系の光路中に、検出光学系へ光束の一部を導く偏光分岐プリズム１０３が配置されている。分岐プリズムは光束の偏光成分によって分岐する偏光プリズムとなっており、検出光学系側にＳ偏光の一部、残りのＳ偏光とＰ偏光成分を撮像素子１０５側に分岐している。（以後、偏光プリズム反射面に対し、垂直な偏光成分を持つＳ偏光と同じ偏光方向をＡ偏光と呼ぶ。また、同じく反射面に対し平行な偏光成分を持つＰ偏光と同じ偏光方向をＢ偏光と呼ぶ。）分岐プリズムの前後には、偏光状態を解消するための偏光解消板１０２が構成されている。前の偏光解消板は、反射光やＰＬフィルターを透過した光など、入射する光が偏光している場合を想定して構成している。また後ろの偏光解消板は撮像素子前に色分解光学系やＬＰＦが配置される場合など、撮像において偏光による影響を受けることを想定して配置している。検出光学系に分岐した光束は、瞳分割絞り（液晶素子）１０６により瞳分割される。この瞳分割絞り（液晶素子）は光軸と垂直な面上において、瞳分割間隔や分割位置を自由に変化させることができる。この瞳分割間隔は、レンズ絞りのＦナンバー、測距する画角のヴィネッティング状態に応じて能動的に変化させることができる。使用する光束のうちなるべく広い間隔で瞳分割したほうが測距精度は高い。また液晶素子は、電荷を加えない場合、光束の偏光方向を回転させる機能を持つ。

本実施例においては、９０度偏光方向を回転させるとする。従って、瞳分割絞り（液晶素子）１０６を通った光束はＡ偏光からＢ偏光に変化する。瞳分割絞り（液晶素子）１０６の後には、半波長板が片方の光束にのみ配置されている。これにより２つに分割された高速の片方のみＢ偏光からＡ偏光に変化する。こうして、それぞれ異なる直線偏光方向を持つ２つの光束は、結像させるための検出光学系を通り、ＰＢＳ１０８によりそれぞれ別の光電変換素子（１０９，１１０）に結像する。ＰＢＳ１０８を用いることにより、デフォーカス量が大きく、ＰＢＳ上で光束が交差するような場合でも、正しい光電変換素子に光束を導くことができる。また、位相差方式は、光束の一部を用いて測距する方式であるため、物体距離が同じであっても、光束のうちのどの部分を用いるかに応じて収差量が変わる。即ち、分割した２つの像の像面上における光束位置の変移量が変化してしまう。従って、その変化量を考慮した補正値を持つ必要がある。従来の位相差方式においては、瞳分割間隔は固定されており、光束の中で使用する部分が一定であるため、変化量を考慮する必要はなかった。また、同様にズームレンズのように焦点距離に変化のあるレンズに適用する場合も、収差に変動があることから、補正値を持つ必要がある。

［実施例２］
図３に示す実施例２は、本発明における光学配置の別の一例である。実施例１と異なるのは、分割した片方の偏光方向を変化させる半波長板の代わりに液晶を用いている点である。液晶は電荷をかけないと、偏光方向を回転させるので、半波長板と同じ機能を有することができる。部分的に電荷をかけることで、ある一部分のみ半波長板として機能させることができる。

図４は、実施例２の瞳分割絞り３０５上において中心画界の測距をする際に、瞳分割をする光束エリアの一例を図示したものである。レンズ絞り３１０上の光束を光束分離プリズム３０２側から見た平面図を示した。図４＜Ａ＞は本線光学系に対する水平方向に瞳分割する際の図、図４＜Ｂ＞はそれに対し、４５°傾けた際の図である。４０１、４０５がＦ２．８の中心光束、４０２、４０６がＦ５．６の中心光束である。中心光束とは画角０の軸上光束を意味する。従来の位相差方式は、瞳分割間隔が固定であるため、例えば４０１に合わせて４０３のように間隔を決定すると、Ｆ５．６ではけられてしまい、測距できない。そこで、従来の位相差方式においては複数の眼鏡レンズを持ち、さらに光電変換素子上に複数の受光部を作りこむことで対処していた。本発明においては、瞳分割間隔を能動的に変更できるため、図４のようにＦナンバーに応じた瞳分割を行うことができる。また、図４＜Ａ＞のように水平方向に瞳分割すると、瞳分割方向と垂直な方向にコントラストの濃淡を持つストライプ模様（例えば、横ストライプ）の物体を撮影した場合、測距できない可能性がある。その場合は図４＜Ｂ＞のように水平方向から傾けた方向に瞳分割すると測距ができるようになる。実際にはさまざまな被写体があることから、図４＜Ａ＞の水平方向と図４＜Ｂ＞の４５°方向のような２方向の測距を行い、合焦させても良い。

図５＜Ａ＞は、実施例２の３０５上において周辺画界の測距をする際に、瞳分割する光束エリアの一例を図示したものである。図４と同様の平面図で示した。図５＜Ｂ＞には、軸上光束と軸外光束の模式図を示した（簡単にするために偏光分岐プリズムや本線リレー光学系を省略してある）。図５＜Ｂ＞における瞳分割絞り面５０６が図５＜Ａ＞にあたる。周辺画界の光束である軸外光束は、図５＜Ｂ＞のようにヴィネッティングの影響で図５＜Ａ＞に示したような変形した光束である場合が多い。特に、一次結像光学系における軸外光束は、レンズ絞り面以外では必ず図５のような変形した光束を取る。従って、本発明において軸外光束を測距する場合、光束の変形の仕方を、測距する画界、瞳分割絞りを挿入する面、Ｆナンバーから算出し、図５＜Ａ＞のように瞳分割位置を決定する必要がある。

また、このようにレンズ絞りを絞ったり、周辺画界の測距をする場合、瞳分割位置の変化に応じて半波長板（もしくはそれに変わるもの）の位置を変更する必要がある。実施例１のような半波長板を用いる場合は機械的に位置を変える必要がある。本実施例のような液晶を用いれば、半波長板としての機能をする部分は、電荷印加の有無で制御することが可能になり、より簡便に測距ができる。

［実施例３］
図６に示す実施例３は、本発明における光学配置の別の一例である。実施例１と異なるのは、瞳分割絞り（液晶素子）、半波長板を別の位置（ここでは検出光学系の後）に配置している点である。従来の位相差方式においては、瞳結像的な共役関係を満たす必要があるため、瞳分割絞りの配置位置に制約があった。本発明においては、瞳分割絞りを光学系内のどこに配置しても良いという特長がある。

［実施例４］
図７に示す実施例４は、瞳分割絞りとして機械絞りを用いた一例である。実施例１のように液晶を用いていないため、光束の偏光方向が回転しない。従って半波長板を入れる光束が実施例１と逆になっている。

なお、この発明は、前記一実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。例えば、偏光解消板（102,331,602,702）は用途や性能、精度、コストなどを鑑み、構成しないなどが考えられる。

101 本線光学系ズーム部
102 偏光解消素子
103 偏光分岐プリズム
104 本線光学系リレー部
105 撮像素子
106 瞳分割絞り（液晶素子）
107 検出光学系
108 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
109 Ａ像光電変換素子
110 Ｂ像光電変換素子
111 レンズ絞り
112 半波長板
201 レンズ絞り
202 瞳分割絞り
203 光束分離ミラー
204 Ａ像光電変換素子
205 Ｂ像光電変換素子
206 瞳分割間隔
207 半波長板
301 本線光学系ズーム部
302 偏光分岐プリズム
303 本線光学系リレー部
304 撮像素子
305 瞳分割絞り（液晶素子）
306 検出光学系
307 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
308 Ａ像光電変換素子
309 Ｂ像光電変換素子
310 レンズ絞り
401 Fno:2.8の光束
402 Fno:5.6の光束
403 Fno:2.8時の瞳分割位置
404 Fno:5.6時の瞳分割位置
405 Fno:2.8の光束
406 Fno:5.6の光束
407 Fno:2.8時の瞳分割位置
408 Fno:5.6時の瞳分割位置
501 軸外光束
502 軸上光束
503 軸外光束（501）の瞳分割位置
504 軸上光束（502）の瞳分割位置
505 物体面
506 瞳分割絞り面（瞳分割絞り106位置に相当）
507 像面（Ａ、Ｂ像光線変換素子109,110位置に相当）
601 本線光学系ズーム部
602 偏光解消素子
603 偏光分岐プリズム
604 本線光学系リレー部
605 撮像素子
606 瞳分割絞り（液晶素子）
607 検出光学系
608 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
609 Ａ像光電変換素子
610 Ｂ像光電変換素子
611 レンズ絞り
612 半波長板
701 本線光学系ズーム部
702 偏光解消素子
703 偏光分岐プリズム
704 本線光学系リレー部
705 撮像素子
706 瞳分割絞り（機械絞り）
707 検出光学系
708 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
709 Ａ像光電変換素子
710 Ｂ像光電変換素子
711 レンズ絞り
712 半波長板
801 レンズ絞り
802 瞳分割絞り
803 眼鏡レンズ
804 光電変換素子
805 一次結像面
806 二次結像面
807 瞳分割間隔。

Claims (9)

1. 位相差方式により焦点位置検出を行うオートフォーカスシステムを持ち、瞳分割の間隔を可変にすることを特徴とした撮像システムにおいて、
   分割した双方の光束を異なる偏光状態とし、偏光ビームスプリッターを用いて光束を分離することを特徴とする撮像システム。
2. ある直線偏光方向をＡ偏光、それと直交する偏光方向をＢ偏光とし、Ａ偏光光線を瞳分割し、分割する光束の片方にのみ半波長板を通過させ、Ｂ偏光に変えることを特徴とした請求項１に記載の撮像システム。
3. 半波長板として液晶を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。
4. 瞳分割の間隔に応じ、補正値を持つことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。
5. 焦点距離に応じ、補正値を持つことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。
6. 瞳分割をするための偏心絞りに液晶を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。
7. 瞳分割の方向を水平方向に対し、傾けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。
8. 瞳分割の方向として異なる２方向の焦点位置検出を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。
9. 測距を行う光電変換素子として、エリアセンサーを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。