JP2018013526A - 光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーの回転時間の短縮及び小型化が可能な光学機器を提供する。【解決手段】光学機器は、被写体光を反射可能なミラーと、前記ミラーを、回転軸を中心として回転させ、前記被写体光の光路を切り替え可能な駆動部とを備え、前記回転軸は、前記被写体光の光軸と平行な第１面、第２面、第３面、第４面、前記光軸と直交する第５面、第６面とによって前記ミラーを囲む仮想的な立方体の対角線に沿って配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、光学機器に関するものである。

従来、一眼レフカメラには、一般的にクイックリターンミラーが取り付けられている。クイックリターンミラーは略矩形で、光軸に対して垂直な一側辺に沿って回転軸が設けられている。その回転軸はカメラの上部に軸支され、回転軸を中心としてミラーは揺動する。このように、ミラーの一側辺に回転軸を設けると、回転軸がミラーの重心を通る場合と比べて回転モーメントが大きくなる。したがって、ミラーの回転に時間がかかる。また、回転時のミラーの可動領域が大きく、ミラーとレンズ等の他の部材との間の距離を大きくする必要がある。
これに対して、ミラーの略中央部において、左右に延びる方向に回転軸が設けられているものもある（特許文献１参照）。

本発明はミラーの回転時間の短縮及び小型化が可能な光学機器を提供するものである。

特開２０００−６６２９９号公報

本発明の光学機器は、被写体光を反射可能なミラーと、前記ミラーを、回転軸を中心として回転させ、前記被写体光の光路を切り替え可能な駆動部とを備え、前記回転軸は、前記被写体光の光軸と平行な第１面、第２面、第３面、第４面、前記光軸と直交する第５面、第６面とによって前記ミラーを囲む仮想的な立方体の対角線に沿って配置されている構成とした。

実施形態の光学機器であるカメラの概略図である。 ミラーが、反射面を上向きにして光軸に対して４５度傾けられた、ミラーの第１の状態を示す。 第１の状態から回転軸を中心として６０°回転した、ミラーの第２の状態である。 第１比較形態のカメラを示す図である。 慣性モーメントを説明する図であり、（ａ）は比較形態、（ｂ）は本実施形態を示す。 第１比較形態における、フランジバックを説明する図である。 第２比較形態を説明する図である。 第１変形形態を示す図であり、（ａ）はミラーが光軸に対して４５度で、（ｂ）はミラーが（ａ）の状態から６０度回転した状態である。 ミラーを、図２の状態から３０度回転させた状態を示す。 第３実施形態のミラーを示す図であり、（ａ）は光束をファインダスクリーンへ反射している状態、（ｂ）は光束を撮像素子へ反射している状態を示す。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、実施形態の光学機器であるカメラ１の概略図である。図示するように、カメラ１は、撮影レンズ２と、カメラ本体３とを備える。カメラ本体３の内部には、ミラー１０及び制御部１４が配置されている。

以下の説明において、ミラー１０に対して被写体側（撮影レンズ２側）を前、他方の側を後とする。その前後の方向と直交し、撮影者が光軸ＯＡを水平として横長の画像を撮影するようにカメラ１を保持した際にカメラ１において上下となる方向を上下方向、その状態で撮影者からカメラ１を見た際に左右となる方向を左右方向とする。

図２はカメラ本体３の内部に配置されたミラー１０及びその周囲を示す図である。ミラー１０の後方には複合センサ１２が配置されている。ミラー１０の右側には撮像素子１１が配置されている。ミラー１０の上側にはファインダスクリーン１３が配置されている。

ミラー１０は、撮影レンズ２を通過した被写体光を反射させて複数の方向へ光路を変更する。ミラー１０は半透明（ハーフミラー）であって、ミラー１０に入射した光の一部はミラー１０を透過して複合センサ１２へと進む。他は反射して、ミラー１０の角度に応じて撮像素子１１又はファインダスクリーン１３へと進む。
ミラー１０の形状は、これに限定されるわけではないが、実施形態では略矩形の一対の対角部が切り欠かれた６角形状である。

切欠かれた一方の対角部から他方の対角部に向かって、回転軸１５が挿通されている。回転軸１５はミラー１０の重心を通る。ミラー１０はこの回転軸１５に対して軸対称形状であって、この回転軸１５を中心として回転する。
回転軸１５は、回転軸保持枠１６に保持されている。回転軸保持枠１６は、カメラ本体３の内部に取り付けられている。
回転軸１５は、光軸ＯＡと平行な左側面、右側面、上面、下面、前記光軸ＯＡと直交する前面、後面とにより画され、且つミラー１０を包む仮想的な立方体の対角線に沿って配置されている。回転軸１５の前端は、前面と左側面と下面との交点を通る。すなわち、光軸ＯＡに対して、下方向且つ左方向に位置する。回転軸１５の後端は、後面と右側面と上面との交点を通る。すなわち、光軸ＯＡに対して、上方向且つ右方向に位置する。

回転軸１５の前端には、エンコーダ付きのサーボモータ１７が取り付けられている。制御部１４からの角度指令値に従って、モータ１７を介してミラー１０の角度が制御される。
モータ１７は、回転角度が制御可能であり、ミラー１０を任意の位置に停止させることが可能となる。したがって、ミラー１０に入射した光束を任意の方向に向けることができ、後述するように、ミラー１０から反射された光束を受光する複数のセンサを光軸ＯＡ周りに配置することが可能となる。

撮像素子１１は、ミラー１０によって反射された被写体光が結像する位置に配置され、入射された被写体光を電気信号として蓄える。

ファインダスクリーン１３は、撮像素子１１と等価な位置に設けられ、ミラー１０で反射された光束は、ファインダスクリーン１３上に結像する。ファインダスクリーン１３に結像した光束は、図１に示すように、ペンタプリズム２１に入射し、ペンタプリズム２１内で９０度方向転換される。ペンタプリズム２１を出射した光束は、接眼レンズ２２を透過した後、ファインダ２３を介してユーザの目に到達する。
なお、実施形態では、以下に説明するように、後面側に複合センサ１２が設けられ、複合センサ１２によって測光が行われるため、ファインダスクリーン１３側には、測光センサが設けられていない。したがって、ファインダスクリーン１３側には、測光センサ用の配線等も配置されていない。

ミラー１０は、全面がハーフミラーである、すなわち、ミラー１０は透過性を有し、ミラー１０を透過した一定量の光束は、ミラー１０の後側にある複合センサ１２へと導かれる。
複合センサ１２は、測光・測距・撮像機能等の撮影に必要な複数のセンサ機能を有している。複合センサ１２に入射した光を基に測光が行われ、測光結果は制御部１４に送信され、制御部１４により、絞りやシャッタスピードが決定される。

また、複合センサ１２に入射した光を基に測距が行われ、測距結果も制御部１４に送信され、カメラ１がＡＦ（オートフォーカス）カメラの場合は、制御部１４の指示により撮影レンズ２内のＡＦレンズが駆動されてフォーカシングが行われる。
さらに、複合センサ１２は像モニターも可能である。像モニターは、像の動きを解析し焦点の予測制御する際や、ファインダ像にスーパーインポーズする際に利用される。

なお、ミラー１０には厚みがあるので、透過する光は屈折し、透過像は屈折によりシフトする。しかし、ミラー１０の回転角度はモータに取り付けられたエンコーダにより計測可能である。このため、この回転角度を基に、制御部１４においてシフト量を計算することが可能であり、複合センサ１２の画像を補正することができる。

（第１の状態）
図２は、ミラー１０が、前端が下となり後端が上となるようにして、反射面を上向きにして光軸ＯＡ（水平）に対して４５度傾けられた、ミラー１０の第１の状態を示す。
第１の状態では、撮影レンズ２からの光束は、ミラー１０に対して４５度の入射角で入射し、ミラー１０に対して４５度の反射角で反射する。すなわち、水平に入射した光束は、９０度方向転換されて垂直上方に進む。反射した光束が進む位置にはファインダスクリーン１３が配置されている。
また、撮影レンズ２から入射した光束の一部は複合センサ１２の方向に透過される。
したがって、ファインダスクリーン１３に結像された画像をファインダ２３から観察して構図を決めている間に、複合センサ１２により合焦制御、露出制御、画像モニター等を同時に行うことができる。

（第２の状態）
図３は、第１の状態から回転軸１５を中心として６０°回転した、ミラー１０の第２の状態である。第２の状態においてミラー１０は、鉛直方向を向いている（上下方向を向いた方向）。ミラー１０は、光軸ＯＡに対して４５度傾き、反射面が右斜め前方を向いている。

第２の状態で、撮影レンズ２から入射する光束は、９０度右側に方向転換される。反射した光束が進む右側面には撮像素子１１が配置されている。ミラー１０が停止すると、撮像素子１１において露光が行われる。

第２の状態においても、図２の状態と同様にミラー１０は透過性を有しているので、ミラー１０の回転中や露光中も、複合センサ１２によって測光・測距・像モニターが可能である。

（実施形態の効果）
（第１比較形態）
ここで、本実施形態の効果について説明するために、まず、第１比較形態について説明する。
図４は第１比較形態のカメラ１００を示す図である。第１比較形態のカメラ１００は、ミラー１１０の後側に撮像素子１１１が配置されている。ファインダ１２３で像を観察する場合は、ミラー１１０が図中実線で示す位置にあり、光束はミラー１１０によって反射されてファインダスクリーン１１３へと導かれる。
また、光束の中央付近の一部の光はミラー１１０を透過し、サブミラー１１０ａへと導かれる。サブミラー１１０ａはその一部の光を反射し、反射した光を下方にある測距センサ（不図示）へと導く。

第１比較形態においてミラー１１０の回転軸１１５は、ミラー１１０の上側の側辺に設けられており、カメラ本体１０３の上部に固定されている。ミラー１１０は、その回転軸１１５を中心として回転する。

（本実施形態の効果１）
図５は第１比較形態と本実施形態のミラーの慣性モーメントを説明する図である。図５（ａ）に示すように、第１比較形態のミラー１１０は、その上側辺に回転軸１１５がある。
一方、実施形態のミラー１０は、図５（ｂ）に示すように、対角線上に回転軸１５があり、回転軸１５はミラー１０の重心を通っている。
実施形態のミラー１０の回転軸１１５の周りの回転モーメントは、第１比較形態におけるミラー１１０の回転軸１１５の周りの回転モーメントに対して、１／４となる。つまり、実施形態のように重心を通る対角軸で回転させると、慣性モーメントが４分の１になり、第１比較形態と比べると大幅に減少する。
これに対して第１比較形態では、駆動されるミラー１１０の慣性モーメントが実施形態と比べて４倍となる。したがって、第１比較形態は、実施形態とトルクが同じ場合、同じ角度を回転させるのに時間がかかる。

なお、第１比較形態のカメラ１においてミラー１０の回転角度は４５度であり、実施形態では６０度である。しかし、慣性モーメントは上述のように１：４である。両者を同じトルクで回転させたとき、それぞれの回転角度に達するまでの時間は、本実施形態を１とすると、第１比較形態は１．７３となる。
このように実施形態は、第１比較形態と比べて回転角度は１５度多いが、慣性モーメントが小さいため、１回の回転にかかる時間が、比較形態のカメラ１００の５８％の時間で済む。
たとえば、第１比較形態においてミラーアップに４０ミリ秒かかっていたとすると、本実施形態では２４ミリ秒で終了する。
さらに、本実施形態ではミラー１０回転中に測距が可能であるので、１秒間に１０枚連写できるカメラ１を１８枚に増やすことが可能になる。

（本実施形態の効果２）
図６は、第１比較形態における、フランジバックを説明する図である。第１比較形態では、回転軸１１５は、ミラー１１０の上辺にあり、カメラ本体の上部に固定されている。
第１比較形態において、回転軸１１５を中心として回転させたときのミラー１１０の可動領域Ｔ２を点線で示す。図示するように、ミラー１１０はミラーアップする際に、前方に振り出される。したがって、ミラー１１０と撮影レンズとの間にはある程度の距離が必要となる。

しかし、本実施形態の場合、回転軸は対角線に配置されている。このときの、ミラー１０回転時のミラー１０の可動領域Ｔ１を点線で示す。図示するように、ミラー１０の可動領域は、第１比較形態の可動領域Ｔ２のように、撮影レンズ側に突出しない。したがって、本実施形態では、第１比較形態と比べて撮影用レンズをミラー１０に近づけることができる。したがって、撮影用レンズのバックフォーカスを短くすることができ、カメラ本体３をより小型化することができる。

（本実施形態の効果３）
本実施形態のミラー１０は、第１比較形態のカメラ１のようなミラー１１０の退避という概念はなく、光束を様々な方向に導く光学要素として機能する。このため、様々な機能を有する光学素子を、光軸ＯＡの周辺に配置することができ、カメラ本体３内の空間を効率よく使うことができる。

（本実施形態の効果４）
第１比較形態のカメラ１００のファインダスクリーン１１３側には、測光センサ１５０等が配置されている。このため、ファインダスクリーン１１３の上側には、測光センサ１５０と電源や制御部との間の配線が存在する。
しかし、本実施形態では、測光センサの機能は複合センサ１２が有するため、ファインダ光学系に測光センサのための配線を設ける必要がない。したがって、ファインダスクリーン１３側に配置されて部分を容易に交換することができる。
たとえば、ＡＰＳ−Ｃ用のレンズに最適なファインダを装着したり、３５ｍｍフルサイズ用レンズに最適なファインダを装着したり、ウェストレベルファインダなども装着できる。プリズムを外してスクリーンをそのまま観察することもできる。
さらに、外付けの特殊な撮像素子を装着することもでき、天体撮影、顕微鏡撮影などにも応用できる。

（本実施形態の効果５）
第１比較形態のカメラ１００によると、光束のうちの一部分である中央付近の像のみが測距に用いられる。このために、視野内で移動する動体に対して常に焦点を合わせながら撮影することができない。
しかし、本実施形態のカメラ１は、光束の全体を測距に用いることができる。このために、視野内で移動する動体に対して常に焦点を合わせながら撮影することができる。

（本実施形態の効果６）
第１比較形態のカメラ１００は、露光する場合、クイックリターンミラー１０が図４の一点破線の位置に跳ね上がり、光束は撮像素子１１へ直接入射する。
この時、ファインダ１２３には光束が入射しないので、ファインダ１２３は被写体像の見えないブラックアウト状態になり、動体を連写するときに像が視野から外れてしまう。
しかし、第１実施形態のカメラ１は、露光している場合も（図３の状態）、光束の一部は複合センサ１２に入射する。複合センサ１２の像モニターの情報を基に、動体の移動を観察することができる。

（本実施形態の効果７）
さらに第１比較形態の場合、位置決めピン（図示せず）に衝突させることによりミラー１１０の位置決めがなされる。この位置決めの際のピントの衝突による衝撃も大きく、いわゆるブレが生じやすい。
しかし、本実施形態は、ミラー１０と位置決めピンとの衝突がないため、ブレが生じることもない。

（第２比較形態）
さらに本実施形態の効果を説明するために第２比較形態を説明する。図７は第２比較形態を説明する図である。第２比較形態では、ミラー２１０の中心を通り光軸と垂直に左右に延びる軸が回転軸２１５となっている。
第２比較形態によると、ミラー２１０は回転時に撮影レンズ側に振り出されないので。第１比較形態と比べてミラー２１０が回転するために必要な空間が小さくなり、カメラ本体３の光軸方向におけるさらなる薄型化が可能となる
また、撮像素子２１１はミラー２１０の後側になく、下方に配置される。したがって、カメラ本体３の光軸方向におけるさらなる薄型化が可能となる。
しかし、第２比較形態では、撮像素子２１１を下方に設置する。このため、カメラ本体３が下方向に長くなる。
さらに、ミラー２１０の回転軸２１５を中心とした回転時における可動領域Ｔ３は、上下方向に突出する。したがって、第２比較形態ではファインダクリーン２１３とミラー２１０との間の距離が長くなる。

（本実施形態の効果８）
しかし、図７に示すように、本実施形態のミラー１０の可動領域Ｔ１は、第１比較形態の可動領域Ｔ３のように、撮影レンズ側に突出しない。したがって、ファインダスクリーン１３とミラー１０との間の距離を第２実施形態より狭くすることができる。また、下方に撮像素子２１１が配置されていないため、カメラ本体３の上下方向の距離をさらに短くすることができ、カメラ本体３をより小型化することができる。

なお、第２比較形態のミラー２１０の可動角度は９０度であるので、たとえば第１実施形態の４５度と比べて大きいので、重心回りにミラー２１０を回転させることによる駆動時間を短縮するという効果はない。
これに対して本実施形態は、上述のようにミラー１０の回転角度が６０度と小さく、且つ慣性モーメントも小さいので、駆動時間が短縮される。

（本実施形態の効果９）
なお、第２実施形態では、ミラー２１０の下方に撮像素子２１１が配置されているため、測距センサを配置することができず、オートフォーカス機能を持たせることができない。
しかし、本実施形態では、複合センサ１２が測距機能も有している。したがってオートフォーカスを行うことができる。

（本実施形態の効果１０）
本実施形態によると、露光中に撮影レンズ２の焦点を動かしたり、絞りを変えたりすることが可能である。また、見えなくなった光学像の代りに、像モニターで撮影されている画像をファインダスクリーン１３にスーパーインポーズすることで、観察することもできる。

（本実施形態の効果１１）
像モニターの撮像センサの画素数を適切なものにすることで、ほとんど遅れなしで露光中の像をファインダで見ることができ、動体を連写する場合に有効である。

（本実施形態の効果１２）
ミラー１０を数度傾けて撮影することによって、上下方向のあおり効果を得ることもできる。

（本実施形態の効果１３）
複合センサは、像面全てにわたり、像面位相差検出・測光を行い、さらに撮像することもできるので、撮像の高性能化が可能になる。

（本実施形態の効果１３）
第１比較形態のミラー１０だと、被写体光を反射されるミラー１０として用いるミラー１０の角度は一つである。ミラー１０がその角度から移動すると、ミラー１０に全ての光が入射しなくなり被写体光はけられる。
しかし、本願は、ミラー１０が回転しても、６０度の範囲では入射光のすべてを反射させることができる。

以上、実施形態について説明したが、これに限定されない。以下に、種々のへ径形態を示す。以下、上述の実施形態と共通する部分には同一の符号を付し、説明は省略する。

（第１変形形態）
図８は、ミラー１０の駆動にサーボモータ１７を用いない第１変形形態を示す図であり、（ａ）は図２に対応してミラー１０が光軸ＯＡに対して４５度の位置にある状態である。（ｂ）は図３に対応して、ミラー１０が（ａ）状態から６０度回転した状態である。
第１変形形態は、ミラー１０の外周より、回転軸１５と平行なレバー１９が突出している。レバー１９は、図示しないカムによって駆動される。カムはたとえばカメラ本体３の内壁に設けられ、たとえば、図示しないシャッタボタンを押圧すると、カムに沿ってレバー１９が駆動され、ミラー１０は図８の（ａ）の状態から（ｂ）の状態に移動する。
このようにカムによって駆動する場合、任意の位置にミラー１０を停止させることが一般的には困難である。しかし、ファインダスクリーン１３と撮像素子１１の２カ所のみに光を導く場合は、モータを用いないため、実施形態と比べてより安価で且つ小型化が可能となる。

（第２変形形態）
図９はミラー１０を、図２の状態から３０度回転させた状態を示す。第２変形形態では、このときに光束がミラー１０によって反射される位置にも、たとえば第２撮像素子１８が配置されている。
第２撮像素子１８が配置される個所は、光軸ＯＡに対して平行で撮像素子１１が配置されている右側面とファインダスクリーン１３が配置されている上面とのそれぞれに対して４５度である右斜上面である。
第２変形形態では、図９に示す位置で、ミラー１０を停止することができ、ミラー１０によって反射された光束は、第２撮像素子１８に向けられる。
第２撮像素子１８は、たとえば赤外線用撮像素子である。このように第２変形形態では、このように通常の撮影と異なる赤外線用撮像素子が配置されるので赤外線画像を撮影することができる。
なお、３０度に限らず、光軸ＯＡ回りの複数の角度の位置に、様々なセンサを配置してもよい。このようにすることによって、効率的にカメラ本体３の空間を利用することができる。
また、実施形態において、ファインダスクリーン１３に対して４５度の位置に配置されていた撮像素子１１を４５度以下の位置に配置してよい。そうすると、ミラー１０の回転角度を６０度よりも小さくすることができ、さらなる高束連写を可能にすることもできる。

（第３変形形態）
図１０は、角部が面取りされた第３実施形態のミラーを示す図である。図１０（ａ）はミラー１０によって光束をファインダスクリーン１３へ反射している状態であり、図２に対応する。図１０（ｂ）はミラー１０が６０度回転して、光束を撮像素子１１へ反射している状態であり、図３に対応する。

図示するように、ミラー１０に照射される被写体光は、回転軸１５に対して若干傾いた楕円となる。ミラー１０における楕円の長軸の方向の長さは短縮できないが、回転軸１５に対して４５度傾いた直線の延びる方向の角部（図中、点線で示す部分）は、反射の際に用いられない部分である。
第３変形形態は、この角部を切断して面取りした８角形形状を有する。８角形にすることにより、ミラー１０の慣性モーメントをさらに小さくすることができる。また、慣性モーメントを小さくすることにより、回転時間が減少、更なる高速かが可能となる。さらに、ミラー１０が小さくなることにより、回転に必要な空間も減少し、より小型化が可能となる。

（第４変形形態）
なお、実施形態のカメラ１では、たとえば、レンズには像面湾曲などのレンズ収差の特性があるが、ミラー１０の面を湾曲させることにより、あるいは凹凸面を形成することにより、像面湾曲等のレンズ収差を補正するような面を持たせることで光学性能を向上させることもできる。

１：カメラ、２：撮影レンズ、３：カメラ本体、１０：ミラー、１１：撮像素子、１２：複合センサ、１３：ファインダスクリーン、１４：制御部、１５：回転軸、１６：回転軸保持枠、１７：モータ、１８：第２撮像素子、１９：レバー、２１：ペンタプリズム、２２：接眼レンズ、２３：ファインダ

Claims (7)

1. 被写体光を反射可能なミラーと、
   前記ミラーを、回転軸を中心として回転させ、前記被写体光の光路を切り替え可能な駆動部とを備え、
   前記回転軸は、前記被写体光の光軸と平行な第１面、第２面、第３面、第４面、前記光軸と直交する第５面、第６面とによって前記ミラーを囲む仮想的な立方体の対角線に沿って配置されている
   光学機器。
2. 請求項１に記載の光学機器であって、
   前記ミラーによって反射され、前記光路が切り替えられた前記被写体光が入射する面に配置された撮像素子を備える
   光学機器。
3. 請求項１又は２に記載の光学機器であって、
   前記ミラーはハーフミラーである
   光学機器。
4. 請求項３に記載の光学機器であって、
   前記第５面、前記６面のうち、前記被写体光が入射する側と反対側の面側に、前記被写体光に対しての測光および測距が可能なセンサを備える
   光学機器。
5. 請求項４に記載の光学機器であって、
   前記ミラーによって反射された前記被写体光が前記撮像素子に入射しているときに、前記ミラーを透過した前記被写体光が前記センサに入射する
   光学機器。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光学機器であって、
   前記光軸の周りに、複数の撮像素子が配置されている光学機器。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光学機器であって、
   前記ミラーは、８角形である光学機器。

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