JP3655697B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折型光学素子を用いた測距装置に関するものであり、特に、赤外光を被写体に向けて投光し、被写体よりの反射光を受光して被写体までの距離を測定するアクティブ方式の測距装置の光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、赤外光を被写体に向けて投光し、その反射光を検出して距離を測定するいわゆるアクティブ方式の測距装置はよく知られており、すでに多くの製品にも応用されている。この方式は、投光レンズ系を通して被写体に向けて赤外光を投射し、投光レンズ系から一定距離、すなわち基線長だけ離れて設けられた受光レンズ系を介して検出装置にて被写体からの反射光を受光する。そして、検出装置上の位置情報から被写体までの距離を算出する手法である。
【０００３】
以下、図１を参照にしてこの方式を具体的に説明する。図１はアクティブ方式の測距装置の要部を示すブロック図である。図において、１１は赤外発光ダイオード（以下、ＩＲＥＤと称す。）、１１ａは赤外発光ダイオード１１の制御部、１２は赤外発光ダイオード１１から発せられた光を投射する投光レンズ系、１３は被写体、１４は被写体１３からの反射光を集光する受光レンズ系、１５は集光された光の位置検出装置（以下、ＰＳＤと称す。）、１６は距離算出手段、１７は合焦用レンズの位置演算等を行う制御手段、１８は駆動ドライバー、１９は駆動モーターである。ＩＲＥＤ１１としては、図示のように発光部を曲率の付いた樹脂製のパッケージにて覆ったもの、あるいは発光部を平面状の樹脂製パッケージにて覆ったもの等がある。また、制御手段１７にはＣＰＵが内蔵されており、その出力はドライバー１８によるレンズ合焦繰り出しのための動力源となるモーター１９を駆動する。
【０００４】
図１に示される構成の測距装置において、被写体距離をｄ、投光レンズ系１２と受光レンズ系１４の間隔、すなわち基線長をＷ、受光レンズ系１４の焦点距離をｆ、ＰＳＤ１５上に集光された光の位置をｘとすると、以下の関係式が得られる。
【０００５】
ｄ＝Ｗ・ｆ／ｘ ・・・（ａ）
ＰＳＤ１５から両側へ出力される光電流をＩ₁ 、Ｉ₂ とすると、その比Ｉ₁ ／Ｉ₂ は入射光強度には依存せず、入射光位置ｘのみで決定される。ここで、ＰＳＤ１５全長をｔとすると、以下の関係式が得られる。
【０００６】
Ｉ₁ ／Ｉ₂ ＝｛（ｔ／２）＋ｘ｝／｛（ｔ／２）−ｘ｝ ・・・（ｂ）
上記（ａ）式と（ｂ）式から以下の関係式が得られる。
Ｉ₁ ／Ｉ₂ ＝｛ｔ＋（２・Ｗ・ｆ／ｄ）｝／｛ｔ−（２・Ｗ・ｆ／ｄ）｝・・・（ｃ）
したがって、ＰＳＤ１５の光電流比Ｉ₁ ／Ｉ₂ を求めれば、被写体距離ｄは一義的に決定される。
【０００７】
以上に説明した三角測距の原理に基づく測距装置において、測距範囲を画面中央にしか持っていない場合、もし主要被写体が画面中心にないと、測距装置は他の被写体あるいは背景、多くの場合遠方に合焦するため、いわゆる中抜けの状態になり、主要被写体はピンボケ写真となってしまう。
【０００８】
このような欠点を補うために、測距用の投射光を複数用い、画面内の複数の範囲を測距できるようにしたいわゆる多点測距と呼ばれる技術が提案されている。例えば、多点測距用の投光レンズ系として、特開平４−２４８５０９号等のものが知られている。
【０００９】
次に、回折型光学素子（以下、Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔを略してＤＯＥと称する。）について説明する。ＤＯＥに関しては、「光学」２２巻６３５〜６４２頁及び７３０〜７３７頁に詳しく解説されている。また、その応用して、"Hybrid diffractive-refractive lenses and achromats" Appl. Opt. 27,2960-2971、又は"International Lens Design Conference(1990)"SPIE,1354 等に記載されたものが知られている。あるいは、本出願人による特開平７−２７０６７７号の中でも説明されている。
【００１０】
従来のレンズが媒質の界面における屈折作用に基づいているのに対し、ＤＯＥは光の回折作用に基づいている。一般的に、図２で示すような回折格子へ光が入射したとき、回折作用にて射出される光は以下の関係式を満たす。
ｓｉｎθ−ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｄ ・・・（ｄ）
ただし、θは入射角、θ’は射出角、λは光の波長、ｄは回折格子のピッチ、ｍは回折次数である。
【００１１】
しだかって、（ｄ）式に従ってリング状の回折格子のピッチを適切に構成してやれば、光を一点に集光させること、すなわちレンズ作用を持たせることができる。このとき、ｊ番目の格子のリング半径をｒ_j 、回折面の焦点距離をｆとすると、１次近似の領域にて以下の式を満たす。
【００１２】
ｒ_j ² ＝２ｊλｆ ・・・（ｅ）
一方、回折格子の構成法としては、明暗のリングにて構成する振幅変調型、屈折率あるいは光路長を変える位相変調型等が提案されている。振幅変調型のＤＯＥでは複数の回折次数光が発生するため、例えば入射光の光量と１次回折光の光量比（以下、回折効率と称する。）は最大でも６％程度である。あるいは、振幅変調型のＤＯＥを漂白処理等を施して改良したとしても、回折効率は最大で３４％程度である。しかし、位相変調型のＤＯＥでは、その断面形状を図３（ａ）に示すような鋸形状で構成すれば回折効率を１００％まで向上できる。このようなＤＯＥをキノフォームと称している。このとき、鋸状の山の高さは次式で与えられる。
ｈ＝ｍλ／（ｎ−１） ・・・（ｆ）
ただし、ｈは山の高さ、ｎは基材の屈折率である。
【００１３】
（ｅ）式からも予測されるように、回折効率１００％は只一つの波長に対してのみ達成される。また、キノフォーム形状を図３（ｂ）のように階段近似したものはバイナリー光学素子と呼ばれたりするが、これはリソグラフィー的手法にて比較的容易に製作できる。バイナリー光学素子では、４段階近似で８１％、８段階近似で９５％、１６段階近似で９９％の回折効率が得られることが知られている。
【００１４】
以上の説明は、平面型のＤＯＥを前提にしているが、体積型のＤＯＥでは性質が異なり、その回折には回折理論を厳密に適用しなければならない。以下に示す本発明の実施例は、基本的に平面型のＤＯＥを対象としている。
【００１５】
ＤＯＥの設計法についてもいくつかの方法が知られているが、本発明ではウルトラ・ハイ・インデックス法を用いている。この手法については、"Mathematical equivalence between a holographic optical element and ultra-high index lens"J. Opt. Sos. Am. 69,486-487 、又は、"Using a conventional optical design program to design holographic optical elements" Opt. Eng. 19,649-653 等に示されている。すなわち、ＤＯＥは厚みが０で屈折率が非常に大きな屈折面と等価であることが知られている。
【００１６】
このようなＤＯＥをアクティブ方式の測距装置へ応用した例としては、本出願人による特開平７−６３９８２号のものが知られている。この公報において、マスターレンズのＩＲＥＤ側にコンバーターレンズを挿入して変倍を行うものであるが、このとき、コンバーターレンズの主点位置を適切に設定し、マスターレンズを固定したまま変倍が可能となっている。このようなことは、従来の屈折レンズ系のみでは、収差補正上不可能なことと言える。この公報のレンズは、マスターレンズが凸平面状、コンバーターレンズが凹平面状からなり、それぞれの平面が回折面にて構成されている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−６３９８２号のものは、曲率の大きな面のレンズに回折面を追加したものであるからレンズが厚く小型化できない。光の強度は距離の２乗に反比例して弱くなるが、アクティブ方式の場合、被写体をある光で照明して、その被写体からの反射光を検知する訳であるから、被写体までの距離が遠くなると反射光の強度は急激に弱くなる。しかし、日中の明るい場所でも測距しなければならず、測距用の信号光を低ノイズにて用いるために赤外光が採用されている。したがって、測距用の光は十分な明るさが求められ、その結果、投光及び受光レンズにはＦナンバーで１前後の明るさが要求される。このような要求を満たすために、レンズは必然的に厚くなってしまうが、近年のカメラ小型化に伴って、これらの測距用レンズ系の小型化が求められている。
【００１８】
測距用レンズ系の直径は仕様にて決まってしまうので、これを小さくするためにはＦナンバーを大きくするか、あるいは焦点距離を小さくする以外にない。
【００１９】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明においては、レンズ全長の短縮を課題として考え、特にレンズの厚みを薄くすることによって測距用レンズ系が占める体積を削減することを目的としている。さらに、このときに発生する収差を十分に補正する方法を見出すことも目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の測距装置は、発光手段と、該発光手段から発する光を被写体に向けて投射する投光レンズ系と、前記被写体による反射光を集光する受光レンズ系と、その光を検知する検出手段とを有する測距装置において、
前記投光レンズ系あるいは受光レンズ系は、被写体側の第１の透過面及び該被写体側とは反対側の第２の透過面を有する反射プリズムを有し、前記第１及び第２の透過面の両面共が回折面からなり、前記反射プリズムは下記条件式を満たすことを特徴とするものである。
０．８＜φ₁ ／φ＜１．６ ・・・（２）
ただし、φ₁ は前記第１の透過面のパワー、φは前記発光手段あるいは前記検出手段を含まない全系のパワーである。
【００２２】
なお、回折型光学素子が、両面が平面にて構成され、その中少なくとも１面が回折面にて構成されている場合に、その回折型光学素子は被写体側の面にて正の球面収差を発生し、反対側の面にて負の球面収差を発生するものであることが望ましい。
【００２３】
以下、本発明において上記のような構成をとる理由と作用について説明する。上記のように、回折面を用いることによって、平面のまま強いパワーを持たせることができる。従来の屈折レンズ系で強いパワーを与えると、その面の曲率が大きくなり、特に測距用レンズ系の場合には、Ｆナンバーが小さいことと相まって、屈折面のサグ量（レンズ面の面頂からの変化量）が非常に大きい。あるいは、屈折レンズ系の両面にパワーを分散しようとしても収差補正上被写体側の面にパワーが集中するため、この点は改善されないので、レンズの厚みが非常に大きくなってしまう。これに対して、回折面はサグ量を０にできるので薄肉化の効果は大きい。実際の回折面は、キノフォーム形状を仮定すると、（ｆ）式より数波長〜数１０波長レベルの凹凸があるが実質的に平面と見なしてよい。また、レンズの厚みも、加工上の制約条件や組立上の条件等で決まる量まで薄くすることが可能である。このような薄型化は屈折レンズ系では不可能である。また、一般的に、ＤＯＥは色分散が大きいという欠点があるが、測距用レンズ系においては、赤外光の波長幅が狭いので問題にならない。したがって、測距用レンズ系へのＤＯＥの適用は非常に有効であると言える。
【００２４】
上記のことは、平面状のレンズ（いわゆるプレートレンズ）に限ったことではなく、プリズムの入射面や射出面が曲率を持つレンズ（以後、プリズムレンズと称す。）においても、任意の面を回折面にて構成し、レンズ系の小型化を達成することができる。
【００２５】
次に、ＤＯＥにおける収差補正について説明する。ＤＯＥにおいて、リング格子のピッチを適切に設定すれば、入射光を一点に集光できるということは、非球面による球面収差の補正と同様の作用を示していることになる。すなわち、ＤＯＥは非球面作用を持っていることが知られている。したがって、測距装置が画面中心のみに対応している場合には、球面収差のみの補正で済むから、プレートレンズやプリズムレンズに限らず、片面のＤＯＥにて用いることができる。
【００２６】
一方、いわゆる多点測距の場合には、測距範囲が画面中心及び周辺にあるから、測距用レンズ系としては球面収差のみならずコマ収差の補正も重要である。そこで、図４に示す配置を考える。プレートレンズの被写体側の面をｒ_F 面、反対側の面をｒ_R 面とし、各面は回折面にて構成されているとする。そして、無限位置から平行光が入射するとし、このとき各面におけるマージナル光線の光線高をｙ、主光線の光線高をｙ’とする。また、絞りはｒ_F 面と一致しているとする。ウルトラ・ハイ・インデックス法に従えば、回折面の屈折率は非常に大きく、逆に曲率は非常に小さいから、ｒ_F 面で発生する球面収差及びコマ収差はほぼ０である。一方、ｒ_R 面では収斂光束が通過するために、負の球面収差と正のコマ収差が発生し性能を劣化させる。ここで、絞り位置と収差係数の関係を考えると、"Design of a wide field diffractive landscape lens"Appl. Opt. 28,3950-3959より、ＤＯＥの場合は、以下の関係が得られる。
【００２７】
ＳＩ^* ＝ＳＩ ・・・（ｇ）
ＳII^* ＝ＳII＋（ｙ’／ｙ）ＳＩ ・・・（ｈ）
ただし、ＳＩ及びＳIIは絞り密着時の３次の球面収差及びコマ収差係数、ＳＩ^* 及びＳII^* は絞りが一致していない場合の各収差係数である。図４（ａ）の場合、ｒ_R 面で発生するコマ収差をｒ_F 面にてキャンセルすることはできないから、（ｈ）式に従って、ＳＩにてＳIIをキャンセルさせる必要がある。しかし、ｙ’が小さいので、結局ＳＩが負で大きな値になってしまう。ｒ_R 面で発生した負の球面収差をｒ_F 面の非球面作用にて補正するために、ｒ_F 面では逆に大きな正の球面収差が発生する。絞りがｒ_R 面に密着の場合も、ｒ_F 面で正の球面収差を発生させ、ｒ_R 面で発生する負の球面収差を補正することに変わりはない。
【００２８】
以上、説明したように多点測距において十分な収差補正を行うために、被写体と反対側の面でコマ収差をキャンセルするだけの球面収差を発生させることが必要であり、そのためにこの面は回折面であることが望ましい。もし、従来の屈折面であれば、回折面程には収差補正ができないので、測距レンズ系として使用可能な投光角あるいは受光角が大幅に制限される。ただし、投光角及び受光角とは、光軸に対し被写体へ向けて投射される角度あるいは集光できる角度のことである。また、球面収差補正のために、被写体側の面は正の球面収差を発生するため発散作用面であり、反対側の面は負の球面収差を発生するため収斂作用面であることが望ましい。
【００２９】
しかし、被写体側の面から正の球面収差を発生させるためには、回折面に限らず、平面状の非球面項にて実現することも可能である。この場合、非球面形状は被写体に対して凹面を向けるような形状になる。また、十分な収差補正を達成するためには以下の条件式を満たすことが望ましい。
０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．３０ ・・・（１）
ただし、ｄは回折型光学素子の中心厚、Ｄは回折型光学素子の直径である。（１）式の下限の０．１５を越えて薄くなると、球面収差とコマ収差の補正が両立しない。（１）式の上限の０．３０を越えて厚くなると、大型化してしまい好ましくない。ただし、プリズムレンズ等の場合は、（１）式の上限に限られるものではない。
【００３０】
次に、プリズムレンズの場合の収差補正を考える。前記プレートレンズと同様だが、図４（ｂ）において、ｒ_R 面でのｙ’がｙと比べて大きくなるので、コマ収差補正が有利になる。ｒ_R 面で発生するコマ収差をキャンセルするのに小さな球面収差量で可能であるから、ｒ_F 面で発生する球面収差量も小さくて済む。その結果、プリズムレンズの場合は、両面共に収斂作用を持つことが望ましい。
【００３１】
プレートレンズ及びプリズムレンズの場合について収差補正の説明をした。特にプレートレンズの場合は、被写体側の面が発散作用面で反対側の面は収斂作用面であることが説明された。しかし、レンズ全長を短縮するためには、後側主点を少しでも被写体側に寄せたいから、被写体側の面に正パワーを集中させたい。そうするとレンズ中心部は収斂作用だが周辺部では発散作用を持つような構造になるから、キノフォームの鋸の歯の向きが途中で変わることになり、加工上の困難を伴う。この点においては、後述するようにプリズムレンズとして構成した方が有利である。ただし、加工精度が許せば、発散作用と収斂作用が混合した回折面を用いることに何ら問題はない。
【００３２】
一方、プリズムレンズの場合、その被写体と反対側の面を回折面として全パワーを集中させると、その面からＩＲＥＤあるいはＰＳＤまでの距離がプリズムレンズの焦点距離と等価になるから、全長が大幅に長くなってしまう。したがって、プリズムレンズの後側主点位置はなるべく被写体側へ寄せることが望ましく、これを実現するためには両面共に回折面で構成し、被写体側の面は正パワーを与え、被写体と反対側の面は負パワーを与えていわゆるテレフォトタイプの構成となすのがよい。このとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
【００３３】
０．８＜φ₁ ／φ＜１．６ ・・・（２）
ただし、φ₁ は被写体側の面のパワー、φは発光手段あるいは検出手段を含まない全系のパワーである。φ₁ ／φ＝１の場合に、屈折面で必要なサグ量の１／３程度の全長改善が可能である。（２）式の下限の０．８を越えると、レンズ全長短縮の効果が小さくなる。一方、上限の１．６を越えると、最終面からＩＲＥＤあるいはＰＳＤまでの距離、いわゆるバックフォーカスが確保できなくなる。
【００３４】
もし、被写体と反対側の面に正パワーを集中すると、バックフォーカスが焦点距離と等価になり、全長が非常に大きくなるが、このスペースに反射面等の別部材を配置するような場合には有利である。ただし、このうような配置にすると、収差補正の作用がプレートレンズの場合と同様になり、特に、被写体側の面が発散作用と収斂作用の混合面になるので注意を要する。
【００３５】
以上説明してきた内容に従って測距用レンズ系を設計したとして、これらを製造するために、フォトエッチング法や超精密旋盤法等の方法が知られている。何れも格子の最小ピッチが加工上重要であるが、後述する実施例によっては、最小ピッチが数μｍあるいはそれ以下になっており、加工の困難が予測される。また、ピッチが波長の数倍程度まで細かくなると、最早平面型のＤＯＥとして見なせなくなる。このような問題を解決するためには、高次の回折光を用いることが望ましい。前記の（ｄ）式から分かるように、回折光の角度θ’は回折次数ｍとピッチｄにて決まるから、回折次数を大きくすると、ピッチｄも大きくなる。したがって、本発明の場合は、以下の条件式を満たすような領域を有することが望ましい。
【００３６】
２≦｜ｍ｜≦３０ ・・・（３）
ただし、ｍは回折次数であり、収斂作用の場合を正とする。（３）式の上限の３０は回折効率の制約から決まる。一般に、設計波長に対しては１００％程度の回折効率が得られるが、使用波長が異なるとその回折効率は低下する。したがって、設計波長に対して、実際上使用可能な波長幅は制限されることになる。この傾向は回折次数が大きくなる程顕著になり、使用可能な波長が狭くなって行く。現在、一般的に用いられているＩＲＥＤでは波長幅が±２０ｎｍ程度であり、（３）式の上限値に対して波長幅の両端にて回折効率がほぼ０になる。したがって、（３）の上限を越えると、ＩＲＥＤの持つ全てのエネルギーを有効に利用できなくなるので、好ましくない。一方、（３）の下限の２を越えると、基本次数になり最小ピッチが小さくなりすぎて加工が困難となる。
【００３７】
また、ＩＲＥＤにはいくつかの種類があり、各々の発光波長は異なる。これらのＩＲＥＤを同一のＤＯＥレンズにて共通使用するためには、波長幅が±４０ｎｍ程度に対応する必要があり、このとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
２≦｜ｍ｜≦１５ ・・・（４）
（４）式の上限値の１５に対して波長幅の両端にて回折効率がほぼ０になる。
【００３８】
また、（３）式を満たすようにＤＯＥ全面を高次回折光を用いるように構成してもよいし、あるいはＤＯＥ面を分割して各領域毎に使用回折次数を変えてもよい。（ｅ）式から分かるように、一般的には、ピッチが小さくなるＤＯＥの周辺部で高次回折光を用いることが有効である。
前記した回折効率に関して、設計波長からずれて行くと、設計回折次数光以外の不要次数光が逆に強くなって行く。このとき、各次数光の焦点距離は設計次数と不要次数の比率で決まるから、高次回折光を用いる程設計次数光と不要次数光の分離が難しくなり、信号のノイズが増えることになる。この点を考慮しても、（４）式を満たす方がより望ましい。
もし、ＩＲＥＤで代表される発光部材の波長特性が変わった場合は、上記の考え方を適用して（３）式あるいは（４）式を修正すればよい。
【００３９】
前記した回折効率に関して、設計波長からずれて行くと、設計回折次数光以外の不要次数光が逆に強くなって行く。このとき、各次数光の焦点距離は設計次数と不要次数の比率で決まるから、高次回折光を用いる程設計次数光と不要次数光の分離が難しくなり、信号のノイズが増えることになる。この点を考慮しても、▲４▼式を満たす方がより望ましい。
もし、ＩＲＥＤで代表される発光部材の波長特性が変わった場合は、上記の考え方を適用して▲３▼式あるいは▲４▼式を修正すればよい。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の測距装置の測距用レンズ系の実施例１〜１３について説明する。なお、実施例１〜９は本発明の測距装置の参考例である。
本発明による測距用レンズ系の回折面は、ウルトラ・ハイ・インデックス法を用いて設計しており、具体的には、回折面は厚みが０で設計波長９００ｎｍのときの屈折率が１５３３の屈折型レンズとして表現されている。したがって、後記する数値データにおいても、以下に示すような通常の非球面式にて記載する。すなわち、光軸方向をＺ軸、光軸と垂直な方向をＹ軸とすると、非球面は以下の式にて表せられる。
Ｚ＝ＣＹ² ／｛１＋√（１−Ｃ² Ｙ² ）｝
＋Ａ₄ Ｙ⁴ ＋Ａ₆ Ｙ⁶ ＋Ａ₈ Ｙ⁸ ＋Ａ₁₀Ｙ¹⁰・・・（ｉ）
ただし、Ｃは面頂における曲率（＝１／ｒ、ｒは曲率半径）、Ａ₄ 、Ａ₆ 、Ａ₈ 、Ａ₁₀はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００４１】

ただし、Ｃは面頂における曲率（＝１／ｒ、ｒは曲率半径）、Ａ₄ 、Ａ₆ 、Ａ₈ 、Ａ₁₀はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００４２】
また、回折面と厚みが０で接する面あＤＯＥの基材表面である。そして、実際の製造においては、回折面の非球面形状と基材表面の形状との差及び屈折率から位相変化を求め、この位相変化を回折格子のピッチに換算して基材表面上に回折格子を形成する。
【００４３】
なお、次の各実施例は全て投光レンズ系として設計されており、基材はアクリル、被写体までの距離は５ｍに設定されている。
【００４４】
〔実施例１〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図５に示す。この実施例は厚みが１ｍｍのプレートレンズであり、ｒ₁ 面に全てのパワーが集中している。ＩＲＥＤは発光部を平面状の樹脂製パッケージにて覆ったものである。図５中に実施例１における投光角０°の光線を示す。ｒ₁ 面は近軸的には全正パワーを有しているが、周辺部においては強い発散作用を持っていることが分かる。ｒ₄ 面は近軸的にはパワーレスであるが、周辺部においては強い収斂作用を持っていることが分かる。したがって、ｒ₁ 面は中心から離れるに従って徐々に負パワーが強くなる形状であり、ｒ₄ 面は中心から離れるに従って徐々に正パワーが強くなる形状である。
【００４５】
〔実施例２〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図は図５と同様である。この実施例も厚みが１ｍｍのプレートレンズであり、ｒ₄ 面に全てのパワーが集中している。ＩＲＥＤも実施例１と同じである。ｒ₁ 面は近軸的にはパワーレスであるが、周辺部においては強い発散作用を持っており、ｒ₄ 面はレンズ全面で強い正パワーを有している。
【００４６】
〔実施例３〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図６に示す。この実施例も厚みが１ｍｍのプレートレンズである。ＩＲＥＤは発光部を曲率の付いた樹脂製パッケージにて覆っている。図６に実施例１における投光角０°の光線を示す。ｒ₁ 面からｒ₄ 面までのパワーをφとしたとき、ｒ₁ 面は１．５φの正パワーを有し、ｒ₄ 面は約−０．５φの負パワーを有している。しかし、図６から分かるように、ｒ₁ 面は近軸的には正パワーであるが周辺部においては強い発散作用を持っており、ｒ₄ 面は近軸的には負パワーであるが周辺部においては強い収斂作用を持っている。
【００４７】
〔実施例４〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図は図６と同様である。この実施例は厚みが３ｍｍのプレートレンズであり、厚くすることで製造時に生ずる歪みや変形を緩和しようとしている。ＩＲＥＤは実施例３と同じである。ｒ₁ 面からｒ₄ 面までのパワーφに対し、ｒ₁ 面とｒ₄ 面で約０．５φずつのパワーを等分している。両面共に近軸的には正パワーであるが、ｒ₁ 面は周辺部において強い発散作用を持っており、ｒ₄ 面は周辺部において強い収斂作用を持っている。
【００４８】
〔実施例５〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図は図６と同様である。この実施例も厚みが１ｍｍのプレートレンズであり、ＩＲＥＤは実施例３と同様である。ｒ₁ 面からｒ₄ 面までのパワーφに対し、ｒ₁ 面は約−０．５φのパワーを有しており、ｒ₄ 面は１．５φのパワーを有している。ｒ₁ 面はレンズ全面で強い発散作用を有しており、ｒ₄ 面はレンズ全面で強い収斂作用を有している。
【００４９】
〔実施例６〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図７に示す。この実施例は厚みが１．５ｍｍのプレートレンズであり、ＩＲＥＤは実施例３と同じである。本実施例はｒ₁ 面が回折面で、ｒ₃ 面は非球面からなる屈折面である。図７に実施例６における投光角０°の光線を示す。ｒ₁ 面に全パワーが集中している本実施例では、ｒ₃ 面で発生するコマ収差を補正できないので、使用可能な投光角が小さい。しかし、球面収差の補正が容易なので、ｒ₁ 面はレンズ全面で収斂作用を有する。
【００５０】
〔実施例７〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図８に示す。この実施例は厚みが２．５ｍｍのプレートレンズであり、ＩＲＥＤは実施例３と同じである。本実施例はｒ₁ 面は非球面からなる屈折面であり、ｒ₃ 面が回折面である。図８に実施例７における投光角０°の光線を示す。本実施例では、ｒ₃ 面に全パワーが集中しており、レンズ周辺部でも収斂作用を有している。ｒ₁ 面は球面収差補正のために、周辺部で発散作用を有するように、被写体側へ凹面を向けた非球面形状になっている。
【００５１】
〔実施例８〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図９に示す。この実施例は厚みが１ｍｍのプレートレンズであり、ＩＲＥＤは実施例３と同じである。本実施例はｒ₁ 面が回折面で全パワーが集中しており、ｒ₃ 面は単なる平面である。図９に実施例８における投光角０°の光線を示す。本実施例では、ｒ₃ 面で発生するコマ収差を補正できないので、使用可能な投光角が特に小さい。しかし、ｒ₁ 面はレンズ全面で収斂作用を有する。
【００５２】
〔実施例９〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図１０に示す。この実施例も厚みが１ｍｍのプレートレンズであり、ＩＲＥＤは実施例３と同じである。本実施例はｒ₃ 面が回折面で全パワーが集中しており、ｒ₁ 面は単なる平面である。図１０に実施例９における投光角０°の光線を示す。本実施例では、ｒ₃ 面で発生するコマ収差を補正したときに逆に大きくなる球面収差をｒ₁ 面にて補正できないから、使用可能な投光角が特に小さい。しかし、ｒ₃ 面はレンズ全面で収斂作用を有する。
【００５３】
〔実施例１０〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図１１に示す。この実施例は厚みが１１ｍｍのプリズムレンズであり、プリズムの入射面及び射出面共に回折面にて構成されている。また、ＩＲＥＤは実施例３と同じである。ｒ₁ 面からｒ₄ 面までのパワーφに対し、ｒ₁ 面は１．３φの正パワーを有し、ｒ₄ 面は−０．９６φの負パワーを有する。図１１に実施例１０における投光角０°の光線を示す。ｒ₁ 面はレンズ全面で収斂作用を持ち、ｒ₄ 面は近軸的には負パワーであるがレンズ周辺部では収斂作用を持つ。
【００５４】
〔実施例１１〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図１２に示す。この実施例も厚みが１１ｍｍのプリズムレンズであり、ＩＲＥＤは実施例１と同じである。ｒ₁ 面からｒ₄ 面までのパワーφに対し、ｒ₁ 面は１．５φの正パワーを有し、ｒ₄ 面は−２．４φの負パワーを有する。図１２に実施例１１における投光角０°の光線を示す。ｒ₁ 面はレンズ全面で収斂作用を持ち、ｒ₄ 面は近軸的には負パワーであるがレンズ周辺部では収斂作用を持つ。
【００５５】
〔実施例１２〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図は図１１と同様である。この実施例は厚みが１１ｍｍのプリズムレンズであり、ＩＲＥＤは実施例３と同じである。ｒ₁ 面に全パワーが集中している。したがって、ｒ₁ 面はレンズ全面で収斂作用を有しており、ｒ₄ 面は近軸的にはパワーレスであるが周辺部では収斂作用を有している。
【００５６】
〔実施例１３〕
この実施例の測距用レンズ系の断面図を図１３に示す。この実施例は厚みが１１ｍｍのプリズムレンズであり、ＩＲＥＤは実施例３と同じである。ｒ₄ 面に全パワーが集中している。図１３に実施例１３における投光角０°の光線を示す。本実施例では、バックフォーカスを長くとれるので、ｒ₄ 面とｒ₅ 面の間に反射部材等を配置することが可能である。ｒ₁ 面は近軸的にはパワーレスであるが周辺部では発散作用を持っており、ｒ₄ 面はレンズ全面で収斂作用を持っている。
【００５７】
以下に、上記実施例１〜１３の数値データを示す。各データ中、ｆは焦点距離、Ｆ_NO. はＦナンバー、ｒ₁ 、ｒ₂ …は各レンズ面の曲率半径、ｄ₁ 、ｄ₂ …は各レンズ面間の間隔、ｎ_900,1 、ｎ_900,2 …は各レンズの波長９００ｎｍの屈折率であり、また、非球面形状は前記（ｉ）式にて表される。
【００５８】

【００５９】

【００６０】

【００６１】

【００６２】

【００６３】

【００６４】

【００６５】

【００６６】

【００６７】

【００６８】

【００６９】

【００７０】

【００７１】
以上の実施例１、６、８、１０の収差図をそれぞれ図１４、図１５、図１６、図１７に示す。各収差図中、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差を示す。また、各図中、ＦＩＹは投光角を表す。
【００７２】
以上、回折面を投光レンズ系へ適用する実施例を示した。これらの実施例を受光レンズ系へ応用できることは明らかである。
【００７３】
以上の本発明の測距装置は、例えば次のように構成することができる。
〔１〕 発光手段と、該発光手段から発する光を被写体に向けて投射する投光レンズ系と、前記被写体による反射光を集光する受光レンズ系と、その光を検知する検出手段とを有する測距離装置において、
前記投光レンズ系あるいは受光レンズ系は、両面が平面にて構成され、その中少なくとも１面が回折面にて構成された回折型光学素子を有することを特徴とする測距装置。
【００７４】
〔２〕 上記〔１〕において、前記投光レンズ系あるいは前記受光レンズ系は回折型光学素子のみからなることを特徴とする測距装置。
【００７５】
〔３〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は両面共に回折面からなることを特徴とする測距装置。
【００７６】
〔４〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は被写体側の面が回折面からなり、反対側の面は非球面からなることを特徴とする測距装置。
【００７７】
〔５〕 発光手段と、該発光手段から発する光を被写体に向けて投射する投光レンズ系と、前記被写体による反射光を集光する受光レンズ系と、その光を検知する検出手段とを有する測距離装置において、
前記投光レンズ系あるいは受光レンズ系は、少なくとも被写体側の面が非球面からなり、反対側の面が回折面からなる回折型光学素子を有することを特徴とする測距装置。
【００７８】
〔６〕 上記〔５〕において、被写体側の非球面は、被写体に対して凹面からなることを特徴とする測距装置。
【００７９】
〔７〕 上記〔５〕において、回折型光学素子は下記条件式を満たすことを特徴とする測距装置。
０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．３０ ・・・（１）
ただし、ｄは前記回折型光学素子の中心厚、Ｄは前記回折型光学素子の直径である。
【００８０】
〔８〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は被写体側の面が回折面からなることを特徴とする測距装置。
【００８１】
〔９〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は被写体と反対側の面が回折面からなることを特徴とする測距装置。
【００８２】
〔１０〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は薄い平板からなることを特徴とする測距装置。
【００８３】
〔１１〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子はプリズムからなることを特徴とする測距装置。
【００８４】
〔１２〕 上記〔１１〕において、前記回折型光学素子は両面共にレンズ周辺部で収斂作用を有することを特徴とする測距装置。
【００８５】
〔１３〕 上記〔１１〕において、前記回折型光学素子は被写体側の面はレンズ周辺部にて発散作用を有し、反対側の面はレンズ周辺部にて収斂作用を有することを特徴とする測距装置。
【００８６】
〔１４〕 上記〔１１〕において、前記回折型光学素子は被写体側の面は正パワーを有し、反対側の面は負パワーを有することを特徴とする測距装置。
【００８７】
〔１５〕 上記〔１４〕において、前記回折型光学素子は下記条件式を満たすことを特徴とする測距装置。
０．８＜φ₁ ／φ＜１．６ ・・・（２）
ただし、φ₁ は前記の被写体側の面のパワー、φは前記発光手段あるいは前記検出手段を含まない全系のパワーである。
【００８８】
〔１６〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は被写体側の面にて正の球面収差を発生し、反対側の面にて負の球面収差を発生することを特徴とする測距装置。
【００８９】
〔１７〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は被写体と反対側の面にて発生するコマ収差が非常に小さいことを特徴とする測距装置。
【００９０】
〔１８〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子の回折面の少なくとも１面はレンズ周辺部にて負パワーを有することを特徴とする測距装置。
【００９１】
〔１９〕 上記〔１８〕において、その回折面は被写体側の面であることを特徴とする測距装置。
【００９２】
〔２０〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子の回折面の少なくとも１面はレンズ周辺部にて正パワーを有することを特徴とする測距装置。
【００９３】
〔２１〕 上記〔１〕において、前記回折型光学素子は下記条件式を満たすような領域を有することを特徴とする測距装置。
２≦｜ｍ｜≦３０ ・・・（３）
ただし、ｍは回折次数であり、収斂作用の場合を正とする。
【００９４】
【発明の効果】
以上の本発明の測距装置に用いられる投光レンズ系あるいは受光レンズ系によれば、従来の屈折型レンズ系に比べて薄型化が可能であるから、測距装置を搭載するカメラの小型化に寄与する。また、本発明のように回折面を適切に用いることによって、性能良好な多点測距装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能なアクティブ方式の測距装置の要部のブロック図である。
【図２】回折格子の回折作用を説明するための図である。
【図３】振幅変調型回折型光学素子の断面形状を示す図である。
【図４】回折型光学素子による収差補正を検討するための図である。
【図５】実施例１の測距用レンズ系の断面図である。
【図６】実施例３の測距用レンズ系の断面図である。
【図７】実施例６の測距用レンズ系の断面図である。
【図８】実施例７の測距用レンズ系の断面図である。
【図９】実施例８の測距用レンズ系の断面図である。
【図１０】実施例９の測距用レンズ系の断面図である。
【図１１】実施例１０の測距用レンズ系の断面図である。
【図１２】実施例１１の測距用レンズ系の断面図である。
【図１３】実施例１３の測距用レンズ系の断面図である。
【図１４】実施例１の収差図である。
【図１５】実施例６の収差図である。
【図１６】実施例８の収差図である。
【図１７】実施例１０の収差図である。
【符号の説明】
１１…赤外発光ダイオード（ＩＲＥＤ）
１１ａ…制御部
１２…投光レンズ系
１３…被写体
１４…受光レンズ系
１５…位置検出装置（ＰＳＤ）
１６…距離算出手段
１７…制御手段
１８…駆動ドライバー
１９…駆動モーター
ｒ_F …プレートレンズの被写体側の面
ｒ_R …プレートレンズの被写体側の反対側の面
ｒ₁ 、ｒ₂ 、・・…レンズ面
ｄ₁ 、ｄ₂ 、・・…レンズ面間間隔

Claims (8)

1. 発光手段と、該発光手段から発する光を被写体に向けて投射する投光レンズ系と、前記被写体による反射光を集光する受光レンズ系と、その光を検知する検出手段とを有する測距装置において、
   前記投光レンズ系あるいは受光レンズ系は、被写体側の第１の透過面及び該被写体側とは反対側の第２の透過面を有する反射プリズムを有し、前記第１及び第２の透過面の両面共が回折面からなり、前記反射プリズムは下記条件式を満たすことを特徴とする測距装置。
   ０．８＜φ₁ ／φ＜１．６ ・・・（２）
   ただし、φ₁ は前記第１の透過面のパワー、φは前記発光手段あるいは前記検出手段を含まない全系のパワーである。
2. 請求項１において、前記反射プリズムは前記第１及び第２の透過面の両面共にレンズ周辺部で収斂作用を有することを特徴とする測距装置。
3. 請求項１において、前記反射プリズムは前記第１の透過面はレンズ周辺部にて発散作用を有し、前記第２の透過面はレンズ周辺部にて収斂作用を有することを特徴とする測距装置。
4. 請求項１において、前記反射プリズムは前記第１の透過面は正パワーを有し、前記第２の透過面は負パワーを有することを特徴とする測距装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項において、前記第１及び第２の透過面のうち、少なくとも一面は平面であることを特徴とする測距装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項において、前記第１及び第２の透過面両面ともが平面であることを特徴とする測距装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項において、前記投光レンズ系あるいは受光レンズ系は前記反射プリズムのみからなることを特徴とする測距装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項において、前記測距装置は多点測距を行うことを特徴とする測距装置。

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