JP4539249B2

JP4539249B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4539249B2
Application number: JP2004263917A
Authority: JP
Inventors: 一郎前田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: JP2006078858A

Description

本発明は、固体撮像素子を用いたカメラの撮像装置に関する。

ＣＣＤなどの固体撮像素子で構成される光センサの受光部は、光に対して感度を有する開口部とそれ以外の不感帯とに分けられる。つまり、撮像素子の画素を構成する受光部の全域に感度を備えているわけではない。このため、不感帯へ入射される光を開口部へ導くように不感帯対策が施されている。一般に、画像取得用の撮像素子は限られた大きさの中に多くの画素を構成するため、画素当たりのサイズが小さく形成される。したがって、画素ごとにマイクロレンズを形成し、各画素において光電変換される信号レベルを高める（感度向上）ように工夫されている。さらに、ナイキスト周波数域の空間周波数を低減して偽色の発生を防止するために、櫛形プリズムを用いた技術（特許文献１参照）や、高次球収差を発生させてぼかす技術（特許文献２参照）の他、水晶などの複屈折部材を用いて重複像を発生させる光学ローパスフィルタなどが使用されている。

一方、測色情報もしくは測光情報取得用の撮像素子は画像取得用に比べて画素数が少なく、画素当たりのサイズが大きく形成される。画素サイズが大きい場合、上記マイクロレンズは製造上の理由により適さない。また、測光センサ用にナイキスト周波数より高周波数域の空間周波数を低減するための特殊なローパスフィルタを用いる技術（特許文献３）が提案されているが、製造コストが高くつく。

特許第３２２２１６４号公報特開昭６３−６５２０号公報特開平６−２５８１３６号公報

測色情報や測光情報を取得するための撮像素子であって画像取得用に比べて画素サイズが大きな撮像素子においては、マイクロレンズが不向きであることと、ローパスフィルタが高価であることから、撮像素子へ集光するレンズによる像をぼかす方式が有効である。しかしながら、撮像素子の受光部で適切なぼけ量が得られるように集光レンズの焦点から所定量外れた位置に撮像素子を精度よく配設することが困難であった。

本発明による撮像装置は、測光情報もしくは測色情報を得るための撮像素子であって、撮影用撮像素子より大きな画素サイズを有し、画素を構成する受光部ごとに光電変換信号を出力する撮像素子と、撮像素子に被写体光束を導く光学系であって、予定焦点面より後ろ側に焦点面を有する第１レンズ、および予定焦点面より前側に焦点面を有する第２レンズを有する光学系と、を備え、光学系は、予定焦点面の前側で生じる第１レンズによる像ぼけ量が所定範囲の上限になる光路上の位置から、当該像ぼけ量が所定範囲の下限になる光路上の位置までの第１区間、および予定焦点面の後ろ側で生じる第２レンズによる像ぼけ量が所定範囲の下限になる光路上の位置から、当該像ぼけ量が所定範囲の上限になる光路上の位置までの第２区間が、光路上において連なることを特徴とする。

本発明による撮像装置では、撮像素子および該撮像素子に被写体光束を導く光学系との位置調整が容易になる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態による一眼レフ電子カメラを説明する図である。図１において、一眼レフ電子カメラ本体７０にレンズ９１および絞り９２を内蔵する交換レンズ９０が装着されている。

交換レンズ９０を通過してカメラ本体７０に入射した被写体光束は、レリーズ前はクイックリターンミラー２により上方へ導かれてフォーカシングスクリーン３に結像するとともに、被写体光束の一部はサブミラー７２で下方に反射されて焦点検出装置７３にも結像する。フォーカシングスクリーン３に結像した被写体光束はさらに、レンズ７４を介してペンタプリズム４へ入射される。ペンタプリズム４は、入射された被写体光束を接眼レンズ５へ導く一方、その一部をプリズム７５へも導く。プリズム７５へ入射された光束はレンズ６を介して測光素子７に入射される。

レリーズ後はクイックリターンミラー２が上方へ回動して光路から退避し、被写体光束はシャッタ７６を介して撮影用の撮像装置７７へ導かれる。なお、クイックリターンミラー２が回動後シャッタ７６のシャッタ幕（不図示）が開く前は、被写体光束はシャッタ幕面で反射され、レンズ７８を介して調光用測光装置７９に入射されるように構成されている。

本発明は、上記測光素子７上に被写体像を結像させる測光レンズ６の構成に関するものである。

図２は、測光レンズ６の構成を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。図２において、外側レンズ部６１および内側レンズ部６２によって測光レンズ６が構成される。内側レンズ部６２はいわゆる前ピンに、外側レンズ部６１は後ピンに構成されており、間隔Ａで図示される範囲内において被写体像に所定量のぼけが得られる。測光素子７は、その受光部を含む面（以下受光面と呼ぶ）が間隔Ａ内に位置するように配設される。

後ピンに対応する外側レンズ部６１は、光軸ＡＸ上において予定焦点面Ｐより所定量後ろに焦点面Ｆ１を有するように構成される。これにより、予定焦点面Ｐより前側の所定範囲Ｐ−Ｐ１間（幅＝Ａ／２）に撮像素子７の受光面を配設すると、測光素子７上において１〜１．５画素ピッチに相当するぼけ量が生じる。また、前ピンに対応する内側レンズ部６２は、光軸ＡＸ上において予定焦点面Ｐより所定量前に焦点面Ｆ２を有するように構成される。これにより、予定焦点面Ｐより後ろ側の所定範囲Ｐ−Ｐ２間（幅＝Ａ／２）内に撮像素子７の受光面を配設すると、測光素子７上において１〜１．５画素ピッチに相当するぼけ量が生じる。このように、Ｐ１およびＰ２で挟まれる幅Ａ内のいずれの位置に測光素子７を配設する場合でも、その受光面において１〜１．５画素ピッチに相当するぼけ量が得られるように構成される。

図３は、撮像素子７の受光部および点光源によるぼけ像の大きさを説明する図である。図３において、受光部は１画素につき１対の開口部３１および不感帯３２によって構成される。撮像素子７はこのような受光部が縦横に配列されている。画素ピッチは、たとえば５０μm程度である。もし、撮像素子７の受光面上に被写体光束による尖鋭像が結ばれる（測光レンズを単レンズで構成し、その焦点面に撮像素子７の受光面を配設する）とすれば、１画素より小さい点光源による像は開口部に結像された場合（図３の例では上から３段目左から３列目に例示）は受光され、不感帯に結像された場合（図３の例では上から２段目左から３列目に例示）には受光されない。このように、点光源の結像位置が開口部に含まれるか、あるいは不感帯に含まれるかによって、撮像素子７で点光源が検出されたり検出されなかったりする。

一方、本実施の形態のように図２による測光レンズ６１、６２を介して点光源による像を撮像素子７上に結像させる場合は、点光源による像がぼけて１．５画素ピッチを直径とする円状に結像される。図３のぼけ像３５は、上から３段目右から４列目の開口部を中心に結像される場合を例示する。ぼけ像３５によれば、円の中心に相当する画素および左右それぞれ２画素ずつの計５画素（上から３段目右から２〜６列）で受光されることを示す。

図３のぼけ像３６は、上から２段目右から４列目の不感帯を中心に結像される場合を例示する。ぼけ像３６によれば、上から１段目および２段目のそれぞれにおいて、円の中心線（不図示）上に位置する画素および左右それぞれ１画素ずつの計６画素（上から１段目および２段目右から３〜５列）で受光されることを示す。

ぼけ像３５およびぼけ像３６が示すように、点光源による像を直径が１．５画素ピッチの円形状にぼかすことで、ぼけ像の中心が開口部および不感帯のいずれに位置する場合でも撮像素子７から画素出力が得られる。

図２の測光レンズ６１、６２を介して直径が１．５画素ピッチの円形状のぼけ像を得る場合と、測光レンズを単レンズで構成して直径が１．５画素ピッチの円形状のぼけ像を得る場合とを比較する。図４は、測光レンズを単レンズで構成する例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。図４において、レンズ６３の焦点面Ｆに対して前ピン側の所定範囲（幅＝Ｂ≒Ａ／２）、および後ピン側の所定範囲（幅＝Ｂ≒Ａ／２）のそれぞれにおいて被写体像に所定のぼけ量（直径１．５画素ピッチの円形状）が得られる。この場合には、前ピン側もしくは後ピン側のいずれか所定範囲（幅＝Ｂ）内に測光素子７の受光面が位置するように測光素子７を配設する。

図４および図２を比較すると、図４の場合は測光素子７を配設する位置調整範囲（幅）がＢ（≒Ａ／２）であるのに対し、図２の場合の位置調整範囲（幅）はＡである。すなわち、外側レンズ部６１により被写体像に所定のぼけ量（この場合は直径１．５画素ピッチの円形状）が得られる範囲Ｐ−Ｐ１と、内側レンズ部６２により被写体像に所定のぼけ量（直径１．５画素ピッチの円形状）が得られる範囲Ｐ−Ｐ２とが光路上で連続するようにしたので、単レンズの場合に比べて測光素子７の位置調整範囲が約２倍に広くなる。

以上説明した実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
（１）測光素子７の受光面上に被写体像を結像させる測光レンズ６を外側レンズ部６１および内側レンズ部６２により構成し、一方の焦点について光軸ＡＸ上を後ピン側へ、他方の焦点について光軸ＡＸ上を前ピン側へ所定量ずつずらすようにした。所定量は、それぞれ予定焦点面Ｐより前側の所定範囲Ｐ−Ｐ１間（幅＝Ａ／２）、および予定焦点面Ｐより後ろ側の所定範囲Ｐ−Ｐ２間（幅＝Ａ／２）で撮像素子７の１〜１．５画素ピッチ相当のぼけ量を生じさせる量とする。１〜１．５画素ピッチ相当のぼけ量を得ることにより、ぼけ像３５およびぼけ像３６が示すように、ぼけ像の中心が開口部および不感帯のいずれに位置する場合でも撮像素子７から画素出力が得られるようになり、ぼけが生じていなければ不感帯領域へ進む点光源による被写体光束も、マイクロレンズを用いることなくその一部を開口部へ導くことができる。また、ぼかすことでナイキスト周波数近傍だけでなく、ナイキスト周波数より高い周波数成分を除去する効果も得られる。

（２）外側レンズ部６１により被写体像に所定のぼけ量（上記例で１〜１．５画素ピッチ相当）が得られる範囲Ｐ−Ｐ１と、内側レンズ部６２により被写体像に所定のぼけ量（１〜１．５画素ピッチ相当）が得られる範囲Ｐ−Ｐ２とが連続するようにしたので、測光レンズを単レンズで構成する場合に比べて、測光素子７の位置調整範囲Ｐ１−Ｐ２（幅＝Ａ）を約２倍に広くとることができる。この結果、測光レンズ６および測光素子７を含む測光モジュールの組立工数を低減できる。

（３）上記（２）は測光モジュールを小型化する上でとくに重要である。測光素子７の位置調整範囲をぼけ幅と定義すると、ぼけ幅は測光レンズ６の倍率増加に反比例して小さくなり、概ね次式（１）で表される。
（取り付け精度）＜（ぼけ幅）∝（１／（測光レンズ縮小倍率））（１）
上式（１）は、測光素子７を１／２に小型化する場合を例にとれば、必要な測光レンズ６の倍率が２倍になることによってぼけ幅が１／２になるので、２倍の取り付け精度が要求されることを表す。したがって、上記構成（２）によってぼけ幅を２倍にできれば、単レンズを用いる場合と同程度の取り付け精度で測光モジュールを１／２に小型化することが可能になる。

（４）ぼけ量を撮像素子７の１〜１．５画素ピッチ相当としたので、１画素相当の不感帯成分をなくすために必要な最小限のぼけ量に制限される。この結果、測光素子７による出力信号の解像度（空間分解能）低下を抑制できる。

測光レンズ６を構成する外側レンズ部６１は焦点面Ｆ１に尖鋭像を結び、内側レンズ部６２は焦点面Ｆ２に尖鋭像を結ぶ。このように、外側レンズ部６１および内側レンズ部６２がそれぞれが異なる焦点面Ｆ１、Ｆ２に被写体像を結ぶことにより、測光レンズ６は光軸ＡＸ方向に複数の被写体像、すなわち、多重像を与える。撮像素子７は、光路上でこれら多重像の間（すなわち、複数の焦点面Ｆ１およびＦ２で挟まれる位置）に配設される。

測光レンズ６が複数の焦点を有する構成を説明する上で、便宜上外側レンズ部６１および内側レンズ部６２を用いて測光レンズ６を構成するように説明した。実際には、外側レンズ部６１上に、外側レンズ６１より口径が小さな凸レンズで構成した内側レンズ部６２をのせることによって実現できる。

また、１枚のマルチフォーカルレンズで測光レンズ６を構成してもよい。この場合には、焦点面Ｆ１に像を結ぶ領域（遠用部とする）と、焦点面Ｆ２に像を結ぶ領域（近用部とする）とによって１枚のレンズを構成する。このように、複数の焦点を必ずしも同軸上に設けずに複眼レンズを構成してもよい。

以上の説明では、測光レンズ６で焦点を２つ得る構成としたが、焦点をさらに増やして多重焦点（累進焦点）とする構成としてもよい。焦点数をさらに増やすことで、上記ぼけ幅（測光素子７の位置調整範囲）内のぼけ量の均質性を高めることができる。

一眼レフカメラであれば、電子カメラであっても銀塩カメラであっても本発明を適用できる。

本発明の一実施の形態による一眼レフ電子カメラを説明する図である。測光レンズの構成を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。撮像素子の受光部および点光源によるぼけ像の大きさを説明する図である。単レンズによる構成例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。

符号の説明

２…クイックリターンミラー
３…フォーカシングスクリーン
４…ペンタプリズム
５…接眼レンズ
６…測光レンズ
７…測光素子
７２…サブミラー
７３…焦点検出装置
７４…レンズ
７５…プリズム
７６…シャッタ
７７…撮像装置
７０…カメラ本体
９０…交換レンズ
Ｆ１、Ｆ２…焦点面

Claims

測光情報もしくは測色情報を得るための撮像素子であって、撮影用撮像素子より大きな画素サイズを有し、画素を構成する受光部ごとに光電変換信号を出力する撮像素子と、
前記撮像素子に被写体光束を導く光学系であって、予定焦点面より後ろ側に焦点面を有する第１レンズ、および前記予定焦点面より前側に焦点面を有する第２レンズを有する光学系と、を備え、
前記光学系は、前記予定焦点面の前側で生じる前記第１レンズによる像ぼけ量が所定範囲の上限になる光路上の位置から、当該像ぼけ量が前記所定範囲の下限になる前記光路上の位置までの第１区間、および前記予定焦点面の後ろ側で生じる前記第２レンズによる像ぼけ量が前記所定範囲の下限になる前記光路上の位置から、当該像ぼけ量が前記所定範囲の上限になる前記光路上の位置までの第２区間が、前記光路上において連なることを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記光学系は、前記予定焦点面の前側で生じる前記第１レンズによる像ぼけ量が前記所定範囲の下限になる前記光路上の位置と、前記第２レンズによる像ぼけ量が前記所定範囲の下限になる前記光路上の位置とが合致することを特徴とする撮像装置。
請求項１または２に記載の撮像装置において、
前記撮像素子の受光面は、前記光路上において前記第１区間内または前記第２区間内に配設されることを特徴とする撮像装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記所定範囲の像ぼけ量は、前記撮像素子の受光面上において１〜１．５画素ピッチに相当することを特徴とする撮像装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記第１レンズおよび前記第２レンズは、遠用部および近用部を有するマルチフォーカルレンズで構成されることを特徴とする撮像装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記第１レンズおよび前記第２レンズは、同心状に構成されることを特徴とする撮像装置。