JP4695963B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ等の光学機器に関し、詳しくは、光学機器に組み込まれている固体撮像素子の焦点面近傍に配設された光学部材の表面に付着した異物を除去する技術に関する。

デジタル一眼レフカメラでは、撮影レンズの交換時に外部から侵入する埃やゴミ、またはクイックリターンミラーの駆動やフォーカルプレーンシャッタの作動によってカメラ内で発生する磨耗粉などの異物が移動し、撮像素子の保護用のカバーガラス上や撮像素子の近傍に配置されている赤外カットフィルタや光学ローパスフィルタ等の表面に付着することがあった。そして、このような異物が付着した状態で撮影を行うと、被写体像とともに異物の影が撮像素子によって撮影されてしまい、撮影画像に悪影響を及ぼしていた。

このような問題に対し、防塵部材を備えることで異物が付着するのを抑制すると共に、防塵部材の表面に付着する異物に対しては、防塵部材を加振することによって異物を除去する手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、防塵部材の表面を傷つけることなく異物を除去し、異物の影が撮影画像に写り込むことを防ぐことが可能である。
特開２００２−２０４３７９号公報

しかし、特許文献１に記載の防塵部材では、異物を除去するためには、異物の防塵部材への付着力を超える力を光軸方向に異物に加える必要があり，大きなエネルギーを要していた。

このような不具合を解消するために、異物が付着した光学フィルタに対して、異物の光学フィルタへの付着力に対して垂直方向、即ち光軸に直交する方向に振動を発生させることにより、異物の光学フィルタへの付着力に静摩擦係数を乗じた力で異物を移動させ、さらに、付着力を軽減させた状態において光学フィルタを光軸方向に振動させることで、異物を光学フィルタから離し、重力方向へと落とすという構成が考えられる。即ち、光学フィルタの光軸の直交方向への振動は光軸方向のみの振動に比べて小さな力で異物を移動することが出来、光学フィルタの光軸方向への振動は付着力が軽減された異物を対象とするので、わずかな力で異物を飛ばすことが可能となる。したがって、上記の構成により異物を除去するためのエネルギーの消費は少なくなる。

このような構成を達成する方法として、光学フィルタを加振する加振手段を、光学フィルタの光軸に水平な面と垂直な面のそれぞれに配設することが考えられる。しかしながら、加振手段を２つ以上配設することは、より多くのスペースを要し、デジタル一眼レフカメラの大型化につながるといった問題がある。

また、これとは別に上記の構成を達成する方法として、光学フィルタを加振する加振手段を、光学フィルタに対して光軸の斜め方向に配設し、光学フィルタを光軸の直交方向と光軸方向の合成した方向に振動させるような構成が考えられる。図９はこのような構成にしたときの断面図であり、異物３０１が付着した光学フィルタ３０２に加振手段である圧電素子３０３が光軸の斜め方向に接着されている。しかしながら、異物を除去するために要する加速度を光学フィルタに付加するとき、図９の矢印のように圧電素子や超磁歪素子等の加振手段に対して大きな曲げモーメントが発生し、加振手段が破壊する虞があるといった問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学フィルタ表面に付着した異物を容易に除去することが可能な撮像装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、被写体の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子の前面であって撮影光軸上に配設された光学部材と、前記光学部材の光束入射面と直交する面に振動を加える加振手段と、
前記加振手段の振動を制御する制御手段と、前記光学部材の少なくとも前記加振手段によって振動が加えられる面と対向する面を保持する弾性部材とを有し、前記加振手段が前記光学部材の光軸方向の重心位置から外れた位置に、前記光学部材の光束入射面と直交する方向に進退する振動を加えることによって、前記光学部材に前記撮影光軸と直交する軸周りの回転力を与えることを特徴とする。

また、本発明の撮像装置は、被写体の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子の前面であって撮影光路上に配設された光学部材と、前記光学部材の光束入射面と直交する面に振動を加える加振手段と、前記加振手段の振動を制御する制御手段と、前記光学部材の少なくとも前記加振手段によって振動が加えられる面と対向する面を保持する弾性部材と、前記光学部材と前記加振手段との間に配置され、前記加振手段より剛性の高い保持部材を有し、前記加振手段が前記光学部材の光軸方向の重心位置から外れた位置に、前記保持部材を介して、前記光学部材の光束入射面と直交する方向に進退する振動を加えることによって、前記光学部材に前記撮影光軸と直交する軸周りの回転力を与えることを特徴とする。

本発明によれば、カメラを大型化することや加振手段を破壊することがなく、光学フィルタの前面に付着した異物を低エネルギーで除去することができ、異物の影が撮影画像に写り込まないようにすることができる。

［実施の形態１］
図１は、本実施の形態に係るデジタル一眼レフカメラ本体１０１および交換レンズ２０１の中央断面図である。

カメラ本体１０１に対して着脱可能な交換レンズ２０１は、カメラ側のマウント部１０２と交換レズ側のマウント部２０２によって固定される。交換レンズ２０１が装着されると、カメラ本体１０１の接点部１０３と交換レンズ２０１の接点部２０３とが接触する。これにより電気的な接続がなされ、カメラ本体１０１は交換レンズ２０１が装着されたことを検知する。さらに、この接点部１０３および２０３を介してカメラ本体１０１から交換レンズ２０１へ電力の供給や交換レンズ２０１を制御するための通信を行う。交換レンズ２０１の撮影レンズ２０４を透過した光束は、カメラ本体１０１のメインミラー１０４に入射する。このメインミラー１０４はハーフミラーとなっており、このメインミラー１０４により反射された光束はファインダへと導かれる。またこのメインミラー１０４を透過した光束は、サブミラー１０５により下方へ反射され、焦点検出ユニット１０６へと導かれる。この焦点検出ユニット１０６は、撮影レンズ２０４のデフォーカス量を検出し、撮影レンズ２０４が合焦状態となるように撮影レンズ２０４を移動するためのレンズ駆動量を演算する。そして、その演算したレンズ駆動量を接点部１０３および２０３を介して交換レンズ２０１へ送出すると、交換レンズ２０１は図示しないモータを制御して、撮影レンズ２０４の一部であるフォーカスレンズを移動させて焦点調節を行う。

メインミラー１０４は、メインミラー保持枠１０７に固着され、ヒンジ軸１０８によって回動可能に軸支されている。またサブミラー１０５は、サブミラー保持枠１０９に固着されている。このサブミラー保持枠１０９は図示しないヒンジ軸によってメインミラー保持枠１０７に対して回動可能に軸支されている。メインミラー１０４によってファインダへと導かれた光束は、ピント板１１０に被写体像を結像する。使用者はペンタプリズム１１１及び接眼レンズ１１２を介してこのピント板１１０上の被写体像を観察するように構成されている。

サブミラー１０５の後方にはシャッタ１１３が配置されており、そのシャッタ幕１１４は通常閉じた状態になっている。このシャッタ１１３の後方には、光学ローパスフィルタ１０が配置されている。この光学ローパスフィルタ１０の後方には、図示しないビスによって筐体に固定された撮像素子ホルダー１１５によって保持された撮像素子１１６と、撮像素子を保護するカバー部材１１７が配置されている。１１は光学ローパスフィルタ１０を保持すると共に、光学ローパスフィルタ１０と撮像素子１１６の間を密閉するためのゴム部材である。これにより、光学ローパスフィルタ１０の振動を阻害することなく、周囲へ伝達される振動を減衰させ、かつ撮像素子１１６へ異物が侵入することを防止している。そして撮影時には、この光学ローパスフィルタ１０を透過した光束が、撮像素子１１６へと入射するように構成されている。また、１１はゴム部材に限らず、スポンジやゲル部材、所定の厚みを有する両面テープなどでも良い。

２２は、光学フィルタ１０に付着した異物を除去するために、カメラ本体１０１をクリーニングモードに設定するための操作部である。

圧電素子１２の加振面は、光学ローパスフィルタ１０の構成面のうち、光軸１と平行な面である縁部に接着されており、一方圧電素子１２の加振面の対向面は、銅や鉄といった比較的比重の大きな材料で作られた光学ローパスフィルタホルダー１３に接着されている。また、光学ローパスフィルタ１０を保持するゴム部材１１は、図示しないビスによって撮像素子ホルダー１１５に固定された光学ローパスフィルタホルダー１３に接続され、異物除去部１４を構成している。具体的な構成については、更に図２を用いて以下に説明する。

図２（ａ）は異物除去部１４の斜視図、図２（ｂ）は異物除去部１４のうち光学ローパスフィルタ１０と圧電素子１２の関係を表した斜視図であり、前述の図１と共通する部分は同じ符号で示している。図２（ａ）において、ゴム部材１１は光学ローパスフィルタ１０の外周を保持し、前述のカバー部材１１７との間を密閉している。圧電素子１２は、後述する光学ローパスフィルタ加振制御回路２０によりリード線１２ａを介して周期電圧が印加され、これにより、圧電素子１２の加振面は光軸１の直交方向に振動する。また、前述のように圧電素子１２は、（ｂ）で示すとおり光学ローパスフィルタ１０の光軸１に平行な面である縁部１０ａに固着されているが、より詳細には、加振力が光学ローパスフィルタ１０の重心の直下に対して光軸１の方向において偏るように配置されている。すなわち、加振力のベクトルが、光学ローパスフィルタ１０の重心を通らないように配置されている。換言すると、光学ローパスフィルタ１０の光軸１方向の中心から光軸１の方向にずれた位置に、加振力が与えられるように圧電素子１２が配置されている。これにより、光学ローパスフィルタ１０は矢印のように光軸１と直交する軸２まわりに回転力を受ける。

図３は、本発明の実施の形態に係るデジタル一眼レフカメラの異物を除去するためのクリーニングモードに関する構成を説明するためのブロック図であり、前述の図面と共通する部分は同じ記号で示している。

カメラ本体のＣＰＵ２１は、操作部２２が使用者により操作されると、クリーニングモード開始の指令を受けて、カメラ本体１０１をクリーニングモードの状態に移行させる。なお、操作部２２は、クリーニングモードへの移行を指示するための操作部材で、例えば機械的なボタンやスイッチ等があっても良く、或いは後述の表示部２４に表示されたメニューからカーソルキーや指示ボタンなどを用いて設定するものであっても良い。

また、クリーニングモードは、使用者が操作部２２を用いて任意に設定した撮影回数や日付等によって自動的に開始するように設定しても良い。

電力供給回路２５は、クリーニングモードに必要な電力を、着脱可能な電源２６からカメラ本体１０１の各部へ必要に応じて供給を行う。また、これに並行して電源２６の電池残量を検出して、その結果をＣＰＵ２１へ送信する。

ＣＰＵ２１は、クリーニングモードの指令信号を受け取ると、光学ローパスフィルタ加振制御回路２０に駆動信号を送る。尚、ＣＰＵ２１は、制御処理時に必要な各種データを一時的に格納するためのＲＡＭ３０、実行される制御プログラムを記憶するためのＲＯＭ３１を有している。

表示回路２３は、ＣＰＵ２１を介して、操作部２２による操作結果や、電力供給回路２５からの電源供給状態等を受け取り、これらをカメラ本体に設けられた表示部２４に表示するよう制御している。表示部２４は、カメラ本体１０１の背面に取り付けられており、使用者は表示部２４での表示を直接観察できるようになっている。

光学ローパスフィルタ加振制御回路２０は、ＣＰＵ２１より駆動信号を受け取ると、圧電素子１２を駆動するための周期電圧を生成する。この周期電圧は、ＲＡＭ３０に格納された波形データから加振制御回路２０により増幅及びＤ／Ａ変換を介して圧電素子に供給される。この波形データは、正弦波や矩形波、台形波、ノコギリ波のいずれでもかまわない。この波形データのいずれかを用いた振動の様子については、図４を用いて詳述する。

図４は、厚方向である加振の進退方向に同じ向きに分極された圧電素子１２に前記周期電圧のいずれかが印加されることによって発生した振動の様子であり、（ａ）は正弦波振動、（ｂ）は台形波振動、（ｃ）はノコギリ波振動を示している。正弦波振動および台形波振動は光学ローパスフィルタ加振制御回路２０を容易に設計でき、ノコギリ波振動は後述するように異物を一方向に除去することが可能である。

図５は異物除去部１４およびカバー部材１１７の断面図であり、圧電素子１２に電圧が印加されて、光学ローパスフィルタ１０が光軸と直交方向に図４（ａ）のように正弦波振動が発生した場合の、光学ローパスフィルタ１０の表面に付着した異物１５の挙動を時間を追って（ａ）から（ｃ）まで示す図である。図５（ａ）は、電圧印加がない場合で、光学ローパスフィルタ１０が振動する前に異物１５が付着した状態である。（ｂ）は、圧電素子１２に正電圧が印加されて伸びた状態であり、鎖線は（ａ）の光学ローパスフィルタ１０の位置を示している。（ｂ）では、光学ローパスフィルタ１０は光軸の直交方向に加速度が発生する。

また、圧電素子１２と光学ローパスフィルタ１０の光軸方向の中心軸は一致しないように配置されていることから、圧電素子１２の加振力によって、光学ローパスフィルタ１０は光軸と直交する軸周りに回転力を受ける。そして、保持しているゴム部材１１が撓み、光学ローパスフィルタ１０には光軸方向にも成分を有する振動が発生し、異物１５は矢印のように光軸の直交方向と光軸方向の合成した方向に力が加えられる。

光学ローパスフィルタ１０の加速度から受けた異物１５の慣性力が、異物１５の付着力に静摩擦係数を乗じた力に勝ると異物１５は移動する。このとき、異物１５と光学ローパスフィルタ１０の接触面積や距離が小さくなるため、異物１５の付着力を主に構成するファンデルワールス力や液架橋力、静電気力などが弱まり、異物１５の付着力は移動前に比べて大きく減少する。そして、（ｃ）のように光学ローパスフィルタ１０が（ａ）の状態に戻るとき、異物１５に対して、光学ローパスフィルタ１０上を移動している異物１５の付着力よりも強い光軸方向への力を与えると、異物１５は光学ローパスフィルタ１５から離れて重力方向へと落下する。

また、図４（ｂ）のように台形波振動が発生した場合、異物は図５と同様に離れるが、加速度は正弦波振動より大きいため、正弦波と同じ周波数のときは小さい振幅で異物を除去することが可能である。

図６は、異物除去部１４およびカバー部材１１７の断面図であり、圧電素子１２に電圧が印加されて、光学ローパスフィルタ１０が光軸と直交方向に図４（ｃ）のようにノコギリ波振動が発生した場合の光学ローパスフィルタ１０の表面に付着した異物１５の挙動を時間を追って（ａ）から（ｄ）まで示す図である。図６（ａ）は、電圧印加がない場合で、光学ローパスフィルタ１０が振動する前に異物が付着した状態である。（ｂ）は圧電素子１２が伸びた状態である。圧電素子１２と光学ローパスフィルタ１０の光軸方向の中心軸は一致しないように配置されていることから、光学ローパスフィルタ１０は光軸と直交する軸周りに回転力を受ける。そして、保持しているゴム部材１１が撓み、光学ローパスフィルタ１０は光軸方向にも振動が発生し、異物１５は矢印のように光軸の直交方向と光軸方向の合成した方向に力が加えられる。（ｃ）は圧電素子１２が（ｂ）から縮もうとしている状態で、光学ローパスフィルタ１０は（ａ）から（ｂ）までの加速度より大きい加速度が発生している。このとき、異物１５の慣性力が異物１５の付着力に静摩擦係数を乗じた力に勝ると、異物１５は（ｂ）で受けた慣性力の方向に移動し、前述したように異物１５の付着力は大きく減少する。また、異物１５は矢印のように光軸方向にも力が加えられ、その力が光学ローパスフィルタ１０上を移動している異物１５の付着力を超えたとき、光学ローパスフィルタ１０から離れ、重力方向へと落下する。この様に、光学ローパスフィルタ１０にノコギリ波振動を発生することで、異物を一方向に除去することが可能である。

図７は、異物除去部１４およびカバー部材１１７の断面図であり、圧電素子１２に電圧が印加されて、光学ローパスフィルタ１０に振動を与え、そのときの振動数と光学ローパスフィルタ１０の固有振動数とが一致したときの異物１５の挙動を時間を追って（ａ）から（ｃ）まで示す図である。図７（ａ）は、電圧印加がない場合で、光学ローパスフィルタ１０が振動する前に異物１５が付着した状態である。（ｂ）では、圧電素子１２に正電圧が印加されて光学ローパスフィルタ１０は振動を始める。このとき、光学ローパスフィルタ１０はある固有モードの振動が発生して光軸方向にも大きな振動を起こす。そして、（ｃ）のように異物１５の光学ローパスフィルタ１０から受けた慣性力が異物１５の付着力に静摩擦係数を乗じた力に勝ると異物は移動し、前述したように異物１５の付着力は大きく減少する。また、光学ローパスフィルタの固有モードの振動により、異物１５は矢印のように光軸方向にも大きな力が加えられ、その力が光学ローパスフィルタ１０上を移動している異物１５の付着力を超えたとき、光学ローパスフィルタ１０から離れ、重力方向へと落下する。

このように、光学ローパスフィルタ１０に固有モードの振動を与えることで、光軸方向への大きな振幅を得ることができ、より小さいエネルギーで異物を除去することが可能である。

さらに、圧電素子１２の共振周波数は、式（１）より求めることが出来る。

この式（１）において、ｍは光学ローパスフィルタ１０の質量（ｋｇ）、ｋは圧電素子１２のバネ定数（Ｎ／ｍ）である。例えば、光学ローパスフィルタ１０の質量ｍが３×１０^−３ｋｇ、圧電素子１２のバネ定数ｋが１００×１０^６Ｎ／ｍのとき、共振周波数ｆは２９ｋＨｚとなる。式（１）からも分かるように、光学ローパスフィルタ１０の質量が小さい、またはバネ定数ｋが大きいことにより共振周波数は大きくなり、超音波領域での振動となる。本実施例では、圧電素子１２の共振周波数の電圧を印加することで、最も低エネルギーで大きな振幅を発生することが出来、異物を容易に除去することが可能である。

［実施の形態２］
次に図８は、光学ローパスフィルタ１０を保持する保持部材１６で構成した、本発明の実施の形態２に係る異物除去部１４であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はカバー部材１１７も含めた断面図である。尚、この異物除去部１４の他の構成は、前述の実施の形態１と同じであるため同じ符号を付し、その説明を省略する。保持部材１６は、光学ローパスフィルタ１０の光軸方向の端面に固着されている。また、保持部材１６の光学ローパスフィルタ１０の反対の端面に圧電素子１２が固着され、圧電素子１２の加振力が光学ローパスフィルタ１０の重心の直下に対して光軸１の方向において偏るように配置されている。圧電素子１２の加振面の進退方向は、光軸１の直交方向である。これにより、光学ローパスフィルタ１０は矢印のように光軸１と直交する軸周りに回転力を受ける。保持部材１６は、圧電素子１２の振動を光学ローパスフィルタ１０へ伝達するために、少なくとも圧電素子１２のヤング率（例えば、５×１０^１０Ｎ／ｍ^２）よりも大きいことが好ましい。

本発明の実施の形態２では、光学ローパスフィルタ１０の光軸方向の厚みが圧電素子１２の加振面の長さよりも小さいとき、保持部材１６を介すことで圧電素子１２の振動を十分に伝達することが可能である。また、保持部材１６を介すことで圧電素子１２の加振力を光学ローパスフィルタ１０の重心から光軸方向において離すことができ、光学ローパスフィルタ１０の光軸１と直交する軸周りに大きな回転力を与えることが可能である。

また、本実施例では、加振手段として圧電素子を使用したが、これに限られるものではなく、超磁歪素子等の異物を除去可能な振動を与えることが出来る装置であれば良い。さらに、本実施例では、異物が付着する光学素子として光学ローパスフィルタを使用したが、これに限られるものではなく、赤外カットフィルタや撮像素子のカバーガラス、独立に設けたガラス板等を使用しても良い。

本実施の形態１に係るデジタル一眼レフカメラの中央断面図である。 本実施の形態１に係る異物除去部の斜視図である。 本発明の実施１の形態に係るデジタル一眼レフカメラをクリーニングモードに設定した状態での機能構成を説明するブロック図である。 図３に示した異物除去部の圧電素子に印加される電圧を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る異物除去部の光学ローパスフィルタが正弦波振動をし、表面に付着した異物の挙動を時間を追って示した図である。 本発明の実施の形態１に係る異物除去部の光学ローパスフィルタがノコギリ波振動をし、表面に付着した異物の挙動を時間を追って示した図である。 本発明の実施形態１に係る異物除去部の光学ローパスフィルタが光軸方向に共振振動をし、表面に付着した異物の挙動を時間を追って示した図である。 本実施の形態２に係る異物除去部の斜視図および断面図である。 異物除去部の一例の構成概念図である。

符号の説明

１０ 光学ローパスフィルタ
１１ ゴム部材
１２ 圧電素子
１３ 光学ローパスフィルタホルダー
１４ 異物除去部
２０ 光学ローパスフィルタ制御回路
１０１ カメラ本体
１１３ シャッタ
１１４ シャッタ幕
１１５ 撮像素子ホルダー
１１６ 撮像素子
１１７ カバー部材

Claims (4)

1. 被写体の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
   前記撮像素子の前面であって撮影光軸上に配設された光学部材と、
   前記光学部材の光束入射面と直交する面に振動を加える加振手段と、
   前記加振手段の振動を制御する制御手段と、
   前記光学部材の少なくとも前記加振手段によって振動が加えられる面と対向する面を保持する弾性部材とを有し、
   前記加振手段が前記光学部材の光軸方向の重心位置から外れた位置に、前記光学部材の光束入射面と直交する方向に進退する振動を加えることによって、前記光学部材に前記撮影光軸と直交する軸周りの回転力を与えることを特徴とする撮像装置。
2. 被写体の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
   前記撮像素子の前面であって撮影光路上に配設された光学部材と、
   前記光学部材の光束入射面と直交する面に振動を加える加振手段と、
   前記加振手段の振動を制御する制御手段と、
   前記光学部材の少なくとも前記加振手段によって振動が加えられる面と対向する面を保持する弾性部材と、
   前記光学部材と前記加振手段との間に配置され、前記加振手段より剛性の高い保持部材を有し、
   前記加振手段が前記光学部材の光軸方向の重心位置から外れた位置に、前記保持部材を介して、前記光学部材の光束入射面と直交する方向に進退する振動を加えることによって、前記光学部材に前記撮影光軸と直交する軸周りの回転力を与えることを特徴とする撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記加振手段が少なくとも正弦波振動、台形波振動もしくはノコギリ波振動を発生するように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記弾性部材は、前記撮像素子と前記光学部材とを密閉して構成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の撮像装置。

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