JP4804194B2

JP4804194B2 - レンズ装置及び撮像装置

Info

Publication number: JP4804194B2
Application number: JP2006094122A
Authority: JP
Inventors: 塗師　　隆治
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: US7499227B2; JP2007271702A; EP1843185B1; US20080137215A1; US7362512B2; US20070229979A1; EP1843185A2; EP1843185A3

Description

本発明は、光路中に分岐光学系を有し、この分岐光学系による分岐光束を用いてオートフォーカス制御を行うレンズ装置に関するものである。

スチルカメラやビデオカメラ等の撮影装置におけるオートフォーカス技術は、従来から種々提案されている。例えば特許文献１には、特に光路中に分岐光学系を設け、分岐光路中に位相差による合焦状態検出手段を設けたレンズ・撮像装置が開示されている。

特開平９−２７４１３０号公報

スチルカメラでは、絞りを開放した状態でオートフォーカス制御を実施した後に、絞りを絞り込むことにより光量を調節し撮影することが可能である。しかし、放送用・ビデオ用・シネ用等の動画撮影は常に撮影状態にあるため、任意の絞り状態でオートフォーカス制御をする必要がある。

動画撮影で絞りの像側に分岐光学系を配置し、分岐後の光束を用いて位相差検出を行う場合に、被写体が明るい等により絞りが閾値よりも絞られると、二次結像レンズの瞳がけられてしまうことになる。その結果、位相差が正確に検出できず、オートフォーカス精度が低下し誤動作する問題がある。

また、更に絞りが大きく絞られると、二次結像レンズの瞳が完全にけられてしまい、位相差が検出できず、オートフォーカス制御ができない場合もある。

特許文献１の第１実施形態のように、絞りの物体側に分岐光学系を設けると、上述の問題は発生しないが、光学系全体が大型化する問題点がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、絞り込み撮影時のオートフォーカス制御を切換え可能とし、撮影者の意図に応じた撮影が可能な小型軽量なレンズ装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るレンズ装置の技術的特徴は、物体側から順に、フォーカシング時に移動するフォーカスレンズ群、第１の光量調節手段としての可動絞り、分岐光学系を備えた結像光学系を有し、前記分岐光学系による分岐光束を用いて合焦検出手段による位相差検出によって合焦検出を行うオートフォーカス制御と、マニュアルフォーカス制御とを備えたレンズ装置において、第１の光量調節モード又は第２の光量調節モードで動作可能であり、前記第１の光量調節モードにおいては、前記オートフォーカス制御において、前記フォーカスレンズ群から撮像手段に至る結像光学系のＦナンバが閾値よりも大きくなった場合には、前記オートフォーカス制御を停止して前記マニュアルフォーカス制御に切換え、前記第２の光量調節モードにおいては、前記オートフォーカス制御において、前記Ｆナンバの閾値よりも更に光量の抑制が必要な場合には、前記Ｆナンバが前記閾値よりも大きくならないようにすると共に、第２の光量調節手段により光量の抑制を行うことにある。

本発明に係るレンズ装置によれば、撮影者の意図に応じた絞り込み撮影時のオートフォーカス制御が可能となると共に、小型軽量化が達成できる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
本発明での位相差検出方式とは、分岐光束を結像させるための一次結像レンズと、一次結像レンズの予定結像面近傍に配置されるフィールドレンズと、このフィールドレンズの後方に配置される２次結像光学系とを有する。これにより、結像光学系の瞳の異なった部分を通過する光束に基づいた対の物体像に形成すると共に、物体像のそれぞれを上記２次結像光学系の後方に配置された光電変換素子列で検出する。そして、物体像の相対的なずれ量から結像光学系の焦点状態を判別するようにした焦点検出装置により位相差を検出する方式である。

（参考例）
図１はレンズ装置である参考例のオートフォーカスズームレンズの構成図を示している。光軸に沿って、フォーカス移動レンズ群１、変倍移動レンズ群２、可動絞り（第１の光量調節手段）３、分岐光学系４、リレーレンズ群５、撮像手段６が配列されている。変倍移動レンズ群２は変倍用のバリエータ２ａと変倍に伴う像面変動を補正用のコンペンセータ２ｂにより構成されている。分岐光学系４の分岐方向には合焦検出手段７が配置され、合焦検出手段７の出力は演算手段８に接続され、演算手段８には更に変倍移動レンズ群２のズーム検出手段９の出力が接続されている。また、演算手段８からフォーカス駆動手段１１、絞り制御手段１２にそれぞれ出力が接続され、フォーカス移動レンズ群１、可動絞り３を駆動するようになっている。

そして、分岐光学系４により分岐された光束により、合焦検出手段７は合焦検出値を求め、演算手段８により演算を行い、フォーカス駆動手段１１を介してフォーカス移動レンズ群１を駆動制御してオートフォーカス制御を行っている。

また、光量調節は撮像手段６の輝度信号を基に、演算手段８により絞り制動手段１２を介して可動絞り３を駆動することにより行われる。

図２は合焦検出手段７の光学的構成図を示し、可動絞り３を介した分岐光学系４の分岐方向の光軸上には、一次結像レンズ７ａ、視野絞り７ｂ、フィールドレンズ７ｃ、２つの開口部を有する絞り７ｄが配列されている。絞り７ｄの２つの開口部のそれぞれの出射方向に、一対の二次結像レンズ７ｅ、７ｅ’を介して、一対の受光素子列７ｆ、７ｆ’が配置されている。視野絞り７ｂ、フィールドレンズ７ｃは、一次結合レンズ７ａの予定結像面の近傍に配置されている。

なお、フィールドレンズ７ｃは絞り７ｄ、２次結像レンズ７ｅ、７ｅ’を介した一次結像レンズ７ａの光軸を中心とし対称に配置された２つの領域に結像する作用を有している。そして、各領域を透過した光束が受光素子列７ｆ、７ｆ’上にそれぞれ光量分布を形成し、受光素子列７ｆ、７ｆ’の出力は演算手段８に送られる。

図２に示す合焦検出手段７では、一次結像レンズ７ａによる結像点が予定結像面の前側にある場合は、２つの受光素子列７ｆ、７ｆ’上にそれぞれ形成される物体像に関する光量分布が互いに近付いた状態となる。また、一次結像レンズ７ａの結像点が予定結像面の後側にある場合は、２つの受光素子列７ｆ、７ｆ’上にそれぞれ形成される光量分布が互いに離れた状態となる。

２つの受光素子列７ｆ、７ｆ’上にそれぞれ形成された光量分布のずれ量は、一次結像レンズ７ａの焦点外れ量と或る関数関係にある。このずれ量を演算手段８により算出すると、一次結像レンズ７ａの焦点外れ、即ち結像光学系の焦点外れの方向と量とを検出することができる。

なお、可動絞り３上の２つの領域を包含する最小の絞り径に対応するフォーカス移動レンズ群１から撮像手段６に至る光学系のＦナンバを閾値Ｆ１とする。なお、Ｆナンバはこの光学系の焦点距離をｆ、入射瞳直径をＤとしたとき、ｆ／Ｄで表される。また、２対以上の二次結像レンズを有する合焦検出手段７の場合に、閾値Ｆ１は最も基線長の短い二次結像レンズ７ｅ、７ｅ’に対応する可動絞り３上の２つの領域に基づいて算出される。

図３に示すように、可動絞り３がＦナンバの閾値Ｆ１を越えて絞られると、絞り７ｄを通る光束にけられが生ずる。そのため、２つの受光素子列７ｆ、７ｆ’上にそれぞれ形成される光量分布の重心がずれてしまい、光量分布のずれ量が正確に測定できない。また、光量が低下して蓄積時間が増大したり、Ｓ／Ｎが低下することにより、正確な合焦状態の検出ができなくなる。

更に、可動絞り３が図４に示すように絞られると、２つの受光素子列７ｆ、７ｆ’上に光束が到達しなくなり、合焦検出が不可能となる。

そこで本参考例では、図５に示すフローチャート図に基づいて、可動絞り３の調整及びオートフォーカス制御を行う。可動絞り３によるＦナンバが閾値であるＦ１＝（Ｆ／８）を越えて絞られ、Ｆナンバの数値が大きくなった場合はオートフォーカス制御を停止し、マニュアルフォーカスに切換えて、マニュアルフォーカスに移行した警告を表示する。また、Ｆナンバが閾値Ｆ１よりも小さければ、オートフォーカス制御を継続又はオートフォーカス制御に復帰する。

映像の解像力を低下させないためには、エアリーディスク径が撮像手段６の画素ピッチを越えない範囲で、Ｆナンバの閾値Ｆ１を制御することが好ましく、その範囲でのオートフォーカス制御を保証することが望ましい。従って、閾値Ｆ１は撮像手段６が感度を有する波長域の中心波長をλ、撮像手段６の画素ピッチをＰとしたとき、次式を満たすことが望ましい。
１．２２・λ・Ｆ１／Ｐ＞１ …（１）

本参考例では、撮像手段６として例えば２／３型ＣＣＤを使用しており、画面寸法は水平９．６ｍｍ、垂直５．４ｍｍ、画素数は水平１９２０、垂直１０８０、画素ピッチＰは０．００５ｍｍである。また、使用波長域は４００〜７００ｎｍで、中心波長λは５５０ｎｍ（＝５．５・１０^−４ｍｍ）である。従って、（１）式の左辺は次式の数値となり、（１）式の条件を満たしていることが分かる。
１．２２・５．５・１０^−４・８／０．００５＝１．０７３６ …（２）

（実施例１）
図６は実施例１のオートフォーカスズームレンズの構成図である。図１に示す参考例に対して、ＮＤフィルタを内蔵した第２の光量調節手段２１が分岐光学系４とリレーレンズ群５との間の光軸上に挿入され、演算手段８の指令によりＮＤフィルタが駆動手段２２を介して挿脱自在とされている。第２の光量調節手段２１中のＮＤフィルタは撮像手段６に対する光量を１／４に減少させる効果を有し、絞り２段分に相当し、ＮＤフィルタを挿入した状態のＦナンバＦ２は、次式に設定されている。
Ｆ２＝Ｆ１／２ …（３）

本実施例１では、２つの光量調節モードを有している。第１の光量調節モードにおいては参考例と同様に、図５に示す動作フローチャート図に基づいて、Ｆナンバに応じてオートフォーカスとマニュアルフォーカスを切換える。

また、第２の光量調節モードでは、図７に示すフローチャート図に基づいて可動絞り（第１の光量調節手段）３の制御を行い、Ｆナンバが閾値Ｆ１を越えないようにすると共に、第２の光量調節手段２１を光路中に挿入し、オートフォーカス制御を継続する。また、ＦナンバがＦ２以下となった場合には、自動的に第２の光量調節手段２１を光路から外すようにしている。

（実施例２）
図８は実施例２のオートフォーカスズームレンズの構成図を示している。本実施例２では、図６の実施例１に対し、第２の光量調節手段２３は駆動手段２４により光量調節を無段階に可変可能としている。

本実施例２においても、２つの光量調節モードを有しており、第１の光量調節モードでは参考例と同様に、図５に示す動作フローチャート図に従って、Ｆナンバに応じてオートフォーカスとマニュアルフォーカスを切換える。

第２の光量調節モードでは、図９に示すフローチャート図に基づいて可動絞り（第１の光量調節手段）３の制御を行う。即ち、被写体の光量が増大してＦナンバが閾値Ｆ１に達すると、可動絞り３を閾値Ｆ１に保持したまま、光量調節を第２の光量調節手段２３により行うように切換えて、オートフォーカス制御を継続する。また、第２の光量調節手段２３による光量調節量がゼロとなった場合に、可動絞り３による光量調節に復帰する。

（実施例３）
図１０は実施例３のオートフォーカスズームレンズを有する撮像装置の構成図を示し、図１の参考例のオートフォーカスズームレンズ３０に対し、カメラ装置である撮像部４０が接続されている。

なお、撮像手段６は撮像部４０内に配置され、撮像手段６の前にＮＤフィルタを内蔵した第２の光量調節手段２５が配置され、この第２の光量調節手段２５は、駆動手段２６により挿脱の制御を行うようにされている。また、撮像手段６の輝度信号は光量調整を行う第２の演算手段２７を介して、演算手段８に接続されている。第２の光量調節手段２５は光量を１／４に減少させる効果を有し、絞り２段分に相当し、ＦナンバはＦ２＝Ｆ１／２に設定されている。

本実施例３では２つの光量調節モードを有しており、第１の光量調節モードでは参考例と同様に、図５に示す動作フローチャート図により、可動絞り（第１の光量調節手段）３のＦナンバに応じてオートフォーカスとマニュアルフォーカスを切換える。第２の光量調節モードでは、図７に示すフローチャート図により可動絞り３の制御を行い、Ｆナンバが閾値Ｆ１を越えないようにすると共に、光路に第２の光量調節手段２５を挿入し、撮像手段６の出力を基に第２の演算手段２７により光量調節を行う。また、ＦナンバがＦ２よりも小さくなると、自動的に第２の光量調節手段２５を光路から外す。

（実施例４）
図１１は実施例４のオートフォーカスズームレンズを有する撮像装置の構成図である。本実施例４では、第２の光量調節手段２８はシャッタ調整絞りを内蔵しており、駆動手段２９により無段階に光量調節が可能とされている。

本実施例４では、２つの光量調節モードを有しており、第１の光量調節モードでは参考例と同様に、図５に示すフローチャート図に従って、可動絞り（第１の光量調節手段）３のＦナンバに応じてオートフォーカスとマニュアルフォーカスを切換える。

第２の光量調節モードでは、図９に示すフローチャート図により可動絞り３の制御を行い被写体の光量が増大してＦナンバが閾値Ｆ１に達すると、可動絞り３によるＦナンバを閾値Ｆ１に保持する。光量調節はシャッタ速度を調節することにより、光量を制御する第２の光量調節手段２８のシャッタ速度を駆動手段２９により制御することにより、第２の演算手段２７を用いて光量調整を行う。また、第２の光量調節手段２８による光量調節量がゼロとなると、可動絞り３による光量調節に復帰する。

なお本実施例４では、第２の光量調節手段２３にシャッタ調整絞りを用いているが、可変ＮＤフィルタやカメラゲイン等を用いても同様の効果が得られる。

以上の説明では、本発明の好ましい実施例について述べたが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは云うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

参考例の構成図である。合焦検出手段の光学的構成図である。絞りがフォーカス移動レンズ群のＦナンバの閾値を越えて絞られた状態の光路図である。絞りがフォーカス移動レンズ群のＦナンバの閾値を越えて更に絞られた状態の光路図である。動作フローチャート図である。実施例１の構成図である。動作フローチャート図である。実施例２の構成図である。動作フローチャート図である。実施例３の構成図である。実施例４の構成図である。

１フォーカス移動レンズ群
２変倍移動レンズ群
３可動絞り（第１の光量調節手段）
４分岐光学系
５リレーレンズ群
６撮像手段
７合焦検出手段
７ａ一次結像レンズ
７ｂ視野絞り
７ｃフィールドレンズ
７ｄ絞り
７ｅ、７ｅ’ 二次結像レンズ
７ｆ、７ｆ’ 受光素子列
８演算手段
９ズーム検出手段
１１フォーカス駆動手段
１２絞り制御手段
２１、２３、２５、２８第２の光量調節手段
２７第２の演算手段
３０オートフォーカスズームレンズ
４０撮像部

Claims

物体側から順に、フォーカシング時に移動するフォーカスレンズ群、第１の光量調節手段としての可動絞り、分岐光学系を備えた結像光学系を有し、前記分岐光学系による分岐光束を用いて合焦検出手段による位相差検出によって合焦検出を行うオートフォーカス制御と、マニュアルフォーカス制御とを備えたレンズ装置において、
第１の光量調節モード又は第２の光量調節モードで動作可能であり、
前記第１の光量調節モードにおいては、前記オートフォーカス制御において、前記フォーカスレンズ群から撮像手段に至る結像光学系のＦナンバが閾値よりも大きくなった場合には、前記オートフォーカス制御を停止して前記マニュアルフォーカス制御に切換え、
前記第２の光量調節モードにおいては、前記オートフォーカス制御において、前記Ｆナンバの閾値よりも更に光量の抑制が必要な場合には、前記Ｆナンバが前記閾値よりも大きくならないようにすると共に、第２の光量調節手段により光量の抑制を行うことを特徴とするレンズ装置。
前記可動絞りの物体側に、変倍時に移動する変倍レンズ群を備えた変倍光学系を有することを特徴とする請求項１に記載のレンズ装置。
前記変倍光学系は、物体側から順に変倍用のレンズ群と、変倍に伴う像点補正用のレンズ群とにより構成することを特徴とする請求項２に記載のレンズ装置。
前記オートフォーカス制御を停止する場合には警告表示を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載のレンズ装置。
前記第２の光量調節手段は光量調節量を連続的に可変とし、前記第２の光量調節手段による光量調節中は前記Ｆナンバを前記閾値に保持することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載のレンズ装置。
前記第２の光量調節手段は光量調節量を段階的に可変とした請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載のレンズ装置。
前記第２の光量調節手段は前記結像光学系に内蔵したことを特徴とする請求項１〜６の何れか１つの請求項に記載のレンズ装置。
請求項１〜７に記載のレンズ装置と、該レンズ装置に装着され、前記撮像手段を有するカメラ装置とを備えたことを特徴とする撮像装置。