WO2010131436A1 - 測距装置および撮像装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a distance measuring device and an imaging device.
  • Patent Document 1 an optical apparatus that performs focus detection of an imaging optical system by a pupil division method is known (see, for example, Patent Document 1).
  • an electro-optic element combining a diffraction grating and a liquid crystal is inserted into the pupil plane of the imaging optical system, and the light passing through different areas in the exit pupil is deflected in different directions. Then, the respective light fluxes are formed on different regions of the image pickup device for picking up an image of the image forming optical system, and phase difference AF is performed based on the image pickup data.
  • the present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a distance measuring device and an imaging device capable of increasing the degree of freedom in setting the pupil division area.
  • the distance measuring device of the present invention includes a polarizing element disposed on a plane conjugate with the pupil of the objective lens, an optical rotator that rotates a polarization axis of light that has passed through the polarizing element, and light that has passed through the optical rotator.
  • a polarization separation element that separates the first luminous flux and the second luminous flux; a first imaging element that captures a first image by the first luminous flux; and a second image by the second luminous flux.
  • a second image sensor; and a focus detection unit that detects a focus state based on a relative shift between the first image and the second image corresponding to the same region of the subject. It is characterized by that.
  • the optical rotator is radially divided into at least four regions around the optical axis, and each region can be driven independently.
  • the optical rotator is divided into four crosses around the optical axis.
  • the distance measuring device of the present invention includes a first polarizing element and a second polarizing element which are arranged on a plane conjugate with the pupil of the objective lens and whose polarization axes are orthogonal to each other, the first polarizing element and the second polarizing element. And a second optical rotator that rotates a polarization axis of light that has passed through the first polarizing element and a polarization axis of light that has passed through the second polarizing element.
  • a polarization separation element that separates the light that has passed through the second optical rotator into a first light flux and a second light flux; and a first imaging element that captures a first image by the first light flux; Focusing on the basis of a relative deviation between the first image and the second image corresponding to the same area of the subject and the second image sensor that captures the second image by the second light flux And a focus detection means for detecting the state.
  • the second optical rotator adjusts the optical rotation state so that lights from two transmission regions of the first optical rotator have polarization axes orthogonal to each other.
  • the first optical rotator does not perform optical rotation and has a mode in which the entire surface is shielded.
  • the first optical rotator has a mode in which the first optical rotator is rotated by an arbitrary angle over the entire surface of the transmission region.
  • the first optical rotator has a dot matrix-shaped transmission region.
  • the imaging apparatus of the present invention is characterized by having any of the distance measuring apparatuses configured as described above.
  • the degree of freedom in setting the pupil division area can be increased.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a state in which a liquid crystal shutter and a pupil-division liquid crystal rotator are integrally formed in the imaging device of FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the distance measuring apparatus of the present invention.
  • the present invention is applied to an imaging device including a camera.
  • the imaging apparatus includes an objective lens 11, a polarizing element 13, a liquid crystal rotator 15, a polarization separating element 17, a first imaging element 19, a second imaging element 21, an image processing unit 23, a camera control unit 25, and an AF drive mechanism 27.
  • a polarizing element 13 is provided at the pupil position of the objective lens 11.
  • the polarizing element 13 includes a polarizing filter and aligns the polarization axis of the light from the objective lens 11 with, for example, P-polarized light.
  • the liquid crystal optical rotator 15 electrically changes the polarization axis of light.
  • the light transmission surface of the liquid crystal optical rotator 15 is divided into regions R1, R2, R3, and R4 divided into four orthogonally about the optical axis.
  • Each region R 1, R 2, R 3, R 4 can be driven independently by driving the liquid crystal driving unit 29.
  • P-polarized light is incident from the polarizing element 13, as shown in FIG. 2B
  • the P-polarized light incident on the left region R1, R3 from the optical axis becomes S-polarized light
  • the right region R2, R2 Driving is performed so that the P-polarized light incident on R4 is transmitted as it is.
  • FIG. 2C the P-polarized light incident on the upper regions R1 and R2 from the optical axis becomes S-polarized light, and the P-polarized light incident on the lower regions R3 and R4 is transmitted as it is.
  • the polarization separation element 17 transmits, for example, P-polarized light from the liquid crystal optical rotator 15 through the polarization separation surface 17 a and forms an image on the first image sensor 19.
  • FIG. 2D shows an image of the first image sensor 19 when the liquid crystal rotator 15 is controlled as shown in FIG. Only the right-side image that is P-polarized light is captured.
  • FIG. 2E shows an image of the first image sensor 19 when the liquid crystal rotator 15 is controlled as shown in FIG. Only the lower image, which is P-polarized, is captured.
  • the polarization separation element 17 reflects the S-polarized light on the polarization separation surface 17 a and forms an image on the second imaging element 21. Therefore, the image of the second image sensor 21 is an image that is opposite to the image of FIG. Also, the image in FIG. 2E is upside down.
  • the first image sensor 19 and the second image sensor 21 are disposed at optically equivalent positions, and when a focused image is formed on the first image sensor 19, the second image sensor 19 and the second image sensor 21 are A focused image is also formed on the image sensor 21.
  • a CCD in which light receiving elements are arranged two-dimensionally is used for the first image sensor 19 and the second image sensor 21.
  • the outputs of the first imaging element 19 and the second imaging element 21 are sent to the image processing unit 23, and image processing such as A / D conversion and color processing is performed. Further, the image processing unit 23 performs a calculation related to focus detection based on the image data obtained from the outputs of the first image sensor 19 and the second image sensor 21.
  • the camera control unit 25 controls the AF drive mechanism 27 based on the focus detection calculation value calculated by the image processing unit 23 to adjust the focus of the objective lens 11.
  • the camera control unit 25 controls the entire camera. Image data obtained by the image processing unit 23 is recorded in the image memory 31.
  • FIG. 3 shows the principle of the focus detection method in the imaging apparatus described above.
  • the light beam emitted from the object plane M1 is imaged by the objective lens 11.
  • the polarizing element 13 aligns the light with, for example, P-polarized light.
  • the light beam that has passed through the polarizing element 13 is converted into a polarization state, for example, as shown in FIG.
  • the P-polarized light in FIG. 2B passes through the polarization separation surface 17 a of the polarization separation element 17 and forms an image in the vicinity of the image plane M 2 of the first imaging element 19.
  • the S-polarized light is reflected by the polarization separation surface 17a and imaged in the vicinity of the image plane M2 of the second image sensor 21.
  • FIG. 3A shows an in-focus state, and an image by P-polarized light and an image by S-polarized light are formed on the image plane M2 at the same position. That is, when the captured image of the first image sensor 19 and the captured image of the second image sensor 21 are overlapped, the imaging positions coincide.
  • FIG. 3B shows a state defocused to the front side. Since the image formation position is behind the image plane M2, the image on the image plane M2 is blurred, and the position of the image due to P-polarized light and S-polarized light is displaced. An image due to P-polarized light is shifted upward with respect to the optical axis, and an image due to S-polarized light is shifted downward with respect to the optical axis.
  • FIG. 3C shows a state of defocusing to the rear side. An image due to P-polarized light is shifted downward with respect to the optical axis, and an image due to S-polarized light is shifted upward relative to the optical axis.
  • the polarization component from the liquid crystal rotator 15 is separated by the polarization separation element 17, and images are formed on the first imaging element 19 and the second imaging element 21, thereby obtaining an image of each polarization component,
  • the defocus amount can be calculated in the same manner as the normal phase difference AF.
  • a photographic image of the subject can be acquired.
  • the liquid crystal rotator 15 is divided into a plurality of regions R1, R2, R3, and R4, and the polarization axis of polarized light that passes through each region R1, R2, R3, and R4 can be freely set. Therefore, it is possible to increase the degree of freedom in setting the pupil division area.
  • the polarization state of the liquid crystal optical rotator 15, that is, the shielding state can be electrically switched, the direction of the baseline length of the phase difference AF can be instantaneously switched.
  • the polarization state of the liquid crystal optical rotator 15 that is, the shielding state
  • the direction of the baseline length of the phase difference AF can be instantaneously switched.
  • a subject having only vertical and horizontal patterns can be measured with a base line length in two orthogonal directions, so that subjects with various patterns can be accurately measured.
  • the left and right division pattern shown in FIG. 2D is selected.
  • the vertically divided pattern shown in FIG. 2E is selected.
  • the liquid crystal optical rotator 15 is divided into four in a cross shape with the optical axis as the center. However, each of the four divided areas is divided into two with the optical axis as the center, so that the whole And each region can be driven independently by driving the liquid crystal driving unit 29. With this eight-divided configuration, the liquid crystal optical rotator 15 can be formed into an obliquely divided pattern. For example, it is possible to accurately measure an object with an oblique stripe pattern.
  • the liquid crystal optical rotator 15 may be divided by a number other than four or eight.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the distance measuring apparatus of the present invention.
  • the present invention is applied to an imaging device including a camera.
  • the same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the imaging device includes an objective lens 11, a liquid crystal shutter 33, a pupil division liquid crystal rotator 35, a polarization separation element 17, a first imaging element 19, a second imaging element 21, an image processing unit 23, a camera control unit 25, and AF driving.
  • a mechanism 27, a liquid crystal drive unit 29, and an image memory 31 are provided.
  • a liquid crystal shutter 33 is provided at the pupil position of the objective lens 11.
  • the liquid crystal shutter 33 includes a first polarizing element 37, a pupil mask liquid crystal rotator 39, and a second polarizing element 41.
  • the first polarizing element 37 aligns the polarization axis of the light from the objective lens 11 with, for example, P-polarized light.
  • the pupil mask liquid crystal rotator 39 electrically changes the polarization axis of the light.
  • the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 is divided into regions according to the distance from the optical axis in each of four orthogonal directions centered on the optical axis. More specifically, central regions C1, C2, C3, and C4 having a shape obtained by dividing a circle into four are formed in the central portion. Four outer regions T1, T2, T3, and T4 are formed on the outer peripheral portion at an angle of 90. Each region C1, C2, C3, C4, T1, T2, T3, and T4 can be driven independently by driving the liquid crystal driving unit 29.
  • the second polarizing element 41 aligns the polarization axis of the light from the pupil mask liquid crystal rotator 39 with, for example, S-polarized light.
  • the pupil division liquid crystal rotator 35 is divided into four regions G1, G2, G3, and G4 in a shape corresponding to the region division direction of the pupil mask liquid crystal rotator 39. More specifically, one of the central regions C1, C2, C3, and C4 of the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 and one of the outer regions T1, T2, T3, and T4 are present in each region G1, G2, G3, and G4. As shown in FIG.
  • the light that has passed through the liquid crystal shutter 33 divided into pupil mask shapes masks the pupil of the objective lens 11 in a symmetrical form with the optical axis as the center.
  • a polarizing element 13 for P-polarized light is used as the first polarizing element 37.
  • a polarizing element 13 for S-polarization is used for the second polarizing element 41.
  • only the left and right regions T2 and T4 on the outer periphery of the pupil mask liquid crystal rotator 39 are controlled so that the incident P-polarized light becomes S-polarized light. Therefore, when the light beam from the objective lens 11 passes through the liquid crystal shutter 33, it becomes as shown in FIG. That is, only the light in the left and right regions T 2 and T 4 on the outer periphery of the pupil mask liquid crystal rotator 39 is transmitted through the second polarizing element 41.
  • the pupil mask liquid crystal rotator 39 and the pupil division liquid crystal rotator 35 are divided into a plurality of regions, and the polarization axis of polarized light passing through each region can be freely set.
  • the degree of freedom of setting can be increased.
  • the transmissive region of the pupil is selected in a pattern as shown in FIGS. 6 (a) to 6 (d), for example. be able to.
  • the optimum state can be selected depending on the vertical and horizontal patterns of the subject or the F number of the objective lens 11. For example, when the large-diameter objective lens 11 is used, as shown in FIGS. 6A and 6B, distance measurement is performed using regions T1, T2, T3, and T4 separated from the optical axis. On the other hand, when the small-diameter objective lens 11 is used, as shown in FIGS. 6C and 6D, distance measurement is performed using regions C1, C2, C3, and C4 close to the optical axis.
  • the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 operates as the liquid crystal shutter 33 and the diaphragm as shown in FIG. 7, so that it is not necessary to provide a separate mechanical shutter or diaphragm mechanism. That is, since the pupil mask liquid crystal rotator 39 is disposed at the aperture position of the optical system, it interferes with the arrangement of the mechanical shutter and diaphragm mechanism that are normally required. Although it may be provided at substantially the same position, it is necessary to provide a space around the stop position, and thus the position of the objective lens 11 is restricted, which restricts the optical performance and the size of the optical system.
  • the first polarizing element 37 and the second polarizing element are obtained by setting the optical rotation of the entire surface of the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 to zero. The light passing through 41 disappears, and the entire shielding state can be achieved.
  • Step S1 First, as shown in FIG. 7A, the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 is set in a partial optical rotation state to form a pupil mask, and distance measurement is performed in the distance measurement state.
  • Step S2 Next, as shown in FIG. 7B, the entire surface of the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 is turned to 0, and the image sensor is reset.
  • Step S3 Next, the pupil mask liquid crystal rotator 39 is rotated on the entire surface, and exposure is performed in the entire transmission state. At this time, the amount of transmitted light can be selected by selecting the rotation of the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 in the range of 0 to 90 degrees.
  • Step S4 After transmission according to the exposure time, the optical rotation is again set to 0 on the entire surface of the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 to block the entire surface. In this state, the image sensor is read.
  • Step S5 After reading of the image sensor, the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 is again in the partial optical rotation state to perform distance measurement.
  • the liquid crystal shutter 33 and the pupil division liquid crystal rotator 35 are integrated.
  • the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 and the pupil division liquid crystal optical rotator 35 are formed by accommodating the liquid crystal E between the two substrates K.
  • An antireflection film H is coated between the polarizing film 37 a of the first polarizing element 37 and the substrate K of the pupil mask liquid crystal optical rotator 39.
  • An antireflection film H is coated between the pupil mask liquid crystal optical rotator 39 and the pupil division liquid crystal optical rotator 35 and the polarizing film 41 a of the second polarizing element 41.
  • FIG. 9 shows a third embodiment of the imaging apparatus of the present invention.
  • the drive area of the pupil mask liquid crystal optical rotator 39A is finely divided.
  • the pupil mask liquid crystal optical rotator 39A has a finely divided drive region as in a general dot matrix liquid crystal display. More functions can be realized by driving a fine driving region according to the situation.
  • a transmissive area similar to a simple fixed pattern can be used to function as a pupil mask.
  • the light amount can be adjusted simultaneously with the aperture by adjusting the transmission amount of the transmission region in parallel with the aperture driving.
  • the pupil mask, shutter, and aperture can play three roles, eliminating the need for a mechanical shutter and aperture mechanism, preventing mechanical interference, reducing the number of parts, and maintaining design flexibility.
  • the operation noise can be suppressed.
  • FIG. 10 shows a fourth embodiment of the imaging apparatus of the present invention.
  • the distance measuring device shown in the first embodiment is applied to the re-imaging phase difference AF.
  • FIG. 10A shows a basic configuration of the distance measuring apparatus according to the fourth embodiment.
  • the polarizing element 13 and the liquid crystal rotator 15 are disposed via a field lens 43 on a surface optically equivalent (conjugated) to the pupil position of the objective lens 11 in the re-imaging optical system.
  • the polarizing element 13 and the liquid crystal rotator 15 are disposed between the re-imaging lenses 45 and 47. In this case, the same pupil division effect as that obtained by inserting the polarizing element 13 at the pupil position of the objective lens 11 can be obtained.
  • FIG. 10 (b) shows a case where the distance measuring device shown in FIG. 10 (a) is built in a single-lens reflex digital camera.
  • the subject luminous flux from the objective lens 11 is reflected below the camera body 53 by the sub mirror 51 provided behind the main mirror 49, and in this order, the field lens 43, the re-imaging lens 45, the polarizing element 13, and the liquid crystal rotator 15. pass.
  • the light beam emitted from the liquid crystal rotator 15 is bent 90 degrees by the mirror 55, passes through the re-imaging lens 47, and then enters the polarization separation element 17.
  • the polarization components separated by the polarization separation element 17 are incident on the image sensors 19 and 21, respectively. Imaging is performed by a dedicated image sensor 57.
  • Reference numeral 59 denotes a pentaprism.
  • FIG. 11 shows a fifth embodiment of the imaging apparatus of the present invention.
  • the distance measuring device shown in the second embodiment is applied to the re-imaging phase difference AF.
  • FIG. 11A is a diagram showing a basic configuration of the distance measuring apparatus according to the fifth embodiment, and a surface optically equivalent (conjugate) to the pupil position of the objective lens 11 in the re-imaging optical system.
  • a first polarizing element 37, a pupil mask liquid crystal rotator 39, a second polarizing element 41, and a pupil division liquid crystal rotator 35 are arranged.
  • a first polarizing element 37, a pupil mask liquid crystal rotator 39, a second polarizing element 41, and a pupil division liquid crystal rotator 35 are arranged between the re-imaging lenses 45 and 47. Yes.
  • the same pupil division effect as that obtained by inserting the polarizing element 37 or the like at the pupil position of the objective lens 11 can be obtained.
  • FIG. 11 (b) shows a case where the distance measuring device shown in FIG. 11 (a) is built in a single-lens reflex digital camera.
  • the subject luminous flux from the objective lens 11 is reflected below the camera body 53 by the sub mirror 51 provided behind the main mirror 49, and the field lens 43, the re-imaging lens 45, the first polarizing element 37, and the pupil mask liquid crystal.
  • the light passes through the optical rotator 39, the second polarizing element 41, and the pupil-divided liquid crystal optical rotator 35 in this order.
  • the light beam emitted from the pupil division liquid crystal optical rotator 35 is bent 90 degrees by the mirror 55, passes through the re-imaging lens 47, and then enters the polarization separation element 17.
  • the polarization components separated by the polarization separation element 17 are incident on the image sensors 19 and 21, respectively. Imaging is performed by a dedicated image sensor 57.

Abstract

　対物レンズの瞳と共役な面に配置される偏光素子と、偏光素子を通過した光の偏光軸を回転する旋光子と、旋光子を通過した光を第１の光束と第２の光束とに分離する偏光分離素子と、第１の光束による第１の像を撮像する第１の撮像素子と、第２の光束による第２の像を撮像する第２の撮像素子と、被写体の同一領域に対応する、第１の像と第２の像との相対的なズレに基づいて焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有していることを特徴とする。

Description

測距装置および撮像装置
　本発明は、測距装置および撮像装置に関する。
　従来、瞳分割方式によって結像光学系の焦点検出を行う光学機器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　上述の装置では、回折格子と液晶とを組み合わせた電気光学素子を結像光学系の瞳面に挿入し、射出瞳における異なる領域を通過した光を異なる方向に偏向している。そして、それぞれの光束を結像光学系の像を撮像する撮像素子の異なる領域に結像させ、その撮像データに基づいて位相差ＡＦを行うようにしている。
特開２００６－１０６４３５号公報
　しかしながら、上述した従来の装置では、偏光により瞳分割を行い位相差検出を行う場合に、固定の瞳遮蔽部材で瞳分割を行っているため、レンズのＦ値や要求性能に合わせた測距を行うことができず自由度が低いという問題があった。
　本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる測距装置および撮像装置を提供することを目的とする。
　本発明の測距装置は、対物レンズの瞳と共役な面に配置される偏光素子と、前記偏光素子を通過した光の偏光軸を回転する旋光子と、前記旋光子を通過した光を第１の光束と第２の光束とに分離する偏光分離素子と、前記第１の光束による第１の像を撮像する第１の撮像素子と、前記第２の光束による第２の像を撮像する第２の撮像素子と、被写体の同一領域に対応する、前記第１の像と前記第２の像との相対的なズレに基づいて焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有していることを特徴とする。
　また、前記旋光子は、光軸を中心にして放射状に少なくとも４つの領域に分割され、各領域を独立して駆動可能とされていることが好ましい。
　また、前記旋光子は、光軸を中心にして十字状に４分割されていることが好ましい。
　また、本発明の測距装置は、対物レンズの瞳と共役な面に配置され互いに偏光軸が直交する第１および第２の偏光素子と、前記第１の偏光素子と前記第２の偏光素子との間に配置され前記第１の偏光素子を通過した光の偏光軸を回転する第１の旋光子と、前記第２の偏光素子を通過した光の偏光軸を回転する第２の旋光子と、前記第２の旋光子を通過した光を第１の光束と第２の光束とに分離する偏光分離素子と、前記第１の光束による第１の像を撮像する第１の撮像素子と、前記第２の光束による第２の像を撮像する第２の撮像素子と、被写体の同一領域に対応する、前記第１の像と前記第２の像との相対的なズレに基づいて焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有していることを特徴とする。
　この場合、前記第２の旋光子は、前記第１の旋光子の２つの透過領域からの光が互いに直交する偏光軸をもつように旋光状態を調整することが好ましい。
　また、前記第１の旋光子による旋光を行わず、全面遮光するモードを有することが好ましい。
　また、前記第１の旋光子を、透過領域の全面で任意の角度だけ旋光させるモードを有することが好ましい。
　また、前記第１の旋光子は、ドットマトリクス状の透過領域を有することが好ましい。
　また、本発明の撮像装置は、上述した構成の測距装置のいずれかを有することを特徴とする。
　本発明では、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる。
本発明の撮像装置の第１の実施形態を示す説明図である。 図１の液晶旋光子の詳細を示す説明図である。 測距の原理を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第２の実施形態を示す説明図である。 図４の撮像装置の遮光状態を示す説明図である。 図４の撮像装置の遮光状態の種類を示す説明図である。 図４の撮像装置の撮像動作を示す説明図である。 図４の撮像装置の液晶シャッタと瞳分割液晶旋光子を一体形成した状態を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第３の実施形態の瞳マスク液晶旋光子の動作の種類を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第４の実施形態を示す説明図である。 本発明の撮像装置の第５の実施形態を示す説明図である。
　以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
(第１の実施形態)
　図１は、本発明の測距装置の第１の実施形態を示している。この実施形態では、本発明が、カメラからなる撮像装置に適用されている。
　撮像装置は、対物レンズ１１、偏光素子１３、液晶旋光子１５、偏光分離素子１７、第１の撮像素子１９、第２の撮像素子２１、画像処理部２３、カメラ制御部２５、ＡＦ駆動機構２７、液晶駆動部２９、画像メモリ３１を備えている。
　対物レンズ１１の瞳位置には、偏光素子１３が設けられている。偏光素子１３は、偏光フィルタからなり対物レンズ１１からの光の偏光軸を例えばＰ偏光の光に揃える。
　液晶旋光子１５は、光の偏光軸を電気的に変更する。液晶旋光子１５の光透過面は、図２(ａ)に示すように、光軸を中心に直交４分割した領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に分割されている。そして、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、液晶駆動部２９の駆動により独立して駆動可能とされている。例えば偏光素子１３からＰ偏光が入射される場合には、図２(ｂ)に示すように、光軸から左側の領域Ｒ１，Ｒ３に入射したＰ偏光がＳ偏光になり、右側の領域Ｒ２，Ｒ４に入射したＰ偏光がそのまま透過するように駆動する。また、例えば図２(ｃ)に示すように、光軸から上側の領域Ｒ１，Ｒ２に入射したＰ偏光がＳ偏光になり、下側の領域Ｒ３，Ｒ４に入射したＰ偏光がそのまま透過するように駆動する。
　偏光分離素子１７は、液晶旋光子１５からの例えばＰ偏光を偏光分離面１７ａを介して透過させ第１の撮像素子１９上に結像させる。図２(ｄ)は、液晶旋光子１５が図２(ｂ)のように制御されている時の第１の撮像素子１９の像を示している。Ｐ偏光である右側の像のみが撮像されている。図２(ｅ)は、液晶旋光子１５が図２(ｃ)のように制御されている時の第１の撮像素子１９の像を示している。Ｐ偏光である下側の像のみが撮像されている。一方、偏光分離素子１７は、Ｓ偏光を偏光分離面１７ａで反射させ第２の撮像素子２１上に結像させる。従って、第２の撮像素子２１の像は、図２(ｄ)の像と左右が逆の像になる。また、図２(ｅ)の像と上下が逆の像になる。
　第１の撮像素子１９と第２の撮像素子２１とは、光学的に等価な位置に配置されており、第１の撮像素子１９にピントの合った像が結像されると、第２の撮像素子２１にもピントの合った像が結像される。第１の撮像素子１９および第２の撮像素子２１には、例えば受光素子が２次元状に配列されたＣＣＤが用いられる。
　上述した撮像装置では、第１の撮像素子１９および第２の撮像素子２１の出力はそれぞれ画像処理部２３に送られ、Ａ／Ｄ変換、色処理等の画像処理が施される。また、画像処理部２３では、第１の撮像素子１９および第２の撮像素子２１の出力から得られた画像データに基づいて、焦点検出に関する演算を行う。カメラ制御部２５は、画像処理部２３で算出された焦点検出演算値に基づいてＡＦ駆動機構２７を駆動制御し対物レンズ１１の焦点調節を行う。また、カメラ制御部２５は、カメラの全体を制御する。画像処理部２３で得られた画像データは、画像メモリ３１に記録される。
　図３は、上述した撮像装置における焦点検出方式の原理を示している。
　物体面Ｍ１から発した光束は対物レンズ１１によって結像される。対物レンズ１１を介して偏光素子１３に光束が入射すると、偏光素子１３により例えばＰ偏光に揃えられる。偏光素子１３を通過した光束は、液晶旋光子１５により、例えば図２(ｂ)に示すような偏光状態とされる。図２(ｂ)のＰ偏光は、偏光分離素子１７の偏光分離面１７ａを透過して第１の撮像素子１９の像面Ｍ２の近傍に結像される。一方、Ｓ偏光は偏光分離面１７ａで反射され第２の撮像素子２１の像面Ｍ２の近傍に結像される。
　図３(ａ)は合焦状態を示したものであり、Ｐ偏光による像もＳ偏光による像も像面Ｍ２上にかつ同一位置に結像されている。すなわち、第１の撮像素子１９の撮像画像と第２の撮像素子２１の撮像画像とを重ねると、結像位置が一致している。図３（ｂ）は前側にデフォーカスした状態を示している。結像位置は像面Ｍ２よりも後方にあるため、像面Ｍ２上の像はボケており、Ｐ偏光、Ｓ偏光による像の位置にズレが生じている。Ｐ偏光による像は光軸に対して上側に像ズレしており、Ｓ偏光による像は光軸に対して下側に像ズレしている。図３（ｃ）は後側にデフォーカスした状態を示している。Ｐ偏光による像は光軸に対して下側に像ズレしており、Ｓ偏光による像は光軸に対して上側に像ズレしている。
　このように、液晶旋光子１５からの偏光成分を偏光分離素子１７で分離して、第１の撮像素子１９および第２の撮像素子２１に結像することにより各偏光成分の画像を取得し、その２つの画像の中の像の位相差を比較することで、通常の位相差ＡＦと同様にしてデフォーカス量を算出することができる。また、第１の撮像素子１９および第２の撮像素子２１の画像データに基づいて画像を生成することで、被写体の撮影像を取得することができる。
　この実施形態の撮像装置では、液晶旋光子１５を複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に分割し、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を通過する偏光の偏光軸を自由に設定可能にしたので、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる。
　そして、液晶旋光子１５の偏光状態、すなわち遮蔽状態を電気的に切り替えることが可能なため、位相差ＡＦの基線長の方向を瞬時に切り替えることができる。これにより例えば縦横のパターンしか持たないような被写体でも、直交する２方向の基線長で測距することが可能になり種々のパターンの被写体を正確に測距することができる。例えば縦縞のパターンの場合には、図２(ｄ)に示す左右分割のパターンが選択される。また、横縞のパターンの場合には、図２(ｅ)に示す上下分割のパターンが選択される。
　なお、第１の実施形態では、液晶旋光子１５は光軸を中心にして十字状に４分割されているが、４分割されている各領域が光軸を中心にそれぞれ２分割されて、全体として８分割され、各領域が液晶駆動部２９の駆動により独立して駆動可能な構成であってもよい。この８分割された構成により、液晶旋光子１５を斜めに分割されたパターンとすることが可能となり、例えば、斜めの縞パターンの被写体に対しても正確に測距することが可能になる。なお、液晶旋光子１５は４分割、８分割以外の分割数で分割された構成としてもよい。
(第２の実施形態)
　図４は、本発明の測距装置の第２の実施形態を示している。この実施形態では、本発明が、カメラからなる撮像装置に適用されている。なお、この実施形態において第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　撮像装置は、対物レンズ１１、液晶シャッタ３３、瞳分割液晶旋光子３５、偏光分離素子１７、第１の撮像素子１９、第２の撮像素子２１、画像処理部２３、カメラ制御部２５、ＡＦ駆動機構２７、液晶駆動部２９、画像メモリ３１を備えている。
　対物レンズ１１の瞳位置には、液晶シャッタ３３が設けられている。液晶シャッタ３３は、第１の偏光素子３７、瞳マスク液晶旋光子３９、第２の偏光素子４１を備えている。
　第１の偏光素子３７は、対物レンズ１１からの光の偏光軸を例えばＰ偏光の光に揃える。
　瞳マスク液晶旋光子３９は、光の偏光軸を電気的に変更する。瞳マスク液晶旋光子３９は、光軸を中心とした直交する４方向のそれぞれに、光軸からの距離により領域分割されている。より具体的には、中央部には円を４分割した形状の中央領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が形成されている。外周部には、９０の角度を置いて４箇所の外側領域Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が形成されている。そして、各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、液晶駆動部２９の駆動により独立して駆動可能とされている。
　第２の偏光素子４１は、瞳マスク液晶旋光子３９からの光の偏光軸を例えばＳ偏光の光に揃える。
　瞳分割液晶旋光子３５は、瞳マスク液晶旋光子３９の領域分割方向に対応する形で４つの領域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に分割されている。より具体的には、瞳マスク液晶旋光子３９の中央領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の１つと外側領域Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の１つとが各領域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に存在するように４分割されている。
　上述した撮像装置では、図５に示すように、瞳マスク形状に領域分割された液晶シャッタ３３を通過した光は、光軸を中心にした対称な形で対物レンズ１１の瞳をマスクする。
　図５では、第１の偏光素子３７に、例えばＰ偏光用の偏光素子１３が使用されている。第２の偏光素子４１に、例えばＳ偏光用の偏光素子１３が使用されている。また、瞳マスク液晶旋光子３９の外周の左右の領域Ｔ２，Ｔ４のみが、入射されるＰ偏光がＳ偏光になるように制御されている。従って、対物レンズ１１からの光束は、液晶シャッタ３３を通過すると、図５(ａ)に示すようになる。すなわち、瞳マスク液晶旋光子３９の外周の左右の領域Ｔ２，Ｔ４の光のみが、第２の偏光素子４１を透過している。
　さらに、瞳分割液晶旋光子３５の左の領域Ｇ２のみが、入射されるＳ偏光がＰ偏光になるように制御されている。従って、偏光分離素子１７の偏光分離面１７ａを透過して第１の撮像素子１９に結像されるＰ偏光の像は、図５(ｂ)に示すようになる。Ｐ偏光である左側の領域Ｔ２の像のみが撮像されている。一方、偏光分離素子１７の偏光分離面１７ａで反射して第２の撮像素子２１に結像されるＳ偏光の像は、図５(ｃ)に示すようになる。Ｓ偏光である右側の領域Ｔ４の像のみが撮像されている。
　この実施形態の撮像装置では、瞳マスク液晶旋光子３９および瞳分割液晶旋光子３５を複数の領域に分割し、各領域を通過する偏光の偏光軸を自由に設定可能にしたので、瞳分割領域の設定自由度を高めることができる。
　すなわち、この実施形態では、瞳マスク液晶旋光子３９と瞳分割液晶旋光子３５の駆動パターンを組み合わせると、例えば図６(ａ)～(ｄ)に示すようなパターンで瞳の透過領域を選択することができる。
　そして、瞳の配列の上下左右と、透過領域の光軸からの距離を選択できるので、被写体の縦横のパターン、あるいは、対物レンズ１１のＦナンバー等により最適な状態を選択することができる。例えば、大口径の対物レンズ１１を使用した時は、図６(ａ)、(ｂ)に示すように、光軸から離れた領域Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を用いて測距が行われる。一方、小口径の対物レンズ１１を使用した時は、図６(ｃ)、(ｄ)に示すように、光軸に近い領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を用いて測距が行われる。
　さらに、この実施形態の撮像装置では、瞳マスク液晶旋光子３９が、図７に示すように液晶シャッタ３３および絞りとして動作するので別途機械シャッタや絞り機構を設ける必要がなくなる。すなわち、瞳マスク液晶旋光子３９は、光学系の絞り位置に配置されるため、通常必要になる機械シャッタや絞り機構の配置と干渉する。なお、略同一の位置に設けることもできるが、そのために絞り位置周辺に空間を設ける必要が生じ、対物レンズ１１の位置に制約が生まれ光学性能や光学系の大きさの制約になる。一方、この実施形態では、図７(ｂ)、(ｄ)に示すように、瞳マスク液晶旋光子３９の全面の旋光を０にすることで、第１の偏光素子３７および第２の偏光素子４１を透過する光がなくなり全遮蔽状態とすることができる。
　図７を用いて撮影時の流れを説明すると以下のようになる。
　ステップＳ１：先ず、図７(ａ)に示すように、瞳マスク液晶旋光子３９を部分旋光状態とすることで瞳マスクを形成し、測距状態で測距を行う。
　ステップＳ２：次に、図７(ｂ)に示すように、瞳マスク液晶旋光子３９の旋光を０とした全面遮光状態にし、撮像素子のリセットを行う。
　ステップＳ３：次に、瞳マスク液晶旋光子３９を全面で旋光し全面透過状態で露光を行う。この時、瞳マスク液晶旋光子３９の旋光を０～９０度の範囲で選択することにより、透過光量を選択することができる。
　ステップＳ４：露光時間に応じて透過した後、再び瞳マスク液晶旋光子３９の全面で旋光を０とし全面遮蔽にする。この状態で撮像素子の読み出しを行う。
　ステップＳ５：撮像素子の読み出し終了後、再び瞳マスク液晶旋光子３９を部分旋光状態にして測距を行う。
　なお、この実施形態の撮像装置では、図８に示すように、液晶シャッタ３３および瞳分割液晶旋光子３５が一体化されている。瞳マスク液晶旋光子３９および瞳分割液晶旋光子３５は、二枚の基板Ｋの間に液晶Ｅを収容して形成されている。第１の偏光素子３７の偏光膜３７ａと瞳マスク液晶旋光子３９の基板Ｋとの間には、反射防止膜Ｈがコーティングされている。瞳マスク液晶旋光子３９および瞳分割液晶旋光子３５と第２の偏光素子４１の偏光膜４１ａとの間には、反射防止膜Ｈがコーティングされている。これにより界面の反射による透過光量の減衰、ゴースト・フレアを低減することができる。また、全体が一体化するため組み立て性を向上することができる。
(第３の実施形態)
　図９は、本発明の撮像装置の第３の実施形態を示している。
　この実施形態では、瞳マスク液晶旋光子３９Ａの駆動領域が微細分割されている。
　瞳マスク液晶旋光子３９Ａは、図９(ａ)に示すように、一般のドットマトリクス液晶ディスプレイのように駆動領域が微細分割されている。微細な駆動領域を状況に合わせて駆動することにより、より多くの機能を実現することが可能になる。
　(１)図９(ｂ)に示すように、単純な固定パターンと同様の透過領域とすることで、瞳マスクとして機能させることができる。
　(２)図９(ｃ)に示すように、露光時、光軸に対して同心円状の透過領域とすることで、絞りとして機能させることができる。
　(３)図９(ｄ)に示すように、絞り駆動と並行して、透過領域の透過量を調整することで、絞りと同時に光量調整を行うことができる。
　このように、瞳マスク、シャッタ、絞りと３つの役割を果たすことができるので、機械シャッタや絞り機構を不要にでき、機械的干渉を防止し、また、部品点数の削減、設計自由度の維持、動作音の抑制が可能になる。
 (第４の実施形態)
　図１０は、本発明の撮像装置の第４の実施形態を示している。
　この実施形態では、再結像位相差ＡＦに第１の実施形態で示した測距装置が適用されている。
　図１０(ａ)は第４の実施形態における測距装置の基本構成を示している。再結像光学系内の対物レンズ１１の瞳位置と光学的に等価(共役)な面に、フィールドレンズ４３を介して偏光素子１３と液晶旋光子１５とを配置した。図１０(ａ)では、再結像レンズ４５，４７の間に、偏光素子１３と液晶旋光子１５とが配置されている。この場合、対物レンズ１１の瞳位置に偏光素子１３を挿入したのと同等の瞳分割効果を得ることができる。
　図１０(ｂ)は、図１０(ａ)に示す測距装置を一眼レフデジタルカメラに内蔵した場合を示す。対物レンズ１１からの被写体光束は、メインミラー４９の背後に設けられたサブミラー５１によりカメラボディ５３の下方に反射され、フィールドレンズ４３、再結像レンズ４５、偏光素子１３、液晶旋光子１５の順に通過する。液晶旋光子１５を出射した光束はミラー５５により９０度折り曲げられ、再結像レンズ４７を通った後に偏光分離素子１７に入射する。偏光分離素子１７で分離された偏光成分は、それぞれ撮像素子１９，２１に入射する。撮像は専用の撮像素子５７により行われる。なお、符号５９はペンタプリズムを示している。
(第５の実施形態)
　図１１は、本発明の撮像装置の第５の実施形態を示している。
　この実施形態では、再結像位相差ＡＦに第２の実施形態で示した測距装置が適用されている。
　図１１(ａ)は第５の実施の形態における測距装置の基本構成を示す図であり、再結像光学系内の、対物レンズ１１の瞳位置と光学的に等価(共役)な面に第１の偏光素子３７、瞳マスク液晶旋光子３９、第２の偏光素子４１、瞳分割液晶旋光子３５とを配置した。図１１(ａ)では、再結像レンズ４５，４７の間に、第１の偏光素子３７、瞳マスク液晶旋光子３９、第２の偏光素子４１、瞳分割液晶旋光子３５とが配置されている。この場合、対物レンズ１１の瞳位置に偏光素子３７等を挿入したのと同等の瞳分割効果を得ることができる。
　図１１(ｂ)は、図１１(ａ)に示す測距装置を一眼レフデジタルカメラに内蔵した場合を示す。対物レンズ１１からの被写体光束は、メインミラー４９の背後に設けられたサブミラー５１によりカメラボディ５３の下方に反射され、フィールドレンズ４３、再結像レンズ４５、第１の偏光素子３７、瞳マスク液晶旋光子３９、第２の偏光素子４１、瞳分割液晶旋光子３５の順に通過する。瞳分割液晶旋光子３５を出射した光束はミラー５５により９０度折り曲げられ、再結像レンズ４７を通った後に偏光分離素子１７に入射する。偏光分離素子１７で分離された偏光成分は、それぞれ撮像素子１９，２１に入射する。撮像は専用の撮像素子５７により行われる。
(実施形態の補足事項)
　以上、本発明を上述した実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、以下のような形態でも良い。
　(１)上述した実施形態では、本発明の測距装置を撮像装置に適用した例について説明したが、例えば、双眼鏡等の光学機器に広く適用することができる。

Claims (9)

  1. 　対物レンズの瞳と共役な面に配置される偏光素子と、
    　前記偏光素子を通過した光の偏光軸を回転する旋光子と、
    　前記旋光子を通過した光を第１の光束と第２の光束とに分離する偏光分離素子と、
    　前記第１の光束による第１の像を撮像する第１の撮像素子と、
    　前記第２の光束による第２の像を撮像する第２の撮像素子と、
    　被写体の同一領域に対応する、前記第１の像と前記第２の像との相対的なズレに基づいて焦点状態を検出する焦点検出手段と、
    　を有していることを特徴とする測距装置。
  2. 　請求項１記載の測距装置において、
    　前記旋光子は、光軸を中心にして放射状に少なくとも４つの領域に分割され、各領域を独立して駆動可能とされていることを特徴とする測距装置。
  3. 　請求項２記載の測距装置において、
    　前記旋光子は、光軸を中心にして十字状に４分割されていることを特徴とする測距装置。
  4. 　対物レンズの瞳と共役な面に配置され互いに偏光軸が直交する第１および第２の偏光素子と、
    　前記第１の偏光素子と前記第２の偏光素子との間に配置され前記第１の偏光素子を通過した光の偏光軸を回転する第１の旋光子と、
    　前記第２の偏光素子を通過した光の偏光軸を回転する第２の旋光子と、
    　前記第２の旋光子を通過した光を第１の光束と第２の光束とに分離する偏光分離素子と、
    　前記第１の光束による第１の像を撮像する第１の撮像素子と、
    　前記第２の光束による第２の像を撮像する第２の撮像素子と、
    　被写体の同一領域に対応する、前記第１の像と前記第２の像との相対的なズレに基づいて焦点状態を検出する焦点検出手段と、
    　を有していることを特徴とする測距装置。
  5. 　請求項４記載の測距装置において、
    　前記第２の旋光子は、前記第１の旋光子の２つの透過領域からの光が互いに直交する偏光軸をもつように旋光状態を調整することを特徴とする測距装置。
  6. 　請求項４または請求項５記載の測距装置において、
    　前記第１の旋光子による旋光を行わず、全面遮光するモードを有することを特徴とする測距装置。
  7. 　請求項４から請求項６のいずれか１項記載の測距装置において、
    　前記第１の旋光子を、透過領域の全面で任意の角度だけ旋光させるモードを有することを特徴とする測距装置。
  8. 　請求項４から請求項７のいずれか１項記載の測距装置において、
    　前記第１の旋光子は、ドットマトリクス状の透過領域を有することを特徴とする測距装置。
  9. 　請求項１から請求項８のいずれか１項記載の測距装置を有することを特徴とする撮像装置。
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