(57)【要約】【課題】  撮像素子の撮像面において位相差検出方式による焦点検出を可能とする光学素子を提供する。【解決手段】  透明電極を設けた一対の透光性板状体を間隙を空けて対向配置し、電圧印加により屈折率が変化する物質を間隙に充填して形成され、電圧印加により光束の透過状態と回折状態とを切替可能である第１回折切替部および第２回折切替部を備え、第１回折切替部および第２回折切替部の回折状態における偏角の大きさを同一に設定し、光束の回折方向が逆向きとなるように第１回折切替部および第２回折切替部を同一平面上に隣接配置してスプリットイメージ生成領域を形成する。【選択図】  図１
2006154506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極を設けた一対の透光性板状体を間隙を空けて対向配置し、電圧印加により屈折率が変化する物質を前記間隙に充填して形成され、電圧印加により光束の透過状態と回折状態とを切替可能である第１回折切替部および第２回折切替部を備え、
前記第１回折切替部および前記第２回折切替部の回折状態における偏角の大きさを同一に設定し、光束の回折方向が逆向きとなるように前記第１回折切替部および前記第２回折切替部を同一平面上に隣接配置してスプリットイメージ生成領域を形成してなることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記スプリットイメージ生成領域が複数箇所に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光学素子の入射面および出射面の少なくとも一方に、光学的ローパスフィルタまたは赤外カットフィルタが一体成形されてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子の出射面側に配置された撮像素子と、
前記スプリットイメージ生成領域を通過した光束による前記撮像素子上での像ズレ量からデフォーカス量を演算する演算部と、を有することを特徴とする焦点検出装置。                                                                             
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカメラの焦点検出装置に適用される光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カメラの焦点検出方法としてＴＴＬ位相差検出方式やＴＴＬコントラスト検出方式などが知られている。
一方、特許文献１には、撮影用の撮像素子の前方にスプリットイメージプリズムを配置し、撮像面でスプリットイメージの像ズレ量を検出して焦点検出を行う自動焦点検出装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−４６１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１では、撮影時にスプリットイメージプリズムを機械的に移動させることが不可欠となるので、その駆動に時間がかかる。また、駆動機構を配置する関係上、カメラの大きさ、コスト面で大きな制約が生じることとなる。
本発明は上記従来技術の課題を解決するためのものであって、その目的は、撮像素子の撮像面において位相差検出方式による焦点検出を可能とし、応答性がよく小型で簡潔な光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の発明に係る光学素子は、透明電極を設けた一対の透光性板状体を間隙を空けて対向配置し、電圧印加により屈折率が変化する物質を間隙に充填して形成され、電圧印加により光束の透過状態と回折状態とを切替可能である第１回折切替部および第２回折切替部を備え、第１回折切替部および第２回折切替部の回折状態における偏角の大きさを同一に設定し、光束の回折方向が逆向きとなるように第１回折切替部および第２回折切替部を同一平面上に隣接配置してスプリットイメージ生成領域を形成してなることを特徴とする。
【０００５】
第２の発明は、第１の発明において、スプリットイメージ生成領域が複数箇所に形成されてなることを特徴とする。
第３の発明は、第１または第２の発明において、光学素子の入射面および出射面の少なくとも一方に、光学的ローパスフィルタまたは赤外カットフィルタが一体成形されてなることを特徴とする。
【０００６】
第４の発明に係る焦点検出装置は、第１から第３の発明のいずれか１項に記載の光学素子と、光学素子の出射面側に配置された撮像素子と、スプリットイメージ生成領域を通過した光束による撮像素子上での像ズレ量からデフォーカス量を演算する演算部と、を有することを特徴とする。
（作用）
第１の発明では、スプリットイメージ生成領域が回折状態にある場合には、第１回折切替部および第２回折切替部を通過する光束は互いに逆方向に屈折する。そのため、スプリットイメージ生成領域の射出面側では、回折切替部の境界で被写体像が逆方向に分かれて見えることとなる。この被写体像の像ズレの方向および大きさはレンズの合焦状態と相関を有する。したがって、光学素子の射出面側に撮像素子を配置すれば、撮像素子上での像ズレ量に基づいて高精度の焦点検出を１回の検出動作で行うことができる。
【０００７】
一方、スプリットイメージ生成領域が透過状態にある場合には、被写体像は分割されることなく光学素子を透過する。そのため、上記の撮像素子で被写体像を撮影する場合には、光学素子を機械的に動かす必要は生じない。
第２の発明では、光学素子の複数箇所に形成したスプリットイメージ生成領域によって、撮影画面の複数箇所で焦点検出動作を行うことが可能となる。
【０００８】
第３の発明では、光学素子に光学的ローパスフィルタや赤外カットフィルタが一体成形されているので、光学素子、光学的ローパスフィルタ等の実装作業が容易となるとともに、カメラの省スペース化、低コスト化に寄与する。
第４の発明では、上記第１の発明から第３の発明までに記載の作用を備えた焦点検出装置を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光学素子を使用した焦点検出装置では、光学素子の回折作用を電圧印加の切り替えで制御できるので機械的な駆動に比べて応答性がよく、また光学素子を撮影光路から退避させる機構は必要ないため、カメラを小型化することなども比較的容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（本実施形態の構成の説明）
図１に本発明の光学素子を備えた電子カメラの１実施形態を示す（請求項１から請求項４に対応する）。本実施形態の電子カメラは、レンズユニット１００と、カメラ本体２００とから構成される。
レンズユニット１００は、複数のレンズを組み合わせてなる撮影レンズ系１０と、撮影レンズ系１０を駆動させるための駆動機構１１と、レンズマイコン１２およびレンズ側マウント１３とを有している。レンズマイコン１２にはデフォーカス量とレンズ駆動量との対応関係（変換係数）の情報が記録されている。レンズ側マウント１３には、駆動機構１１およびレンズマイコン１２と接続された電気接点が設けられている。
【００１１】
カメラ本体２００は、本体側マウント２０と、メインミラー２１と、拡散スクリーン２２と、コンデンサレンズ２３と、ペンタプリズム２４と、接眼レンズ２５と、光学素子２６と、撮像素子２７と、ＣＰＵ（演算部）２８とを有している。
本体側マウント２０はバヨネット機構等によりレンズ側マウント１３と結合し、カメラ本体２００にレンズユニット１００を交換可能に装着できるようになっている。本体側マウント２０にはレンズ側マウント１３に対応する電気接点が設けられている。そして、レンズユニット１００の装着時にはレンズ側マウント１３と本体側マウント２０との電気的な接続が確立する。
【００１２】
メインミラー２１、光学素子２６および撮像素子２７は、レンズユニット１００の光軸に沿って配置されている。メインミラー２１は光学素子２６および撮像素子２７の前方に傾斜配置されたハーフミラーであって、撮影レンズ系１０から射出された光束を分岐させる。メインミラー２１で分岐した一方の光束は拡散スクリーン２２に入射し、他方の光束は光学素子２６および撮像素子２７に入射する。
【００１３】
拡散スクリーン２２はメインミラー２１の上方に配置される。拡散スクリーン２２と撮像素子２７の撮像面とは撮影レンズ系１０に対して光学的に等価な面をなすように調整されている。この拡散スクリーン２２ではメインミラー２１からの光束が一旦結像する。拡散スクリーン２２上で結像した光束は、その後にコンデンサレンズ２３、ペンタプリズム２４および接眼レンズ２５を通って撮影者の目に到達する。したがって、本実施形態のカメラでは、撮影者は視差のない被写体像に基づいてフレーミングを行うことができる。
【００１４】
光学素子２６は透光性の平板状部材であって撮像素子２７の前面に配置される。図２に示すように、光学素子２６の右上、右下、中央、左上、左下の５カ所には、撮像素子２７上に被写体の分割像を投影するスプリットイメージ生成領域３０がＸ字状に配置されている。各スプリットイメージ生成領域３０は、１対の液晶回折格子３１（回折切替部）を組み合わせて構成されている。
【００１５】
図３は光学素子２６における液晶回折格子３１の構造を示すＡ−Ａ断面図である。光学素子２６は、一対の透光性板状体３２と、透明導電膜３３（透明電極）と、光学異方性を有する液晶と、透明な等方性ポリマーとで構成されている。この液晶回折格子３１は、屈折力を有する状態（回折状態）と透明な状態（透過状態）とを印加電圧の制御によって切替可能となっている。
【００１６】
一対の透光性板状体３２は所定の間隙を空けた対向状態で配置され、それぞれ光学素子２６の入射面側および出射面側に位置している。透光性板状体３２は一般的にガラスで構成されるが、透光性板状体３２を光学的ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）や赤外カットフィルタで構成したり、あるいはガラスの表面にこれらを貼り合わせる等の手段で、光学素子２６にＯＬＰＦや赤外カットフィルタを一体成形してもよい。上記の場合には、光学素子２６と、ＯＬＰＦおよび赤外カットフィルタとを別々に実装する必要がなくなるのでカメラの組立作業が容易となるとともに、カメラの省スペース化、低コスト化に寄与する。
【００１７】
各透光性板状体３２の互いに対向する面には、ＩＴＯ等の透明導電膜３３による電極パターンがそれぞれ形成されている。本実施形態の光学素子２６では、各液晶回折格子３１に対応する１０カ所の領域と、スプリットイメージ生成領域３０を除いた透過領域とがそれぞれ独立してオンオフできるように電極パターンが形成されている。そして、透光性板状体３２の間隙には、高分子ポリマー３４に液晶粒子３５を分散してなる高分子分散液晶材３６が挟持されている。
【００１８】
ここで、光学素子２６の透過領域では、高分子分散液晶材３６の液晶粒子３５は高分子ポリマー３４中に均一に分散した状態となっている。一方、液晶回折格子３１に対応する領域では、高分子分散液晶材３６が液晶粒子３５の密度の高い層（３７）と液晶粒子３５の密度の低い層（３８）とが交互に現れる層状構造をなしている。この高分子分散液晶材３６の層状構造は干渉縞の周期構造を有しており、各液晶回折格子３１が体積型のホログラムを構成し得る。
【００１９】
以下、図４から図７によって液晶回折格子３１の動作を説明する。図４，５は高分子分散液晶材３６の断面を模式的に示す図であり、図６，７は被写体光束の進行方向を示す図である。また、図４，６は液晶回折格子３１の電極には電圧を印加せず、上記の透過領域の電極に電圧を印加した状態（液晶回折格子３１の回折状態）に対応する。一方、図５，７は液晶回折格子３１および透過領域の電極に電圧を印加した状態（液晶回折格子３１の透過状態）に対応する。
【００２０】
図４，５における液晶粒子３５内の液晶分子３５ａは２つの屈折率、すなわち、楕円体の長径に相当する常屈折率ｎｏと、楕円体の短径に相当する異常屈折率ｎｅとを有している。高分子分散液晶材３６における等方性の高分子ポリマー３４の屈折率ｎｐは、液晶分子３５ａの常屈折率ｎｏまたは異常屈折率ｎｅの一方と等しくなるように設定されている。
【００２１】
図４の状態では液晶回折格子３１に対応する電極に電圧が印加されていないので、液晶回折格子３１の領域では液晶粒子３５内の液晶分子３５ａがランダムに配向している。その結果、液晶粒子３５の密度の高い層３７では入射した光が散乱されて、高分子分散液晶材３６の層３７，３８が回折格子として機能する。この場合には液晶回折格子３１に入射した被写体光束Ｌａは一定の偏角で屈折することとなる（図６参照）。
【００２２】
また、図４の状態では透過領域に対応する電極に電圧が印加されているので、図示上下方向の電界が発生し、透過領域における液晶分子３５ａは電界方向に配向される。本実施形態では、配向時の液晶分子３５ａの屈折率と高分子ポリマー３４の屈折率とが等しく設定されており、電圧が印加された領域では高分子分散液晶材３６が透明状態となる。したがって、透過領域に入射した被写体光束Ｌｂは、回折作用を受けずに高分子分散液晶材３６を透過して撮像素子２７に導かれる（図６参照）。
【００２３】
一方、図５の状態では液晶回折格子３１および透過領域の電極の両方に電圧が印加されているので、液晶回折格子３１における層３７内の液晶分子３５ａも電界方向（図示上下方向）に配向されることとなる。したがって、高分子分散液晶材３６に入射した光束Ｌａ，Ｌｂはいずれも回折作用を受けずに透過して撮像素子２７に導かれる（図７参照）。
ここで、本実施形態のスプリットイメージ生成領域３０では、上下に隣接配置された一対の液晶回折格子３１の偏角の大きさは同一に設定されている。また、上下の液晶回折格子３１は光束の回折方向が逆向きに設定されている。すなわち、回折状態のスプリットイメージ生成領域３０を通過する光束は上下の液晶回折格子３１によって互いに逆方向に屈折する。そして、スプリットイメージ生成領域３０を通過して撮像素子２７上に投影される被写体像は、液晶回折格子３１の境界で逆方向に分かれて見えることとなる。
【００２４】
図８から図１０は本実施形態での焦点検出の原理を示す説明図である。本実施形態では一対の液晶回折格子３１がスプリットイメージプリズムとして機能する。図８から図１０では説明の便宜から合焦位置を光学素子２６上に設定しているが、実際の電子カメラでは撮像素子２７の受光面を合焦位置の基準として調整が行われる。なお、図８から図１０では図中右方向に撮像素子２７が配置される（撮像素子の図示は省略する）。
【００２５】
図８（ａ）は合焦時の状態を模式的に示した図である。図８（ａ）は合焦時における光学素子２６の被写体像の見え方を簡略化して示す図である。図８の場合には上下の液晶回折格子３１とも同じ位置に像ができるので、例えば線状の被写体であればスプリットイメージ生成領域３０の被写体像は１本の線のように見えることとなる。
図９（ａ）は前ピン時の状態を模式的に示した図であり、図９（ｂ）は前ピン時における光学素子２６の被写体像の見え方を簡略化して示す図である。図９の場合には、被写体像の光束は互いに逆方向に屈折され、液晶回折格子３１の境界で上下の線がずれて見えることとなる。一方、図１０（ａ）は後ピン時の状態を模式的に示した図であり、図１０（ｂ）は後ピン時における光学素子２６の被写体像の見え方を簡略化して示す図である。図１０の場合には、図９の場合と逆方向に上下の線がずれて見えることとなる。
【００２６】
上記のように被写体像の像ズレ量（像ズレの方向および大きさ）はレンズの合焦状態と相関を有する。そのため、スプリットイメージ生成領域３０を通過した被写体像の像ズレ量を撮像素子２７で検出することで、ＣＰＵ２８は位相差検出方式でデフォーカス量を演算することができる。
撮像素子２７は受光素子が２次元配列された受光面を備え、被写体像の光束を光電変換してアナログ画像信号を出力する。このアナログ画像信号は、Ａ／Ｄ変換後に画像処理部で所定の画像処理が施される（Ａ／Ｄ変換部および画像処理部の図示は省略する）。なお、上記の撮像素子２７の出力は、レリーズ時の撮影画像データの生成と焦点検出時のデフォーカス量の演算とに使用される。
【００２７】
ＣＰＵ２８はカメラ本体２００の撮影機構の制御や撮影画像データの生成に関する一連の制御を実行する。特に本実施形態のＣＰＵ２８は、光学素子２６の電圧印加の制御や、撮像素子２７の出力に基づくＡＦ演算を実行する。
（焦点検出動作および撮影動作の説明）
以下、本実施形態の焦点検出動作および撮影動作を説明する。
【００２８】
撮影者によりカメラ本体２００のレリーズ釦（図示を省略する）が半押しされると、ＣＰＵ２８は焦点検出動作を開始する。
まず、ＣＰＵ２８は光学素子２６のスプリットイメージ生成領域３０のうち、焦点検出に使用する部分を回折状態に設定する。次に、ＣＰＵ２８は撮像素子２７を駆動させて、被写体の分割像の画像データを取得する。そして、ＣＰＵ２８は上記の画像データにおける上下の像ズレ量に基づいてデフォーカス量を演算する。
【００２９】
そして、ＣＰＵ２８はデフォーカス量に対応するレンズ駆動量の情報をレンズマイコン１２から取得する。そして、ＣＰＵ２８はレンズ駆動量に基づいて駆動機構１１を制御し、撮影レンズ系１０を合焦状態まで駆動させる。
その後、撮影者によってカメラ本体２００のレリーズ釦が全押しされると、ＣＰＵ２８は撮影動作を開始する。具体的には、まずＣＰＵ２８は光学素子２６のスプリットイメージ生成領域３０をすべて透過状態に変更する。これにより、スプリットイメージ生成領域３０を通過する光束は屈折することなく光学素子２６を透過するので、撮像素子２７上で被写体像に像ズレが生じることはない。
【００３０】
次にＣＰＵ２８は所定のタイミングで撮像素子２７を駆動させて被写体像の撮影を実行する。この撮影時の画像信号は、Ａ／Ｄ変換後に画像処理部で階調補正、ホワイトバランスなどの処理が施されて撮影画像データとなる。そして、撮影画像データは図示しない記録媒体に最終的に保存される。以上で、本実施形態の焦点検出動作および撮影動作の説明を終了する。
【００３１】
本実施形態の電子カメラでは、撮像素子２７上の像ズレ量に基づく焦点検出を撮影画面の５カ所でそれぞれ行うことができる。本実施形態での焦点検出は像ズレ量に基づく位相差検出方式によるものであって、焦点検出を１回の検出動作で実行できるので速写性に優れている。また、ピント面と撮像面とが一致しているので調節ズレの心配はなく、高い合焦精度を確保できる。
【００３２】
さらに、本実施形態では光学素子２６の回折作用は電圧印加の切り替えで制御するので機械的な駆動に比べて応答性がよく、また、撮影時に光学素子２６を撮影光路から退避させる必要はない。そのため、光学素子２６の移動機構が不要となるので、カメラの小型化、低コスト化も比較的容易である。また、焦点検出時にミラーが撮影光路を遮らないので、動画撮影時にも焦点検出を行うこともできる。
【００３３】
（実施形態の補足事項）
以上、本発明を上記の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記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態の一眼レフレックス型の電子カメラではメインミラーをハーフミラーで構成したが、メインミラーを跳ね上げて光路外に退避するようにしてもよい。また、本発明は一眼レフレックス型の電子カメラに限定されることなく、いわゆるコンパクト型の電子カメラに適用することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態における電子カメラの概要図
【図２】光学素子のスプリットイメージ生成領域の配置を示す図
【図３】図２のＡ−Ａ断面図
【図４】液晶回折格子に電圧印加しない場合における高分子分散液晶材の断面図
【図５】液晶回折格子に電圧印加した場合における高分子分散液晶材の断面図
【図６】液晶回折格子に電圧印加しない場合における被写体光束の進行方向を示す図
【図７】液晶回折格子に電圧印加した場合における被写体光束の進行方向を示す図
【図８】焦点検出の原理説明図（合焦時）
【図９】焦点検出の原理説明図（前ピン時）
【図１０】焦点検出の原理説明図（後ピン時）
【符号の説明】
【００３５】
１０  撮影レンズ系
１１  駆動機構
１２  レンズマイコン
２６  光学素子
２７  撮像素子
２８  ＣＰＵ
３０  スプリットイメージ生成領域
３１  液晶回折格子
１００  レンズユニット
２００  カメラ本体
【図１】
2006154506.tif 000003
【図２】
2006154506.tif 000004
【図３】
2006154506.tif 000005
【図４】
2006154506.tif 000006
【図５】
2006154506.tif 000007
【図６】
2006154506.tif 000008
【図７】
2006154506.tif 000009
【図８】
2006154506.tif 000010
【図９】
2006154506.tif 000011
【図１０】
2006154506.tif 000012