(57)【要約】【課題】  撮影光学系の焦点調節を微細に行うことができる焦点調節システムを提供する。【解決手段】  第１焦点検出部は、撮影光学系を通過した被写体光束を用いて焦点検出を行い、検出結果に基づいて、第１焦点調節部はフォーカスレンズを移動して焦点位置の粗調節を行う。その後、第２焦点検出部は、撮影光学系を通過した被写体光束の像を撮像する撮像素子からの信号に基づいて焦点検出を行う。第２焦点調節部は、第２焦点検出部による検出結果に基づいて、焦点位置変更部材の液体層の厚さを変更し、焦点位置の微調節を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体に対する焦点検出を行う第１焦点検出手段と、
撮影光学系のフォーカスレンズを移動し、焦点調節を行う第１焦点調節手段と、
前記撮影光学系により結像される被写体光束の像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子からの撮像信号に基づいて焦点検出を行う第２焦点検出手段と、
前記撮影光学系と前記撮像素子との間の前記被写体光束中に配置されるとともに、２枚の透明な平行平板の間に封入した液体層の厚さを変更することにより、前記撮影光学系の光軸方向における前記被写体光束の結像位置を変更する光学素子と、
前記光学素子を駆動し、焦点調節を行う第２焦点調節手段と、
前記第１焦点検出手段による検出結果に基づいて、前記撮影光学系による前記被写体光束の結像位置の粗調節を行うように前記第１焦点調節手段を制御した後、前記第２焦点検出手段による検出結果に基づいて、前記撮影光学系による前記被写体光束の結像位置の微調節を行うように前記第２焦点調節手段を制御する焦点制御手段とを備えることを特徴とする焦点調節システム。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点調節システムにおいて、
前記第１焦点検出手段は、前記撮影光学系を通過した前記被写体光束を用いて焦点検出を行うことを特徴とする焦点調節システム。
【請求項３】
請求項１に記載の焦点調節システムにおいて、
前記第１焦点検出手段は、前記撮影光学系と異なる光学系を通過した前記被写体光束を用いて焦点検出を行うことを特徴とする焦点調節システム。
【請求項４】
撮影光学系により結像される被写体光束の像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子からの撮像信号に基づいて焦点検出を行う焦点検出手段と、
前記撮影光学系と前記撮像素子との間の前記被写体光束中に配置されるとともに、２枚の透明な平行平板の間に封入した液体層の厚さを変更することにより、前記撮影光学系の光軸方向における前記被写体光束の結像位置を変更する光学素子と、
前記光学素子を駆動し、焦点調節を行う焦点調節手段とを備えることを特徴とする焦点調節システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の焦点調節システムを備えることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点調節システムおよび焦点調節システムを備えるカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の焦点調節システムとして、迅速な焦点調節を行うために、焦点位置の粗調節と微調節とを使い分けるものが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載のシステムは、フォーカスレンズを光軸方向に移動することよって焦点位置の粗調節を行うとともに、撮像素子の位置、すなわち焦点面を駆動することにより、焦点位置の微調節を行っている。
【０００３】
本願発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】特開２００３−３０２５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に記載の装置では、撮像素子自体を移動しているため、微調節における焦点位置の最小変化量が撮像素子を移動するアクチュエータに依存する。したがって、より細かな焦点位置の微調節を行うことができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による焦点調節システムは、被写体に対する焦点検出を行う第１焦点検出手段と、撮影光学系のフォーカスレンズを移動し、焦点調節を行う第１焦点調節手段と、撮影光学系により結像される被写体光束の像を撮像する撮像素子と、撮像素子からの撮像信号に基づいて焦点検出を行う第２焦点検出手段と、撮影光学系と撮像素子との間の被写体光束中に配置されるとともに、２枚の透明な平行平板の間に封入した液体層の厚さを変更することにより、撮影光学系の光軸方向における被写体光束の結像位置を変更する光学素子と、光学素子を駆動し、焦点調節を行う第２焦点調節手段と、第１焦点検出手段による検出結果に基づいて、撮影光学系による被写体光束の結像位置の粗調節を行うように第１焦点調節手段を制御した後、第２焦点検出手段による検出結果に基づいて、撮影光学系による被写体光束の結像位置の微調節を行うように第２焦点調節手段を制御する焦点制御手段とを備える。
上記焦点調節システムにおいて、第１焦点検出手段は、撮影光学系を通過した被写体光束を用いて焦点検出を行うことができる。第１焦点検出手段は、撮影光学系と異なる光学系を通過した被写体光束を用いて焦点検出を行ってもよい。
本発明による焦点調節システムは、撮影光学系により結像される被写体光束の像を撮像する撮像素子と、撮像素子からの撮像信号に基づいて焦点検出を行う焦点検出手段と、撮影光学系と撮像素子との間の被写体光束中に配置されるとともに、２枚の透明な平行平板の間に封入した液体層の厚さを変更することにより、撮影光学系の光軸方向における被写体光束の結像位置を変更する光学素子と、光学素子を駆動し、焦点調節を行う焦点調節手段とを備える。
本発明によるカメラは、上述したいずれかの焦点調節システムを備える。
【発明の効果】
【０００６】
２枚の平行平板の間に封入した液体層の厚さを変更することにより被写体光束の結像位置を変更する光学素子を用いるので、焦点調節システムにおいて微細な焦点調節を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態による焦点調節システムについて説明する。図１は、デジタル一眼レフカメラに搭載される焦点調節システムの構成を説明する図である。図１に示すようにデジタル一眼レフカメラは、焦点調節システムが設けられたカメラ本体１と、撮影光学系２１を有するレンズ鏡筒２とを備える。
【０００８】
焦点調節システムは、第１焦点調節部１１と、第１焦点検出部１２と、第２焦点調節部１３と、第２焦点検出部１４と、ミラー１５と、焦点位置変更部材１６と、撮像素子１７と、焦点制御部１８等を備える。なお、第１焦点調節部１１と第１焦点検出部１２は、撮影光学系２１内の図示しないフォーカスレンズを駆動して、被写体光束が結像する結像位置（撮影光学系２１の焦点位置）を粗調節する粗調節用であり、第２焦点調節部１３と第２焦点検出部１４は、後述する焦点位置変更部材１６の厚さを変化させて、被写体光束が結像する結像位置（撮影光学系２１の焦点位置）を微調節する微調節用である。
【０００９】
上述したように、撮影光学系２１のフォーカスレンズは、撮影光学系２１を通過した被写体光束（光像）が撮像素子１７の撮像面上に結像するように、撮影光学系２１の焦点位置を調節するレンズである。図１に示すようにミラー１５が光路中に挿入されている場合、撮影光学系２１を通過した被写体光束はミラー１５のサブミラー１５ａで全反射されて第１焦点検出部１２に導かれる。
【００１０】
第１焦点検出部１２は、焦点検出光学部材、光電変換素子、Ａ／Ｄ変換部および演算回路等（いずれも不図示）を備えており、いわゆる位相差検出方式による焦点検出を行う。ミラー１５で反射された被写体光束は、焦点検出用の領域（フォーカスエリア）に対応する光束が、焦点検出光学部材を介して視差のある一対の被写体像として、一対の光電変換素子に結像する。光電変換素子は、結像された一対の被写体像をその光強度分布に応じた電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換部に出力する。演算回路は、Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換された信号に基づいて被写体像のデフォーカス量を算出する。
【００１１】
焦点制御部１８は、第１焦点検出部１２で算出されたデフォーカス量に基づいてフォーカスレンズの移動量を算出する。そして、算出したフォーカスレンズ移動量に従って、例えばモータからなる第１焦点調節部１１を制御し、撮影光学系２１のフォーカスレンズを光軸Ｏ方向に移動して焦点調節（粗調節）を行う。
【００１２】
撮像素子１７は、例えば、二次元ＣＣＤイメージセンサ等によって構成され、撮像面上の被写体像を撮像し、各画素に対応する撮像信号を出力する。撮像素子１７から出力される撮像信号は、各画素に入射される光の強さに応じてその信号レベルが異なる。なお、撮像素子１７は、ＣＣＤの代わりにＭＯＳセンサやＣＩＤなどを用いて構成してもよい。撮像素子１７は、不図示のコントロール回路で生成されるタイミング信号によって駆動される。
【００１３】
第２焦点検出部１４は、撮像素子１７から出力された撮像信号に基づいて焦点検出を行う。なお、撮像素子１７から出力された撮像信号は、所定の処理を施されて撮影画像として用いられる。第２焦点検出部１４は、Ａ／Ｄ変換部、画像記録回路、バンドパスフィルタ、積算回路および焦点評価値演算回路等（いずれも不図示）を含み、いわゆるコントラスト方式の焦点検出を行う。
【００１４】
第２焦点検出部１４のＡ／Ｄ変換部は、撮像素子１７から出力された撮像信号をデジタル信号に変換し、メモリなどで構成される画像記録回路に画像データとして格納する。バンドパスフィルタは、画像記録回路に格納されている画像データのうち、フォーカスエリアに対応する画像データから高周波成分を抽出する。バンドパスフィルタによるフィルタ処理後の画像データは、フィルタ処理前の画像データに比べて、低周波数成分、とくに直流成分が除去されている。
【００１５】
第２焦点検出部１４の積算回路は、上記フィルタ処理後の高周波数成分による差分の絶対値を積算する。焦点評価値演算回路は、上記積算値を用いて焦点評価値を演算する。焦点評価値の演算は、フォーカスレンズを光軸Ｏ方向に移動させながら繰り返し行う。第２焦点検出部１４で繰り返し焦点評価値を算出する場合の算出レートは、撮像素子１７による撮像時間、フィルタ処理および積算値算出に要する時間によって決定される。従って、焦点評価値は算出レートごとの離散データとして取得される。
【００１６】
焦点評価値演算回路は、取得された複数のデータ、例えば焦点評価値曲線の最大点を含む３点について、いわゆる３点内挿演算を行って焦点評価値曲線の極大点に対応する合焦レンズ位置を算出する。合焦レンズ位置は、撮像素子１７によって撮像される被写体像のエッジのボケをなくし、画像のコントラストを最大にする位置である。
【００１７】
焦点制御部１８は、第２焦点検出部１４で算出された合焦レンズ位置に基づいてフォーカスレンズの移動量を算出する。さらに、算出したフォーカスレンズ移動量に基づいて、焦点位置変更部材１６の厚さをどれだけ変化させるかを算出する。焦点位置変更部材１６は、撮影光学系２１による被写体光束の結像位置（焦点位置）を変更する光学素子である。図２に、焦点位置変更部材１６の構成を示す。
【００１８】
図２に示すように、焦点位置変更部材１６は、透明な平行平板１６ａ、１６ｂと、蛇腹部材１６ｃとを備えている。平行平板１６ａ，１６ｂと蛇腹部材１６ｃとで形成される内部空間には、所定の屈折率ｎを有する液体または粘性のある物質が封入される。平行平板１６ａ，１６ｂは、例えばガラス板やプラスチック材からなり、互いに平行で、それぞれ光軸Ｏに直交するように配置される。被写体側に位置する平行平板１６ａはその位置が固定されており、撮像素子１７側に位置する平行平板１６ｂは、例えばモータ、圧電アクチュエータ等を有する駆動部１６ｅにより光軸Ｏ方向に移動可能となっている。駆動部１６ｅによって平行平板１６ｂを移動すると、液体層１６ｄの光軸Ｏ方向の厚さｄが変化する。なお、液体層１６ｄが封入される内部空間は不図示の液体タンクと接続されており、平行平板１６ｂの移動に伴って内部空間内の液体の量が調節される。
【００１９】
ここで、撮影光学系２１と撮像素子１７の間の空間に厚さｄ、屈折率ｎの透明な平行平板を挿入する場合を考える。このとき、撮影光学系２１の焦点位置は、
ｄ（１−１／ｎ）            ・・・（式１）
だけ変化する。したがって、焦点位置変更部材１６に用いられる液体層１６ｄの屈折率ｎ＝１．３とし、液体層１６ｄの厚さｄを変化させると、撮影光学系２１の焦点位置がおよそｄ／４だけ変化する。すなわち、駆動部１６ｅで変化させる液体層１６ｄの厚さｄに対して、撮影光学系２１の焦点位置を微細に変化させることができる。
【００２０】
焦点制御部１８は、第２焦点検出部１４の検出結果に基づいて算出したフォーカスレンズ移動量に対応する液体層１６ｄの厚さｄの変化量を算出する。そして、算出した厚さ変化量に従って第２焦点調節部１３を制御し、平行平板１６ｂを光軸Ｏ方向に移動して焦点調節（微調節）を行う。
【００２１】
このように、本発明の一実施の形態においては、第１焦点検出部１２および第１焦点調節部１１を用いて撮影光学系２１のフォーカスレンズを移動し、焦点位置を粗調節する。さらに、第２焦点検出部１４および第２焦点調節部１３を用いて焦点位置変更部材１６を駆動、すなわち液体層１６ｄの厚さｄを変化させることにより、焦点位置を微調節する。以下に、一実施の形態による焦点調節システムの動作を、図３のフローチャートを用いて説明する。本処理は、不図示のレリーズスイッチが半押し操作されることにより開始される。
【００２２】
まず、ステップＳ１０で第１焦点検出部１２は、撮影光学系２１を通過してミラー１５で反射された被写体光束を受光し、取得した被写体像からデフォーカス量を算出する。ステップＳ２０で焦点制御部１８は、ステップＳ１０で算出されたデフォーカス量に基づいて、フォーカスレンズの移動量（第１のレンズ移動量）を算出する。ステップＳ３０では、ステップＳ２０で算出した第１のレンズ移動量に基づいて第１焦点調節部１１を制御し、フォーカスレンズを移動して焦点位置の粗調節を行う。
【００２３】
焦点位置の粗調節を行った後、レリーズスイッチが全押し操作されると、ステップＳ４０においてミラー１５が光路から退避される。
【００２４】
つづくステップＳ５０では、フォーカスレンズを光軸Ｏ方向に移動しながら、第２焦点検出部１４において撮像素子１７からの撮像信号により焦点評価値を算出し、合焦レンズ位置を算出する。ここで、フォーカスレンズを移動させるサーチ範囲は、ステップＳ１０で行った位相差方式による焦点検出の誤差およびフォーカスレンズの駆動におけるバックラッシュ等を考慮するとともに、コントラスト方式（いわゆる山登り方式）によって得られる焦点評価値曲線の極大値を含むと予測される最小の範囲に設定する。例えば、位相差検出方式によって算出されるフォーカスレンズの合焦位置を中心として、サーチ範囲を設定する。
【００２５】
ステップＳ６０で焦点制御部１８は、ステップＳ５０で算出された合焦レンズ位置に基づいて、現在位置からのフォーカスレンズの移動量（第２のレンズ移動量）を算出する。さらに、第２のレンズ移動量に対応する焦点位置変更部材１６の液体層１６ｄの厚さｄの変化量を算出する。
【００２６】
ステップＳ７０では、ステップＳ６０で算出された厚さ変化量に基づいて、第２焦点調節部１３を制御し、焦点位置変更部材１６の平行平板１６ｂを光軸Ｏ方向に移動する。その結果、液体層１６ｄの厚さｄが変化し、焦点位置の微調節を行うことができる。焦点位置の微調節を行った後、電子カメラにおいて通常の撮像動作が行われる。
【００２７】
−変形例−
上述した一実施の形態では、焦点調節システムをデジタル一眼レフカメラに搭載し、第１焦点検出部１２において撮影光学系２１を通過した光束を用いて位相差方式の焦点検出を行う例を説明した。ただし、アクティブ方式や外光パッシブ方式などのように、撮影光学系２１を通過しない外部の光束を用いて焦点検出（測距）を行ってもよい。この場合、ミラー１５を省略することができ、構成がコンパクトになるので、焦点調節システムをコンパクトデジタルカメラに搭載することができる。
【００２８】
図４に、一実施の形態の変形例における焦点調節システムの構成を説明する図を示す。図４において、図１に示した構成部材と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付している。第１焦点検出部１２０は、撮影光学系２１を通過しない被写体光束による被写体の像を撮像し、取得した撮像信号を用いて位相差方式による焦点検出を行う。焦点制御部１８は、第１焦点検出部１２０で算出されたデフォーカス量に基づいて第１のレンズ移動量を算出し、第１焦点調節部１１を制御する。
【００２９】
第２焦点検出部１４および第２焦点調節部１３による焦点位置の微調節の方法は、上述した一実施の形態と同様である。なお、第１焦点検出部１２０による焦点検出方式は、光を投射するアクティブ方式でも、被写体の輝度分布により測距を行うパッシブ方式でもよい。
【００３０】
なお、上述した一実施の形態においては、図３のステップＳ５０においてフォーカスレンズを移動しながら、第２焦点検出部１４において焦点評価値を取得した。ただし、これには限定されず、フォーカスレンズをサーチ移動する代わりに、焦点位置変更部材１６の厚さｄを変化させながら、焦点評価値を取得してもよい。この場合、焦点位置変更部材１６の厚さｄの変化に対して焦点距離の変化が小さくなるため、焦点評価値をきめ細かく取得して、合焦位置を正確に算出することが可能となる。
【００３１】
なお、上述した一実施の形態においては、焦点位置変更部材１６を、図１に示すようにミラー１５と撮像素子１７との間に配置した。ただし、これには限定されず、焦点位置変更部材１６は、撮影光学系２１と撮像素子１７との間の光路中に配置すればよい。
【００３２】
また、第１焦点調節部１１および第１焦点検出部１２，１２０を省略して、第２焦点調節部１３および第２焦点検出部１４のみをカメラに搭載することも可能である。この場合も、上述した一実施の形態と同様に、第２焦点検出部１４の検出結果に基づいて、第２焦点調節部１３により焦点位置変更部材１６の液体層１６ｄの厚さｄを変更する。第１焦点検出部１２と第１焦点調節部１１による焦点位置の粗調節は行われないが、焦点位置変更部材１６を用いることによって、焦点位置の微細な調節を行うことができる。
【００３３】
なお、上記の実施の形態では、第２焦点検出部１４は撮像素子１７で得られる信号を用いて焦点検出する構成としたが、例えば、ミラー１５で反射されて観察光学系へ向かう光束の結像位置に別設した撮像素子で得られる信号を用いる構成としてもよい。この場合、露光前の、ミラー１５がダウンしている状態でも微調節を行うことが可能となり、レリーズ時の時間的ロスを低減することができる。
【００３４】
以下に、上述した一実施の形態による焦点調節システムの作用効果を説明する。
（１）第１焦点検出部（第１焦点検出手段）１２は、被写体からの光束を用いて位相差方式により被写体に対する焦点検出を行い、第１焦点調節部（第１焦点調節手段）１１は、撮影光学系２１のフォーカスレンズを移動して焦点調節を行う。第２焦点検出部（第２焦点検出手段）１４は、撮影光学系２１により結像される被写体光束の像を撮像する撮像素子１７からの撮像信号に基づいて、コントラスト方式により焦点検出を行う。第２焦点調節部（第２焦点調節手段）１３は、焦点位置変更部材１６を駆動して焦点調節を行う。焦点位置変更部材１６は、撮影光学系２１と撮像素子１７との間の被写体光束中、すなわち被写体光束の光路中に配置されており、２枚の透明な平行平板１６ａ，１６ｂの間に封入した液体層１６ｄの厚さｄを変更することにより、撮影光学系２１の光軸方向における被写体光束の結像位置を変更することができる。焦点制御部（焦点制御手段）１８は、第１焦点検出部１２による検出結果に基づいて撮影光学系２１の焦点位置の粗調節を行うように第１焦点調節部１１を制御した後、第２焦点検出部１４による検出結果に基づいて撮影光学系の焦点位置の微調節を行うように第２焦点調節部１３を制御する。したがって、以下のような効果が得られる。
ａ．フォーカスレンズを移動して焦点調節を行う場合、駆動伝達にバックラッシュ等があり焦点位置の細かい制御が難しい。しかし、フォーカスレンズによる粗調節と焦点位置変更部材１６による微調節とを組み合わせることにより、焦点位置の微細な調節が可能となる。
ｂ．焦点位置変更部材１６の液体層１６ｄの厚さｄを変更することにより焦点位置を調節するので、フォーカスレンズや撮像素子１７自体を移動する場合に比べて、より細かな焦点調節を行うことができる。
ｃ．撮像素子１７自体を移動する場合に比べてシステムをコンパクトにすることができる。
【００３５】
（２）第２焦点検出部（焦点検出手段）１４は、撮影光学系２１により結像される被写体光束の像を撮像する撮像素子１７からの撮像信号に基づいて、コントラスト方式により焦点検出を行う。第２焦点調節部（焦点調節手段）１３は、焦点位置変更部材１６を駆動して焦点調節を行う。焦点位置変更部材１６は、撮影光学系２１と撮像素子１７との間の被写体光束中、すなわち被写体光束の光路中に配置されており、２枚の透明な平行平板１６ａ，１６ｂの間に封入した液体層１６ｄの厚さｄを変更することにより、撮影光学系２１の光軸方向における被写体光束の結像位置を変更する。したがって、以下のような効果が得られる。
ａ．焦点位置変更部材１６の液体層１６ｄの厚さｄを変更することにより焦点位置を調節するので、フォーカスレンズや撮像素子１７自体を移動する場合に比べて、より細かな焦点調節を行うことができる。
ｂ．撮像素子１７自体を移動する場合や、第１焦点調節部１１および第１焦点検出部１２，１２０を設ける場合に比べてシステムをコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施の形態による焦点調節システムの構成を説明する図。
【図２】焦点位置変更部材の構成を示す図。
【図３】一実施の形態による焦点調節システムの動作を説明するフローチャート。
【図４】一実施の形態の変形例による焦点調節システムの構成を説明する図。
【符号の説明】
【００３７】
１１：第１焦点調節部
１２，１２０：第１焦点検出部
１３：第２焦点調節部
１４：第２焦点検出部
１５：ミラー
１６：焦点位置変更部材
１７：撮像素子
１８：焦点制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006106173.tif 000005
【図４】
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