(57)【要約】【課題】  特定波長域の光束を分離する分離面と撮像素子との距離を短く抑えつつ、像分離検出を容易に行うことができる焦点検出装置の提供。【解決手段】  撮影レンズ１と撮像素子５との間には、特定波長域の測距用光束を反射する波長選択反射鏡３が配設されている。波長選択反射鏡３を透過した撮像用の光束は撮像素子５上に投影される。一方、波長選択反射鏡３で反射された測距用光束は、像分離光学素子であるスプリットプリズム７に入射し、撮影レンズ１の焦点調節状態に応じて像分離され測距素子８により検出される。波長選択反射鏡３は測距用光束に対して凹レンズとしての作用を有しているので、結像位置がスプリットプリズム７側に延びると共に、像が拡大される。その結果、プリズムブロック４と撮像素子との距離を短くしても、プリズムブロック４の外側に像を形成することができる。【選択図】        図１
2006235353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズを通過した光に含まれる特定波長域の光を焦点検出用光束として分離すると共に前記特定波長域以外の撮影用光束を透過して撮影用撮像面に導き、前記焦点検出用光束に対して負の屈折力を有し、前記焦点検出用光束による像の拡大像を形成する第１の光学素子と、
前記撮影用撮像面と光学的にほぼ等価な位置に配設され、前記撮影レンズの焦点調節状態に応じて前記拡大像を複数方向に分離する第２の光学素子と、
前記第２の光学素子により分離された前記拡大像を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点検出装置において、
前記第１の光学素子と、前記焦点検出用光束を全反射して前記第２の光学素子へと導く導波路とが一体に形成された光学ブロックを備えたことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の焦点検出装置において、
前記負の屈折力は分離された前記焦点検出用光束が略平行光となるように設定され、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に配設され、略平行光とされた前記焦点検出用光束を前記撮影用撮像面と光学的にほぼ等価な位置に結像させるレンズをさらに備えたことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の焦点検出装置において、
前記光学ブロックにおける前記焦点検出用光束の出射面に、前記レンズを一体に形成したことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の焦点検出装置において、
前記撮影用光束は、互いに異なる分光透過特性を有するフィルタ素子からなるフィルタを介して撮影されるものであり、
前記第１の光学素子をホログラムとし、このホログラムは、前記フィルタ素子の各透過率ピーク近傍の波長域を除外した波長領域の光を前記焦点検出用光束として分離すること特徴とする焦点検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の焦点検出装置と、
前記第１の光学素子を透過した撮影用光束による被写体像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点検出装置およびそれを備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カメラの焦点検出装置として、撮影光束に含まれる赤外域の成分を分離面（ビームスプリッタ）を有するプリズムで分離し、その光束成分を位相差検出方式の検出光学系で検出して測距を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。分離面を透過した可視光はカメラの撮像面に結像され、分離面で反射された赤外光束はプリズム内を通過し検出光学系に導かれる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４０２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した焦点検出装置では、分離面で反射された赤外光束はプリズムブロック内を導波された後にプリズムブロック外へ出射され、検出光学系に入射する構造となっている。このような焦点検出装置では、バックフォーカスを短くしようと撮影用撮像面と分離面との距離を小さく設定すると、プリズムブロック内に赤外光束の焦点ができてしまうことになる。そのため、焦点がプリズムブロック外に形成されるようにバックフォーカスを長くする必要があり、カメラが大型化する要因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による焦点検出装置は、撮影レンズを通過した光に含まれる特定波長域の光を焦点検出用光束として分離すると共に特定波長域以外の撮影用光束を透過して撮影用撮像面に導き、焦点検出用光束に対して負の屈折力を有し、焦点検出用光束による像の拡大像を形成する第１の光学素子と、撮影用撮像面と光学的にほぼ等価な位置に配設され、撮影レンズの焦点調節状態に応じて拡大像を複数方向に分離する第２の光学素子と、第２の光学素子により分離された拡大像を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の焦点検出装置において、第１の光学素子と、焦点検出用光束を全反射して第２の光学素子へと導く導波路とが一体に形成された光学ブロックを備えたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の焦点検出装置において、負の屈折力は分離された焦点検出用光束が略平行光となるように設定され、第１の光学素子と第２の光学素子との間に配設され、略平行光とされた焦点検出用光束を撮影用撮像面と光学的にほぼ等価な位置に結像させるレンズをさらに備えたものである。
請求項４の発明は、請求項３に記載の焦点検出装置において、光学ブロックにおける焦点検出用光束の出射面に、レンズを一体に形成したものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の焦点検出装置において、撮影用光束は、互いに異なる分光透過特性を有するフィルタ素子からなるフィルタを介して撮影されるものであり、第１の光学素子をホログラムとし、このホログラムは、フィルタ素子の各透過率ピーク近傍の波長域を除外した波長領域の光を焦点検出用光束として分離するようにしたものである。
請求項６の発明による撮像装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の焦点検出装置と、第１の光学素子を透過した撮影用光束による被写体像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、負の屈折力を有する第１の光学素子により焦点検出用光束を分離するようにしたので、撮像素子と第１の光学素子との距離を短く抑えつつ拡大像の分離を容易に検出することができる。さらに、第１の光学素子により拡大像を形成することができるので、焦点検出精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による焦点検出装置の一実施の形態を説明する図であり、焦点検出装置をカメラに適用した場合の概略構成を示す。焦点検出装置は、波長選択反射鏡３が形成されたプリズムブロック４と、スプリットプリズム７と測距素子８とを備えている。
【０００８】
プリズムブロック４は撮影レンズ１と撮像素子５との間の光軸上に配置され、撮影レンズ１によって集光された被写体光束が入射する。撮像素子５には、ＣＣＤ撮像素子等が用いられる。プリズムブロック４に形成された波長選択反射鏡３は、撮像に使用しない近赤外領域の光を反射するように構成されており、例えば、図２の曲線２１で示すような波長域の光を反射するダイクロイック膜が使用される。
【０００９】
図２は、本実施の形態の波長選択反射鏡３で反射される光の波長域を示したものであり、縦軸は反射率を表す。図２において、曲線２１は反射光の反射特性を示す曲線であり、近赤外領域の光が反射される。なお、参考として示した曲線１８〜２０は、撮像素子５に設けられたＲＧＢカラーフィルタの透過特性を示したものであり、曲線１８はＲフィルターの透過特性、曲線１９はＧフィルターの透過特性、曲線２０はＢフィルターの透過特性を示している。すなわち、撮像素子５が撮像に用いる使用波長帯域は４００ｎｍ〜７００ｎｍ付近となる。なお、曲線１８〜２０に対しては、縦軸は透過率を表している。
【００１０】
波長選択反射鏡３で反射された近赤外域の光束は、像分離光学素子であるスプリットプリズム７に入射する。スプリットプリズム７は、撮像素子５の撮像面と光学的に等価な位置に配置されている。スプリットプリズム７は撮影レンズ１の焦点調節状態に応じて被写体像を分離し、分離された像は測距素子８によって検出される。なお、後述するように、波長選択反射鏡３は特定波長の光を反射するとともに、反射光に対しては負の屈折力を有する凹レンズとして作用する。
【００１１】
撮像素子５および測距素子８からの出力信号は、カメラの制御回路９に入力される。
制御回路９には、カメラの操作を制御するインターフェイス回路や、測距素子８からの信号に基づいて測距演算を行うＡＦ回路、撮像素子５からの撮像信号に基づいて画像処理を行う画像処理回路などが含まれる。画像処理後の画像データはメモリ１１に保存される。１２は表示装置であり、画像処理後の画像データを表示回路１０を介して逐次表示したり、メモリ１１の画像データを読み込んで表示したりすることができる。制御回路９は測距素子８の像ずれ情報から焦点調節状態を算出し、ＡＦ駆動機構２を駆動して撮影レンズ１の焦点合わせ動作を行う。
【００１２】
図３は光路を説明する図であり、（ａ）は撮像に用いる光束の光路を示し、（ｂ）は測距に用いる光束の光路を示す。図３（ａ）では光束に対する波長選択反射鏡３の影響はないため、これの図示を省略した。また、図３（ｂ）では、反射鏡３を含む反射系をそれと等価な屈折系に置き換えて図示しており、波長選択反射鏡３を凹レンズとして図示した。図３（ａ）に示すように、被写体光束は撮影レンズ１で集光され、被写体像１３を結像する。そして、この被写体像１３を撮像素子５で撮像する。
【００１３】
一方、撮影レンズ１とスプリットプリズム７との間に配置された波長選択反射鏡３は、負の屈折力を有する凹レンズとして作用するため、撮影レンズ１のテレコンバータとして機能する。その結果、被写体像１３よりも大きな拡大像１４が、スプリットプリズム７の近傍位置に形成される。
【００１４】
図４は、スプリットプリズム７の作用、すなわち測距の原理を説明する図である。スプリットプリズム７は一対のプリズム７Ｒ，７Ｌから成り、測距素子８には各プリズム７Ｒ，７Ｌに対応したセンサ列１６Ｒ，１６Ｌが設けられている。図４（ａ）は前ピン状態を示したものであり、光束はスプリットプリズム７よりも撮影レンズ１側で焦点を結び、スプリットプリズム７による像分離作用が生じる。
【００１５】
この場合、プリズム７Ｌに入射した左光束は、センサ列１６Ｌの中心よりも図示左側にずれて投影される。一方、プリズム７Ｒに入射した右光束は、センサ列１６Ｒの中心よりも右側にずれて投影される。このとき、センサ列１６Ｒ，１６Ｌから出力される信号波形は、それぞれ曲線１７Ｒ，１７Ｌのようになる。２つの波形１７Ｒ，１７Ｌのズレ量とデフォーカス量との関係が既知であれば、像ズレ量ｄ１からデフォーカス量を算出することができる。
【００１６】
図４（ｂ）は合焦状態を示したものであり、光束はプリズム７Ｒ，７Ｌの斜面上に焦点を結ぶ。この場合には左右光束は、いずれも偏向されずにセンサ列１６Ｒ，１６Ｌに入射する。このとき、センサ列１６Ｒ，１６Ｌから出力される信号波形１７Ｒ，１７Ｌは一致する。すなわち、像ズレ量ｄ１がｄ１＝０となったときが合焦となる。なお、図４（ｂ）では、信号波形１７Ｒ，１７Ｌが判りやすいように、それらをわずかにずらして描いた。
【００１７】
図４（ｃ）は後ピン状態を示したものであり、光束はスプリットプリズム７よりもセンサ列１６Ｒ，１６Ｌ側で焦点を結ぶ。この場合には、図４（ａ）に示した前ピン状態とは逆方向に像ズレが生じるが、この像ズレ量から焦点調節状態を算出することができる。
【００１８】
本実施の形態では、波長選択分離鏡３に負の屈折力を持たせたことにより、測距に用いる像を拡大して観察できるためスプリットプリズム７による像分離量が拡大され、焦点検出精度を向上させることができる。また、拡大像１４の光軸距離および拡大率は、波長選択反射鏡３の屈折力を変えることにより調節できるので、波長選択反射鏡３からスプリットプリズム７までの距離を充分に確保しつつ、波長選択反射鏡３と撮像素子５との距離を短くすることが可能となる。そのため、無駄な空間を生じることなく、カメラの小型化を図ることができる。
【００１９】
上述した実施の形態では、波長選択反射鏡３で反射される光は近赤外域の波長を有しており、図２の曲線１８〜２０で示す撮像素子５の使用波長とほとんど重ならないようにした。従来のデジタルカメラでは撮像素子５に一体化した赤外カットフィルターで赤外域の光を除去しているが、波長選択反射鏡３で反射される近赤外域の光は、この除去されて撮像に使用されない波長領域に含まれている。そのため、撮影レンズ１を通過した光束の一部を測距に用いても、撮像側の光量低下を招くことがない。
【００２０】
なお、波長選択反射鏡３として、図２の曲線２１に示すような反射特性を有するダイクロイック膜を用いる代わりに、ホログラムを使用しても良い。ホログラムを波長選択反射鏡３の代わりに用いた場合、特定の波長の光を回折分離して測距用光束として利用することができる。例えば、図５に示すように曲線１８〜２０の谷部分、すなわち各フィルターの各透過率ピーク近傍の波長域を除外した波長領域の光２２〜２４を測距用光束に使用することで、可視光を測距に用いつつ撮像に使用する光束への影響を小さく抑えることができる。もちろん、ホログラムで回折分離する測距用光束は可視光に限らず、赤外域の光でも良い。
【００２１】
さらに、焦点検出方法として、像をスプリットプリズム７で分割して観察する方法を採用しているため、撮影レンズ１の瞳径や焦点距離の影響を受け難く、本発明は焦点距離が数ミリ程度の撮影レンズ１にも適用することができる。
【００２２】
［変形例１］
図６，７は、上述した実施の形態の第１の変形例を示す図である。図６はカメラに実装された状態の焦点検出装置を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はフレキシブル基板上に実装された撮像素子５と測距素子８とを示す平面図である。図６（ｂ）に示すように測距素子８はフレキシブル基板２５に直に実装され、撮像素子５は撮像素子用電子部品が実装されたリジッドな撮像基板２７を介してフレキシブル基板２５に実装されている。このフレキシブル基板２５は、図１に示した制御回路９に接続されている。なお、測距素子８に関しても、それに関わる電子部品が多数である場合には、撮像素子５の場合と同様にリジッドな基板を介してフレキシブル基板２５に接続するようにしても良い。
【００２３】
２６は上述した光学ローパスフィルタであり、プリズムブロック４と撮像素子５との間に配置される。プリズムブロック４内に形成された波長選択反射鏡３は撮影レンズ１側に凸形状となったダイクロイック膜で構成され、反射面をそのような凸形状とすることにより凹レンズと同様の負の屈折力を有している。波長選択反射鏡３で斜め左下方向に反射された測距用光束は、プリズムブロック４の前面４ａにより全反射されて斜め右下方向に進行方向を変え、プリズムブロック４の下方に設けられた出射面から出射される。
【００２４】
この出射面には集光用の射出面レンズ１５が一体に形成されており、スプリットプリズム７および測距素子８は、この射出面レンズ１５に対向するように配置される。射出面レンズ１５を出射した光束は、スプリットプリズム７を介して測距素子８に入射する。撮像素子５とプリズムブロック４は別体であってもかまわないが、一体化（接着であっても良い）することによって光学的な境界面が減少するので、ゴーストやフレア、透過光量の減少などを抑えることができる。なお、上述した図１に示す実施の形態は、図６において射出面レンズ１５を省略したものに相当する。
【００２５】
また、スプリットプリズム７は測距素子８の前面に接着されている。これらのプリズムブロック４，光学ローパスフィルタ２６，撮像素子５，スプリットプリズム７および測距素子８は筐体６に一体化され、一つの撮像ユニットを形成している。このように撮像素子５と焦点検出装置の各部品を筐体６に一体化することにより、各部品を公差内に製造することで、組み付け後の精度を容易に確保することができると共に量産性に優れている。
【００２６】
なお、波長選択反射鏡３は光軸に対して斜めに傾いたレンズとして作用するため、球面形状とすると偏心による収差が大となってしまう。そのため、このような収差を小さく抑えるために、光軸に対して回転非対称な屈折力分布を持つ自由曲面形状とすることが好ましい。また、プリズムブロック４に形成された射出面レンズ１５に、収差を補正するような作用を持たせても良い。
【００２７】
図７は、上述した図３（ｂ）に対応する光路図であり、変形例１では波長選択反射鏡３とスプリットプリズム７との間に射出面レンズ１５が配設される。被写体光束は撮影レンズ１によって集光するように屈折されるが、波長選択反射鏡３により反射されれた測距用光束は、波長選択反射鏡３の凹レンズ作用によりいったん略平行な光束とされる。その後、射出面レンズ１５により集光されて拡大像１４が形成される。
【００２８】
測距用光束は、波長選択反射鏡３から射出面レンズ１５まではプリズムブロック４内を導波されることになるが、略平行光とすることによって平行平板状のプリズムブロック４を全反射により導波することが容易となる。すなわち、全反射条件から外れる光束の割合を小さくすることができる。その結果、スプリットプリズム７および測距素子８のレイアウトに関して自由度が増すと共に、波長選択反射鏡３と撮像素子５との距離を短くしつつ測距系の光路長を長く設定することができ、拡大像１４をプリズムブロック４外に形成することができる。
【００２９】
［変形例２］
変形例１では波長選択反射鏡３として近赤外域を反射するダイクロイック膜を用いたが、図８に示す変形例２では波長選択反射鏡３にホログラム２８を用いた。ホログラム２８は上述した図５に示すような特性を有すると共に、測距用光束に対して凹レンズとして作用することによりそれを略平行光とする。ホログラム２８の反射角は、測距に用いられる測距用光束が平行平板状のプリズムブロック４の前面で全反射されるように設定する。測距用光束は全反射を繰り返しながらプリズムブロック４内を図示下方に導波され、プリズムブロック４の下端に斜めに設けられた端面反射鏡２９により背面側に反射される。プリズムブロック４の下側背面には出射面レンズ１５が設けられており、測距用光束はこの出射面レンズ１５により集光されて拡大像を形成する。
【００３０】
変形例２では、出射面レンズ１５の屈折力を調整することで、波長選択反射鏡３の透過光の像面と反射光の像面とを略同一平面上に形成することができる。その結果、図８に示すように、撮像素子５と測距素子８とを同一のリジッドな基板２７上に実装することが可能となり、図６のようにフレキシブル基板２５で双方を連結する必要がなく、組み立て性やコスト面で優れている。また、プリズムブロック４の下部を全反射による導波路４１として用いることにより、プリズムブロック４を薄くしても拡大像をプリズムブロック４の外側に形成することができる。その結果、筐体６により一体化された撮像ユニットの厚さ寸法を小さくすることができ、カメラをより一層小型化することができる。
【００３１】
［変形例３］
図９は第３の変形例を示す図であり、単板式の撮像素子５をＲＧＢの３板式の撮像素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂとしたものである。プリズムブロック４内には、近赤外域の光を反射する波長選択反射鏡３に加えて、Ｇ光を反射するダイクロイックミラー４Ｇと、Ｂ光を反射するダイクロイックミラー５Ｂとが形成されている。光束中のＧ光はダイクロイックミラー４Ｇで反射されてＧ光用の撮像素子５Ｇに入射し、ダイクロイックミラー４Ｂで反射されたＢ光はＢ光用の撮像素子５Ｂに入射する。そして、ダイクロイックミラー４Ｂを透過したＲ光は、波長選択反射鏡３を透過してＲ光用の撮像素子５Ｒに入射する。一方、波長選択反射鏡３で反射された反射光はダイクロイックミラー４Ｂで全反射され、出射面レンズ１５を介してスプリットプリズム７へと出射される。
【００３２】
上述した実施の形態ではカメラを例に説明したが、本発明による焦点検出装置は種々の撮像装置に適用することができる。以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、波長選択反射鏡３およびホログラム２８は第１の光学素子を、スプリットプリズム７は第２の光学素子を、測距素子８は検出手段を、射出面レンズ１５はレンズを、プリズムブロック４は光学ブロックをそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による焦点検出装置の一実施の形態を説明する図であり、焦点検出装置をカメラに適用した場合の概略構成を示す。
【図２】波長選択反射鏡３の反射特性を示す図である。
【図３】光路を説明する図であり、（ａ）は撮像に用いる光束の光路を示し、（ｂ）は測距に用いる光束の光路を示す。
【図４】スプリットプリズム７の作用を説明する図であり、（ａ）は前ピン状態を、（ｂ）は合焦状態を、（ｃ）は後ピン状態をそれぞれ示す。
【図５】ホログラムを用いた場合の測距用光束の波長を示す図である。
【図６】変形例１を示す図であり、（ａ）はフレキシブル基板２５に実装された焦点検出装置の断面図を示し、（ｂ）は平面図を示す。
【図７】変形例１における光路図である。
【図８】変形例２を示す断面図である。
【図９】変形例３を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  撮影レンズ
３  波長選択反射鏡
４  プリズムブロック
５，５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ  撮像素子
７  スプリットプリズム
７Ｒ，７Ｌ  プリズム
８  測距素子
９  制御回路
１５  射出面レンズ
１６Ｒ，１６Ｌ  センサ列
２６  光学ローパスフィルタ
２８  ホログラム
４１  導波路
【図１】
2006235353.tif 000003
【図２】
2006235353.tif 000004
【図３】
2006235353.tif 000005
【図４】
2006235353.tif 000006
【図５】
2006235353.tif 000007
【図６】
2006235353.tif 000008
【図７】
2006235353.tif 000009
【図８】
2006235353.tif 000010
【図９】
2006235353.tif 000011