(57)【要約】【課題】広い距離範囲にわたって高精度かつ高速に合焦させることが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置（１）は、第１の撮像光学系（１０１）と第１の撮像素子（１０２）とを備えた第１の撮像部（１００）と、互いに異なる視点を有する第２の撮像光学系（１１１ａ）および第３の撮像光学系（１１１ｂ）と第２の撮像素子（１１２）とを備えた第２の撮像部（１１０）とを有し、第２の撮像光学系および第３の撮像光学系のそれぞれの画角は、第１の撮像光学系の画角よりも大きく、第２の撮像光学系および第３の撮像光学系はそれぞれ、少なくとも二つの反射部材（Ｐ１ａ、Ｐ２ａ；Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂ）を有し、被写体からの光を第２の撮像素子へ導く。【選択図】図１１
2018148383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の撮像光学系と第１の撮像素子とを備えた第１の撮像部と、
互いに異なる視点を有する第２の撮像光学系および第３の撮像光学系と第２の撮像素子とを備えた第２の撮像部と、を有し、
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの画角は、前記第１の撮像光学系の画角よりも大きく、
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系はそれぞれ、少なくとも二つの反射部材を有し、被写体からの光を前記第２の撮像素子へ導くことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第２の撮像光学系および第３の撮像光学系のそれぞれの前記画角は、水平方向および垂直方向のそれぞれにおいて、前記第１の撮像光学系の前記画角よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの開口部よりも被写体側において、該第２の撮像光学系と該第３の撮像光学系の光軸は互いに平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの光軸と、前記第２の撮像素子の平面とが交わる点を互いに結ぶ直線と、基線を該第２の撮像素子の各辺に平行に射影した線分のうち最も長い線分とがなす角度は４５°以上であり、
前記基線は、前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの入射瞳の中心を結ぶ線分であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの焦点距離の２倍の長さよりも、基線を前記第２の撮像素子の各辺に平行に射影した線分のうち最も長い線分の方が長いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系はそれぞれ、単焦点撮像光学系であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１の撮像光学系は単焦点撮像光学系であり、
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの前記画角は、前記第１の撮像光学系の前記画角の２倍よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１の撮像光学系の焦点距離をｆｍ、Ｆ値をＦｍ、前記第１の撮像素子の画素ピッチをｐｍ、前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの焦点距離をｆｓ、前記第２の撮像素子の画素ピッチをｐｓ、前記第２の撮像部の基線長をＤとするとき、
2018148383.tif 000016
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１の撮像光学系は変倍撮像光学系であり、
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系の前記画角は、前記第１の撮像光学系の望遠端における前記画角の２倍よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の撮像光学系の望遠端における焦点距離をｆｔｍ、Ｆ値をＦｍ、前記第１の撮像素子の画素ピッチをｐｍ、前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの焦点距離をｆｓ、前記第２の撮像素子の画素ピッチをｐｓ、前記第２の撮像部の基線長をＤとするとき、
2018148383.tif 000017
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第２の撮像光学系および第３の撮像光学系はそれぞれ、少なくとも一つのレンズを含み、該第２の撮像光学系および該第３の撮像光学系のそれぞれの光軸上において被写体に最も近いレンズは負の屈折力を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系はそれぞれ、４つのレンズからなり、
前記４つのレンズの焦点距離を該第２の撮像光学系の光軸上において被写体に近い側から順にｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４とするとき、
2018148383.tif 000018
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系はそれぞれ、４つのレンズからなり、
前記４つのレンズの焦点距離を該第２の撮像光学系の光軸上において被写体に近い側から順にｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４とするとき、
2018148383.tif 000019
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記反射部材は、該反射部材を含む前記第２の撮像光学系または前記第３の撮像光学系の光軸を９０度屈曲させることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
第１の撮像光学系を介して形成される光学像を光電変換する第１の撮像素子を有する撮像装置に対して着脱可能な撮像ユニットであって、
互いに異なる視点を有する第２の撮像光学系および第３の撮像光学系と、
前記第２の撮像光学系を介して形成される第１の光学像および前記第３の撮像光学系を介して形成される第２の光学像をそれぞれ光電変換する第２の撮像素子と、を有し、
前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系はそれぞれ、少なくとも二つの反射部材を有し、被写体からの光を前記第２の撮像素子へ導くことを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１６】
前記第２の撮像光学系および第３の撮像光学系のそれぞれの画角は、前記第１の撮像光学系の画角よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の撮像部を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、デジタルカメラにおいてフォーカス位置を変化させながら画像のコントラストを算出し、コントラストが最大となるフォーカス位置を合焦位置とするコントラストＡＦ方式によるオートフォーカスが知られている。コントラストＡＦ方式によるオートフォーカスは、合焦精度が高いが、処理が低速である。また、撮像光学系の被写界深度範囲から大きく外れた被写体に対しては、合焦を適切に行うことができない場合がある。これらの課題は、撮像光学系が、被写界深度が比較的浅い望遠レンズの場合において、特に顕著である。
【０００３】
また、画像を取得する撮影光学系とは別に被写体距離を取得するユニットを備え、このユニットが出力する距離情報に従って撮影レンズを合焦させる撮像装置が知られている。特に、主たる撮像光学系とは別に従たる２つの撮像光学系を備え、それらを用いて三角測量の原理から被写体距離を取得し、主たる撮像光学系を合焦させる撮像装置が知られている。また、従たる２つの撮像光学系の小型化および低コスト化のために、それぞれの撮像光学系が光軸を屈曲させる反射部材（例えばプリズム）を備え、２つの撮像光学系が形成する被写体像を単一の撮像素子ユニットに導く構成が知られている。
【０００４】
特許文献１には、レンジファインダとオートフォーカスユニットとを組み合わせ、それぞれの入射窓を一体としたファインダ装置が開示されている。特許文献２には、主たる撮影レンズおよび撮像素子とは別に被写体距離取得用の２つのレンズおよび２つの撮像素子を備え、それらを用いて距離マップ画像を取得する撮像装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−４３６８２号公報
【特許文献２】特開２０１３−４２３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
２つの撮像光学系を用いて被写体距離を取得する際に、それぞれの撮像光学系の被写界深度の範囲外に存在する（すなわち、ボケている）被写体に対しては、距離の算出精度が低下する。この観点から考えると、被写界深度を深くするため、被写体距離の算出に用いる２つの撮像光学系の焦点距離は短いことが好ましい。しかし、高い分解能で被写体距離を算出するには、それぞれの撮像光学系を結ぶ直線（基線）の長さ（基線長）、またはそれぞれの焦点距離が大きい必要がある。それぞれの撮像光学系の被写界深度を深くするためにステレオカメラを構成する撮像光学系の焦点距離を短くした場合、代わりに基線長を大きくすることが好ましい。
【０００７】
特許文献１に開示されているファインダ装置は、反射部材を備え、２つの対物レンズが形成する被写体像を単一の撮像素子ユニットに導く構成を有し、それぞれの対物レンズの焦点距離の和が実質的に基線長に相当する。すなわち、対物レンズの焦点距離を短くした場合、基線長を大きくすることができない。特許文献２には、主となる撮像光学系とは別の２つの撮像光学系を用いて距離マップ画像を取得する内容が開示されているが、２つの撮像光学系の構成や焦点距離を短くしながら基線長を大きくすることについては言及されていない。
【０００８】
そこで本発明は、広い距離範囲にわたって高精度かつ高速に合焦させることが可能な撮像装置および撮像ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての撮像装置は、第１の撮像光学系と第１の撮像素子とを備えた第１の撮像部と、互いに異なる視点を有する第２の撮像光学系および第３の撮像光学系と第２の撮像素子とを備えた第２の撮像部とを有し、前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系のそれぞれの画角は、前記第１の撮像光学系の画角よりも大きく、前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系はそれぞれ、少なくとも二つの反射部材を有し、被写体からの光を前記第２の撮像素子へ導く
本発明の他の側面としての撮像ユニットは、第１の撮像光学系を介して形成される光学像を光電変換する第１の撮像素子を有する撮像装置に対して着脱可能な撮像ユニットであって、互いに異なる視点を有する第２の撮像光学系および第３の撮像光学系と、前記第２の撮像光学系を介して形成される第１の光学像および前記第３の撮像光学系を介して形成される第２の光学像をそれぞれ光電変換する第２の撮像素子とを有し、前記第２の撮像光学系および前記第３の撮像光学系はそれぞれ、少なくとも二つの反射部材を有し、被写体からの光を前記第２の撮像素子へ導く。
【００１０】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広い距離範囲にわたって高精度かつ高速に合焦させることが可能な撮像装置および撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】各実施例における被写体距離の算出方法の説明図である。
【図２】各実施例における対応被写体探索処理の説明図である。
【図３】実施例１における撮像装置のブロック図である。
【図４】実施例１における撮像装置の外観図である。
【図５】実施例１における副撮像部の構成図である。
【図６】実施例１における副撮像部の撮像光学系の断面図である。
【図７】実施例１における副撮像部の撮像光学系の収差図である。
【図８】実施例１における撮像装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】実施例２における撮像装置のブロック図である。
【図１０】実施例２における撮像装置の外観図である。
【図１１】実施例２における副撮像部の構成図である。
【図１２】各実施例におけるプリズムの配置と撮像素子の倒れ誤差との関係を示す図である。
【図１３】実施例２における副撮像部の撮像光学系の断面図である。
【図１４】実施例２における副撮像部の撮像光学系の収差図である。
【図１５】実施例２における撮像装置の動作を示すフローチャートである。
【図１６】実施例３、４における撮像素子の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
まず、図１を参照して、２つの撮像光学系を用いて被写体距離を取得する方法について説明する。図１は、被写体距離の算出方法の説明であり、互いに同一の構造を有する２つの撮像光学系ＣＡ、ＣＢを用いて撮影シーンのうちの１点に存在する被写体Ｏｂｊを撮像する様子を示している。撮像素子ＳＡ、ＳＢはそれぞれ、撮像光学系ＣＡ、ＣＢにより形成された被写体像（光学像）を受光する。撮像光学系ＣＡ、ＣＢのそれぞれの入射瞳中心は（−Ｄ／２，０）、（Ｄ／２，０）に存在し、被写体Ｏｂｊは（ｘ、ｚ）に存在する。撮像光学系ＣＡ、ＣＢのそれぞれの焦点距離をｆ、撮像素子ＳＡ、ＳＢのそれぞれにおける被写体Ｏｂｊの座標をａ、ｂとすると、以下の式（１）が成立する。
【００１５】
【数１】
2018148383.tif 000003
【００１６】
式（１）において、ｂ−ａは、互いに異なる視点から同一の被写体を撮像した際の撮像面上での位置のずれ、すなわち視差である。視差ｂ−ａ（視差量）を取得することができれば、視差ｂ−ａ、撮像光学系ＣＡ、ＣＢのそれぞれの焦点距離ｆ、および、基線長Ｄを式（１）に代入することにより、被写体距離ｚ（撮像光学系の入射瞳中心から被写体Ｏｂｊまでの距離）を算出することができる。
【００１７】
続いて、図２を参照して、２つの撮像光学系を用いて取得された２つの画像から視差量を取得するための対応被写体探索処理について説明する。図２は、対応被写体探索処理の説明図であり、互いに異なる視点から撮像された画像ＩＭＧ１、ＩＭＧ２を示している。画像座標（Ｘ，Ｙ）は、図２中に示される画素群の中心を原点として定義し、水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とする。また、画像座標（Ｘ，Ｙ）に位置する画像ＩＭＧ１の画素値をＦ１（Ｘ，Ｙ）とし、画像ＩＭＧ２の画素値をＦ２（Ｘ，Ｙ）として説明する。画像ＩＭＧ１における任意の座標（Ｘ，Ｙ）に対応する画像ＩＭＧ２の画素は、座標（Ｘ，Ｙ）における画像ＩＭＧ１の画素値Ｆ１（Ｘ，Ｙ）と最も類似する画像ＩＭＧ２の画素値を探すことで求めることができる。なお、以降の説明において、画像上の対応点と対応画素とは同一の意味である。
【００１８】
ここで、図２に示される画像ＩＭＧ１、ＩＭＧ２上の縦線で示される画素Ｐ１、Ｐ２は、互いに同じ被写体からの光を記録した、対応画素（対応点）に相当する。ただし、一般的に任意の画素と最も類似する画素を探すことは難しいため、画像座標（Ｘ，Ｙ）の近傍の画素も用い、ブロックマッチング法と呼ばれる手法で類似画素を探索することができる。
【００１９】
例えば、ブロックサイズが３である場合のブロックマッチング処理について説明する。画像ＩＭＧ１の任意の座標（Ｘ，Ｙ）の画素（注目画素）、および、その前後の座標（Ｘ−１、Ｙ）、（Ｘ＋１、Ｙ）に位置する２つの画素の計３画素の画素値はそれぞれ、Ｆ１（Ｘ，Ｙ）、Ｆ１（Ｘ−１，Ｙ）、Ｆ１（Ｘ＋１，Ｙ）となる。これに対し、座標（Ｘ，Ｙ）からＸ方向にｋだけずれた画像ＩＭＧ２の画素の画素値はそれぞれ、Ｆ２（Ｘ＋ｋ，Ｙ），Ｆ２（Ｘ＋ｋ−１，Ｙ），Ｆ２（Ｘ＋ｋ＋１，Ｙ）となる。このとき、画像ＩＭＧ１の座標（Ｘ，Ｙ）に位置する注目画素と、画像ＩＭＧ２の座標（Ｘ＋ｋ，Ｙ）に位置する画素との類似度Ｅは、以下の式（２）のように定義される。
【００２０】
【数２】
2018148383.tif 000004
【００２１】
式（２）において逐次ｋの値を変えて類似度Ｅを算出し、最も小さい類似度Ｅを与える座標（Ｘ＋ｋ、Ｙ）が、画像ＩＭＧ１の注目画素に対応する画像ＩＭＧ２の画素の座標となる。ここでは、Ｘ方向にのみ逐次座標を変化させながら類似度Ｅを算出しているが、Ｙ方向、または、Ｘ方向およびＹ方向の両方向にも逐次座標を変化させながら類似度Ｅを算出してもよい。このような対応被写体探索処理を行うことにより、２つの画像のそれぞれにおける対応点（対応画素）の座標を取得することができ、それらの相違量である視差量を算出することが可能である。
【００２２】
以上説明したように、２つの撮像光学系を用いて取得した２つの画像において対応被写体探索処理を行うことにより視差量を算出し、この視差量に基づいて被写体距離を算出することができる。また、撮像光学系に応じて視差量と像面移動量であるデフォーカス量との関係は決定される。このため、その視差量に基づいてデフォーカス量を算出することができる。そして、そのデフォーカス量に基づいてレンズの繰り出し量を求め、レンズを移動し合焦させることができる（位相差ＡＦ）。
【００２３】
対応被写体探索処理を行う際、用いる２枚の画像は合焦した鮮鋭な画像であることが好ましい。すなわち、２枚の画像それぞれを撮像する際には被写体が撮像光学系の被写界深度内に収まっていることが好ましい。これは、被写体がボケている場合、真の対応点とは異なる、誤った点が対応点として算出され、結果として誤った被写体距離が算出される可能性があるためである。
【００２４】
続いて、被写体距離の算出精度について説明する。被写体距離をｓ、２つの撮像光学系間の基線長をＤ、２つの撮像光学系のそれぞれの焦点距離をｆとすると、被写体距離分解能Δｚは、以下の式（３）で表すことができる。
【００２５】
【数３】
2018148383.tif 000005
【００２６】
式（３）において、ｒは視差分解能であり、前述の対応被写体探索処理によって取得される視差量は最大±ｒの誤差を含む。被写体距離分解能Δｚは、被写体距離を算出する際の最大誤差量であり、被写体距離ｓに位置する被写体の距離を取得した際、最大±Δｚの誤差を含む被写体距離が算出されることを意味する。すなわち、被写体距離分解能Δｚが小さいほど被写体距離の算出精度が高いと言える。具体的には、被写体距離ｓが小さい（被写体が近い）ほど、基線長Ｄが大きいほど、焦点距離ｆが大きいほど、または、視差分解能ｒが小さいほど、被写体距離の算出精度が高くなる。
【００２７】
各実施例の撮像装置（撮像システム）は、第１の撮像部（主撮像部）と第２の撮像部（副撮像部）とを有する。主撮像部は、１つの撮像光学系および１つの撮像素子を有し、画像を撮像する主たる撮像部である。副撮像部は、２つの撮像光学系と１つの撮像素子を有し、それらを用いて前述の被写体距離を取得する。撮像装置は、副撮像部を用いて取得した被写体距離情報に基づいて主撮像部を合焦させる。ここで、副撮像部の２つの撮像光学系のそれぞれの画角は、主撮像部の撮像光学系の画角よりも大きく、副撮像部を用いることで主撮像部の画角全域の被写体距離を取得することができる。このため撮像装置は、主撮像部の画角内の任意の被写体の距離を取得し、主撮像部を被写体に合焦させることが可能である。主撮像部の撮像光学系の被写界深度よりも前述の被写体距離分解能Δｚが小さければ、撮像装置は副撮像部により取得された被写体情報を用いて、主撮像部を精度よく合焦させることができる。
【００２８】
撮像光学系の焦点距離ｆ、Ｆ値をＦ、被写体距離をｓ、許容錯乱円δとすると、被写界深度ＤｏＦは一般的に以下の式（４）のように表すことができる。
【００２９】
【数４】
2018148383.tif 000006
【００３０】
主撮像部の撮像光学系のパラメータを用いて算出した被写界深度ＤｏＦよりも、副撮像部の撮像光学系のパラメータを用いて算出した被写体距離分解能Δｚが小さければ、副撮像部の情報を用いて主撮像部の撮像光学系を合焦させることができる。各実施例の撮像装置は、以下の条件式（５）を満たしている。
【００３１】
【数５】
2018148383.tif 000007
【００３２】
条件式（５）において、ｆｍは主撮像部の撮像光学系の焦点距離、ＦｍはＦ値、δｍは許容錯乱円、ｆｓは副撮像部の撮像光学系の焦点距離、Ｄは基線長、ｒｓは視差分解能である。条件式（５）を変形すると、以下の条件式（６）の関係を導くことができる。
【００３３】
【数６】
2018148383.tif 000008
【００３４】
条件式（６）において、焦点距離ｆｓ、ｆｍよりも被写体距離ｓが十分に大きく、視差分解能ｒｓおよび許容錯乱円δｍは焦点距離ｆｍ、ｆｓおよび基線長Ｄよりも十分に小さいと見なして近似すると、以下の条件式（７）を得ることができる。
【００３５】
【数７】
2018148383.tif 000009
【００３６】
許容錯乱円δｍおよび視差分解能ｒｓは、主撮像部が備える撮像素子の画素ピッチｐｍ、副撮像部が備える撮像素子の画素ピッチｐｓにそれぞれ依存する。ここまで、副撮像部を用いて主撮像部を合焦させる処理に対する、主撮像部および副撮像部の各パラメータの影響を説明した。
【００３７】
好ましくは、各実施例の撮像装置は、以下の条件式（８）を満たす。
【００３８】
【数８】
2018148383.tif 000010
【００３９】
主撮像部および副撮像部の各パラメータが条件式（８）を満たすことにより、副撮像部を用いて主撮像部を良好に合焦させることが可能になる。
【００４０】
より好ましくは、各実施例の撮像装置は、以下の条件式（９）を満たす。
【００４１】
【数９】
2018148383.tif 000011
【００４２】
好ましくは、各実施例の副撮像部が備える撮像光学系は、４つのレンズおよび２つの反射部材により構成されている。より好ましくは、４つのレンズのそれぞれの焦点距離を撮像光学系の光軸上で被写体に近い側から順にｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４とすると、以下の条件式（１０）、（１１）、（１２）を満たしている。
【００４３】
【数１０】
2018148383.tif 000012
【００４４】
これらの条件式を満たすことにより、撮像光学系の後側主点位置が撮像素子に近くなるため、焦点距離よりも撮像光学系の全長を長くすることができる。その結果、２つの反射部材を有する撮像光学系において、焦点距離を短く抑えながら副撮像部の基線長Ｄを長くすることができ、条件式（８）を満足する撮像装置を実現することが可能となる。ここまで、本発明の撮像装置が行う合焦方法の概要について説明した。以下、撮像装置（撮像ユニット）について、各実施例において詳述する。
【実施例１】
【００４５】
まず、図３を参照して、本発明の実施例１における撮像装置１について説明する。図３は、撮像装置１のブロック図である。
【００４６】
撮像装置１は、主として被写体の撮像に用いられる主撮像部１００（第１の撮像部）と、被写体の距離を取得する副撮像部１１０（第２の撮像部）とを有する。主撮像部１００は、撮像光学系１０１（第１の撮像光学系）と撮像素子１０２（第１の撮像素子）とを備えて構成される。撮像光学系１０１は、１つ以上のレンズ、絞り１０１Ａ、および、フォーカスレンズ１０１Ｆとを備えて構成されており、被写体（不図示）からの光を撮像素子１０２上に結像させる。また撮像光学系１０１は、その内部に設けられた１つ以上のレンズが駆動することで焦点距離が変化する変倍撮像光学系である。好ましくは、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの画角は、撮像光学系１０１の望遠端における画角の２倍よりも大きい。また、本実施例のように主撮像部の撮像光学系が変倍撮像光学系である場合、主撮像部の撮像光学系の望遠端における焦点距離をｆｔｍとすると、条件式（８）は以下の条件式（８ａ）のように書き換えられる。
【００４７】
【数１１】
2018148383.tif 000013
【００４８】
図３において、撮像光学系１０１は撮像装置１の一部として構成されているが、一眼レフカメラのように交換式の撮像光学系であってもよい。すなわち本実施例は、撮像素子１０２を備えた撮像装置本体と撮像光学系１０１とが一体的に構成された撮像装置、または、撮像光学系１０１が着脱可能な撮像装置（撮像光学系１０１と撮像装置本体とで構成される撮像システム）のいずれにも適用可能である。
【００４９】
撮像素子１０２は、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどの固体撮像素子であり、撮像光学系１０１を介して形成された光学像（被写体像）を光電変換して画像信号（アナログ電気信号）を出力する。撮像光学系１０１における絞り１０１Ａおよびフォーカスレンズ１０１Ｆの機械的な駆動は、システムコントローラ３０（制御部）からの指示（制御）に基づいて、撮像制御部４０により行われる。絞り１０１Ａは、設定された絞り値（Ｆ値、Ｆナンバー）に応じてその開口径が制御される。撮像制御部４０は、被写体距離に応じてフォーカスレンズ１０１Ｆの位置を制御することにより、フォーカス調整を行う。Ａ／Ｄコンバータ１０は、撮像素子１０２から出力されたアナログ電気信号（画像信号）をデジタル信号に変換する。
【００５０】
画像処理部２０は、Ａ／Ｄコンバータ１０から出力されたデジタル信号に対して、画素補間処理、輝度信号処理、および、色信号処理など、いわゆる現像処理を行い、画像（画像データ）を生成する。画像処理部２０により生成された画像は、半導体メモリや光ディスクなどの画像記録媒体６０に記録される。また画像処理部２０により生成された画像は、表示部７０に表示されてもよい。入力部５０は、ユーザの操作に応じて種々の情報を入力する。
【００５１】
副撮像部１１０（第２の撮像部）は、撮像光学系１１１ａ（第２の撮像光学系）および撮像光学系１１１ｂ（第３の撮像光学系）と、撮像素子１１２（第２の撮像素子）とを備えて構成される。撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの画角は、水平方向および垂直方向のそれぞれにおいて、撮像光学系１０１の画角よりも大きい。後述のように、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ、少なくとも二つの反射部材（プリズム）を有し、被写体からの光を撮像素子１１２へ導く。また撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの開口部（絞り）よりも被写体側において、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂの光軸ＯＡ１、ＯＡ２は互いに平行である。撮像光学系１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ、被写体（不図示）からの光を共通の撮像素子１１２上に結像させる単焦点撮像光学系である。なお、副撮像部１１０の詳細な構成については、後述する。撮像素子１１２により生成されたアナログ電気信号（画像信号）は、撮像素子１０２の場合と同様に、Ａ／Ｄコンバータ１０へ出力されデジタル信号へ変換される。
【００５２】
画像処理部２０は、撮像素子１１２から出力された２つの画像を生成する。この２つの画像は、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれにより形成された被写体像に相当し、互いに視差を有する２つの視差画像である。なお本実施例において、副撮像部１１０は撮像装置１から着脱可能な撮像ユニットであってもよい。この場合、複数の副撮像部の中から撮像装置１の主撮像部１００に適した副撮像部（撮像ユニット）を選択して撮像装置１に装着することができる。
【００５３】
画像処理部２０（距離算出部）は、副撮像部１１０により生成された２つの視差画像（撮像素子１１２から出力された２つの画像信号）に基づいて、被写体距離を算出する。画像処理部２０は、入力部５０を介してユーザにより指定された被写体の距離を算出することができ、または、主撮像部１００の画角の中心領域に存在する被写体の距離を算出してもよい。また、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂの画角のうち互いに重畳する画角領域内の全ての被写体の距離を算出し、それらの距離を画素値として示す距離マップ画像を生成してもよい。なお本実施例において、撮像装置１は、主撮像部１００および副撮像部１１０に対して１つのＡ／Ｄコンバータ１０および１つの画像処理部２０を有するが、これに限定されるものではない。例えば、主撮像部１００および副撮像部１１０のそれぞれに専用のＡ／Ｄコンバータおよび画像処理部（複数のＡ／Ｄコンバータおよび複数の画像処理部）を設けてもよい。この場合、副撮像部１１０に専用の画像処理部は、被写体距離の算出に用いられる距離算出部となる。
【００５４】
システムコントローラ３０（制御部）は、撮像素子１０２、１１２の駆動、画像処理部２０による処理、および、撮像光学系１０１の動作をそれぞれ制御する。撮像制御部４０は、システムコントローラ３０からの指示（制御）に基づいて、撮像光学系１０１における絞り１０１Ａおよびフォーカスレンズ１０１Ｆの機械的な駆動を行う。絞り１０１Ａは、設定された絞り値（Ｆ値、Ｆナンバー）に応じてその開口径が制御される。撮像制御部４０は、被写体距離に応じてフォーカスレンズ１０１Ｆの位置を制御することにより、フォーカス調整を行う。フォーカスレンズ１０１Ｆは、システムコントローラ３０により、主撮像部１００を介して取得される画像のコントラストが最大になるように制御されるか、または、ユーザにより直接その位置が制御されてもよい。
【００５５】
続いて、図４および図５を参照して、副撮像部１１０の詳細な構成について説明する。図４は、撮像装置１の外観図であり、図４（ａ）は俯瞰図、図４（ｂ）は正面図をそれぞれ示している。図５は、副撮像部１１０の構成図であり、図５（ａ）は副撮像部１１０の平面図、図５（ｂ）は撮像素子１１２の正面図をそれぞれ示している。
【００５６】
図４は、撮像光学系１０１、１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの被写体に最も近いレンズのみを示している。副撮像部１１０を構成する撮像光学系１１１ａ、１１１ｂは、被写体に最も近いレンズ同士の間の長さが５３ｍｍになるように配置されており、この長さが副撮像部１１０の基線長Ｄに相当する。
【００５７】
図５（ａ）に示されるように、撮像光学系１１１ａは、４つのレンズと２つのプリズムＰ１ａ、Ｐ２ａとを備えて構成されている。同様に、撮像光学系１１１ｂは、４つのレンズと２つのプリズムＰ１ｂ、Ｐ２ｂとを備えて構成されている。図５（ａ）において、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂの光軸ＯＡ１、ＯＡ２がそれぞれ一本鎖線で示されている。撮像光学系１１１ａの光軸ＯＡ１は、Ｘ−Ｚ平面においてプリズムＰ１ａで９０度、プリズムＰ２ａでそれぞれ−９０度折り曲げられ、撮像素子１１２に入射する。すなわちプリズムＰ１ａ、Ｐ２ａはそれぞれ、撮像光学系１１１ａの光軸ＯＡ１を９０度屈曲させる。またプリズムＰ１ｂ、Ｐ２ｂはそれぞれ、撮像光学系１１１ｂの光軸ＯＡ２を９０度屈曲させる。撮像光学系１１１ａ、１１１ｂは互いに同一の構成を有し、撮像素子１１２の中心を通り、Ｚ軸に平行な直線に対して回転対称になるように配置されている。
【００５８】
このように光軸ＯＡ１、ＯＡ２を２回折り曲げる反射部材（プリズム）を２つ組み合わせることで、２つの撮像光学系に１つの撮像素子が対応する場合においても長い基線長を実現することができる。これは、基線長は、２つの撮像光学系の入射瞳の中心を結ぶ線分であり、副撮像部１１０においては、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの被写体に最も近いレンズの中心間の距離に相当するためである。
【００５９】
図５（ｂ）において、基線長Ｄを一点鎖線で示している。また図５（ｂ）において、撮像光学系１１１ａのイメージサークルをＩＣａ、光軸ＯＡ１と撮像素子１１２との交点をＯＣａ、画像読み出し領域をＲａとしてそれぞれ示している。また図５（ｂ）において、撮像光学系１１１ｂのイメージサークルをＩＣｂ、光軸ＯＡ２と撮像素子１１２との交点をＯＣｂ、画像読み出し領域をＲｂとしてそれぞれ示している。このように、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂは、光軸ＯＡ１、ＯＡ２と撮像素子１１２との交点ＯＣａ、ＯＣｂとをそれぞれ結ぶ直線と、基線長Ｄとが互いに略水平（平行）となるように配置されている。また、撮像素子１１２は、その長辺が基線長Ｄと略平行になり、その短辺が基線長Ｄと略垂直となるように配置されている。以下、この配置をプリズムの横配置と呼ぶ。
【００６０】
画像読み出し領域とは、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれに対応する画素領域であり、この画素領域内の画素を読み出すことにより、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれが形成した被写体像（光学像）を画像として取得する。撮像素子１１２の画素のうち画素読み出し領域外の画素は使用しないため、撮像素子１１２として、画素読み出し領域のみに画素が存在するような撮像素子を用いてもよい。また、１つの回路基板に画像読み出し領域Ｒａ、Ｒｂに対応する２つの画素群が形成された撮像素子ユニットであってもよい。このように基線長Ｄに対して２つの画像読み出し領域Ｒａ、Ｒｂ間の距離が小さければよく、これらの撮像素子または撮像素子ユニットの形態は任意に変更することができる。
【００６１】
撮像光学系１１１ａ、１１１ｂおよび撮像素子１１２は、不図示の機械部に一体的に保持されており、駆動部を有さない。すなわち、副撮像部１１０はフォーカス機構を有さない。撮像光学系１１１ａ、１１１ｂは、予め定められている任意の距離の被写体に合焦するように機械部に保持されている。ここでは例として、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂは副撮像部１１０から５０００ｍｍ離れた被写体に合焦するように機械部に保持されている。ただし、この距離は任意に設定することができる。
【００６２】
前述のように視差量の算出を行う際に用いる２つの画像において、被写体は合焦していることが好ましい。このため、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂは、深い被写界深度を有する必要がある。撮像光学系の被写界深度は、条件式（５）より、Ｆ値を大きくする、または焦点距離ｆを小さくすることで拡大することが可能である。暗い撮影環境においても副撮像部１１０を用いて被写体距離を算出するには、Ｆ値は小さいほうが好ましい。このため、暗い撮影環境での被写体距離算出および深い被写界深度を実現するには、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂの焦点距離ｆは小さい必要がある。
【００６３】
本実施例の撮像光学系１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ少なくとも一つのレンズを含み、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの光軸上において被写体に最も近いレンズは、負の屈折力を有する。このような構成により、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの全長を焦点距離よりも長くすることが可能となる。これは、被写体に最も近いレンズの屈折力を負とし、その後方に正の屈折力を有するレンズ群を配置することで、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの後側主点位置を撮像素子１１２に近づけることができるためである。本実施例では、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのように光軸ＯＡ１、ＯＡ２を２回折り曲げる構成を採用する。これにより、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの全長が長くなり、２つのプリズムＰ１ａ、Ｐ２ａ間の距離（２つのプリズムＰ１ｂ、Ｐ２ｂ間の距離）、すなわち基線長Ｄを長くすることが可能となる。焦点距離ｆが小さい場合、被写体距離の算出精度は、式（３）に示されるように低下する。しかし、このような構成を採ることにより、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの焦点距離ｆが短い場合においても、基線長Ｄを大きくすることができる。このため、測距精度（距離算出精度）の低下を抑制することが可能になる。
【００６４】
主撮像部１００に設けられた撮像光学系１０１の望遠端における焦点距離は３１２ｍｍであり、広角端における焦点距離は１００ｍｍである。また、Ｆ値は１．２であり、撮像素子１０２の大きさは１／２．３型（すなわち、対角長が７．７ｍｍ）であり、画素ピッチは１μｍである。副撮像部１１０に設けられた撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの焦点距離は１８．２ｍｍ、撮像素子１１２の画素ピッチは１．３４μｍ、画像読み出し領域Ｒａ、Ｒｂのそれぞれの対角長は１．９７ｍｍである。また、撮像光学系１０１の３５ｍｍ判換算の焦点距離は１７５０ｍｍであり、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂの３５ｍｍ判換算の焦点距離は４００ｍｍである。主撮像部１００および副撮像部１１０の各パラメータを条件式（９）に代入すると０．００９であり、条件式（９）を満足している。副撮像部１１０の撮像光学系１１１ａ、１１１ｂにおいては、プリズムを除くレンズの最終面から撮像素子１１２までの距離が２２．８ｍｍであるのに対して、後側主点位置から撮像素子１１２までの距離（すなわち、焦点距離）は１８．２ｍｍである。
【００６５】
以上説明したように、本実施例の副撮像部１１０を構成する撮像光学系１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ、少なくとも二つの反射部材（プリズムＰ１ａ、Ｐ２ａ、またはプリズムＰ１ｂ、Ｐ２ｂ）を備えている。また、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれのレンズ群のうち被写体に最も近いレンズは負の屈折力を有する。これにより、条件式（９）を満足する撮像装置を実現することができる。このため、高い距離算出精度を保ったまま深い被写界深度と暗い撮影環境での被写体距離の算出とを両立することが可能となる。
【００６６】
続いて、図６を参照して、副撮像部１１０の撮像光学系１１１ａのレンズ断面について説明する。図６は、撮像光学系１１１ａの断面図である。図６の断面図において、左側が被写体側（物体側、前方）、右側が像側（後方）である。像面ＩＰは、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子１１２（光電変換素子）の撮像面に相当する。なお、撮像光学系１１１ｂも、図６に示される撮像光学系１１１ａと同一の構成を有する。図７は、撮像光学系１１１ａの収差図である。図７の収差図において、ｄ、ｇはそれぞれｄ線およびｇ線、ΔＭ、ΔＳはそれぞれメリディオナル像面、サッジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表されている。ωは半画角、ＦｎｏはＦ値である。
【００６７】
次に、図８を参照して、撮像装置１の撮像手順について説明する。図８は、撮像装置１の動作（撮像動作）を示すフローチャートである。図８の各ステップは、主に、システムコントローラ３０の指令に基づいて、撮像装置１の各部により実行される。
【００６８】
まず、ステップＳ１０１において、システムコントローラ３０は、入力部５０を介してユーザにより選択された被写体を、注目被写体として設定する。なお、被写体が選択されない場合、システムコントローラ３０は、予め定められた領域に存在する被写体を注目被写体として設定する。この領域は、例えば主撮像部１００の画角の中央に相当する領域であるが、これに限定されるものではない。またシステムコントローラ３０は、入力部５０を介してユーザが入力する撮像条件を取得する。撮像条件とは具体的には主撮像部１００のＦ値、ＩＳＯ感度である。またシステムコントローラ３０は、入力部５１を介してユーザにより入力された撮像条件（撮影条件情報）を取得する。撮像条件とは、主撮像部１００のＦ値やＩＳＯ感度などを含むが、これらに限定されるものではない。
【００６９】
続いてステップＳ１０２において、システムコントローラ３０は、撮像制御部４０を介して副撮像部１１０を制御し、副撮像部１１０を用いた撮像を行うことにより、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂを介して得られた２つの画像を取得する。続いてステップＳ１０３において、画像処理部２０は、ステップＳ１０２にて取得された２つの画像を用いて、撮像光学系１１１ａ、１１１ｂの画角のうち、互いに重畳する画角領域において被写体距離を算出し、距離マップ画像を生成する。なお画像処理部２０は、ステップＳ１０２にて取得された２つの画像を用いて、ステップＳ１０１にて注目被写体として設定された被写体距離を算出してもよい。
【００７０】
続いてステップＳ１０４において、システムコントローラ３０は、撮像制御部４０を介して主撮像部１００のフォーカスレンズ１０１Ｆを駆動する。このときシステムコントローラ３０は、ステップＳ１０３にて算出した注目被写体の距離（被写体距離）に基づいて、撮像光学系１０１を注目被写体に合焦させる。またシステムコントローラ３０は、撮像制御部４０を介して主撮像部１００に設けられた絞り１０１Ａおよび撮像素子１０２を制御し、ステップＳ１０１にて取得した撮像条件を設定する。
【００７１】
続いてステップＳ１０５において、システムコントローラ３０は、主撮像部１００に設けられた撮像素子１０２の出力信号を用いて、公知のコントラストＡＦを行う。具体的には、システムコントローラ３０は、撮像制御部４０を介してフォーカスレンズ１０１Ｆの位置を微小に変化させながら、撮像素子１０２を用いて取得する画像のコントラスト値を評価する。そしてシステムコントローラ３０は、コントラスト値が最も高くなるようなフォーカスレンズ１０１Ｆの位置を取得して合焦状態であると判定する。ステップＳ１０５は、ステップＳ１０３で十分な精度の被写体距離を算出することができなかった場合に実行される予備的なステップであり、省略してもよい。十分な精度の被写体距離を算出することができない場合とは、具体的には、注目被写体が、副撮像部１１０に設けられた撮像光学系１１１ａ、１１１ｂの被写界深度外の距離に位置する場合である。
【００７２】
続いてステップＳ１０６において、システムコントローラ３０は、撮像制御部４０を介して主撮像部１００を制御し、撮像を行うことで画像を取得する。このとき取得した画像は、画像記録媒体６０に保存され、撮像手順が終了する。ここで、画像に加えて副撮像部１１０により取得される２つの画像を画像記録媒体６０に保存してもよく、または、２つの画像を用いて画像処理部２０が算出する距離マップ画像を画像記録媒体６０に保存してもよい。
【００７３】
以上説明したように、本実施例の撮像装置は、副撮像部が備える２つの撮像光学系のそれぞれのレンズ群のうち、被写体に最も近いレンズの屈折力が負である。また、２つの撮像光学系はそれぞれ、２つの反射部材を含む。これにより、焦点距離が短く基線長の長い副撮像部を備え、広い距離範囲にわたって高精度かつ高速に合焦させることが可能な撮像装置を提供することができる。
【実施例２】
【００７４】
次に、図９を参照して、本発明の実施例２における撮像装置２について説明する。図９は、撮像装置２のブロック図である。撮像装置２は、主として被写体の撮像に用いられる主撮像部２００と、被写体の距離を取得する副撮像部２１０とを備えて構成されている。撮像装置２の構成要素のうち、主撮像部２００および副撮像部２１０以外の構成要素は実施例１の撮像装置１と同様であるため、それらの説明を省略する。また、主撮像部２００および副撮像部２１０のそれぞれの構成要素は、実施例１の撮像装置１に設けられた主撮像部１００および副撮像部１１０と一部を除いて同様であり、本実施例ではそれらの異なる点のみ説明する。主撮像部２００が設けられた撮像光学系２０１は、単焦点撮像光学系である。好ましくは、撮像光学系２１１ａ、２１１ｂのそれぞれの画角は、撮像光学系２０１の画角の２倍よりも大きい
図１０は、撮像装置２の外観図であり、図１０（ａ）は俯瞰図、図１０（ｂ）は正面図をそれぞれ示している。図１０は、撮像光学系２０１のうち被写体に最も近いレンズ、および、撮像光学系２１１ａ、２１１ｂのうち被写体に最も近いプリズムのみを示している。実施例１の撮像装置１では、副撮像部１１０に設けられた２つの撮像光学系１１１ａ、１１１ｂは、基線長ＤがＸ軸に平行になるように配置されているが、本実施例の撮像装置２では、基線長ＤがＸ軸に対して所定の角度をなすように配置されている。図１０（ｂ）に示されるように、基線長ＤをＸ軸に射影した線分をＤｈとする。撮像光学系２１１ａ、２１１ｂは、線分Ｄｈが５０ｍｍとなるように配置されている。ここで、Ｘ軸方向の視差量を用いて被写体距離を算出する際には、線分Ｄｈを基線（基線長）として扱う。
【００７５】
図１１は、副撮像部２１０の構成図であり、図１１（ａ）は副撮像部２１０の平面図、図１１（ｂ）は撮像素子２１２（第２の撮像素子）の正面図、図１１（ｃ）は撮像素子２１２およびプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂの斜視図である。撮像光学系２１１ａ（第２の撮像光学系）は、４つのレンズと２つのプリズムＰ１ａ、Ｐ２ａとを備えて構成されている。同様に、撮像光学系２１１ｂ（第３の撮像光学系）は、４つのレンズと２つのプリズムＰ１ｂ、Ｐ２ｂとを備えて構成されている。撮像光学系２１１ａ、２１１ｂは、互いに同一の構成を有し、撮像素子２１２の中心を通ってＺ軸に平行な直線に対して互いに回転対称になるように配置されている。
【００７６】
撮像装置１の副撮像部１１０において、２つの撮像光学系１１１ａ、１１１ｂのそれぞれのうち撮像素子１１２に近いプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂは、基線Ｄと互いに平行になるように配置されている（プリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂはＸ軸に沿って配置されている）。一方、撮像装置２の副撮像部２１０において、プリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂは、基線（基線長ＤをＸ方向に射影した線分Ｄｈ）に対して垂直になるように配置されている（プリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂはＹ軸に沿って配置されている）。
【００７７】
図１１（ｂ）において、基線ＤをＸ方向に射影した線分Ｄｈを一点鎖線で示している。また図１１（ｂ）において、撮像光学系２１１ａのイメージサークルをＩＣａ、光軸ＯＡ１と撮像素子２１２との交点をＯＣａ、画像読み出し領域をＲａとして示している。また図１１（ｂ）において、撮像光学系２１１ｂのイメージサークルをＩＣｂ、光軸ＯＡ２と撮像素子２１２との交点をＯＣｂ、画像読み出し領域をＲｂとして示している。
【００７８】
撮像光学系２１１ａ、２１１ｂにおいて、光軸ＯＡ１、ＯＡ２と撮像素子２１２との交点ＯＣａ、ＯＣｂとをそれぞれ結ぶ直線と、線分Ｄｈとが略垂直になるように配置されている。また、撮像素子２１２は、その短辺が線分Ｄｈと略平行に、その長辺が線分Ｄｈと略垂直になるように配置されている。すなわち、線分Ｄｈは、基線Ｄを撮像素子２１２の各辺に射影した線分のうち最も長い線分である。好ましくは、撮像光学系２１１ａ、２１１ｂのそれぞれの焦点距離の２倍の長さよりも、基線Ｄを撮像素子２１２の各辺に平行に射影した線分のうち最も長い線分の方が長い。
【００７９】
図１１（ｃ）では、撮像光学系２１１ａ、２１１ｂのうち撮像素子２１２に近いプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂを示しており、一点鎖線は撮像光学系２１１ａ、２１１ｂのそれぞれの光軸ＯＡ１、ＯＡ２を示している。このように２つのプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂがＹ方向に並べて配置されているため、撮像光学系２１１ａ、２１１ｂの光軸ＯＡ１、ＯＡ２と撮像素子２１２との交点ＯＣａ、ＯＣｂとをそれぞれ結ぶ直線と、線分Ｄｈとを略垂直にすることができる。以下この配置をプリズムの縦配置と呼ぶ。
【００８０】
本実施例の副撮像部２１０は、実施例１の副撮像部１１０と異なり、フォーカス機構（不図示）を有している。具体的には、撮像素子２１２は、フォーカス機構に保持されており、撮像制御部４０により制御されてＺ方向に駆動する。撮像素子２１２のＺ方向への駆動に伴い、一般的にはＹ軸またはＸ軸を中心に撮像素子２１２が回転する誤差（回転誤差）が生じる。以下、この回転誤差を撮像素子の倒れ誤差と呼ぶ。本実施例の副撮像部２１０は、プリズムの縦配置をとることにより、この倒れ誤差の影響を受けにくいという特徴がある。
【００８１】
ここで、図１２を参照して、プリズム配置と倒れ誤差との関係について詳述する。図１２は、プリズムの配置と撮像素子の倒れ誤差との関係を示す図である。図１２（ａ）は、プリズムの横配置、すなわち実施例１のプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂおよび撮像素子１１２を示している。図１２（ｂ）は、撮像装置１の副撮像部１１０が、仮想的に副撮像部２１０と同様のフォーカス機構を有しているとし、フォーカス駆動に伴い撮像素子１１２にＹ軸を中心とした倒れ誤差が生じた状態を示している。また、同時に点線で倒れが生じていない場合の撮像素子１１２の位置を示している。倒れの中心および座標原点をＲＣとし、倒れが存在しない場合のそれぞれの撮像光学系の光軸と撮像素子１１２との交点の座標をｐｏａ、ｐｏｂとする。撮像素子１１２がθ°倒れたときのそれぞれの撮像光学系の光軸と撮像素子１１２との交点の座標をｐｒａ、ｐｒｂとする。このとき、座標ｐｏａと座標ｐｒａとの差Δｐａは、以下の式（１３）により表され、座標ｐｏｂと座標ｐｒｂとの差Δｐｂは以下の式（１４）により表される。
【００８２】
【数１２】
2018148383.tif 000014
【００８３】
撮像素子が倒れることにより、それぞれの撮像光学系が結像する被写体像の位置は差Δｐａ、Δｐｂだけ変化する。このとき、差Δｐａ、Δｐｂの大きさが互いに異なる場合、その差と視差量とを分離することができないため、誤った視差量が取得され、被写体距離を算出する際に大きな距離の誤差が発生する。
【００８４】
続いて、本実施例の副撮像部２１０のような横配置の場合の撮像素子の倒れ影響について説明する。図１２（ｃ）は、プリズムの縦配置、すなわち本実施例の副撮像部２１０のプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂおよび撮像素子２１２を示している。図１２（ｄ）は、フォーカス駆動に伴い撮像素子２１２にＹ軸を中心とした倒れ誤差が生じた状態を示しており、同時に点線で倒れが生じていない場合の撮像素子２１２の位置を示している。倒れの中心ＲＣ、座標ｐｏａ、ｐｒａ、ｐｏｂ、ｐｒｂの定義は、図１２（ｂ）と同様である。図１２（ｄ）において、座標ｐｏａ、ｐｒａ、ｐｏｂ、ｐｒｂを明示していないが、ｐｏａ＝ｐｏｂ、ｐｒａ＝ｐｒｂ、および、Δｐａ＝Δｐｂを満たす。このため、Ｙ軸を中心に撮像素子が倒れたとしても、差Δｐａ、Δｐｂは互いに同じ大きさであるため、被写体距離の算出に誤差が発生しない。Ｘ軸を中心に撮像素子が倒れた場合、Ｙ方向にＹ方向視差と分離ができない被写体位置変化が生じるが、被写体距離の算出は基線が長く取れる方向、すなわちＸ方向の視差量を用いるため問題とならない（このとき基線長は線分Ｄｈに相当する）。
【００８５】
このように、プリズムの縦配置、すなわち基線のＸ射影（線分Ｄｈ）と垂直方向にプリズムを配置することにより、撮像素子の倒れの影響を低減することができる。これにより、高い被写体距離の算出精度を保ったまま撮像素子をフォーカス駆動させることが可能となる。
【００８６】
主撮像部２００に設けられた撮像光学系２０１の焦点距離は５３５ｍｍ、Ｆ値は１．２、撮像素子２０２の大きさは１／２．３型（すなわち、対角長が７．７ｍｍ）、画素ピッチは１μｍである。副撮像部２１０に設けられた撮像光学系２１１ａ、２１１ｂのそれぞれの焦点距離は１８．２ｍｍ、撮像素子２１２の画素ピッチは１．３４μｍ、画像読み出し領域Ｒａ、Ｒｂのそれぞれの対角長は１．９７ｍｍである。また、撮像光学系２０１の３５ｍｍ判換算の焦点距離は３０００ｍｍ、撮像光学系２１１ａ、２１１ｂのそれぞれの３５ｍｍ判換算の焦点距離は４００ｍｍである。主撮像部２００および副撮像部２１０の各パラメータを条件式（８）に代入すると０．００２８であり、条件式（８）を満足している。副撮像部２１０に設けられた撮像光学系２１１ａ、２１１ｂにおいては、プリズムを除くレンズの最終面から撮像素子２１２までの距離が１９．７ｍｍであるのに対して、後側主点位置から撮像素子までの距離（すなわち、焦点距離）は１８．２ｍｍである。
【００８７】
以上説明したように、本実施例の副撮像部２１０を構成する撮像光学系２１１ａ、２１１ｂはそれぞれ、少なくとも二つの反射部材を備え、被写体に最も近いレンズが負の屈折力を有する。このため、条件式（８）を満足する撮像装置を実現することができる。その結果、高い測距精度を保ったまま深い被写界深度と暗い撮影環境での被写体距離の算出とを両立することが可能となる。
【００８８】
続いて、図１３を参照して、副撮像部２１０の撮像光学系２１１ａのレンズ断面について説明する。図１３は、撮像光学系２１１ａの断面図である。図１３の断面図において、左側が被写体側（物体側、前方）、右側が像側（後方）である。像面ＩＰは、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子１１２（光電変換素子）の撮像面に相当する。図１４は、撮像光学系２１１ａの収差図である。図１４の収差図において、ｄ、ｇはそれぞれｄ線およびｇ線、ΔＭ、ΔＳはそれぞれメリディオナル像面、サッジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表されている。ωは半画角、ＦｎｏはＦ値である。
【００８９】
次に、図１５を参照して、撮像装置２の撮像手順について説明する。図１５は、撮像装置２の動作（撮像動作）を示すフローチャートである。図１５の各ステップは、主に、システムコントローラ３０の指令に基づいて、撮像装置２の各部により実行される。図１５のステップＳ２０１〜Ｓ２０３は、図８のステップＳ１０１〜Ｓ１０３とそれぞれ同様であるため、それらの説明を省略する。
【００９０】
続いてステップＳ２０４において、システムコントローラ３０は、撮像制御部４０を介して副撮像部２１０の撮像素子２１２をＺ軸上で駆動させ、注目被写体の距離（被写体距離）に基づいて、撮像光学系２１１ａ、２１１ｂを注目被写体に合焦させる。続くステップＳ２０５、Ｓ２０６は、ステップＳ２０２、Ｓ２０３とそれぞれ同様であるため、それらの説明を省略する。続くステップＳ２０７はステップＳ１０４と同様であり、ステップＳ２０８はステップＳ１０６と同様であるため、それらの説明を省略する。
【００９１】
本実施例の撮像装置２は、ステップＳ２０２、Ｓ２０３、および、ステップＳ２０５、Ｓ２０６での合計２回、副撮像部２１０を用いた被写体距離の算出を行っている。これは、初期状態においては注目被写体が副撮像部２１０の被写界深度外に存在することを想定しているためである。すなわち、１回目に、副撮像部２１０が取得した非合焦画像を用いて低精度な被写体距離算出を行って副撮像部２１０を合焦させ、２回目に副撮像部２１０が取得した合焦画像を用いて高精度な被写体距離算出を行って主撮像部２００を合焦させる。本実施例において、１回目で十分な精度の被写体距離が算出できる場合、ステップＳ２０４〜Ｓ２０６を省略してもよい。
【００９２】
以上説明したように、本実施例の撮像装置では、副撮像部に設けられた撮像光学系の被写体に最も近いレンズの屈折率が負であり、撮像光学系はそれぞれ少なくとも二つの反射部材を含む。また、撮像光学系のそれぞれのプリズムは縦配置をとっている。このため、焦点距離が短く基線長の長い副撮像部を備え、広い距離範囲にわたって高精度かつ高速に合焦させることが可能な撮像装置を提供することができる。
【実施例３】
【００９３】
次に、本発明の実施例３における撮像装置について説明する。本実施例の撮像装置の構成は、実施例２の撮像装置２と一部を除いて同様であるため、相違点のみを説明する。本実施例の主撮像部は、撮像光学系および撮像素子を備える。本実施例の副撮像部は、２つの撮像光学系およびこれらの撮像光学系に共通の撮像素子３１２を備える。２つの撮像光学系は、実施例２の撮像光学系２１１ａ、２１１ｂと同一である。本実施例において、２つの撮像光学系は、線分Ｄｈ（基線長ＤをＸ軸に射影した線分）が５２．１ｍｍになるように配置されている。
【００９４】
図１６（ａ）は、本実施例の副撮像部に設けられた撮像素子３１２の正面図である。図１６（ａ）において、基線長ＤをＸ方向に射影した線分Ｄｈを一点鎖線で示している。図１６（ａ）では、副撮像部の一方の撮像光学系のイメージサークルをＩＣａ、光軸と撮像素子３１２との交点をＯＣａ、画像読み出し領域をＲａとして示している。また、副撮像某の他方の撮像光学系のイメージサークルをＩＣｂ、光軸と撮像素子３１２との交点をＯＣｂ、画像読み出し領域をＲｂとして示している。このように、２つの撮像光学系の光軸のそれぞれと撮像素子３１２との交点ＯＣａ、ＯＣｂを結ぶ直線と、線分Ｄｈとがなす角度がθ＝４５°（または、４５°以上）になるように配置されている。本実施例において、２つの撮像光学系（第２の撮像光学系、第３の撮像光学系）のそれぞれの光軸と、第２の撮像素子の平面とが交わる点を互いに結ぶ直線と、基線を第２の撮像素子の各辺に平行に射影した線分のうち最も長い線分とがなす角度が４５°以上である。副撮像部の撮像光学系に設けられたプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂは縦配置ではないが、横配置よりも交点ＯＣａ、ＯＣｂ間の線分を線分Ｄｈに射影した線分の長さは小さいため、撮像素子の倒れ誤差の影響を受けにくい。
【００９５】
主撮像部の撮像光学系の焦点距離は１７８ｍｍ、Ｆ値は１１、撮像素子の大きさは１／２．３型（すなわち、対角長が７．７ｍｍ）、画素ピッチは２．０μｍである。また、副撮像部の撮像光学系のそれぞれの焦点距離は１８．２ｍｍ、撮像素子３１２の画素ピッチは１．３４μｍ、画像読み出し領域Ｒａ、Ｒｂの対角長は１．９７ｍｍである。また、主撮像部の撮像光学系の３５ｍｍ判換算の焦点距離は１０００ｍｍ、副撮像部の撮像光学系のそれぞれの３５ｍｍ判換算の焦点距離は４００ｍｍである。主撮像部および副撮像部の各パラメータを条件式（８）に代入すると０．４９であり、条件式（８）を満足している。
【００９６】
本実施例の副撮像部を構成する撮像光学系はそれぞれ、少なくとも二つの反射部材を備え、被写体に最も近いレンズが負の屈折力を有する。このため、条件式（８）を満足する撮像装置を実現することができる。その結果、深い被写界深度と高い測距精度（被写体距離の算出精度）とを両立することが可能となる。
【実施例４】
【００９７】
次に、本発明の実施例４における撮像装置について説明する。本実施例の撮像装置の構成は、実施例２の撮像装置２と一部を除いて同様であるため、相違点のみを説明する。本実施例の主撮像部は、撮像光学系および撮像素子を備える。本実施例の副撮像部は、２つの撮像光学系およびこれらの撮像光学系に共通の撮像素子４１２を備える。２つの撮像光学系は、実施例２の撮像光学系２１１ａ、２１１ｂと同一である。本実施例において、２つの撮像光学系は、線分Ｄｈ（基線長ＤをＸ軸に射影した線分）が５１．５ｍｍになるように配置されている。
【００９８】
図１６（ｂ）は、本実施例の副撮像部に設けられた撮像素子４１２の正面図である。図１６（ｂ）において、基線長ＤをＸ方向に射影した線分Ｄｈを一点鎖線で示している。図１６（ａ）では、副撮像部の一方の撮像光学系のイメージサークルをＩＣａ、光軸と撮像素子４１２との交点をＯＣａ、画像読み出し領域をＲａとして示している。また、副撮像某の他方の撮像光学系のイメージサークルをＩＣｂ、光軸と撮像素子４１２との交点をＯＣｂ、画像読み出し領域をＲｂとして示している。このように、２つの撮像光学系の光軸のそれぞれと撮像素子４１２との交点ＯＣａ、ＯＣｂを結ぶ直線と、線分Ｄｈとがなす角度がθ＝３０°になるように配置されている。副撮像部の撮像光学系に設けられたプリズムＰ２ａ、Ｐ２ｂは縦配置ではないが、横配置よりも交点ＯＣａ、ＯＣｂ間の線分を線分Ｄｈに射影した線分の長さは小さいため、撮像素子の倒れ誤差の影響を受けにくい。
【００９９】
主撮像部に設けられた撮像光学系の焦点距離は２１４ｍｍ、Ｆ値は５．６、撮像素子の大きさは１／２．３型（すなわち、対角長が７．７ｍｍ）、画素ピッチは１．３４μｍである。また、副撮像部に設けられた撮像光学系のそれぞれの焦点距離は１８．２ｍｍ、撮像素子４１２の画素ピッチは１．３４μｍ、画像読み出し領域Ｒａ、Ｒｂの対角長は１．９７ｍｍである。また、主撮像部の撮像光学系の３５ｍｍ判換算の焦点距離は１２００ｍ、副撮像部の撮像光学系のそれぞれの３５ｍｍ判換算の焦点距離は４００ｍｍである。主撮像部および副撮像部の各パラメータを条件式（９）に代入すると０．１１であり、条件式（９）を満足している。
【０１００】
本実施例の副撮像部を構成する撮像光学系はそれぞれ、少なくとも二つの反射部材を備え、被写体に最も近いレンズが負の屈折力を有する。このため、条件式（９）を満足する撮像装置を実現することができる。その結果、深い被写界深度と高い測距精度（被写体距離の算出精度）とを両立することが可能となる。
【０１０１】
なお、各実施例において、副撮像部の撮像光学系はレンズおよび反射部材を備えて構成されているが、反射部材のみから構成された反射式の結像光学系でもよい。また各実施例において、副撮像部を構成する撮像光学系はそれぞれ二つの反射部材を備えているが、三つ以上の反射部材を備えていてもよい。
【０１０２】
以下、実施例１（撮像光学系１１１ａ、１１１ｂ）に対応する数値実施例１、および、実施例２〜４（撮像光学系２１１ａ、２１１ｂ）に対応する数値実施例２の具体的数値データを示す。各数値実施例において、ｉは物体側から数えた面の番号を示す。プリズムは入射面、反射面、射出面の３面に分けて記載されている。ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径である。ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との軸上間隔である。ｎｄｉ、νｄｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材料の屈折率、アッベ数である。
また前側主点位置および入射瞳位置は第１面を基準とした座標で、後側主点位置および射出瞳位置は最終面を基準とした座標で示されている。
【０１０３】
表１は、条件式（１０）〜（１２）と各数値実施例との関係を示している。各条件式では、４つのレンズの焦点距離として、光軸上で被写体に最も近い側のレンズから順にｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４に代入している。
【０１０４】
(数値実施例１)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         vd       有効径
1         -3.354    0.52   1.51633    64.1        3.20
2         -6.622    1.25   1.63980    34.5        3.40
3         -4.360                                  3.83
4          ∞       2.30   1.84666    23.8        3.88
5          ∞       2.30   1.84666    23.8        5.52
6          ∞       0.11                          4.11
7         57.114    0.15   1.68893    31.1        4.12
8          5.133    1.12   1.60738    56.8        4.13
9        -12.156   20.02                          4.17
10          ∞       1.30   1.84666    23.8        2.15
11          ∞       1.30   1.84666    23.8        3.03
12          ∞                                     2.01
像面        ∞   
焦点距離      18.20  
Ｆ値           5.76  
画角           3.09  
像高           0.98  
レンズ全長    30.73  
BF             0.22  
d 3            0.15  
d12            0.15  
入射瞳位置     0.00  
射出瞳位置    27.70  
前側主点位置  -6.31  
後側主点位置  18.05  
単レンズデータ
レンズ  始面  焦点距離
1       1    -13.91
2       2     16.42
3       7     -8.20
4       8      6.09
(数値実施例２)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         vd       有効径
1(絞り)    ∞       2.20   1.84666    23.8        3.16
2          ∞       2.20   1.84666    23.8        4.51
3          ∞       1.03                          3.41
4         -5.627    0.50   1.53775    74.7        3.49
5         -6.460    0.52   1.63980    34.5        3.65
6         -6.435                                  3.80
7         12.080    1.00   1.69895    30.1        3.92
8          6.496    1.39   1.51633    64.1        3.85
9        -18.681   16.66                          3.85
10          ∞       1.20   1.84666    23.8        2.14
11          ∞       1.50   1.84666    23.8        3.02
12          ∞                                     1.99
像面        ∞   
焦点距離      18.20  
Ｆ値           5.77  
画角           3.09  
像高           0.98  
レンズ全長    29.00  
BF             0.30  
d 6            0.50  
d12            0.30  
入射瞳位置     0.00  
射出瞳位置    27.02  
前側主点位置  -6.08  
後側主点位置  17.90  
単レンズデータ
レンズ  始面  焦点距離
1       4   -102.70
2       5    282.16
3       7    -21.70
4       8      9.51
【０１０５】
【表１】
2018148383.tif 000015
【０１０６】
各実施例によれば、広い距離範囲にわたって高精度かつ高速に合焦させることが可能な撮像装置および撮像ユニットを提供することができる。
【０１０７】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１  撮像装置
１００  主撮像部（第１の撮像部）
１１０  副撮像部（第２の撮像部）
１０１  撮像光学系（第１の撮像光学系）
１０２  撮像素子（第１の撮像素子）
１１１ａ  撮像光学系（第２の撮像光学系）
１１１ｂ  撮像光学系（第３の撮像光学系）
１１２  撮像素子（第２の撮像素子）
Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ａ、Ｐ２ｂ  プリズム（反射部材）
【図１】
2018148383.tif 000020
【図２】
2018148383.tif 000021
【図３】
2018148383.tif 000022
【図４】
2018148383.tif 000023
【図５】
2018148383.tif 000024
【図６】
2018148383.tif 000025
【図７】
2018148383.tif 000026
【図８】
2018148383.tif 000027
【図９】
2018148383.tif 000028
【図１０】
2018148383.tif 000029
【図１１】
2018148383.tif 000030
【図１２】
2018148383.tif 000031
【図１３】
2018148383.tif 000032
【図１４】
2018148383.tif 000033
【図１５】
2018148383.tif 000034
【図１６】
2018148383.tif 000035