(57)【要約】【課題】  Ｆナンバーに依存せず、高精度なオートフォーカスシステムを位相差方式で実現すること。【解決手段】  偏心絞りにより瞳分割を行い、１次結像系光学系による位相差方式により焦点位置検出を行うオートフォーカスシステムを持つ撮像システムにおいて、瞳分割の間隔を可変にすること。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏心絞りを用いて瞳分割を行い、１次結像光学系による位相差方式により焦点位置検出を行うオートフォーカスシステムを持つ撮像システムにおいて、
瞳分割の間隔を可変にすることを特徴とした撮像システム。
【請求項２】
前記瞳分割の間隔は光学系のＦナンバーに応じて変更することを特徴とした請求項１に記載の撮像システム。
【請求項３】
瞳分割の位置は測距する画角に応じて変更することを特徴とした請求項１に記載の撮像システム。
【請求項４】
前記瞳分割の間隔に応じ、収差による影響を補正するための補正値を持つことを特徴とする請求項１乃至３に記載の撮像システム。
【請求項５】
焦点距離に応じ、収差による影響を補正するための補正値を持つことを特徴とする請求項１乃至３に記載の撮像システム。
【請求項６】
光路中に瞳分割した光束を分離させる手段を有し、瞳分割した像をそれぞれ別の撮像素子を用いて検出することを特徴とする請求項１乃至３に記載の撮像システム。
【請求項７】
前記瞳分割をするための偏心絞りに液晶を用いることを特徴とする請求項項１乃至３に記載の撮像システム。
【請求項８】
前記瞳分割の方向を水平方向に対し、傾けることを特徴とする請求項項１乃至３に記載の撮像システム。
【請求項９】
測距を行う光電変換素子として、エリアセンサーを用いることを特徴とする請求項８に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放送用カメラ（ＴＶカメラ）、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラなどに用いられる撮影レンズにおける焦点位置情報を得るのに好適な撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テレビカメラ用の撮像システムには、撮像素子の高画素化、および表示機器の大型化に伴い、より高精細な映像が求められる。特に、フォーカシングにおいては、カメラに搭載されるビューファインダーの制約から、求められる高精細映像を実現するのが非常に困難になっている。そこで、高精度で迅速にオートフォーカス（自動合焦）ができることが要望されている。
【０００３】
高精度なオートフォーカスを行う方式の一つとして、「位相差方式」がある。この方式では、光軸に対し偏心させた対の絞りとレンズを用い、光束の一部をそれぞれ結像させる。偏心させた光路を通るため、その光軸と垂直な方向における光束位置の変移は物体距離に依存する。光束位置の変移量を観察することで測距を行う（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】SMPTE Motion Imaging Journal March 2008 P22-29
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図８に従来の位相差方式の模式図を示す。上述のものを含む従来の位相差方式においては、図８に示したように、レンズ絞り８０１を含み一次結像面へ像を形成する１次結像光学系Ｇ１、瞳分割絞り８０２とそれに対応する眼鏡レンズ８０３を含む２次結像光学系Ｇ２から構成されている。ここでいう眼鏡レンズとは、瞳分割絞りによって分割された光束を、各々の光電変換素子上に結像させるための偏心レンズ対のことをいう。１次結像光学系Ｇ１を通り第一結像点を結んだ光束は２次結像光学系に導かれ、光軸に対し対称な位置に配置される瞳分割絞り８０２により、２つの光束に分割される。２つの光束は、それぞれ眼鏡レンズ８０３を通り、光電変換素子８０４に結像される。物体距離に応じて、光束位置が光軸と垂直な方向に移動するため、その移動量から物体距離を測距することができる。光束位置の変移量から直接物体距離を算出することが可能であるため、大ボケ状態からの測距や測距の高速化に対し、優位性がある。
【０００６】
しかし、２次結像光学系上に瞳分割絞り８０２を設けることから、測距をするためには１次結像光学系に制約を設ける必要がある。具体的には、レンズ絞り８０１と瞳分割絞り８０２との間に瞳結像的な共役関係を満たす必要がある。ここでいう瞳結像的な共役関係とは、レンズ絞り（８０１）面上の物体が瞳分割絞り（８０２）面上に結像するように、１次結像光学系の射出瞳位置を構成することを意味する。このような共役関係を満たすことにより、軸外光束についても、けられることなく、測距することが可能となる。
【０００７】
さらに、従来の位相差方式では、瞳分割間隔８０７（基線長）が固定である。瞳分割間隔８０７は測距できる最大Ｆナンバーを決定する。図８において、レンズ絞り８０１は測距できる最大Ｆナンバーの位置にある。これ以上絞ると、測距のために用いる光束がけられ、センサーに光が届かないため、測距できない。従って、従来の位相差方式では、２次結像系の瞳分割間隔によって、測距できる最大Ｆナンバーが決定してしまう。測距できるＦナンバーを広く取るためには、瞳分割間隔を短くとる必要がある。
【０００８】
加えて、瞳分割間隔８０７は測距精度にも影響を与える。物体距離に対する２次結像光学系透過後の（光軸に垂直な方向の）光束位置の変移量は、瞳分割間隔８０７が大きいほど大きい。従って、瞳分割間隔８０７が大きいほど、測距の精度も上がる。
【０００９】
以上３点のポイントが、位相差方式の高精度化の妨げになっている。
【００１０】
本発明は上記の諸問題を解決するためになされたものであり、位相差方式において、Ｆナンバーに依らず、高精度な測距を実現する撮像システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明では、偏心絞りにより瞳分割を行い、１次結像系光学系による位相差方式により焦点位置検出を行うオートフォーカスシステムを持つ撮像システムにおいて、瞳分割の間隔を可変にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、位相差方式において、Ｆナンバーに依らず高精度な測距を実現する撮像システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１における光学配置の概念図。
【図２】本発明における光学配置の概念図。
【図３】実施例１の軸上光束における瞳分割エリア。
【図４】実施例１の軸外光束における瞳分割エリア。
【図５】実施例２における光学配置の概念図。
【図６】実施例３における瞳分割エリア。
【図７】実施例４における絞り羽根構成。
【図８】従来例における光学配置の概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図２に本発明の位相差方式の模式図を示す。本発明の位相差方式は、１次結像光学系に瞳分割絞り２０２を配置している。ここでいう１次結像光学系とは、本線撮像系と等価な一次結像面へ像を形成する光学系を指す。一次結像面には光電変換素子２０４、２０５を配置している。また、瞳分割絞り２０２により分割された光束をそれぞれ異なる光電変換素子２０４、２０５で検出するために、２つの光束を分離するためのミラー２０３を配置している。瞳分割絞り２０２は光軸と垂直な方向に開口位置を変化させることができ、瞳分割絞り間隔を可変にする。これは、Ｆナンバーに応じて瞳分割間隔を可変にすることにより、レンズ絞りを絞ることによる光線のけられをなくすためである。
【００１６】
また、瞳分割間隔は測距の精度にも影響を与える。位相差方式の場合、瞳分割間隔が大きいほど測距精度が高い。本発明においては、Fナンバーが小さい場合、即ち、焦点深度が浅く高い測距精度が必要な場合に瞳分割間隔を大きくすることができる。
【００１７】
また、瞳分割間隔を可変にするためには２次結像光学系を持たないのが望ましい。２次結像光学系を持ちながら瞳分割間隔を可変にするには、眼鏡レンズをも移動させる必要がある。位相差方式における眼鏡レンズには、位置精度が要求されるため、眼鏡レンズを移動させるのは現実的ではない。絞りのみの移動であれば、液晶による絞りを用いることで、高い精度での瞳分割間隔精度を得ることができる。但し、以下の実施例４に示した絞り羽根やピンホールを用いるような機械絞りにおいても、高い位置精度で瞳分割間隔を可変にすることができれば採用できる。
【実施例１】
【００１８】
図１に示す実施例１は、本発明における光学配置の一例である。ズームレンズなどの本線光学系の光路中に、検出光学系へ光束の一部を導く偏光分岐プリズム１０３が配置されている。分岐プリズムは光束の偏光成分によって分岐する偏光プリズムとなっており、検出光学系側にＳ偏光の一部、残りのＳ偏光とＰ偏光成分を撮像素子１０５側に分岐している。分岐プリズムの前後には、偏光状態を解消するための偏光解消板１０２が構成されている。前の偏光解消板は、反射光やＰＬフィルターを透過した光など、入射する光が偏光している場合を想定して構成している。また後ろの偏光解消板は撮像素子前に色分解光学系やＬＰＦが配置される場合など、撮像において偏光による影響を受けることを想定して配置している。検出光学系に分岐した光束は、液晶絞り１０６により瞳分割される。この液晶絞りは光軸と垂直な面上において、瞳分割間隔や分割位置を自由に変化させることができる。この瞳分割間隔は、レンズ絞りのＦナンバー、測距する画角のヴィネッティング状態に応じて能動的に変化させることができる。使用する光束のうちなるべく広い間隔で瞳分割したほうが測距精度は高い。液晶絞り１０６によって瞳分割された光束は、結像させるための検出光学系を通り、瞳分割された２つの光束を分離するプリズム１０８に入る。分離された光束は各々別のセンサー（１０９，１１０）上に結像し、その像位置から物体位置を算出する。瞳分割された光束を分離させるのは、合焦した際に、分割した２つの像が重なってしまい精度が低下するのを防ぐことと、合焦位置が物体側にあるのか、像側にあるのかを判別するという２つの目的のためである。また、位相差方式は、光束の一部を用いて測距する方式であるため、物体距離が同じであっても、光束のうちのどの部分を用いるかに応じて収差量が変わる。即ち、分割した２つの像の像面上における光束位置の変移量が変化してしまう。従って、その変化量を考慮した補正値を持つ必要がある。従来の位相差方式においては、瞳分割間隔は固定されており、光束の中で使用する部分が一定であるため、変化量を考慮する必要はなかった。また、同様にズームレンズのように焦点距離に変化のあるレンズに適用する場合も、収差に変動があることから、補正値を持つ必要がある。
【００１９】
図３は、実施例１の瞳分割絞り１０６上において中心画界の測距をする際に、瞳分割をする光束エリアの一例を図示したものである。瞳分割絞り１０５を光束分離プリズム１０８側から見た平面図を示した。３０１がＦ２．８の中心光束、３０２がＦ５．６の中心光束である。中心光束とは画角０の軸上光束を意味する。従来の位相差方式は、瞳分割間隔が固定であるため、例えば３０１に合わせて３０３のように間隔を決定すると、Ｆ５．６ではけられてしまい、測距できない。そこで、従来の位相差方式においては複数の眼鏡レンズを持ち、さらに光電変換素子上に複数の受光部を作りこむことで対処していた。本発明においては、瞳分割間隔を能動的に変更できるため、図３のようにＦナンバーに応じた瞳分割を行うことができる。
【００２０】
図４＜Ａ＞は、実施例１の１０６上において周辺画界の測距をする際に、瞳分割する光束エリアの一例を図示したものである。図３と同様の平面図で示した。＜Ｂ＞には、軸上光束と軸外光束の模式図を示した（簡単にするために偏光分岐プリズムや本線リレー光学系を省略してある）。＜Ｂ＞における瞳分割絞り面４０６が＜Ａ＞にあたる。周辺画界の光束である軸外光束は、＜Ｂ＞のようにヴィネッティングの影響で＜Ａ＞に示したような変形した光束である場合が多い。特に、一次結像光学系における軸外光束は、レンズ絞り面以外では必ず図４のような変形した光束を取る。従って、本発明において軸外光束を測距する場合、光束の変形の仕方を、測距する画界、瞳分割絞りを挿入する面、Ｆナンバーから算出し、＜Ａ＞のように瞳分割位置を決定する必要がある。
【実施例２】
【００２１】
図５に示す実施例２は、本発明における光学配置の一例である。実施例１と異なるのは瞳分割絞りが液晶から機械絞り６０５に変わっている点である。絞りを液晶にしていないので本線からの分岐をする分岐プリズム６０２は偏光状態に依存しない光束分岐を行うことができる。機械絞りとは実施例４に示した絞り羽根を用いるものや、予め瞳分割間隔を変えた複数のピンホール対を挿抜するなど、機械的に瞳分割間隔を変更できるような絞りである。
【実施例３】
【００２２】
図６に示す実施例３は、実施例１に示した瞳分割をする光束エリアを45度傾けたものである。位相差方式の測距の場合、瞳分割する方向と被写体が持つコントラストの濃淡の方向との関係によって測距しにくい組み合わせが存在する。例えば、実施例１において、瞳分割方向と垂直な方向にコントラストの濃淡を持つストライプ模様の物体を撮影した場合、測距できない可能性がある。そのような場合に、本実施例のように瞳分割する方向を傾けることで測距が可能となる。また、このように被写体によって任意の方向の瞳分割を実現するためにはエリアセンサーを用いる必要がある。なぜなら、瞳分割する方向によって、位相差方式における光束位置の変移方向が決まるためである。
【実施例４】
【００２３】
図７に示す実施例４は、瞳分割絞りとして機械絞りを用いる際の、絞り羽根形状の一例である。図のような構成の羽根を前後させることで、瞳分割間隔や絞り径などを任意に変更させることができる。
【符号の説明】
【００２４】
101  本線光学系ズーム部
102  偏光解消素子
103  偏光分岐プリズム
104  本線光学系リレー部
105  撮像素子
106  瞳分割絞り（液晶素子）
107  検出光学系
108  光束分離プリズム
109  Ａ像光電変換素子
110  Ｂ像光電変換素子
111  レンズ絞り
201  レンズ絞り
202  瞳分割絞り
203  光束分離ミラー
204  Ａ像光電変換素子
205  Ｂ像光電変換素子
206  瞳分割間隔
301  Fno:2.8の光束
302  Fno:5.6の光束
303  Fno:2.8時の瞳分割位置
304  Fno:5.6時の瞳分割位置
401  軸外光束
402  軸上光束
403  軸外光束（401）の瞳分割位置
404  軸上光束（402）の瞳分割位置
405  物体面
406  瞳分割絞り面（瞳分割絞り109位置に相当）
407  像面（Ａ、Ｂ像光線変換素子109,110位置に相当）
501  本線光学系ズーム部
502  分岐プリズム
503  本線光学系リレー部
504  撮像素子
505  瞳分割絞り（機械絞り）
506  検出光学系
507  光束分離プリズム
508  Ａ像光電変換素子
509  Ｂ像光電変換素子
510  レンズ絞り
601  Fno:2.8の光束
602  Fno:5.6の光束
603  Fno:2.8時の瞳分割位置
604  Fno:5.6時の瞳分割位置
801  レンズ絞り
802  瞳分割絞り
803  眼鏡レンズ
804  光電変換素子
805  一次結像面
806  二次結像面
807  瞳分割間隔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011102952.tif 000008
【図７】
2011102952.tif 000009
【図８】
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