(57)【要約】【課題】本発明は、レンズに応じた撮像センサを必要とすることなく、高速に合焦することを目的とする。【解決手段】本発明の光学装置は、焦点を合わせる被写体までの距離に応じた複数のレンズ領域が定められたレンズと、複数のレンズ領域の何れかを透過した光のみを撮像センサに入射させ、撮像センサに入射する光が透過するレンズのレンズ領域を変更可能な制限部材と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点を合わせる被写体までの距離に応じた複数のレンズ領域が定められたレンズと、
前記複数のレンズ領域の何れかを透過した光のみを撮像センサに入射させ、前記撮像センサに入射する光が透過する前記レンズのレンズ領域を変更可能な制限部材と、
を有する光学装置。
【請求項２】
前記制限部材は、前記レンズの光軸上に配置され、変更可能な第１の領域と前記第１の領域以外の第２の領域とを有し、前記第１の領域に入射する光のみを前記レンズの光軸の方向に進めることで、前記複数のレンズ領域の何れかを透過した光のみを前記撮像センサに入射させる請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記制限部材は、複数の液晶シャッタを有し、前記第１の領域の液晶シャッタは光を透過し、前記第２の領域の液晶シャッタは光を遮断する請求項２記載の光学装置。
【請求項４】
前記制限部材は、前記レンズよりも被写体側に配置され、前記第１の領域を透過した光が前記レンズに入射する請求項２又は３記載の光学装置。
【請求項５】
前記制限部材は、前記第１の領域に入射した光を前記レンズの方向に反射させて前記レンズの光軸を折り曲げ、前記第２の領域に入射した光を前記レンズの方向とは異なる方向に反射させる請求項２記載の光学装置。
【請求項６】
前記制限部材は、複数のデジタルマイクロミラーデバイスを有し、前記第１の領域のデジタルマイクロミラーデバイスは光を前記レンズの方向に反射させ、前記第２の領域のデジタルマイクロミラーデバイスは前記レンズの方向とは異なる方向に反射させる請求項５記載の光学装置。
【請求項７】
焦点を合わせる被写体までの距離に基づいて、前記第１の領域の位置と大きさとを制御する制御手段を更に有する請求項２乃至６何れか１項記載の光学装置。
【請求項８】
前記制御手段は、焦点を合わせる被写体までの距離と、更に被写体の照度とに基づいて、前記第１の領域の位置と大きさとを制御する請求項７記載の光学装置。
【請求項９】
前記制御手段は、被写体の照度が第１の照度より高い第２の照度の場合、前記第１の照度の場合よりも前記第１の領域が小さくなるよう制御する請求項７又は８記載の光学装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、焦点を合わせる被写体までの距離と、更に前記レンズの光軸上に配置されたレンズの特性とに基づいて、前記第１の領域の位置と大きさとを制御する請求項７乃至９何れか１項記載の光学装置。
【請求項１１】
前記レンズとは異なる位置で複数の他のレンズを保持するレンズ保持部材を更に有し、
前記レンズ保持部材は、前記複数の他のレンズの中の何れかの他のレンズを、前記レンズの光軸上に配置する請求項１乃至１０何れか１項記載の光学装置。
【請求項１２】
前記レンズは、第１のパワーの位置と前記第１のパワーより大きい第２のパワーの位置との間で連続的にパワーが変化する請求項１乃至１１何れか１項記載の光学装置。
【請求項１３】
前記撮像センサと、
前記撮像センサの出力信号に基づいて画像を生成する生成手段と、
を更に有する請求項１乃至１２何れか１項記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像装置では特定の被写体に焦点を合わせるため、レンズ内のピントレンズを光軸に沿って移動したり、映像センサを光軸に沿って移動してレンズとの距離を可変にしたりしている。
図２４に示す撮像装置２００は、被写体側レンズ１４と像側レンズ１５との間にあるピントレンズ１９をピントレンズ駆動手段２６によって光軸２１に沿って移動させる。これにより、遠方被写体１６に焦点を合わせて図２０に示す遠方合焦画像を得たり、近方被写体１８に焦点を合わせて図２１に示す近傍合焦画像を得たり、中間距離被写体１７に焦点を合わせて図２２に示す中間合焦画像を得たりすることができる。
図２５に示す撮像装置２００は、映像センサ１３を映像センサ移動手段２７によって光軸２１に沿って移動させる。これにより、遠方被写体１６に焦点を合わせたり、中間距離被写体１７に焦点を合わせたり、近方被写体１８に焦点を合わせたりすることができる。
【０００３】
非特許文献１には、「Ｌｉｇｈｔ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ」という手法が開示されている。本手法によれば、複数の被写体の合焦画像を得るために撮像を複数回行う必要はなく、レンズ又は映像センサを移動させる必要がない。
特許文献１には、合焦距離が長い領域（遠合焦領域）と合焦距離が短い領域（近合焦領域）とを有する撮影レンズと、撮像素子とを有する撮像装置が開示されている。特許文献１の撮像素子は、遠合焦領域、近合焦領域の何れかを通過した光束を瞳分割して選択的に受光する複数の受光センサを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６４７７５１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｒｅｎ  Ｎｇ、「Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ」、Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ研究科  博士論文、２００６年７月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ピントレンズ又は映像センサを光軸に沿って移動する撮像装置の場合、質量を持ったピントレンズ又は映像センサを移動させるために、焦点を合わせるために所定の時間がかかる。また、非特許文献１の技術では、撮像の後に被写体に合焦した画像を得るために、撮像データに画像処理を施す必要があり、画像処理を実行するために所定の時間がかかる。また、特許文献１の技術では、撮影レンズに応じた撮像センサが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光学装置は、焦点を合わせる被写体までの距離に応じた複数のレンズ領域が定められたレンズと、前記複数のレンズ領域の何れかを透過した光のみを撮像センサに入射させ、前記撮像センサに入射する光が透過する前記レンズのレンズ領域を変更可能な制限部材と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、レンズに応じた撮像センサを必要とすることなく、高速に合焦することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図２】光軸方向から見た多焦点レンズの一例を示す図である。
【図３】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図４】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図５】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図６】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図７】光軸方向から見た多焦点レンズの一例を示す図である。
【図８】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図９】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図１０】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図１１】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図１２】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図１３】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図１４】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図１５】第１のレンズ保持部材の構成の一例を示す斜視図である。
【図１６】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図１７】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図１８】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図１９】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図２０】撮像画像の一例を示す図である。
【図２１】撮像画像の一例を示す図である。
【図２２】撮像画像の一例を示す図である。
【図２３】光軸方向から見た自由形状開口絞りの一例を示す図である。
【図２４】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【図２５】撮像装置の構成等の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の撮像装置１００の構成等の一例を示す図である。撮像装置１００は、被写体側レンズ１４と、多焦点レンズ１１ａと、自由形状開口絞り１２と、像側レンズ１５と、映像センサ１３と、撮像装置制御部２２と、焦点制御部２４と、を有する。撮像装置１００は、光学装置の一例である。
映像センサ１３は、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサであり、映像センサ１３に入射した光に応じた信号を出力する。映像センサ１３は、撮像センサの一例である。
被写体側レンズ１４は、被写体側に配置されるレンズである。
像側レンズ１５は、映像センサ１３側に配置されるレンズである。
撮像装置１００は、多焦点レンズ１１ａと自由形状開口絞り１２とを取り去って、被写体側レンズ１４と像側レンズ１５と映像センサ１３とで構成された場合に、無限遠に焦点が合うように構成されている。
【００１１】
多焦点レンズ１１ａは、不均一なパワーを持つレンズである。レンズのパワーは、焦点距離の逆数で表される値である。多焦点レンズ１１ａは、被写体側レンズ１４と像側レンズ１５との間に配置される。
図２を参照して、多焦点レンズ１１ａについてより具体的に説明する。図２は、多焦点レンズ１１ａの光軸２１方向から見た多焦点レンズ１１ａの一例を示す図である。以降の説明では、各図で示すように、光軸２１に垂直な定められた方向をＸ軸とする。図２等の各図でＸ軸を示す矢印が向く方向を＋Ｘ方向（プラスＸ方向）、その反対方向を−Ｘ方向（マイナスＸ方向）とする。
多焦点レンズ１１ａは、光軸２１方向から見た場合に、−Ｘ方向側の端部（図２では上方の端部）が最もパワーが小さく、＋Ｘ方向側の端部（図２では下方の端部）が最もパワーが大きい。そして、多焦点レンズ１１ａは、−Ｘ方向側の端部から＋Ｘ方向側の端部の方向に進むにつれて、パワーが連続的に変化して大きくなる。多焦点レンズ１１ａは、第１のパワーの位置と第１のパワーより大きい第２のパワーの位置との間で連続的にパワーが変化する。
【００１２】
多焦点レンズ１１ａには、焦点を合わせる被写体までの距離に応じて複数のレンズ領域３５が定められる。図２には、レンズ領域３５として第１のレンズ領域３５ａから第３のレンズ領域３５ｃまでの３つが示される。
第１のレンズ領域３５ａは、多焦点レンズ１１ａの＋Ｘ方向側の端部を含む領域である。第２のレンズ領域３５ｂは、多焦点レンズ１１ａの−Ｘ方向側の端部を含む領域である。第３のレンズ領域３５ｃは、第１のレンズ領域３５ａと第２のレンズ領域３５ｂとの間の領域である。３つのレンズ領域３５のうち、第１のレンズ領域３５ａのパワーが最も大きく、第２のレンズ領域３５ｂのパワーが最も小さい。
【００１３】
多焦点レンズ１１ａはパワーが不均一であるため、光が透過する多焦点レンズ１１ａのレンズ領域３５に応じて、焦点が合う被写体が変わる。第１の実施形態では、第１のレンズ領域３５ａを透過した光で撮像すると、図１に示す３つの被写体のうちの撮像装置１００から最も近い近方被写体１８に焦点が合う。また、第２のレンズ領域３５ｂを透過した光で撮像すると、３つの被写体のうちの撮像装置１００から最も遠い遠方被写体１６に焦点が合う。また、第３のレンズ領域３５ｃを透過した光で撮像すると、近方被写体１８と遠方被写体１６との間にある中間距離被写体１７に焦点が合う。
【００１４】
自由形状開口絞り１２は、多焦点レンズ１１ａの光軸２１上であって、多焦点レンズ１１ａよりも被写体側に、多焦点レンズ１１ａに隣接して配置される。また、自由形状開口絞り１２は、被写体側レンズ１４よりも多焦点レンズ１１ａ側に配置される。自由形状開口絞り１２は、焦点制御部２４の制御に基づいて、透過領域３３、及び、遮断領域３４の位置、大きさ、及び、形状等を変更可能である。透過領域３３は、光束を透過させる領域である。遮断領域３４は、光束を透過させずに遮断する領域である。自由形状開口絞り１２の透過領域３３を通過した光束のみが多焦点レンズ１１ａに入射する。透過領域３３は、第１の領域の一例である。遮断領域３４は、第２の領域の一例である。
自由形状開口絞り１２は、複数の液晶シャッタで構成される。より具体的には、自由形状開口絞り１２は、複数の格子状に分割された領域を有し、それぞれに液晶シャッタが配置される。焦点制御部２４によって、液晶シャッタごとに、光を透過させるか遮断させるかが制御される。この制御によって、自由形状開口絞り１２の透過領域３３、及び、透過領域３３の位置、大きさ、及び、形状等が制御される。自由形状開口絞り１２は、透過領域３３に入射する光のみを光軸２１の方向に進めることで、複数のレンズ領域３５の何れかを透過した光のみを映像センサ１３に入射させる。自由形状開口絞り１２は、透過領域３３を変更できるため、映像センサ１３に入射する光が透過する多焦点レンズ１１ａのレンズ領域３５を変更可能である。自由形状開口絞り１２は、制限部材の一例である。
【００１５】
焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離に基づいて、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を、焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に対応させるよう制御する。透過領域３３が焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に対応するとは、透過領域３３を透過した光のみが焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に入射する、という条件を透過領域３３が満たすことである。より具体的には、光軸２１方向から見た場合に、透過領域３３と被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５とが一致することである。焦点制御部２４は、例えば、ＣＰＵと記憶媒体である記憶装置とにより構成される。焦点制御部２４のＣＰＵは、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、焦点制御部２４の各種の機能及び処理が実現される。焦点制御部２４は、専用の回路等で実現されてもよい。
【００１６】
図３から図６までを参照して、焦点制御部２４によって制御される自由形状開口絞り１２の透過領域３３及び遮断領域３４の例について説明する。図３から図６までは、それぞれ、光軸２１方向から見た自由形状開口絞り１２の一例を示す図である。
図３は、自由形状開口絞り１２の全ての領域が透過領域３３であり、遮断領域３４が存在しない状態を示す。
図４は、自由形状開口絞り１２の第１の絞り領域３６ａが透過領域３３であり、その他が遮断領域３４である状態を示す。第１の絞り領域３６ａは、自由形状開口絞り１２の＋Ｘ方向側の領域である。図４の透過領域３３は、図２に示す第１のレンズ領域３５ａに対応する。
図５は、自由形状開口絞り１２の第２の絞り領域３６ｂが透過領域３３であり、その他が遮断領域３４である状態を示す。第２の絞り領域３６ｂは、自由形状開口絞り１２の−Ｘ方向側の領域である。図５の透過領域３３は、図２に示す第２のレンズ領域３５ｂに対応する。
図６は、自由形状開口絞り１２の第３の絞り領域３６ｃが透過領域３３であり、その他が遮断領域３４である状態を示す。第３の絞り領域３６ｃは、自由形状開口絞り１２のＸ方向の中央部分の領域である。図６の透過領域３３は、図２に示す第３のレンズ領域３５ｃに対応する。
【００１７】
撮像装置制御部２２は、撮像装置１００の全体を制御する。撮像装置制御部２２は、例えば、ＣＰＵと記憶媒体である記憶装置とにより構成される。ＣＰＵは、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、撮像装置制御部２２の各種の機能及び処理が実現される。撮像装置１００が撮像する際、撮像装置制御部２２は、映像センサ１３の出力信号に基づいて撮像画像を生成する。撮像装置制御部２２は、機能として画像生成部２３を有する。画像生成部２３は、映像センサ１３の出力信号に基づいて撮像画像を生成する。
【００１８】
次に、図１を参照して、撮像装置１００が撮像する際の動作について説明する。遠方被写体１６と中間距離被写体１７と近方被写体１８とから出た光は、被写体側レンズ１４に入射し、その後、自由形状開口絞り１２と多焦点レンズ１１ａと像側レンズ１５とを通って映像センサ１３で結像される。この時、図３で示したように、自由形状開口絞り１２の全ての領域が透過領域３３になっていると、連続したパワーを持った多焦点レンズ１１ａの全ての部分を透過した光で映像センサ１３に結像するため、３つの被写体は全てぼけた像となる。
【００１９】
次に、図４に示すように、焦点制御部２４の制御により、自由形状開口絞り１２の第１の絞り領域３６ａが透過領域３３であり、第１の絞り領域３６ａ以外の領域が遮断領域３４となった状態での撮像について説明する。この状態の場合、自由形状開口絞り１２に入射した光のうち、第１の絞り領域３６ａに入射した光のみが自由形状開口絞り１２を透過して、多焦点レンズ１１ａの第１のレンズ領域３５ａに入射する。そして、パワーの大きい第１のレンズ領域３５ａを透過した光のみが像側レンズ１５を通過して映像センサ１３で結像される。この結果、近方被写体１８から出た光が映像センサ１３で焦点が合った状態になる。したがって、画像生成部２３が映像センサ１３の出力信号に基づいて生成した撮像画像は、図２１に示すように、近方被写体１８に焦点が合った画像となる。
【００２０】
次に、図５に示すように、焦点制御部２４の制御により、自由形状開口絞り１２の第２の絞り領域３６ｂが透過領域３３であり、第２の絞り領域３６ｂ以外の領域が遮断領域３４となった状態での撮像について説明する。この状態の場合、自由形状開口絞り１２に入射した光のうち、第２の絞り領域３６ｂに入射した光のみが自由形状開口絞り１２を透過して、多焦点レンズ１１ａの第２のレンズ領域３５ｂに入射する。そして、パワーの小さい第２のレンズ領域３５ｂを透過した光のみが像側レンズ１５を通過して映像センサ１３で結像される。この結果、遠方被写体１６から出た光が映像センサ１３で焦点が合った状態になる。したがって、画像生成部２３が、映像センサ１３の出力信号に基づいて生成した撮像画像は、図２０に示すように、遠方被写体１６に焦点が合った画像となる。
【００２１】
次に、図６に示すように、焦点制御部２４の制御により、自由形状開口絞り１２の第３の絞り領域３６ｃが透過領域３３であり、第３の絞り領域３６ｃ以外の領域が遮断領域３４となった状態での撮像について説明する。この状態の場合、自由形状開口絞り１２に入射した光のうち、第３の絞り領域３６ｃに入射した光のみが自由形状開口絞り１２を透過して、多焦点レンズ１１ａの第３のレンズ領域３５ｃに入射する。そして、第１のレンズ領域３５ａと第２のレンズ領域３５ｂとの中間のパワーを持つ第３のレンズ領域３５ｃを透過した光のみが像側レンズ１５を通過して映像センサ１３で結像される。この結果、中間距離被写体１７から出た光が映像センサ１３で焦点が合った状態になる。したがって、画像生成部２３が、映像センサ１３の出力信号に基づいて生成した撮像画像は、図２２に示すように、中間距離被写体１７に焦点が合った画像となる。
【００２２】
以上説明したように、第１の実施形態の撮像装置１００は、自由形状開口絞り１２と多焦点レンズ１１ａとを用いて、多焦点レンズ１１ａ等のレンズ及び映像センサ１３を光軸に沿って移動させることなく、希望の距離の被写体に焦点を合わせることができる。また、撮像装置１００は、撮像後に特定の被写体に焦点を合わせるための画像処理をする必要がない。したがって、撮像装置１００は、高速に被写体に焦点を合わせることができ、更に、被写体に焦点を合わせた画像を高速に得ることができる。また、撮像装置１００は、特許文献１の技術と異なり、多焦点レンズ１１ａに応じた映像センサ１３を用意する必要がない。
【００２３】
また、第１の実施形態の撮像装置１００は、多焦点レンズ１１ａ等のレンズ及び映像センサ１３を光軸に沿って移動させることがない。したがって、撮像装置１００は、レンズ及び映像センサ１３の移動に伴う摩耗等が生じず、耐久性を確保できる。
また、自由形状開口絞り１２は、液晶シャッタで構成される。したがって、自由形状開口絞り１２の透過領域３３及び遮断領域３４の形状等を高速に制御できる。
【００２４】
また、非特許文献１に記載の「Ｌｉｇｈｔ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ」は求める画像の解像度に比べて数倍の解像度の映像センサを必要とする技術であり、コストアップになる。これに対して、第１の実施形態の撮像装置１００は、画像の解像度に比べて数倍の解像度の映像センサを必要するものではなく、コストアップを抑制できる。
また、第１の実施形態の撮像装置１００では、自由形状開口絞り１２は透過領域３３を制限して多焦点レンズ１１ａが必要とするパワーを持つレンズ領域３５だけを透過した光を使って撮像することができる。したがって、焦点深度を拡張する技術のように、全ての被写体に焦点が合ってしまうことがない。
また、高速に様々な距離の被写体に焦点を合わせることができる。したがって、複数の被写体の追尾に有効である。
また、第１の実施形態の撮像装置１００は、被写界深度を深くせずに、浅くしたまま撮影するができる。したがって、撮像装置１００の撮像画像に基づいて、撮像装置１００の被写体までの距離を測ることが可能であり、撮像装置１００の撮像画像を、被写体の位置特定に使用できる。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の撮像装置１００について説明する。以下に記載する第２の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項について説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項についての説明を行う。
第２の実施形態の撮像装置１００は、第１の実施形態の撮像装置１００の多焦点レンズ１１ａとは異なる多焦点レンズ１１ｂが使用される。図７を参照して、多焦点レンズ１１ｂについて説明する。図７は、光軸２１方向から見た多焦点レンズ１１ｂの一例を示す図である。多焦点レンズ１１ｂは、光軸２１方向から多焦点レンズ１１ｂを見た場合の光軸２１を表す中心点においてパワーが最も小さく、光軸２１を表す中心点から離れるにつれて連続的にパワーが大きくなる。
図７には、レンズ領域３５として第４のレンズ領域３５ｄから第６のレンズ領域３５ｆまでの３つが示される。第４のレンズ領域３５ｄは、多焦点レンズ１１ｂの中心点を含む円状の領域である。第５のレンズ領域３５ｅは、多焦点レンズ１１ｂの外周縁を含むリング状の外周領域である。第６のレンズ領域３５ｆは、第４のレンズ領域３５ｄと第５のレンズ領域３５ｅとの間のリング状の領域である。３つのレンズ領域３５のうち、第４のレンズ領域３５ｄのパワーが最も小さく、第５のレンズ領域３５ｅのパワーが最も大きい。
【００２６】
次に、図８から図１０までを参照して、第２の実施形態の自由形状開口絞り１２の透過領域３３及び遮断領域３４について説明する。図８から図１０までは、それぞれ、光軸２１方向から見た自由形状開口絞り１２の一例を示す図である。
図８は、自由形状開口絞り１２の第４の絞り領域３６ｄが透過領域３３であり、第４の絞り領域３６ｄ以外の領域が遮断領域３４である状態を示す。第４の絞り領域３６ｄは、中心点を含む円状の領域であり、図７に示す第４のレンズ領域３５ｄに対応する。この状態の場合、自由形状開口絞り１２に入射した光のうち、第４の絞り領域３６ｄに入射した光のみが自由形状開口絞り１２を透過して、多焦点レンズ１１ｂのパワーの小さい第４のレンズ領域３５ｄに入射して映像センサ１３で結像する。この結果、遠方被写体１６から出た光が映像センサ１３で焦点が合って、図２０に示すように、遠方被写体１６に焦点が合った撮像画像が生成される。
【００２７】
図９は、自由形状開口絞り１２の第５の絞り領域３６ｅが透過領域３３であり、第５の絞り領域３６ｅ以外の領域が遮断領域３４である状態を示す。第５の絞り領域３６ｅは、自由形状開口絞り１２の外周縁を含む外周領域であり、図７に示す第５のレンズ領域３５ｅに対応する。この状態の場合、自由形状開口絞り１２に入射した光のうち、第５の絞り領域３６ｅに入射した光のみが自由形状開口絞り１２を透過して、多焦点レンズ１１ｂのパワーの大きい第５のレンズ領域３５ｅに入射して映像センサ１３で結像する。この結果、近方被写体１８から出た光が映像センサ１３で焦点が合って、図２１に示すように、近方被写体１８に焦点が合った撮像画像が生成される。
【００２８】
図１０は、自由形状開口絞り１２の第６の絞り領域３６ｆが透過領域３３であり、第６の絞り領域３６ｆ以外の領域が遮断領域３４である状態を示す。第６の絞り領域３６ｆは、第４の絞り領域３６ｄと第５の絞り領域３６ｅとの間のリング状の領域であり、図７に示す第６のレンズ領域３５ｆに対応する。この状態の場合、自由形状開口絞り１２に入射した光のうち、第６の絞り領域３６ｆに入射した光のみが自由形状開口絞り１２を透過して、多焦点レンズ１１ｂの中間的なパワーを持つ第６のレンズ領域３５ｆに入射して映像センサ１３で結像する。この結果、中間距離被写体１７から出た光が映像センサ１３で焦点が合って、図２２に示すように、中間距離被写体１７に焦点が合った撮像画像が生成される。
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、多焦点レンズ１１ｂに応じた映像センサ１３を必要とすることなく、高速に合焦することができる。
【００２９】
（第３、第４の実施形態）
次に、第３、第４の実施形態の撮像装置１００について説明する。以下に記載する第３、第４の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項について説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項についての説明を行う。
図１１に示す第３の実施形態の撮像装置１００は、図１に示す第１の実施形態の撮像装置１００と異なり、多焦点レンズ１１ａと自由形状開口絞り１２とが像側レンズ１５と映像センサ１３との間に配置されている。
図１２に示す第４の実施形態の撮像装置１００は、図１に示す第１の実施形態の撮像装置１００と異なり、多焦点レンズ１１ａと自由形状開口絞り１２とが被写体側レンズ１４よりも被写体側に配置されている。
第３、４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、多焦点レンズ１１ａに応じた映像センサ１３を必要とすることなく、高速に合焦することができる。
【００３０】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態の撮像装置１００について説明する。以下に記載する第５の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項について説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項についての説明を行う。
図１３に示すように、第５の実施形態の撮像装置１００は、第１の実施形態の撮像装置１００の自由形状開口絞り１２が自由形状反射板２５に置き換えられている。
【００３１】
自由形状反射板２５は、自由形状反射板２５に入射した光を反射させる。次に説明する自由形状反射板２５の第１の反射領域によって光軸２１が９０°折り曲げられる。自由形状反射板２５の第１の反射領域によって折り曲げられる前の光軸を第１の光軸２１ａと呼び、自由形状反射板２５の第１の反射領域によって折り曲げられた後の光軸を第２の光軸２１ｂと呼ぶ。
自由形状反射板２５は、複数のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ、デジタルマイクロミラーデバイス）で構成される。より具体的には、自由形状反射板２５は、複数の格子状に分割された領域を有し、それぞれにＤＭＤが配置される。焦点制御部２４によって、ＤＭＤごとに、光の反射方向が制御される。
自由形状反射板２５には、第１の反射領域と第２の反射領域とが設けられる。第１の反射領域のＤＭＤは、入射した光を多焦点レンズ１１ａの方向に反射させる。第２の反射領域のＤＭＤは、入射した光を多焦点レンズ１１ａ以外の方向に反射させる。第２の反射領域で反射した光は、映像センサ１３に入らない。第２の反射領域は、自由形状反射板２５の第２の反射領域以外の領域である。第１の反射領域と第２の反射領域とは、焦点制御部２４の制御によって、位置、大きさ、及び、形状等が制御される。自由形状反射板２５は、第１の反射領域に入射する光のみを光軸２１の方向に進める。自由形状反射板２５は、第１の反射領域を変更できるため、映像センサ１３に入射する光が透過する多焦点レンズ１１ａのレンズ領域３５を変更可能である。制限部材の一例である。第１の反射領域は、第１の領域の一例である。第２の反射領域は、第２の領域の一例である。
【００３２】
焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離に基づいて、自由形状反射板２５の第１の反射領域を、焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に対応させるよう制御する。第１の反射領域が焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に対応するとは、第１の反射領域で反射した光のみが焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に入射する、という条件を第１の反射領域が満たすことである。より具体的には、第２の光軸２１ｂ方向から見た場合に、第１の反射領域と被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５とが一致することである。
【００３３】
近方被写体１８に焦点を合わせる場合、第１の反射領域は、焦点制御部２４の制御により、図２に示す第１のレンズ領域３５ａに対応する自由形状反射板２５の領域に設けられる。また、遠方被写体１６に焦点を合わせる場合、第１の反射領域は、焦点制御部２４の制御により、第２のレンズ領域３５ｂに対応する自由形状反射板２５の領域に設けられる。また、中間距離被写体１７に焦点を合わせる場合、第１の反射領域は、焦点制御部２４の制御により、第３のレンズ領域３５ｃに対応する自由形状反射板２５の領域に設けられる。これにより、第１の実施形態と同様に、それぞれの被写体に焦点が合った画像を生成できる。
第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、多焦点レンズ１１ａに応じた映像センサ１３を必要とすることなく、高速に合焦することができる。
【００３４】
第５の実施形態の撮像装置１００では、多焦点レンズ１１ａは、光軸２１に沿って、自由形状反射板２５よりも映像センサ１３に配置される。しかし、多焦点レンズ１１ａは、光軸２１に沿って、自由形状反射板２５よりも被写体側に配置され、自由形状反射板２５に隣接してもよい。言い換えると、自由形状反射板２５は、光軸２１に沿って、多焦点レンズ１１ａよりも映像センサ１３側に配置されてもよい。この場合も、焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離に基づいて、自由形状反射板２５の第１の反射領域を、焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に対応させるよう制御する。この場合、第１の反射領域がレンズ領域３５に対応するとは、レンズ領域３５を透過した光が入射する自由形状反射板２５の領域が第１の反射領域になることである。そして、焦点制御部２４は、第１の反射領域に入射した光が第１の反射領域で略９０°反射して、第１の反射領域に入射した光が光軸２１に沿って映像センサ１３に入射するよう第１の反射領域のＤＭＤを制御する。また、焦点制御部２４は、第２の反射領域に入射した光が第２の反射領域で映像センサ１３とは異なる方向に反射して、第２の反射領域に入射した光が映像センサ１３に入射しないよう第２の反射領域のＤＭＤを制御する。
【００３５】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態の撮像装置１００について説明する。以下に記載する第６の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項について説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項についての説明を行う。
図１４に示すように、第６の実施形態の撮像装置１００は、第１の実施形態の撮像装置１００の被写体側レンズ１４が第１のレンズ保持部材５０に置き換えられており、像側レンズ１５が第２のレンズ保持部材５５に置き換えられている。
【００３６】
第１のレンズ保持部材５０は、広角被写体側レンズ５１と望遠被写体側レンズ５２とを保持する。広角被写体側レンズ５１は望遠被写体側レンズ５２より画角が広い。ここで、図１５を参照して、第１のレンズ保持部材５０について更に説明する。図１５は、第１のレンズ保持部材５０の構成の一例を示す斜視図である。広角被写体側レンズ５１と望遠被写体側レンズ５２とは、それぞれ、第１のレンズ保持部材５０に設けられた穴に装着されている。また、第１のレンズ保持部材５０には、回転軸５３が設けられる。回転軸５３は、図１４に示すように、光軸２１と平行に設けられる。第１のレンズ保持部材５０は、不図示の機構で回転を止めることができる。第１のレンズ保持部材５０は、撮像装置制御部２２等の制御によって、光軸２１を通る光の経路に広角被写体側レンズ５１又は望遠被写体側レンズ５２を配置する。より具体的には、第１のレンズ保持部材５０は、撮像装置制御部２２等の制御によって、広角被写体側レンズ５１又は望遠被写体側レンズ５２の中心が、光軸２１に位置するように固定する。
【００３７】
第２のレンズ保持部材５５は、広角像側レンズ５６と望遠像側レンズ５７とを保持する。広角像側レンズ５６は望遠像側レンズ５７より画角が広い。第２のレンズ保持部材５５の構成は、第１のレンズ保持部材５０と同様である。第２のレンズ保持部材５５は、撮像装置制御部２２等の制御によって、回転軸５８を中心に回転することで、光軸２１を通る光の経路に広角像側レンズ５６又は望遠像側レンズ５７を配置する。より具体的には、第２のレンズ保持部材５５は、撮像装置制御部２２等の制御によって、広角像側レンズ５６又は望遠像側レンズ５７の中心が、光軸２１に位置するように固定する。
第６の実施形態の撮像装置１００では、第１のレンズ保持部材５０と第２のレンズ保持部材５５とを有することにより、１つの撮像装置で望遠と広角の２つの画角での撮像が可能となる。
【００３８】
第６の実施形態の撮像装置１００では、焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離と光軸２１上に配置されたレンズの特性とに基づいて、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を制御する。
次に、図１６を参照して、広角被写体側レンズ５１と広角像側レンズ５６とが光軸２１に配置された場合に中間距離被写体１７に焦点を合わせる場合の自由形状開口絞り１２の状態について説明する。図１６は、光軸２１方向から見た自由形状開口絞り１２の一例を示す図である。広角被写体側レンズ５１と広角像側レンズ５６とが光軸２１に配置された場合に中間距離被写体１７に焦点を合わせる場合、焦点制御部２４は、自由形状開口絞り１２の第７の絞り領域３６ｇが透過領域３３となるように自由形状開口絞り１２を制御する。そして、第７の絞り領域３６ｇ以外が遮断領域３４となるように自由形状開口絞り１２を制御する。第７の絞り領域３６ｇに対応する多焦点レンズ１１ａのレンズ領域３５は、広角被写体側レンズ５１と広角像側レンズ５６とを使用した場合に、中間距離被写体１７に焦点が合うためのパワーを持つ領域である。
【００３９】
次に、図１７を参照して、望遠被写体側レンズ５２と望遠像側レンズ５７とが光軸２１に配置された場合に中間距離被写体１７に焦点を合わせる場合の自由形状開口絞り１２の状態について説明する。図１７は、光軸２１方向から見た自由形状開口絞り１２の一例を示す図である。望遠被写体側レンズ５２と望遠像側レンズ５７とが光軸２１に配置された場合に中間距離被写体１７に焦点を合わせる場合、焦点制御部２４は、自由形状開口絞り１２の第８の絞り領域３６ｈが透過領域３３となるように自由形状開口絞り１２を制御する。そして、第８の絞り領域３６ｈ以外が遮断領域３４となるように自由形状開口絞り１２を制御する。第８の絞り領域３６ｈに対応する多焦点レンズ１１ａのレンズ領域３５は、望遠被写体側レンズ５２と望遠像側レンズ５７とを使用した場合に、中間距離被写体１７に焦点が合うためのパワーを持つ領域である。
【００４０】
このように、第６の実施形態の焦点制御部２４は、使用されるレンズの特性に応じて自由形状開口絞り１２を制御する。したがって、第６の実施形態の撮像装置１００では、異なる特性を持つ複数のレンズを使用した場合であっても、高速に被写体に焦点を合わせることができ、更に、被写体に焦点を合わせた画像を高速に得ることができる。また、第１の実施形態と同様に、多焦点レンズ１１ａに応じた映像センサ１３を用意する必要がない。
【００４１】
（第７、第８の実施形態）
次に、第７、第８の実施形態の撮像装置１００について説明する。以下に記載する第７、第８の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項について説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項についての説明を行う。
図１８に示す第７の実施形態の撮像装置１００は、被写体側レンズ１４がズームレンズ４１を有することで、被写体側レンズ１４はズーム機構を持つ。ズームレンズ４１は、ズームレンズ移動手段４２によって光軸２１に沿って移動し、画角を望遠端から広角端に変化させられる。ズームレンズ移動手段４２は、撮像装置制御部２２の制御に基づいて、ズームレンズ４１を移動させる。第７の実施形態の撮像装置１００では、焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離とズームレンズ４１の状態とに基づいて、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を制御する。
第７の実施形態においても、第６の実施形態と同様にズームレンズ４１の移動に伴って、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を変化させて、何れかの被写体に焦点を合わせることができる。焦点制御部２４は、ズームレンズ４１の画角等に応じた透過領域３３の位置、大きさ、及び、形状等を表すパターンを複数記憶しておいてもよく、ズームレンズ４１の画角等に応じた透過領域３３の位置、大きさ、及び、形状等を計算して取得してもよい。これにより、焦点制御部２４は、ズームレンズ４１のズーム途中で、例えば、遠方被写体１６から近方被写体１８に焦点を変更することも瞬時に可能となる。
【００４２】
図１９に示す第８の実施形態の撮像装置１００は、像側レンズ１５がズームレンズ４３を有することで、像側レンズ１５はズーム機構を持つ。ズームレンズ４３は、ズームレンズ移動手段４４によって光軸２１に沿って移動し、画角を望遠端から広角端に変化させられる。ズームレンズ移動手段４４は、撮像装置制御部２２の制御に基づいて、ズームレンズ４３を移動させる。第８の実施形態の撮像装置１００では、焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離とズームレンズ４３の状態とに基づいて、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を制御する。この場合でも、第７の実施形態と同様に、焦点制御部２４は、ズームレンズ４３のズーム途中で、例えば、遠方被写体１６から近方被写体１８に焦点を変更することも瞬時に可能となる。
【００４３】
（第９の実施形態）
次に、第９の実施形態の撮像装置１００について説明する。以下に記載する第９の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項について説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項についての説明を行う。
第９の実施形態の撮像装置１００は、ワイドダイナミックレンジ（以下ＷＤＲと記す）画像の撮像が可能である。ＷＤＲ画像は、複数の画像を合成することで、疑似的にダイナミックレンジを大きくした画像である。
【００４４】
撮像装置１００で撮像する際に、例えば屋内から窓越しに昼間の屋外を撮影した場合等、遠方の被写体の照度が高い場合に、図５に示すように、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を第２の絞り領域３６ｂに設ける場合を考える。この場合、遠方の被写体の照度が高いため、撮像画像において遠方の被写体が白とびすることがある。そこで、第９の実施形態の焦点制御部２４は、被写体の照度が高い場合、被写体の照度が低い場合よりも、透過領域３３が小さくなるように自由形状開口絞り１２を制御する。
【００４５】
第９の実施形態の撮像装置１００では、焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離と被写体の照度とに基づいて、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を制御する。
ここで、図５と図２３とを参照して、遠方被写体１６の照度が、第１の照度と第１の照度より高い第２の照度の場合の自由形状開口絞り１２について説明する。図２３は、光軸２１方向から見た自由形状開口絞り１２の一例を示す図である。
遠方被写体１６が第１の照度の場合、焦点制御部２４は、図５に示すように、透過領域３３を第２の絞り領域３６ｂに設けられるよう焦点制御部２４を制御する。
遠方被写体１６が第２の照度の場合、焦点制御部２４は、図２３に示すように、透過領域３３を第９の絞り領域３６ｉに設けられるよう焦点制御部２４を制御する。第９の絞り領域３６ｉは、図５に示す第２の絞り領域３６ｂに含まれる領域であり、第２の絞り領域３６ｂよりも面積が小さい領域である。
このように、第９の実施形態の撮像装置１００は、遠方被写体１６の照度に応じて透過領域３３の大きさが変化する。したがって、遠方被写体１６の白とびが防止され、撮像画像で明瞭に遠方被写体１６を確認することができる。
【００４６】
次に、遠方被写体１６と同等の距離に、照度が低い第１の被写体と照度が高い第２の被写体とがある場合の撮像装置１００の動作について説明する。
この場合、まず、焦点制御部２４は、図５に示すように、透過領域３３が第２の絞り領域３６ｂに設けられるよう自由形状開口絞り１２を制御する。そして、撮像装置制御部２２は、撮像の制御を行う。これにより、第１の被写体に焦点が合い、第１の被写体が明瞭に映る画像を撮像して第１の撮像画像を取得する。また、焦点制御部２４は、図２３に示すように、透過領域３３が第９の絞り領域３６ｉに設けられるよう自由形状開口絞り１２を制御する。これにより、透過領域３３が第２の絞り領域３６ｂに設けられた場合と比べて、自由形状開口絞り１２を透過する光量が減少する。そして、撮像装置制御部２２は、撮像の制御を行う。これにより、第２の被写体に焦点が合い、白とびせずに第２の被写体が明瞭に映る第２の撮像画像を取得する。そして、撮像装置制御部２２は、従来のＷＤＲ処理と同様に、第１の撮像画像と第２の撮像画像とを合成することで、第１の被写体と第２の被写体とが明瞭に写されたＷＤＲ画像を生成できる。
【００４７】
ここでは、遠方被写体１６と同等の距離に２つの被写体がある例について説明したが、被写体の数は２つに限定されるものではない。また、遠方被写体１６と同等の距離ではなく、他の距離に照度が異なる被写体がある場合や、異なる複数の距離に照度が異なる被写体が複数ある場合も、同様に、ＷＤＲ画像を生成できる。より具体的には、焦点制御部２４は、被写体の距離や照度に応じて自由形状開口絞り１２の透過領域３３の位置、大きさ、及び、形状等を制御しながら撮像装置制御部２２が撮像の制御を行い、撮像装置制御部２２が撮像画像を合成する。これにより、被写体が明瞭に写されたＷＤＲ画像を生成できる。
【００４８】
また、図２に示す多焦点レンズ１１ａを有する撮像装置１００について説明したが、撮像装置１００は、図２に示す多焦点レンズ１１ａが図７に示す多焦点レンズ１１ｂに置き換えられてもよい。この場合であっても、焦点制御部２４は、被写体の距離や照度に応じて自由形状開口絞り１２の透過領域３３の位置、大きさ、及び、形状等を制御しながら撮像する。そして、撮像装置制御部２２が撮像画像を合成することで、被写体が明瞭に写されたＷＤＲ画像を生成できる。
【００４９】
従来、ＷＤＲ画像は、複数の異なるシャッタ速度で連続して撮影された画像を合成することで取得される。しかしながら、従来は、フォーカス移動に時間がかかるため、異なった距離にある複数の被写体に焦点を合わせてＷＤＲ画像を取得することは困難であった。一方、第９の実施形態の撮像装置１００によれば、異なった距離にある複数の被写体に焦点を合わせたＷＤＲ画像の取得が可能である。
また、第９の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、多焦点レンズ１１ａに応じた映像センサ１３を必要とすることなく、高速に合焦することができる。
【００５０】
（変形例）
上記の各実施形態の撮像装置１００は監視カメラであってもよい。撮像装置１００は、高速に様々な距離の被写体に焦点を合わせることができるため、監視カメラとしても有効に使用できる。
また、撮像装置制御部２２が焦点制御部２４の機能を有していてもよい。また、上記の各実施形態において、多焦点レンズ１１ａに換えて図７に示す多焦点レンズ１１ｂを使用してもよい。また、上記の各実施形態の自由形状開口絞り１２を有する撮像装置１００は、第５の実施形態で説明したように、自由形状開口絞り１２が自由形状反射板２５に置き換えられていてもよい。
【００５１】
上記の多焦点レンズ１１ａ又は１１ｂを有する実施形態の撮像装置１００では、自由形状開口絞り１２は、多焦点レンズ１１ａ又は１１ｂよりも被写体側に配置される。しかし、自由形状開口絞り１２は多焦点レンズ１１ａ又は１１ｂよりも映像センサ１３側に配置され、多焦点レンズ１１ａ又は１１ｂに隣接してもよい。この場合も、焦点制御部２４は、撮像装置制御部２２等から取得する被写体までの距離に基づいて、自由形状開口絞り１２の透過領域３３を、焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５に対応させるよう制御する。この場合、透過領域３３がレンズ領域３５に対応するとは、焦点を合わせる被写体までの距離に応じて定まるレンズ領域３５を透過した光が入射する自由形状開口絞り１２の領域が、透過領域３３になることである。
【００５２】
（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【００５３】
以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、上記の実施形態や変形例を任意に組み合わせてもよい。
【００５４】
以上、上述した実施形態によれば、レンズに応じた撮像センサを必要とすることなく、高速に合焦することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１００  撮像装置
１１ａ  多焦点レンズ
１１ｂ  多焦点レンズ
１２  自由形状開口絞り
１３  映像センサ
１４  被写体側レンズ
１５  像側レンズ
２２  撮像装置制御部
２４  焦点制御部
【図１】
2019219597.tif 000003
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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