(57)【要約】【課題】更なる小型化が可能なパターン投光装置を提供する。【解決手段】光ＭＬを出射する光源２と、光源２から出射された光ＭＬを集光させる集光レンズ３と、光源２から出射された光ＭＬからパターン光ＰＬを生成するパターン生成素子４と、パターン光ＰＬを投光する投光レンズ５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を集光させる集光レンズと、
前記光源から出射された光からパターン光を生成するパターン生成素子と、
前記パターン光を投光する投光レンズとを備えることを特徴とするパターン投光装置。
【請求項２】
前記集光レンズは、光入射面側が凸面とされ、光出射面側が凸面とされ、
前記投光レンズは、光入射面側が凹面とされ、光出射面側が凸面とされることを特徴とする請求項１に記載のパターン投光装置。
【請求項３】
前記光源は、点光源であり、
前記光源と前記集光レンズとは、空気間隔を挟んで対向して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパターン投光装置。
【請求項４】
前記パターン生成素子は、暗部と明部とが交互に並ぶ縞状のパターン光を生成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のパターン投光装置。
【請求項５】
前記パターン生成素子は、前記暗部の幅と前記明部の幅とをランダムに異ならせたパターン光を生成することを特徴とする請求項４に記載のパターン投光装置。
【請求項６】
前記光源は、単色光を出射する発光素子を含むことを特徴とする請求項１〜５の何れ一項に記載のパターン投光装置。
【請求項７】
前記光源は、白色光を出射する発光素子を含み、
前記光源から出射された白色光のうち、特定の波長成分の光を選択的に透過させるカラーフィルタを備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のパターン投光装置。
【請求項８】
前記カラーフィルタは、前記光源と前記パターン生成素子との間の光路中に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のパターン投光装置。
【請求項９】
前記発光素子は、発光ダイオード又はレーザーダイオードであることを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載のパターン投光装置。
【請求項１０】
前記集光レンズと前記投光レンズとの少なくとも一方は、非球面レンズであることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のパターン投光装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載のパターン投光装置を備える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、パターン投光装置及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、一眼レフカメラやミラーレス一眼カメラ、コンパクトデジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話などの携帯電子機器に搭載される小型の撮像装置が広く普及している。これらの撮像装置では、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device) やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)センサなどの固体撮像素子が用いられている。
【０００３】
撮像装置では、被写体側から入射した光が撮像レンズを通して固体撮像素子の撮像面に結像され、この固体撮像素子が受像した光を光電変換して電気信号として出力し、被写体の像に対応したデジタル画像が生成される。また、撮像装置には、撮像レンズを通して取り込まれた画像を元に自動で焦点（ピント）合わせを行うオートフォーカス（ＡＦ）機能が搭載されている。
【０００４】
しかしながら、撮像装置では、暗い場所での撮影など被写体の輝度が低い場合や、被写体のコントラストが低い場合などに、ＡＦ機能がうまく動作しないことがある。そこで、撮像装置の中には、被写体に対して明暗のあるパターン光をＡＦ補助光として投光する補助光投光装置（パターン投光装置）を備えたものがある（例えば、特許文献１を参照。）。撮像装置では、ＡＦ機能がうまく動作しないときに、被写体に対して明暗のあるパターン光を投光すると、コンラストの高い反射光を得て、焦点合わせを容易にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−５３１７６号公報
【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、従来のＡＦ補助光モジュールのサイズは、外付けフラッシュモジュールに組み込まれる程度の大きさ、若しくは大型のカメラボディー（例えば３５ｍｍフルサイズカメラ）に搭載される程度の大きさのため、小型化が困難であった。したがって、カメラボディーの小さいカメラ（例えばミラーレス一眼カメラ）に搭載するためには、パターン光を投光するため光学構成を工夫し、更に構成部品を小型化する必要がある。
【０００７】
本発明の態様の一つは、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、更なる小型化が可能なパターン投光装置、並びにそのようなパターン投光装置を備えた撮像装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕  本発明の第１の態様に係るパターン投光装置は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光を集光させる集光レンズと、前記光源から出射された光からパターン光を生成するパターン生成素子と、前記パターン光を投光する投光レンズとを備えることを特徴とする。
【０００９】
〔２〕  前記〔１〕に記載のパターン投光装置において、前記集光レンズは、光入射面側が凸面とされ、光出射面側が凸面とされ、前記投光レンズは、光入射面側が凹面とされ、光出射面側が凸面とされる構成であってもよい。
【００１０】
〔３〕  前記〔１〕又は〔２〕に記載のパターン投光装置において、前記光源は、点光源であり、前記光源と前記集光レンズとは、空気間隔を挟んで対向して配置されている構成であってもよい。
【００１１】
〔４〕  前記〔１〕〜〔３〕の何れかに記載のパターン投光装置において、前記パターン生成素子は、暗部と明部とが交互に並ぶ縞状のパターン光を生成する構成であってもよい。
【００１２】
〔５〕  前記〔４〕に記載のパターン投光装置において、前記パターン生成素子は、前記暗部の幅と前記明部の幅とをランダムに異ならせたパターン光を生成する構成であってもよい。
【００１３】
〔６〕  前記〔１〕〜〔５〕の何れに記載のパターン投光装置において、前記光源は、単色光を出射する発光素子を含む構成であってもよい。
【００１４】
〔７〕  前記〔１〕〜〔５〕の何れかに記載のパターン投光装置において、前記光源は、白色光を出射する発光素子を含み、前記光源から出射された白色光のうち、特定の波長成分の光を選択的に透過させるカラーフィルタを備える構成であってもよい。
【００１５】
〔８〕  前記〔７〕に記載のパターン投光装置において、前記カラーフィルタは、前記光源と前記パターン生成素子との間の光路中に配置されている構成であってもよい。
【００１６】
〔９〕  前記〔６〕〜〔８〕の何れかに記載のパターン投光装置において、前記発光素子は、発光ダイオード又はレーザーダイオードである構成であってもよい。
【００１７】
〔１０〕  前記〔１〕〜〔９〕の何れかに記載のパターン投光装置において、前記集光レンズと前記投光レンズとの少なくとも一方は、非球面レンズである構成であってもよい。
【００１８】
〔１１〕  本発明の第２の態様に係る撮像装置は、前記〔１〕〜〔１０〕の何れかに記載のパターン投光装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の一つの態様によれば、更なる小型化が可能なパターン投光装置、並びにそのようなパターン投光装置を備えた撮像装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパターン投光装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１に示すパターン投光装置が備えるパターン生成素子及びそのパターン光の平面図である。
【図３】変形例として示すパターン生成素子及びそのパターン光の平面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るパターン投光装置の概略構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明では、各構成要素を見易くするため、図面において構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００２２】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として図１に示すパターン投光装置１Ａについて説明する。なお、図１は、パターン投光装置１Ａの概略構成を示す模式図である。
【００２３】
パターン投光装置１Ａは、図１に示すように、被写体に対してＡＦ補助光となるパターン光ＰＬを投光するＡＦ補助光モジュール（補助光投光装置）であり、ＡＦ機能を有する撮像装置に搭載して使用されるものである。また、パターン投光装置１Ａは、全体を小型モジュール化することによって、例えばミラーレス一眼カメラなどのカメラボディーの小さいカメラに搭載するのに好適なものとなっている。
【００２４】
具体的に、このパターン投光装置１Ａは、光源２と、集光レンズ３と、パターン生成素子４と、投光レンズ５とを概略備えている。また、光源２と、集光レンズ３と、パターン生成素子４と、投光レンズ５とは、互いの光軸Ｏを一致させた状態で、この順で並んで配置されている。
【００２５】
また、パターン投光装置１Ａは、図示を省略するホルダを備え、このホルダに、光源２、集光レンズ３、パターン生成素子４及び投光レンズ５が保持された構成となっている。ホルダは、光源２、集光レンズ３及びパターン生成素子４を保持する後側ホルダと、投光レンズ５を保持する前側ホルダとに分割された構成を有している。これにより、上述した互いの光軸Ｏを一致させるための光軸合わせを容易に行える構成となっている。
【００２６】
光源２には、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）からなる発光素子６が基板７上に実装されたチップタイプのＬＥＤパッケージが用いられている。チップタイプのＬＥＤパッケージでは、発光素子６の前面に光を集光するレンズが配置されたレンズタイプ（砲弾型）のＬＥＤパッケージとは異なり、全長の大幅な縮小化（小型化）が図られている。基板７上に実装された発光素子６は、表面が平坦な透明樹脂８により封止されている。なお、透明樹脂８は、省略することも可能であり、表面を曲面とすることも可能である。
【００２７】
発光素子６は、単一の波長成分からなる光（単色光という。）ＭＬを出射する。発光素子６が出射する光ＭＬとしては、例えば、緑色光（波長約５２０ｎｍ）や橙色光（波長約６１０ｎｍ）などの可視光域内における特定の波長成分の光を挙げることができる。また、発光素子６が出射する光ＭＬは、赤外光であってもよい。さらに、発光素子６については、上述したＬＥＤに限らず、レーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などを用いることができる。このようなＬＥＤ又はＬＤを用いた光源２は、いわゆる点光源として、発光点となる発光素子６から照射対象となる被写体側に向かって、光ＭＬを放射状に出射する。なお、ＬＥＤが出射する光の配向分布は、ランバーシアンであり、ＬＤが出射する光（レーザー光）の配向分布は、ガウシアンである。
【００２８】
集光レンズ３は、光入射面３ａ側が凸面とされ、光出射面３ｂ側が凸面とされた１枚の正レンズから構成されている。集光レンズ３は、光源２から出射された光ＭＬを被写体側に向けて集光させる。また、集光レンズ３は、光入射面３ａと光出射面３ｂとの少なくとも一方又は両方を非球面とした非球面レンズにより構成してもよい。この場合、収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。
【００２９】
ここで、光源２と集光レンズ３とは、空気間隔を挟んで対向して配置されている。本実施形態のパターン投光装置１Ａでは、光源２と集光レンズ３との間の空気間隔を狭めることで、全長の大幅な縮小化（小型化）が図られている。また、光源２から出射された光を集光レンズ３にできるだけ多く入射させるために、この集光レンズ３の光入射面３ａを凸面としている。一方、集光レンズ３の光入射面３ａから入射した光を集光させるために、この集光レンズ３の光出射面３ｂを凸面としている。これにより、光ＭＬの利用効率を高めることができる。
【００３０】
パターン生成素子４は、集光レンズ３を通過した光ＭＬからパターン光ＰＬを生成するマスクからなる。具体的に、このパターン生成素子４は、図２（Ａ）に示すように、光透過性を有する基材９と、基材９の一面に形成された遮光層１０とを含む。パターン生成素子４の面内には、光ＭＬを遮断するストライプ状の遮光領域１０ａと、光ＭＬを透過するストライプ状の透光領域９ａとが交互に並んで設けられている。このうち、遮光領域１０ａは、遮光層１０が形成された領域である。一方、透光領域９ａは、遮光層１０が形成されていない領域である。
【００３１】
これにより、パターン生成素子４では、集光レンズ３からの光ＭＬを選択的に透過させることによって、図２（Ｂ）に示すようなストライプ状の明部Ｌと暗部Ｄとが交互に並ぶ縦縞状のパターン光ＰＬを生成することができる。
【００３２】
また、パターン光ＰＬにおける明部Ｌと暗部Ｄとの間隔（ピッチ）については、特定の周波数、若しくはある幅を持った周波数とすればよい。本実施形態のパターン投光装置１Ａでは、パターン光ＰＬにおける明部Ｌの幅及び暗部Ｄの幅を狭めることで（例えば２０μｍ程度）、投光倍率を有利にし、パターン生成素子４と投光レンズ５との間の距離を最小限に抑えた構成とすることができる。さらに、パターン生成素子４と投光レンズ５との間の距離を最小限に抑えた構成とするためには、遮光層１０が形成された面（一面）を集光レンズ３側に向けた状態で配置することが好ましい。
【００３３】
パターン生成素子４では、例えば図３（Ａ）に示すように、遮光領域１０ａの幅と透光領域９ａの幅とをランダムに異ならせた構成としてもよい。遮光領域１０ａの幅と透光領域９ａの幅とは、例えば２０〜７０μmの範囲で異ならせることができる。また、図３（Ａ）に示すパターン生成素子４では、遮光領域１０ａを形成する遮光層１０の一部を幅方向に突出させた突出部１０ｂを設けることによって、遮光領域１０ａの幅と透光領域９ａの幅とを部分的に異ならせることができる。
【００３４】
これにより、パターン生成素子４では、図３（Ｂ）に示すような明部Ｌの幅と暗部Ｄの幅とをランダムに異ならせたパターン光ＰＬを生成することができる。本実施形態のパターン投光装置１Ａでは、このような明部Ｌの幅と暗部Ｄの幅とをランダムに異ならせたパターン光ＰＬを被写体に投光することで、コンラストの高い反射光を得ることができ、高いＡＦ精度を得ることができる。
【００３５】
なお、パターン生成素子４は、上述した縦縞状のパターン光ＰＬを生成するものに限らず、例えば、横縞状のパターン光ＰＬを生成するものや、格子状のパターン光ＰＬを生成するものなど、生成されるパターン光ＰＬの形状について適宜変更を加えることが可能である。
【００３６】
また、マスクからなるパターン生成素子４では、基材９の全面に亘って遮光層１０を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、遮光層１０をパターニングすることで、上述したパターン光ＰＬの形状に合わせた遮光領域１０ａ及び透光領域９ａを精度良く形成することができる。
【００３７】
なお、パターン生成素子４としては、上述したマスクからなるものに限らず、例えば、光の回折を利用した回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optic Elements）や、ホログラムを利用したホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optic Elements）、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）などを用いることができる。
【００３８】
投光レンズ５は、光入射面５ａ側が凹面とされ、光出射面５ｂ側が凸面とされた１枚の正レンズから構成されている。また、投光レンズ５は、光入射面５ａと光出射面５ｂとの少なくとも一方又は両方を非球面とした非球面レンズにより構成してもよい。この場合、収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。
【００３９】
投光レンズ５は、被写体に向けて集光されたパターン光ＰＬを投光する。このとき、投光レンズ５の光入射面５ａに入射したパターン光ＰＬが凹面により発散された後、投光レンズ５の光出射面５ｂから出射されるパターン光ＰＬが凸面により集束されることで、被写体の撮影エリアを考慮した倍率まで拡大されたパターン光ＰＬが投光される。これにより、被写体に対しては、距離に比例して明部Ｌ及び暗部Ｄの幅が拡大されたパターン光ＰＬが照射されることになる。
【００４０】
以上のように、本実施形態のパターン投光装置１Ａでは、上述した小型の光源２を用い、光源２と集光レンズ３との間の空気間隔を狭めることで、全長の大幅な縮小化（小型化）が図られている。また、パターン光ＰＬにおける明部Ｌの幅及び暗部Ｄの幅を狭めることで、投光倍率を有利にし、パターン生成素子４と投光レンズ５との間の距離を最小限に抑えた構成となっている。これにより、パターン投光装置１Ａでは、全体の小型モジュール化が図られている。
【００４１】
したがって、本実施形態のパターン投光装置１Ａでは、全体を小型モジュール化することによって、例えばミラーレス一眼カメラなどのカメラボディーの小さいカメラ（撮像装置）に搭載して使用することが可能である。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図４に示すパターン投光装置１Ｂについて説明する。なお、図４は、パターン投光装置１Ｂの概略構成を示す模式図である。また、以下の説明では、上記パターン投光装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００４３】
パターン投光装置１Ｂは、図４に示すように、光源２が白色光（複色光）ＷＬを出射する発光素子６Ａを含み、集光レンズ３とパターン生成素子４との間にカラーフィルタ１１が配置された構成となっている。それ以外は、上記図１に示すパターン投光装置１Ａと基本的に同じ構成を有している。
【００４４】
本実施形態のパターン投光装置１Ｂでは、光源２から出射された白色光ＷＬを集光レンズ３が集光させる。また、集光レンズ３を通過した白色光ＷＬのうち、カラーフィルタ１１が特定の波長成分の光（単色光）ＭＬを選択的に透過させる。また、パターン生成素子４がカラーフィルタ１１からの光ＭＬを選択的に透過させることによって、パターン光ＰＬを生成する。そして、投光レンズ５が被写体に向けて集光されたパターン光ＰＬを投光する。
【００４５】
なお、カラーフィルタ１１は、上述した集光レンズ３とパターン生成素子４との間に配置された構成に限らず、光源２とパターン生成素子４との間の光路中に配置されていればよい。例えば、カラーフィルタ１１は、光源２と集光レンズ３との間に配置することができる。また、カラーフィルタ１１は、パターン生成素子４と貼り合わされた構成とすることもできる。
【００４６】
以上のように、本実施形態のパターン投光装置１Ｂでは、上述した小型の光源２を用い、光源２と集光レンズ３との間の空気間隔を狭めることで、全長の大幅な縮小化（小型化）が図られている。また、パターン光ＰＬにおける明部Ｌの幅及び暗部Ｄの幅を狭めることで、投光倍率を有利にし、パターン生成素子４と投光レンズ５との間の距離を最小限に抑えた構成となっている。これにより、パターン投光装置１Ｂでは、上記パターン投光装置１Ａと同様に、全体の小型モジュール化が図られている。
【００４７】
したがって、本実施形態のパターン投光装置１Ｂでは、全体を小型モジュール化することによって、例えばミラーレス一眼カメラなどのカメラボディーの小さいカメラ（撮像装置）に搭載して使用することが可能である。
【００４８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として図５に示す撮像装置１００について説明する。なお、図５は、撮像装置１００の概略構成を示す模式図である。
【００４９】
撮像装置１００は、図５に示すように、ＡＦ機能を有するミラーレス一眼カメラである。具体的に、この撮像装置１００は、カメラ本体１０１と、カメラ本体１０１に対して着脱自在に取り付けられる交換レンズ１０２と、カメラ本体１０１の内部に配置された固体撮像素子１０３と、カメラ本体１０１の前面に配置されたＡＦ補助光モジュール（補助光投光装置）１０４とを概略備えている。
【００５０】
カメラ本体１０１は、一眼レフカメラとは異なり、内部にミラーを配置する必要がないため、一眼レフカメラのカメラ本体よりも小型化が図られている。
【００５１】
交換レンズ１０２は、撮像レンズとして一部のレンズを光軸方向に移動させることによって、焦点（ピント）合わせ（フォーカシングという。）を行う。また、交換レンズ１０２では、撮像レンズを構成するレンズの空気間隔を変化させることによって、変倍（ズーミングという。）を行うことができる。
【００５２】
固体撮像素子１０３は、交換レンズ１０２の像面に対応した位置に配置されている。固体撮像素子１０３としては、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどを用いることができる。
【００５３】
ＡＦ補助光モジュール１０４は、被写体に対してＡＦ補助光となるパターン光ＰＬを投光するものであり、このＡＦ補助光モジュール１０４には、上記パターン透光装置１Ａ又はパターン透光装置１Ｂが用いられている。
【００５４】
撮像装置１００では、交換レンズ１０２の被写体側から入射した光が最終的に固体撮像素子１０３の撮像面に結像する。そして、この固体撮像素子１０３が受像した光を光電変換して電気信号として出力し、被写体の像に対応したデジタル画像を生成する。デジタル画像は、例えばＨＤＤ(Hard Disk Drive)やメモリカード、光ディスク、磁気テープなどの記録媒体に記録することが可能である。
【００５５】
また、撮像装置１００には、取り込まれた画像を元に自動で焦点（ピント）合わせ（ＡＦ）を行う。一方、撮像装置１００では、暗い場所での撮影など被写体の輝度が低い場合や、被写体のコントラストが低い場合に、ＡＦがうまく動作しないときがある。このような場合、撮像装置１００では、ＡＦ補助光モジュール１０４を起動させることによって、被写体に対してＡＦ補助光（パターン光ＰＬ）を投光する。これにより、コンラストの高い反射光を得て、ＡＦを精度良く行わせることができる。
【００５６】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本実施形態のパターン投光装置は、上述したＡＦ補助光を投光する補助光投光装置に好適に用いることができるが、それ以外のパターン光を投光するものに対して幅広く適用することができる。
【００５７】
また、撮像装置１００としては、上述したミラーレス一眼カメラに適用したものに限らず、例えば、一眼レフカメラやコンパクトデジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話などの携帯電子機器に搭載される小型の撮像装置などに幅広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１Ａ，１Ｂ…パターン投光装置  ２…光源  ３…集光レンズ  ３ａ…光入射面（凸面）  ３ｂ…光出射面（凸面）  ４…パターン生成素子  ５…投光レンズ  ５ａ…光入射面（凹面）  ５ｂ…光出射面（凸面）  ６，６Ａ…発光素子  ７…基板  ８…透明樹脂  ９…基材  ９ａ…透光領域  １０…遮光層  １０ａ…遮光領域  １０ｂ…突出部  １１…カラーフィルタ  Ｌ…明部  Ｄ…暗部  ＭＬ…単色光  ＷＬ…白色光  ＰＬ…パターン光  １００…撮像装置  １０１…カメラ本体  １０２…交換レンズ  １０３…固体撮像素子  １０４…補助光投光モジュール（補助光投光装置）
【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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