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JP5549230B2 - 測距装置、測距用モジュール及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

測距装置、測距用モジュール及びこれを用いた撮像装置 Download PDF

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Description

この発明は、経時変化や温度変化に起因する測定誤差を解消して装置本体から測距対象までの距離を安定して測定できる複眼式の測距装置、測距用モジュール及びこれを用いた撮像装置に関するものである。
従来から、測距装置には、同一の測距光学系の光軸を互いに平行に配置し、各測距光学系により得られた測距対象としての被写体の画像を比較し、同一被写体に対する画像のずれ(視差)を検出して、装置本体から被写体までの距離を計測するステレオ式(複眼式)のものが知られている。
図9は、この種の測距装置の測距光学系による距離計測の基本原理を示す説明図であって、この種のステレオ式の測距装置では三角測量法に基づき被写体までの距離測定を行っている。
その図9において、1は被写体、2は測距装置、符号A’は被写体1から測距装置2までの距離(より厳密には、被写体1から後述する測距用レンズの主点までの距離)である。測距装置2は、第1測距光学系3と第2測距光学系4とからなる。
第1測距光学系3は、測距用レンズ3Aと測距用受像素子3Bとから概略なり、第2測距光学系4は、測距用レンズ4Aと測距用受像素子4Bとからなる。その第1測距光学系3と第2測距光学系4とは、固定台(ステージ)5に固定して配設される。
その測距用受像素子3B、4Bは図10に示すように、所定ピッチ間隔で縦に配置された多数の画素からなる。
その第1測距光学系3の光軸O1とその第2測距光学系4の光軸O2とは互いに平行とされ、光軸O1と光軸O2との距離を基線長といい、この図9においては、この基線長が符号Dで示されている。
ここで、被写体1をこの測距装置2を用いて測距する場合、すなわち、被写体1を第1測距光学系3、第2測距光学系4を用いて撮像する場合を考える。
被写体1からの像形成光束P1は、第1測距光学系3の測距用レンズ3Aを通して、測距用受像素子3Bの受像画素3Cに結像する。被写体1からの像形成光束P2は、第2測距光学系4の測距用レンズ4Aを通して、測距用受像素子4Bの受像画素4Cに結像する。その受像画素3C、4Cに結像された画像は光電変換されて、次段の測距用演算回路に入力される。
被写体1の同一点1Aは、視差が存在するために、測距用受像素子3Bにおける受像画素3Cと測距用受像素子4Bにおける受像画素4Cとの受像位置が異なる。その視差は光軸O1、O2を含む平面内で両光軸O1、O2に対する垂直方向のずれとして生じる。
ここで、両測距用レンズ3A、4Aの焦点距離をfとし、距離A’が測距用レンズ3A、4Aの焦点距離fよりも非常に大きく、数学的に、A’≫fの関係があるときには下記の[数1]の関係式が成り立つ。
[数1]
A’=D×(f/Δ)
基線長D、及び両測距用レンズ3A、4Aの焦点距離fは既知であるので、上記[数1]の関係式から、視差Δを求めれば、被写体1から測距装置2までの距離A’を算出できる。
視差Δは、図10(a)、図10(b)に示すように、 受像画素3C、4Cの位置を演算により求めることによって得られる。その図10(a)、図10(b)において、○印はそれぞれ、その受像画素3C、4Cの位置に結像された被写体1の同一点の画像を示している。なお、測距用受像素子4Bにおける破線のまる印は、測距用受像素子3Bに形成された被写体の画像を仮想的に示している。
視差Δは、測距用受像素子3Bの画素の中心Oから受像画素3Cまでの横方向のずれ量ΔY1と、測距用受像素子4Bの画素の中心Oから受像画素4Cまでの横方向のずれ量ΔY2との和として求められる。
このように、2つの画像の視差Δから距離A’を算出する方式が三角測量方式である。
しかしながら、2つの測距光学系3、4による三角測量では各種の誤差要因により、視差Δを正確に求めることが困難である。
例えば、両測距用レンズ3A、4Aの光軸O1、O2が平行でない場合、視差Δに誤差が含まれる。
また、両測距用受像素子3B、4Bの画素が互いに平行ではなく傾いていたり、測距用受像素子3B、4Bの画素の中心Oの間隔が所定間隔からずれていたりする場合にも、視差Δに誤差が含まれる。
更に、誤差要因として一番大きなものには、測距用レンズ3A(4A)と受像素子3B(4B)の位置ずれ、すなわち、測距用レンズ3Aの光軸O1(測距用レンズ4Aの光軸のO2)と測距用受像素子3Bの画素の中心O(測距用受像素子4Bの画素の中心O)との位置ずれがある。
その理由は、測距用レンズ3A(測距用レンズ4A)がシフトすると、その光軸O1(光軸O2)がこのシフト量と同一量だけシフトするため、測距用受像素子3B(測距用受像素子4B)がシフトしないものとすると、測距用レンズ3A(4A)のシフト量がそのまま視差Δの誤差となって現れるからである。
これらの誤差要因を完全に取り除くことは、現実的には非常に困難である。
また、一時的に誤差要因を取り除くだけでは不十分で、長期的な環境変動である経時変化や周囲温度の変化に対しても取り除く必要がある。
例えば、特許文献1には、周囲温度の変化に対して影響されずに高精度に測距できる技術が開示されている。
これは、測距装置2を低コスト化するために、測距用レンズ3A、4Aにプラスティックレンズを用いた場合、温度変化によってプラスティックが膨張し、基線長Dや測距用レンズ3A、4Aの位置が変化して、測距誤差が大きくなるため、測距用レンズ3A、4Aそれ自体が膨張したとしても、光軸O1、O2の間隔、すなわち、基線長Dが変化しないように、対策したものである。
また、特許文献2には、周囲温度の変化によって発生する測距誤差を温度センサで補正すると同時に急速な温度変化に対してタイマを用いて補正する方法が開示されている。タイマを用いて補正することにしたのは、温度センサのみによる補正のみでは、急速な温度変化に対応できないからである。
ところで、特許文献1に開示の技術は、板バネで測距用レンズを押さえる構成であるため、部品点数が増える。また、各測距用レンズ3A、4Aを調整する必要があるため、組み立て工程が増え、コストがアップする。
一方、特許文献2に開示の技術は、温度センサを用いて測距用レンズの温度膨張による基線長Dの変化を補正しているが、温度センサのみでは、基線長Dの変化を補正しきれないためタイマを併用している。
このようなセンサやタイマを設けて補正することにすると、センサやタイマの他、そのセンサを制御する制御回路等が必要になり、特許文献1と同様に、部品点数が増え、コストがアップする。
温度変化による誤差は、測距用受像素子3B、4BはSi系材料でできていて温度上昇による膨張が小さいのに対して、測距用レンズ3A、4Aがプラスティック材料により製作されているため、その温度上昇による膨張が大きいことに起因する。
このため、測距用レンズ3A、4Aと測距用受像素子3B、4Bとの位置ずれが大きく発生する。例えば、測距用レンズ3A、4Aの光軸O1とO2との基線長Dを5mm、測距用レンズ3A、4Aの中心から被写体1までの距離を5m、測距用レンズ3A、4Aの焦点距離fを5mmとすると、
[数1]から視差Δは、
[数2]
Δ=D・f/A=5μmとなる。
すなわち、この測距装置2では、5μmの視差Δがあるときに、距離Aを5mと認識する。
一方、プラスティックレンズの線膨張係数αが6×10-5であるとすると、温度変化Δtが10℃あった場合、
[数3]D×α×Δt=3μm
となり、視差が3μm増えたことと同等になる。この結果、温度変化が10℃あると同じ距離5mを測距しても60%(=3μm/5μm)もの大きな測距誤差が発生することになる。
本発明は、以上の課題解決を行うため、周辺温度のいかなる変化に対しても極力安定な距離測定ができる測距装置、測距用モジュール及びこれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に記載の測距装置は、互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第1反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第2反射面とを有する中間ミラー部材とを備え、
前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、
前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする。
請求項2に記載の測距装置は、前記レンズアレイ部材は第一の平板部を有し、該第一の平板部に前記一対の測距用レンズが形成され、前記ミラーアレイ部材は第二の平板部を有し、該第二の平板部に前記一対の反射部材が形成され、前記第一の平板部と前記第二の平板部とが一体に形成されていることを特徴とする。
請求項3に記載の測距装置は、互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第1反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第2反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、
前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが略同一の線膨張係数を有する材料又は同一の材料により形成され、
前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが別体に形成され、
前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする
請求項4に記載の測距装置は、前記中間ミラー部材が前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする。
請求項5に記載の測距装置は、前記レンズアレイ部材の材料と前記ミラーアレイ部材の材料がプラスチックであることを特徴とする。
請求項6に記載の測距装置は、前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが前記ウエハ基板と一体化されていることを特徴とする。
請求項7に記載の測距装置は、前記各反射部材の反射面及び中間ミラー部材の反射面が光軸に対して略45°の角度で傾斜していることを特徴とする。
請求項8に記載の測距用モジュールは、互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第1反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第2反射面とを有する中間ミラー部材とを備え、前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在されかつ前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする。

請求項9に記載の撮像装置は、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の測距装置又は請求項8に記載の測距用モジュールが搭載されていることを特徴とする。
請求項10に記載の撮像装置は、前記測距装置により得られた被写体までの距離の近傍を走査して被写体までの合焦位置を検出するオートフォーカス手段を有することを特徴とする。
本発明の測距装置によれば、温度上昇によって測距用レンズが膨張しても、反射部材の反射面もそれに対応して同じ分だけ動くので、温度膨張による測距誤差を相殺することができ、初期調整のみで高い距離測定精度が得られるという効果を奏する。
図1は本発明の実施の形態における測距装置の構成概略図である。 図2は温度変化時の被写体像位置ずれの相殺効果の説明図である。 図3は温度変化により発生する測距誤差の説明図である。 図4は図3に示す撮像領域に形成された被写体像の説明図である。 図5はレンズアレイ部材とミラーアレイ部材とが同じ材料又は線膨張率(線膨張係数)が略同一の材料で形成され、かつ、レンズアレイ部材とミラーアレイ部材とが別体に形成されている測距装置の説明図である。 図6(a)は反射部材の反射面が測距用レンズの傾斜角度が光軸に対して45°の場合の入反射光束の説明図である。 図6(b)は反射部材の反射面が測距用レンズの光軸に対して60°の角度で傾斜している場合の入反射光束の説明図である。 図7はレンズアレイ部材とミラーアレイ部材と中間ミラー部材との三者を一体化した場合の不具合を説明するための説明図である。 図8は本発明の測距装置を搭載した撮像装置のブロック回路図である。 図9は従来のステレオカメラによる三角測量の原理を説明するための説明図である。 図10は従来のステレオカメラによる視差検出方法の説明図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図1は本発明の測距装置の光学系の構成図を示している。
図1において、11はレンズアレイ部材、12はミラーアレイ部材、13は回路基板、14は中間ミラー部材である。レンズアレイ部材11は平板部11’を有し、この平板部11’には、互いに光軸O1、O2が平行な一対の測距用レンズ11a、11bが一体に形成されている。この測距用レンズ11a、11bはその光軸O1、O2の間隔が基線長Dとされている。
ミラーアレイ部材12は平板部12’を有し、平板部12’には一対の反射部材12a、12bが一体形成されている。反射部材12aは測距用レンズ11aに対応する反射面12cを有し、反射部材12bは測距用レンズ11bに対応する反射面12dを有する。
そのレンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とは、プラスチックス材料から形成され、例えば、そのプラスチックス材料の線膨張係数αは6×10-5である。
その反射面12c、12dは、ここでは、光軸O1、O2に対する傾斜角度が45度である。その理由については後述する。
そのレンズアレイ部材11の平板部11’とミラーアレイ部材12の平板部12’とは、例えば、接着剤により一体化されている。中間ミラー部材14は、その平板部12’と別体に形成され、一対の反射部材12a、12bの間に介在されている。この中間ミラー部材14は、ここでは、プラスチック材料により形成されているが、プラスチックス材料の線膨張係数αよりも小さい線膨張係数のシリコン系材料により形成されていても良い。その中間ミラー部材14は、第1反射面14aと第2反射面14bとを有する。なお、中間ミラー部材14を別体に形成した理由は後述する。
この発明の実施の形態では、そのレンズアレイ部材11の平板部11’とミラーアレイ部材の平板部12’とを接着剤により一体化する構成として説明するが、これに限るものではなく、金型を用いて射出成形装置等によって、レンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とを一括して成形すれば、精度の良いレンズ−ミラー組立体を容易に製作できる。
その第1反射面14a、第2反射面14bの傾斜角度も光軸O1、O2に対する傾斜角度が45度であるのが望ましい。撮像素子16は、シリコン系材料から構成されているので、その線膨張係数はプラスチックス材料の線膨張係数αに較べてはるかに小さい。
測距用レンズ11aによる像形成光束P1は、一対の反射部材12a、12bのうちの一方の反射面12cにより反射されて、中間ミラー部材14の第1反射面14aにより反射され、後述する構成の撮像素子16の撮像領域16aに導かれ、その撮像領域16aに被写体像が形成される。
測距用レンズ11bによる像形成光束P2は、一対の反射部材12a、12bのうちの他方の反射面12dにより反射されて、中間ミラー部材14の第2反射面14bにより反射され、撮像素子16の撮像領域16bに導かれ、その撮像領域16bに被写体像が形成される。
回路基板13には、同一の半導体ウエハ15上にCMOS、CCD等の撮像素子16が形成されている。この撮像素子16は半導体プロセスによって形成される。この撮像素子16はマトリックス状に配設された画素からなる矩形状の撮像領域16a、16b(図4参照)を有する。
その半導体ウエハ15は、マスク(図示を略す)を用いてパターニングが行われている。ここでは、撮像領域16a、16bの画素マトリックスが平行であるようなパターンをもつマスク(図示を略す)を用いる。
半導体ウェハ15の表面は平面であるため、2つの撮像領域16a、16bの法線N1、N1は必然的に平行となる。従って、2つの被写体像を比較する際に、従来は必要であった角度ずれ補正は不要である。また、一つの撮像素子16を実装すれば足りるので、部品点数の削減と実装工程の簡略化ができる。
ここで、その撮像領域16a、16bは一定間隔δを開けて設けられている。このように、撮像領域16a、16bを離間して設けた理由は、撮像領域16aと撮像領域16bとの間に遮光壁を設けることなく、一方の撮像領域16a(16b)に入射する像形成光束P1(P2)が他方の撮像領域16b(16a)に混入するのを防止するためである。
回路基板13には、測距用演算回路、デジタル信号プロセッサー(DSP)を含む回路が設けられている。これにより、2つの撮像領域16a、16b上の画素マトリックスで検知された画像信号を比較して、被写体までの距離情報が得られる。
そのレンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12と回路基板13と中間ミラー部材14と半導体ウエハ15とは一体化されて、測距用モジュール17が形成される。
次に、レンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とを一体化した効果について図2、図3を参照しつつ説明する。
ここで、図2、図3において、光軸O1、O2に沿う方向をZ軸とし、Z軸に直交し、光軸O1と光軸O2とを結ぶ方向をY軸とし、Z軸とY軸との両方に直交する方向をX軸とすると、測距用レンズ11a、11bはXY平面上に存在し、Y軸上に両レンズ11a、11bの中心Oが位置することになり、この場合、視差Δが発生する方向はY軸方向となる。
図2はレンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とが温度変化により膨張した状態を破線で示している。レンズアレイ部材11が温度上昇により膨張すると、測距用レンズ11a、11bの光軸O1、O2が破線で示すように、その基線長Dが大きくなる方向に変化する。
これに伴って、ミラーアレイ部材12もそのレンズアレイ部材11が膨張したと同じ分だけ膨張し、反射面12c、12dの間隔が、基線長Dが大きくなる方向に変化した分だけ大きくなる。
すなわち、温度上昇により、反射面12c、12dに対して、光軸O1、O2が位置ずれを起こした分だけ、反射面12c、12dの間隔がその光軸O1、O2の位置ずれを相殺する方向に変化するため、反射光軸O1’、O2’の位置は変化せず、従って、被写体像は図2に示すように温度変化に拘わらず、撮像領域16a、16bの同じ箇所に形成されることになる。
なお、中間ミラー部材14がプラスチックス材料で形成されている場合、この中間ミラー部材14も膨張するが、基線長Dに対して間隔δが小さいので、中間ミラー部材14の温度変化による中間ミラー部材14の膨張は実質的に無視できる。
従って、レンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とを同一のプラスチックス材料により形成し、これらを一体化した場合には、温度変化によって生じる測距誤差は解消され、初期調整のみで精度の高い距離測定が得られる。
これに対して、反射部材12a、12b、中間ミラー部材14を共にシリコン系の材料により形成すると、図3に示すように、温度上昇によって、測距用レンズ11a、11bの光軸O1、O2が破線で示すように、その基線長Dが大きくなる方向に変化したとしても、反射部材12a、12bは線膨張係数が小さいために、その反射面12c、12dの間隔がほとんど変化しない。
このため、その反射光軸O1’、O2’の位置がずれ、その結果、図4に示すように被写体像Pq1、Pq2(反射光軸O1’、O2’)は、温度変化によって、撮像領域16a、16b上で、温度変化前の像形成箇所Pt1、Pt2とは異なる像形成箇所pt1’、pt2’にそれぞれ形成されることになり、温度変化による誤差が視差Δとして生じることになる。
ここでは、レンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とを一体化した場合について説明したが、レンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とを同一のプラスチックス材料により形成しかつ大きさも同じ場合には、図5に示すように、レンズアレイ部材11が膨張した分だけ、ミラーアレー部材12も膨張するので、温度上昇により、反射面12c、12dに対して、光軸O1、O2の位置ずれを起こした分だけ、反射面12c、12dの間隔がその光軸O1、O2の位置ずれを相殺する方向に変化するため、反射光軸O1’、O2’の位置は変化せず、従って、被写体像は図5に示すように温度変化に拘わらず、撮像領域16a、16bの同じ箇所に形成される。
なお、レンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とを同一のプラスチックス材料により形成しなくとも、線膨張率がほぼ同一の材料で形成することにより、温度変化による位置ずれを相殺できる。
本発明は、温度変化により生じる測距用レンズ11a、11bの位置ずれを原因とした撮像素子16に導かれる被写体像の位置ずれを、温度変化により反射面12c、12dが同じ量の位置ずれを起こすことにより相殺することがポイントである。
したがって、既述したように、反射面12c、12dは測距用レンズの光軸O1、O2に対して45°傾斜していることが望ましい。
例えば、図6(a)に示すように、測距用レンズ11aの光軸O1に対して反射面12cの傾斜が45°の場合には、測距用レンズ11aが膨張により位置ずれを起こしたとしても、その位置ずれ量と、反射部材12aの反射面12cのずれ量が等しいために、反射光軸O1’の位置ずれが相殺され、撮像領域16aに導かれる被写体像の位置ずれを完全に相殺することができる。
しかし、図6(b)に示すように、測距用レンズ11aの光軸O1に対して反射面12cが45°でない場合、測距用レンズ11aの位置ずれ量と反射面12cのずれ量とが異なることになるので、反射光軸O1’が温度変化によりずれ、撮像領域16aに導かれる被写体像の位置ずれを完全には相殺することができない。従って、反射面12c、12dの光軸O1、O2に対する傾斜角度は、略45度であるのが望ましい。
中間ミラー部材14とミラーアレイ部材12とを一体化して形成しても良いが、中間ミラー部材14はミラーアレイ部材12とは、極力、別体に形成することが望ましい。
中間ミラー部材14をプラスチックス材料で構成し、図7に示すように、中間ミラー部材14とミラーアレイ部材12とを一体化して形成すると、レンズアレイ部材11とミラーアレイ部材12とを一体化することによって相殺された被写体像の位置ずれが中間ミラー部材14の膨張によって再度位置ずれが発生することがあるからである。
これは、中間ミラー部材14の反射面14a、14bが温度によって膨張して、Y軸方向にシフトしたり、反射面14aと反射面14bとの角度が変化することによって起こり得る。
次に本発明の実施例に係る測距装置を撮像装置に適用した実施例を図8を参照しつつ説明する。
その図8において、19は撮像装置としてのデジタルカメラである。デジタルカメラ19は、電源20、被写体21を撮像する撮影光学系22、撮像手段23、プロセッサ24、測距装置25、制御手段26、第1オートフォーカス手段27、フォーカス駆動手段28を有する。
撮像手段23は撮影光学系22により撮像された被写体像を像形成信号に変換してプロセッサ24と第1オートフォーカス手段27とに向けて出力する。
プロセッサ24は撮像手段23からの像形成信号に所定の処理を行って、図示を略すモニターに出力する。測距装置25は被写体21までの距離を三角測距の原理に基づき測定する。
制御手段26は測距装置25の測距結果に基づいて後述する制御を行い、第1オートフォーカス手段27は撮像手段23の像形成信号に基づき後述する制御を行う。
フォーカス駆動手段28は撮影光学系22の一部を光軸方向に移動させて撮像手段23に形成される被写体像のピント状態を変化させる。
第1オートフォーカス手段27は、フォーカス駆動手段28を制御してピント状態を順次変化させつつ、各ピント状態ごとに得られた像形成信号を逐次評価し、この評価値に基づいて所定のピント状態を得る。
制御手段26は、測距装置25によって得られた距離に対応するピント状態の近傍のピント範囲で評価を行うように第1オートフォーカス手段27を制御する。
測距装置25は、既述したように、レンズアレイ部材11の測距用レンズ11a、11b、ミラーアレイ部材12の反射部材12a、12b、中間ミラー部材14、撮像素子16、回路基板13に搭載された測距用演算回路(図示を略す)を有し、デジタルカメラ19から被写体21までの距離を測定する。
従来方式の第1オートフォーカス手段27は、撮影光学系22のフォーカスレンズ群を可動させてズーム全域を走査範囲として移動させつつ、各フォーカスレンズ群の各レンズ位置における被写体像のコントラストを算出し、全域走査後に最大のコントラストが得られる位置を最適ピント状態の位置すなわち最適焦点位置(合焦位置)として決定している。
この方法は、コントラストAF方式又は山登りAF方式と呼ばれ、実際に被写体像を見ながらフォーカス合わせを行うため、高精度で正確なフォーカス検出を行うことができる。
しかし、その反面、全域走査後に最適ピント位置(合焦位置)を求めるため、合焦するまでに時間がかかるという欠点がある。とりわけ、高倍率のズーム機能を持つデジタルカメラ19においてはフォーカスが合焦するまでに時間がかかる。
そこで、制御手段26は、測距装置25によって得られた被写体21までの距離に対応するフォーカスレンズ群のレンズ位置Aを算出し、そのレンズ位置を中心として±ΔBの走査範囲(A−ΔB〜A+ΔB)を近傍のピント範囲に設定し、この近傍のピント範囲を走査範囲とするように、第1オートフォーカス手段27を制御する。すなわち、制御手段26は、距離に対応するレンズ位置を含む近傍が合焦検出の走査範囲となるように第1フォーカス手段27を制御する。
これにより、フォーカスが合うまでの時間が短縮され、かつ正確なフォーカス合わせも実現する。もちろん、測距装置25の測距情報だけでフォーカスレンズ群を可動させ、コントラストAFを行わずにフォーカス合わせを行っても良い。
本発明の測距装置25では、プラスティックレンズを用いて低コスト化が図れると同時に、温度センサを設けなくても周辺温度の変化に関わらず正確に被写体21の距離情報を算出できる。
具体的には温度変化に伴う測距用レンズ11a、11bの膨張と反射部材12a、12bの位置ずれが相殺するように配置することで周辺温度にかかわらず正確な視差Δ及び距離A’を求めることが可能となる。
このように、本発明の測距装置25を用いた撮像装置19によれば、周辺温度を測るためのセンサが必要ないため、低コスト化を図れると同時に高速で高精度にフォーカス合わせを行うことができ、シャッターチャンスを逃すことなく画像を取り込むことができる。
本発明の測距装置は、車載用測距装置やビデオカメラの測距装置、携帯機器搭載用カメラや3次元デジタルカメラや監視用カメラ等の用途に応用することが可能である。
11 レンズアレイ部材
11a、11b 測距用レンズ
12 ミラーアレイ部材
12a、12b 反射部材
14 中間ミラー部材
16 撮像素子
16a、16b 撮像領域
特許第3090078号 特許第4226936号

Claims (10)

  1. 互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
    前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
    前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第1反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第2反射面とを有する中間ミラー部材とを備え、
    前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
    前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、
    前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする測距装置。
  2. 前記レンズアレイ部材は第一の平板部を有し、該第一の平板部に前記一対の測距用レンズが形成され、
    前記ミラーアレイ部材は第二の平板部を有し、該第二の平板部に前記一対の反射部材が形成され、
    前記第一の平板部と前記第二の平板部とが一体に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の測距装置。
  3. 互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
    前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
    前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第1反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第2反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、
    前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
    前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが略同一の線膨張係数を有する材料又は同一の材料により形成され、
    前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが別体に形成され、
    前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする測距装置。
  4. 前記中間ミラー部材が前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の測距装置。
  5. 前記レンズアレイ部材の材料と前記ミラーアレイ部材の材料がプラスチックであることを特徴とする請求項3に記載の測距装置。
  6. 前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが前記ウエハ基板と一体化されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の測距装置。
  7. 前記各反射部材の反射面及び中間ミラー部材の反射面が光軸に対して略45°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の測距装置。
  8. 互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
    前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
    前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第1反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第2反射面とを有する中間ミラー部材とを備え、
    前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、
    前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、
    前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在されかつ前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする測距用モジュール。
  9. 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の測距装置又は請求項8に記載の測距用モジュールが搭載されていることを特徴とする撮像装置。
  10. 前記測距装置により得られた被写体までの距離の近傍を走査して被写体までの合焦位置を検出するオートフォーカス手段を有することを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。
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