測距装置及びそれを有する光学機器
【課題】 小型でありながら、高い測距精度の測距装置を実現すること。
【解決手段】 互いの光軸が基線長を隔てて配置された一対の結像レンズ１０２，１０４と、一対の結像レンズ１０２，１０４に対応する一対の開口が設けられた絞り１０６と、一対の結像レンズ１０２，１０４により形成された像を受光して電気信号に変換するセンサ１０３，１０６とを有する測距装置１０１であって、一対の結像レンズ１０２，１０４をそれぞれ、１枚の非球面レンズで構成すると共に、各結像レンズのシェープファクター、及び各結像レンズの焦点距離と各開口の基線長方向の長さとの関係を適切に設定する。
【解決手段】 互いの光軸が基線長を隔てて配置された一対の結像レンズ１０２，１０４と、一対の結像レンズ１０２，１０４に対応する一対の開口が設けられた絞り１０６と、一対の結像レンズ１０２，１０４により形成された像を受光して電気信号に変換するセンサ１０３，１０６とを有する測距装置１０１であって、一対の結像レンズ１０２，１０４をそれぞれ、１枚の非球面レンズで構成すると共に、各結像レンズのシェープファクター、及び各結像レンズの焦点距離と各開口の基線長方向の長さとの関係を適切に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測距装置に関し、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の光学機器に好適である。
【背景技術】
【０００２】
パッシブ方式の測距装置として、例えば、左右一対のセンサにより物体像を撮像し、左右のセンサにより得られる各像のずれ量から物体までの距離を算出するものが知られている。
【０００３】
特許文献１は、センサ上に物体像を形成するための結像レンズに正メニスカルレンズを採用して、測距装置の大型化を抑制しつつ測距精度の向上を図った測距装置を開示している。
【０００４】
特許文献２は、開口絞りとは別に副絞りを配置し、軸外光束の焦点深度を深くすることで像面湾曲の影響を抑え、それに起因した測距精度の低下を抑制した焦点検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５０２９号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１４０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、特許文献１の測距装置は、結像レンズを平凸レンズで構成した場合に比べて小型ではあるものの、結像レンズの焦点距離が長いため、大きさの観点では改良の余地がある。
【０００７】
特許文献２は、軸外光束を副絞りで制限して焦点深度を深くしているので、軸上光束と軸外光束との光量差が大きくなり、センサ上での光量分布が不均一となる。このため、十分な光量が確保できない環境下では、軸外光束を用いて高い測距精度を得ることが難しい。
【０００８】
本発明は、従来よりも小型でありながら、測距精度の向上を図った測距装置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】
上記目的を達成するため、本発明の例示的な測距装置は、互いの光軸が基線長を隔てて配置された一対の結像レンズと、その一対の結像レンズに対応する一対の開口が設けられた絞りと、一対の結像レンズにより形成された像を受光して電気信号に変換するセンサとを有する測距装置であって、一対の結像レンズをそれぞれ、１枚の非球面レンズで構成すると共に、各結像レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１、各結像レンズの像側の面の曲率半径をＲ２、各開口の前記基線長方向の長さをＡ、各結像レンズの焦点距離をｆとするとき、
−０．４＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１
５．０＜ｆ／Ａ＜１１．０
なる条件を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来よりも小型でありながら、測距精度の向上を図った測距装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の測距装置の概略構成図である。
【図２】三角測量の原理図である。
【図３】２つのセンサから読み出した信号の例である。
【図４】実施例１のレンズ断面図と収差図である。
【図５】実施例２のレンズ断面図と収差図である。
【図６】実施例３のレンズ断面図と収差図である。
【図７】デジタルビデオカメラの要部概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の測距装置の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態の測距装置１０１の概略構成図である。図１において、１０２，１０４は一対の結像レンズである。結像レンズ１０２，１０４は、それぞれの光軸を互いに平行にして並列に配置した、同一の焦点距離のレンズである。結像レンズ１０２，１０４は、樹脂成形により一体的に形成されている。これにより、結像レンズ１０２，１０４を別部材とした場合に比して相対偏芯を低減でき、高い位置精度を達成できる。結像レンズ１０２，１０４の光軸間の距離は基線長Ｂとして定義される。
【００１４】
１０６は、結像レンズ１０２，１０４のそれぞれに対応した一対の開口が設けられた絞りである。１０３，１０５は、結像レンズ１０２，１０４に対応して設けられ、それぞれが形成する物体の像を受光して電気信号に変換する一対のセンサである。図１に示すように、絞り１０６は、結像レンズ１０２，１０４の後方（像側）で、センサ１０３，１０５の前方（物体側）に配置されている。センサ１０３，１０５は、光軸と直交する同一平面上で基線長方向に並んでおり、各センサは基線長方向に配列された複数の画素を備えている。１０７は、センサ１０３，１０５上に形成された像に対応した信号を用いて物体までの距離の演算を行う距離演算部である。
【００１５】
図１では、絞り１０６を結像レンズ１０２，１０４と離間して描いているが、結像レンズ１０２，１０４の保持部材に絞り１０６の機能を持たせても良い。また、センサ１０３，１０５を１つのセンサとし、その１つのセンサの異なる領域に結像レンズ１０２，１０４による像を形成するような構成も考えられる。
【００１６】
また、図示していないが、発光素子（光源）と、発光素子からの光を物体側に照射する照明レンズとを備えた照明ユニットを測距装置１０１に設け、物体を照明しても良い。照明ユニットで照明された物体からの光をセンサ１０３，１０５で検出すれば、環境によらずＳ／Ｎ比の高い信号が得られる。
【００１７】
次に、三角測距による距離演算の原理を図２，３を用いて説明する。
図２において、２０１は物体（被写体）である。２０２，２０３はそれぞれ第１の光路用の結像レンズ、センサである。２０４，２０５はそれぞれ第２の光路用の結像レンズ、センサである。結像レンズ２０２，２０４は、互いの光軸が基線長Ｂだけ離れて設置されている。センサ２０３，２０５はラインセンサである。物体２０１からの光のうち、結像レンズ２０２によって第１の光路を辿った光がセンサ２０３上に結像し、結像レンズ２０４によって第２の光路を辿った光がセンサ２０５上に結像する。
【００１８】
ここで、第１と第２の光路を辿って形成された２つの像を受けたセンサ２０３，２０５から読み出した信号の例を示したものが図３である。２つのセンサは基線長Ｂだけ離れているため、図２から分かるように、２つの信号Ｓ１，Ｓ２は画素数Ｘだけずれる。そこで２つの信号Ｓ１，Ｓ２の相関を、画素をずらしながら演算し、相関が最大になる位置を求めることで、２つの信号のずれ量Ｘが演算できる。このずれ量Ｘと、基線長Ｂ、そして結像レンズ２０２，２０４の焦点距離ｆより、三角測量の原理で物体までの距離Ｌが、
Ｌ＝Ｂ×ｆ／Ｘ
により求められる。
【００１９】
焦点距離ｆは、光学系に対して光軸に平行な光線が入射する場合、すなわち物体距離無限遠に対して定義されるものである。このため、厳密には有限距離の物体に対して焦点距離を用いて距離Ｌを演算することはできないが、簡単のため、焦点距離で代用して原理の説明をしている。
【００２０】
このような測距装置において、装置を小型化するためには、結像レンズの屈折力（焦点距離の逆数）を強める必要がある。また、測距精度を向上するためには、絞り形状を適切に設定する必要がある。本発明は、測距装置の小型化を図りつつ、所望の測距精度を得るために必要な結像レンズの形状、焦点距離と絞り形状との関係を見出したものである。
【００２１】
本実施形態では、一対の結像レンズ１０２，１０４をそれぞれ１枚の非球面レンズで構成した。そして結像レンズ１０２，１０４が次の条件を満足するようにした。
【００２２】
−０．４＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１ （１）
５．０＜ｆ／Ａ＜１１．０ （２）
ここで、
Ｒ１：各結像レンズの物体側の面の曲率半径
Ｒ２：各結像レンズの像側の面の曲率半径
Ａ ：各開口の基線長方向の長さ
ｆ ：各結像レンズの焦点距離
である。
【００２３】
結像レンズを非球面レンズとすることで、球面収差やコマ収差、像面湾曲を抑えつつ、全系の小型化が行える。
【００２４】
条件式（１）は、小型で良好な結像性能を得るための具体的な形状示すシェープファクターを規定した式である。条件式（１）を満足することにより、物体側に凸面を持ち、像側の面の曲率が物体側の面に比して相対的に小さくなった形状となる。結像レンズをこのような形状にすることで、屈折力を強めたときの収差補正が可能になる。条件式（１）の上限を超えると、像側の面の曲率が大きく（曲率半径が小さく）なり、球面収差の補正が困難になる。条件式（１）の下限を超えると、球面収差の補正や小型化には有利だが、軸外のコマ収差が大きくなる。なお、非球面の曲率半径は、近軸曲率半径を用いて条件式（１）を値を求める。
【００２５】
条件式（２）は、結像レンズの焦点距離を基線長方向の開口長さで規定した式である。条件式（２）の上限を超えると、回折の影響が大きくなり、結像性能の劣化を招き、高い測距精度の実現が難しくなる。条件式（２）の下限を超えると、センサ周辺像高における結像性能の劣化を招く。また単レンズ１枚で構成した場合に不可避の像面湾曲に対し、十分な焦点深度を確保することが難しくなる。
【００２６】
以上のように、結像レンズの形状、結像レンズの焦点距離と絞り形状との関係を規定することにより、本発明の初期の目的である従来よりも小型でありながら、高い測距精度の測距装置が実現できる。
【００２７】
次に本発明の測距装置の更に好ましい条件について説明する。下記条件を満足する構成とすることで、後述する効果が付加的に得られる。
【００２８】
まず、各結像レンズの光軸上の厚さをｄ、各結像レンズの物体側の面から対応するセンサまでの距離（所謂「光学全長」）をＴＬとするとき、
０．３５＜ｄ／ＴＬ＜０．７ （３）
なる条件を満足することが望ましい。
【００２９】
条件式（３）は、結像レンズの光軸上の厚さを光学全長で規定した式である。条件式（３）を満足することにより、全系の小型化と緒収差を十分に補正することが可能となる。条件式（３）の上限を超えると、所望のバックフォーカスを確保することが難しくなる。また、半球形状を超える（球形に近づく）ため、レンズの保持が困難となり、鏡胴へのレンズ組み込みが困難となる。条件式（３）の下限を超えると、レンズの中心厚が小さくなり、センサ周辺における結像性能の劣化を招く。
【００３０】
次に、各結像レンズの像側の面から対応する開口までの距離をｄＳＰとするとき、
０．３＜ｄＳＰ／ＴＬ＜０．６ （４）
なる条件を満足することも望ましい。
【００３１】
条件式（４）の下限を超えると、結像レンズの軸外光束が光軸から離れるため、結像レンズの径の増大を招く。条件式（４）の上限を超えると、センサ周辺に入射する周辺光束の光軸からの距離変化が大きくなり、鏡胴の内壁フレア（反射光）が増大し、高い測距精度の実現が難しくなる。
【００３２】
次にセンサの見かけの画素ピッチをｐとするとき、
１００＜ｆ／ｐ＜７５０ （５）
なる条件を満足することも望ましい。
【００３３】
条件式（５）は、条件式（１）で規定したレンズ形状及び条件式（２）で規定した絞りの開口長さに対し、良好な測距性能を引き出すための条件である。条件式（５）の上限を超えると、原理的には高い測距精度は得られるものの、一対の結像レンズとセンサの相対位置敏感度が高くなり、製造誤差による誤演算を招く。条件式（５）の下限を超えると、物体距離を特定する感度が低く、高い測距精度の実現が難しくなる。
【００３４】
ところで、見かけの画素ピッチｐとは、１ラインのラインセンサでは画素ピッチそのものを指す。図１に示した測距装置のごとく、２ラインのラインセンサにて画素ずらしを行った場合は、１つのラインセンサの画素ピッチの半分を指す。３ライン以上のラインセンサにて、等間隔の画素ずらしを行った場合も同様に考える。
なお、条件式（１）〜（５）は、次の条件を満足すると更に好ましい。
【００３５】
−０．３５＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１５ （１ａ）
６．０＜ｆ／Ａ＜９．０ （２ａ）
０．３５＜ｄ／ＴＬ＜０．６ （３ａ）
０．３５＜ｄＳＰ／ＴＬ＜０．５５ （４ａ）
１５０＜ｆ／ｐ＜４５０ （５ａ）
条件式（１ａ）を満足することにより、小型化と球面収差の補正がより高い次元で両立できる。条件式（２ａ）を満足することにより、回折の影響と像面湾曲に関する焦点深度の確保がより適切になる。条件式（３ａ）を満足することにより、バックフォーカスの確保と小型化がより高い次元で両立できる。条件式（４ａ）を満足することにより、球面収差やコマ収差の補正がより適切になる。条件式（５ａ）を満足することにより、より測距精度の向上が図ることができる。
【００３６】
次に上述の本発明の条件や、好ましい条件を満足する具体的な測距装置の実施例について説明する。
図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例１の測距装置のレンズ断面図と収差図である。図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例２の測距装置のレンズ断面図と収差図である。図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例１の測距装置のレンズ断面図と収差図である。
【００３７】
図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）に示したレンズ断面図では、一対の結像レンズのうち一方の結像レンズに対応する要素のみを抜粋して図示している。各レンズ断面図において、ＯＬは結像レンズ、ＳＰはその結像レンズに対応する開口が設けられた絞りである。Ｇは光学フィルター、フェースプレート、赤外カットフィルター等に相当する光学ブロックである。ＩＰはセンサが配置される像面である。
【００３８】
図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示した収差図において、ｄ，ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ，ΔＳはメリディオナル像面、サジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表している。ωは半画角を示し、焦点距離と像高の近軸計算による画角から示している。
【００３９】
実施例１は焦点距離４．０ｍｍの結像レンズ、実施例２は焦点距離３．２ｍｍの結像レンズ、実施例３は焦点距離２．８ｍｍの結像レンズである。実施例１〜３の結像レンズは、いずれも物体側の面を非球面形状としているが、像側の面、あるいは両面を非球面形状としても良い。
【００４０】
各実施例では、開口形状を矩形としている。これにより、矩形の結像レンズに入射する光を有効活用して光量を確保し、高い測距精度を維持している。
【００４１】
以下、実施例１〜３の数値データ（数値実施例）を示す。各数値実施例においてｒは曲率半径、ｄは物体側より第ｉ番目と第（ｉ＋１）番目の面の間隔であり、単位はいずれも（ｍｍ）である。また、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはアッベ数であり、アッベ数νｄは以下の式で定義される。
νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
Ｎｄ：ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率
ＮＦ：Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）に対する屈折率
ＮＣ：Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）に対する屈折率
＊は非球面形状を有する面を意味している。非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ａ３〜Ａ１０を各々非球面係数とするとき、
【００４２】
【数１】
【００４３】
なる式で表している。なお、数値実施例において非球面係数の記載がない項については、非球面係数は０（ゼロ）である。「ｅ−ｘ」は１０−ｘを意味している。
【００４４】
（数値実施例１）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd vd
1* 2.910 2.00 1.52996 55.8
2 -5.950 0.40
3(絞り) ∞ 2.16
4 ∞ 0.30 1.52000 55.0
5 ∞ 0.45 1.51900 43.0
6 ∞ 0.00
像面 ∞
開口絞り 0.6×2.0（矩形）
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-6.11537e-003 A 6=-1.03251e-003 A 8= 4.12288e-005
焦点距離 4.00
画角 5.71
像高 0.40
レンズ全長 5.05
バックフォーカス 3.05
【００４５】
（数値実施例２）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd vd
1* 2.358 2.30 1.52996 55.8
2 -4.000 0.40
3(絞り) ∞ 1.23
4 ∞ 0.30 1.52000 55.0
5 ∞ 0.45 1.51900 43.0
6 ∞ 0.00
像面 ∞
開口絞り 0.4×1.4（矩形）
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.00451e-002 A 6=-3.27096e-003 A 8=-4.36807e-005
焦点距離 3.20
画角 7.13
像高 0.40
レンズ全長 4.42
バックフォーカス 2.12
【００４６】
（数値実施例３）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd vd
1* 2.168 2.00 1.52996 55.8
2 -3.200 0.60
3(絞り) ∞ 0.77
4 ∞ 0.30 1.52000 55.0
5 ∞ 0.45 1.51900 43.0
6 ∞ 0.00
像面 ∞
開口絞り 0.4×1.4（矩形）
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.72668e-002 A 6=-4.50580e-003 A 8=-4.91418e-004
焦点距離 2.80
画角 8.13
像高 0.40
レンズ全長 3.91
バックフォーカス 1.91
【００４７】
各条件式と各数値実施例との関係を以下の表に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
次に本発明の測距装置を用いた光学機器の実施形態について説明する。図１０は、本実施形態のデジタルビデオカメラの要部外略図である。
【００５０】
図１０において、１０はカメラ本体、１１は撮影光学系である。１２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系１１によって形成された被写体の像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。１３は液晶モニタである。１４は本発明の測距装置である。
【００５１】
本実施形態のデジタルビデオカメラは、固体撮像素子１２から出力される映像信号を利用してコントラスト検出方式のオートフォーカスを行う。コントラスト検出方式は、フォーカスレンズを微小駆動させてピントずれの方向を判別し、コントラストがピークとなるフォーカスレンズの位置を探索する方式であるため、合焦に至るまでに時間がかかる。一方、測距装置１４から得られた測距情報と、フォーカスレンズの位置情報とを合わせれば、合焦位置までのフォーカスレンズの駆動方向と駆動量を瞬時に導き出せる。但し、測距装置１４の測距情報を利用したオートフォーカスは、精度の点ではコントラスト検出方式に一歩劣る。
【００５２】
本実施形態のデジタルビデオカメラは、測距装置１４からの情報に基づきフォーカスレンズを合焦位置付近に移動させた後、コントラスト検出方式でフォーカスレンズの微調整を行う。これにより、高速且つ高精度のオートフォーカスが可能となる。特に本発明の測距装置１４は、高い測距精度を実現しているので、フォーカスレンズの駆動量を高い精度で導出でき、結果としてコントラスト検出方式で合焦に至るまでの時間を短縮することが可能になる。更に本発明の測距装置１４は小型なので、デジタルビデオカメラ全体の小型化やデザインの自由度にも貢献する。
【００５３】
以上、本発明の測距装置を有する光学機器としてデジタルビデオカメラの例を説明したが、その他の光学機器、例えばスクリーンまでの距離を測定するための測距装置を備えた液晶プロジェクタにも、本発明の測距装置は適用可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０２，１０４ 結像レンズ
１０６ 絞り
１０３，１０４ センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は測距装置に関し、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の光学機器に好適である。
【背景技術】
【０００２】
パッシブ方式の測距装置として、例えば、左右一対のセンサにより物体像を撮像し、左右のセンサにより得られる各像のずれ量から物体までの距離を算出するものが知られている。
【０００３】
特許文献１は、センサ上に物体像を形成するための結像レンズに正メニスカルレンズを採用して、測距装置の大型化を抑制しつつ測距精度の向上を図った測距装置を開示している。
【０００４】
特許文献２は、開口絞りとは別に副絞りを配置し、軸外光束の焦点深度を深くすることで像面湾曲の影響を抑え、それに起因した測距精度の低下を抑制した焦点検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５０２９号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１４０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、特許文献１の測距装置は、結像レンズを平凸レンズで構成した場合に比べて小型ではあるものの、結像レンズの焦点距離が長いため、大きさの観点では改良の余地がある。
【０００７】
特許文献２は、軸外光束を副絞りで制限して焦点深度を深くしているので、軸上光束と軸外光束との光量差が大きくなり、センサ上での光量分布が不均一となる。このため、十分な光量が確保できない環境下では、軸外光束を用いて高い測距精度を得ることが難しい。
【０００８】
本発明は、従来よりも小型でありながら、測距精度の向上を図った測距装置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】
上記目的を達成するため、本発明の例示的な測距装置は、互いの光軸が基線長を隔てて配置された一対の結像レンズと、その一対の結像レンズに対応する一対の開口が設けられた絞りと、一対の結像レンズにより形成された像を受光して電気信号に変換するセンサとを有する測距装置であって、一対の結像レンズをそれぞれ、１枚の非球面レンズで構成すると共に、各結像レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１、各結像レンズの像側の面の曲率半径をＲ２、各開口の前記基線長方向の長さをＡ、各結像レンズの焦点距離をｆとするとき、
−０．４＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１
５．０＜ｆ／Ａ＜１１．０
なる条件を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来よりも小型でありながら、測距精度の向上を図った測距装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の測距装置の概略構成図である。
【図２】三角測量の原理図である。
【図３】２つのセンサから読み出した信号の例である。
【図４】実施例１のレンズ断面図と収差図である。
【図５】実施例２のレンズ断面図と収差図である。
【図６】実施例３のレンズ断面図と収差図である。
【図７】デジタルビデオカメラの要部概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の測距装置の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態の測距装置１０１の概略構成図である。図１において、１０２，１０４は一対の結像レンズである。結像レンズ１０２，１０４は、それぞれの光軸を互いに平行にして並列に配置した、同一の焦点距離のレンズである。結像レンズ１０２，１０４は、樹脂成形により一体的に形成されている。これにより、結像レンズ１０２，１０４を別部材とした場合に比して相対偏芯を低減でき、高い位置精度を達成できる。結像レンズ１０２，１０４の光軸間の距離は基線長Ｂとして定義される。
【００１４】
１０６は、結像レンズ１０２，１０４のそれぞれに対応した一対の開口が設けられた絞りである。１０３，１０５は、結像レンズ１０２，１０４に対応して設けられ、それぞれが形成する物体の像を受光して電気信号に変換する一対のセンサである。図１に示すように、絞り１０６は、結像レンズ１０２，１０４の後方（像側）で、センサ１０３，１０５の前方（物体側）に配置されている。センサ１０３，１０５は、光軸と直交する同一平面上で基線長方向に並んでおり、各センサは基線長方向に配列された複数の画素を備えている。１０７は、センサ１０３，１０５上に形成された像に対応した信号を用いて物体までの距離の演算を行う距離演算部である。
【００１５】
図１では、絞り１０６を結像レンズ１０２，１０４と離間して描いているが、結像レンズ１０２，１０４の保持部材に絞り１０６の機能を持たせても良い。また、センサ１０３，１０５を１つのセンサとし、その１つのセンサの異なる領域に結像レンズ１０２，１０４による像を形成するような構成も考えられる。
【００１６】
また、図示していないが、発光素子（光源）と、発光素子からの光を物体側に照射する照明レンズとを備えた照明ユニットを測距装置１０１に設け、物体を照明しても良い。照明ユニットで照明された物体からの光をセンサ１０３，１０５で検出すれば、環境によらずＳ／Ｎ比の高い信号が得られる。
【００１７】
次に、三角測距による距離演算の原理を図２，３を用いて説明する。
図２において、２０１は物体（被写体）である。２０２，２０３はそれぞれ第１の光路用の結像レンズ、センサである。２０４，２０５はそれぞれ第２の光路用の結像レンズ、センサである。結像レンズ２０２，２０４は、互いの光軸が基線長Ｂだけ離れて設置されている。センサ２０３，２０５はラインセンサである。物体２０１からの光のうち、結像レンズ２０２によって第１の光路を辿った光がセンサ２０３上に結像し、結像レンズ２０４によって第２の光路を辿った光がセンサ２０５上に結像する。
【００１８】
ここで、第１と第２の光路を辿って形成された２つの像を受けたセンサ２０３，２０５から読み出した信号の例を示したものが図３である。２つのセンサは基線長Ｂだけ離れているため、図２から分かるように、２つの信号Ｓ１，Ｓ２は画素数Ｘだけずれる。そこで２つの信号Ｓ１，Ｓ２の相関を、画素をずらしながら演算し、相関が最大になる位置を求めることで、２つの信号のずれ量Ｘが演算できる。このずれ量Ｘと、基線長Ｂ、そして結像レンズ２０２，２０４の焦点距離ｆより、三角測量の原理で物体までの距離Ｌが、
Ｌ＝Ｂ×ｆ／Ｘ
により求められる。
【００１９】
焦点距離ｆは、光学系に対して光軸に平行な光線が入射する場合、すなわち物体距離無限遠に対して定義されるものである。このため、厳密には有限距離の物体に対して焦点距離を用いて距離Ｌを演算することはできないが、簡単のため、焦点距離で代用して原理の説明をしている。
【００２０】
このような測距装置において、装置を小型化するためには、結像レンズの屈折力（焦点距離の逆数）を強める必要がある。また、測距精度を向上するためには、絞り形状を適切に設定する必要がある。本発明は、測距装置の小型化を図りつつ、所望の測距精度を得るために必要な結像レンズの形状、焦点距離と絞り形状との関係を見出したものである。
【００２１】
本実施形態では、一対の結像レンズ１０２，１０４をそれぞれ１枚の非球面レンズで構成した。そして結像レンズ１０２，１０４が次の条件を満足するようにした。
【００２２】
−０．４＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１ （１）
５．０＜ｆ／Ａ＜１１．０ （２）
ここで、
Ｒ１：各結像レンズの物体側の面の曲率半径
Ｒ２：各結像レンズの像側の面の曲率半径
Ａ ：各開口の基線長方向の長さ
ｆ ：各結像レンズの焦点距離
である。
【００２３】
結像レンズを非球面レンズとすることで、球面収差やコマ収差、像面湾曲を抑えつつ、全系の小型化が行える。
【００２４】
条件式（１）は、小型で良好な結像性能を得るための具体的な形状示すシェープファクターを規定した式である。条件式（１）を満足することにより、物体側に凸面を持ち、像側の面の曲率が物体側の面に比して相対的に小さくなった形状となる。結像レンズをこのような形状にすることで、屈折力を強めたときの収差補正が可能になる。条件式（１）の上限を超えると、像側の面の曲率が大きく（曲率半径が小さく）なり、球面収差の補正が困難になる。条件式（１）の下限を超えると、球面収差の補正や小型化には有利だが、軸外のコマ収差が大きくなる。なお、非球面の曲率半径は、近軸曲率半径を用いて条件式（１）を値を求める。
【００２５】
条件式（２）は、結像レンズの焦点距離を基線長方向の開口長さで規定した式である。条件式（２）の上限を超えると、回折の影響が大きくなり、結像性能の劣化を招き、高い測距精度の実現が難しくなる。条件式（２）の下限を超えると、センサ周辺像高における結像性能の劣化を招く。また単レンズ１枚で構成した場合に不可避の像面湾曲に対し、十分な焦点深度を確保することが難しくなる。
【００２６】
以上のように、結像レンズの形状、結像レンズの焦点距離と絞り形状との関係を規定することにより、本発明の初期の目的である従来よりも小型でありながら、高い測距精度の測距装置が実現できる。
【００２７】
次に本発明の測距装置の更に好ましい条件について説明する。下記条件を満足する構成とすることで、後述する効果が付加的に得られる。
【００２８】
まず、各結像レンズの光軸上の厚さをｄ、各結像レンズの物体側の面から対応するセンサまでの距離（所謂「光学全長」）をＴＬとするとき、
０．３５＜ｄ／ＴＬ＜０．７ （３）
なる条件を満足することが望ましい。
【００２９】
条件式（３）は、結像レンズの光軸上の厚さを光学全長で規定した式である。条件式（３）を満足することにより、全系の小型化と緒収差を十分に補正することが可能となる。条件式（３）の上限を超えると、所望のバックフォーカスを確保することが難しくなる。また、半球形状を超える（球形に近づく）ため、レンズの保持が困難となり、鏡胴へのレンズ組み込みが困難となる。条件式（３）の下限を超えると、レンズの中心厚が小さくなり、センサ周辺における結像性能の劣化を招く。
【００３０】
次に、各結像レンズの像側の面から対応する開口までの距離をｄＳＰとするとき、
０．３＜ｄＳＰ／ＴＬ＜０．６ （４）
なる条件を満足することも望ましい。
【００３１】
条件式（４）の下限を超えると、結像レンズの軸外光束が光軸から離れるため、結像レンズの径の増大を招く。条件式（４）の上限を超えると、センサ周辺に入射する周辺光束の光軸からの距離変化が大きくなり、鏡胴の内壁フレア（反射光）が増大し、高い測距精度の実現が難しくなる。
【００３２】
次にセンサの見かけの画素ピッチをｐとするとき、
１００＜ｆ／ｐ＜７５０ （５）
なる条件を満足することも望ましい。
【００３３】
条件式（５）は、条件式（１）で規定したレンズ形状及び条件式（２）で規定した絞りの開口長さに対し、良好な測距性能を引き出すための条件である。条件式（５）の上限を超えると、原理的には高い測距精度は得られるものの、一対の結像レンズとセンサの相対位置敏感度が高くなり、製造誤差による誤演算を招く。条件式（５）の下限を超えると、物体距離を特定する感度が低く、高い測距精度の実現が難しくなる。
【００３４】
ところで、見かけの画素ピッチｐとは、１ラインのラインセンサでは画素ピッチそのものを指す。図１に示した測距装置のごとく、２ラインのラインセンサにて画素ずらしを行った場合は、１つのラインセンサの画素ピッチの半分を指す。３ライン以上のラインセンサにて、等間隔の画素ずらしを行った場合も同様に考える。
なお、条件式（１）〜（５）は、次の条件を満足すると更に好ましい。
【００３５】
−０．３５＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１５ （１ａ）
６．０＜ｆ／Ａ＜９．０ （２ａ）
０．３５＜ｄ／ＴＬ＜０．６ （３ａ）
０．３５＜ｄＳＰ／ＴＬ＜０．５５ （４ａ）
１５０＜ｆ／ｐ＜４５０ （５ａ）
条件式（１ａ）を満足することにより、小型化と球面収差の補正がより高い次元で両立できる。条件式（２ａ）を満足することにより、回折の影響と像面湾曲に関する焦点深度の確保がより適切になる。条件式（３ａ）を満足することにより、バックフォーカスの確保と小型化がより高い次元で両立できる。条件式（４ａ）を満足することにより、球面収差やコマ収差の補正がより適切になる。条件式（５ａ）を満足することにより、より測距精度の向上が図ることができる。
【００３６】
次に上述の本発明の条件や、好ましい条件を満足する具体的な測距装置の実施例について説明する。
図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例１の測距装置のレンズ断面図と収差図である。図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例２の測距装置のレンズ断面図と収差図である。図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例１の測距装置のレンズ断面図と収差図である。
【００３７】
図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）に示したレンズ断面図では、一対の結像レンズのうち一方の結像レンズに対応する要素のみを抜粋して図示している。各レンズ断面図において、ＯＬは結像レンズ、ＳＰはその結像レンズに対応する開口が設けられた絞りである。Ｇは光学フィルター、フェースプレート、赤外カットフィルター等に相当する光学ブロックである。ＩＰはセンサが配置される像面である。
【００３８】
図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示した収差図において、ｄ，ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ，ΔＳはメリディオナル像面、サジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表している。ωは半画角を示し、焦点距離と像高の近軸計算による画角から示している。
【００３９】
実施例１は焦点距離４．０ｍｍの結像レンズ、実施例２は焦点距離３．２ｍｍの結像レンズ、実施例３は焦点距離２．８ｍｍの結像レンズである。実施例１〜３の結像レンズは、いずれも物体側の面を非球面形状としているが、像側の面、あるいは両面を非球面形状としても良い。
【００４０】
各実施例では、開口形状を矩形としている。これにより、矩形の結像レンズに入射する光を有効活用して光量を確保し、高い測距精度を維持している。
【００４１】
以下、実施例１〜３の数値データ（数値実施例）を示す。各数値実施例においてｒは曲率半径、ｄは物体側より第ｉ番目と第（ｉ＋１）番目の面の間隔であり、単位はいずれも（ｍｍ）である。また、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはアッベ数であり、アッベ数νｄは以下の式で定義される。
νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
Ｎｄ：ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率
ＮＦ：Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）に対する屈折率
ＮＣ：Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）に対する屈折率
＊は非球面形状を有する面を意味している。非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ａ３〜Ａ１０を各々非球面係数とするとき、
【００４２】
【数１】
【００４３】
なる式で表している。なお、数値実施例において非球面係数の記載がない項については、非球面係数は０（ゼロ）である。「ｅ−ｘ」は１０−ｘを意味している。
【００４４】
（数値実施例１）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd vd
1* 2.910 2.00 1.52996 55.8
2 -5.950 0.40
3(絞り) ∞ 2.16
4 ∞ 0.30 1.52000 55.0
5 ∞ 0.45 1.51900 43.0
6 ∞ 0.00
像面 ∞
開口絞り 0.6×2.0（矩形）
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-6.11537e-003 A 6=-1.03251e-003 A 8= 4.12288e-005
焦点距離 4.00
画角 5.71
像高 0.40
レンズ全長 5.05
バックフォーカス 3.05
【００４５】
（数値実施例２）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd vd
1* 2.358 2.30 1.52996 55.8
2 -4.000 0.40
3(絞り) ∞ 1.23
4 ∞ 0.30 1.52000 55.0
5 ∞ 0.45 1.51900 43.0
6 ∞ 0.00
像面 ∞
開口絞り 0.4×1.4（矩形）
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.00451e-002 A 6=-3.27096e-003 A 8=-4.36807e-005
焦点距離 3.20
画角 7.13
像高 0.40
レンズ全長 4.42
バックフォーカス 2.12
【００４６】
（数値実施例３）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd vd
1* 2.168 2.00 1.52996 55.8
2 -3.200 0.60
3(絞り) ∞ 0.77
4 ∞ 0.30 1.52000 55.0
5 ∞ 0.45 1.51900 43.0
6 ∞ 0.00
像面 ∞
開口絞り 0.4×1.4（矩形）
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.72668e-002 A 6=-4.50580e-003 A 8=-4.91418e-004
焦点距離 2.80
画角 8.13
像高 0.40
レンズ全長 3.91
バックフォーカス 1.91
【００４７】
各条件式と各数値実施例との関係を以下の表に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
次に本発明の測距装置を用いた光学機器の実施形態について説明する。図１０は、本実施形態のデジタルビデオカメラの要部外略図である。
【００５０】
図１０において、１０はカメラ本体、１１は撮影光学系である。１２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系１１によって形成された被写体の像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。１３は液晶モニタである。１４は本発明の測距装置である。
【００５１】
本実施形態のデジタルビデオカメラは、固体撮像素子１２から出力される映像信号を利用してコントラスト検出方式のオートフォーカスを行う。コントラスト検出方式は、フォーカスレンズを微小駆動させてピントずれの方向を判別し、コントラストがピークとなるフォーカスレンズの位置を探索する方式であるため、合焦に至るまでに時間がかかる。一方、測距装置１４から得られた測距情報と、フォーカスレンズの位置情報とを合わせれば、合焦位置までのフォーカスレンズの駆動方向と駆動量を瞬時に導き出せる。但し、測距装置１４の測距情報を利用したオートフォーカスは、精度の点ではコントラスト検出方式に一歩劣る。
【００５２】
本実施形態のデジタルビデオカメラは、測距装置１４からの情報に基づきフォーカスレンズを合焦位置付近に移動させた後、コントラスト検出方式でフォーカスレンズの微調整を行う。これにより、高速且つ高精度のオートフォーカスが可能となる。特に本発明の測距装置１４は、高い測距精度を実現しているので、フォーカスレンズの駆動量を高い精度で導出でき、結果としてコントラスト検出方式で合焦に至るまでの時間を短縮することが可能になる。更に本発明の測距装置１４は小型なので、デジタルビデオカメラ全体の小型化やデザインの自由度にも貢献する。
【００５３】
以上、本発明の測距装置を有する光学機器としてデジタルビデオカメラの例を説明したが、その他の光学機器、例えばスクリーンまでの距離を測定するための測距装置を備えた液晶プロジェクタにも、本発明の測距装置は適用可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０２，１０４ 結像レンズ
１０６ 絞り
１０３，１０４ センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの光軸が基線長を隔てて配置された一対の結像レンズと、該一対の結像レンズに対応する一対の開口が設けられた絞りと、前記一対の結像レンズにより形成された像を受光して電気信号に変換するセンサとを有する測距装置において、
前記一対の結像レンズはそれぞれ、１枚の非球面レンズで構成され、各結像レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１、各結像レンズの像側の面の曲率半径をＲ２、各開口の前記基線長方向の長さをＡ、各結像レンズの焦点距離をｆとするとき、
−０．４＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１
５．０＜ｆ／Ａ＜１１．０
なる条件を満足することを特徴とする測距装置。
【請求項２】
各結像レンズの光軸上の厚さをｄ、各結像レンズの物体側の面からセンサまでの距離をＴＬとするとき、
０．３５＜ｄ／ＴＬ＜０．７
なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
各結像レンズの像側の面から対応する前記開口までの距離をｄＳＰ、各結像レンズの物体側の面からセンサまでの距離をＴＬとするとき、
０．３＜ｄＳＰ／ＴＬ＜０．６
なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２記載の測距装置。
【請求項４】
前記センサの見かけの画素ピッチをｐとするとき、
１００＜ｆ／ｐ＜７５０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の測距装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の測距装置を有する光学機器。
【請求項１】
互いの光軸が基線長を隔てて配置された一対の結像レンズと、該一対の結像レンズに対応する一対の開口が設けられた絞りと、前記一対の結像レンズにより形成された像を受光して電気信号に変換するセンサとを有する測距装置において、
前記一対の結像レンズはそれぞれ、１枚の非球面レンズで構成され、各結像レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１、各結像レンズの像側の面の曲率半径をＲ２、各開口の前記基線長方向の長さをＡ、各結像レンズの焦点距離をｆとするとき、
−０．４＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜−０．１
５．０＜ｆ／Ａ＜１１．０
なる条件を満足することを特徴とする測距装置。
【請求項２】
各結像レンズの光軸上の厚さをｄ、各結像レンズの物体側の面からセンサまでの距離をＴＬとするとき、
０．３５＜ｄ／ＴＬ＜０．７
なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
各結像レンズの像側の面から対応する前記開口までの距離をｄＳＰ、各結像レンズの物体側の面からセンサまでの距離をＴＬとするとき、
０．３＜ｄＳＰ／ＴＬ＜０．６
なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２記載の測距装置。
【請求項４】
前記センサの見かけの画素ピッチをｐとするとき、
１００＜ｆ／ｐ＜７５０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の測距装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の測距装置を有する光学機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２４２５８６（Ｐ２０１１−２４２５８６Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１４２２４（Ｐ２０１０−１１４２２４）
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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