JP2004271849A - 焦点面駆動光学補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合焦、ポインティング、画角回転補正、像面湾曲補正を高精度且つ同時に実現するための単純な焦点面駆動光学補償装置を提供する。
【解決手段】レンズあるいは鏡５により構成された光学装置の、焦点面１０に配置された受光素子１を駆動する光学補償装置において、光軸８方向並進自由度と焦点面１０の面内方向の並進２自由度との３自由度に加え、光軸８周りの回転自由度を同時に駆動可能にする、あるいは光軸８方向並進自由度と焦点面１０の面内方向の並進２自由度との３自由度に加え、光軸８に垂直な直交する２直線周りの回転２自由度を同時に駆動可能にした構成とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レンズあるいは鏡により構成された光学装置において、焦点面に配置された受光素子を駆動する光学補償装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年になり、高速且つ多自由度に移動する被写体の撮影、あるいは逆に高速且つ多自由度の移動体からの撮影に対する高精度且つ高速の光学補償が必要となっている。また一方で、そのように高速・多自由度に移動する光学装置では、それ自身が発する振動によりポインティング補正も必要となっている。即ち、合焦、ポインティング、画角回転補正を高速且つ高精度に実現する光学補償装置が求められている。しかしながら、従来より実用化されているレンズあるいは鏡により構成された光学装置においては、合焦、ポインティング、画角回転補正に大別される光学補償のうちの１つあるいは同時に２つの機能を奏する機構は散見されるものの、上記ニーズを３つとも同時に満足する簡便な光学補償装置は皆無であるのが現状である。以下に従来の技術の一例を示す。
【０００３】
一般に上記光学補償を実現するためには、大別してレンズあるいは鏡を移動させる方法と、焦点面を移動させる方法とがある。
前者は、自動焦点カメラ、デジタルビデオカメラ、天体望遠鏡等に数多く搭載されているものであり、レンズあるいは鏡を光軸方向に移動させることにより合焦を、光軸に対して垂直な面内でスライド式にレンズを水平移動させたり、ミラー群中に小型の斜め平面鏡を挿入して駆動させるティップ・ティルト機構のように鏡を微小回転させることによりポインティングを、また、平面鏡３枚の組み合わせあるいはプリズムにより構成されたイメージロテータを画角回転に合せて回転させることにより画角回転補正をそれぞれ行なうものである。（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
一方、後者は、固体撮像素子変位装置等に搭載されているものであり、レンズあるいは鏡を光軸方向に移動させることにより合焦を、光軸に対して垂直な面内で水平移動させることによりポインティングを行なうもので、例えば、光軸と垂直な面内で一方向に変位可能とされた圧電振動子及びこの圧電振動子の変位面で圧電振動子の変位方向と垂直な方向に変位可能とされた圧電素子並びに光軸方向に変位可能とされた円環状圧電素子上にＣＣＤ固体撮像素子を支持させることにより、光軸方向とそれに垂直な２方向に変位可能としている。
また、光学補償の中でも収差の補正に関しては、焦点面上の複数の撮像素子が理想的な焦点面に接するように分割固定配置して像面湾曲を低減する手法が広く一般に行なわれている。（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−８３４０８号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１６１２８３号公報（ｐ２右下欄４行−ｐ３右上欄１７行、第１図−第４図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の自動焦点カメラやデジタルビデオカメラ等に適用され、レンズや鏡を駆動する光学補償装置は以上のように構成されているため、次のような問題点があった。
第１に、移動させるレンズや鏡にモータと減速機の組み合わせや、パルスモータ等の駆動機構が装着されているため大掛かりな構成となる。
第２に、駆動系のイナーシャが大きいため、オーバーシュートが生じ、所望の位置に正確且つ高速で制御するのが困難である。
第３に、レンズや鏡を駆動する際、像面湾曲が発生し、焦点面で得られる像が劣化する。
第４に、合焦、ポインティング、画角回転補正を同時に得るためには、複数個のレンズや鏡を駆動しなければならず、機構が大きく煩雑になる。
【０００７】
一方、ＣＣＤ固体撮像素子変位装置等に適用され、焦点面を駆動する光学補償装置は上述のように構成されているため、次のような問題点があった。
第１に、上述した３自由度の駆動機構により、合焦とポインティング補償は可能であるが、画角回転補正は不可能である。
第２に、上述した３自由度の駆動機構に３枚鏡あるいはプリズム等の従来の画角回転補正機構を組み合わせたとしても、装置が大掛かりとなり、制御も煩雑となる。
第３に、上述した３自由度の駆動機構を用いても、像面歪曲及び像面湾曲が発生し、焦点面で得られる像が劣化する。
また、像面湾曲を補正する固定型撮像素子配置方法では、被写体が移動して焦点深度が変化する場合には、理想的な焦点面の曲率も変化するため、固定配置された撮像素子上の像の像面湾曲が増大する。
この発明は、これらの問題点を解決するためになされたもので、単純で高精度な焦点面駆動光学補償装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る焦点面駆動光学補償装置は、レンズあるいは鏡により構成された光学装置の、焦点面に配置された受光素子を駆動する光学補償装置において、光軸方向並進自由度と焦点面の面内方向の並進２自由度との３自由度に加え、光軸周りの回転自由度を同時に駆動可能にしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。実施の形態１は、光軸方向並進自由度と焦点面の面内方向の並進２自由度、光軸周りの回転自由度、光軸に垂直な互いに直交する２直線周りの回転２自由度の６自由度を同時に駆動可能なように構成し、合焦、ポインティング、画角回転補正及び像面湾曲補正を簡便且つ高精度に達成するものである。
図１は、実施の形態１による焦点面駆動光学補償装置の概略構成を示す概観図である。この実施の形態は図に示すように、ＣＣＤや２次元ディテクタ等の撮像素子１と、これを保持するためのテーブル２によって焦点面１０を構成し、この焦点面１０を、６自由度の駆動自由度を持ち支持台４上に支持されたスチュアートプラットホーム機構３によって駆動するように構成すると共に、中心にカセグレン穴７が設けられ、このカセグレン穴７を通して集光した光を焦点面１０に導く主鏡５と副鏡６を図示のように配設して反射型光学系を構成している。
また、８は光軸、９は入射光線である。もちろん、図示したような反射型光学系に限らず、レンズ等により構成された光学系のように焦点面１０に焦点を結ぶ機能を有するものであれば如何なる形態のものであっても良い。
【００１０】
また、スチュアートプラットホーム機構３は、６本のリニアアクチュエータがテーブル２と支持台４とを図１に示すように連結するよう配置された駆動機構であり、光軸方向の１自由度を有するリニアアクチュエータの動きの組み合わせにより、３次元空間中で自由な移動、位置決めが可能である。特にこの実施の形態では、光軸８方向への移動、光軸８に直交する焦点面１０内で互いに直交する２軸上での平行移動、光軸８を中心とした回転運動、光軸８に直交する焦点面１０内で互いに直交する２軸を中心とした回転運動の、計６自由度の移動が可能である。もちろん、上記自由度を実現するにはスチュアートプラットホーム機構に限る必要はなく、例えばリニアアクチュエータや回転アクチュエータの組み合わせで同一自由度を達成するようにしてもよい。
【００１１】
次に、実施の形態１の動作について説明する。光学装置が高速且つ多自由度に移動しながら撮影する場合、あるいは被写体が高速且つ多自由度に移動する場合には、合焦、ポインティング、画角回転補正の３つの光学補償を同時に実現する必要がある。
まず、被写体の位置が横ずれした場合、あるいは光学装置が何らかの理由により振動した場合等のポインティング補償が必要な場合について説明する。
図２は、実施の形態１の焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面での断面図を示したものであり、反射型光学系をアナロジーで屈折型光学系に置き換えたものと捕らえてもよいし、屈折型光学系そのものと捕らえても問題ない。
被写体が移動あるいは光学装置自体が移動したことにより、光軸８に対して平行な入射光１３が光軸８に対してティルトした光線１４の方向に傾いたとすると、焦点面１０上の焦点位置は１５から１６に移動し、焦点面１０上で図において横方向にａだけずれて結像する。そこで、焦点面１０上の移動距離ａと同じ距離であるｂ（＝ａ）だけ焦点面１０を移動させて図示の焦点面１１とすることにより、焦点面１０上の結像位置が移動しないように制御する。この焦点面１０から１１への面内水平移動により、ポインティングずれを補正することが可能となる。
【００１２】
次に、被写体までの距離が変化した場合の合焦について説明する。図３は、上記焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面での断面図を示したものであり、反射型光学系をアナロジーで屈折型光学系に置き換えたものと捕らえてもよいし、屈折型光学系そのものと捕らえても問題ない。図３は、被写体との相対距離が短くなった場合を示すものであるが、移動前の光線を２０で示し、移動後の光線即ちこの場合には被写体と光学装置の相対位置が変化した場合の光線を２１で示しているように、被写体と光学装置との相対距離が短くなると、焦点位置が１５から１６へ光軸方向に移動する。このままでは、焦点面１０上の像は焦点を結ばず、ピンボケの状態となる。そこで、焦点面を１０の位置から１１で示す位置まで焦点移動距離ａと等しい距離・方向にｂ（＝ａ）だけ移動することにより、焦点面１１上で焦点１６を結ばせるように制御する。このような焦点面の駆動をスチュアートプラットホーム機構３で実現するには、構成する６本のアクチュエータの長さを等しく変化させればよく、焦点面１０が１１に移動して合焦が実現できる。
【００１３】
光学装置の姿勢が回転したり、被写体が回転した場合にも、焦点面上の画像が画角に対して回転しないように一定に保つためには、画角回転補正が必要である。図４は、上記焦点面駆動光学補償装置の斜視図であり、反射型光学系をアナロジーで屈折型光学系に置き換えたものと捕らえてもよいし、屈折型光学系そのものと捕らえても問題ない。図中、ｃは被写体あるいは光学装置自体の回転により発生する入射光の回転角、ｄは焦点面の回転角を示している。画角がｃだけ回転したとすると、その動きに追従するように焦点面１０を光軸８回りにｄ（＝ｃ）だけ回転して１１で示すようにする。この回転運動は上記スチュアートプラットホーム機構３により容易に実現することが可能であり、この結果、焦点面像の画角を常に一定に保つことができる。
【００１４】
図２に示したように入射光の方向が光軸８に対して傾いた場合、焦点面１０を面内で水平移動しただけでは、焦点深度の違いから像面湾曲が発生して結像性能が劣化する。図５は、上記焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面での断面図を示したものであり、反射型光学系をアナロジーで屈折型光学系に置き換えたものと捕らえてもよいし、屈折型光学系そのものと捕らえても問題ない。
レンズ１２にもともとの光軸８からｅだけ傾いた光１８が入射したとすると、焦点位置は１５から１６に移動する。上記焦点面１０の面内水平移動だけでは若干焦点位置が光軸方向に移動している効果により像面湾曲が生じる。そこで、視野角を考慮して算出される理想的な焦点面（焦点の法絡平面）２２におおむね接するように、焦点面１０を光軸方向、光軸と直交する２軸方向、及び光軸と直交する２軸回りの回転（ティルト）方向に駆動して１１で示すようにする。
この結果、像面湾曲の劣化を抑制し、全視野に渡って良好な結像性能を得ることができる。
【００１５】
実施の形態１は以上のように、光軸８方向並進自由度と焦点面１０の面内方向の並進２自由度、光軸８周りの回転自由度、光軸８に垂直で互いに直交する２直線周りの回転２自由度の全６自由度を同時に駆動可能なように構成したため、次のような利点が生じる。
第１に、合焦、ポインティング、画角回転補正、像面湾曲補正を単純な機構で同時に得ることができる。
第２に、レンズや鏡を移動させる場合に比較して、イナーシャの小さな簡便な駆動機構で構成することができる。
第３に、駆動系のイナーシャが小さいため、オーバーシュートが生じる等の制御上の困難さがなく、所望の位置に正確且つ高速で制御することができる。
第４に、光軸８に直交する２直線方向周りの回転２自由度に焦点面１０を駆動し、理想的な焦点面２２におおむね接するように制御するので、像面湾曲が抑制され、焦点面で良好な像が得られる。
第５に、スチュアートプラットホーム機構３を利用することにより、所望の６自由度を達成するための機構が単純になる。
【００１６】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。実施の形態２は、焦点面の形状を理想的な焦点面に合せて表面曲率を変更させるように構成し、合焦、ポインティング、画角回転補正を簡便且つ高精度に達成するものである。
図６は、実施の形態２による焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面における断面図である。この図において、１９は表面曲率を変えた焦点面であり、図１におけるテーブル２全体あるいは撮像素子１のみの表面形状を理想的な焦点面２２におおむね接するように変形されている。変形手法としては、剛体変位を拘束する３つの固定点と少なくとも１本のリニアアクチュエータ、あるいは４本以上のリニアアクチュエータ等を、撮像素子１の裏面あるいはテーブル２の表皮裏面に設置して表面形状を変形させる。ここで、リニアアクチュエ−タは１並進自由度を有するものなら如何なる形態のものでもよく、例えば、電磁アクチュエータ、圧電素子、静電容量型のアクチュエータ、ボイスコイルモータ等を用いることができる。
【００１７】
次に、実施の形態２の動作について説明する。焦点面１０の表面形状を任意の形状１９に変形することが可能であるため、全視野に渡って像面湾曲を最小にして良好な結像性能を得ることができることは言うまでもなく、被写体あるいは光学装置自体の移動に伴って焦点面１０が駆動された場合においても、理想的な焦点面２２におおむね接するように焦点面１０の形状を変形させることにより、像面湾曲を抑制して良好な結像性能を得ることができる。また、上記ティルト駆動と組み合わせることにより、焦点面１０の変形量を低減することも可能である。以上のように、実施の形態２では、焦点面１０の表面形状を理想的な焦点面に合せて表面曲率を変更させるよう構成したので、被写体が移動して焦点深度が変化する場合でも、撮像素子１上の全領域で像面湾曲を抑制することができる。
【００１８】
【発明の効果】
この発明に係る焦点面駆動光学補償装置は、レンズあるいは鏡により構成された光学装置の焦点面に配置された受光素子を駆動する光学補償装置において、光軸方向並進自由度と焦点面の面内方向の並進２自由度との３自由度に加え、光軸周りの回転自由度を同時に駆動可能にしたため、合焦、ポインティング、画角回転補正、像面湾曲補正を単純な機構で同時に得ることができる。
また、レンズや鏡を移動させる場合に比較して、イナーシャの小さな簡便な駆動機構で構成することができる。さらに、駆動系のイナーシャが小さいため、オーバーシュートが生じる等の制御上の困難さがなく、所望の位置に正確且つ高速で制御することができる。
さらにまた、光軸方向に直交する２直線周りの回転２自由度に焦点面を駆動し、理想的な焦点面におおむね接するように制御するので、像面湾曲が抑制され、焦点面で良好な像が得られる。また、スチュアートプラットホーム機構を利用することにより、所望の６自由度を達成するための機構が単純になるものである。また、焦点面の表面形状を理想的な焦点面に合せて表面曲率を変更させるように構成したので、被写体が移動して焦点深度が変化する場合でも、撮像素子上の全領域で像面湾曲を抑制して良好な結像性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による焦点面駆動光学補償装置の概略構成を示す概観図である。
【図２】実施の形態１による焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面での断面図である。
【図３】実施の形態１による焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面での断面図である。
【図４】実施の形態１による焦点面駆動光学補償装置の斜視図である。
【図５】実施の形態１による焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面での断面図である。
【図６】この発明の実施の形態２による焦点面駆動光学補償装置の光軸を通る平面での断面図である。
【符号の説明】
１ 撮像素子、 ２ テーブル、 ３ スチュアートプラットホーム機構、
４ 支持台、 ５ 主鏡、 ６ 副鏡、 ７ カセグレン穴、
８ 光軸、 ９ 入射光、 １０ 焦点面、
１１ 焦点面（移動後）、 １２ レンズ、
１３ 光軸に対して平行な光線、 １４ 光軸に対してティルトした光線、
１５ 焦点（移動前）、 １６ 焦点（移動後）。

Claims (7)

1. レンズあるいは鏡により構成された光学装置の、焦点面に配置された受光素子を駆動する光学補償装置において、光軸方向並進自由度と焦点面の面内方向の並進２自由度との３自由度に加え、光軸周りの回転自由度を同時に駆動可能にしたことを特徴とする焦点面駆動光学補償装置。
2. レンズあるいは鏡により構成された光学装置の、焦点面に配置された受光素子を駆動する光学補償装置において、光軸方向並進自由度と焦点面の面内方向の並進２自由度との３自由度に加え、光軸に垂直で互いに直交する２直線周りの回転２自由度を同時に駆動可能にしたことを特徴とする焦点面駆動光学補償装置。
3. レンズあるいは鏡により構成された光学装置の、焦点面に配置された受光素子を駆動する光学補償装置において、光軸方向並進自由度と焦点面の面内方向の並進２自由度、光軸周りの回転自由度、光軸に垂直で互いに直交する２直線周りの回転２自由度の６自由度を同時に駆動可能にしたことを特徴とする焦点面駆動光学補償装置。
4. 上記焦点面を理想的な焦点面におおむね接するように駆動することを特徴とする請求項２または請求項３記載の焦点面駆動光学補償装置。
5. レンズあるいは鏡により構成された光学装置の、焦点面に配置された受光素子を駆動する光学補償装置において、焦点面の表面曲率を理想的な焦点面におおむね一致させるように変更することを特徴とする焦点面駆動光学補償装置。
6. 上記光学補償装置は、自由度と同一の本数のリニアアクチュエータより構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の焦点面駆動光学補償装置。
7. 上記光学補償装置は、スチュアートプラットホームであることを特徴とする請求項５記載の焦点面駆動光学補償装置。

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