摄像装置及摄像用设备的制作方法

专利名称：摄像装置及摄像用设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在数字照相机、带有照相机的移动电话等中使用的摄像装置，尤其涉及使用采用自由曲面作为反射面等的棱镜的摄像装置以及使用该摄像装置的摄像用设备。
背景技术：
特开2001-272587号公报[专利文献2]特开2002-267928号公报[专利文献3]特开2002-320122号公报[专利文献4]特开平11-326766号公报[专利文献5]特开2002-196243号公报[专利文献6]特开2003-84200号公报[专利文献7]特开平7-333505号公报近年来，作为在数字照相机和带有照相机的移动电话中使用的摄像装置，申请了很多使用共轴系统的光学系统的摄像装置。所谓共轴系统是指将透镜等光学元件相对于光学系统的光轴(连接摄像系统的光阑和摄像画面的轴)旋转对称地设置的光学系统。共轴系统的摄像装置例如在上述专利文献1～3中进行了公开。
最近的数字照相机和带有照相机的移动电话要求小型化、薄型化和高性能化，对于在这些设备中使用共轴系统的光学系统的摄像装置，要使摄像装置的尺寸小型化，必须减少透镜枚数。然而，如果减少透镜枚数，则很难把光学系统产生的畸变像差抑制得很小，图像质量下降。另外，要使图像质量优良，必须增多透镜枚数，结果，产生摄像装置变大的问题。
作为用于解决这些问题的一个方法，提出了使用偏心光学系统的摄像装置。例如在上述专利文献4～6中记载了使用摄像光学系统的摄像装置，该摄像光学系统使用采用自由曲面等的棱镜。
这些专利文献4～6中记载的技术的目标是使用棱镜形成摄像光学系统，通过使该棱镜的光入射面、光出射面或者反射面使用自由曲面，可以获得小型且图像质量优良的图像。特别是，在专利文献5和专利文献6中有如下记载将2个棱镜组合起来，使离物体近的第1棱镜的光入射面、反射面、光出射面以及离摄像面近的第2棱镜的光入射面、两个反射面、光出射面总共7个面全部使用自由曲面。
这种光学系统的特征是(1)3个反射面使用了具有光焦度(折射力)的自由曲面，而这些反射面与透镜等折射光学系统相比，可获得大的光焦度，同时不受色像差的影响。
(2)可在紧凑空间内具有7个光学面。因此可在有限空间内紧凑地设定光学元件。
(3)为了提高光学性能，最好使光学系统整体的光路长度延长一定程度，而通过使用这种棱镜光学系统来使光路弯折，可使光路长度延长而整体尺寸却紧凑。
根据以上理由，在实现紧凑的同时，可提高图像质量。
另外，在专利文献7内记载的光学系统中，从被摄体侧起按顺序由反射镜、使用透镜的光学系统、反射镜构成，而与该方式相比，在专利文献5和专利文献6内记载的光学系统可减小横向宽度，因而可提供更紧凑的摄像装置。
随着数字照相机和带有照相机的移动电话等电气摄像装置的普及，希望更高图像质量的摄影，作为将物体像转换成图像数据的摄像元件的CCD的像素数也有增加的趋势。像素数多的CCD多为隔行扫描型。在隔行扫描型CCD中，将图像数据分为奇数场和偶数场两次读出。
由于两个场的图像数据不能一次同时读出，所以在图像数据的读出中，必须进行遮光，以使光不入射到CCD上。该情况下，如果不遮光而读出图像数据，则奇数场和偶数场的曝光时间不相同，所以效果较差。因此，在读出图像数据时，必须设置事先对CCD进行遮光的机械式快门。
另外，被摄体的亮度跨越很宽的范围。如果摄像元件的像素数大，则在一个像素数据中，可以形成精细的灰度。但是，在各种条件的亮度下，很难只在快门的开放时间和摄像元件具有的动态范围内以最佳曝光时间进行拍摄。为了解决该问题，需要用于使向摄像元件投射光的光量变化的光阑。
然而，要想使专利文献1～3所公开的共轴系统的光学系统中还具备机械式快门和光阑，则体积膨胀，很难实现小型化和薄型化。另一方面，专利文献4～6中公开了使用自由曲面棱镜的摄像光学系统。但是没有具体记载关于机械式快门和光阑的安装方法。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可以使装置整体的尺寸小型化并且可以获得高质量的图像的摄像装置、以及具备该摄像装置的摄像用设备。
本发明的摄像装置具备第1棱镜，来自物体的光束从第1入射面入射，在至少一个自由曲面形状的第1反射面上反射光束之后，从第1出射面射出；第2棱镜，从第1出射面射出的光束从第2入射面入射，在至少一个自由曲面形状的第2反射面上反射光束之后，从第2出射面射出；快门机构，配置在第1出射面和第2入射面之间；以及摄像元件，配置在包含第1棱镜和第2棱镜的光学系统的成像面上，将光学系统所形成的物体像转换成电信号。
快门机构具备快门叶片，该快门叶片被有选择地切换成开状态和闭状态中的任意一种状态，其中，开状态为使从第1出射面射出的光束朝向第2入射面通过的状态，闭状态为遮断从第1出射面射出的光束的状态。或者，快门机构具有联动的至少两个快门叶片，可将这些快门叶片有选择地切换成开状态和闭状态中的至少一种状态，其中，开状态为使从第1出射面射出的光束朝向第2入射面通过的状态，闭状态为遮断从第1出射面射出的光束的状态。
另外，为了使快门机构具有光阑的功能，快门机构具有叶片驱动机构，该叶片驱动机构在横切从第1出射面射出的光束的方向上，移动和保持快门叶片，叶片驱动机构使快门叶片所形成的开口的大小在从闭状态到开状态之间变化。
另外，为了调整入射到摄像元件的光量，将具有比从第1出射面射出的光束的外径小的开口的光阑配置在第1出射面和第2入射面之间。该情况下，为了根据需要来利用光阑，光阑在第1出射面和第2入射面之间有选择地保持在横切从第1出射面射出的光束的插入位置、和错开光束的退避位置中的任意一个位置上。另外，优选将光阑配置成在插入状态下，开口的中心与光束的中心轴同轴。并且，为了减小摄像装置的体积，光阑设置在快门机构上。
或者，代替设置光阑，在第1棱镜和第2棱镜之间配置使光量减少的减光滤光器，减光滤光器在第1出射面和第2入射面之间有选择地保持在横切从第1出射面射出的光束的插入位置、和错开光束的退避位置中的任意一个位置上。
另外，为了提高光学系统的组装精度，第1棱镜和第2棱镜分别具有保持互相的相对位置的嵌合部。该情况下，优选的是，设置在第1棱镜侧的嵌合部和设置在第2棱镜侧的嵌合部直接嵌合。
另外，具有保持第1棱镜、第2棱镜、上述快门机构、以及上述摄像元件的相对位置的框架比较有效。该情况下，框架具有第1壁，将上述快门机构定位保持在第1棱镜和第2棱镜之间；以及第2壁，将摄像元件定位保持在成像面上。并且，优选的是，第1壁和上述第2壁形成为一体。
本发明的摄像用设备具有处理单元，对上述的摄像装置所得到的电信号实施规定的电气处理，获得图像数据；以及存储单元，将来自上述处理单元的上述图像数据存储在所使用的信息存储介质中。
根据本发明的摄像装置，在从摄像元件读出图像数据的期间，可以遮断向摄像元件入射的光。因此，隔行扫描型CCD的奇数场和偶数场的曝光时间可以相同。并且，通过使用该摄像装置，可以提供一种保持设备整体尺寸紧凑并且获得高质量的图像的摄像用设备。
另外，根据在快门机构上设置开闭式的减光滤光器的发明，由于可以进行光量的调节，因此，在明暗差异大的被摄体条件等、摄像元件所具有的电子快门功能不够的状态下，通过适当地插入减光滤光器，即使用摄像元件所具有的电子快门，也能获得高质量的图像。


图1是具备本发明的第1实施方式的摄像装置的数字照相机的立体图。
图2是示意性地表示图1所示的数字照相机的内部的剖面图。
图3是图1所示的数字照相机的摄像装置的分解立体图。
图4是将图3所示的摄像装置的一部分作为剖面的侧视图。
图5是图4所示的第1棱镜的嵌合部和第2棱镜的嵌合部的放大图。
图6是图3所示的摄像装置的快门机构和滤光器机构的分解立体图。
图7是选择性地通过图3所示的摄像装置的快门机构和滤光器机构的卡合部的剖面图。
图8是沿着图6中的A-A示出的开状态的快门机构的正视图。
图9是沿着图6中的A-A示出的闭状态的快门机构的正视图。
图10是沿着图6中的B-B示出的非减光状态的滤光器机构的正视图。
图11是沿着图6中的B-B示出的减光状态的滤光器机构的正视图。
图12的(A)～(D)表示图5所示的嵌合部的其他形式的剖面图。
图13是表示将第1壁和第2壁分别设置在不同部件上的其他形式的框架的接合部的剖面图。
图14是表示代替ND滤光器而设置了光阑片的其他形式的正视图。
图15是表示本发明的第2实施方式的摄像装置的分解立体图。
图16是将图15所示的摄像装置的一部分作为剖面的侧面图。
图17是表示将图15的框架的第1壁和第2壁设置在不同体上的其他形式的框架的接合部的剖面图。
图18是表示作为本发明的摄像用设备的其他例子的带有照相机的移动电话的立体图。
图19是示意性地表示棱镜光学系统的其他例子的剖面图。
图20是示意性地表示棱镜光学系统的再一个其他例子的剖面图。
符号说明1数字照相机(摄像用设备)；10、10a、10c、10d摄像装置；11第1棱镜；11a第1入射面；11b第1反射面；11c第1出射面；11r嵌入部；11s凸部；11u基部；11v凹部；11x、11y、11z嵌合部；12第2棱镜；12a第2入射面；12b、12c第2反射面；12d第2出射面；12r嵌入部；12t凹部；12u基部；12v凹部；12x、12y、12z嵌合部；13快门机构；15摄像元件；21图像处理电路(处理单元)；22存储部(存储单元)；27快门致动器(叶片驱动机构)；30框架；30a第1壁；30b第2壁；32叶片驱动环(叶片驱动机构)；33、34快门叶片；35a光阑开口(光阑)；36ND滤光器(减光滤光器)；41叶片驱动臂(叶片驱动机构)；45成像面；100光阑片(光阑)；100a光阑孔；111第1棱镜；112第2棱镜；160带有照相机的移动电话(摄像用设备)；221第1棱镜；222第2棱镜；λi、λm、λo光束。
具体实施例方式
以数字照相机1为一例，参照图1至图14对本发明的第1实施方式的摄像用设备进行说明。如图1所示，数字照相机1面向外壳2的外部设置有释放按钮3、闪光灯4、取景器光学系统5、摄像光学系统6、以及图像显示部7(参照图2)。释放按钮3是操作部之一。
如图2所示，外壳2内设有构成摄像光学系统6的主要部分的摄像装置10、作为处理单元的图像处理电路21、作为存储单元的存储部22等。图像处理电路21承担通过对摄像装置10所得到的电信号进行规定的电气处理而获取图像数据的功能。存储部22作为用于暂时保管来自图像处理电路21的图像数据，或将其存储到所应用的存储介质中的存储单元而发挥功能。向摄像装置10入射的来自被摄体的光束所经过的入射窗6a设置在外壳2上。
如图2和图3所示，摄像装置10具备第1棱镜11、第2棱镜12、快门机构13、滤光器机构14、以及摄像元件15。第1棱镜11具备第1入射面11a、第1反射面11b、以及第1出射面11c，第1反射面11b是形成为旋转非对称的自由曲面形状的偏心棱镜。第2棱镜12具备第2入射面12a、两个第2反射面12b、12c、以及第2出射面12d，两个第2反射面12b、12c分别是形成为旋转非对称的自由曲面形状的偏心棱镜。
如图4所示，来自物体的光束λi从第1入射面11a入射，在第1反射面11b反射后，从第1出射面11c射出。从第1棱镜11的第1出射面11c射出的光束λm从第2入射面12a入射，分别在两个第2反射面12b、12c反射之后，从第2出射面12d射出。并且，从第2出射面12d射出的光束λo在成像面45上形成物体像。
快门机构13和滤光器机构14配置在图4所示的第1棱镜11的第1出射面11c和第2棱镜12的第2入射面12a之间。如图6所示，快门机构13具备两个快门叶片33、34和作为叶片驱动机构的一个部件的叶片驱动环32。滤光器机构14具备作为减光滤光器的ND(Natural Density)滤光器36。快门叶片33、34隔着叶片驱动环32与快门致动器27连接，ND滤光器36与滤光器致动器28连接。另外，关于这些细节部分将在后面进行叙述。
摄像元件15安装在基板23上，受光面15a配置在成像面45上。摄像元件15是在受光面15a上排列多个例如光敏晶体管等将光转换为电信号的半导体元件而形成的CCD(Charge-coupled device电荷耦合设备)。如图4所示，第2出射面12d和受光面15a之间安装有滤光器15b。代替滤光器15b，也可以安装玻璃罩。基板23上安装有用于使像素元件15和像素处理电路21之间协作的像素元件IF(接口)电路24。另外，还可以在基板23上安装使快门致动器27和滤光器致动器28动作的驱动电路25。
第1棱镜11、第2棱镜12、快门机构13、以及摄像元件15安装在框架30上。框架30具有第1壁30a和第2壁30b。如图4所示，第1壁30a夹在第1棱镜11和第2棱镜12之间，沿着横切从第2出射面11c射出的光束λm的方向配置，第2壁30b沿着横切从第2出射面12d射出的光束λo的方向配置，并延伸到第1棱镜11侧。框架30一体连续地形成为第1壁30a抵靠于第2壁30b的T字形。第1壁30a和第2壁30b上分别设置有光束λm、λo所经过的开口部30c、30d。
另外，围绕第1壁30a的开口部30c的周围的3处设置有将第1透镜11侧和第2透镜12侧连通的安装孔31x、31y、31z。在本实施方式中，两个安装孔31x、31y设置在相对于开口部30c距离第2壁30b远一侧的角部，一个安装孔31z设置在相对于开口部30c距离第2壁30b近的位置上。
第1棱镜11和第2棱镜12在与各安装孔31x、31y、31z对应的位置上，形成有柱状的嵌合部11x、11y、11z、12x、12y、12z。嵌合部11x、11y、11z、12x、12y、12z上设置有比该嵌合部11x、11y、11z、12x、12y、12z细一圈的插入到安装孔31x、31y、31z中的嵌入部11r、12r。在本实施方式中，如图5所示，是以下的状态第1棱镜11的嵌入部11r嵌在安装孔31x、31y、31z中，第2棱镜12的嵌入部12r相对于安装孔31x、31y、31z稍微具有间隙。因此，至少第1棱镜11固定连接在第1壁30a上。
第1棱镜11的嵌入部11r的末端设置有定位用的凸部11s，与其相对置的第2棱镜12的嵌入部12r的末端设置有定位用的凹部12t。这样，第1棱镜11和第2棱镜12通过凸部11s和凹部12t直接抵接，进行相对位置的确定。另外，通过将第1棱镜11的嵌入部11r嵌在安装孔31x、31y、31z中，决定了框架30与第1棱镜11和第2棱镜12的相对位置。
另外，由于它们的形状用于决定与第1棱镜11和第2棱镜12的相对位置，所以也可以形成分别相反的形状，即使更换嵌入部11r、12r与凸部11s和凹部12t的组合，功能也是相同的。因此，也可以将第2棱镜12的嵌入部12r嵌在安装孔31x、31y、31z中，并在其末端设置凹部12t。另外，如图3所示，向第1棱镜11侧延伸的第2壁30b上设置有视认窗30e，该视认窗30e用于确认第1棱镜11的嵌入部11r正确地嵌在设置于靠近第2壁30b的安装孔31z中。
如图6所示，第1棱镜11侧的第1壁30a上设置有快门/滤光器保持部31，组装有包含快门叶片33、34的快门机构13以及包含ND滤光器36的滤光器机构14。如图4所示，与第2棱镜12相反的一侧的第2壁30b上设置有基板安装部30f。基板23以适当的间隔，利用止动螺钉18将衬垫17固定在基板安装部30f上，使得摄像元件15的受光面15a定位在成像面45上。如图3所示，对止动螺钉18进行配置，使得能够将摄像元件15的角度调整到沿着被第1棱镜11和第2棱镜12折回的光束λi、λm、λo的光轴所通过的面的方向以及与该面正交的方向上。
如上所述，通过分别将第1棱镜11、第2棱镜12、快门机构13、滤光器机构14、以及摄像元件15固定在框架30上，可以保持第1棱镜11、第2棱镜12、快门机构13、滤光器机构14、以及摄像元件15的相对位置。
接下来，参照图6和图7，对组装在框架30的第1壁30a上所设置的快门/滤光器保持部31内的快门机构13和滤光器机构14的详细结构进行说明。
快门/滤光器保持部31中，如图6所示在第1壁30a上，按照如下的顺序重叠安装有快门机构13的叶片驱动环32；两个快门叶片33、34；隔开快门机构13和滤光器机构14的衬垫35；滤光器机构14的ND滤光器36；以及覆盖快门/滤光器保持部31的盖子37。
另外，在第1壁30a的第2棱镜12侧具有隔着叶片驱动环32与快门叶片33、34连接的作为叶片驱动机构的一个部件的快门致动器27、以及与ND滤光器连接的作为滤光器驱动机构的滤光器致动器28。快门致动器27和滤光器致动器28是旋转螺管型致动器，分别将转动轴27a、28a以及线圈内设于主体壳27b、28b中。
在本实施方式中，快门致动器27的转动轴27a和滤光器致动器28的转动轴28a沿着第1棱镜11和第2棱镜12的排列方向、与沿着从第1出射面11c射出的光束λm的光轴的方向平行地同轴排列配置。快门致动器27的主体壳27b和滤光器致动器28的主体壳28b形成为一体，并且在所配置的靠近第1壁30a的快门致动器27侧的端面上设置有螺钉孔27g。第1壁30a上设置有螺钉插通孔31g。快门致动器27和滤光器致动器28利用穿过螺钉插通孔31g螺合在螺钉孔27g中的螺钉38固定在第1壁30a上。即，快门致动器27配置在更靠近快门叶片33、34和ND滤光器36的位置的一侧。
在快门致动器27的转动轴27a上固定有在半径方向延伸的叶片驱动臂41。叶片驱动器41的末端安装有沿着光束λm的光轴方向向第1棱镜11侧延伸的环驱动销41e。环驱动销41e插通沿着叶片驱动臂41的转动方向设置在第1壁30a上的圆弧状的长孔31e。
滤光器致动器28的转动轴28a上固定有滤光器驱动臂42。滤光器驱动臂42具有从转动轴28a开始向半径方向延伸的基部42a、从基部42a的转动端开始与光束λm平行地向第1壁30a延伸的延长部42b、以及在延长部42b的第1壁30a侧端沿着第1壁30a折弯的末端部42c。末端部42c上安装有沿着光束λm的光轴方向向第1棱镜11侧延伸的滤光器驱动销42f。滤光器驱动销42f插通沿着滤光器驱动臂42的转动方向设置在第1壁30a上的圆弧状的长孔31f以及设置在衬垫35上的圆弧状的滤光器驱动销插通孔35f。
另外，之所以使滤光器驱动臂42进行上述的复杂的折回是为了避免与第2棱镜12的干扰而绕过第2棱镜12。因此，通过将快门致动器27的转动轴27a和滤光器致动器28的转动轴28a平行排列地配置在第1臂30a的分别不与第2棱镜12发生干扰的位置上，可以简化滤光器驱动臂42的形状。
如图6所示，快门/滤光器保持部31上设置有嵌合开口31b、支撑销31c、31d、长孔31e、31f、第1平面部31k、第2平面部31m、第3平面部31n、第4平面部31p、以及螺钉插通孔31g。嵌合开口31b以光束λm的光轴为中心贯穿第1壁30a。
在嵌合开口部31b的第1棱镜11侧，第1平面部31k向与光束λm的光轴交叉的方向扩展。第1平面部31k上设置有被环驱动销41e穿通的长孔31e、被滤光器驱动销42f穿通的长孔31f、将快门致动器27和滤光器致动器28固定在第1壁30a上的螺钉38所通过的螺钉插通孔31g。长孔31e沿着环驱动销41e移动的轨迹被设置成圆弧状。长孔31f沿着滤光器驱动销42f移动的轨迹被设置成圆弧状。
第1平面部31k、第2平面部31m、第3平面部31n、以及第4平面部31p相互平行地配置。第2平面部31m比第1平面部31k设置得更靠近第1棱镜11侧。第3平面部31n比第2平面部31m设置得更靠近第1棱镜11侧。第4平面部31p比第3平面部31n设置得更靠近第1棱镜11侧。支撑销31e、31d配置在以光束λm的光轴为中心的第2平面部31m的对称位置上。
另外，在本实施方式中，第4平面部31p是第1壁30a的第1棱镜11侧面。即、第1棱镜11和第2棱镜12的嵌合部所插入的安装孔31x、31y、31z被设置成从第4平面部31p贯穿到第2棱镜12侧的面上。
叶片驱动环32具有环开口32a、嵌合凸部32b、凸缘部32k、臂部32d、长孔32e、以及叶片驱动销32g、32h。环开口32a设置成以光束λm的光轴为中心的圆形。嵌合凸部32b形成在比嵌合开口31b的内径略小的外径的圆筒上，并插嵌在嵌合开口31b中。凸缘部32k从嵌合凸部32b的第1棱镜11侧沿着第1平面部31k扩展成凸缘状，并与第1平面部31k滑接。
臂部32d朝向与设置在第1平面部上的长孔31f重叠的位置，从凸缘部32k开始向半径方向延伸。长孔32e设置在臂部32d上，并且长径配置在与光束λm的光轴为中心的半径方向上。长孔32e与贯穿第1壁30a并向第1棱镜11侧突出的环驱动销41e卡合。因此，当利用快门致动器27使叶片驱动臂41转动时，叶片驱动环32以光束λm的光轴为中心转动。叶片驱动销32g、32h以光束λm的光轴为中心旋转对称地配置在凸缘部32k上，并朝向第1棱镜11侧延伸。
快门叶片33、34形成为弦月形或镰刀形，一个端上分别具有销孔33c、34d以及摇动用长孔33g、34h。快门叶片33以支撑销31c插通销孔33c的状态被安装在快门/滤光器保持部31上。快门叶片34以支撑销31d插通销孔34d的状态被安装在快门/滤光器保持部31上。
快门叶片33、34以圆弧的内侧朝向光束λm的光轴侧且一部分在沿着光束λm的光轴的方向上重叠的状态，被配置成以光束λm的光轴为中心旋转对称。叶片驱动销32g、32h分别嵌合在摇动用长孔33g、34h中。由此，在叶片驱动环32通过快门致动器27转动时，快门叶片33、34分别以支撑销31c、31d为中心转动。
衬垫35通过第4平面部31p被安装在内侧的快门/滤光器保持部31上。衬垫35上具有光阑开口35a、支撑销插通孔35c、35d、滤光器驱动销插通孔35f、叶片驱动销插通孔35g、35h。光阑开口35a是以光束λm的光轴为中心的圆孔。光阑开口35a的开口径比环开口32a略小。
衬垫35以支撑销31c、31d穿通支撑销插通孔35c、35d并抵接第3平面部31n的状态，被安装在快门/滤光器保持部31上。
支撑销插通孔35c、35d作为叶片驱动销32g、32h的卸压孔来设置，且形成为与通过转动叶片驱动环32使叶片驱动销32g、32h移动的轨迹对应的圆弧状的长孔。滤光器驱动销插通孔35f形成为与滤光器驱动销42f移动的轨迹对应的圆弧状的长孔，该滤光器驱动销42f的移动是通过滤光器致动器28使滤光器驱动臂42转动而实现的。
衬垫35确保快门叶片33、34沿着光束λm的光轴方向的转动间隙，并且，叶片33、34和ND滤光器36可以分别独立转动地分离开来。
如图11所示，ND滤光器36具有足以覆盖光阑开口35a的尺寸，且具备支撑销插通孔36c、滤光器驱动器稍插通孔36f、缺口部36g。ND滤光器36以通过衬垫35将支撑销插通孔36c和滤光器驱动器插通孔36f分别嵌合在向第1棱镜11侧突出的支撑销31c和滤光器驱动销42f中的状态安装。
如图11所示，缺口部36g被设置成沿着光束λm的光轴方向不与叶片驱动销插通孔35g重叠的形状，以使ND滤光器36和叶片驱动销32g不互相干扰。另外，在叶片驱动销32g、32h超过衬垫35且不向第1棱镜11侧突出的情况下，不需要缺口部36g。
ND滤光器36通过由滤光器致动器28转动滤光器驱动臂42而以支撑销3c为中心转动。并且，ND滤光器36选择性地定位保持在横切从第1出射面11c射出的光束λm的插入位置(图11)和错开光束λm的退避位置(图10)的任意一个位置上。
盖子37与第4平面部31p抵接，且具有开口部37a、支撑销嵌合部37c、37d、滤光器驱动销插通孔37f、卡止片37g、37h。开口部37a被设置成以光束λm的光轴为中心的圆形。支撑销嵌合孔37c、37d与支撑销31c、31d的末端嵌合。这样，支撑销31c、31d发挥快门叶片33、34的转动中心轴的作用，同时，也发挥衬垫35和盖子37的固定部件的作用。
滤光器驱动销插通孔37f形成为与滤光器驱动销42f移动的轨迹对应的圆弧状的长孔，该滤光器驱动销42f的移动是通过滤光器致动器28转动滤光器驱动臂42而实现的。卡止片37g、37h朝向第1棱镜11侧折回，以覆盖第1壁30a的外周。卡止片37g、37h上设置有卡止孔37i、37j。卡止孔37i、37j与形成在第1壁30a的外周上的卡止突起31i、31j卡合。
如上述那样组装的快门机构13和滤光器机构14隔着衬垫35装入到第1壁30a的快门/滤光器保持部31中，快门叶片33、34和ND滤光器36保持为可以分别独立地转动的状态。
另外，快门机构13和滤光器机构14被配置成收在第1壁30a的沿着光束λm的光轴方向的投影面积内，因此，光束λm的光轴的正交面上的占有区域由框架30提供。
参照图8、图9对上述快门机构13的快门叶片33、34的动作进行说明。图8和图9是从第1棱镜11侧看到得沿着图6中的A-A的快门机构13的平面图。快门机构13的开状态如图8所示，快门机构13的闭状态如图9所示。
在开状态下，快门致动器27是关状态。通过内设在主体壳27b内的例如扭力弹簧等，转动轴27a被朝向图8中的逆时针方向推压。因此，与叶片驱动臂41的环驱动销41e卡合的叶片驱动环32被朝向图8中的顺时针方向推压。其结果，快门叶片33、34在开状态下，如图8所示，被保持在隐藏在衬垫35的投影面积内的开放位置上，并使从第1出射面11c射出的光束λm通过到第2入射面12a。并且，通过使快门叶片33、34抵接在快门/滤光器保持部31的内壁上、或者环驱动销41e抵接在长孔31e上、或者叶片驱动环32的臂部32d抵接在快门/滤光器保持部31的内壁上，维持图8所示的开状态。快门机构13在通常的状态下是图8所示的开状态。
当进行摄影操作，并在规定的时间内接受到来自物体像的光时，快门致动器27接通，使转动轴27a与叶片驱动臂41一起按顺时针方向转动。由此，通过环驱动销41e与叶片驱动臂41卡合的叶片驱动环32以光束λm的光轴为中心按逆时针方向转动。并且，与叶片驱动销32g、32h卡合的快门叶片33、34以支撑销31c、31d为中心转动到图9所示的横切光束λm的遮断位置。
其结果，快门机构13变为遮断从覆盖环开口32a的第1出射面11c射出的光束λm的闭状态。因此，在从摄像元件15取入图像数据结束之前，可以防止来自物体的光束对摄像元件15继续进行照射。因此，可以使隔行扫描型CCD的奇数场和偶数场的曝光时间相同。
另外，参照图10和图11对上述滤光器机构14的ND滤光器36的动作进行说明。图10和图11是从第1棱镜11侧看到的沿着图6中的B-B的滤光器机构14的平面图。ND滤光器36保持在退避位置的非减光状态如图10所示。ND滤光器36保持在插入位置的减光状态如图11所示。
滤光器致动器28在非减光状态下是关状态。通过内设在主体壳28b内的例如扭力弹簧等，转动轴28a被朝向图10中的顺时针方向推压。因此，通过滤光器驱动销插通孔36f与滤光器驱动臂42的滤光器驱动销42f卡合的ND滤光器36被朝向以支撑销31c为中心按图10中的逆时针转动的方向推压。
其结果，ND滤光器36在非减光状态下，如图10所示，被保持在错开处于隐藏在衬垫35的投影面积内的位置的光阑开口35a的退避位置上。并且，从第1棱镜11的第1出射面11c射出的光不透过ND滤光器36地通过光阑开口35a并入射到第2棱镜12的第2入射面12a上。如图10所示，通过使滤光器驱动销42f与设置在第1壁30a上的长孔31f、或者衬垫35的滤光器驱动销插通孔35f、或者盖子37的滤光器驱动销插通孔37f的任意一个抵接，可以将ND滤光器36保持在退避位置上。滤光器机构14在通常的状态下是图10所示的非减光状态。
根据在作为摄像用设备的数字照相机1上另外设置的亮度计或摄像元件15所检测出的亮度，如果来自物体的光过强，则接通滤光器致动器28。由此，转动轴28a和滤光器驱动臂42一起按逆时针方向转动。通过滤光器驱动销42f与滤光器驱动臂42卡合的ND滤光器36以支撑销31c为中心从退避位置开始沿顺时针方向转动，如图11所示，保持在横切光束λm的插入位置上。
其结果，从第1出射面11c射出的光束λm透过ND滤光器36，由此，以该ND滤光器具有的比例来进行减光，之后，向第2棱镜12的第2入射面12a入射。因此，即使在被摄体的亮度范围很大的情况下，也能够进行取得精细的灰度的摄影。
另外，第1棱镜11和第2棱镜12的嵌合部、以及设置在第1壁30a上的安装孔31x、31y、31z的安装构造的其他方式如图12(A)～(D)所示。如图12(A)～(D)所示，第1棱镜11和第2棱镜12也可以是不直接连接的形状。在图12(A)～(D)的任意一个方式中，第1棱镜11和第2棱镜12都能隔着第1壁30a相对地进行定位。
在图12(A)所示的方式中，设置在第1棱镜11和第2棱镜12上的嵌合部11x、11y、11z、12x、12y、12z分别具有嵌在设置于第1壁30a上的安装孔31x、31y、31z中的嵌入部11r、12r。各个嵌入部11r、12r的基部11u、12u侧抵靠在第1壁30a的外面，由此，第1棱镜11和第2棱镜12被隔着第1壁30a相对地进行定位。
在图12(B)所示的方式中，设置在第1棱镜11和第2棱镜12上的嵌合部11x、11y、11z、12x、12y、12z分别具有外嵌在设置于第1壁30a上的安装毂30v上的凹部11v、12v。通过将嵌合部11x、11y、11z、12x、12y、12z的末端抵靠在第1壁30a的外面，将第1棱镜11和第2棱镜12分别隔着第1壁30a相对定位。
在图12(C)所示的方式中，设置在第1棱镜11上的嵌合部11x、11y、11z与图12(B)所示的第1棱镜11的嵌合部11x、11y、11z是相同的形状，设置在第2棱镜12上的嵌合部12x、12y、12z与图12(A)所示的第2棱镜12的嵌合部12x、12y、12z是相同的形状。另外，嵌合部12x、12y、12z的嵌入部12r插嵌在设置于第1壁30a上的嵌合孔30r中。
在图12(D)所示的方式中，设置在第1棱镜11上的嵌合部11x、11y、11z与图12(A)所示的第1棱镜11的嵌合部11x、11y、11z是相同的形状，设置在第2棱镜12上的嵌合部12x、12y、12z与图12(B)所示的第2棱镜12的嵌合部12x、12y、12z是相同的形状。另外，嵌合部11x、11y、11z的嵌入部11r插嵌在设置于第1壁30a上的嵌合孔30r中。
另外，关于分别用不同部件构成第1壁30a和第2壁30b的方式的框架30，在放大图13中表示出它们的接合部50的构造。如图13所示，第1壁30a的接合端51上设置有与固定用螺钉52螺合的螺钉孔53。第2壁30b的接合面54上形成有槽55。槽55的宽度形成得比第1壁30a的接合端51宽，底部55a上设置有插通固定用螺钉52的螺钉通孔55b。螺钉通孔55b以将接合端51按压在槽55的一个侧壁上的状态，被设置在与螺钉孔53重叠的位置上。如图13所示，第1壁30a和第2壁30b由两个面相互定位。
代替ND滤光器36而安装光阑片100的状态如图14所示。光阑片100具有口径比设置在衬垫35上的光阑开口35a小的、与光束λm的光轴同轴的光阑孔100a。光阑片100通过与ND滤光器36同样设置的支撑销插通孔100c被支撑销31c轴支撑，并且，通过与驱动销插通孔100f卡合的滤光器驱动销42f来进行转动，并定位在插入位置或退避位置上。另外，与ND滤光器同样地设置了避免与叶片驱动销32g干扰的缺口部100g。
通过与ND滤光器36同样地驱动该光阑片100，可以使向摄像元件15透射光的光量变化。另外，光阑孔100a的口径是根据摄像装置的使用而适当决定的，不限于基于图14所示的光阑开口35a和光阑孔100a的关系的比率。
另外，通过将本实施方式中的ND滤光器36变为遮光性的部件，可以相互更换快门机构13和滤光器机构14的功能。例如，可以使用将代替ND滤光器36而设置的遮光性部件作为可切换为开状态和闭状态的机械式快门来使用。并且，通过增加对叶片驱动臂41的转动范围的限制、或者增加对叶片驱动环32的转动范围的限制、或者增加对快门叶片33、34的转动范围的限制，以开口留得比衬垫35的光阑开口35a小的状态来保持快门叶片33、34。
另外，快门致动器27在使用步进电动机对快门叶片33、34进行多阶段驱动和定位时，可以提供能够设定多个光阑值的光阑机构。另外，随着快门叶片的枚数的增加，可以做成更接近圆形的开口。另外，快门致动器27和滤光器致动器28可以置换成与光束λm的光轴同轴设置的中空电动机。
另外，在快门叶片33、34所形成的光阑开口和作为光阑片100的光阑孔100a的开口必须极端缩小的摄像条件下，有时因开口小会发生衍射现象。在这样的摄像条件下，适合使用不改变能量的相对分光分布就能减小光强的ND滤光器36。
参照图15至图17对本发明的第2实施方式的摄像装置进行说明。另外，对于具有与第1实施方式所示的摄像装置10的结构相同的功能的结构，赋予相同的符号，并省略其说明。
在图15所示的摄像装置10a中，第2壁30b从第1壁30a朝向第2棱镜12侧延伸，而不向第1棱镜11侧延伸。即，框架30一体连续地形成为包围第2棱镜12的第1入射面12a侧和第2出射面12d侧的L字形。另外，安装了摄像元件15的基板23形成为与设置在第2壁30b上的基板安装部30f相对应的尺寸。
如图16所示，基板23以将作为弹性部件的一个方式的卷簧19夹在其与基板安装部30f之间的状态，用调整螺钉20保持在基板安装部30f上。基板23处于被卷簧19向远离基板安装部30f的方向推压的状态。通过对调整螺钉20的旋进量进行调整，可以对摄像元件15的受光面15a相对于成像面45的位置进行微调整。因此，很容易调整受光面15a相对于成像面45的位置。
另外，作为代替卷簧19的弹性部件也可以使用橡胶片或弹簧垫圈。另外，也可以代替设置卷簧19，与第1实施方式同样地夹着衬垫17，将摄像元件15的受光面15a相对于成像面45进行定位调整。相反地，在第1实施方式中，也可以代替衬垫17而使用卷簧19、橡胶片或弹簧垫圈。
另外，第1棱镜11的嵌合部11x、11y、11z和第2棱镜12的嵌合部12x、12y、12z，如第1实施方式所示，即使在第2实施方式中也可以是如图12(A)～12(D)所示的方式。另外，代替具备ND滤光器36，也可以具备如图14所示的光阑片100。
另外，关于分别用不同部件构成第1壁30a和第2壁30b的方式的框架30，放大图17来表示它们的接合部60的构造。如图17所示，第1壁30a具有朝向第2棱镜12侧的抵接部61。朝向第1棱镜11的第2壁30b的端面62上设置有与固定用螺钉63螺合的螺钉孔64。在第1壁30a的抵接部61抵接第2壁30b的端面62的状态下，与螺钉孔64对应的第1壁30a的抵接部61上设置有能插通固定用螺钉63的螺钉通孔65。
作为本发明的摄像用设备的一例，将摄像装置装入带有照相机160的移动电话160中的例子如图18所示。该带有照相机的移动电话160通过装有上述各实施方式所说明的摄像装置(例如摄像装置10)作为摄像光学系统6，可以实现带有照相机的移动电话160的小型化、薄型化、以及图像高质量化。
图19和图20分别示出了本发明的摄像用设备所使用的摄像装置的互不相同的例子。
图19所示的摄像装置10c的第1棱镜111和第2棱镜112的各面201～206都由自由曲面构成。从第1面201入射的光在第1面201上折射，在第2面202上全反射，接着，在第3面203上折射后，在第4面上折射。另外，在第5面205上全反射之后，在第6面206上全反射，在第5面205上折射后在成像面45上成像。
图20所示的摄像装置10d的第1棱镜221和第2棱镜222的各面231～238都由自由曲面构成。从第1面231入射的光在第1面231上折射，在第2面232上全反射，并且，在第3面233上全反射，之后，在第4面234上和第5面235上折射，并且，在第6面236上和第7面237上全反射之后，在第8面238上折射，在成像面45上成像。
另外，在实施本发明时，在不脱离本发明的主旨的范围内当然可以对棱镜光学系统、摄像元件、及其它发明的构成要素进行各种变更来实施。
权利要求
1.一种摄像装置，用于从物体入射光束，获取与物体像对应的电信号，其特征在于，具备第1棱镜，来自物体的光束从第1入射面入射，在至少一个自由曲面形状的第1反射面上反射上述光束之后，从第1出射面射出；第2棱镜，从上述第1出射面射出的上述光束从第2入射面入射，在至少一个自由曲面形状的第2反射面上反射上述光束之后，从第2出射面射出；快门机构，配置在上述第1出射面和上述第2入射面之间；以及摄像元件，配置在包含上述第1棱镜和上述第2棱镜的光学系统的成像面上，将上述光学系统所形成的物体像转换成电信号。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，上述快门机构具备快门叶片，该快门叶片被有选择地切换成开状态和闭状态中的任意一种状态，其中，开状态为使从上述第1出射面射出的光束朝向上述第2入射面通过的状态，闭状态为遮断从上述第1出射面射出的光束的状态。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，上述快门机构具有联动的至少两个快门叶片，上述快门叶片被有选择地切换成开状态和闭状态中的任意一种状态，其中，开状态为使从上述第1出射面射出的光束朝向上述第2入射面通过的状态，闭状态为遮断从上述第1出射面射出的光束的状态。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，上述快门叶片机构具有叶片驱动机构，该叶片驱动机构在横切从上述第1出射面射出的光束的方向上，移动和保持上述快门叶片，上述叶片驱动机构使上述快门叶片所形成的开口的大小在从上述闭状态到上述开状态之间变化。
5.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，把具有比从上述第1出射面射出的光束的外径小的开口的光阑配置在上述第1出射面和第2入射面之间。
6.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，上述光阑在上述第1出射面和上述第2入射面之间有选择地保持在横切从上述第1出射面射出的光束的插入位置和错开上述光束的退避位置中的任意一个位置上。
7.根据权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，上述光阑被配置成在上述插入状态下，上述开口的中心与上述光束的中心轴同轴。
8.根据权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，上述光阑设置在上述快门机构上。
9.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，使光量减少的减光滤光器配置在上述第1棱镜和上述第2棱镜之间，上述减光滤光器在上述第1出射面和上述第2入射面之间有选择地保持在横切从上述第1出射面射出的光束的插入位置和错开上述光束的退避位置中的任意一个位置上。
10.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，上述第1棱镜和上述第2棱镜分别具有保持相互的相对位置的嵌合部。
11.根据权利要求10所述的摄像装置，其特征在于，设置在上述第1棱镜侧的上述嵌合部和设置在上述第2棱镜侧的上述嵌合部直接嵌合。
12.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，具有框架，该框架保持上述第1棱镜、上述第2棱镜、上述快门机构以及上述摄像元件之间的相对位置。
13.根据权利要求12所述的摄像装置，其特征在于，上述框架具有第1壁，将上述快门机构定位保持在上述第1棱镜和上述第2棱镜之间；以及第2壁，将上述摄像元件定位保持在上述成像面上。
14.根据权利要求13所述的摄像装置，其特征在于，上述第1壁和上述第2壁形成为一体。
15.一种摄像用设备，其特征在于，具有处理单元，对通过权利要求1所述的摄像装置所得到的电信号实施规定的电气处理，获得图像数据；以及存储单元，将来自上述处理单元的上述图像数据存储在所使用的信息存储介质中。
全文摘要
本发明提供一种可以使装置整体的尺寸小型化，并且可以获得高质量的图像的摄像装置及摄像用设备。摄像装置10具备第1棱镜(11)，来自物体的光束λi从第1入射面(11a)入射，在至少一个自由曲面形状的第1反射面(11b)上反射光束之后，从第1出射面(11c)射出；第2棱镜(12)，从第1出射面(11c)射出的光束λm从第2入射面(12a)入射，在至少一个自由曲面形状的第2反射面(12b、12c)上反射光束之后，从第2出射面(12d)射出；快门机构(13)，配置在第1出射面(11c)和第2入射面(12a)之间；以及摄像元件(15)，配置在包含上述第1棱镜(11)和上述第2棱镜(12)的光学系统的成像面(45)上，将光学系统所形成的物体像转换成电信号。
文档编号G03B9/07GK1629674SQ200410011440
公开日2005年6月22日 申请日期2004年12月20日 优先权日2003年12月19日
发明者福田慈朗, 中城泰生, 伊藤顺一 申请人:奥林巴斯株式会社