JP2008203515A - フォーカスレンズ、ズームレンズの駆動手段を有する光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 通常リヤフォーカスレンズを有する撮像装置においては、ズームレンズを移動するとズームレンズの移動に伴ってフォーカスレンズを移動して合焦状態を維持するよう制御される。然し、このようなズームレンズ制御方式では、ズームレンズ位置だけで画角を決定できず、操作者が意図する任意の画角にならないという問題が発生する。
【解決手段】 画角を指定する画角指定手段を有し、前記画角指定手段から指定された画角に対応するフォーカスレンズ位置、ズームレンズ位置に両レンズを移動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焦点状態を調節するフォーカスレンズ、変倍のためのズームレンズの駆動制御手段、前記駆動制御手段を有する撮像装置、レンズ装置等の光学機器に関する。

特に、フォーカスレンズの移動を行った時に撮影画角の変動を補正し、更にズームレンズを移動して任意の画角を得るためのレンズ駆動制御手段、レンズ装置、及び前記駆動制御手段、レンズ装置を有する撮像装置、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の光学機器に関する。

従来、撮像装置等に搭載されたズームレンズでは、所謂リヤフォーカスタイプのレンズユニットを搭載したものが増加している。

一般にリヤーフォーカス式のズームレンズは所謂前玉フォーカスのズームレンズに比べて第１群の有効径が小さく、レンズ系全体が小型化できる。また近接撮影、特に極近接撮影が容易となる。更に、比較的小型軽量のレンズ群を移動させるので、レンズ群の駆動力が小さくてすむ。また、迅速な焦点合わせができる。

リヤフォーカスタイプのズームレンズでは、変倍のためのズームレンズの位置によってフォーカスレンズの位置が大きく変化する。その結果、ズームレンズの設計によっては、フォーカス動作により画角変動率が許容出来ないほど大きい場合がある。前記画角変動を改善する方法として、フォーカスレンズ移動に対して、ズームレンズを移動することにより画角を補正する技術が特開平１０−２８２３９６に開示されている。

然しながら、上記技術だけでは、ズームレンズ位置が変化しなくてもフォーカスレンズ位置により画角が変化する。従って、ズーム駆動操作時に変化したズームレンズ位置だけでは、画角を規定しきれず、の画角にならないという問題が発生する。

また、リヤフォーカスレンズ装置において、温度・湿度等の環境が変化したときには温度補正を行う技術も特開平０８−２９２３５９に開示されている。
特開平１０−２８２３９６ 特開平０８−２９２３５９

本発明の目的は、フォーカスレンズ移動時の光学的な倍率変化を減らし、さらにズーム操作により任意の画角を得られる撮像装置を提供することにある。

また、環境変化に対しても適切な補償を実施可能な撮像装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明による光学機器は、
変倍のためのズームレンズと、前記ズームレンズを駆動するズーム駆動手段と、前記ズームレンズの位置を検出するズームレンズ位置検出手段と、焦点状態を調節するフォーカスレンズと、記フォーカスレンズを駆動するフォーカス駆動手段と、前記フォーカスレンズの位置を検出するフォーカスレンズ位置検出手段と、前記ズームレンズ位置検出手段と前記フォーカスレンズ位置検出手段の検出結果に基いて画角を算出する画角算出手段と、任意の画角を指定する画角指定手段とを有し、前記画角指定手段から指定された画角に対応するフォーカスレンズ、ズームレンズの位置を演算するフォーカス／ズーム演算手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、従来のレンズ装置に対して光学的、機構的な変更なしで、ピントのあった良好な画像を得られると共に任意の画角にズーム動作を行える。また、外部からの画角の問い合わせに対しても現在の撮影画角にあった画角を返信できる。

そして、前記画各情報に基いて表示装置に表示することもできる。また、画各情報を他の目的に用いることもできる。

更に、温度補正を行うことにより、高温／低温の環境下においてもピントのあった良好な画像を得られると共に任意の画角にズーム動作を行うことができる。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
図１は本発明による実施例の光学機器のブロック図である。

１は、変倍のためのズームレンズは、２は焦点状態を調節するフォーカスレンズである。

前記ズームレンズレンズ１、焦点状態を調節するフォーカスレンズ２、カラーフィルタ３を介して撮像素子４に取り込まれた映像信号は、ＡＧＣ回路５でゲイン調整される。その後、前記映像信号はＡ／Ｄ変換器６においてＡ／Ｄ変換された後、カメラ信号処理部７に入力される。

カメラ信号処理部は前記Ａ／Ｄ変換された映像信号に対して画像処理を行い、外部に映像信号として出力する。また、前記Ａ／Ｄ変換された映像信号からオートフォーカス動作に必要な評価値を算出する。フォーカス／ズーム位置演算部８はカメラ信号処理部７から出力された評価値からフォーカスレンズ／ズームレンズ駆動位置、駆動方向を演算し、オートフォーカス動作を行う。また、変倍のための操作をされた場合には、画角指定部（画角指定手段）９から指定された画角に対応するフォーカスレンズ／ズームレンズ位置を算出する。

画角指定部（画角指定手段）９はフォーカス／ズーム位置演算部８に対して設定すべき画角を指定する。また、フォーカスレンズ位置検出手段で検出されたフォーカスレンズ位置及びズームレンズ位置検出手段で検出されたズームレンズ位置から算出された現在の画角をフォーカス／ズーム位置演算部８から受け取る。

画角指定部（画角指定手段）９は手動で操作する画角指定部材（リング、スイッチ等）、もしくはＰＣなどからコマンドにより画角を指定される。

画角算出部（画角算出手段）１０はフォーカス／ズーム演算部８からのフォーカスレンズ位置情報／ズームレンズ位置情報をもとに画角を算出する。

フォーカスレンズ位置情報／ズームレンズ位置情報は、フォーカスレンズ位置検出手段の検出結果及びズームレンズ位置検出手段の検出結果から得られる。

例えば本実施例ではパルスモータ等をズームレンズ、フォーカスレンズ駆動用の駆動部として用いたときには、不図示の原点位置からの移動量を前記移動量に対応する駆動パルス数をカウントすることにより検出結果が得られる。または、例えば別個に前記レンズの位置を検出するフォトインタラプタ等の位置検出手段を有しても良い。

フォーカス駆動部（フォーカス駆動手段）１１、ズーム駆動部（ズーム駆動手段）１２はフォーカス／ズーム位置演算部８からの信号をもとに、フォーカスレンズ／ズームレンズを各々駆動する。

図２〜７を用いて、本発明によるズーム動作、フォーカス動作について説明する。

図２は本発明によるズーム時のフォーカスレンズ／ズームレンズの移動位置を示す図である。

通常のリヤフォーカスタイプのレンズ装置では、ズームレンズのレンズの位置で決定される。しかし、フォーカスレンズの移動により画角の変動が大きいとズームレンズの位置だけでは、画角が決定できない。

従って、合焦状態と任意の画角を維持した状態でのズーム動作を可能とするため、本発明ではズーム動作前の被写体距離とフォーカス／ズーム位置演算部８による指定画角からズームレンズ制御目標位置（Ｚｔｒｇｔ）を算出する。そして前記算出結果に基いてズーム動作を行う。

そのため、画角指定部（画角指定手段）９からの指定画角が同じでも、ズーム動作前の被写体距離からズーム目標位置（Ｚｔｒｇｔ）は異なる。被写体距離はフォーカスレンズ位置とズームレンズ位置の情報から被写体の合焦距離の算出を行う。また、単純にフォーカスレンズの可動範囲がズーム全域で略均一の場合には、フォーカスレンズの可動範囲とフォーカスレンズ位置から算出しても構わない。勿論、他の方法でも良いことは言うまでもない。

次に、本発明におけるズーム動作時のフローを図３を用いて説明する。

フォーカス／ズーム演算部８において、現在のフォーカス位置（Ｆｎｏｗ）ズーム位置（Ｚｎｏｗ）のサンプリングを行う（Ｓ３０１）。

画角指定部（画角指定手段）９から入力された任意の画角（Ａｔｒｇｔ）がフォーカス／ズーム演算部８に入力される（Ｓ３０２）。フォーカス／ズーム演算部８において、現在のフォーカスレンズ目標値（Ｆｎｏｗ）もしくはフォーカスレンズ目標位置（Ｆｔｒｇｔ）からズーム中に追従する被写体距離ｎ［ｍｍ］を算出する（Ｓ３０３）。

被写体距離ｎと画角目標位置（Ａｔｒｇｔ）が指定されたのち、図４のような被写体距離、画角によるズーム位置テーブルを参照し、ズーム目標位置（Ｚｔｒｇｔ）を算出する（Ｓ３０５）。

ズーム動作中は、被写体距離（ｎ）を維持するようにフォーカス目標位置（Ｆｔｒｇｔ）を設定し、フォーカスレンズ及びズームレンズを駆動するため、画角によるズーム位置テーブルから算出されたズーム目標位置（Ｚｔｒｇｔ）にズームすれば任意の画角（Ａｔｒｇｔ）の画像が得られる。

フォーカス／ズーム演算部８からズームレンズ駆動部１２に電気的信号を送信し、ズームレンズ１をズーム目標位置（Ｚｔｒｇｔ）に移動させる。同様に、フォーカスレンズ駆動部１１に電気的信号を送信し、フォーカス目標位置（Ｆｔｒｇｔ）にフォーカスレンズを移動させる（Ｓ３０６）。

また、画角指定部（画角指定手段）９からの画角要求に関してはズームレンズ位置検出手段により検出されたズームレンズ位置情報を返信せず、フォーカスレンズ／ズームレンズ位置から算出された画角を返信する。

上述のズーム動作を行うことにより、フォーカスレンズ位置により画角変動のあるレンズ装置においても合焦状態を維持すると共に任意の画角にズーム動作を行える。また、外部のＰＣ等からの画角情報の問い合わせに対しても現在の撮影画角にあった画角情報を返信できる。

次に、フォーカス動作について説明する。

図５のフォーカスレンズにおけるフォーカス動作と記載された縦の破線が通常のフォーカスレンズのみを用いてフォーカス動作を行う場合のフォーカスレンズ、ズームレンズの動きである。ズームレンズは固定され、フォーカスレンズのみ移動する。

この方式では、フォーカスレンズ駆動による画角変化が大きなレンズの場合、前述の如く問題が発生する。

そのため、光学的に画角が略一律になる近似曲線上（以下、画角基準線）を算出し、画角基準線上をズームレンズ、フォーカスレンズの軌跡が移動することにより、画角変動を抑制したフォーカス動作が可能となる。

画角基準線の近似は１次式に限ったものではなく、指数関数、２次式、３次式等で近似しても良い。

画角指定部（画角指定手段）９からの画角設定指定に対してはズームレンズ位置情報を返信せず、フォーカスレンズ／ズームレンズ位置から算出された画角を返信する。

次に、フォーカス動作時のフローを図３を用いて説明する。

ズーム時の動作と同様にフォーカス／ズーム演算部８において、現在のフォーカス位置（Ｆｎｏｗ）、ズーム位置（Ｚｎｏｗ）のサンプリングを行う（Ｓ３０１）。

画角算出部（画角算出手段）１０において、現在のフォーカス位置（Ｆｎｏｗ）、ズーム位置（Ｚｎｏｗ）から現在の画角（Ａｎｏｗ）を算出する（Ｓ３０７）。

画角（Ａｎｏｗ）の算出方法としては、現在のフォーカスレンズ位置とズームレンズ位置とから被写体距離［ｍｍ］を算出し、図４のような被写体距離、ズーム位置テーブルから画角（Ａｎｏｗ）を参照する。

フォーカス動作に応じて、カメラ信号処理部７において、フォーカスレンズの移動目標位置（Ｆｔｒｇｔ）の算出を行う（Ｓ３０８）。

自動焦点調節（オートフォーカス）を実施する場合には、カメラ信号処理部７から高周波成分を抽出し処理して得られた評価値に基いてフォーカス目標位置（Ｆｔｒｇｔ）を設定する。

マニュアルフォーカスによるフォーカス駆動（以下、ＰＦ駆動）の場合には、ＰＦ位置指定部（フォーカス位置指定手段）（フォーカス位置指定手段）１３で指定されたフォーカス位置をフォーカス目標位置（Ｆｔｒｇｔ）に設定する。

さらに、フォーカス／ズーム演算部８において、Ｓ２０５で設定されたフォーカス目標値（Ｆｔｒｇｔ）とズームレンズの位置から被写体距離［ｍｍ］を算出し、図６のような被写体距離、画角からズームの目標位置（Ｚｔｒｇｔ）を参照する（Ｓ３０９）。

ここで、ズーム目標位置（Ｚｔｒｇｔ）を算出するのに被写体距離、画角によるズーム位置テーブルを用いたて一定に保つために、フォーカス駆動量に対する必要なズーム駆動量の比ｋが予め分かっていればテーブルデータを参照することなく、演算によって算出しても良い。

ここで、フォーカス駆動量を△Ｆとして、
△Ｚ＝ｋ×△Ｆ （式１）
として、ズーム駆動量△Ｚを算出でき、現在のズーム位置（Ｚｎｏｗ）から
Ｚｔｒｇｔ＝Ｚｎｏｗ＋△Ｚ （式２）
のように算出できる。

図７はあるレンズ装置のフォーカスレンズ／ズームレンズ駆動量比による画角変動率を表す。横軸はズームレンズ位置、縦軸はそれぞれフォーカスレンズとズームレンズの駆動量の比を変更した場合の画角変動率である。

図７のようなレンズの場合、フォーカスとズームの駆動比を５：３で駆動させれば画角変動率をズーム全域で抑制できる。フォーカスの駆動ピッチとズームの駆動ピッチの比自体を５：３になるようにしておけば、フォーカスとズームの駆動パルス比を１：１にすれば良く、演算する必要がない。

従って、一定の駆動量比でフォーカスレンズ／ズームレンズを駆動させるようにフォーカスレンズの駆動ピッチ、ズームレンズの駆動ピッチを設定することにより、テーブルのデータ量を減らせる。また、制御上複雑になるのを防止できる。

（実施例２）
次に温度補正を追加した場合に関して説明する。

図８は図１のブロック図に対して温度補正を追加したブロック図である。

図８において１〜１３は図１と同様であるため説明は省略する。

温度検出部１４はレンズ内の温度の検出を行う素子であるサーミスタ、温度ＩＣなどを含む。画角基準線算出部１５はフォーカス／ズーム演算部８からフォーカスレンズ／ズームレンズ位置情報を受け取り、画角が略一定となる近時曲線を算出する。

図９を用いて、本発明における温度補正方法について説明する。温度が変化するとレンズやレンズを構成する構成部材の伸縮によりピント位置がずれる。

特開平８−２９２３５９には、単位温度あたりのピント移動量を予め持ち、温技術が開示されている。

フォーカスレンズによる画角変動率が大きいレンズにおいて、図９に示すフォーカスレンズによる温度補正のみでは、画角が変化してしまう。従って、画角を維持するためには、ズームレンズを併せて補正する必要がある。温度によりレンズ、レンズ構成部材が伸縮し、ピント位置がずれる。

前記補正方法としては、基準温度Ｔ０に対しての温度変化量△Ｔに応じて、温度補正量Ｔｃｍｐを算出する。基準温度Ｔ０はレンズ装置の調整を行った時の温度等の環境条件である。このときの温度等を基準として温度補正のための補正駆動を行う。
Ｔｃｍｐ＝ｔｒｒ×△Ｔ （式３）
ここで、ｔｒｒ：温度補正係数、△Ｔ：温度変化（現在温度Ｔｎｏｗ−基準温度Ｔ０）である。
ただし、補正量Ｔｃｍｐの算出方法はこれに限ったものではなく、温度変化△Ｔの変化とピント移動量を任意の関数（指数関数、２次式、３次式・・・）で近似しても良い。

温度補正係数ｔｒｒは構成部材の線膨張係数およびフォーカスレンズ、ズームレンズの敏感度から算出する。

また、レンズの構成部材の固定方法により計算通りのズレ量になるとは限らないので、実際に温度変化による温度ピント移動量を測定した結果から求めても良い。

図１０はズーム位置による温度ピント移動量を表すグラフである。横軸がズーム位置、縦軸がピント移動量をパルス単位で表す。

図１０に示す如く、各画角におけるピント移動量は異なる。従って、各画角毎に温度補正係数ｔｒｒを持つことにより、高精度の温度補正のための補正駆動を実現できる。

温度補正量Ｔｃｍｐを算出後、現在の画角Ａｎｏｗに応じて、画角が略一定になる近時曲線上（画角基準線）をフォーカスレンズ及びズームレンズが移動し、温度補正量Ｔｃｍｐに略等しくなる様にフォーカスレンズ及びズームレンズの位置補正を行う。

近時曲線としては、任意の関数（指数関数、２次式、３次式・・・）で近似しても良い。ここで、前述のように、一定の駆動量比でフォーカスレンズ／ズームレンズを駆動させるフォーカスレンズの一定となる近似曲線が直線にできる。

その結果、図９のように温度補正量Ｔｃｍｐに応じて補正するのに、フォーカスレンズとズームレンズを一定の比で補正すれば良い。フォーカスレンズとズームレンズの一定の比ｋ’で動かした場合の敏感度をもとに温度補正係数ｔｒｒ’とすれば、フォーカス補正量△Ｆｃｍｐ、ズーム補正量△Ｚｃｍｐを

のように算出できる。そして、複雑な計算が不要となり、制御が容易になる。

図１１に、本発明、温度補正のフローを示す。

現在温度（Ｔｎｏｗ）を読み込む（Ｓ１１０１）。現在温度（Ｔｎｏｗ）から基準温度Ｔ０の減算を行い、温度変化△Ｔを算出する（Ｓ１１０２）。温度補正係数（ｔｒｒ）、温度変化△Ｔから温度補正量Ｔｃｍｐ（Ｓ１１０３）、現在の画角から、画角が略一律となる画角基準線の算出（Ｓ１１０４）を行う。温度補正量（Ｔｃｍｐ）と画角基準線上のフォーカス／ズーム位置で対応するフォーカス補正位置（Ｆｃｍｐ）、ズーム補正位置（Ｚｃｍｐ）にフォーカスレンズ／ズームレンズを補正する（Ｓ１１０５、Ｓ１１０６）。

上述の温度補正を行うことにより、温度変化があってもピントのあった良好な画像を得られると共に任意の画角にズーム動作できる。

本発明による実施例の構成図 本発明によるズーム動作 本発明によるズーム動作／フォーカス動作フローチャート 被写体距離、ズーム位置による画角テーブル 本発明によるフォーカス動作 被写体距離、画角位置によるズーム位置テーブル フォーカス／ズーム駆動量比による画角変動率 本発明による温度補正実施可能な構成図 本発明による温度補正 ズーム位置による温度ピント移動量 本発明による温度補正フローチャート

符号の説明

１ フォーカスレンズ
２ ズームレンズ
３ カラーフィルタ
４ 撮像素子
５ ＡＧＣ
６ Ａ／Ｄ変換器
７ カメラ信号処理部
８ フォーカス／ズーム演算部
９ 画角指定部（画角指定手段）
１０ 画角算出部（画角算出手段）
１１ ズーム駆動部（ズーム駆動手段）
１２ フォーカス駆動部（フォーカス駆動手段）
１３ ＰＦ位置指定部（フォーカス位置指定手段）
１４ 温度検出部
１５ 画角基準線算出部

Claims (5)

1. 変倍のためのズームレンズと、
   前記ズームレンズを駆動するズーム駆動手段と、
   前記ズームレンズの位置を検出するズームレンズ位置検出手段と、
   焦点状態を調節するフォーカスレンズと、
   前記フォーカスレンズを駆動するフォーカス駆動手段と、
   前記フォーカスレンズの位置を検出するフォーカスレンズ位置検出手段と、
   前記ズームレンズ位置検出手段と前記フォーカスレンズ位置検出手段の検出結果に基いて画角を算出する画角算出手段と、
   任意の画角を指定する画角指定手段と、を有し、
   前記画角指定手段から指定された画角に対応するフォーカスレンズ、ズームレンズの位置を演算するフォーカス／ズーム演算手段を有することを特徴とする光学機器。
2. 前記フォーカス／ズーム演算手段は、前記画角指定手段により指定された画角とフォーカスレンズ位置から対応するズームレンズ位置を算出し、前記ズームレンズ位置に前記ズームレンズを駆動するよう前記ズーム駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 温度を検出する温度検出手段を有し、前記フォーカス／ズーム演算手段は前記温度検出手段から検出された温度に基づいて、フォーカスレンズ位置とズームレンズ位置を補正すべき補正量を算出し、算出結果に基づいてフォーカスレンズ、ズームレンズを駆動することを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
4. 画角が一定となる画角基準線を算出する算出手段を有し、
   前記画角基準線の上で移動するようにフォーカスレンズ、ズームレンズの補正駆動を行うことを特徴とする請求項３に記載の光学機器。
5. フォーカスレンズを任意の位置に駆動するフォーカス位置指定手段を有し、前記フォーカス／ズーム演算手段は前記フォーカス位置指定手段で指定された位置に前記フォーカスレンズを駆動すると共に、前記画角算出手段で算出された画角が一定になるように前記ズームレンズを駆動することを特徴とする請求項１に記載の光学機器。

Images