JP2011232684A - レンズ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
レンズの焦点距離に依らず素早く合焦することが出来る自動焦点調整機能を有するレンズ装置を提供する。
【解決手段】
レンズ装置は、フォーカスレンズ及びズームレンズを含む撮像光学系と、該撮像光学系の合焦状態を検出する焦点検出手段と、該焦点検出手段による検出結果に基づいてデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、該デフォーカス量算出手段にて算出されたデフォーカス量に基づいて、合焦位置までフォーカスレンズを駆動するために必要な駆動量を算出する駆動量算出手段と、前記フォーカスレンズの駆動を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記デフォーカス量算出手段にて算出されたデフォーカス量と前記駆動量算出手段にて算出された駆動量に応じて、前記フォーカスレンズの駆動速度を制御することを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、テレビレンズやビデオレンズ等の光学機器に使用される自動焦点調整機能を有するレンズ装置、及び、それを備えた撮像システムに関するものである。
従来、カメラやビデオカメラ等の撮影装置におけるオートフォーカス(AF)技術として様々な提案が成されている。例えば、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した被写体からの光束を、一対のラインセンサ上に結像させ、被写体像を光電変換して得られた一対の像信号の相対位置変位量を求める。この変位量を元に被写体のデフォーカス量を算出し、撮影レンズの駆動を行う自動焦点調整方法が良く知られている。
この位相差検出によるAF方式は、被写体距離からフォーカスレンズの合焦位置を求めることが出来るので、いわゆるコントラストAF方式と呼ばれるAF方式に比べて高速で合焦状態が得られるという特徴を有する。
特許文献1には、被写体画像のコントラストに基づいてフォーカスレンズを移動させるオートフォーカスシステムにおいて、フォーカスレンズを駆動する速度や、コントラストを検出するためのフィルタのカットオフ周波数を手動で設定できるフォーカスデマンドを備え、該フォーカスデマンドによって指示された速度でフォーカスレンズを合焦位置に駆動するオートフォーカスシステムが開示されている。
特許文献2には、焦点状態の変化量に対するフォーカスレンズの移動量が互いに異なる、フォーカスレンズの可動範囲内の2つの領域において、フォーカスレンズの駆動速度が互いに異なるように駆動させることが開示されている。被写界深度(特に前側被写界深度)は、被写体距離が無限遠側よりも至近側の方が浅い(小さい)ため、同じ速度でフォーカスレンズを駆動させたときに、ぼけ量は無限遠側ではゆっくりと至近側では早く変化し、ボケ量の変化の仕方に差が生じる。この様にボケ量の変化の仕方が、被写体距離によって変化することを防止するために、フォーカスレンズの駆動速度をフォーカス範囲に応じて2段階に変化させるものである。
特開2005−292779号公報 特開2009−145645号公報
一般に、合焦と判断できるデフォーカス量Dの大きさを焦点深度とすると、焦点深度は、FナンバーをFno、許容錯乱円をδとおくと、2×Fno×δ、と表すことができるため、いかなる焦点距離、被写体距離でも同一の大きさとなる。しかし、実際の被写体が合焦と判断できる範囲を示す被写界深度は次式で表される。
後方被写界深度d1=δ×Fno×L/(f−δ×Fno×L) (1)
前方被写界深度d2=δ×Fno×L/(f+δ×Fno×L) (2)
ここで、fはレンズの焦点距離、Lは被写体距離を表す。
上式から被写体距離Lが短くなるほど被写界深度は浅くなり、レンズの焦点距離fが長くなるほど被写界深度d1、d2は小さくなることになる。
図6に、被写体距離とレンズの焦点距離に対する合焦度合いを示すデフォーカス量の関係を示す。同一のフォーカスレンズ駆動量におけるデフォーカス量の変化を示し、レンズの焦点距離が短い広角側では、フォーカスレンズの駆動量の変化に対する、デフォーカス量の変化は非常に小さい。すなわち、同一のデフォーカス量ではレンズの焦点距離が短いほど合焦させるために必要なフォーカスレンズの駆動量は大きくなる。
図7は、ズーム位置が望遠側にある場合のフォーカスレンズ駆動軌跡の一例を表す。横軸は時間、縦軸はフォーカスレンズの位置を示す。図中、焦点深度Dおよびデフォーカス量の閾値2Dは、それぞれに対応するフォーカスレンズの位置を示す。以下の図3,4,8の記載においても、同様に記載する。
時刻t0〜t1においては、デフォーカス量が0となる方向へフォーカスレンズを高速で駆動している。フォーカスレンズの駆動中においても随時合焦状態を監視し、ある所定値のデフォーカス量(±焦点深度に対応する閾値)となった時にフォーカスレンズの駆動速度を低速に切り替える。この閾値内のデフォーカス量である時刻t1〜t2の間、フォーカスレンズを低速で駆動し、合焦点であるデフォーカス量0となる位置でフォーカスレンズを停止させている。このようにフォーカスレンズを駆動させることにより、高速駆動により迅速に、かつ、合焦点近傍においては低速駆動させることにより、合焦点を通り過ぎることなく高精度で合焦することができる。
次に、図7で示した望遠側でのフォーカスレンズの駆動方法を、広角側に適用した場合のフォーカスレンズ駆動軌跡の例を図8に表す。図7で示した、ズーム位置が望遠側での場合と同様に、時刻t0〜t1は、デフォーカス量が0となる方向へフォーカスレンズを高速駆動している。フォーカスレンズ駆動中においても随時合焦状態を監視し、ある所定値のデフォーカス量(±焦点深度に対応する閾値)となった時にフォーカスレンズの駆動速度を低速に切り替える。この閾値内のデフォーカス量である時刻t1〜t2の間、フォーカスレンズを低速で駆動し、合焦点であるデフォーカス量0となる位置でフォーカスレンズを停止させている。しかし、広角側においては焦点深度が深く、低速駆動となる閾値内のフォーカスレンズ位置が合焦点から大きく離れているため、低速駆動時間t1からt2までの時間が非常に長くなる。
高速駆動から低速駆動へ移行する閾値を、デフォーカス量(焦点深度)に基づいて設定する場合においては、焦点深度に対応する被写界深度は広角側では深くなるため、広角側においては、望遠側に比べて合焦点から大きく離れた位置でフォーカスレンズは低速駆動に移行することになる。したがって、焦点深度に基づいて低速駆動への切り替え位置を決めると、図8に記載したように、広角側においては低速で駆動する時間t1〜t2が非常に長くなってしまい、迅速に合焦点までフォーカスレンズを移動させることができない。
本発明は、レンズの焦点距離によらず、迅速に合焦することが出来る自動焦点調整装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための、本発明のレンズ装置は、フォーカスレンズ及びズームレンズを含む撮像光学系と、該撮像光学系の合焦状態を検出する焦点検出手段と、該焦点検出手段による検出結果に基づいてデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、該デフォーカス量算出手段にて算出されたデフォーカス量に基づいて、合焦位置までフォーカスレンズを駆動するために必要な駆動量を算出する駆動量算出手段と、前記フォーカスレンズの駆動を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記デフォーカス量算出手段にて算出されたデフォーカス量と前記駆動量算出手段にて算出された駆動量に応じて、前記フォーカスレンズの駆動速度を制御することを特徴とする。
本発明によれば、レンズの焦点距離によらず、迅速に合焦することが出来る自動焦点調整機能を有するレンズ装置を提供することが出来る。
本発明による実施例1のブロック図 実施例1のフォーカスレンズの動作を示すフローチャート 実施例1のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡 実施例1のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡 本発明による実施例2のブロック図 デフォーカス量を示す図 従来のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡 従来のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明の自動焦点調整を有するレンズ装置の第1実施例であるズームレンズ装置100の構成を示す。
ズームレンズ装置100は、フォーカスレンズ101、ズームレンズ105、可動絞り109を含む撮像光学系を含む。
フォーカスレンズ101は、光軸方向に移動してズームレンズ装置100の結像面の位置を変化させる。
フォーカスレンズ101には、フォーカスモータ102が接続されている。フォーカスモータ102はフォーカスドライバ103によって駆動され、フォーカスレンズ101を光軸方向に移動させる。フォーカスレンズ101の位置は、フォーカス位置検出部104によって検出される。
ズームレンズ105は、光軸方向に移動してズームレンズ100の焦点距離を変化させる。ズームレンズ105には、ズームモータ106が接続されている。ズームモータ106はズームドライバ107によって駆動され、ズームレンズ105を光軸方向に移動させる。ズームレンズ105の位置は、ズーム位置検出部108によって検出される。
可動絞り109には、アイリスモータ110が接続されている。アイリスモータ110はアイリスドライバ111によって駆動され、可動絞り109を駆動する。可動絞り109の位置は、アイリス位置検出部112によって検出される。
分光プリズム113は、フォーカスレンズ101とズームレンズ105を通過した光を2つの光束に分離する。分光プリズム113を透過した一方の光束は、リレーレンズ114を通って撮像素子115に入射する。また、分光プリズム113で反射された他方の光束は、焦点検出部116に入射する。焦点検出部116は位相差検出レンズと位相差検出センサで構成され、位相差検出レンズによって分割された2つの光束により形成された一対の像(2像)を位相差センサにて光電変換する。
ズームレンズ制御部117は、焦点検出演算部119の結果を基に、フォーカスレンズ101を駆動し、ズームレンズ105、可動絞り109を制御する、レンズ制御部121を含む。
焦点検出制御部118は、焦点検出部116の位相差検出センサにおける光電変換された電荷の蓄積および必要量だけ電荷が蓄積された2像の読み出しの制御を行なう。焦点検出演算部(デフォーカス量算出手段)119は、焦点検出部116にて光電変換された一対の像信号の位相差を算出しデフォーカス量を算出する。目標位置算出部120は、焦点検出演算部119にて算出されたデフォーカス量からフォーカスレンズの目標位置を算出する。
レンズ制御部121は制御手段として、焦点検出演算部119にて算出されたデフォーカス量および目標位置算出部120にて算出されたフォーカスレンズの目標位置に基づいて、フォーカスレンズの駆動を制御する。レンズ制御部121は、目標位置算出部120にて算出されたフォーカスレンズの目標位置から、合焦位置までフォーカスレンズを移動するために必要な駆動量を演算する駆動量算出手段を有する。
図7,8で示したように、合焦位置まで迅速に駆動させるための、望遠側では有効な焦点深度に対応するデフォーカス量に基づく閾値の設定は、広角側においては効果的ではない。本発明においては、ズーム位置が望遠側あるいは広角側にあるかに関わらず合焦位置まで迅速に駆動するため、デフォーカス量に基づく閾値に加え、広角側のみで有効になる第2の閾値を平行して適用する。
図1の構成と図2のフローチャートを参照しながら、本発明のフォーカスレンズの駆動制御方法を説明する。
図2のステップS201では焦点検出制御部118からの位相差センサ蓄積開始命令により、焦点検出部116の位相差センサにおいて光電変換した電荷の蓄積を開始し、ステップS202へ移行する。ステップS202では焦点検出制御部118が焦点検出部116の位相差センサからの蓄積終了の合図を監視し、蓄積が終了したらステップS203へ移行する。
ステップS203では、焦点検出制御部118は焦点検出部116の位相差センサに必要量だけ電荷が蓄積された一対の像信号を読み出し、ステップS204へ移行する。ステップS204では、焦点検出演算部119にて焦点検出部116の位相差センサから読み出された一対の像信号に対して相関演算を施すことにより2像の位相差量を算出し、ステップS205へ移行する。ステップS205では、焦点検出演算部119にて算出された位相差量から合焦度合いを示すデフォーカス量を算出し、ステップS206へ移行する。
ステップS206では、レンズ制御部121が焦点検出演算部119にて算出されたデフォーカス量を判定し、デフォーカス量が0の時、ステップS207へ移行する。ステップS207では焦点検出演算部119にて算出されたデフォーカス量が0であるため合焦と判断し、レンズ制御部121がフォーカスレンズ101の駆動を停止し、ステップS201へ移行する。
ステップS206で、デフォーカス量が0でない時はステップS208へ移行する。ステップS208では焦点検出演算部119にて算出されたデフォーカス量がある所定の閾値Dと比較して、
|デフォーカス量|<|閾値D| (3)
を満たす場合はステップS209へ移行し、満たさない場合はステップS212へ移行する。ステップS209では焦点検出演算部119にて算出されたデフォーカス量を基に、目標位置算出部120にて目標フォーカス位置を算出し、ステップS210へ移行する。ステップS210では目標位置算出部120にて算出された目標フォーカス位置からレンズ制御部121が現在のフォーカスレンズ位置を基にフォーカスレンズの駆動量を算出し、所定の閾値Pと比較して、
|目標フォーカス位置−現フォーカス位置|<|閾値P| (4)
の関係を満たせば、ステップS211へ移行する。すなわち、フォーカスレンズを合焦位置まで駆動するために必要な駆動量(|目標フォーカス位置−現フォーカス位置|)が所定の駆動量より小さい場合は、ステップS211へ移行する。(4)式の関係を満たさない場合、すなわち、合焦位置までフォーカスレンズを駆動するために必要な駆動量が所定の駆動量以上の場合は、ステップS212へ移行する。ここで、必要な駆動量は、所定の周期でフォーカスレンズの位置を検出し、その検出結果を用いて算出し続けても構わないし、最初に算出した駆動量と、フォーカスレンズへの指令の積算値との差から求めても構わない。ステップS211ではレンズ制御部121がフォーカスレンズ101の駆動速度を低速駆動(高速駆動より低い速度での駆動)に切替え、ステップS201へ移行する。
ステップS212ではレンズ制御部121がフォーカスレンズ101の駆動速度を高速駆動(前述の低速駆動より高い速度での駆動)に切替え、ステップS201へ戻り、一連の動作を繰り返す。
図3は、ズーム位置が望遠側(レンズの焦点距離が長い側)のフォーカスレンズの駆動軌跡を表す。図中の縦軸の焦点深度Dの記載は、焦点深度Dに対応するフォーカスレンズの位置に示している。
時刻t0から時刻t1までは、デフォーカス量が所定のデフォーカス量以上(ここでは±焦点深度に対応する閾値D以上)であるので、デフォーカス量が0となる方向へフォーカスレンズを高速(第1の駆動速度)で駆動する。フォーカスレンズの駆動中においても随時合焦状態を監視し、ある所定値のデフォーカス量(ここでは±焦点深度に対応する閾値D)より小さくなった時にフォーカスレンズの駆動速度を低速(第2の駆動速度)に切り替える。時刻t1においてステップS208にて条件を満たし、ステップS209にて目標フォーカス位置が算出され、ステップS210へ移行する。ステップS210でも条件を満たしておりステップS211へ移行し、時刻t1から時刻t2までの間、フォーカスレンズを低速駆動し、合焦点である、デフォーカス量が0となる位置で、フォーカスレンズの駆動は停止する。
図4は、ズーム位置が広角側(レンズの焦点距離が短い側)のフォーカスレンズの駆動軌跡を表す。図8での場合と同様に、時刻t0〜t1ではデフォーカス量が0となる方向へフォーカスレンズを高速で駆動している。なお、グラフの縦軸のスケールについては、実際には図3と図4に示した閾値2Pは全ズーム範囲において同じ大きさであるが、記載の便宜のために、図3に対して図4のグラフの縦軸のスケールを圧縮した様式で記載していることに留意されたい。
フォーカスレンズの駆動中においても随時合焦状態を監視し、時刻t0〜t1間で、ある所定値のデフォーカス量(ここでは±焦点深度に対応する閾値)よりデフォーカス量が小さくなりステップS208の条件は満たされるが、合焦位置までフォーカスレンズを移動するために必要な駆動量は、閾値Pである所定の駆動量以上であるためステップS210の条件は満たされず、ステップS210からS212に進み、フォーカスレンズを高速駆動する。時刻t1において、ステップS210の条件が満たされ、時刻t1〜t2の間、フォーカスレンズを低速で駆動し、合焦点であるデフォーカス量0となるフォーカスレンズ位置で、フォーカスレンズの駆動は停止する。
ここで、ステップS210での判断に使用される閾値D,閾値Pについて説明する。
閾値Dは、焦点深度に対応するデフォーカス量に基づいて決められる。本実施例においては、上記したように、合焦位置±焦点深度に対応するデフォーカス量を閾値とした。前述したように、焦点深度は焦点距離に依らず一定であるが、焦点深度に対応する被写界深度は、(1)及び(2)式で示したように焦点距離fの関数であるため、閾値Dに対応するフォーカスレンズの駆動量は、望遠側における駆動量よりも広角側における駆動量の方が大きい。
閾値Pは、フォーカスレンズの駆動量に対応する量であり、広角端において、焦点深度に対応するフォーカスレンズの駆動量PWideに基づいて決められる量である。例えば、
P=PWide×n (n:0<n<1である定数) (5)
のように設定することができる。この閾値Pについては、前側被写界深度、後側被写界深度を考慮し、無限遠側から合焦させる場合の閾値PFarと、至近側から合焦させる場合に対する閾値PNearと、して区別して使用してもよい。図3,4中には、合焦位置に対し両側(広角側及び望遠側)の閾値Pを含んだ2×Pを範囲として記載している。この様に設定した閾値Pを、図2に示したフローチャートに従って全ズーム範囲において適用する。
閾値Pを小さく設定すると、広角側においても、広い被写界深度内の合焦位置近傍まで高速駆動され、フォーカスレンズを合焦位置まで迅速に到達させることが可能である。しかし、位相差検出方式の焦点検出方法においては、ラインセンサ上に結像する2像の間隔が望遠側に比べて広角側では狭いため、広角側におけるデフォーカス量検出の検出精度(分解能)は原理的に低く、検出されるデフォーカス量は望遠側に比較して安定しない。そのため、(5)式の定数nを小さく設定し、高速駆動する範囲を合焦位置のごく近傍までの範囲に設定すると、焦点検出結果である合焦位置が安定せずに常時変化するため、フォーカスレンズはそれに伴って高速駆動でその変化に敏感に追従し続けることになり、好ましくない。また、安定せずに微小範囲で変動する不安定なデフォーカス量に基づいて求められた合焦位置に、迅速に到達させることを目標とすることにはあまり意味がない。したがって、焦点検出結果である合焦位置がある微小範囲で変化し続けても、低速駆動によって合焦位置の不安定性を吸収しながら追従し、高速駆動で敏感に追従し続けることがないような、閾値Pを設定することが好ましい。閾値P(所定の駆動量)は、ズームレンズの広角端における、焦点深度に対応するフォーカスレンズの駆動量よりも小さい値に設定する。(5)式の定数nとして、0.8<n<0.1、好ましくは、0.5<n<0.15、さらに好ましくは、0.3<n<0.2、の範囲に設定することにより、本発明の効果を得ることができる。
望遠側においては焦点距離が長いため、(1)及び(2)式で示される被写界深度で設定される閾値Dは、閾値Pより小さく、フォーカスレンズは閾値Dまで高速駆動し、合焦位置まで迅速に移動させることが可能である。
以上のように、本実施例によれば、レンズの焦点距離に関わらず常に迅速に合焦動作が可能となる。
図5は本発明の第2実施例の構成図である。図1に示す第1実施例と同様の構成については説明を省略する。
第2実施例における構成は、速度制御手段122を有する点が第1実施例の構成とは異なる。速度制御手段122は、レンズ制御手段121に接続され、フォーカスレンズの駆動速度及びその変化点の閾値を設定変更可能とする。
速度制御手段122は、フォーカスレンズの高速駆動や低速駆動での駆動速度を設定することができ、任意に設定速度を変更することが可能である。また、駆動速度の設定は、高速駆動及び低速駆動の駆動速度を両方設定することなく、高速駆動又は低速駆動の駆動速度を設定することによって、他方の駆動速度が適応的に設定されるようにしてもよい。
速度制御手段122には、駆動速度変化点であるデフォーカス量の閾値の設定値を変更することができる設定手段としての機能を持たせることができる。
さらに、速度制御手段122には、駆動速度を変更する閾値であるフォーカスポジション閾値(閾値P)の設定値を変更することができる設定手段としての機能も持たせることができる。これにより、様々な撮影シーンに応じた合焦速度を設定することを可能とする。
上記の実施例に記載のレンズ装置と、該レンズ装置に接続された撮像装置を有する撮像システムを構成することにより、カメラやビデオカメラ等に好適な撮像システムを提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
101:フォーカスレンズ
105:ズームレンズ
116:焦点検出部
119:焦点検出演算部
121:レンズ制御部

Claims (8)

  1. フォーカスレンズ及びズームレンズを含む撮像光学系と、
    該撮像光学系の合焦状態を検出する焦点検出手段と、
    該焦点検出手段による検出結果に基づいてデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、
    該デフォーカス量算出手段にて算出されたデフォーカス量に基づいて、前記フォーカスレンズを合焦位置まで駆動するために必要な駆動量を算出する駆動量算出手段と、
    該フォーカスレンズの駆動を制御する制御手段と、
    を有するレンズ装置であって、
    該制御手段は、該デフォーカス量算出手段にて算出されたデフォーカス量と該駆動量算出手段にて算出された駆動量に応じて、前記フォーカスレンズの駆動速度を制御する、
    ことを特徴とするレンズ装置。
  2. 前記制御手段は、前記デフォーカス量が所定の閾値デフォーカス量以上、又は、前記駆動量が所定の駆動量以上の時には、第1の駆動速度で前記フォーカスレンズを駆動し、前記デフォーカス量が所定のデフォーカス量より小さく、かつ、前記駆動量が所定の駆動量より小さい時には、第2の駆動速度で該フォーカスレンズを駆動し、
    該第2の駆動速度は該第1の駆動速度より遅い、
    ことを特徴とする請求項1に記載のレンズ装置。
  3. 前記所定の駆動量は、前記ズームレンズの広角端における、焦点深度に対応する前記フォーカスレンズの駆動量よりも小さい、ことを特徴とする請求項2に記載のレンズ装置。
  4. 前記所定の駆動量を任意に設定することが可能である設定手段を有する、ことを特徴とする請求項2又は3に記載のレンズ装置。
  5. 前記所定のデフォーカス量は任意に設定することが可能である設定手段を有する、ことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載のレンズ装置。
  6. 前記フォーカスレンズの前記第1の駆動速度は、速度制御手段によって任意に変更することが可能なことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載のレンズ装置。
  7. 前記フォーカスレンズの前記第2の駆動速度は、速度制御手段によって任意に変更することが可能なことを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載のレンズ装置。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のレンズ装置と該レンズ装置に接続された撮像装置を有する撮像システム。
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