JP2013161009A - レンズシステム - Google Patents

Abstract

【課題】オートフォーカス機能を有するズームレンズにおいて複数の異なるフォーカス位置を持つ被写体に対して意図しない合焦を防ぐことが可能なレンズシステムを提供すること。
【解決手段】オートフォーカス時のフォーカスレンズ作動範囲を焦点距離を基準に変更する。より具体的には、記憶部に記憶された焦点距離範囲内の焦点距離ではフォーカス範囲設定部にて設定されたフォーカス範囲内で目標となるフォーカス位置を生成し、生成された目標フォーカス位置へフォーカスレンズ群を制御することを特徴とする構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、テレビレンズ、ビデオレンズなどに用いられる動画撮影を可能とするレンズシステム及びその合焦制御方法に関するものである。

現在、カメラやレンズを用いた撮像システムにおいて、ピントを自動的に合わせるようにフォーカスを制御するオートフォーカスシステムが発明されている。このオートフォーカスシステムには、スイッチ等の操作により１度だけ合焦動作を行うワンショットＡＦと、常に合焦動作を行うフルタイムＡＦがあり、特に動画の撮影にはフルタイムＡＦの要求が高まっている。

しかし、フルタイムＡＦでは、撮影条件によっては操作者の意図しない位置にフォーカスが制御されてしまう、といった事態が発生することがある。例えば、野球中継などでバッターを撮影しようとした場合、バッターの背景の観客等に輝度が高い被写体があると、輝度が高い被写体にフォーカスが合ってしまい本来の被写体であるバッターがボケてしまう。また、サッカーの撮影でフィールドから選手を撮影する場合には目的の選手の手前を別の選手が横切った場合等は手前の選手にフォーカスが合ってしまう等、意図しない位置にフォーカスが合ってしまうと、非常に不快な映像となり、大きな問題となる。

例えば、特許文献１ではオートフォーカスの作動範囲を予め設定しておくことで意図しない被写体への合焦を防ぐ提案が開示されている。

また、特許文献２では撮影シーンに応じてカメラのパン、チルト、ズーム位置を予め記憶し、簡単な操作で予め記憶した撮影位置へカメラを動作させ、かつプリセット動作中のオートフォーカス作動範囲を予め記憶されているプリセット位置を含む比較的狭い範囲に制限することで、意図しない被写体への合焦を防ぐ提案が開示されている。

特開２００６−１０６３５６号公報 特開２００７−１７８５７７号公報

しかしながら、上述の特許文献に開示された従来技術では、予め設定した作動範囲内にオートフォーカスの作動範囲を制限してしまうため、複数のフォーカス位置に対して作動範囲を制限するためには、フォーカス作動を制限する範囲を広げる必要が生じるため目的である意図しない被写体への合焦を防ぐことが不可能になってしまう。

そこで、本発明の目的は、オートフォーカス機能を有するズームレンズにおいて複数の異なるフォーカス位置を持つ被写体に対して意図しない合焦を防ぐことが可能なレンズシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ズーミング機能を司るレンズ群と前記レンズ群の光軸上の位置を検出するズーム位置検出部と、前記レンズ群を制御する信号を生成するズーム制御信号生成部と、前記ズーム制御信号によりズームレンズ群を駆動するズーム駆動部と、合焦するフォーカス位置を検出する合焦位置検出部と、合焦動作を有効とする合焦動作フォーカス範囲を設定するフォーカス範囲設定部と、前記合焦位置検出部から得られる合焦フォーカス位置と前記フォーカス範囲制御手段から算出される合焦動作フォーカス範囲から、目標となるフォーカス位置を生成する目標フォーカス位置生成部と、目標フォーカス位置へフォーカスレンズ群を制御する信号を生成するフォーカス制御信号生成部と、生成された制御信号によりフォーカスレンズ群を駆動するフォーカス駆動部と、挿脱式の焦点距離変換光学系による光学焦点距離変換レンズ群と、挿入された光学焦点距離変換レンズを検知する検知部と、焦点距離の範囲を設定する焦点距離範囲設定部と、記憶された焦点距離範囲を有効・無効にする焦点距離範囲設定解除部と各部で設定された値を記憶する記憶部と、を有し、記憶部に記憶された焦点距離範囲内の焦点距離ではフォーカス範囲設定部にて設定されたフォーカス範囲内で目標となるフォーカス位置を生成し、生成された目標フォーカス位置へフォーカスレンズ群を制御することを特徴とする。

本発明によれば、オートフォーカス機能を有するズームレンズにおいて複数の異なるフォーカス位置を持つ被写体に対しても意図しない合焦を防ぐことが可能なレンズシステムを提供することができる。

実施例１の構成を表すブロック図。 実施例１の動作フローチャート図。 位相差量の説明図。 実施例１の焦点距離範囲を記憶する動作のフローチャート。 実施例１の焦点距離とフォーカス作動範囲の関係。

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、本発明の実施形態にかかわるレンズシステムを表すブロック図である。

［実施例１］
以下、図１を参照して、本発明の第１の実施例による、レンズシステムの構成について説明する。

１はレンズの結像位置を可変とするフォーカスレンズ群であり、２はレンズの焦点距離を可変させることができるズームレンズ群である。これらのレンズ群を通過した光は、分光プリズム３にて、２つの光に分配される。１つ目の光は、分光プリズム３を透過し、挿脱式の焦点距離変換光学系による光学焦点距離変換レンズ群６（以下ＩＥ部と呼称）及びリレー７を通り、カメラ４０に搭載されているＣＣＤ８に入力される。

一方、２つ目の光は、分光プリズム３にて反射し、位相差検出レンズ群４を通り、位相差検出センサ５に入力される。位相差検出センサ５では、光軸対称となる２つの光束をそれぞれ複数の光電変換素子（以下画素と呼ぶ）に入力させ、この画素から得られるそれぞれの光量に相当する電気信号を生成する。ここで得られた信号はＡ／Ｄ変換器１４を通して、ＣＰＵ１５に入力される。

１１はズームレンズ群２の位置を電圧に変換するズーム位置検出器であり、Ａ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１５に入力される。１２はフォーカスレンズ群１の位置を電圧に変換するフォーカス位置検出器であり、ズームと同様にＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１５に入力される。さらに１３はＩＥ部６のレンズ群の位置を電圧に変換するＩＥ位置検出器であり、前述のズームやフォーカスと同様にＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１５に入力される。

またＣＰＵ１５ではズームレンズ、フォーカスレンズ、ＩＥを駆動するための制御信号の生成も行っている。フォーカスレンズ制御信号はＣＰＵ１５からＤ／Ａ変換機１８へ送られアナログ信号に変換され、さらにフォーカス駆動回路１７を介してフォーカスモータ１６に出力され、フォーカスレンズ群１を駆動する駆動力に変換される。同様にズームレンズ制御信号はＣＰＵ１５からＤ／Ａ変換機１８でアナログ信号に変換され、ズーム駆動回路２０を介してズームモータ１９に出力され、ズームレンズ群２を駆動する駆動力に変換される。ＩＥ部の制御についても同様に、ＩＥ部制御信号はＣＰＵ１５からＤ／Ａ変換機１８でアナログ信号に変換され、ＩＥ部駆動回路２２を介してＩＥモータ２１に出力され、ＩＥ部６を駆動する駆動力に変換されている。

次に２３は焦点距離範囲の幅を設定する焦点距離範囲設定部である。焦点距離範囲設定部で設定された信号は、Ａ／Ｄ変換器１４を通して、操作量がデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１５に入力される。ここで設定しＣＰＵ１５により記憶部２７に記憶された焦点距離範囲内にレンズが位置する場合には、後述するフォーカスの合焦点動作を行うフォーカスの範囲が制限される。

２４は合焦動作を行うフォーカスの範囲の幅を決定するフォーカス範囲設定部である。前述のズーム範囲設定部と同様にＡ／Ｄ変換器１４を通して、操作量がデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１５に入力される。２５は焦点距離範囲設定部により設定された焦点距離範囲の制限を有効とするか無効とするかを設定する焦点距離範囲設定解除部である。２６は設定した焦点距離範囲の値を後述の記憶部２７へ記憶するためのメモリスイッチである。２７は設定された焦点距離範囲等の値を記憶しておくための記憶部である。

図２のフローチャートはＣＰＵ１５で行うソフトウェア処理の一例を示している。ここからＣＰＵ１５で行うソフトウェア処理について詳細に説明する。

ズームレンズ３０に電源が投入されると、ＣＰＵ１５はＳＴＥＰ１０１にすすみ、ＣＰＵ内部のレジスタやメモリ等を初期化する。ＳＴＥＰ１０２、ＳＴＥＰ１０３では、フォーカスを制御するための目標となる目標フォーカス位置Ｆｘを現在のフォーカス位置Ｆに初期化する。

次に、ＳＴＥＰ１０４に進み、光軸対称となる２つの光束の位相差量Ｘを算出する。位相差量の算出は以下の処理により求める。はじめに位相差検出センサ５から、複数の画素によって得られた信号を取得し、図３のような２つの光束に対応する輝度レベル特性を得る。次に片方の輝度レベル特性をソフトウェア処理により擬似的にシフトし、２つの輝度レベル特性の重なった部分（図３の斜線部分）が最大となるシフト量を位相差量Ｘとする。

続いて、ＳＴＥＰ１０５、ＳＴＥＰ１０６に進み、ズーム位置検出器１１、フォーカス位置検出器１２により取得したズーム位置Ｚとフォーカス位置Ｆをそれぞれ取得する。そしてＳＴＥＰ１０７でＳＴＥＰ１０４〜ＳＴＥＰ１０６で取得したデータＸ、Ｚ、Ｆから合焦するために必要なデフォーカス量を算出する。ここでのデフォーカス量とは、ＣＣＤ７の面から結像面までの距離であり、フォーカスレンズ群１の機構的な移動量とは異なる量である。デフォーカス量をＤとするとＤの算出は、以下の式により求める。

Ｄ＝ｋ１＊（Ｘ-Ｆｕｎｃ１（Ｚ，Ｆ））
ｋ１は位相差量からデフォーカス量に変換する係数であり、固定値として計算する。関数Ｆｕｎｃ１は、ズーム位置Ｚ及びフォーカス位置Ｆによって決まる位相差量のオフセット量であり、テーブルデータとしてＣＰＵ内で格納している。ｋ１、Ｆｕｎｃ１はいずれもフォーカスレンズ群１、ズームレンズ群２、位相差検出レンズ群５の光学構成によって決定される。

ＳＴＥＰ１０８では、デフォーカス量Ｄを機構的なフォーカスレンズ群１の位置差に相当する量に変換する。フォーカス位置差をΔＦとするとΔＦは以下の式を用いて算出する。

ΔＦ＝Ｄ＊Ｆｕｎｃ２（Ｚ，Ｆ）
関数Ｆｕｎｃ２（）は、ズーム位置Ｚやフォーカス位置Ｆに依存し、光学的なフォーカス位置差であるデフォーカス量から、それに対応する機構的なフォーカス位置差に変換する係数であり、Ｆｕｎｃ１（）と同様に、テーブルデータとしてＣＰＵ内で格納する。

ＳＴＥＰ１０９では、図１における焦点距離範囲設定解除部での設定値を取得し、記憶された焦点距離範囲内においてフォーカスの合焦動作に制限を有効にするか否かを判断する。有効の場合はＳＴＥＰ１１０へ進み、無効と判断された場合はＳＴＥＰ１１７へ進む。

ＳＴＥＰ１１０では図１におけるＩＥ位置検出器の信号からＩＥの位置を取得する。ＩＥの位置と倍率は予め設定されているものとすると、取得したＩＥの位置及びＳＴＥＰ１０５で取得したズームの位置Ｚから焦点距離ｆを算出する。焦点距離をｆ、ＩＥの倍率をＫｉｅとするとｆは以下の式を用いて算出する。

ｆ＝Ｋｉｅ＊Ｆｕｎｃ３（Ｚ）
ここでＦｕｎｃ３はＩＥの倍率が１ｘ場合のズームの位置Ｚと焦点距離ｆの関係示す関数である。テーブルデータ等としてＣＰＵに格納しても同様である。

ＳＴＥＰ１１１では図１における記憶部２７から記憶されている焦点距離範囲を取得している。さらにＳＴＥＰ１１２ではＳＴＥＰ１１０で算出した焦点距離とＳＴＥＰ１１１で取得した要点距離を比較し、ＳＴＥＰ１１０で算出した焦点距離がＳＴＥＰ１１１で取得した焦点距離範囲内に含まれている場合はＳＴＥＰ１１３へ進み、範囲外の場合はＳＴＥＰ１１７へ進む。

ＳＴＥＰ１１３では図１におけるフォーカス範囲設定部２４での設定値Ａを取得する。次のＳＴＥＰ１１４で、デフォーカス量に変換する定数ｋ２を用いて、合焦動作を有効とするデフォーカス範囲Ｄｍａｘ、Ｄｍｉｎを以下の式より算出する。

Ｄｍａｘ＝ｋ２×Ａ
Ｄｍｉｎ＝‐ｋ２×Ａ
続くＳＴＥＰ１１５では求められた合焦動作を有効とする範囲を算出する。算出にはＳＴＥＰ１０８で用いたテーブルデータＦｕｎｃ２（）を用いて、以下の式より算出する。

ΔＦｍａｘ＝Ｄｍａｘ×Ｆｕｎｃ２（Ｚ，Ｆ）
ΔＦｍｉｎ＝Ｄｍｉｎ×Ｆｕｎｃ２（Ｚ，Ｆ）
これらΔＦｍａｘ、ΔＦｍｉｎから、合焦動作フォーカス範囲は（Ｆ＋ΔＦｍｉｎ）〜（Ｆ＋ΔＦｍａｘ）となる。

なお本実施例では、合焦動作フォーカス範囲をデフォーカス量で至近側と無限側で同量としたが、以下の式を用い、フォーカスレンズ群の位置差で至近側と無限側で同量としてもよい。

ΔＦｍａｘ＝＝ｋ２’×Ａ
ΔＦｍｉｎ＝＝‐ｋ２’×Ａ
位相差センサにより算出した合焦フォーカス指示位置は、現在のフォーカス位置Ｆからデフォーカス量Ｄに相当するフォーカス位置差ΔＦを足したもの、即ち（Ｆ＋ΔＦ）となる。そこで、ＳＴＥＰ１１６で合焦フォーカス指示位置（Ｆ＋ΔＦ）と合焦動作フォーカス範囲（Ｆ＋ΔＦｍｉｎ）〜（Ｆ＋ΔＦｍａｘ）を比較する。範囲内に入っている場合ＳＴＥＰ１１７へ進み、目標フォーカス位置Ｆｘを合焦フォーカス指示位置（Ｆ＋ΔＦ）に更新する。一方、ＳＴＥＰ１１６で範囲外と判断された場合、合焦フォーカス指示位置（Ｆ＋ΔＦ）は無効とするため、目標フォーカス位置Ｆｘは更新せずに、ＳＴＥＰ１１８へ進む。

ＳＴＥＰ１１７では、設定された目標フォーカス位置Ｆｘにフォーカスレンズ群１を駆動するために、制御信号を生成し、ＳＴＥＰ１１９でＤ／Ａ変換器に出力する。そして、再びＳＴＥＰ１０４に戻り、同様の処理を繰り返す。

図４のフローチャートは設定された焦点距離範囲を記憶部へ記憶する処理の一例を示している。本実施例においてはフォーカスの合焦点範囲を制限する焦点距離の位置を予め取得し、記憶しておく必要がある。操作者はズームを操作し撮影したいフレームを決定した後に同図で示されているフローを行う。ＳＴＥＰ２０１では図１におけるメモリスイッチ２６の状態を取得している。メモリスイッチがＯＮ状態の時は現在の焦点距離範囲を算出・記憶を行うためＳＴＥＰ２０２へ進む。メモリスイッチがＯＦＦの時は何も処理を行わない。ＣＰＵ１５では一定時間毎の図４のフローチャートで示されている処理を行っている。

ＳＴＥＰ２０２では図１におけるズーム位置検出器１１からズーム位置Ｚを取得する。ＳＴＥＰ２０３では図１におけるズーム範囲設定部２３での設定値Ｂを取得する。ＳＴＥＰ２０４ではＩＥの位置を取得し、倍率Ｋｉｅを求めている。次のＳＴＥＰ２０５ではＳＴＥＰ２０２〜ＳＴＥＰ２０４で取得された値からフォーカスの合焦範囲を制限する焦点距離の範囲を算出する。ＳＴＥＰ２０３で取得したズーム位置ＺとＳＴＥＰ２０４で取得したＩＥ倍率Ｋｉｅから現在の焦点距離をｆとすると
ｆ＝Ｋｉｅ＊Ｆｕｎｃ３（Ｚ）
また、焦点距離の範囲を求めるため、現在の焦点距離におけるオフセット量Δｆを以下の式で算出する。

Δｆ＝Ｂ＊Ｆｕｎｃ４（ｆ）
ここでＢはＳＴＥＰ２０３で取得した操作量であり、ｆは現在の焦点距離、Ｆｕｃｎ４（ｆ）は焦点距離ｆの位置における焦点距離のオフセット量を表す関数である。次に焦点距離の最大値、最小値を以下の式から算出する。

ｆｍａｘ＝ｆ＋Δｆ
ｆｍｉｎ＝ｆ−Δｆ
ＳＴＥＰ２０６では求められたｆｍａｘとｆｍｉｎを１つの組として図１における記憶部２７へ記憶する
以上説明した実施例１における焦点距離とフォーカス作動範囲の関係を図５に示す。同図は焦点距離範囲設定解除部がＯＮ状態における焦点距離とフォーカス作動範囲の関係を示している同図において横軸は広角端から望遠端までの焦点距離を表し、縦軸はＡＦ動作におけるフォーカスの作動範囲を表している。現在の焦点距離ｆとしたときに焦点距離ｆが記憶されているズーム範囲ｆｍｉｎとｆｍａｘの範囲内に位置している場合は、合焦動作フォーカス範囲の制限が有効になる。さらに現在のフォーカス位置をＦに対するデフォーカス量をＤとし、デフォーカス量Ｄに相当するフォーカス位置差をΔＦとしたとき、合焦するフォーカス位置、Ｆ＋ΔＦが合焦動作フォーカス範囲（Ｆ＋ΔＦｍｉｎ）〜（Ｆ＋ΔＦｍａｘ）の範囲内である場合のみＡＦ動作が作動する。

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。

１ フォーカスレンズ群
２ ズームレンズ群
３ 分光プリズム
４ 位相差検出レンズ群
５ 位相差検出センサ
６ ＩＥ部
７ リレーレンズ
８ ＣＣＤ
１１ ズーム位置検出器
１２ フォーカス位置検出器
１３ ＩＥ位置検出器
１４ Ａ／Ｄ変換器
１５ ＣＰＵ
１６ フォーカス駆動用モータ
１７ フォーカス駆動回路
１８ Ｄ／Ａ変換器
１９ ズーム駆動用モータ
２０ ズーム駆動回路
２１ ＩＥ駆動用モータ
２２ ＩＥ駆動回路
２３ 焦点距離範囲範囲設定部
２４ フォーカス範囲設定部
２５ 焦点距離範囲設定解除部
２６ メモリスイッチ
２７ 記憶部
３０ ズームレンズ
４０ カメラ

Claims (5)

1. ズーミング機能を司るレンズ群と
   前記レンズ群の光軸上の位置を検出するズーム位置検出部と、
   前記レンズ群を制御する信号を生成するズーム制御信号生成部と、
   前記ズーム制御信号によりズームレンズ群を駆動するズーム駆動部と、
   合焦するフォーカス位置を検出する合焦位置検出部と、
   合焦動作を有効とする合焦動作フォーカス範囲を設定するフォーカス範囲設定部と、
   前記合焦位置検出部から得られる合焦フォーカス位置と前記フォーカス範囲制御手段から算出される合焦動作フォーカス範囲から、目標となるフォーカス位置を生成する目標フォーカス位置生成部と、
   目標フォーカス位置へフォーカスレンズ群を制御する信号を生成するフォーカス制御信号生成部と、
   生成された制御信号によりフォーカスレンズ群を駆動するフォーカス駆動部と、
   挿脱式の焦点距離変換光学系による光学焦点距離変換レンズ群と、
   挿入された光学焦点距離変換レンズを検知する検知部と、
   焦点距離の範囲を設定する焦点距離範囲設定部と、記憶された焦点距離範囲を有効・無効にする焦点距離範囲設定解除部と、
   各部で設定された値を記憶する記憶部と、
   を有し、記憶部に記憶された焦点距離範囲内の焦点距離ではフォーカス範囲設定部にて設定されたフォーカス範囲内で目標となるフォーカス位置を生成し、生成された目標フォーカス位置へフォーカスレンズ群を制御することを特徴とするレンズシステム。
2. 焦点距離範囲設定解除部において記憶部に記憶された焦点距離の範囲を有効と設定された場合のみ、記憶された焦点距離の範囲内の焦点距離では、フォーカス範囲設定部にて設定されたフォーカス範囲内で目標となるフォーカス位置を生成し、生成された目標フォーカス位置へフォーカスレンズ群を制御することを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
3. 記憶部では、複数の焦点距離範囲に対して、焦点距離の範囲を設定する焦点距離範囲設定部で設定された焦点距離範囲とフォーカス範囲の制限とを記憶することを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
4. 設定・記憶されている複数の焦点距離の範囲及びフォーカス範囲において、隣あう２つの焦点距離範囲の間では、記憶された焦点距離範囲とフォーカス範囲、各々の範囲の幅を端点として作動範囲の幅の補間を行っていることを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
5. 請求項１に記載のレンズシステムと前記レンズシステムの水平方向の位置、垂直方向の傾きを検出できる検出器を備えたレンズシステムにおいて、
   レンズの水平方向の位置、及び垂直方向の位置、及び焦点距離設定部により設定された焦点距離範囲を合わせて記憶し、焦点距離範囲設定解除部において記憶部に記憶された焦点距離の範囲を有効と設定された場合では、レンズの水平方向の位置及び水平方向の傾きの近傍でかつ記憶された焦点距離の範囲内においてフォーカス範囲設定部にて設定されたフォーカス範囲内で目標となるフォーカス位置を生成し、生成された目標フォーカス位置へフォーカスレンズ群を制御することを特徴とするレンズシステム。