JP3210488B2 - レンズ位置制御装置および光学機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラや観測機器等の
光学機器におけるレンズ位置制御装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来よりビデオカメラ等に用いられてい
る焦点距離可変の撮影レンズ、所謂ズームレンズとして
多くの光学設計例が知られている。特に光軸前方の第１
レンズ群が焦点調節の為のレンズであり、第２レンズ群
が変倍の為のレンズ群、第３群が補正の為のレンズ群と
なり、第２群、第３群が所定の関係で連動することによ
ってズーム動作を成し、第４群が結像の為の固定のレン
ズ群となる所謂４群ズームは最も一般的なズームレンズ
構成と言える。この４群ズームレンズにおいては焦点調
節の為の第１群レンズ群と、焦点距離可変の為の第２，
第３群レンズ群は、全く別個に機能することから、ズー
ミングに連動して第１群を動かしたり焦点調節の為に第
２群を動かしたりする必要はない。この為比較的簡単な
構成で鏡筒メカニズムを達成できた。

【０００３】これに対して焦点調節の為のレンズ群を第
３群以降のレンズ群とする、所謂インナーフォーカスタ
イプのズームレンズが知られている。インナーフォーカ
スタイプのレンズ構成の場合、前述の４群ズームレンズ
と異り、焦点距離によって、焦点調節の為のレンズ群が
最もくり出した位置にある場合に撮影可能（合焦可能）
な最至近距離が変化する。特にワイド端ではレンズ直前
迄合焦可能となるという、４群ズームレンズでは達成で
きない大きな利点があった。しかし、一方で、この様な
インナーフォーカスタイプのズームレンズでは、焦点調
節の為のレンズ群が変倍の為のレンズ群より後方にある
ことから、被写体距離が変化しなくてもズーミングによ
って焦点調節の為のレンズ群を移動しなければならない
という特性を有している。この為鏡筒メカニズムの構成
が非常に複雑になるという欠点があった。この為、従来
は実用化された例が少なかった。しかしながら近年、自
動焦点調節装置に発達により焦点面のボケを直接評価し
て、この情報に基づき焦点調節の為のレンズ群の位置制
御を行う方式が実用化されている。この方式の自動焦点
調節装置とインナーフォーカスレンズを組合せることに
よって、複雑な鏡筒構造をとらなくとも焦点調節の為の
レンズ群の位置を正しい位置とすることが可能となる。

【０００４】図３〜図６はインナーフォーカスレンズの
幾つかの例を示す。図３のタイプでは、第１群レンズ１
は固定されており、第２群レンズ２の位置（実線）がワ
イド側の焦点距離（ワイド端）の位置、２’の位置（２
点鎖線）がテレ側の焦点距離（テレ端）の位置となる。
又、この例では第３群レンズ３が従来の４群ズーム同様
第２群レンズと所定の関係をもって連動しており、３の
位置（実線）がワイド端位置、３’の位置（２点鎖線）
がテレ端位置となる。第２群及び第３群のレンズは従来
の４群ズームの鏡筒メカニズム構成と同じく、例えばカ
ム環によって連動するものである。４が焦点調節の為の
レンズ群となり、欠印で示す様に定められた所定範囲内
で光軸方向に位置可変に構成される。

【０００５】図４の場合、図３の３に相当するレンズ群
がない場合である。又、この例ではレンズ群４を前方レ
ンズ群４Ａと後方レンズ群４Ｂに分け、前方レンズ群Ａ
は固定し、後方レンズ群４Ｂが焦点調節の為のレンズ群
として所定範囲光軸方向に位置可変に構成されている。

【０００６】図５の例では第１と第４レンズ群１と４が
固定であり、第２レンズ群２は、同じく２の位置がワイ
ド端位置、２’の位置がテレ端位置となる。又、焦点調
節の為のレンズ群は３であり、所定範囲光軸方向に位置
可変に構成されている。

【０００７】図６の例では第１群レンズは固定されてな
く、第１群レンズ１と第２群レンズ２はズーミングに伴
って連動するものである。ここで１，２はワイド端での
位置を示し、又、１’，２’はテレ端での位置を示して
いる。又、焦点調節の為のレンズ群は図４の例と同じく
最後部の後方レンズ群４Ｂにて行うものである。

【０００８】図７，図８は図３〜図６のインナーフォー
カスレンズにて、各焦点調節の為のレンズ群のとるべき
位置の焦点距離（２群レンズ位置）とズーム倍率の関係
を示しており、図７は図４〜図６のレンズタイプの場合
の、図８は図３のレンズタイプの場合の関係を示してい
る。図にて縦軸がゼロの位置はテレ端∞合焦の際の焦点
調節の為のレンズ群位置である。

【０００９】図７にて明らかな様に図４〜図６で示した
レンズタイプの場合にはワイド端での撮影可能（合焦可
能）な至近距離は０ｍ、中間で約１ｍとなり、テレ端で
は０．６ｍ程度となる。又、図３で示した様なレンズタ
イプの場合にはワイド端で０ｍ、徐々に至近距離が遠方
になりテレ端で約１ｍとなっている。図４〜図６の光学
系は、図７を見ると理解できるように、ズーム用のレン
ズ群をワイドからテレ方向に移動させると、フォーカス
用のレンズ群を無限から至近方向への移動及び至近から
無限方向に移動させて合焦を維持するように設定されて
いる。

【００１０】又、図７に示すように、横軸に示すズーム
移動量を各被写体に対して一定とした場合には、至近側
被写体におけるズーム倍率は、低倍率（被写体距離０．
６ｍで１２倍）となり、無限側被写体におけるズーム倍
率は高倍率（１２．７倍）となる。又、無限側のＴ端に
おいてはカムリフトは、非常に立っており、これはズー
ム移動量を一定とした場合、第２のフォーカシングレン
ズのカムトレーススピードについて非常に高速が要求さ
れることになり、また、第１の変倍レンズ群の位置分解
精度が高精度を必要としていることを表している。

【００１１】図９は前述した焦点面のボケを直接評価す
る方式の自動焦点調節装置の一例の基本的考え方を示し
ている。図９の（Ａ）において、１７はビデオカメラ等
の画面であり、１８はこのうち自動焦点調節を行う為の
信号を抽出する領域である測距視野を示している。１９
は被写体の有するコントラストパターンである。図９の
（Ｂ）は信号処理を示し、（ａ）のコントラストパター
ンに対する輝度信号は（ｂ）の様になる。これを微分す
ると（ｃ）の様になり、更に絶対値をとると（ｄ）の様
になる。これをサンプルホールドした（ｅ）の高さを仮
にＡとする。図９の（Ｃ）で示す様に横軸に焦点調節の
為のレンズ群位置をとり、縦軸にＡの値をとると山状の
信号となり、ピークであるところのレンズ群位置（Ｂ）
が合焦レンズ位置となる。

【００１２】図１０は図４に示すインナーフォーカスレ
ンズを例として、この様な自動焦点調節装置１２，１３
とを組合わせた場合のブロック構成図である。１２がセ
ンサーであり、１３がセンサー１２の出力により合焦状
態を検知するＡＦ回路。１４が焦点調節の為のレンズ群
４Ｂを光軸方向に位置可変とする駆動手段の駆動源であ
るところのモータである。

【００１３】

【発明が解決しようとしている課題】以上述べてきたよ
うに上記従来例では、無限カムをズーム全領域カムトレ
ースする為には、フォーカシングモータを高速駆動さ
せ、バリエータの位置分解精度、位置決め精度を高精度
にする必要がある為、Ｔ−Ｗ間のズームスピードの高速
化を狙った時にはフォーカシングモータの最高速駆動能
力で制限を受けてしまい、光学系の高倍化を狙った時に
はカムリフトは更に立ってしまう為バリエータの位置分
解精度、位置決め精度により制限を受けてしまいズーム
スピードの高速化、光学系の高倍化がしにくいという問
題があった。

【００１４】本発明は、このような従来の問題を解決す
るためになされたもので、フォーカスモータの最高速駆
動能力を有効に利用して、ズームスピードの高速化、光
学系の高倍化を実現できるレンズ位置制御装置を提供す
ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、変倍のために光軸に沿って移動可能
な第１レンズと、この第１レンズよりも像面側に配置さ
れ、第１レンズの移動に伴い変動する結像面位置を一定
に保つよう第１レンズの移動に伴い光軸に沿って移動可
能な第２レンズと、第１レンズを移動させるための第１
の駆動手段と、第２レンズを移動させるための第２の駆
動手段と、第１レンズの位置を検出する第１の検出手段
と、第２レンズの位置を検出する第２の検出手段と、第
１および第２の検出手段の検出結果に基づいて結像面位
置を一定に保つよう第１および第２の駆動手段を制御す
る制御手段とを有するレンズ位置制御装置において、第
１レンズの広角端と望遠端との間での移動に伴い第２レ
ンズの移動により合焦状態を連続して維持できる領域内
にて、第２レンズが最至近距離の位置にあり、かつ第１
レンズが望遠端の位置にある状態での倍率を望遠端倍率
として設定しておき、 制御手段に、第１レンズの広角
端と望遠端との間での移動に伴い第２レンズの移動によ
り合焦状態を連続して維持できる領域内にて、第２レン
ズが上記状態での最至近距離より無限遠距離側に位置す
る状態のときに、第１レンズが上記望遠端倍率を超えて
望遠端側に移動するのを禁止する制御を行わせるように
している。

【００１６】

【作用】上記した構成のレンズ位置制御装置は、禁止領
域では第２のレンズ群に要求される速度が最も速くなる
が、この禁止領域内では第２のレンズ群の制御を行わな
いため、第２のレンズ群を駆動する第２の駆動手段の有
する最高速度を禁止領域端に設定することが可能とな
り、第１のレンズ群の移動速度の高速化、光学系の高倍
率化を実現できる。

【００１７】

【実施例】図１および図２は本発明の第１実施例を示し
ている。図１はレンズ位置制御装置のブロック構成を示
す図である。又、ここでレンズ光学系は光学タイプとし
ては図６で述べた構成としている。

【００１８】図において１８は変倍の為のレンズ群２の
鏡枠、１９は鏡枠１８に取り付けられたエンコーダブラ
シ、２０はブラシ１９が摺動してレンズ群２の絶対位置
を検出する為にグレイコード又は可変抵抗が印刷された
エンコーダー基板である。２１は、ＣＣＤ等の撮像素
子、２２は前述したＡＦ装置、２３はズームエンコーダ
ー読み取り回路、２４はフォーカシングモータ駆動パル
スカウント回路である。又、２５はフォーカシングモー
タ駆動パルス出力回路であり、フォーカシングモータド
ライバー２６を介して、ステップモータ２７を駆動す
る。これにより、焦点合わせのレンズ群４Ｂを駆動す
る。又、この移動と共に前述のパルスカウント回路２４
により、ＣＰＵ３３にてレンズ群４Ｂの位置が読み込ま
れる。

【００１９】２８はズームモータドライバー、２９は第
１群レンズと第２群レンズを駆動するズームモータであ
る。又、ＣＰＵ３３ではズーム方向の領域を複数領域に
分割し、各領域毎に領域分割によるズーム中のレンズ位
置制御を行う為にメモリーされている速度データ３４、
方向データ３５、領域データ３６からの情報を用いてい
る。又、３１はメインスイッチ、３２はズームスイッ
チ、３０はパワーオンリセット回路である。パワーオン
リセットに於いてはステップモータ駆動パルスにてレン
ズ群４Ｂの絶対位置を検出する為にパワーオン直後にレ
ンズ群４Ｂをリセット位置に移動させ、この位置にてパ
ルスを所定値にセットすると共に、例えばズームモータ
２９の速度を検出する等のリセット動作を行う。尚、レ
ンズ群４Ｂの上述のリセット位置への移動に際しては、
不図示のリセット位置検出のスイッチを必要とする。

【００２０】次にレンズ位置の制御を図２に基づいて説
明する。

【００２１】図２は横軸に第２群レンズであるバリエー
ターの位置、縦軸にフォーカスレンズの位置を示し、バ
リエーターは一定速度で駆動するようにしている。

【００２２】ＣＰＵ３３は、ズームエンコーダ読み取り
回路２３より第２群レンズの位置を常時検出しており、
変曲点（以下、単に点という）Ｐを境にしてＷ（ワイ
ド）側の領域に存在しているか、Ｔ（テレ）側の領域に
存在しているかを検出している。ここで、点Ｐは、バリ
エーターの広角端と望遠端との間の移動に伴うフォーカ
シングレンズの移動により合焦状態を連続して維持でき
る領域において、フォーカシングレンズの最至近距離１
ｍの軌跡ａにおける変曲点を示している。

【００２３】一方、ＣＰＵ３３はフォーカシングモータ
駆動パルスカウント回路２４より、被写体距離が点Ｐを
境にして無限側に存在するか、或は至近側に存在してい
るかを検出し、バリエーターである第２群レンズが点Ｐ
を境にしてＴ側の領域に存在し、かつフォーカシングレ
ンズが点Ｐよりも無限側の被写体距離に存在してる場
合、点Ｐより無限側の被写体距離について、第２群レン
ズのＴ端位置を斜線で示す禁止領域内に入らないように
し、線Ｌで示す強制規制Ｔ端で停止させるようにしてお
り、この強制規制Ｔ端は公称望遠側倍率を満足するよう
に設定されている。

【００２４】具体的には、軌跡ａは点Ｐで決まる撮影可
能な最至近距離が最も遠距離である１ｍの合焦軌跡であ
って、該線Ｌで規制される強制規制Ｔ端はＺ₁ 、ｂは２
ｍの合焦軌跡であって、該線Ｌで規制される強制規制Ｔ
端はＺ₂ 、ｃは３ｍの合焦軌跡であって、該線Ｌで規制
される強制規制Ｔ端はＺ₃ 、Ｚ∞は無限距離での該線Ｌ
で規制される強制規制Ｔ端を示す。

【００２５】すなわち、ズームスピードが一定のとき、
フォーカシングレンズの最高速は、図２に示すように、
無限合焦軌跡上の強制規制Ｔ端Ｚ∞の位置で最大とな
る。

【００２６】したがって、本実施例ではステップ駆動さ
れるフォーカスモータの最高速度をこの無限合焦軌跡上
の強制規制Ｔ端Ｚ∞に設定すればよいことになる。

【００２７】これに対し、従来のように禁止領域を設定
していない場合、フォーカシングレンズの最高速は、無
限合焦軌跡上のＺ₁ 位置で最も高く、ここでの速度は上
記した強制規制Ｔ端Ｚ∞位置よりも速い。このため、従
来はステップ駆動されるフォーカスモータの最高速をこ
のＺ₁ 位置での速度に合わせるようにしていた。

【００２８】しかし、本実施例では禁止領域を設けたこ
とにより、フォーカスモータの最高速を無限合焦軌跡の
強制規制Ｔ端Ｚ∞に合わせることができることになる。

【００２９】本実施例では、フォーカスモータとしてス
テッピングモータを用いているが、その最高駆動周波数
は、５００〜６００ｐｐｓが限度となっており、この最
高駆動周波数によってＴ−Ｗ間のズームスピードが決定
されるが、無限合焦軌跡の強制規制Ｔ端Ｚ∞でのフォー
カススピードを、従来の無限軌跡Ｔ端Ｚ₁ で使用してい
た上記した最高駆動周波数に設定することにより、その
分Ｗ−Ｔ間のズームスピードを増すことができ、ズーム
速度を高速化することができる。

【００３０】なお、ズーム位置がＴ端にあって、被写体
距離がＰ点よりも至近側、例えば０．５ｍで撮影してい
る状態で、被写体が遠ざかりはじめ、１．０ｍを越える
と、フォーカシングレンズは禁止領域に入り込むことに
なるが、この場合フォーカシングレンズと第２群レンズ
は線Ｌに沿って移動し、公称の望遠側倍率での撮影を行
えるようにし、禁止領域においてフォーカシングレンズ
の速度をむやみに引き上げることなく合焦維持を可能と
している。

【００３１】なお、上記した実施例においてはバリエー
ターの位置検出にエンコーダーを用いているが、ズーム
モータをフォーカスモータと同様のステッピングモータ
とし、同様に位置検出するようにしてもよい。

【００３２】なお、上記した実施例はカメラに適用した
例であるが、双眼鏡筒の観察機器に適用することもでき
る。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１レンズの広角端と望遠端との間での移動に伴い第２
レンズの移動により合焦状態を連続して維持できる領域
内にて、第２レンズが最至近距離の位置にあり、かつ第
１レンズが望遠端の位置にある状態での倍率を望遠端倍
率として設定しておき、上記領域内にて、第２レンズが
上記状態での最至近距離より無限遠距離側に位置する状
態のときに第１レンズが上記望遠端倍率を超えて望遠端
側に移動するのを禁止するようにしているので、上記領
域内にて第２レンズが無限遠距離の位置にあり、かつ第
１レンズが望遠端倍率を超えない望遠端の位置での第２
レンズの駆動速度をこの第２レンズの最高速度に設定す
ることができる。このため、第２のレンズの望遠端での
低速駆動化及び第１レンズの望遠端での低分解能化を可
能とし、その結果として、広角端および望遠端間で合焦
維持を可能としながらズーム速度の高速化を図ることが
できるとともに、レンズ位置検出のための検出手段のコ
ストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレンズ位置制御装置の一実施例を
示すブロック図。

【図２】図１に示す実施例のフォーカスレンズとバリエ
ーターとの被写体距離に応じた関係を示す図表。

【図３】インナーフォーカスレンズの光学構成を示す
図。

【図４】インナーフォーカスレンズの光学構成を示す
図。

【図５】インナーフォーカスレンズの光学構成を示す
図。

【図６】インナーフォーカスレンズの光学構成を示す
図。

【図７】インナーフォーカスレンズのフォーカスレンズ
とバリエーターとの被写体距離に応じた関係を示す図
表。

【図８】インナーフォーカスレンズのフォーカスレンズ
とバリエーターとの被写体距離に応じた関係を示す図
表。

【図９】位相差式ＡＦ装置の原理を示す図。

【図１０】ＡＦ装置によりレンズを移動させる構成を示
すブロック図。

【符号の説明】

１…変倍のための第１レンズ群 ２…焦点合わせの
第２レンズ群 ３…ワイド端位置 ４…焦点調節のた
めのレンズ群 １２…センサー １３…ＡＦ回路 １４…モータ １７…画面 １８…測距視野 １９…コントラス
トパターン ２０…エンコーダ基板 ２１…ＣＣＤ ２２…ＡＦ装置 ２３…ズームエン
コーダ読み取り回路 ２４…フォーカシングモータ駆動パルスカウント回路 ２５…フォーカシングモータ駆動パルス出力回路 ２６…フォーカシングモータドライバー ２７…ステップモーター ２８…ズームモー
タードライバー ２９…ズームモーター ３０…リセット回
路 ３１…メインスイッチ ３２…ズームスイ
ッチ ３３…ＣＰＵ ３４…速度データ ３５…方向データ ３６…領域データ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変倍のために光軸に沿って移動可能な第
   １レンズと、この第１レンズよりも像面側に配置され、
   前記第１レンズの移動に伴い変動する結像面位置を一定
   に保つよう前記第１レンズの移動に伴い光軸に沿って移
   動可能な第２レンズと、前記第１レンズを移動させるた
   めの第１の駆動手段と、前記第２レンズを移動させるた
   めの第２の駆動手段と、前記第１レンズの位置を検出す
   る第１の検出手段と、前記第２レンズの位置を検出する
   第２の検出手段と、前記第１および第２の検出手段の検
   出結果に基づいて結像面位置を一定に保つよう前記第１
   および第２の駆動手段を制御する制御手段とを有するレ
   ンズ位置制御装置において、前記第１レンズの広角端と望遠端との間での移動に伴い
   前記第２レンズの移動により合焦状態を連続して維持で
   きる領域内にて、前記第２レンズが最至近距離の位置に
   あり、かつ前記第１レンズが望遠端の位置にある状態で
   の倍率を望遠端倍率として設定しており 、前記制御手段は、前記第１レンズの広角端と望遠端との
   間での移動に伴い前記第２レンズの移動により合焦状態
   を連続して維持できる領域内にて、前記第２レンズが前
   記状態での最至近距離より無限遠距離側に位置する状態
   のときに、前記第１レンズが前記望遠端倍率を超えて望
   遠端側に移動するのを禁止する制御を行う ことを特徴と
   するレンズ位置制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のレンズ位置制御装置を
   備えたことを特徴とする光学機器。