JP3244773B2 - 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、レンズを目標位置へ移
動させる光学機器に関する。

【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
群レンズ群が焦点調節の為のレンズであり、第２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
動焦点調節装置の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６〜図９はインナーフォーカスズームレ
ンズの幾つかの例を示す。図６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７の場合、図６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８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９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７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１０、図１１は図６〜図９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）との関係を示し
ており、図１０は図７〜図９のレンズタイプの場合の、
図１１は図６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１０にて明らかな様に図７〜図９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６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７〜図９の光
学系は、図１０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】図１２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１２（Ａ）にて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１２
（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１２（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。

【００１１】図１３は図７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すると駆動手段の駆動源であ
るところのモータである。

【００１２】しかしながら、実際には図１３に示したよ
うな構成では、特にズーム中に常時、合焦状態を得るこ
とは困難なことが多い。これは自動焦点調節装置１２、
１３がボケを検知し、このボケがマエピンであるかアト
ピンであるかを判定し、モータ１４の回転方向を決定す
る為に要する時間に、変倍用の第２群レンズだけが移動
することによって、図１０、図１１に示す固有の被写体
距離に合焦し続ける為の軌跡から脱線してしまうこと等
に起因する。

【００１３】この点に鑑み、本件同一出願人による特願
昭６３−１０９９６６号公報等によれば、図１０、図１
１に示す横軸に焦点距離、縦軸に焦点調節の為のレンズ
群位置をとったマップ内を、例えば図１４のように
（Ｉ、ＩＩ…というような）複数のブロックに分け、例
えばそれぞれのブロックのほぼ中心の点を通る軌跡の微
分値と、第２群レンズ２の移動速度から、ズーム中に焦
点調節の為のレンズ群が移動すべき方向と速度を決定
し、自動焦点調節装置の測距結果が得られなくとも、ズ
ーミングの為の第２群レンズ群用の駆動手段と、焦点調
節の為のレンズ群用の駆動手段を同時に駆動開始するこ
とによってズーム中のピンボケを解消しようというもの
が提案されている。

【００１４】

【発明が解決しようとしている課題】以上述べてきたよ
うな、インナーフォーカスレンズとレンズ位置制御手段
を組合わせることにより、レンズ直前から∞までの被写
体に対して迅速に合焦し、かつズーム動作中も安定して
合焦を維持できる。

【００１５】ところが、実際にはレンズの製造誤差によ
る結像点のバラつきやカメラ部の寸法バラつき及びレン
ズのフランジ面に撮像素子を取り付ける際の取り付け誤
差等から像面位置所謂バックフォーカスが設計値と異な
る場合が生じる。その場合、前述したボケを直接評価す
る方式の自動焦点調節装置を用いたときには、合焦作用
そのものには問題は生じないが、ズーム中のボケを前述
のブロック分割による方法で解消する場合、設計値とは
異なった位置で後方のレンズ群によって合焦を行うと、
各ブロックの代表速度を前記後方の合焦レンズ群の位置
検出手段から得られる合焦レンズ群の位置とズームエン
コーダから得られる。ズーム位置とで決定している為
に、設計値とは異なる速度で、合焦レンズ群を駆動する
ことになり、ズーム中のボケが改善されないことが考え
られる。

【００１６】従来のフロントレンズでフォーカスを行う
一般的な４群構成のズームレンズでは、焦点調節の為の
第１群レンズと変倍を行う第２群との間隔を調整して、
広角端と望遠端の結像位置の差をなくし、残りの結像位
置ずれをアフォーカル部以降のリレー部を光軸方向に移
動させて補正するという方法をとっていた。

【００１７】しかしながら、レンズ系にアフォーカル部
を持たせるとレンズ系の増大を招き、またアフォーカル
部を持たない場合には撮像素子そのものを動かして補正
することもできるが、その場合も、移動機構が複雑にな
って好ましくない。

【００１８】また、合焦レンズ群の反転駆動の際（図１
５Ａ部分）にレンズ駆動のメカニズムがバックラッシュ
を持っている場合には、反転時に、このバックラッシュ
の分だけレンズが停止することになり、設計値通りの速
度が得られない為にズーム中のボケを生じることもあっ
た。

【００１９】

【問題点を解決するための手段】請求項１に記載した発
明は、変倍作用を行なうための変倍レンズと、該変倍レ
ンズより像面側に設けられ該変倍レンズの変倍動作に対
して合焦状態を維持するとともに焦点調節を行なうため
の合焦レンズとを有するレンズ光学系と、該変倍レンズ
を移動させる第１の移動手段と、該合焦レンズを移動さ
せる第２の移動手段と、前記変倍レンズの移動を検知す
る回路と、前記レンズ光学系により結像される光学像を
撮像する撮像素子と、該撮像素子の出力から合焦状態を
検知するフォーカス回路と、前記変倍レンズのレンズ位
置情報に基づいて合焦状態を維持するよう前記合焦レン
ズの移動すべき移動情報を記憶した移動情報記憶手段
と、前記フォーカス回路からの出力により前記合焦レン
ズの移動を制御する第１の制御と、前記移動情報記憶手
段の前記移動情報に基づいて前記変倍レンズの移動に伴
って合焦状態を維持するよう前記合焦レンズの移動を制
御する第２の制御とを行なうCPU回路とを有する光学機
器において、前記第２の移動手段のバックラッシュに関
する情報を記憶する記憶手段と、前記第２の移動手段に
より移動される前記合焦レンズの移動方向が反転したか
否かを検出する反転検出手段とを有し、前記CPU回路
は、前記移動を検知する回路からの出力が前記変倍レン
ズの非移動状態を示しているときは、前記第１の制御を
行い、前記移動を検知する回路からの出力が前記変倍レ
ンズの移動状態を示し、かつ前記反転検出手段により前
記合焦レンズの移動方向が反転したことを検出したとき
は、前記記憶手段のバックラッシュに関する情報を与え
て前記第２の制御を行なうことにより、上記の問題点を
解決した。

【００２０】

【実施例】図１ないし図２は本発明の実施例を示してい
る。図１は本発明の光学機器としてのビデオカメラに適
用した実施例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９で述べた構成
にて示した。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（反転検出手段）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２
７（第２の移動手段）を駆動する。これにより、焦点合
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。また、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（第１の移動手段）である。又、
ＣＰＵ３３では前述した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３
４、方向データ３５、領域データ３６からの各情報（移
動情報記憶手段）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、４０は３０のパワーオンリセットの際、焦点合
せレンズの絶対位置を示すリセットスイッチで合焦レン
ズの移動範囲外にある。３７はフォーカシングレンズの
反転駆動時のバックラッシュを記憶する手段（記憶手
段）、３８は特定のズーム位置での特定の被写体距離に
おける合焦番地（リセットパルス数）を記憶しているＥ
2 ＰＲＯＭなどの記憶部材である。図２は本発明の実施
例の製作段階での過程を示す図である。レンズの製作誤
差により無限遠の被写体を撮影し、焦点合せレンズを称
呼の位置にしたときワイド端での結像位置１１とテレ端
での結像位置１１′はΔＰだけずれることがある。そこ
で、最前部のレンズ群１を移動部材に対して実線矢印に
示すようにまず動かして、同じ結像点１２にそろえ、接
着剤にてレンズ群移動部材に固定する。

【００２１】このとき、撮像素子１０の位置は結像位置
１２よりΔｔだけずれており（撮像素子の取り付け誤差
を含む）これを焦点合せレンズ４Ｂを光軸方向に移動さ
せることによって補正する。また、バックラッシュ量は
調整の際予め測定を行っておくことにする。

【００２２】図３に示す調整フローに従って工場での調
整手順を説明する。まず、特定の被写体距離におかれた
チャートをある特定のズーム位置で撮影し、ある任意の
基準からの焦点合せレンズを移動させ、先のチャートに
対して合焦させたときのパルスカウント値ｐｍ１を取り
込み次にリセットＳｗ４０がＯＮになるまでステップＭ
ｏを回転させることによつて焦点合せレンズを移動させ
てそのときの先の基準位置からのパルスカウント値ｐｍ
０を取り込む。さらに、今度は逆方向にステップＭｏを
リセットＳｗがＯＦＦになるまで駆動しそのときのパル
スカウント値ｐｍｂを取り込む。そして、この距離での
称呼（設計値）の合焦番地に対応したパルス数をｐｍと
して、リセットパルス数ｐｍｐｏｓを ｐｍｐｏｓ＝ｐｍ１−ｐｍ０−ｐｍ また焦点合せレンズのバックラッシュ量ｐｂｋを ｐｂｋ＝ｐｍｂ−ｐｍ０ という演算を行って算出し、最後にｐｍｐｏｓ、ｐｂｋ
をＥ² ＰＲＯＭ等に記憶させる。

【００２３】次に図４に示すフローに従ってリセット動
作を説明する。メインＳｗＯＮでパワーオンリセット回
路が動作し、ＣＰＵのプログラムが走りはじめる。まず
ステップＭｏ２７を駆動させて焦点合せレンズ４Ｂをリ
セットＳｗ４０がＯＮになるまで移動させる。リセット
Ｓｗ４０に到達したら次にＥ² ＰＲＯＭ３８からリセッ
トパルス数ｐｍｐｏｓを読み取り、ｐｍｐｏｓだけステ
ップＭｏを駆動させる。そのあと、パルスカウントを０
にリセットする。最後にバックラッシュ量ｐｂｋを読み
込んでリセット終了となる。以後焦点合せレンズ制御の
原点をパルスカウント値０の所とし、また、反転時には
バックラッシュ量ｐｂｋを考慮に入れた制御を行うこと
になる。

【００２４】以下にその制御の流れを図５に示すフロー
チャートで説明する。まずステップ５０でズーム中かど
うかの判断を行う。ズーム中でないとき（通常の合焦動
作）は、たとえバックラッシュがあってもボケを直接評
価する方式の自動焦点調節装置を用いる場合には問題が
ないので最初にもどる。ズーム中のときは、ステップ５
１で現在のフォーカスレンズの移動方向を検知しＤ₀ と
して記憶する。次にステップ５２で再び移動方向Ｄを検
知し、ステップ５３で以前の方向Ｄ₀ と比較する。ここ
でＤ₁ Ｄ₀ は１（上向き）、０（停止）、−１（下向
き）の３つの値をとるものとする。今、Ｄ＝Ｄ₀ のとき
は同じ方向に移動しているのでそのままステップ５２に
戻る。Ｄ＝−Ｄ₀ のときは反転駆動をした直後でり、こ
のときリセット時に読み込んだバックラッシュ量ｐｂｋ
だけ余分に駆動パルスを付与して補正することになる。
以上の動作で、バックラッシュを考慮したレンズ位置制
御が可能となる。

【００２５】以上の実施例において、さらにリセットス
イッチ４０を焦点合せレンズのメカ的な最くり込み位置
もしくは最くり出し位置に置くことが望ましい。ズーム
中あるいは合焦動作中は焦点合せレンズの位置はズーム
位置及び被写体距離によってまちまちであり、電源ｏｆ
ｆの状態での焦点合せレンズ群の位置は定まっていな
い。もし、リセットＳｗが合焦レンズの移動範囲の中間
にあった場合、リセット動作の最初にくり込み、くり出
しどちらの方向に合焦レンズ群を駆動させるかの判断が
できなくなる場合が生じる。そこで、リセットＳｗを合
焦レンズの移動範囲の端、つまりメカ的最くり込みもし
くは最くり出し位置に置けばよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載し
た発明は、変倍作用を行なうための変倍レンズと、該変
倍レンズより像面側に設けられ該変倍レンズの変倍動作
に対して合焦状態を維持するとともに焦点調節を行なう
ための合焦レンズとを有するレンズ光学系と、該変倍レ
ンズを移動させる第１の移動手段と、該合焦レンズを移
動させる第２の移動手段と、前記変倍レンズの移動を検
知する回路と、前記レンズ光学系により結像される光学
像を撮像する撮像素子と、該撮像素子の出力から合焦状
態を検知するフォーカス回路と、前記変倍レンズのレン
ズ位置情報に基づいて合焦状態を維持するよう前記合焦
レンズの移動すべき移動情報を記憶した移動情報記憶手
段と、前記フォーカス回路からの出力により前記合焦レ
ンズの移動を制御する第１の制御と、前記移動情報記憶
手段の前記移動情報に基づいて前記変倍レンズの移動に
伴って合焦状態を維持するよう前記合焦レンズの移動を
制御する第２の制御とを行なうCPU回路とを有する光学
機器において、前記第２の移動手段のバックラッシュに
関する情報を記憶する記憶手段と、前記第２の移動手段
により移動される前記合焦レンズの移動方向が反転した
か否かを検出する反転検出手段とを有し、前記CPU回路
は、前記移動を検知する回路からの出力が前記変倍レン
ズの非移動状態を示しているときは、前記第１の制御を
行い、前記移動を検知する回路からの出力が前記変倍レ
ンズの移動状態を示し、かつ前記反転検出手段により前
記合焦レンズの移動方向が反転したことを検出したとき
は、前記記憶手段のバックラッシュに関する情報を与え
て前記第２の制御を行なうことにより、レンズの反転駆
動の際の生じるバックラッシュを電気的に補正すること
ができ、ズーム中のボケの改善を図ることができる。従
って複雑なレンズ移動機構を用いることがないので、製
造時の調整工程を簡略化することができるとともに、小
型軽量な光学機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する本実施例のレンズ位置制御装置
のブロック図。

【図２】本発明の動作を示す説明図。

【図３】本発明の実施例を示すフローチャート。

【図４】本発明の実施例を示すフローチャート。

【図５】本発明の実施例を示すフローチャート。

【図６】リアーフォーカスズームレンズの一形態を示す
図。

【図７】リアーフォーカスズームレンズの一形態を示す
図。

【図８】リアーフォーカスズームレンズの一形態を示す
図。

【図９】リアーフォーカスズームレンズの一形態を示す
図。

【図１０】フォーカスレンズの移動軌跡を示す図。

【図１１】フォーカスレンズの移動軌跡を示す図。

【図１２】映像信号により合焦状態を検出するための説
明図。

【図１３】ＡＦ装置によって合焦レンズを移動させる状
態を示す説明図。

【図１４】合焦レンズの領域分割例を示す説明図。

【符号の説明】

２ 変倍用レンズ群 ４Ｂ 合焦レンズ ２１ 撮像素子 ４０ リセットスイッチ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｂ 7/36 Ｇ０２Ｂ 7/04 Ｄ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変倍作用を行なうための変倍レンズと、
   該変倍レンズより像面側に設けられ該変倍レンズの変倍
   動作に対して合焦状態を維持するとともに焦点調節を行
   なうための合焦レンズとを有するレンズ光学系と、 該変倍レンズを移動させる第１の移動手段と、 該合焦レンズを移動させる第２の移動手段と、前記変倍レンズの移動を検知する回路と、 前記レンズ光学系により結像される光学像を撮像する撮
   像素子と、 該撮像素子の出力から合焦状態を検知するフォーカス回
   路と、 前記変倍レンズのレンズ位置情報に基づいて合焦状態を
   維持するよう前記合焦レンズの移動すべき移動情報を記
   憶した移動情報記憶手段と、前記フォーカス回路からの出力により前記合焦レンズの
   移動を制御する第１の制御と、前記移動情報記憶手段の
   前記移動情報に基づいて前記変倍レンズの移動に伴って
   合焦状態を維持するよう前記合焦レンズの移動を制御す
   る第２の制御とを行なうCPU回路と を有する光学機器に
   おいて、 前記第２の移動手段のバックラッシュに関する情報を記
   憶する記憶手段と、前記第２の移動手段により移動され
   る前記合焦レンズの移動方向が反転したか否かを検出す
   る反転検出手段とを有し、前記CPU回路は、 前記移動を検知する回路からの出力が前記変倍レンズの
   非移動状態を示しているときは、前記第１の制御を行
   い、 前記移動を検知する回路からの出力が前記変倍レンズの
   移動状態を示し、かつ前記反転検出手段により前記合焦
   レンズの移動方向が反転したことを検出したときは、前
   記記憶手段のバックラッシュに関する情報を与えて前記
   第２の制御を行なう ことを特徴とする光学機器。