JP3581376B2

JP3581376B2 - ズームレンズシステム、あるいは光学機器

Info

Publication number: JP3581376B2
Application number: JP01485893A
Authority: JP
Inventors: 茂大島; 泰裕和泉; 尚釜井; 義治中村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JPH06230279A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、有効撮像面のアスペクト比が１６：９と４：３に切り換え可能なテレビジョンカメラに使用されるズームレンズに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来の一般的なテレビカメラの有効撮像面は、そのアスペクト比が４：３であった。しかし、次世代放送方式として画面のアスペクト比が１６：９のＥＤＴＶ（ＥｎｈａｎｃｅｄＤｉｆｉｎｉｔｉｏｎＴＶ）方式が実用化されつつある。このため、両方式に対応するために、カメラとしても１６：９と４：３のアスペクト比を切り換えできることが望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
撮像管を使用したカメラでは電子ビームの偏向面積を電気的に切り換えることにより、画面対角長を保ったまま、縦横比を変えることが容易にできる。しかし、ＣＣＤ素子等の固体撮像素子でこれをおこなうためには、以下のようにしなければならない。
【０００４】
第１の場合として、撮像面の本来のアスペクト比が１６：９のＣＣＤ素子を使用しているカメラに対しては、１６：９画面の全面積を使用することは言うまでもないが、一方このサイズの撮像素子の一部の領域であって４：３画面を撮影するときには、撮像面の左右を使用せず中央部の４：３の面積のみを使用する。（図２（Ａ））
あるいは、第２の場合で第１の場合とは逆に撮像面の本来のアスペクト比が４：３の撮像素子のカメラに対して、その一部の領域である１６：９画面を撮影する際には、上下の部分を使用せず中央部の１６：９の面積のみを使用する。（図２（Ｂ））
いずれの場合にも素子の撮像面を部分的に使用するときには画面の対角長が短くなるため、レンズの像を有効に活用できず、対角画角が狭くなってしまったり、感度が低下してしまうという欠点を有する。
【０００５】
本発明の第１の目的は、上記の欠点を解消するもので、有効撮像面のアスペクト比を切り換えが可能なテレビジョンカメラに使用されるズームレンズにおいて、切り換えに応じて、レンズのイメージサークルも変化させるようにし、対角画角の変化を防止するものである。
【０００６】
又、本発明の実施例においてはイメージサークルが大のアスペクト比の撮影モードから小のアスペクト比の撮影モードへの変換に際して変換レンズが挿入されるが、この状態でイメージサークルが大のアスペクト比の撮影モードを実行しようとすると光束周辺がけられて好ましくなくなるが、本発明ではこうしたことを防止することにあり、これを第２の目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
そして、本発明の第１の目的に対しては、第１のイメージサークルにおける第１のアスペクト比を持った第１有効撮像面と前記第１のイメージサークルより小さなイメージサークルにおける第２のアスペクト比を持った第２有効撮像面とが切換可能なカメラに使用される光学装置であって、前記第１有効撮像面に対する画角と前記第２有効撮像面に対する画角を同じとするための、前記第２の有効撮像面を使用する時に光路中に配置される光学ユニットと、前記第１の有効撮像面を撮影中に使用する時には前記光学ユニットが光路中へ配置されない様に前記光学ユニットの使用を禁止する禁止手段を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
又、第２の目的に対しては、アスペクト比が切り換え可能な撮影装置であってアスペクト比が変更されたことによる画角の変化を防止するための光学ユニットを具備し、イメージサークルが大のアスペクト比の撮影モードの状態では前記光学ユニットの使用を禁止したことを特徴としている。
【０００９】
【実施例】
図１は本発明に関するズームレンズの概略を示す図である。１は合焦レンズ群、２はレンズ群２ａ（バリエータレンズ）とレンズ群２ｂ（コンペンセータレンズ）を有する変倍レンズ群、３はリレーレンズ群で、固定のリレー前群４、変換レンズ群（５ａ、５ｂ）、固定のリレー後群６である。尚変換レンズ群５は後述するがターレットによって支持されておりズームレンズの光路中を挿脱できるようになっている。ＩはＣＣＤ（ＣｈｅｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）等の固体撮像素子で、本来のアスペクト比が（１６：９）であり、又この領域内のアスペクト比が（４：３）の部分を使用できるようになっている。
【００１０】
そして、先に説明したように第１の場合であるそもそものアスペクト比が１６：９の撮像素子を用いる際には、イメージサークル大なる変換レンズ群の前側主点から、それより前方のレンズ群による像の位置までの距離をｘ_１、変換レンズ群の主点間隔をΔＨ_１、変換レンズ群全体の焦点距離をｆ_１とし、イメージサークルの小なる変換レンズ群の前側主点から、それより前方のレンズ群による像の位置までの距離をｘ_２、変換レンズ群の主点間隔をΔＨ_２、変換レンズ群全体の焦点距離をｆ_２としたとき、
ΔＨ_１ −ｘ_１ ^２／（ｘ_１＋ｆ_１）＝ΔＨ_２ −ｘ_２ ^２／（ｘ_２＋ｆ_２）…（１）
１．１６＜（１＋ｘ_２／ｆ_２）／（１＋ｘ_１／ｆ_１）＜１．２８…（２）
なる条件式を満足するものとし、第２の場合であるアスペクト比が４：３の素子を用いる場合には第１の場合と同様に記号を定義したとき、条件式（１）を満足すると同時に、
１．０４＜（１＋ｘ_２／ｆ_２）／（１＋ｘ_１／ｆ_１）＜１．１４…（３）
を満足するものである。
【００１１】
ただし変換レンズ群を着脱する場合には、何もない空間での主点位置はその空間内の任意の点（たとえば空間の中央）とし、主点間隔ΔＨをゼロ、焦点距離を無限大とすればよい。
【００１２】
尚条件式（１）は、変換レンズ群の切り換え時にも結像面を一定位置に保つための条件であり、（２）（３）式は変換レンズ群を切り換えたときのイメージサークルの大きさの比を一定範囲に抑えるための条件である。（２）式は中心値１．２２に対し±５％の範囲、（３）式は中心値１．０９に対し±５％の範囲を設定している。いずれの場合も下限を越えるとイメージサークルの変化が小さすぎて本発明の目的である画角不変という効果を得ることができない。上限を越えると、イメージサークルが小さくなりすぎるため、画面の隅にケラレが生ずるので好ましくない。
【００１３】
以下に、本発明の実施例を、本来のアスペクト比が１６：９のＣＣＤの撮像素子を使用したカメラに対して一部の４：３の領域にも切り換え可能な場合について説明する。
【００１４】
後述の実施例は撮像面の本来のアスペクト比が１６：９で対角長１１ｍｍのカメラに使用する場合のレンズ構成である。変換レンズ群５ａはｒ２５面からｒ２７面である。ＦナンバーはＦ２でワイド端での画角は５２．４度、テレ端での画角は３．７６度である。レンズ断面図を図３に、ワイド端およびテレ端での収差図を図４（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００１５】
この状態からカメラのアスペクト比を４：３に切り換えた時には、数値実施例１−（２）に示すようにレンズ群５ａに変えて変換レンズ群５ｂを入れ換える。これにより焦点距離が０．８２４倍となってイメージ対角長が９ｍｍとなり、画角が維持される。Ｆナンバーはイメージ対角長に比例してＦ１．６となる。したがって、カメラを含めた感度を維持できることとなる。このときのレンズ断面図を図３（Ｂ）（リレーレンズ部のみを示す）に、ワイド端およびテレ端での収差図を図５（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００１６】
この実施例が条件式（１）（２）を満足していることは明らかであり、目的とする効果が得ることができた。
【００１７】
次に、４：３の撮像素子を用いて１６：９に切り換える場合の数値例を示す。数値実施例１−１を、前数値例と同様に、撮像面のアスペクト比が４：３で対角長１１ｍｍのカメラに使用する場合のレンズ構成とする。
【００１８】
本数値例では、カメラのアスペクト比を１６：９に切り換えたときには、図３の第５、第６群の空間に、光学系５ｄを挿入してイメージサークルを変化させる方法をとっている。数値実施例２に、光学系５ｄを挿入した場合のレンズ構成を示す。これにより、焦点距離が０．９１８倍となってイメージ対角長が１０．１ｍｍとなり画角が維持される。ＦナンバーはＦ１．８５となる。
【００１９】
このときのレンズ断面図を図７に、ワイド端およびテレ端での収差図を図７（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００２０】
【外１】

【００２１】
【外２】

【００２２】
【外３】

【００２３】
次に変換レンズの切り換え機構とその電気回路系について述べる。本発明において特徴的なことは
（ａ）レンズ本体側に１６：９／４：３モード切換用スイッチを有し、モード選択に連動して選択された現モードを表示する。
【００２４】
（ｂ）レンズ内ターレット上に３種の変換レンズ群〔（１）（１６：９モード時の１倍）及び（４：３モード時の１．２倍）のためのレンズ５ａ〕〔（２）（１６：９モード時の２倍）及び（４：３モード時の２．４倍）のためのレンズ５ｃ〕〔（３）（４：３モード時の１倍専用レンズ）のためのレンズ５ｂ〕を有し、（１６：９）モード時には（４：３）モード時の１倍専用光学系を選択できない（禁止する）よう構成した点にある。
【００２５】
このレンズはアスペクト比が１６：９の撮影モードに対してもより広角化を図ることに相当するが、理由はこの広いイメージサークルに対してはケラレが生じてしまうことによる。図８以後はその実施例を表す図であり、特に図８（Ｂ）は操作部側面図、図８（Ａ）は図８（Ｂ）のＡ−Ａ断面図でターレット部の側断面図を示す。図９（Ａ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、図９（Ｂ）は図８（Ａ）のＣ−Ｃ断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）の部分拡大図、図１１（Ａ）、（Ｂ）は図８（Ｂ）のＤ−Ｄ断面図、図１０（Ａ）、（Ｂ）は変換レンズ群を内蔵したターレット周辺側面の展開図である。図１２は変換レンズ群の選択を電動により行うためのリモートコントロールボックス外観図、図１３は電気系ブロック図である。
【００２６】
図８（Ｂ）に示すようにレンズ本体１１の側面には操作部及び表示用機能が集約されており、１２は１６：９／４：３モード切換用のスライドスイッチ、１３ａ、１３ｂがその選択モード表示灯、１４ａが変換レンズ群の手動（Ｍ）／電動（Ａ）切換選択用のトグルスイッチレバー、１５は変換レンズ群手動切換用のノブである。
【００２７】
図８、９に示すように、固定軸１１ａを中心に回転するターレット１７を貫通し同一円周上に等角度間隔に配置された３種の変換レンズ群５ａ、５ｂ、５ｃを切り換える機能はトグルスイッチ１４の選択により、手動（Ｍ）の場合ターレット１７に設けられたターレット歯車１７ｆとかみ合うノブ歯車１５ａに連結された手動ノブ１５を回転させて行う。
【００２８】
又電動（Ａ）の場合、コントロールボックスで選択された変換レンズ群ポジション指令信号と、レンズ内の変換レンズ群位置検出センサー１８からのポジション信号を変換レンズ群駆動回路２８に入力し、指令信号とポジション信号とが一致していない時には変換レンズ群駆動回路２８からターレット駆動モーター１９に電圧を印加しターレット駆動モーター１９に連結されたモーター歯車１９ａが、ターレット歯車１７ｆを一致するまで回転させて行う。
【００２９】
一方、選択した変換レンズ群ポジションでターレット１７を簡易的に保持する際には、固定軸１１ｂを中心に回転するレバー２０上に設けられた固定軸２０ａを中心に回転する回転体２１がターレット１７の円周側面部に等角度間隔に設けられた３ケ所のＶ字状の溝１７ａにネジリコイルバネ２２のバネ圧で落とし込まれることによって行う。手動ノブ１５またはターレット駆動モーター１９により一定以上のトルクがターレット１７に加わると回転体２１が溝１７ａより抜け出てターレット１７が回転することになる。１１ｃはネジリコイルバネ２２の一端を保持する固定ピンである。尚、図８は、（４：３）モード時の１倍レンズが選択されている状態を示す。
【００３０】
１６：９／４：３モード切り換えは、図９に示すように、本体１１に設けられた穴１１ｅを貫通するスライドスイッチ１２のレバー１２ａをスライドさせて行う。変換レンズ群のポジションの規制は、本体１１の穴１１ｅを通して貫通しスライドスイッチ１２に設けられた穴１２ｂおよびターレット１７の外周側面部に連続的に設けられた規制溝１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅと係合し、圧縮コイルバネ２４により溝１７ｂ〜１７ｅに加圧された規制ピン２３により行われる。すなわち、図１１（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように溝１７ｂは（４：３）モード用でターレット全周に、溝１７ｃは１６：９モード用で１倍と２倍間に相当する外周のみに設けられ、両者は（１６：９）モードの１倍と２倍位置ではこの長溝に対して直角な溝１７ｄにより結ばれターレット１７は１７ｂ、１７ｃの範囲のみ回転可能となる。
【００３１】
また（４：３）モードの１倍と（１６：９）モードの１倍は、図１０（Ａ）の矢印の方向にその溝底が浅くなる斜めの溝１７ｅでも結ばれている。ここで（４：３）モードの１倍の状態から（１６：９）モードに切り換える場合、図１１（Ｂ）及び図１１（Ｂ）に示すようにピン２３は、溝１７ｂより１７ｅに入り圧縮コイルバネ２４を縮めながら溝１７ｅの側壁を加圧し、その分力が図１０（Ａ）に示す矢印方向にターレット１７を回転させやがて１６：９モードの１倍点に達し溝１７ｃに落ち込み、溝１７ｃから溝１７ｅへの進入を阻止している。モード切換時のスライドスイッチ１２の保持は、図９（Ｃ）に示すように、レンズ本体１１に設けられた穴１１ｆと係合し圧縮コイルバネ２６により加圧された球２５がスイッチ１２に設けられた山型の形状をした２ケ所の切欠き底１２ｅのいずれかに落ち込むことにより行われる。
【００３２】
またモード表示機構は、図９（Ｂ）に示すように導体で形成されたスライドスイッチ１２が、本体１１に固定された電極２７ａと底面で常時接触し、電極端面１２ｃまたは１２ｄが表示灯１３ａ、１３ｂと結線された電極２７ｂ、２７ｃと接触することにより選択されたモードの表示灯を点灯させる。
【００３３】
次に、変換レンズ群の切り換えを電動、すなわち手動／電動切換スイッチ１４がＯＮモード時、で行うためのリモートボックスを図１２に、その時のブロック図を図＃１３に示す。３１は本体、３２はケーブル付コネクタで、レンズ本体に接続され、レンズ本体からの１６：９／４：３モード信号を受信して、選択されたモードをボックス上に表示する（図示せず）。そしてプッシュスイッチ３３を押すことにより、モード信号に応じて、リモートコントロールボックスからは、（１６：９）モードの時は１倍（１×）あるいは、２倍（２×）を選択する指令信号を、（４：３）モードの時は１倍（１×）あるいは１．２倍（１．２×）あるいは２．４倍（２．４×）を選択する指令信号をレンズ本体に送るとともに、それに応じてリモートコントロールボックス内の表示灯３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、あるいは３５ａ、３５ｂの内の１個を点灯させる。リモートコントロールボックスからレンズ本体に送られた指令信号は変換レンズ群駆動回路２８に入力され、変換レンズ群位置センサー１８からの信号と比較され、指令信号と位置センサーからの信号とが異なる時にはターレット駆動モーター１９に電圧を印加して、ターレットを回転させ、一致したところでモーターへの電圧印加を停止する。また変換レンズ群駆動回路２８にはレンズ本体に設けられたモード切換スイッチ１２からの信号が入力され、モードが不確定の時（スイッチ切り換え途中）には、ターレット駆動モーター１９に電圧を印加しないようになっている。
【００３４】
次の実施例はレンズ内には第１の実施例と同一の変換レンズ群を有するが、レンズ本体には何ら変換レンズ群選択の規制手段を設けず、リモートコントロールボックスを用いた電動切り換えのみを行うもので、当リモートコントロールボックスに１６：９／４：３モード切換用スライドスイッチ、モード表示灯、及び変換レンズ群選択用３ポジショントグルスイッチを内蔵し、当スイッチに（１６：９）モード時に（４：３）モードの１倍光学系を選択できない機構手段を設けたことを特徴とするものである。図１４は本実施例を表す図であり、図１２（Ａ）はその操作パネル外観図、図１２（Ｂ）はＥ−Ｅ断面図、図１２（Ｃ）はＦ−Ｆ断面図、図１４（Ｄ）、（Ｅ）、図１４（Ｃ）におけるＧ−Ｇ断面図である。
【００３５】
４１は本体、４２は１６：９／４：３モード切換用スライドスイッチ、４３は変換レンズ群選択用のポジショントグルスイッチであり、本体４１に設けた穴４１ａ及び４１ｂを通してそれらの切換レバー４２ａ、４３ａが突出している。４４ａ及び４４ｂはモード表示灯、４５はケーブル付きコネクターで、レンズ本体に接続され電気回路４９よりの１６：９／４：３モード指令信号及び変換レンズ群ポジション指令信号を送信する。スライドスイッチ４２の切換、保持、表示灯点灯機構は第１の実施例と同一である。
【００３６】
図１４（Ｄ）に示すようにスライドスイッチ４２は、トグルスイッチ４３側に突出するレバー４２ｅを有し、その先端部は４２ｆなる傾斜面となっており、（１６：９）モード時は、トグルスイッチレバー４３ａの切換可動面上に位置しレバー４３ａの左傾を妨げることにより（４：３）モードの１倍専用光学系への切換を防止する。
【００３７】
また図１４（Ｅ）に示すように（４：３）モード時には、レバー４２ｅはレバー４３ａの可動面外に位置しレバー４３ａの左傾が可能となる。
【００３８】
ここで（４：３）モード時の１倍選択状態から（１６：９）モードにスライドスイッチ４２を切り換えると傾斜面４２ｆがレバー４３ａを加圧して左傾状態から直立状態に起こすことによりモード切り換えと同時に強制的に１倍に変換レンズ群切換も行われる。
【００３９】
第３の実施例は、レンズ内には第１の実施例と同一の変換レンズ群光学系を有するが、レンズ本体には何ら変換レンズ群選択の規制手段を設けず、リモートコントロールボックスを用いた電動切換のみを行うもので、リモートコントロールボックスを図１５に、その時のブロック図を図１６に示す。このリモートコントロールボックスに、１６：９／４：３モード切換用スライドスイッチ、モード表示灯（図示せず）、変換レンズ群選択用プッシュスイッチおよび指令信号表示灯を内蔵し、電気的に（１６：９）モード時に（４：３）モード時の１倍光学系を選択できない手段を設けた事を特徴とする。
【００４０】
５１は本体、５６はケーブル付きコネクタで、レンズ本体に接続されている。モード切換用スライドスイッチ５２からのモード信号により選択されたモード表示灯を点灯させる。変換レンズ群選択用プッシュスイッチ５３を押すことによりモード信号に応じてリモートコントロールボックスからは、（１６：９）モードの時は１倍あるいは２倍を選択する指令信号を、（４：３）モードの時は１倍あるいは１．２倍あるいは２．４倍を選択する指令信号をレンズ本体に送るとともにリモートコントロールボックス内の表示灯５４ａ、５４ｂ、５４ｃあるいは５５ａ、５５ｂの内の１個を点灯させる。リモートコントロールボックスからレンズ本体に送られた指令信号は変換レンズ群駆動回路２８に入力され、変換レンズ群位置検出センサー１８からの信号と比較され、指令信号と位置センサーからの信号とが異なる時にはターレット駆動モーター１９に電圧を印加してターレットを回転させ一致したところで、モーターへの電圧印加を停止してターレットを停止させる。リモートコントロールボックスからの指令信号は各モードによって出力される為に、（４：３）モード時に１倍の変換レンズ群が選択されていたとしてもモード切換用スライドスイッチ５２を（１６：９）モードに切り換えることにより指令信号が（１６：９）モードに対応した１倍の指令信号に変化する為に強制的に（１６：９）モードにおける１倍の変換レンズ群が選択される。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば（１６：９）の撮像素子から（４：３）の撮像領域、あるいはその逆のアスペクト比変換に対し画角変化のない撮影レンズを提供することができた。
【００４２】
又、例えばイメージサイズが大きなアスペクト比の撮影モードが指定されている状態では、イメージサイズを小さくする変換レンズ群が入ることを禁止したことによりズームレンズの光束のケラレを防止、あるいはズームレンズの大型化を防止することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のズームレンズの原理を示す図。
【図２】撮像素子のイメージフォーマット切り換えを説明する図。
【図３】本発明に関するズームレンズのレンズ断面図。
【図４】本発明に関するズームレンズの諸収差図。
【図５】本発明に関するズームレンズの諸収差図。
【図６】本発明に関するズームレンズの断面図。
【図７】本発明に関するズームレンズの諸収差図。
【図８】本発明に関する変換レンズ群の切換機構を示す図。
【図９】図６における本発明の切換機構の所定の断面図。
【図１０】図６に示すターレットの周辺側面図。
【図１１】図６に示す操作部の断面図。
【図１２】本発明に関し、変換レンズ群切換機構のコントロールボックスを示す図。
【図１３】本発明に関する制御ブロックを示す図。
【図１４】本発明に関し、変換レンズ群の切換操作部の要部を示す図。
【図１５】本発明に関し、変換レンズ群の切換操作部を行うコントロールボックスを示す図。
【図１６】図１３のコントロールボックスにおける電気的ブロック図。
【符号の説明】
１合焦レンズ群
２変倍レンズ群
３リレーレンズ群
５（ａ、ｂ、ｃ）変換レンズ群
１３選択モード表示灯
１４手動／電動切換選択スイッチ
１７ターレット

Claims

第１のイメージサークルにおける第１のアスペクト比を持った第１有効撮像面と前記第１のイメージサークルより小さなイメージサークルにおける第２のアスペクト比を持った第２有効撮像面とが切換可能なカメラに使用される光学装置であって、前記第１有効撮像面に対する画角と前記第２有効撮像面に対する画角を同じとするための、前記第２の有効撮像面を使用する時に光路中に配置される光学ユニットと、前記第１の有効撮像面を撮影中に使用する時には前記光学ユニットが光路中へ配置されない様に前記光学ユニットの使用を禁止する禁止手段を備えることを特徴とする光学機器。
前記第１のイメージサークルに対応した撮影モードと前記小さなイメージサークルに対応した撮影モードとを切換えるためのモード切換操作部材を有し、前記禁止手段は、前記モード切換操作部材の操作によって前記第１有効撮像面に対して前記光学ユニットが光路中へ配置されない様にしたことを特徴とする請求項１の光学機器。