JP3814545B2 - 望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを備えた望遠カメラ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを備えた望遠カメラ装置に関し、特に、いわゆる極超望遠域における緊急報道撮影等に好適なズームレンズ位置制御装置および望遠カメラ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のテレビ用カメラ等においては、被写体の望遠撮影に高撮影倍率のズームレンズを搭載したものが使用されている。この種の一般のズームレンズは、例えば図６に示すように、物体側から順に光軸Ｘに沿って、フォーカスレンズ群１０１、バリエータレンズ群１０２、コンぺンセータレンズ群１０３およびリレーレンズ群１０４が配列され、これらのレンズ群の移動によるズーミングおよびフォーカシングの調整によって、色分解プリズム１０５の後段に配されたＣＣＤ撮像素子１０６上に所望の拡大率の像が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようにズームレンズが多群多数枚のレンズにより構成されていることから、レンズ重量が大きくなって可搬性が低下し、また、レンズ設計の労力や製造コストも大きなものとなる。
【０００４】
また、光束が多数枚のレンズ部材を透過することになるため、光透過率が大幅に低下し、被写体像が暗いものとなってしまう。
特に、テレビの報道番組等においては、現場に近づくことが難しく、極めて遠距離から撮影しなければならない場合がある。
【０００５】
例えば、夕方あるいは夜間において飛行機のハイジャック事件が発生し、その飛行機は、ターミナルビルから500ｍ以上も離れた位置に駐機されているというような場合に、照明のない操縦室に立てこもった犯人の風貌や操縦室内の様子を撮影したいという要求がある。このような場合には、目標とする被写体に容易に照準を合わせることのできるズーミング機能を有するとともに、ｆ＝5000ｍｍ程度以上の焦点距離を有する望遠レンズに設定し得る構成とする必要があり、上述した如き従来のズームレンズではそのような焦点距離のものを得ることは困難である。また、少なくとも犯人の風貌や機内の状況等を判断できる程度の明るさであることが必要であるが、多数枚のレンズを透過することにより光透過率も低下していることから被写体の像は極端に暗いものとなり、その判断が困難となってしまう。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、遠距離の被写体に対し、所望する拡大率および被写体までの距離に応じて容易にズーミングおよびフォーカシングを行なうことができ、かつ従来技術に比べレンズ重量、レンズ設計の負担および製造コストを格段に低減し得る光透過率に優れた望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを備えた望遠カメラ装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置は、多群多数枚のレンズ構成が一般的であった遠距離撮影用のズームレンズを、発想の転換により、対物レンズと拡大用レンズの簡単な構成とするとともに、撮像部材を拡大用レンズに対して光軸方向にスライドさせるズーム用ステージ、および該ズーム用ステージと、このステージの所定位置に一致するように設けられた拡大用レンズとを対物レンズに対してスライドさせるフォーカス用ステージを備え、所望する拡大率と被写体までの距離に応じて、ズーム用ステージ上の撮像部材の位置、およびフォーカス用ステージ上のズーム用ステージと拡大用レンズの位置を制御するようにしたものである。
【０００８】
すなわち、本発明の第１の望遠用ズームレンズの位置制御装置は、被写体側から順に、対物レンズと、この対物レンズの結像面側に配置され、該対物レンズにより結像される被写体像を拡大する拡大用レンズと、
該拡大用レンズにより形成される被写体像を撮像する撮像素子を備え、
該撮像素子が固定されたズーム用スライダを、光軸方向に移動させるズーム用ステージと、
該ズーム用ステージが固定され、かつ該ズーム用ステージの所定位置に前記拡大用レンズが設けられたフォーカス用スライダを、光軸方向に移動可能に保持するフォーカス用ステージと、
前記被写体像の拡大率および前記被写体までの距離に応じて、ズーミングおよびフォーカシングされる前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを設定する制御部を備え、
該制御部は、前記被写体像の所望する拡大率に関するデータおよび前記被写体までの距離に関するデータが入力されるデータ入力部と、
入力された該データに基づいて、所定の演算式を用いて前記ズーム用スライダを設定する位置データを求め、該求められた位置データを出力する演算部と、
該演算部から出力される位置データに基づいて、前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを各々スライド駆動する駆動部とを備え、
前記制御部に設置されたメモリ内に格納された前記所定の演算式を、下式（１）、（２）とすることを特徴とするものである。
【数２】
ただし、
Ｍ ：拡大率
Ｘ １ （Ｍ）：拡大率がＭのときの拡大用レンズのフォーカス用ステージ上で
の位置（原点位置を対物レンズの結像面側の焦点位置とする）
Ｘ ２ （Ｍ）：拡大率がＭのときの撮像面のズーム用ステージ上での位置（原
点位置を拡大用レンズの位置とする）
Ｓ ：対物レンズから被写体までの距離
ｆ １ ：対物レンズの焦点距離
ｆ ２ ：拡大用レンズの焦点距離
Ｘ １ OFFSET ：フォーカス用ステージの原点位置校正値
Ｘ ２ OFFSET ：ズーム用ステージの原点位置校正値
この場合において、前記式（１）、（２）を各々前記拡大率Ｍにより微分し、その微分された式に基づいて速度制御を行うように構成することも可能である。
また、本発明の第２の望遠用ズームレンズの位置制御装置は、被写体側から順に、対物レンズと、この対物レンズの結像面側に配置され、該対物レンズにより結像される被写体像を拡大する拡大用レンズと、
該拡大用レンズにより形成される被写体像を撮像する撮像素子を備え、
該撮像素子が固定されたズーム用スライダを、光軸方向に移動させるズーム用ステージと、
該ズーム用ステージが固定され、かつ該ズーム用ステージの所定位置に前記拡大用レンズが設けられたフォーカス用スライダを、光軸方向に移動可能に保持するフォーカス用ス テージと、
前記被写体像の拡大率および前記被写体までの距離に応じて、ズーミングおよびフォーカシングされる前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを設定する制御部を備え、
該制御部は、前記被写体像の所望する拡大率に関するデータおよび前記被写体までの距離に関するデータが入力されるデータ入力部と、
入力された該データに基づいて、予め定められた算出テーブルにより前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダの位置を設定する位置データを求め、該求められた位置データを出力する算出部と、
該出力された位置データに基づいて、前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを各々スライド駆動する駆動部と、
を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記拡大用レンズは、前記ズーム用ステージの所定位置に固定するように構成されていてもよいし、前記フォーカス用スライダに直接設けるように構成されていてもよい。
【００１０】
また、本発明の望遠カメラ装置は、上述した望遠用ズームレンズの位置制御装置の少なくとも一部を内蔵したカメラ本体を、パンニングおよびチルティングの各操作が可能な雲台に搭載したことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを搭載した望遠カメラ装置について図面を用いて説明する。
図２は本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置を示すものであり、図１はそのステージ部上の構成を詳細に示すものである。
【００１２】
図２に示すように、本実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置は、対物レンズ１１と、拡大用レンズ１２と、ＣＣＤ撮像素子１３よりなる光学系、ＣＣＤ撮像素子１３が固定されたズーム用スライダ１４を光軸方向にスライド可能に保持してなるズーム用ステージ１５、およびその原点位置付近に拡大用レンズ１２を取り付けたズーム用ステージ１５が固定されたフォーカス用スライダ１６を光軸方向にスライド可能に保持してなるフォーカス用ステージ１７を備えたステージ部２０を有している。
【００１３】
また、被写体までの距離Ｓおよび所望する拡大率Ｍ等の各データを入力するためのデータ入力部３０、入力されたデータに応じて、適切なズーミングおよびフォーカシングがなされるような、上記ズーム用スライダ１４およびフォーカス用スライダ１６の位置を演算し、その演算結果をデータ信号として出力するコンピュータからなる演算部４０、および演算部４０からのデータ信号に基づき、ズーム用スライダ１４およびフォーカス用スライダ１６を所定位置に各々駆動するためのサーボアンプ５１、５２を備えている。
【００１４】
さらに、ＣＣＤ撮像素子１３により撮像された被写体情報を担持した映像信号を再生するモニタ６０を備えている。
【００１５】
上述した対物レンズ１１および拡大用レンズ１２は、複数枚から構成されるものが一般的であるが、１枚で構成することも可能である。なお、各収差を軽減するためにレンズ１１、１２の少なくとも１つのレンズ面を所定の非球面とすることが可能である。さらに、上述したステージ１５、１７やスライダ１４、１６は装置の可搬性を高めるために、軽くて強度の大きい材料、例えばアルミニューム等により形成することが好ましい。
【００１６】
また、上述したズーム用ステージ１５およびフォーカス用ステージ１７には図示されない、リニアモータからなる駆動用サーボモータが設けられており、上述した２つのサーボアンプ５１、５２からの駆動電流によりこれらの駆動用サーボモータが各スライダ１４、１６を所定位置、すなわち、所望する拡大率Ｍおよび被写体までの距離Ｓに応じた所定の位置に設定するようになっている。
【００１７】
また、各ステージ１５、１７上におけるスライダ１４、１６の位置を読み取り、その読取結果を演算部４０に送出するスライダ位置読取用のリニアエンコーダ５３、５４が設けられており、リニアエンコーダ５３、５４から演算部４０に入力される、読み取られたデータに基づきフィードバック制御が行なわれ、上記各スライダ１４、１６は数μｍの精度で位置制御がなされる。
【００１８】
なお、上述した駆動用サーボモータは、高速性および高精度化を図るため、リニアモータによって構成されているが、これを回転型モータに替えることも勿論可能である。この場合には、リニアエンコーダ５３、５４に替えてロータリエンコーダを用いることが可能である。
【００１９】
さらに、上述したデータ入力部３０は、ジョイスティックやダイヤル等の操作つまみ、あるいはテンキーボード等を備えた専用のデータ入力装置であってもよいし、パソコン用の一般のキーボードとすることも勿論可能である。
【００２０】
以上に説明した如く構成された本実施形態装置によれば、遠距離に位置する被写体の像が対物レンズ１１によって、対物レンズ１１と拡大用レンズ１２との間の結像面に形成され、この結像面に形成された像が拡大用レンズ１２により、ＣＣＤ撮像素子１３の撮像面（以下、単にＣＣＤ撮像素子１３と称する）上に拡大形成される。ＣＣＤ撮像素子１３から出力された映像信号により、拡大された被写体像がモニタ６０上に映出されるとともに、この映像情報が図示されない記録媒体に記録される。
【００２１】
ところで、本発明装置の光学系部分は望遠鏡の光学系にヒントを得ている。すなわち、現行のテレビ用カメラの超望遠レンズでは、テレコンバータレンズを取り付けたとしても焦点距離ｆはたかだか2300ｍｍ程度であり、焦点距離ｆが5000ｍｍから10000ｍｍとなる、いわゆる極超望遠域での使用は困難である。また、レンズ枚数も多く構成が複雑である。そこで、本発明者は、レンズ構成の簡易な望遠鏡の光学系に着目し、望遠鏡タイプの光学系の各要素を高精度なフィードバック制御を用いて位置設定することで、極超望遠域での撮影を可能としつつ望遠鏡の課題である迅速なズーミングとフォーカシングを達成し、迅速な遠距離撮影が必要とされる緊急報道等での使用を可能とした。
【００２２】
以下、本発明装置の原理を説明する。
【００２３】
図３は、代表的な屈折型望遠鏡であるケプラー式の天体望遠鏡を用いて眼視観測した場合の様子を示すものである。すなわち、天体望遠鏡を用いた眼視観測では、焦点距離ｆ′のアイピース７２を、焦点距離ｆの対物レンズ７１の結像面（焦点面）から略ｆ′だけ離れた位置に配置する。こうすると、アイポイントでは、アイピース７２から射出された光が平行光線となる。アイポイントでは、極めて遠距離の被写体Ａ、Ｂから到達する光線の光軸に対する角度が直視の場合における該被写体Ａ、Ｂからの光線の光軸に対する角度よりも拡大しているために、それだけ拡大されて見えることになる。なお、このときの拡大率はｆ／ｆ′である。
【００２４】
なお、図３において、結像面（焦点面）にＣＣＤ撮像素子を配設した場合を直焦撮影（通常の撮影）と称している。
【００２５】
一方、図３に示す状態からアイピース７２を後方にΔだけずらして図４に示す状態とすることにより、アイピース７２から射出される、被写体Ａ、Ｂからの光線は焦点を結ぶことになる。この焦点を結んだ面（結像面）にＣＣＤ撮像素子を配置することで、拡大撮影（本発明装置における撮影）を実現できる。
【００２６】
この拡大撮影時における、直焦撮影時に対する拡大率Ｍ′はＬ／ｆ′−１となる。
ここで、アイピース７２から拡大撮影の結像面（合成焦点面）までの距離Ｌは下式（３）で表わされる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
また、Δを用いて拡大率Ｍ′を表わすと下式（４）となる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
したがって、対物レンズ７１の焦点距離をｆとすれば、図４のレンズ系全系の合成焦点距離はＭ′・ｆとなる。
【００３１】
以上の検討から、図４の系において、対物レンズ７１として焦点距離ｆ＝2000ｍｍ、Ｆ５程度（口径２５ｃｍ程度）のものを用い、Δを変化させ、拡大率Ｍ′を１／２から５まで変化させることで焦点距離を1000ｍｍ〜10000ｍｍの範囲でズーミングすることが可能となる。ただし、上記Δは上記Ｌの値が実用的な値となる範囲で変化させる。ズーミングに際しては、これらΔとＬの両者を同時に高精度で制御する必要がある。
【００３２】
以下、図２の如く構成された本実施形態装置における、レンズ設定位置を決定する演算式を導出する手法について図１を用いて説明する。
【００３３】
図１において、フォーカス用ステージ１７の原点（フォーカス用ステージ１７上の位置０）は無限遠に位置する被写体を撮影したときの対物レンズ１１の結像面（焦点面）位置に対応する。フォーカス用ステージ１７のフォーカス用スライダ１６（フォーカス用ステージ１７上の位置Ｘ１）上にはズーム用ステージ１５が固定されている。ズーム用ステージ１５の原点（ズーム用ステージ１５上の位置０）はフォーカス用スライダ１６の位置に一致している。
【００３４】
また、ズーム用ステージ１５の原点位置には拡大用レンズ１２が固定されており、ズーム用スライダ１４（ズーム用ステージ１５上の位置Ｘ２）上にはＣＣＤ撮像素子１３が固定されている。
【００３５】
ここで、フォーカス用スライダ１６をフォーカス用ステージ１７上でスライドさせ、フォーカス用スライダ１６の位置Ｘ１を変化させると、拡大用レンズ１２とＣＣＤ撮像素子１３が、その相対距離を保持した状態で互いに同一距離だけ移動する。一方、ズーム用スライダ１４をズーム用ステージ１５上でスライドさせ、ズーム用スライダ１４の位置Ｘ２を変化させると、ＣＣＤ撮像素子１３のみが移動する。
【００３６】
対物レンズ１１の焦点距離をｆ１とし、拡大用レンズ１２の焦点距離をｆ２とする。
ここで、対物レンズ１１から被写体までの距離（以下、単に被写体までの距離と称する）がＳのときに、無限遠に被写体がある場合に比べて結像面位置がｄだけ図面右方向（対物レンズ１１から離れる方向）に移動したものとする。
すなわち、対物レンズ１１から、その結像面位置（第１の結像面）までの距離ｆＳをｆ１+ｄとすると、薄肉レンズの公式より、
【００３７】
【数４】
が得られる。
【００３８】
また、拡大用レンズ１２に着目すると、上記結像面位置から拡大用レンズ１２までの距離Ｌ′はＸ１−ｄであり、拡大用レンズ１２からＣＣＤ撮像素子１３までの距離ＬはＸ２となるので、上記と同様に薄肉レンズの公式より、
【００３９】
【数５】
が得られる。
【００４０】
ここで、拡大用レンズ１２による拡大率ＭはＬ′に対するＬの比の値となるので、
【００４１】
【数６】
となる。
【００４２】
上述した式（６）、（７）より、拡大率がＭとされたときの拡大用レンズ１２からＣＣＤ撮像素子１３までの距離Ｘ２（Ｍ）は、拡大用レンズ１２の厚さを無視すれば、
【００４３】
【数７】
となる。
【００４４】
また、無限遠に位置する被写体を撮影したときの対物レンズ１１の結像面（焦点面）位置から拡大用レンズ１２までの位置Ｘ１（Ｍ）は、上述した式（５）、（７）、（８）より、
【００４５】
【数８】
となる。
【００４６】
Ｘ１（M）については、理論的な原点位置と、フォーカス用ステージ１７の実際上の機械原点位置にずれが生じていると考えられるので、このずれ量をＸ１ OFFSETで表し、上記式（９）の右辺に加えることで、下式（１０）が得られる。
【００４７】
【数９】
【００４８】
また、Ｘ２（M）についても、理論的な原点位置と、ズーム用ステージ１５の実際上の機械原点位置にずれが生じていると考えられ、このずれ量、および上記計算において考慮されていなかった拡大用レンズ１２の厚み分を合計してＸ２ OFFSETで表し、上記式（８）の右辺に加えることで、下式（１１）が得られる。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
なお、上述したＸ１ OFFSETとＸ２ OFFSETの値は、装置に応じて適宜校正される。
被写体までの距離Ｓおよび所望する拡大率Ｍに対し、上記のようにして求められた式（１０）および式（１１）を適用して演算することにより、拡大用レンズ１２の設定位置（フォーカス用スライダ１６の設定位置）およびＣＣＤ撮像素子１３の設定位置（ズーム用スライダ１４の設定位置）が決定されることになる。
【００５１】
実際には、このようにして求められた式（１０）、（１１）は、図２に示された演算部４０内のメモリ領域に記憶される。対物レンズ１１の焦点距離ｆ１および拡大用レンズ１２の焦点距離ｆ２は既知であり、初期設定段階において既に該メモリ領域に記憶されていることから、データ入力部３０から被写体までの距離Ｓおよび所望する拡大率Ｍのデータを入力することにより、これらのデータが、上記メモリ領域に格納されていた式（１０）、（１１）に代入され、演算部４０においてフォーカス用スライダ１６の設定位置（拡大用レンズ１２の設定位置）Ｘ１（Ｍ）とズーム用スライダ１４の設定位置（ＣＣＤ撮像素子１３の設定位置）Ｘ２（Ｍ）が演算される。
【００５２】
このようにして算出されたＸ１（Ｍ）の値ｘ１に応じた指示信号がサーボアンプ５２に入力され、前述したフォーカス用サーボモータが駆動され、フォーカス用スライダ１６がフォーカス用ステージ１７上の位置ｘ１に設定される。これにより拡大用レンズ１２もその位置に設定される。
【００５３】
さらに、上述したようにして算出されたＸ２（Ｍ）の値ｘ２に応じた指示信号がサーボアンプ５１に入力され、ズーム用スライダ１４がズーム用ステージ１５上の位置ｘ２に設定される。これによりＣＣＤ撮像素子１３を適切な位置に設定することができる。上記両スライダ１４、１６の設定位置は、スライダ位置読取用のリニアエンコーダ５３、５４の読取値が演算部４０にフィードバックされることで、高精度の位置制御がなされるようになっている。また、上述したような構成とすることで、一般に用いられているリニアステージを利用して、拡大用レンズ１２とＣＣＤ撮像素子１３を互いに近接した所定距離に容易に設定可能である。
【００５４】
また、所望する拡大率Ｍが予め設定してあるような場合も多く、この場合には上式（１０）、（１１）から明らかなようにＸ１（Ｍ）のデータ値のみを演算し、スライダ１６の位置のみを設定することで、良好なズーミングおよびフォーカシングの各操作が可能となり、この点において本実施形態のステージ構成は極めて優れている。
【００５５】
本実施形態のものとの比較のために、例えば、以下のようなステージ構成のものについて検討してみる。
【００５６】
すなわち、互いに独立な第１および第２のステージを設け、その原点を共に、無限遠に位置する被写体を撮影したときの対物レンズの結像面（焦点面）位置に対応させる。第１のステージのスライダ（第１のステージ上の位置ＸＳ１）上に拡大用レンズを固定し、第２のステージのスライダ（第２のステージ上の位置ＸＳ２）上にはＣＣＤ撮像素子を固定する。
【００５７】
なお、本実施形態のものと同様に、対物レンズの焦点距離をｆ１とし、拡大用レンズの焦点距離をｆ２とする。
また、被写体までの距離がＳのときに、無限遠に被写体がある場合に比べて、対物レンズの像面位置がｄだけ結像面側に移動したものとする。
【００５８】
この場合において、上述した本実施形態の場合と同様にして、位置ＸＳ１および位置ＸＳ２を算出してみると、位置ＸＳ１および位置ＸＳ２は以下のような式（１３）、（１４）で表される。
【００５９】
なお、拡大用レンズによる拡大率Ｍは、下式（１２）で表される。
【００６０】
【数１１】
【００６１】
【数１２】
【００６２】
【数１３】
【００６３】
このように、上記比較例によれば、所望する拡大率Ｍが予め設定してあり、被写体までの距離Ｓのみに応じて操作を行う場合であっても、上式（１３）、（１４）から明らかなようにＸＳ１（Ｍ）およびＸＳ２（Ｍ）の両データ値を演算し、これに基づいて第１および第２の両スライダの位置を設定しなければならず、操作が複雑となる。また、上式（１４）に示されるように演算部における演算量も多くなってしまう。
【００６４】
図５は上記実施形態に係る望遠カメラ装置を示す概略図である。
この望遠カメラ装置８０は、上述した望遠用ズームレンズの位置制御装置を搭載したカメラ本体８１と、このカメラ本体８１を旋回方向のパンおよび上下傾動方向のチルトが可能となるように支承する雲台８２と、この雲台８２を安定した姿勢に設定する三脚等の脚部８３から構成されている。
【００６５】
このように構成することで、高撮影倍率であっても望遠カメラ装置８０による遠距離の被写体撮影を安定して行うことが可能となる。
【００６６】
なお、上記雲台８２のパンニングおよびチルティングの各操作は図示されないサーボモータによって駆動可能に設けられている。また、これらのサーボモータは、前述したズーミングおよびフォーカシングの各操作と同様に、演算部４０からの指示信号に基づき、所定のサーボアンプから出力されるモータ駆動信号により制御されるようになっている。
【００６７】
また、それらのパンニングおよびチルティングの各操作が、前述したズーミング、フォーカシングの各操作と同様に、データ入力部３０におけるオペレータの操作に基づいて行えるように構成されている。このデータ入力部３０におけるパンニングおよびチルティングのオペレータによる操作は、操作の容易性を考慮して、例えば左右上下に傾動可能な棒状の操作部材であるジョイスティックにより行う。
【００６８】
なお、本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを備えた望遠カメラ装置は、上述した実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。
【００６９】
例えば、上記実施形態のものでは、光学系として屈折型の望遠鏡の光学構成を採用しているが、これに替えて反射型の望遠鏡の光学構成を採用することも可能である。この場合には、対物レンズの替わりに反射対物鏡を用いるが、その原理は上記実施形態のものと同様である。反射型の望遠鏡の光学構成を採用すれば、上述した実施形態装置の作用効果のほか、筒長距離を短くしつつ、大口径の光学系とすることが容易である。
【００７０】
また、上述したデータ入力部３０および／または演算部４０はカメラ本体８１に内蔵または付設されていてもよいし、カメラ本体８１から離れた位置に配設するようにしてもよい。データ入力部３０をカメラ本体８１から離れた位置に配設する場合には、データ入力部３０でのオペレータの操作に基づいて、前述したズーミング、フォーカシングの各動作、さらにはパンニング、チルティングの各動作が、遠隔制御されるように構成される。これにより、オペレータはさらに好環境あるいは安全な位置において被写体撮影を行うことができる。
【００７１】
また、上記実施形態装置においては、演算式を用いて各スライダ１４、１６の設定位置を求めるようにしているが、演算式に替えて、例えば、所望する拡大率Ｍ、被写体までの距離Ｓ、対物レンズの焦点距離ｆ１、拡大用レンズの焦点距離ｆ２の各データ値と、拡大用レンズ（フォーカス用スライダ）のフォーカス用ステージ上での位置Ｘ１とを対応させる第１の算出テーブル、および拡大率Ｍ、拡大用レンズの焦点距離ｆ２の各データ値と、撮像面（ズーム用スライダ）のズーム用ステージ上での位置Ｘ２とを対応させる第２の算出テーブルを用いることが可能である。なお、各算出テーブルにおける入力データと出力データの対応関係は、上記演算式を用いた場合のデータ対応関係と同様であり、ズーミングおよびフォーカシングが良好に行なわれるような対応関係とされている。
【００７２】
この場合にも、上記算出テーブルは制御部のメモリ内に格納しておき、入力された各データに基づきズーム用スライダおよびフォーカス用スライダを設定する所定位置を求めることになる。
【００７３】
また、上記実施形態装置においては、被写体までの距離Ｓのデータを、オペレータによるデータ入力部３０でのデータ入力操作によって与えるようにしているが、例えば、カメラ本体等に設けられたオートフォーカス装置により測距されたデータを自動的に取込むようにして与える構成とすることも可能である。
【００７４】
また、上記実施形態装置において、ズーミング操作中におけるフォーカシングのずれをさらに軽減するために、前述した式（１０）、（１１）を各々拡大率Ｍにより微分し、それに基づいて速度制御を行うようにすることも可能である。
さらに、本発明装置は、緊急報道時の撮影に利用される場合に限られず、その他の種々の被写体、例えば、絶滅の危機に瀕している動植物の遠隔撮影等にも適用できることはいうまでもない。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置によれば、光学系を、望遠鏡の光学系にヒントを得た、対物レンズ、拡大用レンズおよび撮像部材からなる簡単な構成とするとともに、撮像部材を拡大用レンズに対して光軸方向にスライドさせるズーム用ステージを、拡大用レンズを対物レンズに対してスライドさせるフォーカス用ステージのスライダ上に固定する、スライダ積載構成とし、さらに、被写体像の所望する拡大率および前記被写体までの距離に応じて、所望するズーミングおよびフォーカシングがなされるように前記撮像部材および前記拡大用レンズを所定位置にスライド設定するよう制御することで、極めて軽量化された光学系でありながら、迅速かつ高精度の極超望遠域の撮影を可能としている。
【００７６】
これにより、従来技術に比べ、レンズ重量のみならず、レンズ設計の負担および製造コストを格段に低減することが可能となる。また、光束が透過するレンズ部材の枚数が少ないので、光透過率に優れ、より明るい被写体像を得ることが可能である。
【００７７】
また、本発明の望遠カメラ装置は、上述した望遠用ズームレンズの位置制御装置の少なくとも一部を内蔵したカメラ本体を、パンニングおよびチルティングの各操作が可能な雲台に搭載したものであり、これにより、手ぶれ等の振動による影響を極めて受けやすい遠隔撮影においても、安定した撮影を行うことが可能となり、また、撮影方向の角度調整を極めて容易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置のステージ部の構成および作用を説明するための図
【図２】 本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置を示す概略構成図
【図３】 本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置の原理を説明するためのケプラー式望遠鏡を示す概略図
【図４】 本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置の原理を説明するためのケプラー式望遠鏡の変形例を示す概略図
【図５】 本発明の実施形態に係る望遠カメラ装置の構成を示す概略図
【図６】 従来技術に係るズームレンズのレンズ構成を示す概略図
【符号の説明】
１１、７１ 対物レンズ
１２ 拡大用レンズ
１３ ＣＣＤ撮像素子
１４ ズーム用スライダ
１５ ズーム用ステージ
１６ フォーカス用スライダ
１７ フォーカス用ステージ
２０ ステージ部
３０ データ入力部
４０ 演算部
５１、５２ サーボアンプ
６０ モニタ
７２ アイピース
８０ 望遠カメラ装置
８１ カメラ本体
８２ 雲台
８３ 脚部
１０１ フォーカスレンズ群
１０２ バリエータレンズ群
１０３ コンぺンセータレンズ群
１０４ リレーレンズ群
１０５ 色分解プリズム
１０６ ＣＣＤ撮像素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを備えた望遠カメラ装置に関し、特に、いわゆる極超望遠域における緊急報道撮影等に好適なズームレンズ位置制御装置および望遠カメラ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のテレビ用カメラ等においては、被写体の望遠撮影に高撮影倍率のズームレンズを搭載したものが使用されている。この種の一般のズームレンズは、例えば図６に示すように、物体側から順に光軸Ｘに沿って、フォーカスレンズ群１０１、バリエータレンズ群１０２、コンぺンセータレンズ群１０３およびリレーレンズ群１０４が配列され、これらのレンズ群の移動によるズーミングおよびフォーカシングの調整によって、色分解プリズム１０５の後段に配されたＣＣＤ撮像素子１０６上に所望の拡大率の像が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようにズームレンズが多群多数枚のレンズにより構成されていることから、レンズ重量が大きくなって可搬性が低下し、また、レンズ設計の労力や製造コストも大きなものとなる。
【０００４】
また、光束が多数枚のレンズ部材を透過することになるため、光透過率が大幅に低下し、被写体像が暗いものとなってしまう。
特に、テレビの報道番組等においては、現場に近づくことが難しく、極めて遠距離から撮影しなければならない場合がある。
【０００５】
例えば、夕方あるいは夜間において飛行機のハイジャック事件が発生し、その飛行機は、ターミナルビルから500ｍ以上も離れた位置に駐機されているというような場合に、照明のない操縦室に立てこもった犯人の風貌や操縦室内の様子を撮影したいという要求がある。このような場合には、目標とする被写体に容易に照準を合わせることのできるズーミング機能を有するとともに、ｆ＝5000ｍｍ程度以上の焦点距離を有する望遠レンズに設定し得る構成とする必要があり、上述した如き従来のズームレンズではそのような焦点距離のものを得ることは困難である。また、少なくとも犯人の風貌や機内の状況等を判断できる程度の明るさであることが必要であるが、多数枚のレンズを透過することにより光透過率も低下していることから被写体の像は極端に暗いものとなり、その判断が困難となってしまう。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、遠距離の被写体に対し、所望する拡大率および被写体までの距離に応じて容易にズーミングおよびフォーカシングを行なうことができ、かつ従来技術に比べレンズ重量、レンズ設計の負担および製造コストを格段に低減し得る光透過率に優れた望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを備えた望遠カメラ装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置は、多群多数枚のレンズ構成が一般的であった遠距離撮影用のズームレンズを、発想の転換により、対物レンズと拡大用レンズの簡単な構成とするとともに、撮像部材を拡大用レンズに対して光軸方向にスライドさせるズーム用ステージ、および該ズーム用ステージと、このステージの所定位置に一致するように設けられた拡大用レンズとを対物レンズに対してスライドさせるフォーカス用ステージを備え、所望する拡大率と被写体までの距離に応じて、ズーム用ステージ上の撮像部材の位置、およびフォーカス用ステージ上のズーム用ステージと拡大用レンズの位置を制御するようにしたものである。
【０００８】
すなわち、本発明の第１の望遠用ズームレンズの位置制御装置は、被写体側から順に、対物レンズと、この対物レンズの結像面側に配置され、該対物レンズにより結像される被写体像を拡大する拡大用レンズと、
該拡大用レンズにより形成される被写体像を撮像する撮像素子を備え、
該撮像素子が固定されたズーム用スライダを、光軸方向に移動させるズーム用ステージと、
該ズーム用ステージが固定され、かつ該ズーム用ステージの所定位置に前記拡大用レンズが設けられたフォーカス用スライダを、光軸方向に移動可能に保持するフォーカス用ステージと、
前記被写体像の拡大率および前記被写体までの距離に応じて、ズーミングおよびフォーカシングされる前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを設定する制御部を備え、
該制御部は、前記被写体像の所望する拡大率に関するデータおよび前記被写体までの距離に関するデータが入力されるデータ入力部と、
入力された該データに基づいて、所定の演算式を用いて前記ズーム用スライダを設定する位置データを求め、該求められた位置データを出力する演算部と、
該演算部から出力される位置データに基づいて、前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを各々スライド駆動する駆動部とを備え、
前記制御部に設置されたメモリ内に格納された前記所定の演算式を、下式（１）、（２）とすることを特徴とするものである。
【数２】
Ｍ ：拡大率
Ｘ １ （Ｍ）：拡大率がＭのときの拡大用レンズのフォーカス用ステージ上で
の位置（原点位置を対物レンズの結像面側の焦点位置とする）
Ｘ ２ （Ｍ）：拡大率がＭのときの撮像面のズーム用ステージ上での位置（原
点位置を拡大用レンズの位置とする）
Ｓ ：対物レンズから被写体までの距離
ｆ １ ：対物レンズの焦点距離
ｆ ２ ：拡大用レンズの焦点距離
Ｘ １ OFFSET ：フォーカス用ステージの原点位置校正値
Ｘ ２ OFFSET ：ズーム用ステージの原点位置校正値
この場合において、前記式（１）、（２）を各々前記拡大率Ｍにより微分し、その微分された式に基づいて速度制御を行うように構成することも可能である。
また、本発明の第２の望遠用ズームレンズの位置制御装置は、被写体側から順に、対物レンズと、この対物レンズの結像面側に配置され、該対物レンズにより結像される被写体像を拡大する拡大用レンズと、
該拡大用レンズにより形成される被写体像を撮像する撮像素子を備え、
該撮像素子が固定されたズーム用スライダを、光軸方向に移動させるズーム用ステージと、
該ズーム用ステージが固定され、かつ該ズーム用ステージの所定位置に前記拡大用レンズが設けられたフォーカス用スライダを、光軸方向に移動可能に保持するフォーカス用ス テージと、
前記被写体像の拡大率および前記被写体までの距離に応じて、ズーミングおよびフォーカシングされる前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを設定する制御部を備え、
該制御部は、前記被写体像の所望する拡大率に関するデータおよび前記被写体までの距離に関するデータが入力されるデータ入力部と、
入力された該データに基づいて、予め定められた算出テーブルにより前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダの位置を設定する位置データを求め、該求められた位置データを出力する算出部と、
該出力された位置データに基づいて、前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを各々スライド駆動する駆動部と、
を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記拡大用レンズは、前記ズーム用ステージの所定位置に固定するように構成されていてもよいし、前記フォーカス用スライダに直接設けるように構成されていてもよい。
【００１０】
また、本発明の望遠カメラ装置は、上述した望遠用ズームレンズの位置制御装置の少なくとも一部を内蔵したカメラ本体を、パンニングおよびチルティングの各操作が可能な雲台に搭載したことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを搭載した望遠カメラ装置について図面を用いて説明する。
図２は本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置を示すものであり、図１はそのステージ部上の構成を詳細に示すものである。
【００１２】
図２に示すように、本実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置は、対物レンズ１１と、拡大用レンズ１２と、ＣＣＤ撮像素子１３よりなる光学系、ＣＣＤ撮像素子１３が固定されたズーム用スライダ１４を光軸方向にスライド可能に保持してなるズーム用ステージ１５、およびその原点位置付近に拡大用レンズ１２を取り付けたズーム用ステージ１５が固定されたフォーカス用スライダ１６を光軸方向にスライド可能に保持してなるフォーカス用ステージ１７を備えたステージ部２０を有している。
【００１３】
また、被写体までの距離Ｓおよび所望する拡大率Ｍ等の各データを入力するためのデータ入力部３０、入力されたデータに応じて、適切なズーミングおよびフォーカシングがなされるような、上記ズーム用スライダ１４およびフォーカス用スライダ１６の位置を演算し、その演算結果をデータ信号として出力するコンピュータからなる演算部４０、および演算部４０からのデータ信号に基づき、ズーム用スライダ１４およびフォーカス用スライダ１６を所定位置に各々駆動するためのサーボアンプ５１、５２を備えている。
【００１４】
さらに、ＣＣＤ撮像素子１３により撮像された被写体情報を担持した映像信号を再生するモニタ６０を備えている。
【００１５】
上述した対物レンズ１１および拡大用レンズ１２は、複数枚から構成されるものが一般的であるが、１枚で構成することも可能である。なお、各収差を軽減するためにレンズ１１、１２の少なくとも１つのレンズ面を所定の非球面とすることが可能である。さらに、上述したステージ１５、１７やスライダ１４、１６は装置の可搬性を高めるために、軽くて強度の大きい材料、例えばアルミニューム等により形成することが好ましい。
【００１６】
また、上述したズーム用ステージ１５およびフォーカス用ステージ１７には図示されない、リニアモータからなる駆動用サーボモータが設けられており、上述した２つのサーボアンプ５１、５２からの駆動電流によりこれらの駆動用サーボモータが各スライダ１４、１６を所定位置、すなわち、所望する拡大率Ｍおよび被写体までの距離Ｓに応じた所定の位置に設定するようになっている。
【００１７】
また、各ステージ１５、１７上におけるスライダ１４、１６の位置を読み取り、その読取結果を演算部４０に送出するスライダ位置読取用のリニアエンコーダ５３、５４が設けられており、リニアエンコーダ５３、５４から演算部４０に入力される、読み取られたデータに基づきフィードバック制御が行なわれ、上記各スライダ１４、１６は数μｍの精度で位置制御がなされる。
【００１８】
なお、上述した駆動用サーボモータは、高速性および高精度化を図るため、リニアモータによって構成されているが、これを回転型モータに替えることも勿論可能である。この場合には、リニアエンコーダ５３、５４に替えてロータリエンコーダを用いることが可能である。
【００１９】
さらに、上述したデータ入力部３０は、ジョイスティックやダイヤル等の操作つまみ、あるいはテンキーボード等を備えた専用のデータ入力装置であってもよいし、パソコン用の一般のキーボードとすることも勿論可能である。
【００２０】
以上に説明した如く構成された本実施形態装置によれば、遠距離に位置する被写体の像が対物レンズ１１によって、対物レンズ１１と拡大用レンズ１２との間の結像面に形成され、この結像面に形成された像が拡大用レンズ１２により、ＣＣＤ撮像素子１３の撮像面（以下、単にＣＣＤ撮像素子１３と称する）上に拡大形成される。ＣＣＤ撮像素子１３から出力された映像信号により、拡大された被写体像がモニタ６０上に映出されるとともに、この映像情報が図示されない記録媒体に記録される。
【００２１】
ところで、本発明装置の光学系部分は望遠鏡の光学系にヒントを得ている。すなわち、現行のテレビ用カメラの超望遠レンズでは、テレコンバータレンズを取り付けたとしても焦点距離ｆはたかだか2300ｍｍ程度であり、焦点距離ｆが5000ｍｍから10000ｍｍとなる、いわゆる極超望遠域での使用は困難である。また、レンズ枚数も多く構成が複雑である。そこで、本発明者は、レンズ構成の簡易な望遠鏡の光学系に着目し、望遠鏡タイプの光学系の各要素を高精度なフィードバック制御を用いて位置設定することで、極超望遠域での撮影を可能としつつ望遠鏡の課題である迅速なズーミングとフォーカシングを達成し、迅速な遠距離撮影が必要とされる緊急報道等での使用を可能とした。
【００２２】
以下、本発明装置の原理を説明する。
【００２３】
図３は、代表的な屈折型望遠鏡であるケプラー式の天体望遠鏡を用いて眼視観測した場合の様子を示すものである。すなわち、天体望遠鏡を用いた眼視観測では、焦点距離ｆ′のアイピース７２を、焦点距離ｆの対物レンズ７１の結像面（焦点面）から略ｆ′だけ離れた位置に配置する。こうすると、アイポイントでは、アイピース７２から射出された光が平行光線となる。アイポイントでは、極めて遠距離の被写体Ａ、Ｂから到達する光線の光軸に対する角度が直視の場合における該被写体Ａ、Ｂからの光線の光軸に対する角度よりも拡大しているために、それだけ拡大されて見えることになる。なお、このときの拡大率はｆ／ｆ′である。
【００２４】
なお、図３において、結像面（焦点面）にＣＣＤ撮像素子を配設した場合を直焦撮影（通常の撮影）と称している。
【００２５】
一方、図３に示す状態からアイピース７２を後方にΔだけずらして図４に示す状態とすることにより、アイピース７２から射出される、被写体Ａ、Ｂからの光線は焦点を結ぶことになる。この焦点を結んだ面（結像面）にＣＣＤ撮像素子を配置することで、拡大撮影（本発明装置における撮影）を実現できる。
【００２６】
この拡大撮影時における、直焦撮影時に対する拡大率Ｍ′はＬ／ｆ′−１となる。
ここで、アイピース７２から拡大撮影の結像面（合成焦点面）までの距離Ｌは下式（３）で表わされる。
【００２７】
【数２】
また、Δを用いて拡大率Ｍ′を表わすと下式（４）となる。
【００２９】
【数３】
したがって、対物レンズ７１の焦点距離をｆとすれば、図４のレンズ系全系の合成焦点距離はＭ′・ｆとなる。
【００３１】
以上の検討から、図４の系において、対物レンズ７１として焦点距離ｆ＝2000ｍｍ、Ｆ５程度（口径２５ｃｍ程度）のものを用い、Δを変化させ、拡大率Ｍ′を１／２から５まで変化させることで焦点距離を1000ｍｍ〜10000ｍｍの範囲でズーミングすることが可能となる。ただし、上記Δは上記Ｌの値が実用的な値となる範囲で変化させる。ズーミングに際しては、これらΔとＬの両者を同時に高精度で制御する必要がある。
【００３２】
以下、図２の如く構成された本実施形態装置における、レンズ設定位置を決定する演算式を導出する手法について図１を用いて説明する。
【００３３】
図１において、フォーカス用ステージ１７の原点（フォーカス用ステージ１７上の位置０）は無限遠に位置する被写体を撮影したときの対物レンズ１１の結像面（焦点面）位置に対応する。フォーカス用ステージ１７のフォーカス用スライダ１６（フォーカス用ステージ１７上の位置Ｘ１）上にはズーム用ステージ１５が固定されている。ズーム用ステージ１５の原点（ズーム用ステージ１５上の位置０）はフォーカス用スライダ１６の位置に一致している。
【００３４】
また、ズーム用ステージ１５の原点位置には拡大用レンズ１２が固定されており、ズーム用スライダ１４（ズーム用ステージ１５上の位置Ｘ２）上にはＣＣＤ撮像素子１３が固定されている。
【００３５】
ここで、フォーカス用スライダ１６をフォーカス用ステージ１７上でスライドさせ、フォーカス用スライダ１６の位置Ｘ１を変化させると、拡大用レンズ１２とＣＣＤ撮像素子１３が、その相対距離を保持した状態で互いに同一距離だけ移動する。一方、ズーム用スライダ１４をズーム用ステージ１５上でスライドさせ、ズーム用スライダ１４の位置Ｘ２を変化させると、ＣＣＤ撮像素子１３のみが移動する。
【００３６】
対物レンズ１１の焦点距離をｆ１とし、拡大用レンズ１２の焦点距離をｆ２とする。
ここで、対物レンズ１１から被写体までの距離（以下、単に被写体までの距離と称する）がＳのときに、無限遠に被写体がある場合に比べて結像面位置がｄだけ図面右方向（対物レンズ１１から離れる方向）に移動したものとする。
すなわち、対物レンズ１１から、その結像面位置（第１の結像面）までの距離ｆＳをｆ１+ｄとすると、薄肉レンズの公式より、
【００３７】
【数４】
【００３８】
また、拡大用レンズ１２に着目すると、上記結像面位置から拡大用レンズ１２までの距離Ｌ′はＸ１−ｄであり、拡大用レンズ１２からＣＣＤ撮像素子１３までの距離ＬはＸ２となるので、上記と同様に薄肉レンズの公式より、
【００３９】
【数５】
【００４０】
ここで、拡大用レンズ１２による拡大率ＭはＬ′に対するＬの比の値となるので、
【００４１】
【数６】
【００４２】
上述した式（６）、（７）より、拡大率がＭとされたときの拡大用レンズ１２からＣＣＤ撮像素子１３までの距離Ｘ２（Ｍ）は、拡大用レンズ１２の厚さを無視すれば、
【００４３】
【数７】
【００４４】
また、無限遠に位置する被写体を撮影したときの対物レンズ１１の結像面（焦点面）位置から拡大用レンズ１２までの位置Ｘ１（Ｍ）は、上述した式（５）、（７）、（８）より、
【００４５】
【数８】
【００４６】
Ｘ１（M）については、理論的な原点位置と、フォーカス用ステージ１７の実際上の機械原点位置にずれが生じていると考えられるので、このずれ量をＸ１ OFFSETで表し、上記式（９）の右辺に加えることで、下式（１０）が得られる。
【００４７】
【数９】
また、Ｘ２（M）についても、理論的な原点位置と、ズーム用ステージ１５の実際上の機械原点位置にずれが生じていると考えられ、このずれ量、および上記計算において考慮されていなかった拡大用レンズ１２の厚み分を合計してＸ２ OFFSETで表し、上記式（８）の右辺に加えることで、下式（１１）が得られる。
【００４９】
【数１０】
なお、上述したＸ１ OFFSETとＸ２ OFFSETの値は、装置に応じて適宜校正される。
被写体までの距離Ｓおよび所望する拡大率Ｍに対し、上記のようにして求められた式（１０）および式（１１）を適用して演算することにより、拡大用レンズ１２の設定位置（フォーカス用スライダ１６の設定位置）およびＣＣＤ撮像素子１３の設定位置（ズーム用スライダ１４の設定位置）が決定されることになる。
【００５１】
実際には、このようにして求められた式（１０）、（１１）は、図２に示された演算部４０内のメモリ領域に記憶される。対物レンズ１１の焦点距離ｆ１および拡大用レンズ１２の焦点距離ｆ２は既知であり、初期設定段階において既に該メモリ領域に記憶されていることから、データ入力部３０から被写体までの距離Ｓおよび所望する拡大率Ｍのデータを入力することにより、これらのデータが、上記メモリ領域に格納されていた式（１０）、（１１）に代入され、演算部４０においてフォーカス用スライダ１６の設定位置（拡大用レンズ１２の設定位置）Ｘ１（Ｍ）とズーム用スライダ１４の設定位置（ＣＣＤ撮像素子１３の設定位置）Ｘ２（Ｍ）が演算される。
【００５２】
このようにして算出されたＸ１（Ｍ）の値ｘ１に応じた指示信号がサーボアンプ５２に入力され、前述したフォーカス用サーボモータが駆動され、フォーカス用スライダ１６がフォーカス用ステージ１７上の位置ｘ１に設定される。これにより拡大用レンズ１２もその位置に設定される。
【００５３】
さらに、上述したようにして算出されたＸ２（Ｍ）の値ｘ２に応じた指示信号がサーボアンプ５１に入力され、ズーム用スライダ１４がズーム用ステージ１５上の位置ｘ２に設定される。これによりＣＣＤ撮像素子１３を適切な位置に設定することができる。上記両スライダ１４、１６の設定位置は、スライダ位置読取用のリニアエンコーダ５３、５４の読取値が演算部４０にフィードバックされることで、高精度の位置制御がなされるようになっている。また、上述したような構成とすることで、一般に用いられているリニアステージを利用して、拡大用レンズ１２とＣＣＤ撮像素子１３を互いに近接した所定距離に容易に設定可能である。
【００５４】
また、所望する拡大率Ｍが予め設定してあるような場合も多く、この場合には上式（１０）、（１１）から明らかなようにＸ１（Ｍ）のデータ値のみを演算し、スライダ１６の位置のみを設定することで、良好なズーミングおよびフォーカシングの各操作が可能となり、この点において本実施形態のステージ構成は極めて優れている。
【００５５】
本実施形態のものとの比較のために、例えば、以下のようなステージ構成のものについて検討してみる。
【００５６】
すなわち、互いに独立な第１および第２のステージを設け、その原点を共に、無限遠に位置する被写体を撮影したときの対物レンズの結像面（焦点面）位置に対応させる。第１のステージのスライダ（第１のステージ上の位置ＸＳ１）上に拡大用レンズを固定し、第２のステージのスライダ（第２のステージ上の位置ＸＳ２）上にはＣＣＤ撮像素子を固定する。
【００５７】
なお、本実施形態のものと同様に、対物レンズの焦点距離をｆ１とし、拡大用レンズの焦点距離をｆ２とする。
また、被写体までの距離がＳのときに、無限遠に被写体がある場合に比べて、対物レンズの像面位置がｄだけ結像面側に移動したものとする。
【００５８】
この場合において、上述した本実施形態の場合と同様にして、位置ＸＳ１および位置ＸＳ２を算出してみると、位置ＸＳ１および位置ＸＳ２は以下のような式（１３）、（１４）で表される。
【００５９】
なお、拡大用レンズによる拡大率Ｍは、下式（１２）で表される。
【００６０】
【数１１】
【数１２】
【数１３】
このように、上記比較例によれば、所望する拡大率Ｍが予め設定してあり、被写体までの距離Ｓのみに応じて操作を行う場合であっても、上式（１３）、（１４）から明らかなようにＸＳ１（Ｍ）およびＸＳ２（Ｍ）の両データ値を演算し、これに基づいて第１および第２の両スライダの位置を設定しなければならず、操作が複雑となる。また、上式（１４）に示されるように演算部における演算量も多くなってしまう。
【００６４】
図５は上記実施形態に係る望遠カメラ装置を示す概略図である。
この望遠カメラ装置８０は、上述した望遠用ズームレンズの位置制御装置を搭載したカメラ本体８１と、このカメラ本体８１を旋回方向のパンおよび上下傾動方向のチルトが可能となるように支承する雲台８２と、この雲台８２を安定した姿勢に設定する三脚等の脚部８３から構成されている。
【００６５】
このように構成することで、高撮影倍率であっても望遠カメラ装置８０による遠距離の被写体撮影を安定して行うことが可能となる。
【００６６】
なお、上記雲台８２のパンニングおよびチルティングの各操作は図示されないサーボモータによって駆動可能に設けられている。また、これらのサーボモータは、前述したズーミングおよびフォーカシングの各操作と同様に、演算部４０からの指示信号に基づき、所定のサーボアンプから出力されるモータ駆動信号により制御されるようになっている。
【００６７】
また、それらのパンニングおよびチルティングの各操作が、前述したズーミング、フォーカシングの各操作と同様に、データ入力部３０におけるオペレータの操作に基づいて行えるように構成されている。このデータ入力部３０におけるパンニングおよびチルティングのオペレータによる操作は、操作の容易性を考慮して、例えば左右上下に傾動可能な棒状の操作部材であるジョイスティックにより行う。
【００６８】
なお、本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置およびこれを備えた望遠カメラ装置は、上述した実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。
【００６９】
例えば、上記実施形態のものでは、光学系として屈折型の望遠鏡の光学構成を採用しているが、これに替えて反射型の望遠鏡の光学構成を採用することも可能である。この場合には、対物レンズの替わりに反射対物鏡を用いるが、その原理は上記実施形態のものと同様である。反射型の望遠鏡の光学構成を採用すれば、上述した実施形態装置の作用効果のほか、筒長距離を短くしつつ、大口径の光学系とすることが容易である。
【００７０】
また、上述したデータ入力部３０および／または演算部４０はカメラ本体８１に内蔵または付設されていてもよいし、カメラ本体８１から離れた位置に配設するようにしてもよい。データ入力部３０をカメラ本体８１から離れた位置に配設する場合には、データ入力部３０でのオペレータの操作に基づいて、前述したズーミング、フォーカシングの各動作、さらにはパンニング、チルティングの各動作が、遠隔制御されるように構成される。これにより、オペレータはさらに好環境あるいは安全な位置において被写体撮影を行うことができる。
【００７１】
また、上記実施形態装置においては、演算式を用いて各スライダ１４、１６の設定位置を求めるようにしているが、演算式に替えて、例えば、所望する拡大率Ｍ、被写体までの距離Ｓ、対物レンズの焦点距離ｆ１、拡大用レンズの焦点距離ｆ２の各データ値と、拡大用レンズ（フォーカス用スライダ）のフォーカス用ステージ上での位置Ｘ１とを対応させる第１の算出テーブル、および拡大率Ｍ、拡大用レンズの焦点距離ｆ２の各データ値と、撮像面（ズーム用スライダ）のズーム用ステージ上での位置Ｘ２とを対応させる第２の算出テーブルを用いることが可能である。なお、各算出テーブルにおける入力データと出力データの対応関係は、上記演算式を用いた場合のデータ対応関係と同様であり、ズーミングおよびフォーカシングが良好に行なわれるような対応関係とされている。
【００７２】
この場合にも、上記算出テーブルは制御部のメモリ内に格納しておき、入力された各データに基づきズーム用スライダおよびフォーカス用スライダを設定する所定位置を求めることになる。
【００７３】
また、上記実施形態装置においては、被写体までの距離Ｓのデータを、オペレータによるデータ入力部３０でのデータ入力操作によって与えるようにしているが、例えば、カメラ本体等に設けられたオートフォーカス装置により測距されたデータを自動的に取込むようにして与える構成とすることも可能である。
【００７４】
また、上記実施形態装置において、ズーミング操作中におけるフォーカシングのずれをさらに軽減するために、前述した式（１０）、（１１）を各々拡大率Ｍにより微分し、それに基づいて速度制御を行うようにすることも可能である。
さらに、本発明装置は、緊急報道時の撮影に利用される場合に限られず、その他の種々の被写体、例えば、絶滅の危機に瀕している動植物の遠隔撮影等にも適用できることはいうまでもない。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置によれば、光学系を、望遠鏡の光学系にヒントを得た、対物レンズ、拡大用レンズおよび撮像部材からなる簡単な構成とするとともに、撮像部材を拡大用レンズに対して光軸方向にスライドさせるズーム用ステージを、拡大用レンズを対物レンズに対してスライドさせるフォーカス用ステージのスライダ上に固定する、スライダ積載構成とし、さらに、被写体像の所望する拡大率および前記被写体までの距離に応じて、所望するズーミングおよびフォーカシングがなされるように前記撮像部材および前記拡大用レンズを所定位置にスライド設定するよう制御することで、極めて軽量化された光学系でありながら、迅速かつ高精度の極超望遠域の撮影を可能としている。
【００７６】
これにより、従来技術に比べ、レンズ重量のみならず、レンズ設計の負担および製造コストを格段に低減することが可能となる。また、光束が透過するレンズ部材の枚数が少ないので、光透過率に優れ、より明るい被写体像を得ることが可能である。
【００７７】
また、本発明の望遠カメラ装置は、上述した望遠用ズームレンズの位置制御装置の少なくとも一部を内蔵したカメラ本体を、パンニングおよびチルティングの各操作が可能な雲台に搭載したものであり、これにより、手ぶれ等の振動による影響を極めて受けやすい遠隔撮影においても、安定した撮影を行うことが可能となり、また、撮影方向の角度調整を極めて容易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置のステージ部の構成および作用を説明するための図
【図２】 本発明の実施形態に係る望遠用ズームレンズの位置制御装置を示す概略構成図
【図３】 本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置の原理を説明するためのケプラー式望遠鏡を示す概略図
【図４】 本発明の望遠用ズームレンズの位置制御装置の原理を説明するためのケプラー式望遠鏡の変形例を示す概略図
【図５】 本発明の実施形態に係る望遠カメラ装置の構成を示す概略図
【図６】 従来技術に係るズームレンズのレンズ構成を示す概略図
【符号の説明】
１１、７１ 対物レンズ
１２ 拡大用レンズ
１３ ＣＣＤ撮像素子
１４ ズーム用スライダ
１５ ズーム用ステージ
１６ フォーカス用スライダ
１７ フォーカス用ステージ
２０ ステージ部
３０ データ入力部
４０ 演算部
５１、５２ サーボアンプ
６０ モニタ
７２ アイピース
８０ 望遠カメラ装置
８１ カメラ本体
８２ 雲台
８３ 脚部
１０１ フォーカスレンズ群
１０２ バリエータレンズ群
１０３ コンぺンセータレンズ群
１０４ リレーレンズ群
１０５ 色分解プリズム
１０６ ＣＣＤ撮像素子
Claims (4)
- 被写体側から順に、対物レンズと、この対物レンズの結像面側に配置され、該対物レンズにより結像される被写体像を拡大する拡大用レンズと、
該拡大用レンズにより形成される被写体像を撮像する撮像素子を備え、
該撮像素子が固定されたズーム用スライダを、光軸方向に移動させるズーム用ステージと、
該ズーム用ステージが固定され、かつ該ズーム用ステージの所定位置に前記拡大用レンズが設けられたフォーカス用スライダを、光軸方向に移動可能に保持するフォーカス用ステージと、
前記被写体像の拡大率および前記被写体までの距離に応じて、ズーミングおよびフォーカシングされる前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを設定する制御部を備え、
該制御部は、前記被写体像の所望する拡大率に関するデータおよび前記被写体までの距離に関するデータが入力されるデータ入力部と、
入力された該データに基づいて、所定の演算式を用いて前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダの位置を設定する位置データを求め、該求められた位置データを出力する演算部と、
該演算部から出力される位置データに基づいて、前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを各々スライド駆動する駆動部とを備え、
前記制御部に設置されたメモリ内に格納された前記所定の演算式を、下式（１）、（２）とすることを特徴とする望遠用ズームレンズの位置制御装置。
Ｍ ：拡大率
Ｘ １ （Ｍ）：拡大率がＭのときの拡大用レンズのフォーカス用ステージ上で
の位置（原点位置を対物レンズの結像面側の焦点位置とする）
Ｘ ２ （Ｍ）：拡大率がＭのときの撮像面のズーム用ステージ上での位置（原
点位置を拡大用レンズの位置とする）
Ｓ ：対物レンズから被写体までの距離
ｆ １ ：対物レンズの焦点距離
ｆ ２ ：拡大用レンズの焦点距離
Ｘ １ OFFSET ：フォーカス用ステージの原点位置校正値
Ｘ ２ OFFSET ：ズーム用ステージの原点位置校正値 - 前記式（１）、（２）を各々前記拡大率Ｍにより微分し、その微分された式に基づいて速度制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項１記載の望遠用ズームレンズの位置制御装置。
- 被写体側から順に、対物レンズと、この対物レンズの結像面側に配置され、該対物レンズにより結像される被写体像を拡大する拡大用レンズと、
該拡大用レンズにより形成される被写体像を撮像する撮像素子を備え、
該撮像素子が固定されたズーム用スライダを、光軸方向に移動させるズーム用ステージと、
該ズーム用ステージが固定され、かつ該ズーム用ステージの所定位置に前記拡大用レンズが設けられたフォーカス用スライダを、光軸方向に移動可能に保持するフォーカス用ス テージと、
前記被写体像の拡大率および前記被写体までの距離に応じて、ズーミングおよびフォーカシングされる前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを設定する制御部を備え、
該制御部は、前記被写体像の所望する拡大率に関するデータおよび前記被写体までの距離に関するデータが入力されるデータ入力部と、
入力された該データに基づいて、予め定められた算出テーブルにより前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダの位置を設定する位置データを求め、該求められた位置データを出力する算出部と、
該出力された位置データに基づいて、前記ズーム用スライダおよび前記フォーカス用スライダを各々スライド駆動する駆動部と、
を備えたことを特徴とする望遠用ズームレンズの位置制御装置。 - 請求項１から３のうちいずれか１項記載の望遠用ズームレンズの位置制御装置の少なくとも一部を内蔵したカメラ本体を、パンニングおよびチルティングの各操作が可能な雲台に搭載してなることを特徴とする望遠カメラ装置。
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