JP4329649B2 - 撮像装置及び光学系の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像の際にレンズ駆動系の制御を行う撮像装置及び光学系の駆動方法に関する。

近年のカメラの駆動系においてはステッピングモータをアクチュエータとしたオープンループ制御方式が広く普及している。このような制御機構においては位置決めの分解能が上がり、数μｍオーダーの位置精度が実現できるようになっている。

このカメラの駆動系においてレンズをモータで動かす場合に、操作制御部が操作部材の状態を検出し、その状態や積算量に応じてモータを制御するものが知れられている。例えば、操作部材が中点復帰するレバー/リング（特許文献１参照）のものや、操作部材が回転リングのものなどがあった（特許文献２参照）。このような操作制御部の制御により、レンズの制御位置精度が高くなり、より分解能の高い操作を可能とするためのリングが必要となっていた。

一方、リングとレンズがメカ的に繋がっていてリングの回転量に対してレンズがレンズ鏡胴内を進出又は後退するレンズ機構（主に業務用等に使用されている）では、レンズ鏡胴内におけるレンズの最大進出位置又は最大後退位置に対応してリングの回転角が制限され、かつリングの回転角とレンズ位置が１対１に対応するため、直感的に操作しやすいものであった。

ところで、操作リングと同様に、高分解能な位置検出が必要とされるものの例の一つとして既存のレンズ位置の判定方式には次のようなものがある。
第1に、ホールセンサ、ポテンショメータなどを用いて絶対位置を取得するタイプのものがある。

また、第2に、基準位置を検出するリセットセンサと基準位置からのパルスを計数するFG（周波数発生器）パルスカウンタや、リセットセンサとMR（磁気抵抗効果）センサなどを用いてリセットセンサとエンコーダを組み合わせて基準位置からの相対的位置を取得するタイプのものがある(特許文献１参照)。

また、第3に、２個のリセットセンサ、３個のリセットセンサなどの複数のリセットセンサを用いて複数の基準位置を検出するタイプのものがある。

特開昭59-216111号公報 特開昭63-177118号公報

上述したリングとレンズがメカ的に繋がっているレンズ機構をインナーフォーカスレンズに適応した場合に構成が複雑となるため、リングの可動範囲とレンズの可動範囲を一対一に対応させることができず、制御対象（インナーフォーカスレンズ）がいつ可動端に着いたのか直感的な把握が困難であった。
また、第2のレンズ位置の判定方式で示した２相パルスエンコーダ等の変位量センサにより操作リングの回転量を検出する相対位置センサでは、操作リングの回転角を制限した場合、起動直後にはリングがどの位置になっているかがわからないという問題がある。このため起動直後の状態を基準として、相対移動量を検出するため、リングは無限に回転可能な形状となっている。そのためリングの可動範囲とレンズの可動範囲を一対一に対応させることができず、制御対象（たとえばレンズ）がいつ可動端に着いたのか直感的な把握が困難であった。

また、第１のレンズ位置の判定方式で示したポテンショメータなどの絶対位置センサの出力により操作リングの回転量を検出する構成も可能であるが、一般的に絶対位置センサの分解能は低い、あるいはノイズの影響を受けやすいなどの制約があり、滑らかに、あるいは微細にレンズを動かす等の目的には不向きであった。
また、第３のレンズ位置の判定方式で示した複数のリセットセンサを用いる場合は、複数のリセットセンサの取り付け位置などの機構的な制約により分解能が低くなるという不都合があった。

本発明は、制御対象の可動端への到達の把握が容易となり、滑らかに制御対象を駆動させるように制御することができる撮像装置及び光学系の駆動方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の撮像装置は、駆動系の制御対象を駆動するモータと、モータのドライバと、操作部の位置を検出する相対位置検出手段と、位置検出手段の出力により初期化値、変位量の積算値の最大値及び最小値の設定を行うことにより、操作部の移動範囲が制限された位置に対応する出力を発生する位置発生手段と、操作部の位置発生出力に応じて、制御対象を駆動するように、ドライバを介してモータを駆動制御する制御手段とを備えたものである。

これにより、回転角(可動範囲)が物理的に制限されている操作部において、位置検出手段の初期化値、変位量の積算値の最大・最小値の設定を行うことにより、操作部の可動端と制御対象の可動端を一致させる。

ここで、位置発生手段における位置発生出力を記憶する記憶領域の値を位置検出手段からの初期化値とみなし、初期化みなし後は位置検出手段からの信号に基づき記憶領域の値を積算させる。
さらに、位置発生手段における記憶領域の値に基づき、積算値が操作部の制限された移動範囲より小さい又は大きいことを検出したとき、積算出力の最小値又は最大値を移動範囲に対応して更新する。
これにより、撮像装置のズームレンズ、フォーカスレンズ又はアイリスなどの光学系の各部材の位置を制御する。

また、本発明の光学系の駆動方法は、操作部の位置を検出する位置検出ステップと、位置検出ステップの出力により初期化値、変位量の積算値の最大値及び最小値の設定を行うことにより、操作部の移動範囲が制限された位置に対応する出力を発生する位置発生ステップと、操作部の位置発生出力に応じて、制御対象を駆動するように、ドライバを介してモータを駆動するように制御する制御ステップと、駆動系の制御対象をモータにより駆動する駆動ステップとを備えたものである。

これにより、回転角(可動範囲)が物理的に制限されている操作部において、位置検出ステップにより初期化値、変位量の積算値の最大・最小値の設定を行うことにより、操作部の可動端と制御対象の可動端を一致させる。

ここで、位置発生ステップにおける位置発生出力を記憶する記憶領域の値を位置検出ステップからの初期化値とみなし、初期化みなし後は位置検出ステップからの信号に基づき記憶領域の値を積算させる。
さらに、位置発生ステップにおける記憶領域の値に基づき、積算値が操作部の制限された移動範囲より小さい又は大きいことを検出したとき、積算出力の最小値又は最大値を移動範囲に対応して更新する。
これにより、撮像装置のズームレンズ、フォーカスレンズ又はアイリスなどの光学系の各部材の位置を制御する。

本発明により、回転角が物理的に制限された操作リングにおいて、MRエンコーダやパルスエンコーダ等の相対変化量を検出する変化量センサを用いて、直感的に操作しやすい回転角制限のあるリングを構築することが可能となる。また、ユーザーがリングを可動端まで回すことにより、制御対象の動作が不連続になることなく、リングの可動端と制御対象の可動端を一致させて、連続した制御を可能にすることができる。

従って、本発明によれば、直感的に制御量のわかりやすい回転角制限のあるリングにおいて、レンズなどの微細でなめらかなマニュアル操作が可能で、かつ無通電時にリングがまわされても、リングの可動端と制御対象の可動端を一致させて、起動時にリングの回転角が検出可能となる。

以下に、本発明の実施の形態の詳細について、適宜、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態による撮像装置の構成例を示すブロック図である。図１は、撮像装置の概略を示すものである。

図１において、撮像レンズ及びアイリスブロック１は、光学系として、対物レンズに対して、アイリス１２を露光調整可能にし、フォーカスレンズ１３をフォーカス動作可能にすると共にズームレンズ１１をズーム動作可能に収納するレンズ筺体を有している。

この撮像レンズ及びアイリスブロック１の光軸方向には撮像素子２が配置され、撮像素子２により光電変換された画像信号はサンプルホールド及びアナログディジタル変換ブロック３のサンプルホールド回路１４により所定のタイミングでサンプルホールドした後に、アナログディジタル変換回路１５によりディジタル画像データに変換される。

このディジタル画像データは、カメラ信号処理ブロック４の増幅回路１６で信号処理可能なレベルに増幅され、増幅されたディジタル画像データは、輝度信号及び色信号処理回路１７により輝度信号及び色信号処理が施されて画像出力部８又は録画部９に出力される。

また、増幅回路１６で信号処理可能なレベルに増幅されたディジタル画像データは、輝度信号検波回路１８により輝度信号レベル及び輝度信号の高周波成分が検出され、この輝度信号レベルに応じてカメラ制御ブロック５の自動露出制御部２３`により露出制御が、輝度信号の高周波成分応じて自動合焦制御部２３により合焦制御が行われる。

つまり、自動露出制御部２３`からの露出制御信号に基づいて、アイリス１２の露光調整、撮像素子２に対するタイミング発生回路７からの光電変換タイミング、増幅回路１６の増幅レベルがそれぞれ制御される。
自動合焦制御部２３からの合焦制御信号に基づいて、フォーカスレンズ１３の位置がレンズ制御部１９及びレンズ駆動部２０によって制御される。

ここで、ユーザーインターフェース制御ブロック６に対して操作リングのユーザー操作による入力があったとき、変位量検出部２１から後述する所定の相対変位量が検出される。変位量検出部２１からの相対変位量出力はリング位置発生部２２に供給され、リング位置発生部２２は、相対変位量の出力により初期化値、変位量の積算値の最大値及び最小値の設定を行うことにより、リング位置出力を発生させる。

このリング位置出力は、カメラ制御ブロック５のレンズ制御部１９に供給され、レンズ制御部１９は、リング位置出力に基づいてレンズ制御信号を生成する。このレンズ制御信号はレンズ駆動部２０に供給され、レンズ駆動部２０は、レンズ制御信号に応じてフォーカスレンズ１３、ズームレンズ１１を駆動する。

図２は、リング回転位置発生部によるレンズ駆動を示す図である。図２は操作用のリングによりレンズ駆動を行う場合のシステムを示すものである。
図２において、リング１０は回転角が０度から９０度程度の可動範囲に制限されている。
説明のため便宜的に以下リングの上端を0°、下端を90°とする。ユーザーの操作によりリング１０が回転するとリング１０に従動するギアを介して、回転式のMRエンコーダ２４の回転軸が回転する。

MRエンコーダ２４の出力は変位量検出部２１で処理される。MRエンコーダ２４の出力は例えば図３で示すような90度位相のずれた２相のsin波３１，３２の形式で出力されるため、変位量検出部２１は、各相の電圧及び位相関係に基づいて角度に対して直線部分を連続した電圧出力から移動量及び移動方向を検出する。リング１０の僅かな回転でもMRエンコーダ２４の出力の変化が大きくなるため、変位量検出部２１は、分解能の高い回転量検出が可能である。

変位量検出部２１により検出されたエンコーダ変位量をΔR、リングの変位量をΔθとすると両者の関係は適当な定数αを用いて数１式で与えられる。

（数１）
Δθ = ΔR × α
このΔθを変位量検出部２１の出力とする。

このように構成されたレンズ駆動の動作を以下に説明する。
図５は、レンズ駆動の動作を示すPAD図である。図５は、図１に示したユーザーインターフェース制御ブロック６及びカメラ制御ブロック５のマイクロコンピュータの動作を示すものである。

図５において、まず、初期化が完了したか否かを判断する（ステップＳ１）。ステップＳ１で初期化が完了していないときは、変位量検出部２１からの所定の出力値(例えば45°）を初期化値とみなして２８で示す記憶領域Aを初期化し（ステップＳ２）、２８で示す記憶領域Ｂに0°を記憶し（ステップＳ３）、２８で示す記憶領域Ｃに90°を記憶し（ステップＳ４）、初期化が完了する（ステップＳ１）。具体的には、リング位置発生部２２で、リング１０の回転角に対応する数値を発生する際に、リング位置発生部２２には２８で示す記憶領域Aが存在するので、リング１０の回転角に対応する変位量を積算した数値を記憶する。ここでは、撮像装置の電源投入後など２８で示す記憶領域Aが確定していない場合には, リング位置発生部２２の初期化みなし部２５は、変位量検出部２１で検出された所定の値（0°〜90°の内の例えば45°）を初期化値とみなしてこの回転角で２８で示す記憶領域Aを初期化し、２８で示す記憶領域Ｂに0°を記憶し、２８で示す記憶領域Ｃに90°を記憶する。

ステップＳ１で初期化が完了しているときは、２８で示す記憶領域Aで初期化値とみなしたリング位置に変位量検出部出力を加算する（ステップＳ５）。具体的には、例えば、ステップＳ２のリング位置発生部２２の初期化みなし部２５で初期化値とみなされた回転角を45°とする。このときリングの物理的な角度がどれだけかはわからないため２８で示す記憶領域Aの値と実際のリング１０の物理的角度は一致しない。ただし、２８で示す記憶領域Aの変位量は両端で90°になるように前述したαで調整されているものとする。ステップＳ１の初期化が完了すると、そこからのリング１０の回転量は変位量検出部２１の出力を用いて計算する。例えばリング１０が0.5°回されると変位量検出部２１が0.5°の回転量を出力し、リング位置発生部２２の積算値出力部２６は２８で示す記憶領域Aの45°に0.5°を加算して45.5という積算値を発生する。以後同様にリング位置発生部２２の積算値出力部２６は２８で示す記憶領域Aの値に変位量検出部２１の出力を加算することでリング位置を発生する。

前述のようにリング１０の物理的角度と２８で示す記憶領域Aの値は一致していないため、２８で示す記憶領域Aの値は0〜90°の範囲外の値をとることがある。このためリング位置発生部２２内の２８で示す記憶領域B,Cを用いて以下の処理を行う。

ステップＳ３で２８で示す記憶領域Bに上端角度、ステップＳ４で２８で示す記憶領域Cに下端角度を記憶する。初期状態では２８で示す記憶領域B=0°２８で示す記憶領域C=90°である。

もし、２８で示す記憶領域Aの値が２８で示す記憶領域Bの値より小さくなった場合は（ステップＳ６）、２８で示す記憶領域Bの値=２８で示す記憶領域Aの値とし（ステップＳ７）、２８で示す記憶領域Cの値=２８で示す記憶領域Aの値+90 で値を更新する（ステップＳ８）。具体的には、リング位置発生部２２の積算値最大・最小更新部２７は、２８で示す記憶領域Aの値が0〜90°の範囲外の0°より小さい値となったとき、0°を記憶領域Aの最小値とし、90°を記憶領域Aの最大値として更新する。

もし、２８で示す記憶領域Aの値が２８で示す記憶領域Cの値より大きくなった場合は（ステップＳ９）、２８で示す記憶領域Cの値=２８で示す記憶領域Aの値とし（ステップＳ１０）、２８で示す記憶領域Bの値=記憶領域Aの値−90 で値を更新する（ステップＳ１１）。具体的には、リング位置発生部２２の積算値最大・最小更新部２７は、２８で示す記憶領域Aの値が0〜90°の範囲外の90°より大きい値となったとき、90°を記憶領域Aの最大値とし、0°を記憶領域Aの最小値として更新する。
この処理を行うことで、リング１０が可動端まで回されたときに、制御対象（レンズ）の可動端と一致させることができる。

図６は、初期状態を示す図である。
図６の初期状態において、リング物理位置６１に対応する６２で示す記憶領域Aの値、0°〜90°の内の例えば45°を初期化値とみなして記憶領域Aを初期化し、６３で示す記憶領域Ｂに0°を記憶し、６４で示す記憶領域Ｃに90°を記憶する。このとき、レンズ６６のレンズ位置６５は、0°〜90°の内の45°に対応して、光学ワイド端０と光学テレ端１００の中間の５０に位置する。

図７は、リングの回転に合わせてレンズを移動させる状態を示す図である。
図７において、リングが回されるとリング物理位置７１に対応する値が７２で示す記憶領域Aの45°に加算されて72.9°という値が記憶される。このとき、レンズ７６のレンズ位置７５は、0°〜90°の内の72.9°に対応して、光学ワイド端０と光学テレ端１００の間の８１に位置する。

図８は、記憶領域Aが９０を超えた状態を示す図である。
図８において、リングが下端側に回されてリング物理位置８１に対応する８２で示す記憶領域Aの値が0〜90°の範囲外の90°より大きい値の105.7°となったとき、レンズ８６のレンズ位置８５は、0°〜90°の範囲外の90°より大きい値の105.7°に対応して、光学テレ端１００に位置する。このとき、90°を記憶領域Aの最大値とし、0°を記憶領域Aの最小値として更新する。
なお、図示はしないが、記憶領域Aが0より小さくなったときは、図８逆の状態となるので、図８と逆になるように更新する。

このようにして、記憶領域Aの最大値、最小値を更新を繰り返すことによって、リングの物理的角度と記憶領域Aの値が一致して、リングの可動端とレンズの可動端が一致する状態となる。
図９は、リングの可動端とレンズの可動端が一致する状態を示す図である。
図９において、リングが最下端に回されてリング物理位置９１に対応する９２で示す記憶領域Aの値が0〜90°の範囲外の90°より大きい最大値の121.3°となったとき、レンズ９６のレンズ位置９５は、0°〜90°の範囲外の90°より大きい値の121.3°に対応して、光学テレ端１００に位置する。このとき、90°を記憶領域Aの最大値とし、0°を記憶領域Aの最小値として更新する。

レンズ制御部１９はこのリング位置発生部２２の記憶領域A,B,Cの値に基づき、制御値を出力し（ステップＳ１２）、レンズ駆動部２０は対応する位置へレンズを移動させる（ステップＳ１３）。説明のため便宜的に、レンズの可動端の一方の位置を値0, もう一方の位置を値100に対応させると、レンズ位置L (0≦L≦100)は数２式で与えられる。

（数２）
L=（100−0）×(記憶領域Aの値−記憶領域Bの値)/(記憶領域Cの値−記憶領域Bの値)

また、例えばズームレンズの場合には、ワイド（Wide）端を値0、テレ（Tele）端を値100、又はテレ（Tele）端を値0、ワイド（Wide）端を値100とする。また、フォーカスレンズの場合には、ファー（Far）端を値0、ニヤー（Near）端を値100、又はニヤー（Near）端を値0、ファー（Far）端を値100 としてこれらを選択する手段を設けると、リング１０の回転方向とレンズ３０の移動方向の関係をユーザーの好みによって切り替えることが可能になる。

さらに、変位量が非連続となって、値が飛んだか否かを検出し、リング位置発生部２２は変位量検出部２１の出力を監視して、変位量が非連続となったとき、値が飛んだと判断するようにしてもよい。

このとき、変位量が非連続となったときは、初期化の処理を再度行い、リング位置発生部２２はステップＳ２の位置検出部２１で検出された回転角を初期位置として、ステップＳ１の初期化を完了する。
なお、変位量が非連続とならないときは、ステップＳ１３のレンズ駆動を継続する。

本実施の形態のリング回転位置発生部は、上述したレンズ駆動の制御に限らず、後述するアイリス駆動の制御に適用するようにしてもよい。

この場合、図２に示したレンズ制御部１９及びレンズ駆動部２０を、アイリス制御部及びアイリス駆動部に変更し、レンズ駆動モータ２９及びレンズ３０をアイリス駆動モータ及びアイリスに変更するのみで他の構成は、図２に示したものと同一でよいが、図１に示したレンズの場合の自動合焦制御部２３からレンズ制御部１９へ供給される制御信号を、アイリスの場合には自動露出制御部２３`からアイリス制御部１９`へ供給される制御信号に変更することになる。
上述したアイリス駆動の動作を説明する。

アイリス制御部は上述したリング位置発生部２２`から出力されるリング位置に基づき、制御値を出力し、アイリスレンズ駆動部は対応する開閉位置へアイリスを移動させる。説明のため便宜的に、アイリスの可動端の一方の開閉位置を値0,もう一方の開閉位置を値100に対応させると、アイリス開閉位置L(0≦L≦100)は上述した数２式で与えられる。この場合、制御対象をレンズからアイリスに置き換えただけで計算及び制御方法等は図２と全く同一である。

図１０は、MRエンコーダを示す図である。
図１０に示すMRエンコーダは、MR検出素子１０１に対して着磁された被検出体が移動したとき、MR検出素子１０１の磁気抵抗効果による抵抗値の変化により位置の変化を検出する。

また、上述したMRエンコーダに限らず、他のセンサを用いてもよい。
例えば、変形例として、MRエンコーダの代わりの変位量センサに図４に示すような２相パルス出力４１，４２が得られるパルスエンコーダも使用可能である。

以上、レンズ駆動系及びアイリス駆動系の制御の例について説明したが、これに限らず、モータで駆動される他の制御対象に適用することができることは言うまでもない。

また、回転駆動のみならず、広くリニアステッピングモータで直線状に駆動される他の操作部に適用することもできる。この場合、回転型のエンコーダの代わりに、リングの回転を直線運動に変換する機構を介すことで、直線型のエンコーダも使用可能である。

また駆動の対象はレンズ以外にも他の光学部材に適応可能である。

本実施の形態による撮像装置の構成例を示すブロック図である。 リング回転位置発生部によるレンズ駆動を示す図である。 MRエンコーダの出力を示す図である。 パルスエンコーダの出力を示す図である。 レンズ駆動の動作を示すPAD図である。 初期状態を示す図である。 リングの回転に合わせてレンズを移動させる状態を示す図である。 記憶領域Aが９０を超えた状態を示す図である。 リングの可動端とレンズの可動端が一致する状態を示す図である。 MRエンコーダ及びポテンショメータを示す図である。

符号の説明

１…撮像レンズ及びアイリスブロック、２…撮像素子、３…サンプルホールド及びアナログディジタル変換ブロック、４…カメラ信号処理ブロック、５…カメラ制御ブロック、６…ユーザーインターフェース制御ブロック、７…タイミング発生回路、８…画像出力部、９…録画部、１０…リング、１１…ズームレンズ、１２…アイリス、１３…フォーカスレンズ、１４…サンプルホールド回路、１５…アナログディジタル変換回路、１６…増幅回路、１７…輝度信号及び色信号処理回路、１８…輝度信号検波回路、１９…レンズ制御部、２０…レンズ駆動部、２１…変位量検出部、２２…リング位置発生部、２３…自動合焦制御部、２３`…自動露出制御部、２４…MRエンコーダ、２５…初期化みなし部、２６…積算値出力部、２７…積算値最大・最小更新部、２９…レンズ駆動モータ、３０…レンズ

Claims (2)

1. 光学系を介して被写体の画像を撮像して画像情報を記録媒体に記録する際に、操作部の位置に対応して光学系に対する駆動系の制御を行う撮像装置において、
   上記駆動系の制御対象を駆動するモータと、
   該モータのドライバと、
   上記操作部の位置を検出する位置検出手段と、
   上記位置検出手段の出力により初期化値、変位量の積算値の最大値及び最小値の設定を行うことにより、上記操作部の移動範囲が制限された位置に対応する出力を発生する位置発生手段と、
   上記操作部の位置発生出力に応じて、上記制御対象を駆動するように、上記ドライバを介して上記モータを駆動制御する制御手段と、を備え、
   上記位置発生手段は、
   上記位置検出手段の出力を初期化値としてみなす初期化値みなし手段と、
   上記初期化値に対して上記位置検出手段の出力を積算する積算手段と、
   上記積算手段の積算値が上記操作部の制限された移動範囲より小さい又は大きいことを検出したとき、上記積算手段の出力の最小値又は最大値を上記移動範囲に対応して更新する更新手段を有する
   撮像装置。
2. 光学系を介して被写体の画像を撮像して画像情報を記録媒体に記録する際に、操作部の位置に対応して光学系に対する駆動系の制御を行う撮像装置における光学系の駆動方法において、
   上記操作部の位置を検出する位置検出ステップと、
   上記位置検出ステップの出力により初期化値、変位量の積算値の最大値及び最小値の設定を行うことにより、上記操作部の移動範囲が制限された位置に対応する出力を発生する位置発生ステップと、
   上記操作部の位置発生出力に応じて、上記制御対象を駆動するように、ドライバを介してモータを駆動するように制御する制御ステップと、
   上記駆動系の制御対象を上記モータにより駆動する駆動ステップと、を備え、
   上記位置発生ステップは、
   上記位置検出ステップの出力を初期化値としてみなす初期化値みなしステップと、
   上記初期化値に対して上記位置検出ステップの出力を積算する積算ステップと、
   上記積算ステップの積算値が上記操作部の制限された移動範囲より小さい又は大きいことを検出したとき、上記積算ステップの出力の最小値又は最大値を上記移動範囲に対応して更新する更新ステップを含む
   光学系の駆動方法。

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