JP5379739B2 - レンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は、テレビレンズやビデオレンズ等の光学機器に使用される自動焦点調整機能を有するレンズ装置、及び、それを備えた撮像システムに関するものである。

従来、カメラやビデオカメラ等の撮影装置におけるオートフォーカス（ＡＦ）技術として様々な提案が成されている。例えば、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した被写体からの光束を、一対のラインセンサ上に結像させ、被写体像を光電変換して得られた一対の像信号の相対位置変位量を求める。この変位量を元に被写体のデフォーカス量を算出し、撮影レンズの駆動を行う自動焦点調整方法が良く知られている。

この位相差検出によるＡＦ方式は、被写体距離からフォーカスレンズの合焦位置を求めることが出来るので、いわゆるコントラストＡＦ方式と呼ばれるＡＦ方式に比べて高速で合焦状態が得られるという特徴を有する。
特許文献１には、被写体画像のコントラストに基づいてフォーカスレンズを移動させるオートフォーカスシステムにおいて、フォーカスレンズを駆動する速度や、コントラストを検出するためのフィルタのカットオフ周波数を手動で設定できるフォーカスデマンドを備え、該フォーカスデマンドによって指示された速度でフォーカスレンズを合焦位置に駆動するオートフォーカスシステムが開示されている。

特許文献２には、焦点状態の変化量に対するフォーカスレンズの移動量が互いに異なる、フォーカスレンズの可動範囲内の２つの領域において、フォーカスレンズの駆動速度が互いに異なるように駆動させることが開示されている。被写界深度（特に前側被写界深度）は、被写体距離が無限遠側よりも至近側の方が浅い（小さい）ため、同じ速度でフォーカスレンズを駆動させたときに、ぼけ量は無限遠側ではゆっくりと至近側では早く変化し、ボケ量の変化の仕方に差が生じる。この様にボケ量の変化の仕方が、被写体距離によって変化することを防止するために、フォーカスレンズの駆動速度をフォーカス範囲に応じて２段階に変化させるものである。

特開２００５−２９２７７９号公報 特開２００９−１４５６４５号公報

一般に、合焦と判断できるデフォーカス量Ｄの大きさを焦点深度とすると、焦点深度は、ＦナンバーをＦｎｏ、許容錯乱円をδとおくと、２×Ｆｎｏ×δ、と表すことができるため、いかなる焦点距離、被写体距離でも同一の大きさとなる。しかし、実際の被写体が合焦と判断できる範囲を示す被写界深度は次式で表される。
後方被写界深度ｄ１＝δ×Ｆｎｏ×Ｌ^２／（ｆ^２−δ×Ｆｎｏ×Ｌ） （１）
前方被写界深度ｄ２＝δ×Ｆｎｏ×Ｌ^２／（ｆ^２＋δ×Ｆｎｏ×Ｌ） （２）
ここで、ｆはレンズの焦点距離、Ｌは被写体距離を表す。
上式から被写体距離Ｌが短くなるほど被写界深度は浅くなり、レンズの焦点距離ｆが長くなるほど被写界深度ｄ１、ｄ２は小さくなることになる。

図６に、被写体距離とレンズの焦点距離に対する合焦度合いを示すデフォーカス量の関係を示す。同一のフォーカスレンズ駆動量におけるデフォーカス量の変化を示し、レンズの焦点距離が短い広角側では、フォーカスレンズの駆動量の変化に対する、デフォーカス量の変化は非常に小さい。すなわち、同一のデフォーカス量ではレンズの焦点距離が短いほど合焦させるために必要なフォーカスレンズの駆動量は大きくなる。

図７は、ズーム位置が望遠側にある場合のフォーカスレンズ駆動軌跡の一例を表す。横軸は時間、縦軸はフォーカスレンズの位置を示す。図中、焦点深度Ｄおよびデフォーカス量の閾値２Ｄは、それぞれに対応するフォーカスレンズの位置を示す。以下の図３，４，８の記載においても、同様に記載する。
時刻ｔ０〜ｔ１においては、デフォーカス量が０となる方向へフォーカスレンズを高速で駆動している。フォーカスレンズの駆動中においても随時合焦状態を監視し、ある所定値のデフォーカス量（±焦点深度に対応する閾値）となった時にフォーカスレンズの駆動速度を低速に切り替える。この閾値内のデフォーカス量である時刻ｔ１〜ｔ２の間、フォーカスレンズを低速で駆動し、合焦点であるデフォーカス量０となる位置でフォーカスレンズを停止させている。このようにフォーカスレンズを駆動させることにより、高速駆動により迅速に、かつ、合焦点近傍においては低速駆動させることにより、合焦点を通り過ぎることなく高精度で合焦することができる。

次に、図７で示した望遠側でのフォーカスレンズの駆動方法を、広角側に適用した場合のフォーカスレンズ駆動軌跡の例を図８に表す。図７で示した、ズーム位置が望遠側での場合と同様に、時刻ｔ０〜ｔ１は、デフォーカス量が０となる方向へフォーカスレンズを高速駆動している。フォーカスレンズ駆動中においても随時合焦状態を監視し、ある所定値のデフォーカス量（±焦点深度に対応する閾値）となった時にフォーカスレンズの駆動速度を低速に切り替える。この閾値内のデフォーカス量である時刻ｔ１〜ｔ２の間、フォーカスレンズを低速で駆動し、合焦点であるデフォーカス量０となる位置でフォーカスレンズを停止させている。しかし、広角側においては焦点深度が深く、低速駆動となる閾値内のフォーカスレンズ位置が合焦点から大きく離れているため、低速駆動時間ｔ１からｔ２までの時間が非常に長くなる。

高速駆動から低速駆動へ移行する閾値を、デフォーカス量（焦点深度）に基づいて設定する場合においては、焦点深度に対応する被写界深度は広角側では深くなるため、広角側においては、望遠側に比べて合焦点から大きく離れた位置でフォーカスレンズは低速駆動に移行することになる。したがって、焦点深度に基づいて低速駆動への切り替え位置を決めると、図８に記載したように、広角側においては低速で駆動する時間ｔ１〜ｔ２が非常に長くなってしまい、迅速に合焦点までフォーカスレンズを移動させることができない。
本発明は、レンズの焦点距離によらず、迅速に合焦することが出来る自動焦点調整装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明のレンズ装置は、フォーカスレンズ及びズームレンズを含む撮像光学系と、該撮像光学系の合焦状態を検出する焦点検出手段と、該焦点検出手段による検出結果に基づいて導出したデフォーカス量に基づいて前記フォーカスレンズを合焦位置まで駆動するために必要な駆動量を導出し、前記フォーカスレンズの駆動を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記デフォーカス量と所定のデフォーカス量を比較し、前記デフォーカス量が前記所定のデフォーカス量以上のとき、又は、前記駆動量と所定の駆動量を比較し、前記駆動量が前記所定の駆動量以上のときには、第１の駆動速度で前記フォーカスレンズを駆動し、前記デフォーカス量と所定のデフォーカス量を比較し、前記デフォーカス量が前記所定のデフォーカス量より小さいときであり、かつ、前記駆動量と所定の駆動量を比較し、前記駆動量が前記所定の駆動量より小さいときには、第２の駆動速度で該フォーカスレンズを駆動し、該第２の駆動速度は該第１の駆動速度より遅く、前記所定の駆動量は、前記ズームレンズの広角端における、焦点深度に対応する前記フォーカスレンズの駆動量よりも小さい、ことを特徴とする。

本発明によれば、レンズの焦点距離によらず、迅速に合焦することが出来る自動焦点調整機能を有するレンズ装置を提供することが出来る。

本発明による実施例１のブロック図 実施例１のフォーカスレンズの動作を示すフローチャート 実施例１のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡 実施例１のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡 本発明による実施例２のブロック図 デフォーカス量を示す図 従来のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡 従来のフォーカスレンズの動作を示すフォーカスレンズの軌跡

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の自動焦点調整を有するレンズ装置の第１実施例であるズームレンズ装置１００の構成を示す。
ズームレンズ装置１００は、フォーカスレンズ１０１、ズームレンズ１０５、可動絞り１０９を含む撮像光学系を含む。
フォーカスレンズ１０１は、光軸方向に移動してズームレンズ装置１００の結像面の位置を変化させる。

フォーカスレンズ１０１には、フォーカスモータ１０２が接続されている。フォーカスモータ１０２はフォーカスドライバ１０３によって駆動され、フォーカスレンズ１０１を光軸方向に移動させる。フォーカスレンズ１０１の位置は、フォーカス位置検出部１０４によって検出される。
ズームレンズ１０５は、光軸方向に移動してズームレンズ１００の焦点距離を変化させる。ズームレンズ１０５には、ズームモータ１０６が接続されている。ズームモータ１０６はズームドライバ１０７によって駆動され、ズームレンズ１０５を光軸方向に移動させる。ズームレンズ１０５の位置は、ズーム位置検出部１０８によって検出される。
可動絞り１０９には、アイリスモータ１１０が接続されている。アイリスモータ１１０はアイリスドライバ１１１によって駆動され、可動絞り１０９を駆動する。可動絞り１０９の位置は、アイリス位置検出部１１２によって検出される。

分光プリズム１１３は、フォーカスレンズ１０１とズームレンズ１０５を通過した光を２つの光束に分離する。分光プリズム１１３を透過した一方の光束は、リレーレンズ１１４を通って撮像素子１１５に入射する。また、分光プリズム１１３で反射された他方の光束は、焦点検出部１１６に入射する。焦点検出部１１６は位相差検出レンズと位相差検出センサで構成され、位相差検出レンズによって分割された２つの光束により形成された一対の像（２像）を位相差センサにて光電変換する。
ズームレンズ制御部１１７は、焦点検出演算部１１９の結果を基に、フォーカスレンズ１０１を駆動し、ズームレンズ１０５、可動絞り１０９を制御する、レンズ制御部１２１を含む。

焦点検出制御部１１８は、焦点検出部１１６の位相差検出センサにおける光電変換された電荷の蓄積および必要量だけ電荷が蓄積された２像の読み出しの制御を行なう。焦点検出演算部（デフォーカス量算出手段）１１９は、焦点検出部１１６にて光電変換された一対の像信号の位相差を算出しデフォーカス量を算出する。目標位置算出部１２０は、焦点検出演算部１１９にて算出されたデフォーカス量からフォーカスレンズの目標位置を算出する。
レンズ制御部１２１は制御手段として、焦点検出演算部１１９にて算出されたデフォーカス量および目標位置算出部１２０にて算出されたフォーカスレンズの目標位置に基づいて、フォーカスレンズの駆動を制御する。レンズ制御部１２１は、目標位置算出部１２０にて算出されたフォーカスレンズの目標位置から、合焦位置までフォーカスレンズを移動するために必要な駆動量を演算する駆動量算出手段を有する。

図７，８で示したように、合焦位置まで迅速に駆動させるための、望遠側では有効な焦点深度に対応するデフォーカス量に基づく閾値の設定は、広角側においては効果的ではない。本発明においては、ズーム位置が望遠側あるいは広角側にあるかに関わらず合焦位置まで迅速に駆動するため、デフォーカス量に基づく閾値に加え、広角側のみで有効になる第２の閾値を平行して適用する。

図１の構成と図２のフローチャートを参照しながら、本発明のフォーカスレンズの駆動制御方法を説明する。
図２のステップＳ２０１では焦点検出制御部１１８からの位相差センサ蓄積開始命令により、焦点検出部１１６の位相差センサにおいて光電変換した電荷の蓄積を開始し、ステップＳ２０２へ移行する。ステップＳ２０２では焦点検出制御部１１８が焦点検出部１１６の位相差センサからの蓄積終了の合図を監視し、蓄積が終了したらステップＳ２０３へ移行する。
ステップＳ２０３では、焦点検出制御部１１８は焦点検出部１１６の位相差センサに必要量だけ電荷が蓄積された一対の像信号を読み出し、ステップＳ２０４へ移行する。ステップＳ２０４では、焦点検出演算部１１９にて焦点検出部１１６の位相差センサから読み出された一対の像信号に対して相関演算を施すことにより２像の位相差量を算出し、ステップＳ２０５へ移行する。ステップＳ２０５では、焦点検出演算部１１９にて算出された位相差量から合焦度合いを示すデフォーカス量を算出し、ステップＳ２０６へ移行する。
ステップＳ２０６では、レンズ制御部１２１が焦点検出演算部１１９にて算出されたデフォーカス量を判定し、デフォーカス量が０の時、ステップＳ２０７へ移行する。ステップＳ２０７では焦点検出演算部１１９にて算出されたデフォーカス量が０であるため合焦と判断し、レンズ制御部１２１がフォーカスレンズ１０１の駆動を停止し、ステップＳ２０１へ移行する。

ステップＳ２０６で、デフォーカス量が０でない時はステップＳ２０８へ移行する。ステップＳ２０８では焦点検出演算部１１９にて算出されたデフォーカス量がある所定の閾値Ｄと比較して、
｜デフォーカス量｜＜｜閾値Ｄ｜ （３）
を満たす場合はステップＳ２０９へ移行し、満たさない場合はステップＳ２１２へ移行する。ステップＳ２０９では焦点検出演算部１１９にて算出されたデフォーカス量を基に、目標位置算出部１２０にて目標フォーカス位置を算出し、ステップＳ２１０へ移行する。ステップＳ２１０では目標位置算出部１２０にて算出された目標フォーカス位置からレンズ制御部１２１が現在のフォーカスレンズ位置を基にフォーカスレンズの駆動量を算出し、所定の閾値Ｐと比較して、
｜目標フォーカス位置−現フォーカス位置｜＜｜閾値Ｐ｜ （４）
の関係を満たせば、ステップＳ２１１へ移行する。すなわち、フォーカスレンズを合焦位置まで駆動するために必要な駆動量（｜目標フォーカス位置−現フォーカス位置｜）が所定の駆動量より小さい場合は、ステップＳ２１１へ移行する。（４）式の関係を満たさない場合、すなわち、合焦位置までフォーカスレンズを駆動するために必要な駆動量が所定の駆動量以上の場合は、ステップＳ２１２へ移行する。ここで、必要な駆動量は、所定の周期でフォーカスレンズの位置を検出し、その検出結果を用いて算出し続けても構わないし、最初に算出した駆動量と、フォーカスレンズへの指令の積算値との差から求めても構わない。ステップＳ２１１ではレンズ制御部１２１がフォーカスレンズ１０１の駆動速度を低速駆動（高速駆動より低い速度での駆動）に切替え、ステップＳ２０１へ移行する。
ステップＳ２１２ではレンズ制御部１２１がフォーカスレンズ１０１の駆動速度を高速駆動（前述の低速駆動より高い速度での駆動）に切替え、ステップＳ２０１へ戻り、一連の動作を繰り返す。

図３は、ズーム位置が望遠側（レンズの焦点距離が長い側）のフォーカスレンズの駆動軌跡を表す。図中の縦軸の焦点深度Ｄの記載は、焦点深度Ｄに対応するフォーカスレンズの位置に示している。
時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、デフォーカス量が所定のデフォーカス量以上（ここでは±焦点深度に対応する閾値Ｄ以上）であるので、デフォーカス量が０となる方向へフォーカスレンズを高速（第１の駆動速度）で駆動する。フォーカスレンズの駆動中においても随時合焦状態を監視し、ある所定値のデフォーカス量（ここでは±焦点深度に対応する閾値Ｄ）より小さくなった時にフォーカスレンズの駆動速度を低速（第２の駆動速度）に切り替える。時刻ｔ１においてステップＳ２０８にて条件を満たし、ステップＳ２０９にて目標フォーカス位置が算出され、ステップＳ２１０へ移行する。ステップＳ２１０でも条件を満たしておりステップＳ２１１へ移行し、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、フォーカスレンズを低速駆動し、合焦点である、デフォーカス量が０となる位置で、フォーカスレンズの駆動は停止する。

図４は、ズーム位置が広角側（レンズの焦点距離が短い側）のフォーカスレンズの駆動軌跡を表す。図８での場合と同様に、時刻ｔ０〜ｔ１ではデフォーカス量が０となる方向へフォーカスレンズを高速で駆動している。なお、グラフの縦軸のスケールについては、実際には図３と図４に示した閾値２Ｐは全ズーム範囲において同じ大きさであるが、記載の便宜のために、図３に対して図４のグラフの縦軸のスケールを圧縮した様式で記載していることに留意されたい。

フォーカスレンズの駆動中においても随時合焦状態を監視し、時刻ｔ０〜ｔ１間で、ある所定値のデフォーカス量（ここでは±焦点深度に対応する閾値）よりデフォーカス量が小さくなりステップＳ２０８の条件は満たされるが、合焦位置までフォーカスレンズを移動するために必要な駆動量は、閾値Ｐである所定の駆動量以上であるためステップＳ２１０の条件は満たされず、ステップＳ２１０からＳ２１２に進み、フォーカスレンズを高速駆動する。時刻ｔ１において、ステップＳ２１０の条件が満たされ、時刻ｔ１〜ｔ２の間、フォーカスレンズを低速で駆動し、合焦点であるデフォーカス量０となるフォーカスレンズ位置で、フォーカスレンズの駆動は停止する。

ここで、ステップＳ２１０での判断に使用される閾値Ｄ，閾値Ｐについて説明する。
閾値Ｄは、焦点深度に対応するデフォーカス量に基づいて決められる。本実施例においては、上記したように、合焦位置±焦点深度に対応するデフォーカス量を閾値とした。前述したように、焦点深度は焦点距離に依らず一定であるが、焦点深度に対応する被写界深度は、（１）及び（２）式で示したように焦点距離ｆの関数であるため、閾値Ｄに対応するフォーカスレンズの駆動量は、望遠側における駆動量よりも広角側における駆動量の方が大きい。
閾値Ｐは、フォーカスレンズの駆動量に対応する量であり、広角端において、焦点深度に対応するフォーカスレンズの駆動量Ｐ_Wideに基づいて決められる量である。例えば、
Ｐ＝Ｐ_Wide×ｎ （ｎ：０＜ｎ＜１である定数） （５）
のように設定することができる。この閾値Ｐについては、前側被写界深度、後側被写界深度を考慮し、無限遠側から合焦させる場合の閾値Ｐ_Farと、至近側から合焦させる場合に対する閾値Ｐ_Nearと、して区別して使用してもよい。図３，４中には、合焦位置に対し両側（広角側及び望遠側）の閾値Ｐを含んだ２×Ｐを範囲として記載している。この様に設定した閾値Ｐを、図２に示したフローチャートに従って全ズーム範囲において適用する。

閾値Ｐを小さく設定すると、広角側においても、広い被写界深度内の合焦位置近傍まで高速駆動され、フォーカスレンズを合焦位置まで迅速に到達させることが可能である。しかし、位相差検出方式の焦点検出方法においては、ラインセンサ上に結像する２像の間隔が望遠側に比べて広角側では狭いため、広角側におけるデフォーカス量検出の検出精度（分解能）は原理的に低く、検出されるデフォーカス量は望遠側に比較して安定しない。そのため、（５）式の定数ｎを小さく設定し、高速駆動する範囲を合焦位置のごく近傍までの範囲に設定すると、焦点検出結果である合焦位置が安定せずに常時変化するため、フォーカスレンズはそれに伴って高速駆動でその変化に敏感に追従し続けることになり、好ましくない。また、安定せずに微小範囲で変動する不安定なデフォーカス量に基づいて求められた合焦位置に、迅速に到達させることを目標とすることにはあまり意味がない。したがって、焦点検出結果である合焦位置がある微小範囲で変化し続けても、低速駆動によって合焦位置の不安定性を吸収しながら追従し、高速駆動で敏感に追従し続けることがないような、閾値Ｐを設定することが好ましい。閾値Ｐ（所定の駆動量）は、ズームレンズの広角端における、焦点深度に対応するフォーカスレンズの駆動量よりも小さい値に設定する。（５）式の定数ｎとして、0.8＜ｎ＜0.1、好ましくは、0.5＜ｎ＜0.15、さらに好ましくは、0.3＜ｎ＜0.2、の範囲に設定することにより、本発明の効果を得ることができる。

望遠側においては焦点距離が長いため、（１）及び（２）式で示される被写界深度で設定される閾値Ｄは、閾値Ｐより小さく、フォーカスレンズは閾値Ｄまで高速駆動し、合焦位置まで迅速に移動させることが可能である。
以上のように、本実施例によれば、レンズの焦点距離に関わらず常に迅速に合焦動作が可能となる。

図５は本発明の第２実施例の構成図である。図１に示す第1実施例と同様の構成については説明を省略する。
第２実施例における構成は、速度制御手段１２２を有する点が第１実施例の構成とは異なる。速度制御手段１２２は、レンズ制御手段１２１に接続され、フォーカスレンズの駆動速度及びその変化点の閾値を設定変更可能とする。

速度制御手段１２２は、フォーカスレンズの高速駆動や低速駆動での駆動速度を設定することができ、任意に設定速度を変更することが可能である。また、駆動速度の設定は、高速駆動及び低速駆動の駆動速度を両方設定することなく、高速駆動又は低速駆動の駆動速度を設定することによって、他方の駆動速度が適応的に設定されるようにしてもよい。
速度制御手段１２２には、駆動速度変化点であるデフォーカス量の閾値の設定値を変更することができる設定手段としての機能を持たせることができる。

さらに、速度制御手段１２２には、駆動速度を変更する閾値であるフォーカスポジション閾値（閾値Ｐ）の設定値を変更することができる設定手段としての機能も持たせることができる。これにより、様々な撮影シーンに応じた合焦速度を設定することを可能とする。
上記の実施例に記載のレンズ装置と、該レンズ装置に接続された撮像装置を有する撮像システムを構成することにより、カメラやビデオカメラ等に好適な撮像システムを提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１：フォーカスレンズ
１０５：ズームレンズ
１１６：焦点検出部
１１９：焦点検出演算部
１２１：レンズ制御部

Claims (6)

1. フォーカスレンズ及びズームレンズを含む撮像光学系と、
   該撮像光学系の合焦状態を検出する焦点検出手段と、
   該焦点検出手段による検出結果に基づいて導出したデフォーカス量に基づいて前記フォーカスレンズを合焦位置まで駆動するために必要な駆動量を導出し、前記フォーカスレンズの駆動を制御する制御手段と、
   を有するレンズ装置であって、
   前記制御手段は、前記デフォーカス量と所定のデフォーカス量を比較し、前記デフォーカス量が前記所定のデフォーカス量以上のとき、又は、前記駆動量と所定の駆動量を比較し、前記駆動量が前記所定の駆動量以上のときには、第１の駆動速度で前記フォーカスレンズを駆動し、前記デフォーカス量と所定のデフォーカス量を比較し、前記デフォーカス量が前記所定のデフォーカス量より小さいときであり、かつ、前記駆動量と所定の駆動量を比較し、前記駆動量が前記所定の駆動量より小さいときには、第２の駆動速度で該フォーカスレンズを駆動し、
   該第２の駆動速度は該第１の駆動速度より遅く、
   前記所定の駆動量は、前記ズームレンズの広角端における、焦点深度に対応する前記フォーカスレンズの駆動量よりも小さい、
   ことを特徴とするレンズ装置。
2. 前記所定の駆動量を任意に設定することが可能である設定手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ装置。
3. 前記所定のデフォーカス量は任意に設定することが可能である設定手段を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ装置。
4. 前記フォーカスレンズの前記第１の駆動速度は、速度制御手段によって任意に変更することが可能なことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレンズ装置。
5. 前記フォーカスレンズの前記第２の駆動速度は、速度制御手段によって任意に変更することが可能なことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレンズ装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレンズ装置と該レンズ装置に接続された撮像装置を有する撮像システム。

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