JP6598490B2

JP6598490B2 - レンズ装置およびそれを有する撮像装置

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Publication number: JP6598490B2
Application number: JP2015081284A
Authority: JP
Inventors: 昇鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: JP2016200739A; US9720206B2; US20160299315A1

Description

本発明はレンズ装置に関し、特に、放送およびシネマ用のレンズ装置及びそれを有する撮像装置に関するものである。

放送業界やシネマ業界では、バーチャルスタジオでのＣＧ合成やＡＲ(拡張現実)などの処理が多くなるとともに、解像度はハイビジョンから４Ｋや８Ｋへ、また映像画面の大型化が進み、合成精度の向上および処理速度の高速化が要求されている。レンズ装置は、バーチャル用レンズの一情報としてズームの相対位置情報を出力しているが、光学設計やメカ設計に依存したズームの位置情報を出力しているため、画界変化率が考慮されていない位置情報となっている。また、レンズの高性能化、小型化、軽量化などによりズーミング時の画界変化率が単純に変化しないレンズも出てきている。

一方、レンズの製造誤差やフランジバック調整などによりＣＧ合成などに使用されるレンズからのバーチャル出力値とレンズの光学特性との関係にレンズ固有のバラツキが存在している。

そこでＣＧ合成やＡＲなどの処理が必要な場合、あらかじめ合成処理を行うレンズ位置に対応したバーチャル出力の情報と被写体が映る大きさとの関係を測定している。
また、カメラのビューファーではズームレンズの位置情報を表示する場合があり、レンズ装置よりズームレンズの相対位置情報を取得してその値を表示している。
特許文献１は、ズームレンズの焦点距離と画界変化率の関係を変化させる技術を開示している。特許文献２は、ズーム・パンチルトの同時プリセット時のズームに対する位置指令値に対する画界変化率に応じて駆動速度を制御する技術を開示している。

特開平１１−２１１９６２号公報特開２０１３−１７５９２４号公報

しかし、ズームの相対位置情報であるバーチャル出力値を用いてＣＧ合成やＡＲ処理などを行うシステムにおいては次のような問題がある。すなわち、一定のズーム位置変化速度の指令に基づいてズームを制御すると、実際にはズームは一定速度（一定の画界変化率）で制御されないため、バーチャル出力値が一定の変化率をもって出力されない。
また、ＣＧ合成やＡＲ処理などを行う場合、あらかじめ合成処理を行うレンズ位置に対応したバーチャル出力の情報と被写体が映る大きさとの関係を測定しているため、撮影準備に時間がかかるという問題もある。

さらに、一定のズーム速度の指令でズームを駆動しているのに、カメラのビューファーに表示されるズームの相対位置情報が一定の変化率をもって表示されないという問題も発生する。従って、ズームの相対位置情報を表示するカメラ装置ではズームの相対位置情報の変化率が一定でないので、操作者が一定速度で移動させているつもりでも位置情報の表示が一定の変化率で変わらないため、ズームレンズを誤操作していると勘違いしてしまうことが起きる可能性がある。

本発明のレンズ装置は、変倍のために駆動される変倍手段と、前記変倍手段を制御する制御手段と、前記変倍手段の位置を検出する検出手段と、前記変倍手段の位置と画界の大きさとの関係を示す情報と、前記検出手段によって検出された位置と、一定の速度指令としての第１速度指令とに基づいて、前記第１速度指令に基づいて前記制御手段が前記変倍手段を制御した場合の画界変化率の変動よりも、第２速度指令に基づいて前記制御手段が前記変倍手段を制御した場合の画界変化率の変動が小さくなるように、前記第２速度指令を導出し、前記第２速度指令に基づいて前記制御手段が前記変倍手段を駆動している場合の前記変倍手段の位置の情報を、該位置に対応する前記変倍手段の速度の変化が低減するように変更し、変更後の位置の情報を出力する処理手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、出力する変倍手段の位置に関する情報に対する違和感の少なさの点で有利なレンズ装置を提供することができる。

本発明のレンズ装置の構成ブロック図レンズの画界変化率を表す図バーチャル出力を表す図画界変化率一定制御時のレンズ速度の変化を表す図画界変化率一定時のレンズ位置情報補正後のバーチャル出力を表す図画界変化率一定時のバーチャル出力補正方法を示すフローチャート画界変化率一定時の基準被写体の大きさを測定するイメージ図

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。

以下、図１を用いて、本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明のレンズ装置の構成の概略を示す構成ブロック図である。

１０１は本発明のレンズ装置で、該レンズ装置１０１によって形成された光学像を受光する撮像素子を有するカメラ装置１５０がレンズ装置１０１に接続されて、本発明の効果を得る撮像装置を構成する。レンズ装置１０１は、速度指令部１１０からの速度指令を入力したり、レンズ装置１０１の情報や制御を統括するＣＰＵａ１０３を備える。またＣＰＵａ１０３はカメラ装置１５０のＣＰＵｂ１５１と通信ライン１４０を通して情報を交換する。さらにレンズ装置１０１は変倍のための光学部材であるズームレンズ１０２を備え、ズームレンズ１０２はＣＰＵａ１０３の制御信号に基づいて制御部１０７により駆動制御される。ズームレンズ１０２には相対位置を取得する相対値エンコーダ（検出手段）１０４が接続され、ＣＰＵａ（制御手段）１０３はその出力値を読み込む。そして相対値エンコーダ１０４からの出力値を用いてＣＰＵａ１０３はフィードバック制御をする。またズームレンズ１０２はマニュアル操作部１０８によって、ＣＰＵａ１０３によるフィードバック制御ではないマニュアルによるズーミング操作が可能となっている。ＣＰＵａ（補正手段）１０３は補正値記憶部（記憶手段）１０５を備え、ズームレンズ１０２の位置情報である相対値エンコーダ１０４からの値を必要に応じて補正するために必要なデータが記憶されている。ＣＰＵａ１０３はズームレンズ１０２の位置情報を外部に出力するためのレンズ位置出力部１０６を備える。

カメラ装置１５０のＣＰＵｂ１５１は表示部１５２を備え、レンズ装置１０１のＣＰＵａ１０３に接続されている通信ライン１４０を通してズームレンズ１０２の位置情報を表示する。ここで相対値エンコーダ１０４に代えて絶対値エンコーダを用いてもよく、絶対値エンコーダを用いた場合は相対値エンコーダ１０４に必要な初期化が不要となる。

レンズ装置１０１は画界変化率一定モードスイッチ１０９を備える。ＣＰＵａ（導出手段）１０３は画界変化率一定モードスイッチ１０９がオフの場合はズームレンズ１０２を通常制御し、オンの場合は、ズームレンズ位置の変化速度が一定（速度一定）の指令値が入力された時に画界変化率一定になるようにズームレンズ１０２の駆動を制御する。

画界は撮像範囲であり、像面と共役関係にある物体距離の平面における、イメージサイズに対応する長さである。画界変化率は、ズーム操作するために駆動対象を駆動手段により一定の速度で駆動した時の、単位時間当たりの画界の変化率である。

なお本明細書内ではズームレンズ位置（ズーム位置）とは、必ずしもズームレンズの光軸方向における物理的な位置を直接示すものでなくてもよい。例えば、ズーム駆動するためにカム機構を使用する場合のカム部材の変位位置を示す値であってもよいし、円筒カムでズーム駆動する場合には円筒カムの回転角に相当する値を指すものであってもよい。すなわち、ズーミングのために構成された可動レンズ、該可動レンズを駆動するためのカム等の駆動機構で構成される変倍手段の中で、可動レンズの位置に対して一意に確定する構成要素の位置（変倍手段の位置）であれば、実施例で例示したズームレンズ位置として本発明が適用できる。すなわち、その構成要素を一定の駆動速度で駆動した時の時間に対する画界の変化を、本発明における画界変化率としてもよい。

図２を用いてレンズ装置１０１の画界変化率について説明をする。

ズーミングによる画界変化率は高性能、小型軽量に伴い複雑な変化をするようになってきている。２０１はズーミングによる画界変化率の一例を示している。画界変化率とは、ズーム位置の単位変化量に対する画界の変化を示すものとする。この例では広角端から望遠端までのズーム範囲内に画界変化率の極値が２つ存在している。このように画界変化率が複雑に変化するようなレンズでは、例えばズーム位置を一定速度で変化させるズーミングでズームレンズ１０２を駆動制御しても画界変化率が一定ではないため、モニターで見た映像が操作者の操作感と一致しないという不具合が起こる可能性がある。例えば、カメラ装置１５０からの一定速度指令やズーム速度を入力するためのシーソースイッチ（速度指令部１１０）を一定の押し込みで、一定速度で画界を変化させようと操作した場合であっても、画界変化率がズーム位置に依存して一定ではない場合には実際の画界は一定速度では変化しない。

図３を用いてレンズ装置１０１のバーチャル出力について説明をする。

レンズ装置１０１は、ＣＧなどの合成に使用するための位置情報出力のインターフェースとしてバーチャル出力を備える。バーチャル情報は図示しないフォーカスレンズやアイリスなどの位置情報のほかズームレンズ１０２の位置情報を含む。この位置情報を用いて映像システムにおいてＣＧ合成などを行う。例えばズーミングにより画界を変化させた場合、ズームレンズ１０２の位置情報が変わるため、レンズ装置１０１から取得するズームレンズの位置情報に合わせてＣＧの大きさを変えながら合成処理を行っている。

ズームレンズ１０２の位置に対してバーチャル出力は図３（ａ）の３０１の様に変化する。すなわち、ズームレンズ１０２を速度一定で広角端から望遠端まで駆動した場合、ズームレンズ１０２のバーチャル出力は広角端から望遠端まで図３（ｂ）のようにリニアに変化する。３０２はそれを示したもので、経過時間に対するズームレンズ１０２のバーチャル出力である。

ここで広角端におけるバーチャル出力値として「０」、望遠端では「６００００」とすると、バーチャル出力はズームレンズ１０２の移動とともに０〜６００００間で変化することになる。この値はレンズ装置１０１の焦点距離には依存しない値で、広角端や望遠端の焦点距離が異なるレンズ装置１０１においてもバーチャル出力値は０〜６００００の出力となる。例えばバーチャル出力値が１００００の場合、レンズ装置１０１の種類によっては、焦点距離が１００ｍｍであったり、１５０ｍｍであったりする。すなわちズームレンズ１０２の位置に対する広角端から望遠端間の相対値となる。

またバーチャル出力と同等な値（通常バーチャル出力よりも分解能が粗い値）をレンズ装置１０１のＣＰＵａ１０３はカメラ装置１５０のＣＰＵｂ１５１へ送信し、カメラ装置１５０の表示部１５２にてズームレンズ１０２の位置を表示する。カメラマン（操作者）はこのズームレンズ１０２の位置情報を見てズームレンズ１０２の位置を確認できるようになっている。この値はカメラ装置１５０の図示していないビューファインダーなどに表示される。

このバーチャル出力は、シリアル通信によるデジタル信号、広角端から望遠端までの電圧範囲を決めたアナログ信号、２相パルスによるアップダウン信号など、広角端から望遠端までの範囲において一意に決まる信号であれば形式は問わない。

図４を用いて、ＣＰＵａ１０３が画界変化率を一定に制御する場合を説明する。

ズームレンズ位置による画界変化率が図２のように変化する場合を説明する。速度指令値が一定値の場合、通常は図４中に破線４０２で示したように、経過時間に対してズームレンズ１０２の速度は一定となるように制御され、速度が変わることはない。すなわち、ズームレンズ１０２の位置に対応する量が一定の移動速度となるように制御される。円筒カム機構を使用している場合には円筒カムは一定の回転速度で回転し、経過時間に対して円筒カムの回転速度は一定で駆動制御される。これに対して速度指令が一定の時に画界変化率が一定になるようにズームレンズ１０２の駆動を制御する場合には、図４の曲線４０１に示すようにレンズ速度を制御する。すなわち画界変化が小さいところではズームレンズ１０２の速度を上げ、画界変化率が大きいところでは速度を下げるようにする。円筒カム機構を使用している場合には、画界変化率が小さいところで円筒カムの回転速度を上げ、画界変化率が大きいところで円筒カムの回転速度を下げる制御を行う。すなわち、ＣＰＵａ１０３は、変倍手段の可動範囲の全域において、一定速度でズームレンズを駆動した場合の画界変化率の変動よりも画界変化率の変動が小さい、ズームレンズを駆動させる速度指令を導出し、該速度指令を制御部１０７に出力してズームレンズを駆動する。

この画界変化が一定になるように制御するためのズームレンズ１０２の位置情報は補正値記憶部１０５に記憶されており、光学特性やズームカムの形状などの設計値によって決まる値である。補正値記憶部１０５が記憶する情報は、例えば、ズームレンズの位置と画界変化率との関係でも良いし、ズームレンズの位置と画界変化率の所定の基準値に対する比との関係であっても良い。この記憶された値を用いて相対値エンコーダ１０４の値を補正しながらズームレンズ１０２を制御する。記憶される位置補正値はズームレンズ１０２が広角端から望遠端まで移動したときのレンズ位置情報である相対値エンコーダ１０４の値（分解能分）に対してすべて記憶しておけばよい。一方記憶容量を減らすために間引いて記憶し、途中は直線近似などにより補正値を算出してもよい。

また位置補正値は相対値エンコーダ１０４に対応した値ではなく、バーチャル出力用のデータに対応した値を記憶しておくことも可能である。すなわち最初に相対値エンコーダ１０４の値をバーチャル出力用データに変換する。通常モードではこの変換後の値をバーチャル出力値として使用する。また画界変化率一定モードの場合にはこのバーチャル出力値に位置補正値を適応してバーチャル出力とする。

図５を用いて画界変化率一定に制御した場合のバーチャル出力の説明をする。

速度指令が一定の時にズームレンズ１０２が画界変化率一定となるように制御した場合、図４の曲線４０１のようにレンズ速度が変化するため、レンズ装置１０１の相対値エンコーダ１０４の値（レンズ位置情報）は曲線５０１のように変化する。レンズ装置１０１は、ズームレンズの画界情報（位置情報、速度情報）は相対値エンコーダ１０４からの情報に基づいて得る。このレンズ位置情報（曲線５０１）を補正値記憶部１０５に記憶されている値を用いて直線５０２のように補正する。この補正後の値をレンズ位置出力部１０６からバーチャル出力として出力する。またレンズ装置１０１のＣＰＵａ１０３は通信ライン１４０を通してカメラ装置１５０のＣＰＵｂ１５１にズームレンズ１０２の位置情報としてバーチャル出力より分解能が粗い表示用データを送信する。カメラ装置１５０のＣＰＵｂ１５１は受信した表示用データをカメラ装置１５０の表示部１５２に表示する。

図６を用いて、画界変化率一定制御した場合の補正フローを説明する。

ステップＳ７０１で、ズームレンズ１０２の現在位置ＣｕｒｒＰｏｓを相対値エンコーダ１０４から読み込む。そしてステップＳ７０２へ進む。

ステップＳ７０２では、式（１）を用いて取得したズームレンズ１０２の現在位置ＣｕｒｒＰｏｓをバーチャル出力用データＶｉｒｔＰｏｓに変換する。
ＶｉｒｔＰｏｓ＝Ｋｖ×ＣｕｒｒＰｏｓ・・・（１）
ここで、Ｋｖは比例定数である。

これはバーチャル出力用データＶｉｒｔＰｏｓとズームレンズ現在位置ＣｕｒｒＰｏｓが同じ値を取らない場合に対応するためである。例えばバーチャル出力値が０〜６００００の範囲で出力されるように取りきめられている場合でも、ズームレンズ１０２の現在位置ＣｕｒｒＰｏｓはレンズ装置１０１の種類によって変化することがあるからである。すなわちズームレンズ１０２の可動範囲が広いレンズ装置１０１と狭いレンズ装置１０１では相対値エンコーダ１０４から出力される値の範囲が異なる可能性があるためである。そしてステップＳ７０８へ進む。

ステップＳ７０８では、画界変化率一定モードかどうかを判断する。通常モードの場合はステップＳ７０５へ進む。画界変化率一定モードの場合はステップＳ７０３へ進む。

ステップＳ７０３ではズームレンズ１０２のバーチャル出力用データＶｉｒｔＰｏｓに対応した画界変化率一定用補正値ＣｏｒｒＶａｌを補正値記憶部１０５より読み込む。そしてステップＳ７０４へ進む。

ステップＳ７０４では、ズームレンズ１０２の現在位置ＣｕｒｒＰｏｓと画界変化率一定用補正値ＣｏｒｒＶａｌより画界変化率一定時の現在位置ＶｉｒｔＣｏｎｓｔＰｏｓを式（２）を用いて算出する。また式（３）を用いて算出された画界変化率一定時の現在位置ＶｉｒｔＣｏｎｓｔＰｏｓをバーチャル出力用データＶｉｒｔＰｏｓとする。そしてステップＳ７０５へ進む。
ＶｉｒｔＣｏｎｓｔＰｏｓ＝ＣｕｒｒＰｏｓ＋ＣｏｒｒＶａｌ・・・（２）
ＶｉｒｔＰｏｓ＝ＶｉｒｔＣｏｎｓｔＰｏｓ・・・（３）

ステップＳ７０５では、カメラ装置１５０におけるズームレンズ１０２の現在位置表示用データＤｉｓｐＰｏｓの算出を式（４）によりバーチャル出力用データＶｉｒｔＰｏｓを用いて算出する。
ＤｉｓｐＰｏｓ＝Ｋｄ×ＶｉｒｔＰｏｓ・・・（４）
ここで、Ｋｄは比例定数である。
これはバーチャル出力用データＶｉｒｔＰｏｓと現在位置表示用データＤｉｓｐＰｏｓの範囲が異なる場合のための対応である。そしてステップＳ７０６へ進む。

ステップＳ７０６では、バーチャルデータとしてバーチャル出力用データＶｉｒｔＰｏｓをＣＰＵａ１０３はレンズ位置出力部１０６を通して外部に出力する。そしてステップＳ７０７へ進む。

ステップＳ７０７では、カメラ装置１５０におけるズームレンズ１０２の位置の表示用データとしてＣＰＵａ１０３はカメラ装置１５０へ通信ライン１４０を通してＣＰＵｂ１５１へズームレンズ１０２の現在位置表示用データＤｉｓｐＰｏｓを送信する。ＣＰＵｂ１５１は表示部１５２にてズームレンズ１０２の位置情報を表示する。
ＣＰＵａ１０３は、導出した速度指令に基づき駆動されたズームレンズ１０２の位置を相対値エンコーダ１０４により検出し、補正値記憶部１０５に記憶された位置と画界の関係と検出位置とに基づき、検出された位置の変化率の変動よりも、変化率の変動が小さい現在位置表示用データＤｉｓｐＰｏｓを出力する。好ましくは、一定の速度指令の入力の時には、一定の変化率を示す現在位置表示用データＤｉｓｐＰｏｓを出力する。

このようにズームレンズ１０２の速度指令が一定の場合に画界変化率一定に制御した場合、ズームレンズ１０２のバーチャル出力や位置情報の表示がリニアに変化するためカメラマン（操作者）の操作感とズームレンズ１０２の位置情報の変化に違和感がなくなる。またカメラマンによるズーミング操作とバーチャル出力値やズームレンズ１０２の位置の表示値の変化が一致するので誤操作しているという勘違いを防ぐことが可能となる。

図７を用いてズーミング時の画界変化率が一定となるように制御している時にバーチャル出力（ズーム位置の出力）がリニアとなるように補正した場合のズームレンズ１０２の各位置に対するＣＧ合成用被写体倍率の算出方法を説明する。

レンズ装置１０１におけるズームレンズ１０２のレンズ倍率の公称値や広角端、望遠端におけるレンズ位置情報は、製造組立誤差やフランジバック調整などで変化する。そのため、広角端と望遠端での基準被写体の垂直高のキャリブレーション（実測）を行う必要がある。

広角端での基準被写体の垂直高をＳｔｄＨ_Ｗ、望遠端での基準被写体の垂直高をＳｔｄＨ_Ｔとすると倍率Ｍは（５）式で表される。
Ｍ＝ＳｔｄＨ_Ｗ／ＳｔｄＨ_Ｔ・・・（５）

バーチャル出力分解能をｎとすると、画界変化率Ａは、（６）式で表される。
Ａ＝Ｍ^1/n＝（ＳｔｄＨ_Ｗ／ＳｔｄＨ_Ｔ）^1/n ・・・（６）
となる。

よって、各バーチャル出力値Ｘ（０〜ｎ）に対する垂直高の倍率Ｐ（Ｘ）は
Ｐ（Ｘ）＝（ＳｔｄＨ_Ｗ／ＳｔｄＨ_Ｔ）^X/n ・・・（７）
となる。すなわち、広角端での被写体の垂直高をＨ_Ｗとすると、各バーチャル出力値に対する被写体の垂直高Ｈ（Ｘ）は
Ｈ（Ｘ）＝Ｈ_Ｗ×（ＳｔｄＨ_Ｗ／ＳｔｄＨ_Ｔ）^X/n ・・・（８）
となる。

このように現在、必要な焦点距離での基準被写体の大きさを測定しているのが、広角端と望遠端での基準被写体の大きさを測定するだけで、途中の大きさを測定する必要がなくなり、撮影準備のための時間効率を大幅に向上させることが可能となる。

これまで、ズームレンズの制御を例にとって説明を行ったが、マニュアル操作時においても同じように位置情報を補正して出力することも可能である。これによってサーボ制御時とマニュアル制御時の位置情報の差異がなくなり、レンズ装置として統一されたズームレンズ位置情報が外部装置に出力することが可能となる。

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レンズ装置
１０２ズームレンズ（変倍手段）
１０３ＣＰＵａ（制御手段、補正手段）
１０４相対値エンコーダ（検出手段）
１０５補正値記憶部（記憶手段）

Claims

変倍のために駆動される変倍手段と、
前記変倍手段を制御する制御手段と、
前記変倍手段の位置を検出する検出手段と、
前記変倍手段の位置と画界の大きさとの関係を示す情報と、前記検出手段によって検出された位置と、一定の速度指令としての第１速度指令とに基づいて、前記第１速度指令に基づいて前記制御手段が前記変倍手段を制御した場合の画界変化率の変動よりも、第２速度指令に基づいて前記制御手段が前記変倍手段を制御した場合の画界変化率の変動が小さくなるように、前記第２速度指令を導出し、前記第２速度指令に基づいて前記制御手段が前記変倍手段を駆動している場合の前記変倍手段の位置の情報を、該位置に対応する前記変倍手段の速度の変化が低減するように変更し、変更後の位置の情報を出力する処理手段と、
を有することを特徴とするレンズ装置。
前記処理手段は、画界変化率が一定となるように前記第２速度指令を導出することを特徴とする請求項１に記載のレンズ装置。
前記処理手段は、前記関係に基づき、前記変更を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレンズ装置。
前記処理手段は、前記変更後の位置の情報として２相パルス信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のレンズ装置。
前記処理手段は、前記変更後の位置の情報としてシリアル通信のデジタル信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のレンズ装置。
前記処理手段は、前記変更後の位置の情報としてアナログ信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のレンズ装置。
前記変更後の位置の情報を外部に出力する出力手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちいずれか１項に記載のレンズ装置。
前記制御手段は、前記検出手段の出力に基づいて、前記変倍手段のフィードバック制御をすることを特徴とする請求項１ないし請求項７のうちいずれか１項に記載のレンズ装置。
請求項１ないし請求項８のうちいずれか１項に記載のレンズ装置と、
前記レンズ装置によって形成された光学像を撮像する撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。