JPH0440405A - ズームレンズ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はズームレンズ、特に合焦及びズーミングによる
焦点ずれの補正のための制御が容易なズームレンズに関
する。

（従来技術） 従来、第２図に示すように、物体側から固定の第ルンズ
群、変倍のために移動する第２レンズ群、固定の第３レ
ンズ群および変倍時の焦点ずれの補正とフォーカシング
のために移動する第４レンズ群からなる４群構成のズー
ムレンズが知られている。

この方式のズームレンズにおいては、変倍時の焦点ずれ
補正のための第４レンズ群の移動軌跡は被写体距離によ
って変化し、次のような欠点を有している。

■　変倍時の焦点ずれ補正のための第４レンズの移動軌
跡を演算制御部に記憶する場合、至近距離から無限速達
、被写体距離によって連続的に変化する移動軌跡を精度
よく実現するためには、焦点深度を外れないように選ば
れた多数の軌跡を記憶する必要があり、大きなメモリ容
量を要し、コスト高となる。

■　第４レンズの位置に応して、上記の記憶された軌跡
中から対応する軌跡を選択して変倍時の制御を変える必
要があり、制御が複雑となり、制御用のプログラムも大
型化し、コスト高となる。

■　被写体にピントを合わせるための第４レンズ群の移
動量が望遠側で大きく、望遠側枠高速な駆動制御が要求
され、機構上の負荷が望遠側に偏り、合焦速度の面で望
遠化に不利であり、機構的にも実現が難しい。

（リ　ビン１〜検出のために第４レンズ群を揺動させる
と、第ルンズ群から第３レンズ群までがアフォーカルと
なっていないため、画像の倍率変化が生し、ピント検出
の精度の低下を招く。

■　可動レンズ群が撮像素子側にあり、可動機構部の潤
滑油等の飛沫が光学面を汚すおそれがあり信頼性に不安
がある。

（この発明が解決しようとする問題点）本発明は、上記
のズームレンズの焦点ずれの補正方式を改良し、変倍時
の焦点ずれ補正のための軌跡を記憶するメモリを犬ｌ］
に削減し、望遠から広角まで駆動機構への負荷が均一で
、しかも信頼性の高い安価なズームレンズ、特にビデオ
信号を用いた自動合焦装置で焦点ずれ方向検出と焦点合
わせそして変倍時の焦点ずれの補正の３種の機能を２個
の１号区動源で実現できるズームレンズ方式を実現しよ
うとするものである。

（問題を解決するための手段） 本発明のズームレンズ装置は、被写体側より順に固定の
第ルンズ群、変倍のために光軸方向に移動可能の第２レ
ンズ群、変倍による焦点ずれを補正し入射光をほぼアフ
ォーカル光束として次のレンズ群へ光を伝達するために
光軸方向に移動可能とされた第３レンズ群及び結像のた
めの第４レンズ群で構成される撮影光学系を含み、第２
レンズ群と第３レンズ群がそれぞれ別々の即動装置に連
結され独立に駆動制御できることを特徴とする。

このとき、変倍時は第２レンズ群と第３レンズ群が焦点
位置を予定焦点面上に維持するように一定の関係で別個
に駆動され、被写体にフォーカシングするときは第２レ
ンズ群と第３レンズ群の間隔を維持しながら一体となっ
て光軸方向に駆動制御される。

また、マクロフォーカス時は第２レンズ群或いは第３レ
ンズ群の移動で焦点調節するようにすることが出来る。

さらに、予定焦点面一トに撮像素子を設け、撮像素子か
ら得られる信号を処理して焦点ずれ量を検出して焦点調
節をするようにし、焦点ずれ方向を第３レンズ群を揺動
させて検出するようにするのがよい。

（作用） 第１図は本発明の変倍とフォーカシングの原理の説明図
である。ズーム部は、第ルンズ群１で形成された被写体
の像を第４レンズ群に対して無限遠の位置に形成するよ
うに第２レンズ群、第３レンズ群は位置決めされ、アフ
ォーカルズーム部とされている。無限遠に被写体がある
ときには第２レンズ群、第３レンズ群の変倍時の移動軌
跡は２〜−２〜′、３〜−３−′、最至近距離の被写体
に対しては２８　２Ｎ’　、　３Ｎ　　３Ｎ′　となり
変倍時の移動軌跡は同一形状で光軸方向に平行移動した
形となる。

第１図中、４は結像のための第４レンズ群、５はローパ
スフィルタを示す。第ルンズ群〜第４レンズ群の焦点距
離をそれぞれ順にｆ□、ｆ２、ｆ３、ｆ４．第ルンズ群
と第２レンズ群の主点間隔をｄｌ、第２レンズ群と第３
レンズ群の主点間隔をｄ２、第３レンズ群と第４レンズ
群の主点間隔をｄ３　とする。本発明のズームレンズは
アフォーカルズームレンズであるので、第４レンズ群と
予定焦点面との間隔は空気換算でｆ、となる。

ここでは各レンズ群の主点間隔は除いて薄肉レンズとし
て説明を進める。

以下に無限遠の被写体に対するｄ、とｄ２の関係を示す
。

第２レンズ群の横倍率をβ２、全系の合成焦点距離をｆ
とすれば、 ｆ　　　　　　　　　　　（ｊ） β””　ｆ１＋ｆ２−ｄ□ ｄ２＝ｆ２＋ｆ３　　ｆｉ１＋ｆ２　ｄ、　　　　（２
）ｆ　　ｆ　　　　　　　　　　　　（３）ｆ＝−−１
ブーβ２ 被写体距離が有限となっても第２レンズ群以降の関係を
崩さないようにするには（１）式におけるｄｌを選ぶこ
とによって変化を打ち消すようにすれば良い。すなわち
、第ルンズ群から被写体までの距離をＴとすると、（１
）式中のｆ、　　（第］レンズ群の結像位置までの距離
）は次のｆｘＢとなる。ここで第ルンズ群の横倍率をβ
１とする。

β、−−１１　　　　　　　　　　（４）１−Ｔ １１Ｂ−（１−β１）ｆ、　　　　　　　　　　　（５
）従ってβ２を同し値に維持するにはｄｌ　を次のｄ□
′　とすれば良い。

ｄ１’＝ｄ□−β□ｆ、（６） このときｄ２は（２）式で与えられる値を維持すれば第
３レンズ群を出た像は第４レンズ群に対し無限の位置に
あり、ｄ３が変化しても結像位置は変化せず合焦状態を
維持することができる。

すなわち、第ルンズ群の主点位置を原点としたときの各
レンズ群の位置をＸｌで表わすと以下のようである。

ｆ２　　　　　　　　　（７） Ｘｚ−ｄｌ−ｆ、−Ｔ Ｘ３＝Ｘ２＋ｄ２ ｆ２　　　　ｆ２ −””ｄ、ｆ、＋ｆ２−ｄ、−−虐 ｆ”　　　　　　　（８） ｄ　１＋　ｄ　２−、−１旨 ここでｄ□、ｄ２は被写体距離が無限のときの第ルンズ
群と第２レンズ群及び第２レンズ群と第３レンズ群の間
隔を示し、被写体距離が有限の値Ｔとなれば、第２レン
ズ群、第３レンズ群をそれぞれ ΔＴ＝ｆ□−Ｔ だけ撮像素子６側へ同時に移動すればよいことを（７）
式、（８）式は示している。

（実施例） 本発明のズームレンズは、特にビデオ信号を用いた自動
合焦装置を実現する上で有利である。ビデオ信号を使っ
た自動合焦装置と組み合わせた例を第５図に示す。

被写体側から順に固定の第ルンズ群］、変倍のための第
２レンズ群２、変倍中の焦点ずれを補正しアフォーカル
とするための第３レンズ群３、撮像素子６に結像させる
ための固定の第４レンズ群４、赤外光をカットし撮像素
子の高周波検出限界以上の像成分による折り返し歪みを
抑えるためのローパスフィルタ５から撮影光学系は形成
され、変倍レンズ群２はステッピングモータ１０のスク
リュー軸９に係合するレンズ保持枠７の雌ネジ部８によ
り光軸方向に駆動され、レンズ群３はステッピングモー
タ１４のスクリュー軸１３に係合するレンズ保持枠１１
の雌ネジ部１２により光軸方向に１紺動されるように構
成されている。

本レンズの変倍は、演算制御部２２に入力される変倍指
示スイッチ３１からの変倍指示信号によって、演算制御
部２２内に予め設定された、変倍レンズ群２と補正レン
ズ群３の変倍時の位置関係のデータを記憶された領域２
２−Ａから変倍指示スイッチ３１からの変倍方向に対応
する次の移動位置を読み出し、ステッピングモータ即動
回路２７．２８を介し、各レンズ群２．３を駆動するこ
とで行なわれる。２２−Ａには被写体距離が無限遠の時
の変倍時の移動軌跡第１表が記憶されていて、現在の被
写体距離に対する焦点調節のための移動量Δ１とから、
現在の焦点距離ｆ（１）に対し変倍指示により次のよう
に２、；３レンズ群の位置を計算し再設定する。

第１表　基準被写体距離に対する 第２、第３レンズ群の位置衣 すなわち 現在の位置　Ｘ　２Ｔ　ｏ、＝　Ｘｚ　ｏ、−Δ□（９
）Ｘ　ａＴ（ｉ）　”　Ｘ３　（ｉｌ−へＴ望遠側指示
　Ｘ２□ｕ−１）”　Ｘ２　＋＋−１＋−ΔＴ　　（１
０）Ｘ　３Ｔ　（１−ｔ）　＝　Ｘ２　（ｉ−ｔ）−Δ
丁広角側指示　Ｘ２Ｔ（ｉｌ１１　”　ｘ２（ｌｅｔ）
−ΔＴ　　（１１，）Ｘ３丁（ｊ＋、）””　Ｘ２　（
ｉ＋□）＝Δ丁を第１表から読み出し各レンズ群をステ
ラピンクモータ１０、］４によって」二記位置へ移動さ
せる。この変倍のためのレンズ位置設定は、被写体距離
Ｔへの焦点調節と独立のため、第１表の簡単な表で済む
ことになる。

更に自動合焦時の焦点ずれ方向の検出に際しては、焦点
距離に関係なく一定量の焦点ずれを与える揺動を与える
ことが望ましいが、本発明のズームレンズ装置において
は、第３レンズ群を上記変倍とは別に自動合焦時の焦点
ずれの微少変調に使うことにより、従来の前玉フォーカ
ス方式におけるピエゾ素子等の特別な揺動のための素子
を付加する必要がなく、大変有用な方式となる。これを
第４図によって説明する。

本発明のズームレンズはアフォーカルズームレンズのた
め、通常は第４図（ａ）に示す関係になっていて、アフ
ォーカル部のレンズ間隔ｄ３が変倍とフォーカシングの
ために変化するだけで第３１ル ンズ群の前側焦点位置にある像が第４レンズ群の像側焦
点に結像される関係は変わらない。この状態で、第３レ
ンズ群をΔＸ３だけ光軸方向に揺動すると、このずれは
予定焦点面上でΔヶだけ結像位置を揺動させることにな
る。第３レンズ群と第４レンズ群の合成系としての横倍
率β３４は変倍中ば一定であり、△Ｘ３の揺動量が結像
面に及ぼす影響は変倍に無関係で、△Ｘ３が微小量であ
れば近似的に次の関係が成り立つ。

△、＝β３４′・△Ｘ、　　　　　　　　　（１２）β
３．＝　ｆ３／　ｆ４（１３） 従って自動合焦装置で焦点ずれ方向を検出するときに、
変倍位置に無関係に一定の結像位置の揺動を第３レンズ
群の揺動で得ることができ、良好に焦点ずれ方向が検出
できることになる。

自動合焦のプロセスは第６図に示す。

第５図のビデオ信号処理回路１７からの信号をバンドパ
スフィルター選択スイッチ］８を介し複数のバントパス
フィルタＢ　Ｐ　Ｆ　］、　９−１〜４の最適フィルタ
ーを通った信号量をデジタル値にＡＤ変換回路２０で変
換し、デジタル加算器２１で加算し、その信号量の大小
を使って自動合焦をさせる。バンドパスフィルタ１９〜
１〜４の低周波〜高周波に対応するフィルタを順にＩ〜
■として焦点信号とデフォーカス量のカーブを第６図に
示す。

図中、Ｓ点で第３レンズ群を揺動し、被写体側へ動かす
と焦点信号が上昇することを検出し、第２第３レンズ群
を一体として被写体側へ動かす。

曲線■に沿って背って行き、予め設定された焦点信号の
限界以上となったところで次に高い周波数フィルター■
へ切り換える。このようにしてａ、ｂ、ｃ点で順に切り
替えて■、■、■と進め、合焦点ｄまで到達する。ここ
で第３レンズ群を揺動し、次ぎのピント変化の発生の有
無を検出できるよう待機するというプロセスで良好な自
動合焦装置が実現できる。

マクロフォーカスは通常の最至近距離に対する第２、第
３レンズ群の軌跡から、ズーム全域では第３レンズ群を
像側へ、広角近辺では第２レンズ群を被写体側へ更に移
動することで実現できる。

レンズ群の移動軌跡図におけるマクロ移動領域を第３図
に斜線部分として示す。

第２レンズ群の像の結像位置ずれ量は、第ルンズ群によ
る結像位置の無限遠被写体から有限距離被写体となった
ときのずれ量に第２レンズ群の縦倍率β２′がかかって
伝搬されるため、マクロフォーカスは広角側径有利とな
る。

従って、通常フォーカシングの最至近の状態から全ズー
ム域でマクロフォーカスを実現する場合は第３レンズ群
を撮像素子側へ、広角側すなわち第２レンズ群の横倍率
β２が１β２１〈１でマクロフォーカスを実現する場合
は、第２レンズ群を通常フォーカシングの無限側の限界
位置まで移動させることで実現できる。又両方併用すれ
ば更にマクロ撮影の至近距離を短くすることが出来る。

第３図のｆ′はマクロフォーカスに第２レンズ群を移動
させるのに効果のある限界を示す。

第３図で第２レンズ群が無限遠被写体に対する軌跡上に
有り、第３レンズ群がマクロ端のときの第ルンズ群から
被写体迄の距離をＴＭとすると、ＴＭは次式で与えられ
る。また、ｄｚＭは第２、第３レンズ群のマクロ端での
間隔を示す。

以上に示すように簡単な構成で良好なインナーフォーカ
スズームレンズが実現できた。

この発明の要点は、結像レンズの前方のズームレンズ系
がアフォーカルであることに着目し、変倍と焦点ずれ補
正のレンズ群をそれぞれ一体及び独立に動かすことにあ
り、変倍群が２群以」二あっても同様な考え方が成り立
つ。この例を第７図に示す。このズームレンズは、物体
側から固定の第ルンズ群４１、変倍のための第２及び第
３レンズ群４２及び４３、変倍のための結像位置のずれ
を補正するための第４レンズ群４４からなる変倍レンズ
群はアフォーカル系を構成し、４５は固定の結像レンズ
群である。このレンズ系においても、第２、第３、第４
レンズ群相互の間隔は、変倍のために変化するが、フォ
ーカシングは、これらのレンズ群を一体として移動する
ことによって行わ＝１５− れる。

また、前記の実施例においては、駆動モーターとしてオ
ープン制御可能なステッピングモータを用い、フォトイ
ンタラプタ−と移動枠の遮光板で初期位置設定できる方
法を用いたが、第２、第３レンズ群をそれぞれ独立に位
置制御できる駆動方法であれば他の駆動方式によっても
よいことは明らかである。

さらに、自動合焦装置もビデオ信号を用いる方式以外の
被写体距離を測る方式、或いは光線の途中から光束を分
割し焦点ずれを検出する方式等、他方式のズームレンズ
にも実施可能である。

（発明の効果） 本発明のズームレンズは、上記のように、アフォーカル
ズームレンズのアフォーカル部を構成する変倍レンズ群
と補正レンズ群を別個に或いは一体として駆動制御する
ようにして変倍とフォーカシングを簡単な機構と制御回
路構成で実現したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明及び従来例のズームレンズの構
成と各レンズ群の移動軌跡を示す説明図、第３図は本発
明のズームレンズのマクロフォーカス時のレンズ移動軌
跡を示す説明図、第４図はピント検出のための揺動法を
示す説明図、第５図は本発明のズームレンズ装置のシス
テム構成の１実施例を示す回路図、第６図はピント信号
とデフォーカス良の関係を示す曲線図、第７図は５群構
成のズームレンズとしたときの説明図である。 ］：第ルンズ群　　　２：第２レンズ群３：第３レンズ
群　　　４：第４レンズ群５：ローバスフィルタ　６：
撮像素子 ７．１−１．：レンズ保持枠 １０．１．４ニスチッピングモータ １７：ビデオ信号処理回路 １８：バンドパスフィルター選択スイッチ１９：バンド
パスフィルタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　被写体側より順に固定のレンズ群、変倍のために光
   軸方向に移動可能の少なくとも１つのレンズ群、変倍に
   よる焦点ずれを補正し入射光をほぼアフォーカル光束と
   して次のレンズ群へ光を伝達するために光軸方向に移動
   可能とされたレンズ群及び結像のためのレンズ群で構成
   される撮影光学系を含み、上記変倍のためのレンズ群と
   補正のためのレンズ群がそれぞれ別々の駆動装置に連結
   され独立に駆動制御できることを特徴とするズームレン
   ズ装置 ２　請求項１のズームレンズ装置において、変倍時は変
   倍レンズ群と補正レンズ群が焦点位置を予定焦点面上に
   維持するように一定の関係で別個に駆動され、被写体に
   フォーカシングするときは変倍レンズ群と補正レンズ群
   の間隔を維持しながら一体となって光軸方向に駆動制御
   されるようにしたことを特徴とするズームレンズ装置 ３　請求項２のズームレンズ装置において、予定焦点面
   上に撮像素子を設け、撮像素子から得られる信号を処理
   して焦点ずれ量を検出して焦点調節をするようにし、焦
   点ずれ方向を補正レンズ群を揺動させて検出するように
   したことを特徴とするズームレンズ装置 ４　請求項２のズームレンズ装置において、マクロフォ
   ーカス時は変倍レンズ群或いは補正レンズ群の移動で焦
   点調節するようにしたことを特徴とするズームレンズ装
   置