JP5013898B2 - 光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、交換レンズ等の光学機器に関し、特に該光学機器のオートフォーカス制御に関する。

固体撮像素子を用いて撮像を行う光学機器では、映像信号から得たコントラスト情報（コントラスト値）を用いてフォーカスレンズ又はコンペンセータを移動させ合焦を得る、いわゆるコントラストＡＦ（ＴＶ−ＡＦ）が採用されることが多い。

また、このような光学機器では、変倍レンズであるバリエータを移動させる場合に、該バリエータとの一定の光学的位置関係を保ちながらフォーカスレンズ又はコンペンセータを駆動するインナーフォーカスタイプのズーム光学系が採用される場合が多い。特許文献１，２には、このようなインナーフォーカスタイプ（リアフォーカスタイプともいう）のズーム光学機器が開示されている。

コントラストＡＦでは、合焦位置の方向を判別するために、フォーカスレンズを微小振動動作させてコントラスト値（コントラスト情報に関する値）の変化を検出し、該コントラスト値が増加する方向を合焦方向と判別して該方向にフォーカスレンズを移動させる。また、フォーカスレンズの微小振動動作に応じて最大レベル付近のコントラスト値が増減を繰り返す場合にその振動動作の中心付近の位置を合焦位置として判別する。

ところで、最近の光学機器の小型化の要求に伴い撮像光学系をコンパクトにする目的でバックフォーカスを短くした場合、該撮像光学系の射出瞳を十分遠くに保つことが困難であり、撮像光学系がテレセントリック光学系から外れる傾向が生じる。そして、このような光学系においてフォーカスレンズを微小振動動作させると、像倍率が変動し、ユーザーに違和感を生じさせる。

特許文献３には、コンペンセータの振動動作とともにバリエータを振動動作させることで像倍率の変動による画像のちらつきを抑えた光学機器が開示されている。
特開平４−１３４３０７号公報（７頁左下欄４行〜９頁左上欄４行、図５等） 特開平４−１３４３０８号公報（６頁左上欄１７行〜７頁右下欄１２行、図５等） 特開平６−２０５２６７号公報（段落００２５〜００３１、図２，３等）

しかしながら、特許文献３では、インナーフォーカスタイプのズームレンズを前提としている。インナーフォーカスタイプでは、フォーカス又はコンペンセータレンズの移動によって生じる像倍率の変動は小さく、フォーカス又はコンペンセータレンズの移動（振動）に伴いバリエータを振動させなくても画像のちらつきはほとんど目立たない。

これに対し、テレセントリック光学系から外れたズームレンズ（ズーミングに応じて射出瞳位置が変動するズームレンズ）では、特にワイド側においてフォーカス又はコンペンセータレンズを振動させると像倍率が大きく変動し、画像のちらつきが目立つ。

本発明は、テレセントリック光学系ではない撮像光学系（言い換えれば、ズーミングに応じて射出瞳が変動する撮像光学系）での高い合焦性能を得ながらも画面のちらつきを抑えられるようにした光学機器を提供する。

本発明の一側面としての光学機器は、それぞれ独立して光軸方向に移動可能な第１レンズユニット及び第２レンズユニットを含む撮像光学系と、映像信号から得られたコントラスト情報に基づいて合焦位置に関する情報を得るために第１レンズユニットを振動動作させる制御手段とを有する。撮像光学系は、該撮像光学系の射出瞳位置が像面に最も近い場合における該像面から該射出瞳位置までの距離をｔｋとし、該撮像光学系の像面位置での像の有効対角線長をＬとするとき、
｜ｔｋ／Ｌ｜＜１５
を満足する。また、撮像光学系は、絞り量が可変である絞りユニットを含み、制御手段は、第１レンズユニットの振動動作に伴う撮像光学系の射出瞳位置の変動を低減させるように第２レンズユニットを振動動作させ、第１レンズユニットの振動動作に伴う撮像光学系のＦナンバーの変動を低減させるように絞りユニットの絞り量を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、テレセントリック光学系ではない撮像光学系を備えた光学機器において、高い合焦性能を得ることができるとともに、射出瞳位置の変動による画面のちらつきや画角の変化を低減することができる。

また、コントラストＡＦを行った際、画像が見苦しくなるような光学系に対し、画像の見苦しさを抑えコントラストＡＦを行うことができる。

本実施例は、フォーカスレンズの位置敏感度が小さな光学系において、動画記録を行う際にＡＦを行うことができる光学機器を提供することができる。すなわち、従来、ＡＦを行いつつ動画記録が困難とされていた光学系において、ＡＦと動画記録の両立が可能となる。

以下、本発明の実施例の変倍光学系（ズーム光学系）について図面を参照しながら説明する。

前述したように、コントラストＡＦでは、合焦位置の方向を判別するために、フォーカスレンズを微小振動動作させてコントラスト値（焦点信号、ＡＦ評価値信号、コントラスト情報ともいう）の変化を検出する。そして、該コントラスト値が増加する方向を合焦方向と判別して該方向にフォーカスレンズを移動させる。また、フォーカスレンズの微小振動動作に応じて最大レベル付近のコントラスト値が増減を繰り返す場合にその振動動作の中心付近の位置を合焦位置として判別する。

図１に示すように、撮像光学系としてテレセントリック光学系ではないズーム光学系（変倍光学系）１００を用いると、補正レンズであるコンペンセータや焦点調節レンズであるフォーカスレンズの移動に伴い、像面ＩＰに対する像の位置及び大きさが変化する。例えば、位置Ｉ０からＩ１，Ｉ２，Ｉ１とコントラスト値が最大（あるコントラスト情報に基づく値が極値）となるようにコンペンセータ又はフォーカスレンズを移動させた場合、ある一定の物点に対し、像面ＩＰ上での像の位置及び大きさが変化する。そして、このような変化がコントラストＡＦにおけるコンペンセータ又はフォーカスレンズの微小振動動作によって引き起こされると、画像のちらつきや画角変化として目立つ。なお、図１において、ＳＰは絞りである。

この問題は、コンペンセータ及びフォーカスレンズのうち一方である第１レンズユニットの微小振動動作に伴う撮像光学系の射出瞳位置の変動（像倍率の変動と言い換えることもできる）に起因している。このため、本実施例では、第１レンズユニットの微小振動動作に伴って、コンペンセータ及びフォーカスレンズのうち他方又はバリエータである第２レンズユニットを射出瞳位置の変動を低減するように微小振動動作させる。これにより、画像のちらつきや画角の変化を低減する。

また、テレセントリック光学系ではないズーム光学系、すなわち変倍光学系（以下、非テレセントリック光学系という）は、以下の種類に分けられる。

１）第１レンズユニットの振動量（振幅）と第２レンズユニットの振動量とを単純に等しくすることで、画像のちらつきや画角の変化を低減できる光学系。

２）第１レンズユニットの振動量と第２レンズユニットの振動量とをズーム全域である一定の比率とすることで、画像のちらつきや画角の変化を低減できる光学系。

３）ズーム位置（ズーム状態）に応じて第１レンズユニットの振動量と第２レンズユニットの振動量との比率（相対比）を変化させることで、画像のちらつきや画角の変化を低減できる光学系。

したがって、これらの光学系の種類に応じた適切な評価が必要である。

本実施例での画像のちらつきや画角の変化の評価方法は、
１）所定量だけピントがずれた像の面積の重心
２）所定量だけピントがずれた像の光強度の重心
の動きを用いる方法とする。上記２つの評価方法について、図１と、図２Ａのスポットダイアグラムとを参照して説明する。

像の大きさは、図２Ａに示すスポットダイアグラムの径Φｇで与えられる。オートフォーカス時の微小振動に伴って径Φｇが変化する。射出瞳位置の変動及び像倍率の変動は、径Φｇを有するスポットダイアグラムの面積の重心Ｓｇが動くことで表現できる。射出瞳位置の変動及び像倍率の変動を低減するためには、図１に示す像位置Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２において、重心Ｓｇを一定とすることである。なお、ここにいう一定とは、一定とみなせる程度にわずかに変動する場合も含む。

第１レンズユニットの移動に応じて第２レンズユニットを所定時間内に移動させ、重心Ｓｇの変動量を低減することにより、画像のちらつきや画角の変化を低減させることができる。

また、射出瞳位置の変動及び像倍率の変動は、図２Ｂに示す像の光強度の重心Ｐｇが動くことでも表現できる。重心Ｐｇの動きは人間の眼が感じる画像のちらつきや画角の変化を表現している。第１レンズユニットの移動に応じて第２レンズユニットを所定時間内に移動させ、重心Ｐｇの変動を低減することにより、画像のちらつきや画角の変化を低減させることができる。

このように、スポットダイアグラムの面積の重心Ｓｇや光強度の重心Ｐｇの動きを用いて評価を行うことにより、歪曲収差やコマ収差が大きいレンズに対して十分に画像のちらつきや画角の変化を低減させることができる。

また、オートフォーカス時の第１及び第２レンズユニットの最小振動量は、その振動によってピント位置が所定量以上ずれる量であることが望ましい。最小振動量での振動時に所定量以上のピント位置変化が生じないと、コントラスト値のレベルの変化量が不十分となり、十分な合焦性能が得られないからである。

制御性およびコスト低減の観点からは、第１及び第２レンズユニットの微小振動量の相対比がズーム全域において一定であることが望ましい。このようにズーム全域において一定の相対比で微小振動動作を行わせることで、画像のちらつきや画角の変化の低減が十分に得られれば、例えばステッピングモータを用いてオートフォーカスを実現できる。

また、ズーム位置（ズーム状態）に応じて第１及び第２レンズユニットの微小振動量の相対比を変化させる場合は、ズーム位置情報と絞り量情報を参照してメモリから微小振動量を読み出し、微小振動動作を行わせることができる。

また、第２レンズユニットの微小振動動作の開始タイミングは、第１レンズユニットが微小振動動作を開始した後０．２秒以内であることが望ましい。例えば、１秒間に１５フレームの動画記録（１５ｆｐｓ）を行う場合、画像のちらつきや画角変動の大きなフレームが３フレーム以内であれば、画像のちらつきや画角の変化が不自然であるという印象を与えにくいからである。

また、０．１秒以内であればより好ましく、さらに０．０５秒以内であれば一層好ましい。

なお、第１及び第２レンズユニットを微小振動動作させると、有効口径（Ｆナンバー）が変動するため、該Ｆナンバーの変化を低減するように絞り量を増減（振動）させるように絞りを制御することが望ましい。

本実施例の対象となる光学系（特に、非テレセントリック光学系）についてより具体的に説明する。

該光学系は、射出瞳位置が像面に最も近い位置にあるときの、その像面から射出瞳位置までの距離をｔｋとし、像面位置での像（矩形画面）の有効対角線長をＬとするとき、
｜ｔｋ／Ｌ｜＜１５ …（１）
なる条件を満足する光学系である。

なお、（１）の条件を満足すれば、第１レンズユニットが第２レンズユニットよりも物体側に配置されていてもよいし、像面側に配置されていてもよい。

ここで、好ましくは以下の（１ａ）、更に好ましくは（１ｂ）を満足していることが望ましい。

１＜｜ｔｋ／Ｌ｜＜１０ …（１ａ）
１.５＜｜ｔｋ／Ｌ｜＜９ …（１ｂ）
この光学系では、第１レンズユニットを微小振動動作させると、像面における像位置や大きさが変化し、画像のちらつきや画角の変化が目立ち易い。特に、ワイド側での画像のちらつきや画角の変化が顕著になり易い。

条件式（１）は、撮像光学系の最終面から測定した射出瞳位置に関するものである。
｜ｔｋ／Ｌ｜が該条件式（１）の上限値以上となるように像面（像面位置）から射出瞳位置までが遠い場合は、第２レンズユニットを微小振動動作させなくても画像のちらつきや画角の変化は目立たない場合が多い。このため、本実施例は、特に、｜ｔｋ／Ｌ｜が該条件式（１）の上限値を下回るように像面（像面位置）から射出瞳位置までが近い光学系において、第１レンズユニットの微小振動動作に伴う画像のちらつきや画角の変化を抑えるために有効である。

また、条件式（１）の上限値が１０以下となるような光学系で本実施例による画像のちらつきや画角の変化の低減効果が顕著となる。

また、条件式（１）で定義した光学系は、以下のように言い換えることもできる。すなわち、射出瞳位置が像面に最も近い位置にあるときの、その像面から射出瞳位置までの距離をｔｋとし、そのときの撮像光学系の焦点距離をｆｔｋとするとき、
｜ｔｋ／ｆｔｋ｜＜１５ …（２）
なる条件を満たす光学系である。

条件式（２）も、条件式（１）と同様に、撮像光学系の最終面から測定した射出瞳位置に関するものである。｜ｔｋ／ｆｔｋ｜が条件式（２）の上限値以上となるように像面から射出瞳位置までが遠い場合は、第２レンズユニットを微小振動動作させなくても画像のちらつきや画角の変化は目立たない場合が多い。このため、本実施例は、特に、｜ｔｋ／ｆｔｋ｜が該条件式（２）の上限値を下回るように像面から射出瞳位置までが近い光学系において、第１レンズユニットの微小振動動作に伴う画像のちらつきや画角の変化を抑えるために有効である。

さらに、条件式（２）の上限値が１０以下となるような光学系で本実施例による画像のちらつきや画角の変化の低減効果が顕著となる。

ここで、好ましくは以下の（２ａ）、更に好ましくは（２ｂ）を満足していることが望ましい。

１＜｜ｔｋ／ｆｔｋ｜＜１４ …（２ａ）
２＜｜ｔｋ／ｆｔｋ｜＜１３ …（２ｂ）

また、本発明の実施例では、フォーカスレンズユニット（第１レンズユニット）の位置敏感度の最小値をＥｓｍとするとき、
｜Ｅｓｍ｜＜０．５…（３）
なる条件を満たす光学系において、動画記録対応可能な自動合焦が実現される。ここでの位置敏感度の最小値とは、変倍光学系（ズーム光学系）の変倍中において位置敏感度が変化する（ズーム状態によって位置敏感度が変わる）場合、その中での位置敏感度の最小値と言う意味である。

撮影光学系において自動合焦を行う際、十分なコントラスト差を得るために、許容被写界深度の半分や３分の１、４分の１程度、像面位置での像を光軸方向に微小振動させる必要がある。位置敏感度の最小値が０．５未満のフォーカスレンズで十分なコントラスト差を得るためには、像倍率が変動する程度フォーカスレンズを微小振動させる必要があり、不自然な動画が記録される。

従来、条件式（３）を満たすような光学系では、自動合焦を行い、かつ動画記録を行うことが困難であったが、本発明の実施例を適用することにより自動合焦を行い、かつ動画記録が行える。

さらに、条件式（３）の上限値が０．２未満となるような光学系で本実施例による画像のちらつきや画角の変化の低減効果が顕著となる。

ここで、好ましくは以下の（３ａ）、更に好ましくは（３ｂ）を満足していることが望ましい。

０．０１＜｜Ｅｓｍ｜＜０．４５…（３ａ）
０．０５＜｜Ｅｓｍ｜＜０．３３…（３ｂ）
以下、本実施例の具体例を、実施例１〜５として説明する。

まず、各実施例の光学系の諸元の表記方法について説明する。実施例に示す表において、Ｒｉは物体側からｉ番目の面（レンズ面）の曲率半径（ｍｍ）を示す。また、Ｄｉはｉ番目とｉ＋１番目の面間のレンズ厚又は空気間隔（ｍｍ）を示す。Ｎｉとνｉはｉ番目の面を有するレンズエレメントの材質の屈折率とアッベ数である。また、ｆは焦点距離（ｍ）、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角（°）を示す。

非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直な方向にＨ軸をとり、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ｂ〜Ｅを非球面係数とするとき、

なる式で表す。表中において、＊は非球面形状を有する面を意味する。

また、「ｅ−ｘ」は「×１０^−ｘ」を意味する。

さらに、前述した条件式（１）、（２）、（３）と実施例との関係を表５に示す。

図３には、実施例１のズームレンズ（撮像光学系）の広角端でのレンズ断面を示す。ズームレンズは、表１に示す光学構成を有する。

第１レンズユニットとしてのコンペンセータは面Ｒ１からＲ６で構成され、第２レンズユニットとしてのバリエータは面Ｒ８からＲ１２で構成される。コンペンセータは移動可能であり、フォーカスレンズの役割も果たす。コンペンセータは最も物体側の第１レンズ群Ｂ１であり、バリエータは第１レンズ群Ｂ１よりも像面側の第２レンズ群Ｂ２である。なお、本実施例のズームレンズでは、第１レンズ群Ｂ１と第２レンズ群Ｂ２との間に絞りＳＰが配置され、第２レンズ群Ｂ２よりも像側に第３レンズ群Ｂ３及び光学フィルタ等のガラスブロックＧが配置されている。ＩＰは像面である。

図４には、上記表１で示した撮像光学系を含む光学機器としてのビデオカメラの構成を示す。

図４において、１００は撮像光学系である。１０１はコンペンセータ、１０２はバリエータ、１０３は絞り、１０４はＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサにより構成される撮像素子である。コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２は、それぞれ独立して光軸方向に移動可能である。ここで言う独立に移動する（移動可能）とは、変倍に際して、コンペンセータ（補償群）及びバリエータ（変倍群）が互いに異なる移動軌跡を描きつつ移動する（移動可能）と言う意味である。従って、それぞれのレンズ群（レンズユニット）が独立に移動するとは、独立の制御系によって移動を制御されているか否かを問うものではない。

撮像素子１０４からの信号は、Ａ／Ｄ変換器１０５、補間処理回路１０６、Ｄ／Ａ変換器１０７、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）１０８及びＡ／Ｄ変換器１０９にて処理される。これにより、映像信号が生成され、該映像信号は、制御手段としてのマイクロコンピュータ１１０に入力される。また、映像信号のうちＹ（輝度）信号とＣ（色）信号は、外部出力端子から出力可能である。

マイクロコンピュータ１１０は、必要に応じて記憶手段としてのメモリ１１１に記憶されたデータを参照して各種制御を行う。また、マイクロコンピュータ１１０は、映像信号から高周波成分を抽出して得られるコントラスト値（ＡＦ評価値信号）に基づいて、コンペンセータ１０１の微小振動動作を含むコントラストＡＦ制御を行う。さらに、マイクロコンピュータ１１０は、コンペンセータ１０１の微小振動動作に応じてバリエータ１０２を微小振動動作させる。

コンペンセータ１０１は、第１アクチュエータ１２５により光軸方向に駆動される。第１アクチュエータ１２５は、第１ドライバ１２４を介してマイクロコンピュータ１１０により制御される。

コンペンセータ１０１の位置は、第１位置検出手段としてのコンペンセータエンコーダ１２６及びＡ／Ｄ変換器１２７を介してマイクロコンピュータ１１０により検出される。

バリエータ１０２は、第２アクチュエータ１２１により光軸方向に駆動される（移動可能に構成されている）。第２アクチュエータ１２１は、第２ドライバ１２０を介してマイクロコンピュータ１１０により制御される。

バリエータ１０２の位置は、第２位置検出手段としてのズームエンコーダ１２２及びＡ／Ｄ変換器１２３を介してマイクロコンピュータ１１０により検出される。なお、ズームエンコーダ１２２及びコンペンセータエンコーダ１２６は、例えば、各アクチュエータにより回転駆動されるパルス板と該パルス板による遮光状態と光透過状態とで出力信号が変化するフォトインタラプタとにより構成されている。

絞り１０３は、第３アクチュエータ１２９により光軸方向に駆動される。第３アクチュエータ１２５は、第３ドライバ１２８を介してマイクロコンピュータ１１０により制御される。

絞り１０３の位置（絞り量）は、第３位置検出手段としてのアイリスメータ１３０及びＡ／Ｄ変換器１３１を介してマイクロコンピュータ１１０により検出される。

本実施例では、画像のちらつきや画角の変化の評価方法として、所定量だけピントがずれた像の光強度重心の動きを用いる。

本実施例では、ワイド端でコンペンセータ１０１を１０μｍだけ光軸方向に移動させた場合に、ピントのずれた像の光強度重心の動きを低減する（０に近づける）ためには、バリエータ１０２をコンペンセータ１０１と同一方向に４μｍだけ移動させればよい。また、望遠端では、コンペンセータを１０μｍだけ光軸方向に移動させた場合は、バリエータ１０２をコンペンセータ１０１と同一方向に６μｍだけ移動させればよい。

これらの移動量（振動量）は、マイクロコンピュータ１１０が、メモリ１１１から、ズームエンコーダ１２２により得られたズーム位置情報（ズーム状態）に応じた移動量データを読み出すことで決定される。

本実施例では、上記のようにズーム位置に応じてコンペンセータ１０１の移動量に対するバリエータ１０２の移動量が異なる。つまり、ズーム位置（ズーム状態、ズーム情報））に応じて第１レンズユニットの移動量に対する第２レンズユニットの移動量の比率（相対比）が変化する。このため、本実施例では、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２を駆動する第１及び第２アクチュエータ１２５、１２１としてボイスコイルモータ（ＶＣＭ）を用いて、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２の位置を高精度に制御する。

次に、本実施例のＡＦ制御動作について図５を用いて説明する。このＡＦ制御動作は、マイクロコンピュータ１１０が内部メモリに格納されたコンピュータプログラムに従って実行する。なお、図中の５００が付された部分は互いにつながっていることを示す。

ビデオカメラの電源が投入されると、マイクロコンピュータ１１０は、ＡＦ制御動作を開始する（ステップＳ５０１）。マイクロコンピュータ１１０は、コントラスト値が所定値未満か否かを判定する（ステップＳ５０２）。コントラスト値が所定値以上である場合は、合焦状態とみなしてコンペンセータ１０１の微小振動動作は行わず、コントラスト値の判定を繰り返す。コントラスト値が所定値未満である場合は、ステップＳ５０３にてコントラスト値を内部のＲＡＭに記憶する。

次に、ステップＳ５０４では、マイクロコンピュータ１１０は、バリエータ１０２の位置を検出する。ステップＳ５０５では、コンペンセータ１０１の位置を検出する。さらに、ステップＳ５０６では、絞り値を検出する。これらの検出値は、ＲＡＭに記憶される。

ステップＳ５０７では、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１１から、検出したバリエータ１０２及びコンペンセータ１０１の位置と絞り値とに応じたコンペンセータ１０１及びバリエータ１０２の振幅情報を読み出す。バリエータ１０２の振幅情報は、コンペンセータ１０１の振動動作によって生じる撮像光学系１００の射出瞳位置の変動を低減させるのに必要な移動量である。

ステップＳ５０８では、マイクロコンピュータ１１０は、読み出した振幅情報からコンペンセータ１０１の駆動振幅量を算出し、ステップＳ５０９にてコンペンセータ１０１の駆動周波数を算出する。

また、ステップＳ５１０では、マイクロコンピュータ１１０は、読み出した情報からバリエータ１０２の駆動振幅量を算出し、ステップＳ５１１にてバリエータ１０２の駆動周波数を算出する。

次に、ステップＳ５１２では、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２の駆動振幅量に応じた絞り駆動量を算出する。このときの絞り駆動量は、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２の振動動作によって生じるＦナンバーの変動を低減させるのに必要な駆動量である。

ステップＳ５１３では、マイクロコンピュータ１１０は、コンペンセータ１０１の駆動振幅量の駆動（光軸方向一方への駆動）を開始する。そして、ステップＳ５１４では、コンペンセータ１０１が該駆動振幅量に相当する移動量駆動されたか否かを判定する。まだ該移動量駆動されていない場合は該判定を繰り返し、該移動量駆動された場合はステップＳ５１５にてコンペンセータ１０１の駆動を停止させる。

ステップＳ５１６では、マイクロコンピュータ１１０は、バリエータ１０２の駆動振幅量の駆動（光軸方向一方への駆動）を開始する。そして、ステップＳ５１７では、バリエータ１０２が該駆動振幅量に相当する移動量駆動されたか否かを判定する。まだ該移動量駆動されていない場合は該判定を繰り返し、該移動量駆動された場合はステップＳ５１８にてバリエータ１０２の駆動を停止させる。

続いて、ステップＳ５１９では、マイクロコンピュータ１１０は、絞り１０３の絞り駆動量の駆動（開き方向又は閉じ方向への駆動）を開始する。そして、ステップＳ５２０では、絞り１０３が該絞り駆動量に相当する量駆動されたか否かを判定する。まだ該絞り駆動量分駆動されていない場合は該判定を繰り返し、該絞り駆動量分駆動された場合はステップＳ５２１にて絞り１０３の駆動を停止させる。

次に、ステップＳ５２２では、マイクロコンピュータ１１０は、コントラスト値を読み取る。

そして、ステップＳ５２３では、コントラスト値が所定値未満か否かを判定する。コントラスト値が所定値以上である場合は、該判定を繰り返す。一方、コントラスト値が所定値未満である場合は、ステップＳ５２４にてそのコントラスト値を記憶する。そして、ステップＳ５２５へ進み、コンペンセータ１０１の駆動方向を反転してステップＳ５１３にリターンする（ステップＳ５２６）。

コンペンセータ１０１の駆動方向を反転することで、バリエータ１０２及び絞り１０３の駆動方向も反転する。以上の処理を繰り返すことで、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２はともに光軸方向に微小振動動作し、絞り１０３はその絞り量を増減させるように微小振動動作することになる。

こうして各ルーチンで得られたコントラスト値を比較して、コントラスト値が増加する方向、すなわち合焦位置が存在する方向（合焦方向：合焦位置に関する情報）を判別する。そして、合焦方向に所定量ずつコンペンセータ１０１及びバリエータ１０２を移動させ、得られるコントラスト値が最大付近となった時点で再度コンペンセータ１０１、バリエータ１０２及び絞り１０３を絞り値が変化するように微小振動動作させる。このとき、コントラスト値が増減する中心位置（合焦位置に関する情報）を判定し、その位置を合焦位置とする。

以上の動作によって合焦状態が得られると、コンペンセータ１０１、バリエータ１０２及び絞り１０３の駆動を停止し、ステップＳ５０２に戻って、ＡＦ制御動作を続行する。

実施例１では、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２を駆動する第１及び第２アクチュエータ１２５，１２１としてボイスコイルモータ（ＶＣＭ）を用いる場合について説明したが、ステッピングモータを用いてもよい。

本実施例でも、画像のちらつきや画角の変化の評価方法として、所定量だけピントがずれた像の光強度重心の動きを用いる。この場合も、ワイド端でコンペンセータ１０１を１０μｍだけ光軸方向に移動させた場合に、ピントのずれた像の光強度重心の動きを低減する（０に近づける）ためには、バリエータ１０２をコンペンセータ１０１と同一方向に４μｍだけ移動させればよい。また、望遠端では、コンペンセータを１０μｍだけ光軸方向に移動させた場合は、バリエータ１０２をコンペンセータ１０１と同一方向に６μｍだけ移動させればよい。

ただし、ステッピングモータのパルス送り量と送りねじピッチの製造精度の限界により、ＶＣＭのように高精度な制御は行えない。このため、本実施例では、ズーム全域において、コンペンセータ１０１とバリエータ１０２とを同一方向に一定の比率（２：１）の移動量（振動量）だけ移動させるように微小振動動作を行う。これにより、画像のちらつきや画角の変化を十分に低減することができる。

図６には、実施例３のバリフォーカルレンズ（撮像光学系）の広角端でのレンズ断面を示す。バリフォーカルレンズは、表２に示す光学構成を有する。

第１レンズユニットとしてのコンペンセータは面Ｒ１からＲ６で構成され、第２レンズユニットとしてのバリエータは面Ｒ８からＲ１７で構成される。コンペンセータは、フォーカスレンズの役割も果たす。コンペンセータは最も物体側の第１レンズ群Ｂ１であり、バリエータは第１レンズ群Ｂ１よりも像面側に配置された第２レンズ群である。なお、本実施例のバリフォーカルレンズでは、第１レンズ群Ｂ１と第２レンズ群Ｂ２との間に絞りＳＰが配置され、第２レンズ群Ｂ２よりも像面側に光学フィルタ等のガラスブロックＧが配置されている。ＩＰは像面である。

本実施例のバリフォーカルレンズは、図４に示したビデオカメラと同様な構成のビデオカメラ（例えば、監視カメラ）の撮像光学系として用いられる。

バリフォーカルレンズの特徴として、歪曲収差が大きいことが挙げられる。そこで、本実施例では、画像のちらつきや画角の変化の評価方法として、所定量だけピントがずれた像の面積の重心の動きを用いる。近似量で算出される像倍率では、所定量だけピントがずれた像の評価は困難である。

本実施例のＡＦ制御動作について図７を用いて説明する。このＡＦ制御動作は、マイクロコンピュータ１１０が内部メモリに格納されたコンピュータプログラムに従って実行する。なお、図中の７００が付された部分は互いにつながっていることを示す。また、ここでは、実施例１に倣って、コンペンセータに１０１を、バリエータに１０２を付して説明する。その他の構成要素についても、実施例１と同符号を付す。

ビデオカメラの電源が投入されると、マイクロコンピュータ１１０は、ＡＦ制御動作を開始する（ステップＳ７０１）。マイクロコンピュータ１１０は、コントラスト値が所定値未満か否かを判定する（ステップＳ７０２）。コントラスト値が所定値以上である場合は、合焦状態とみなしてコンペンセータ１０１の微小振動動作は行わず、コントラスト値の判定を繰り返す。コントラスト値が所定値未満である場合は、ステップＳ７０３にてコントラスト値を内部のＲＡＭに記憶する。

次に、ステップＳ７０４では、マイクロコンピュータ１１０は、バリエータ１０２の位置を検出する。ステップＳ７０５では、コンペンセータ１０１の位置を検出する。さらに、ステップＳ７０６では、絞り値を検出する。これらの検出値は、ＲＡＭに記憶される。

ステップＳ７０７では、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１１から、検出したバリエータ１０２及びコンペンセータ１０１の位置と絞り値とに応じたコンペンセータ１０１及びバリエータ１０２の振幅情報を読み出す。バリエータ１０２の振幅情報は、コンペンセータ１０１の振動動作によって生じる撮像光学系１００の射出瞳位置の変動を低減させるのに必要な移動量である。

ステップＳ７０８では、マイクロコンピュータ１１０は、読み出した振幅情報からコンペンセータ１０１の駆動振幅量を算出し、ステップＳ７０９にてコンペンセータ１０１の駆動周波数を算出する。

また、ステップＳ７１０では、マイクロコンピュータ１１０は、読み出した情報からバリエータ１０２の駆動振幅量を算出し、ステップＳ７１１にてバリエータ１０２の駆動周波数を算出する。

ステップＳ７１２では、マイクロコンピュータ１１０は、コンペンセータ１０１の駆動振幅量の駆動（光軸方向一方への駆動）を開始する。そして、ステップＳ７１３では、コンペンセータ１０１が該駆動振幅量に相当する移動量駆動されたか否かを判定する。まだ該移動量駆動されていない場合は該判定を繰り返し、該移動量駆動された場合はステップＳ７１４にてコンペンセータ１０１の駆動を停止させる。

ステップＳ７１５では、マイクロコンピュータ１１０は、バリエータ１０２の駆動振幅量の駆動（光軸方向一方への駆動）を開始する。そして、ステップＳ７１６では、バリエータ１０２が該駆動振幅量に相当する移動量駆動されたか否かを判定する。まだ該移動量駆動されていない場合は該判定を繰り返し、該移動量駆動された場合はステップＳ７１７にてバリエータ１０２の駆動を停止させる。

続いて、ステップＳ７１８では、マイクロコンピュータ１１０は、コントラスト値を読み取る。

そして、ステップＳ７１９では、コントラスト値が所定値未満か否かを判定する。コントラスト値が所定値以上である場合は、該判定を繰り返す。一方、コントラスト値が所定値未満である場合は、ステップＳ７２０にてそのコントラスト値を記憶する。そして、ステップＳ７２１へ進み、コンペンセータ１０１の駆動方向を反転してステップＳ７１２にリターンする（ステップＳ７２２）。

コンペンセータ１０１の駆動方向を反転することで、バリエータ１０２の駆動方向も反転する。以上の処理を繰り返すことで、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２はともに光軸方向に微小振動動作することになる。

こうして各ルーチンで得られたコントラスト値を比較して、コントラスト値が増加する合焦方向を判別する。そして、合焦方向に所定量ずつコンペンセータ１０１及びバリエータ１０２を移動させ、得られるコントラスト値が最大付近となった時点で再度コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２を微小振動動作させる。このとき、コントラスト値が増減する中心位置を判定し、その位置を合焦位置とする。

以上の動作によって合焦状態が得られると、コンペンセータ１０１及びバリエータ１０２の駆動を停止し、ステップＳ７０２に戻って、ＡＦ制御動作を続行する。

図８には、実施例４のズームレンズの広角端でのレンズ断面を示す。ズームレンズは、表３に示す光学構成を有する。

第１レンズユニットとしてのコンペンセータは面Ｒ４からＲ８で構成され、第２レンズユニットとしてのバリエータは面Ｒ１０からＲ１４で構成される。コンペンセータは、フォーカスレンズの役割も果たす。コンペンセータは最も物体側の第１レンズ群Ｂ１より像面側に配置された第２レンズ群Ｂ２であり、バリエータは第２レンズ群Ｂ２よりも像面側に配置された第３レンズ群である。なお、本実施例のズームレンズでは、第２レンズ群Ｂ２と第３レンズ群Ｂ３との間に絞りＳＰが配置され、第３レンズ群Ｂ３よりも像側に固定の第４レンズ群Ｂ４及び光学フィルタ等のガラスブロックＧが配置されている。ＩＰは像面である。

本実施例のズームレンズは、図４に示したビデオカメラと同様な構成のビデオカメラの撮像光学系として用いられる。

本実施例では、光の強度重心Ｐｇを用いた画角変化低減の評価方法について説明する。

図９には、６割の像高において光の強度重心Ｐｇが一定となるコンペンセータとバリエータの移動量の相対比（バリエータ移動量／コンペンセータ移動量）を示す。横軸はズーム全域を１として正規化したズーム位置であり、縦軸はコンペンセータとバリエータの移動量の相対比である。

この図に示す相対比の移動量の関係でコンペンセータとバリエータを微小振動動作させることにより、画像のちらつきや画角の変化を低減することができる。

図１０には、実施例５のズームレンズの広角端でのレンズ断面を示す。ズームレンズは、表４に示す光学構成を有する。

第２レンズユニットとしてのコンペンセータは面Ｒ１からＲ４で構成され、バリエータは面Ｒ６からＲ１０で構成される。コンペンセータは最も物体側の第１レンズ群Ｂ１であり、バリエータは第１レンズ群Ｂ１よりも像面側に配置された第２レンズ群である。また、第２レンズ群Ｂ２よりも像側には、第１レンズユニットとしてのフォーカスレンズである可動の第３レンズ群Ｂ３が配置されている。なお、本実施例のズームレンズでは、第１レンズ群Ｂ１と第２レンズ群Ｂ２との間に絞りＳＰが配置され、第３レンズ群Ｂ３よりも像面側には、光学フィルタ等のガラスブロックＧが配置されている。ＩＰは像面である。

本実施例のズームレンズは、図１２に示すデジタルスチルカメラ（光学機器）の撮像光学系として用いられる。

図１２において、２０はカメラ本体、２１は図１０及び図１１に示したズームレンズとしての撮像光学系である。２２はカメラ本体２０に内蔵され、撮像光学系２１によって形成された被写体像を光電変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子である。２３は撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する画像情報を記録する記録媒体であり、半導体メモリにより構成されている。２４は液晶パネル等によって構成され、被写体画像を観察したり撮像された画像を再生したりするためのディスプレイパネルである。

次に、本実施例のＡＦ制御動作について図１１を用いて説明する。このＡＦ制御動作は、マイクロコンピュータ１１０が内部メモリに格納されたコンピュータプログラムに従って実行する。なお、図中の１００が付された部分は互いにつながっていることを示す。また、ここでは、実施例１に倣って、コンペンセータに１０１を付して説明する。フォーカスレンズには特に符号を付さないが、その他の構成要素については、実施例１と同符号を付す。

ビデオカメラの電源が投入されると、マイクロコンピュータ１１０は、ＡＦ制御動作を開始する（ステップＳ１０１）。マイクロコンピュータ１１０は、コントラスト値が所定値未満か否かを判定する（ステップＳ１０２）。コントラスト値が所定値以上である場合は、合焦状態とみなしてコンペンセータ１０１の微小振動動作は行わず、コントラスト値の判定を繰り返す。コントラスト値が所定値未満である場合は、ステップＳ１０３にてコントラスト値を内部のＲＡＭに記憶する。

次に、ステップＳ１０４では、マイクロコンピュータ１１０は、コンペンセータ１０１の位置を検出する。ステップＳ１０５では、フォーカスレンズの位置を検出する。さらに、ステップＳ１０６では、絞り値を検出する。これらの検出値は、ＲＡＭに記憶される。

ステップＳ１０７では、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１１から、検出したコンペンセータ１０１及びフォーカスレンズの位置と絞り値とに応じたコンペンセータ１０１及びフォーカスレンズの振幅情報を読み出す。コンペンセータ１０１の振幅情報は、フォーカスレンズの振動動作によって生じる撮像光学系の射出瞳位置の変動を低減させるのに必要な移動量である。

ステップＳ１０８では、マイクロコンピュータ１１０は、読み出した振幅情報からフォーカスレンズの駆動振幅量を算出し、ステップＳ１０９にてフォーカスレンズの駆動周波数を算出する。

また、ステップＳ１１０では、マイクロコンピュータ１１０は、読み出した情報からコンペンセータ１０１の駆動振幅量を算出し、ステップＳ１１１にてコンペンセータ１０１の駆動周波数を算出する。

次に、ステップＳ１１２では、マイクロコンピュータ１１０は、フォーカスレンズの駆動振幅量の駆動（光軸方向一方への駆動）を開始する。そして、ステップＳ１１３では、フォーカスレンズが該駆動振幅量に相当する移動量駆動されたか否かを判定する。まだ該移動量駆動されていない場合は該判定を繰り返し、該移動量駆動された場合はステップＳ１１４にてフォーカスレンズの駆動を停止させる。

ステップＳ１１５では、マイクロコンピュータ１１０は、コンペンセータ１０１の駆動振幅量の駆動（光軸方向一方への駆動）を開始する。そして、ステップＳ１１６では、コンペンセータ１０１が該駆動振幅量に相当する移動量駆動されたか否かを判定する。まだ該移動量駆動されていない場合は該判定を繰り返し、該移動量駆動された場合はステップＳ１１７にてコンペンセータ１０１の駆動を停止させる。

続いて、ステップＳ１１８では、マイクロコンピュータ１１０は、コントラスト値を読み取る。

そして、ステップＳ１１９では、コントラスト値が所定値未満か否かを判定する。コントラスト値が所定値以上である場合は、該判定を繰り返す。一方、コントラスト値が所定値未満である場合は、ステップＳ１２０にてそのコントラスト値を記憶する。そして、ステップＳ１２１へ進み、フォーカスレンズの駆動方向を反転してステップＳ１１２にリターンする（ステップＳ１２２）。

フォーカスレンズの駆動方向を反転することで、コンペンセータ１０１の駆動方向も反転する。以上の処理を繰り返すことで、フォーカスレンズ及びコンペンセータ１０１はともに光軸方向に微小振動動作することになる。

こうして各ルーチンで得られたコントラスト値を比較して、コントラスト値が増加する方向、すなわち合焦位置が存在する方向（合焦方向：合焦位置に関する情報）を判別する。そして、合焦方向に所定量ずつフォーカスレンズ及びコンペンセータ１０１を移動させ、得られるコントラスト値が最大付近となった時点で再度フォーカスレンズ及びコンペンセータ１０１を微小振動動作させる。このとき、コントラスト値が増減する中心位置（合焦位置に関する情報）を判定し、その位置を合焦位置とする。

以上の動作によって合焦状態が得られると、フォーカスレンズ及びコンペンセータ１０１の駆動を停止し、ステップＳ１０２に戻って、ＡＦ制御動作を続行する。

本実施例によれば、小型で高い合焦性能を有し、コントラストＡＦにおける画像のちらつきや画角の変化が少ないデジタルスチルカメラを実現することができる。なお、実施例１〜４にて説明した撮像光学系を図１２に示したデジタルスチルカメラに用いることもできる。また、実施例５にて説明した撮像光学系を実施例１に示したビデオカメラに用いることもできる。

また、実施例１〜５で説明した撮像光学系を用いて光学機器としての交換レンズ（レンズ装置）を構成することもできる。

上記各実施例によれば、小型で高い合焦性能を有し、コントラストＡＦにおける画像のちらつきや画角の変化が少ない光学機器を実現することができる。

コンペンセータやフォーカスレンズの移動に伴う像の位置及び大きさの変化を説明する図。 画像のちらつきや画角の変化の評価方法を説明するためのスポットダイアグラムを示す図。 画像のちらつきや画角の変化の評価方法を説明するための光強度を示す図。 本発明の実施例１であるビデオカメラに搭載されるズームレンズの広角端での断面図。 実施例１のズームレンズを備えたビデオカメラの構成を示すブロック図。 実施例１のビデオカメラの動作を示すフローチャート。 本発明の実施例３あるビデオカメラに搭載されるズームレンズの広角端での断面図。 実施例１のビデオカメラの動作を示すフローチャート。 本発明の実施例４のビデオカメラに搭載されるズームレンズの広角端での断面図。 実施例４において光強度重心Ｐｇを用いた評価図。 本発明の実施例５あるデジタルスチルカメラに搭載されるズームレンズの広角端での断面図。 実施例５のデジタルスチルカメラの動作を示すフローチャート。 実施例５のデジタルスチルカメラの概略図。

符号の説明

１００ 撮像光学系
１０１ コンペンセータ
１０２ バリエータ
１０３ 絞り
１０４，２２ 撮像素子
１１０ マイクロコンピュータ

Claims (6)

1. それぞれ独立して光軸方向に移動可能な第１レンズユニット及び第２レンズユニットを含む撮像光学系と、映像信号から得られたコントラスト情報に基づいて合焦位置に関する情報を得るために前記第１レンズユニットを振動動作させる制御手段とを有し、
   前記撮像光学系は、該撮像光学系の射出瞳位置が像面に最も近い場合における該像面から該射出瞳位置までの距離をｔｋとし、該撮像光学系の像面位置での像の有効対角線長をＬとするとき、
   ｜ｔｋ／Ｌ｜＜１５
   を満足し、
   前記撮像光学系は、絞り量が可変である絞りユニットを含み、
   前記制御手段は、前記第１レンズユニットの振動動作に伴う前記撮像光学系の射出瞳位置の変動を低減させるように前記第２レンズユニットを振動動作させ、前記第１レンズユニットの振動動作に伴う前記撮像光学系のＦナンバーの変動を低減させるように前記絞りユニットの絞り量を変化させることを特徴とする光学機器。
2. 前記撮像光学系は変倍光学系であり、前記第１レンズユニットの位置敏感度の最小値をＥｓｍとするとき、
   ｜Ｅｓｍ｜＜０．５
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 前記撮像光学系は変倍光学系であり、
   前記制御手段は、ズーム全域において、前記第１レンズユニットの振動量に対する前記第２レンズユニットの振動量の比率を一定とするように前記第２レンズユニットを振動動作させることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学機器。
4. 前記撮像光学系は変倍光学系であり、
   前記制御手段は、前記第１レンズユニットの振動量に対する前記第２レンズユニットの振動量の比率がズーム状態に応じて変化するように前記第２レンズユニットを振動動作させることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学機器。
5. 前記制御手段は、前記第１レンズユニットが振動動作を開始してから０．２秒以内に前記第２レンズユニットの振動動作を開始させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学機器。
6. 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光学機器。
   ｜ｔｋ／ｆｔｋ｜＜１５
   ただし、ｆｔｋはその場合における前記撮像光学系の焦点距離である。