(57)【要約】【課題】レンズの移動を高速化する。【解決手段】光学装置であって、光軸方向に移動可能な第一光学部材と、第一光学部材の現在位置から目標位置までの距離が予め定められた閾値よりも大きい場合は現在位置および目標位置の間の位置までの移動制御に対応した中間制御値を生成し、距離が閾値と等しいか閾値よりも小さい場合は目標位置までの移動制御に対応した終点制御値を生成する制御部と、制御部から入力された制御値に応じて第一光学部材を目標位置まで移動させる駆動部とを備える。【選択図】図１０
2015040954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向に移動可能な第一光学部材と、
前記第一光学部材の現在位置から目標位置までの距離が予め定められた閾値よりも大きい場合は前記現在位置および前記目標位置の間の位置までの移動制御に対応した中間制御値を生成し、前記距離が前記閾値と等しいか前記閾値よりも小さい場合は前記目標位置までの移動制御に対応した終点制御値を生成する制御部と、
前記制御部から入力された制御値に応じて前記第一光学部材を目標位置まで移動させる駆動部と
を備える光学装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記中間制御値または前記終点制御値に対する負帰還制御により前記第一光学部材を移動させる請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記駆動部は、前記中間制御値または前記終点制御値を目標値としてＰＩＤ制御により前記第一光学部材を移動させる請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記閾値は、前記駆動部が持続振動を生じる制御値よりも小さな値を有する請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記中間制御値を含む軌道関数を前記駆動部に与える請求項３または請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
光軸方向に移動する、前記第一光学部材と異なる第二光学部材を更に備え、
前記目標位置は、前記第二光学部材の移動に追従する前記第一光学部材の移動量を予め格納したテーブルを参照して決定される請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第一光学部材は、移動することにより光学系の合焦距離を変化させ、
前記第二光学部材は、移動することにより前記光学系の焦点距離を変化させる
請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の光学装置を備える撮像装置。
【請求項９】
光学装置において光軸方向に移動可能な第一光学部材の移動を制御する制御方法であって、
前記第一光学部材の現在位置から目標位置までの距離と予め定められた閾値とを比較する段階と、
前記距離が前記閾値よりも大きい場合に前記現在位置および前記目標位置の間の位置までの移動制御に対応した中間制御値を生成し、前記距離が前記閾値と等しいか前記閾値よりも小さい場合に前記目標位置までの移動制御に対応した終点制御値を生成する段階と、
前記中間制御値または終点制御値を、前記第一光学部材を目標位置まで移動させる駆動部に入力して前記第一光学部材を前記目標位置まで移動させる段階と
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置、撮像装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイスコイルモータで駆動するレンズを備えたレンズ鏡筒がある（特許文献１参照）。
［特許文献１］  特開２００８−１５１９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
レンズ鏡筒においては、レンズ移動を高速化することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第一態様においては、光軸方向に移動可能な第一光学部材と、第一光学部材の現在位置から目標位置までの距離が予め定められた閾値よりも大きい場合は現在位置および目標位置の間の位置までの移動制御に対応した中間制御値を生成し、距離が閾値と等しいか閾値よりも小さい場合は目標位置までの移動制御に対応した終点制御値を生成する制御部と、制御部から入力された制御値に応じて第一光学部材を目標位置まで移動させる駆動部とを備える光学装置が提供される。
【０００５】
本発明の第二態様においては、上記光学装置を備える撮像装置が提供される。
【０００６】
本発明の第三態様においては、光学装置において光軸方向に移動可能な第一光学部材の移動を制御する制御方法であって、第一光学部材の現在位置から目標位置までの距離と予め定められた閾値とを比較する段階と、距離が閾値よりも大きい場合に現在位置および目標位置の間の位置までの移動制御に対応した中間制御値を生成し、距離が閾値と等しいか閾値よりも小さい場合に目標位置までの移動制御に対応した終点制御値を生成する段階と、中間制御値または終点制御値を、第一光学部材を目標位置まで移動させる駆動部に入力して第一光学部材を目標位置まで移動させる段階とを備える制御方法が提供される。
【０００７】
上記発明の概要は、この発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】撮像システム１００の模式的断面図である。
【図２】変倍レンズと合焦レンズとの位置関係を示すグラフである。
【図３】制御系４００のブロック図である。
【図４】制御系４００の動作手順を示す流れ図である。
【図５】制御系４００の動作手順を示す流れ図である。
【図６】制御系４００の動作手順を示す流れ図である。
【図７】制御系４００の動作手順を示す流れ図である。
【図８】目標位置の軌道関数（等速領域ありの場合）を説明するグラフである。
【図９】目標位置の軌道関数（等速領域なしの場合）を説明するグラフである。
【図１０】制御系４００の動作手順を示す流れ図である。
【図１１】ステップ応答制御による合焦レンズの位置変化を示すグラフである。
【図１２】ステップ応答制御による合焦レンズの位置変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。下記の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、撮像システム１００の模式的断面図である。撮像システム１００は、レンズユニット２００とカメラボディ３００とを備える。撮像システム１００は撮像装置の一例であり、レンズユニット２００は光学装置の一例である。
【００１１】
なお、説明を簡潔にする目的で、下記の説明においては、カメラボディ３００に装着したレンズユニット２００に対して物体側を、撮像システム１００の前側または先側と記載する。また、レンズユニット２００に対して物体から遠い側を、撮像システム１００における後側または背面側と記載する。
【００１２】
レンズユニット２００は、固定筒２０１、繰り出し筒２１４および移動筒２０２を含むレンズ鏡筒を有する。また、レンズユニット２００は、レンズ鏡筒の内部において光軸Ｘに沿って配置された第一レンズ群２１０、第二レンズ群２２０、第三レンズ群２３０、第四レンズ群２４０および第五レンズ群２５０により形成された光学系を備える。
【００１３】
レンズユニット２００において、固定筒２０１は、後端にレンズ側マウント部２６０を有する。レンズ側マウント部２６０は、カメラボディ３００前面に設けられたボディ側マウント部３６０結合できる。これにより、固定筒２０１はカメラボディ３００に対して固定される。
【００１４】
レンズ側マウント部２６０およびボディ側マウント部３６０の結合は、予め定められた操作で解除できる。これにより、カメラボディ３００は、同じ規格のレンズ側マウント部２６０を有する他のレンズユニット２００と組み合わせて、光学的特性の異なる撮像システム１００を形成できる。
【００１５】
レンズユニット２００において、繰り出し筒２１４は、固定筒２０１に対して光軸Ｘと平行な方向に移動可能に、固定筒２０１から支持される。繰り出し筒２１４は、カム筒２１７により駆動されて、固定筒２０１に対して光軸Ｘ方向に移動する。
【００１６】
カム筒２１７は、直流モータ２１８に回転駆動される駆動ギヤ２１９で駆動される。繰り出し筒２１４が固定筒２０１の前方に繰り出された場合は、レンズユニット２００の全長が長くなる。また、繰り出し筒２１４が後方に移動した場合は、繰り出し筒２１４と固定筒２０１とが重なって、レンズユニット２００の全長が短縮される。これにより、レンズユニット２００の携帯の便宜が図られる。
【００１７】
移動筒２０２は、固定筒２０１に対して、光軸Ｘと平行な方向に移動可能に配される。移動筒２０２は、固定筒２０１の内部で移動し、固定筒２０１の前方まで繰り出されることはない。
【００１８】
また、レンズユニット２００は、固定筒２０１の外周に配された変倍操作環２０３および合焦操作環２０５と、固定筒２０１の内側に配された変倍エンコーダ２０４および合焦エンコーダ２０６とを備える。変倍操作環２０３および合焦操作環２０５は、それぞれ、光軸Ｘを回転軸として、固定筒２０１の周面に沿って回転する。
【００１９】
変倍エンコーダ２０４は、変倍操作環２０３を回転させる操作量に応じた数の電気信号パルスを発生する。また、合焦エンコーダ２０６は、合焦操作環２０５を回転させる操作量に応じた数のパルス信号を発生する。これにより、変倍操作環２０３および合焦操作環２０５に対するユーザの操作量は電子回路に伝えられる。
【００２０】
レンズユニット２００において、第一レンズ群２１０は、繰り出し筒２１４前端に支持されたレンズ保持枠２１２に保持される。繰り出し筒２１４は、直流モータ２１８により回転駆動されるカム筒２１７に駆動されて、固定筒２０１に対して進退する。第一レンズ群２１０は、繰り出し筒２１４と共に、固定筒２０１に対して進退する。繰り出し筒２１４が固定筒２０１に対して前進した場合、第一レンズ群２１０の背後には、第二レンズ群２２０が光軸Ｘ方向に移動する空間が形成される。
【００２１】
第二レンズ群２２０は、レンズ保持枠２２２に保持される。レンズ保持枠２２２は、光軸Ｘと平行に配された案内軸２２６から摺動可能に支持され、光軸Ｘと平行に移動する。また、レンズ保持枠２２２は、リードスクリュー２２９により並進駆動される。リードスクリュー２２９は、ステッピングモータ２２８に回転駆動される。
【００２２】
第三レンズ群２３０を保持するレンズ保持枠２３２は、移動筒２０２の前端に固定される。第五レンズ群２５０を保持するレンズ保持枠２５２は、移動筒２０２の後端に固定される。よって、移動筒２０２が移動する場合、第三レンズ群２３０および第五レンズ群２５０は、一定の間隔を保ちつつ移動筒２０２と共に光軸Ｘ方向に移動する。
【００２３】
なお、第三レンズ群２３０は、防振レンズ２３４を含む。防振レンズ２３４を保持するレンズ保持枠２３６は、ユーザの手振れ等に起因する像ぶれを補償すべく、光軸Ｘに対して交差する方向に、防振レンズ２３４を変位させる。
【００２４】
第四レンズ群２４０は、第三レンズ群２３０および第五レンズ群２５０の間で、移動筒２０２の内側に配されたレンズ保持枠２４２に保持される。第四レンズ群２４０は、移動筒２０２が移動する場合は、移動筒２０２、第三レンズ群２３０および第五レンズ群２５０と共に、固定筒２０１に対して移動する。また、第四レンズ群２４０は、ボイスコイル２４６、永久磁石２８２およびヨーク２８４を含んで形成されたボイスコイルモータ２８０により並進駆動されて、第三レンズ群２３０および第五レンズ群２５０に対して移動する。
【００２５】
ボイスコイル２４６は、レンズ保持枠２４２から、第四レンズ群２４０の径方向に延伸された延伸部２４４に固定される。永久磁石２８２およびヨーク２８４は、移動筒２０２の内側に、長手方向が光軸Ｘと平行になる向きに配される。これにより、ボイスコイルモータ２８０は、ボイスコイル２４６に駆動電流を供給した場合に、レンズ保持枠２４２を光軸Ｘ方向に移動させる駆動力を発生する。
【００２６】
なお、レンズユニット２００において、ボイスコイルモータ２８０は、光軸Ｘに対して対称に一対設けられる。一対のボイスコイルモータ２８０は、互いに同期してレンズ保持枠２４２を駆動する。これにより、ボイスコイルモータ２８０がレンズ保持枠２４２を駆動する場合に、レンズ保持枠２４２を光軸Ｘに対して傾ける力が生じ難い。
【００２７】
上記の様なレンズユニット２００の光学系においては、ユーザにより操作された変倍操作環２０３の操作量に応じて、直流モータ２１８、ステッピングモータ２２８およびボイスコイルモータ２８０のうちの少なくともひとつが駆動され、例えば、第二レンズ群２２０と、第三レンズ群２３０、第四レンズ群２４０および第五レンズ群２５０を含む移動筒２０２とを移動させる。これにより、レンズユニット２００の光学系全体の倍率が変化する。このように、光学系の倍率の変化に関与するレンズ群を、以降、「変倍レンズ」と記載する。
【００２８】
また、レンズユニット２００の光学系においては、ユーザにより操作された合焦操作環２０５の操作量に応じてボイスコイルモータ２８０が駆動され、第四レンズ群２４０を移動させる。これにより、レンズユニット２００の光学系全体の合焦位置が変化する。このように、光学系の合焦に関与するレンズ群を、以降、「合焦レンズ」と記載する。
【００２９】
カメラボディ３００は、ボディ側マウント部３６０の後方に配されたミラーユニット３７０を備える。ミラーユニット３７０の下方には合焦光学系３８０が、ミラーユニット３７０の上方にはフォーカシングスクリーン３５２が、それぞれ配される。
【００３０】
更に、フォーカシングスクリーン３５２の更に上方にはペンタプリズム３５４が、ペンタプリズム３５４の後方にはファインダ光学系３５６が、それぞれ配される。ファインダ光学系３５６の後端は、ファインダ３５０としてカメラボディ３００の背面に露出する。
【００３１】
ミラーユニット３７０の後方には、シャッタユニット３１０、ローパスフィルタ３３２、撮像素子３３０、基板３２０および表示部３４０が順次配される。液晶表示板等により形成される表示部３４０は、カメラボディ３００の背面に表われる。基板３２０には、制御部３２２および画像処理部３２４が実装される。
【００３２】
ミラーユニット３７０は、メインミラー３７１およびサブミラー３７４を含む。メインミラー３７１は、メインミラー回動軸３７３により軸支されたメインミラー保持部３７２に保持される。
【００３３】
サブミラー３７４は、サブミラー回動軸３７６により軸支されたサブミラー保持部３７５に保持される。サブミラー回動軸３７６は、メインミラー保持部３７２に配される。よって、メインミラー保持部３７２が回動した場合、サブミラー保持部３７５もメインミラー保持部３７２と共に変位する。
【００３４】
メインミラー保持部３７２の前端が降下した場合、メインミラー３７１は、レンズユニット２００からミラーユニット３７０に入射した入射光束の光路と交差する観察位置にある。メインミラー保持部３７２の前端が上昇した場合、メインミラー３７１は、入射光束の光路を避けた撮影位置にある。
【００３５】
メインミラー３７１が観察位置にある場合、入射光束は、メインミラー３７１に反射されて、図中上方のフォーカシングスクリーン３５２に導かれる。フォーカシングスクリーン３５２は、撮像素子３３０の撮像面と光学的に共役な位置に配され、レンズユニット２００の光学系が形成した像を可視化する。
【００３６】
フォーカシングスクリーン３５２上に形成された像は、ペンタプリズム３５４およびファインダ光学系３５６を通じてファインダ３５０からユーザにより観察される。ペンタプリズム３５４を通じて観察される像は正立正像となる。
【００３７】
ペンタプリズム３５４に入射した入射光束の一部は、ファインダ光学系３５６の上方に配された測光センサ３９０に受光される。これにより、測光センサ３９０は、被写体輝度を検出する。制御部３２２は、撮像システム１００による撮影条件を算出する場合に、測光センサ３９０が検出した被写体輝度を参照する。
【００３８】
また、メインミラー３７１は、入射光束の一部を透過するハーフミラー領域を有する。メインミラー３７１が観察位置にある場合にハーフミラー領域を透過した入射光束の一部は、サブミラー３７４に反射されて、合焦光学系３８０に導かれる。合焦光学系３８０は、焦点検出センサ３８２によりレンズユニット２００の光学系のデフォーカス量を検出する制御部３２２は、検出されたデフォーカス量を算出して、レンズユニット２００の光学系を合焦させる場合に移動させるレンズの目標位置を決定する。
【００３９】
メインミラー３７１が撮影位置にある場合、入射光束は、ミラーユニット３７０内を直進する。これにより、入射光束はミラーユニット３７０の後方に到達し、シャッタユニット３１０が開放されている場合は、ローパスフィルタ３３２を通じて撮像素子３３０に到達する。
【００４０】
上記のようなレンズユニット２００およびカメラボディ３００を備える撮像システム１００においてレリーズボタンが半押しされると、例えば、焦点検出センサ３８２および測光センサ３９０が有効になり、被写体像を適切な撮影条件で撮影できる状態になる。更に、レリーズボタンが全押しされると、メインミラー３７１およびサブミラー３７４が退避位置に移動して、シャッタユニット３１０が開く。
【００４１】
これにより、レンズユニット２００から入射した入射光束は、ローパスフィルタ３３２を通過して撮像素子３３０に入射する。撮像素子３３０は、入射光束により形成された像を電気信号に変換して、画像ファイルとして記録する。
【００４２】
上記のようなレンズユニット２００を用いた撮像システム１００においてレンズユニット２００の倍率を変化させた場合、変倍レンズの移動に伴って、当該光学系の合焦位置も併せて変化する。また、そのような合焦位置の変化は、撮影距離、即ち、光学系を合焦させる対象である被写体から撮像素子３３０までの距離に応じて異なる。
【００４３】
上記撮像システム１００のレンズユニット２００は、第四レンズ群２４０を光軸Ｘ方向に移動させるボイスコイルモータ２８０に、第四レンズ群を目標位置まで移動させる中間制御値または終点制御値を与える制御系４００を更に含む。ここで、制御系４００は、第四レンズ群２４０の現在位置から目標位置までの距離が予め定められた閾値よりも大きい場合に、現在位置および目標位置の間の位置までの移動制御に対応した中間制御値を生成し、距離が閾値と等しいか閾値よりも小さい場合は目標位置までの移動制御に対応した終点制御値を生成する。
【００４４】
図２は、レンズユニット２００の光学系における変倍レンズの位置と合焦レンズの位置との関係を示すグラフである。図２に示す曲線は、変倍レンズを移動させて光学系の倍率を変化させた場合に、被写体に対する合焦状態を維持する合焦レンズの位置を示す。複数の曲線Ｃ１〜Ｃ４は、被写体が異なる撮影距離に位置している場合をそれぞれ示す。
【００４５】
変倍レンズは前述のように、複数のレンズ群で構成されるが、そのうち合焦レンズを除くその他のレンズ群の相対位置関係は、レンズ焦点距離に応じて一意に決まっている。その中の代表的なレンズ群の位置を表したものが「変倍レンズの位置」ということになる。その相対位置関係を前述した直流モータ２１８、ステッピングモータ２２８によって制御する。
【００４６】
図示のような光学特性を有する光学系を備えたレンズユニットにおいては、変倍レンズを移動させた場合に、合焦レンズも併せて移動させる。例えば、まず、曲線Ｃ３に対応する合焦距離にある被写体に光学系を合焦させ、次に、変倍レンズを位置Ｘから位置Ｙに移動させて光学系の倍率を変えた場合、変倍レンズと合焦レンズの位置関係を曲線Ｃ３上でｘ３からｙ３へ移動させるには、変倍レンズの移動に伴って合焦レンズを位置Ａから位置Ｂまで、距離ｄ１移動させる。これにより、光学系の被写体に対する合焦状態が維持される。
【００４７】
更に、同じ被写体に対する光学系の合焦状態を維持したまま、変倍レンズを位置Ｙから位置Ｚに移動させて光学系の倍率を変えた場合、変倍レンズと合焦レンズの位置関係を曲線Ｃ３上でｙ３からｚ３へ移動させるには、変倍レンズの移動に伴って合焦レンズを位置Ｂから位置Ｃまで距離ｄ２移動させる。これにより、光学系の被写体に対する合焦状態が維持される。
【００４８】
このように、変倍レンズの移動に追従して合焦レンズを移動させることにより合焦状態を維持する動作をズームトラッキング動作と呼ぶ。ズームトラッキング動作により、レンズユニット２００は、変倍しても合焦距離が変化しないズームレンズのように取り扱うことができる。
【００４９】
なお、変倍レンズの位置Ｘから位置Ｙまでの距離と、位置Ｙから位置Ｚまでの距離は略等しい。しかしながら、合焦レンズの位置Ａから位置Ｂまでの距離は、位置Ｂから位置Ｃまでの距離よりも短い。このように、合焦状態を維持する目的で変倍レンズに対して合焦レンズを追従して移動させる場合の移動距離は、変倍レンズの位置により異なる。また、このような合焦レンズの移動距離の相違は、被写体までの撮影距離Ｃ１〜Ｃ４が異なる場合も相違する。よって、変倍レンズの位置と合焦レンズの位置との関係は、例えば、予めテーブルにして、合焦レンズを移動させる場合に参照できるようにしておくことが好ましい。
【００５０】
また、上記のようなズームトラッキング動作に伴う合焦レンズの移動距離は、合焦レンズが移動し得る距離全体に対して相対的に短い。例えば、撮像システム１００の電源を投入した直後の合焦レンズの位置は、図中に位置ｘ１として示すように、被写体に対して合焦する位置からかけ離れている場合がある。このような場合、合焦レンズの位置を、例えば位置Ａまで戻すには、相対的に大きな距離ｄ３移動させる。
【００５１】
図３は、レンズユニット２００において合焦レンズの移動を制御する制御系４００のブロック図である。制御系４００は、変倍操作環２０３および合焦操作環２０５からの操作を受け付けると共に、合焦サーボ開始、移動先等の指令を受けて、合焦レンズの移動を制御する。
【００５２】
変倍操作環２０３は、レンズユニット２００の倍率を変更しようとするユーザにより操作される。変倍操作環２０３が操作されると、変倍エンコーダ２０４が検出した変倍操作環２０３の操作量に応じてステッピングモータ２２８等が動作して、変倍レンズ４０２が移動する。これにより、レンズユニット２００の倍率は、変倍操作環２０３の操作量に応じて変化する。
【００５３】
変倍レンズ４０２の移動量は、変倍レンズ位置センサ４０３に検出される。検出された変倍レンズの位置は、レンズユニット２００に設定された倍率を示す情報として、合焦レンズ目標位置算出部４１１に参照される。
【００５４】
合焦レンズ初期撮影距離記憶部４０７は、合焦サーボ開始指令４０６を受け付けた場合に、記憶していた初期撮影距離を送出する。また、制御系４００において合焦レンズ撮影距離記憶部４０９は、合焦レンズ撮影距離算出部４０８が算出した撮影距離の値を保持する。これら、合焦レンズの初期撮影距離または動作中の撮影距離は、切り換え部４１０を通じて、合焦レンズ目標位置算出部４１１から択一的に参照される。
【００５５】
マニュアルフォーカスの場合には、ユーザ自身がレンズユニット２００を合焦させるために合焦操作環を２０５操作する。そして、合焦操作環２０５に対する操作量が合焦エンコーダ２０６に入力される。オートフォーカスの場合には、撮像システム１００がレンズユニット２００を自動的に合焦させるオートフォーカス機能による移動先指令４１７からの移動量情報が合焦エンコーダ２０６に入力される。
【００５６】
切り換え部４２８は、合焦エンコーダ２０６への入力を、合焦操作環２０５からの操作量と移動先指令４１７からの移動量情報とのいずれかに切り替えることができる。すなわち、マニュアルフォーカスとオートフォーカスとを切り替えることができる。合焦操作環２０５に対するユーザの操作量及び移動先指令４１７から移動量情報は、合焦レンズの移動量を決定するパラメータのひとつとして、合焦エンコーダ２０６を通じて合焦レンズ目標位置算出部４１１の出力と加算される。
【００５７】
合焦レンズ目標位置算出部４１１の出力は、合焦レンズリミッタ４１４に入力される。合焦レンズリミッタ４１４は、合焦レンズの移動範囲を、合焦レンズの移動によりレンズユニット２００の光学系を合焦させることができる有効範囲に制限する。
【００５８】
レンズ位置保持部４１５は、合焦レンズに対する移動制御が実行されていない場合に、合焦レンズの位置をそのときの位置に保持する。また、軌道関数生成部４１６は、移動先指令４１７を外部から受け付けて、合焦レンズの移動を制御する場合に用いる軌道関数を生成する。これら、合焦レンズリミッタ４１４、レンズ位置保持部４１５および軌道関数生成部４１６の出力は、切り換え部４１８を通じて、位置制御部４１９に択一的に入力される。
【００５９】
位置制御部４１９は、目標位置に向かって合焦レンズを移動させるＰＩＤ制御を実行する。よって、レンズ位置保持部４１５の出力を受けた場合、位置制御部４１９は、合焦レンズ自体の位置を目標位置として移動制御をする。即ち、合焦レンズは、そのときの位置を保持し続ける。
【００６０】
また、位置制御部４１９は、合焦レンズリミッタ４１４の出力を受けた場合に、合焦レンズを目標位置に向かって移動させる。目標位置は、合焦操作環２０５を通じたユーザの指示に応じるか、または、合焦レンズ目標位置算出部４１１を通じたズームトラッキングの指示に応じて決定される。更に、位置制御部４１９は、軌道関数生成部４１６の出力を受けた場合に、軌道関数生成部４１６が生成した軌道関数を用いて合焦レンズの移動を制御する。
【００６１】
位置制御部４１９の出力は、駆動部４２０を通じてアクチュエータ４２３を駆動する。これにより、合焦レンズは目標位置に向かって移動する。アクチュエータ４２３は、例えば、図１に示したボイスコイルモータ２８０である。ボイスコイルモータ２８０は動作音が低いので、特に動画撮影に適している。
【００６２】
なお、駆動部４２０は、フィードフォワード制御部４２１の出力も受ける。これにより、駆動部４２０は、制御遅れを小さくでき、合焦レンズを良好に移動させることもできる。また、駆動部４２０の出力は、過電流検出部４２２にも入力される。過電流検出部４２２は、駆動部４２０の出力電流が過剰な場合に、異常を検出したものとして、例えば駆動部４２０の出力を遮断する。これにより、アクチュエータ４２３は、過電流から保護される。
【００６３】
更に、合焦レンズ位置算出部４２４は、位置検出センサ４２７からの出力に基づいてアクチュエータ４２３に駆動された合焦レンズの位置を算出する。算出された合焦レンズ位置４２５は、合焦レンズを帰還制御する場合に参照される。位置検出センサ４２７は、レンズ保持枠２４２の近傍に設けられ、レンズ保持枠２４２（すなわち合焦レンズである第四レンズ群２４０）の光軸方向の位置を検出するものであり、磁気式あるいは光学式のエンコーダ等で構成される。
【００６４】
図４は、制御系４００において実行される制御のメインフローを示す流れ図である。合焦レンズの移動に関する制御は、撮像システム１００の電源が投入された直後から開始される（ステップＳ１０１）。
【００６５】
制御系４００は、リソースの初期化、自己診断等の立ち上げ処理により制御系４００の各部が正常に動作していることを確認した後、合焦レンズに対する合焦サーボの開始シーケンスを実行する（ステップＳ１０２）。こうして、合焦レンズは制御系の位置制御下におかれる。ここで、合焦レンズは、図１に示した撮像システム１００における第四レンズ群２４０のように、レンズユニット２００の光学系の合焦に関与する光学部材全般を指す。
【００６６】
次に、制御系４００は、移動指令に対して合焦レンズを目標位置に移動させる合焦レンズ位置制御シーケンスの実行を開始する（ステップＳ１０３）これにより、制御系４００は、合焦レンズを移動させる。
【００６７】
次いで、制御系４００は、合焦サーボを終了させる指令が発生しているか否かを調べる（ステップＳ１０４）。合焦サーボの終了指令が発生していない場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、制御系４００は、合焦レンズ位置制御シーケンスを継続する（ステップＳ１０３）。
【００６８】
ステップＳ１０４において、以上検出等により合焦サーボを終了させる指令が発生していることが検出された場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、制御系４００は、合焦サーボの終了シーケンスを実行する（ステップＳ１０５）。こうして、合焦レンズに対する制御のメインフローは完結する（ステップＳ１０６）。換言すれば、異常検出、電源遮断等による合焦サーボ終了の指令がない限り、制御系４００は、合焦レンズに対する合焦レンズ位置制御シーケンスを繰り返す。
【００６９】
図５は、図４に示したメインフローにおける合焦サーボ開始シーケンス（ステップＳ１０２）の内容を詳細に示す流れ図である。合焦サーボのシーケンスが開始されると、制御系４００は、まず、合焦レンズの現在位置を取得する（ステップＳ２０１）。合焦レンズの現在位置は、レンズユニット２００に設けられた位置検出センサ４２７から取得できる。
【００７０】
次に、制御系４００は、合焦レンズの目標位置として、取得した現在位置を設定する（ステップＳ２０２）。これにより、合焦レンズの現在位置が初期値として設定される。更に、制御系４００は、位置制御ループを有効にする（ステップＳ２０３）。
【００７１】
制御系４００は、有効にした位置制御ループが安定したか否かを調べ（ステップＳ２０４）、安定するまで次の手順を待機させる（ステップＳ２０４：ＮＯ）。位置制御ループが安定すると（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、合焦レンズの位置が、検出された現在位置に固定される。
【００７２】
次に、制御系４００は、合焦レンズの位置に対応する撮影距離を算出する（ステップＳ２０５）。次いで、算出された撮影距離に対応する合焦レンズの位置が、有効範囲に含まれているか否かを調べる（ステップＳ２０６）。ここで、有効範囲とは、レンズユニット２００に設定された倍率に応じて、合焦レンズが光学系を合焦させ得る位置にあるか否かを意味する。
【００７３】
合焦レンズが有効範囲外に位置する場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、制御系４００は、合焦レンズが有効範囲に接近する方向、例えば、無限遠側に予め定められた合焦レンズの位置に目標位置を定め（ステップＳ２０７）、当該目標位置に向かって合焦レンズを移動させるべく、移動制御シーケンスを実行する（ステップＳ２０８）。
【００７４】
次いで、制御系４００は、手順をステップＳ２０４に戻し、合焦レンズに対する位置制御ループが安定したか否かを再び調べる。こうして、合焦レンズの位置が有効範囲に入るまで、ステップＳ２０４からステップＳ２０７までの手順が繰り返される。
【００７５】
合焦レンズが有効範囲内に位置する場合（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、制御系４００は、合焦レンズが有効範囲の外に移動することを制限すべくリミッタを有効にする（ステップＳ２０９）。こうして、合焦レンズに対する移動制御を実行し得る状態になり、合焦サーボの開始シーケンスは終了する（ステップＳ２１０）。
【００７６】
図６は、図５に示した移動制御シーケンス（ステップＳ２０８）の詳細を示す流れ図である。移動制御シーケンス（ステップＳ２０８）において、制御系４００は、まず、軌道関数を生成する場合に用いられるパラメータの値を取得する（ステップＳ３０１）。
【００７７】
軌道関数は、経過した時間に応じて目標位置を順次変更して、最終的に合焦レンズを終点目標位置に到達させるプロファイルを意味する。軌道関数によると、経過時間に応じた時刻毎の駆動波形が、その時点の目標位置に対してＰＩＤコントローラにより決定される。ステップＳ３０１において制御系４００が取得すべきパラメータは、合焦レンズの初期位置、合焦レンズの移動先位置、合焦レンズの移動方向（正負）、合焦レンズの移動加速度、最高移動速度および整定時間ＴＳを含む。
【００７８】
次に、制御系４００は、終点目標位置への到達時間を算出する（ステップＳ３０２）。終点目標への到達時間は、ステップＳ３０１において取得されたパラメータの値に基づいて算出される。次いで、制御系４００は、移動制御に係る経過時間のタイマによる計測を開始する（ステップＳ３０３）。
【００７９】
続いて、制御系４００は、経過時間を計測しつつ、軌道関数による目標位置を設定して合焦レンズを駆動する軌道関数の目標位置設定シーケンスを実行する（ステップＳ３０４）。これにより、合焦レンズは、レンズユニット２００の光学系を合焦させることができる範囲の位置に向かって接近する。
【００８０】
更に制御系４００は、計測した経過時間が目標時間を超えたか否かを調べる（ステップＳ３０５）。ここで、目標時間は、ステップＳ３０１において取得された整定時間ＴＳと、ステップＳ３０２において算出された目標到達時間との合計を意味する。よって、目標位置設定シーケンスの実行時間が目標時間を超えた場合は、合焦レンズは終点目標に到達している。
【００８１】
ステップＳ３０５において経過時間が到達時間に達していない場合（ステップＳ：ＮＯ）、制御系４００は目標位置設定シーケンスを継続する。一方、経過時間が到達時間を超えた場合（ステップＳ：ＹＥＳ）、合焦レンズは有効な合焦サーボを実行できる有効範囲に達しているので、制御系４００は移動制御シーケンスを終了する（ステップＳ３０６）。
【００８２】
図７は、図６に示した軌道関数の目標位置設定シーケンス（ステップＳ３０４）の詳細を示す流れ図である。目標位置設定シーケンスにおいて制御系４００は、まず、軌道関数演算により合焦レンズの相対位置ｙ（ｔ）を算出する。
【００８３】
相対位置ｙ（ｔ）の演算方法を次に例示する。なお、合焦レンズの移動速度は、速度変化が台形を描く台形速度駆動とし、最高速度制限を設定した。
【００８４】
まず、レンズユニット２００においてボイスコイルモータ２８０により駆動される合焦レンズの移動加速度（±ａ［ｍ／秒２］）と最高移動速度（Ｖｍａｘ［ｍｍ／秒］）とを取得し、合焦レンズの加速（＋ａ）に要する時間ｔａ［ｍ秒］、合焦レンズの減速（−ａ）に要する時間ｔｂ［ｍ秒］、合焦レンズの等速移動に要する時間ｔＶをそれぞれ算出する。ここで、合焦レンズの移動速度は台形速度制御なので、下記の式１のような関係が成り立つ。
ｔａ＝ｔｂ  ・・・式１
【００８５】
合焦レンズが等加速度運動で加速／減速する場合の最大移動時間とその時間における移動距離は下記の式２のように表すことができる。
【数１】
2015040954.tif 000003
【００８６】
ここで、合焦レンズの相対移動量が等加速度最大移動距離を越えるか否かに応じて、合焦レンズの移動速度が最高移動速度に達したか否かがわかる。合焦レンズの移動速度が最高移動速度に達した場合の軌道関数と、最高移動速度に到達しない場合の軌道関数は、それぞれ下記の式３のように表すことができる。
【数２】
2015040954.tif 000004
【００８７】
図８および図９は、上記軌道関数により制御されて移動する合焦レンズの移動軌跡を示すグラフである。図８は、合焦レンズの移動速度が最高移動速度Ｖｍａｘに到達した場合、図９は、合焦レンズの移動速度が最高移動速度Ｖｍａｘに到達しなかった場合をそれぞれ示す。
【００８８】
ここで、合焦レンズの移動に要する時間ｔａ、ｔｂおよびｔＶは、それぞれ下記の式４のように算出できる。
【数３】
2015040954.tif 000005
【００８９】
よって、合焦レンズの相対位置ｙ（ｔ）は、移動開始状態からの経過時間に応じて下記の式５のように算出できる。
【数４】
2015040954.tif 000006
【００９０】
再び図７を参照すると、ステップＳ４０１に続いて、制御系４００は、相対位置ｙ（ｔ）の極性を算出する（ステップＳ４０２）。ここで、相対位置ｙ（ｔ）の極性は、目標位置に対して、合焦レンズがどちら側に位置しているかを意味する。これにより、合焦レンズを移動させる場合の移動方向が決まる。
【００９１】
更に、制御系４００は、図６に示した移動制御シーケンスのステップＳ３０１において取得した合焦レンズの初期位置と、上記のステップＳ４０１において算出した相対位置ｙ（ｔ）とに基づいて合焦レンズの目標位置を算出する（ステップＳ４０３）。
【００９２】
次いで、制御系４００は、上記のようにして算出した合焦レンズの目標位置を設定する（ステップＳ４０４）。これにより、合焦レンズは、目標位置に向かって駆動されるので、制御系４００は、目標位置設定シーケンスを終了する（ステップＳ４０６）。
【００９３】
このように、軌道関数による合焦レンズの移動制御においては、経過時間に応じて終点目標位置までの中間の位置にも対応した目標位置（１〜５）を設定して合焦レンズを駆動する。これにより、合焦レンズは、経過した時間によって変わる目標位置に到達しながら、最終的に終点目標位置に到達するプロファイルを描いて移動する。よって、合焦レンズは確実に終点目標位置に到達する。
【００９４】
図１０は、図４に示した合焦レンズ位置制御シーケンス（ステップＳ１０３）の詳細を示す流れ図である。合焦レンズ位置制御シーケンスにおいて、制御系４００は、まず、合焦サーボ開始シーケンス（ステップＳ１０２）のステップＳ２０２における合焦レンズの固定を解除する（ステップＳ５０１）。これにより、新しい目標位置を設定して合焦レンズを駆動できる状態になる。
【００９５】
次に、制御系４００は、合焦レンズの現在位置から、終点となる目標位置までの残差を算出する（ステップＳ５０２）。次いで、制御系４００は、算出された残差が予め定められて格納された閾値以下であるか、当該閾値よりも大きいかを調べる（ステップＳ５０３）。
【００９６】
算出された残差が当該閾値以下である場合（ステップＳ５０３：ＹＥＳ）、制御系４００は、ステップ応答制御により合焦レンズを駆動する（ステップＳ５０４）。ステップ応答制御において、制御系４００は、設定された終点目標位置に対応してＰＩＤコントローラが発生した駆動波形の駆動電力により合焦レンズを駆動する。
【００９７】
図１１は、上記のステップ応答制御により駆動された合焦レンズの移動距離変化の一例を示すグラフである。移動距離は、初期位置からの距離を正負の値により示す。
【００９８】
図示の例では、合焦レンズは、初期位置から１．５ｍｍ離れた位置に向かって移動し、いったんは目標位置を通り過ぎる。しかしながら、ＰＩＤ制御により、合焦レンズの位置は、目標位置に向かって急速に収束する。
【００９９】
ステップ応答制御においては、時間の経過に沿った制御はせずに、アクチュエータに印加する電圧もしくは電流を一意的に決定して合焦レンズを駆動する。このため、軌道関数制御において軌道関数を生成する無駄時間を省くことができ、合焦レンズの移動に係る処理時間を短縮できる。
【０１００】
図１２は、上記ステップ応答制御により移動する合焦レンズの位置変化の他の例を示すグラフである。図示の例では、終点目標位置は、初期位置から１５ミリ離れた位置に設定される。
【０１０１】
合焦レンズを駆動するアクチュエータの駆動力は、合焦レンズが加速する場合の加速力として作用すると共に、合焦レンズが減速する場合の制動力としても作用する。このため、アクチュエータ自体の出力が小さい場合、あるいは、アクチュエータに供給される駆動電力が制限されている場合には、移動する合焦レンズに対する制動力も相対的に弱くなる。
【０１０２】
合焦レンズに対する制動力が低い場合、図１２に示した例のように終点目標位置が初期位置から遠いと、初期位置から移動して目標位置を通り過ぎた合焦レンズは、初期位置と目標位置との距離よりも遠い位置で移動方向を反転する。このため、図示のように、移動方向の反転を繰り返しても、合焦レンズの位置は終点目標位置に収束せず、持続振動を生じるか発散する。
【０１０３】
そこで、再び図１０を参照すると、ステップＳ５０３において用いられる閾値は、合焦レンズの位置変化が持続振動を生じる距離よりも小さな値に設定され、不揮発性の格納部に保持されている。これにより、終点目標位置との残差が閾値以下の場合（ステップＳ５０３：ＹＥＳ）にステップ応答制御により（ステップＳ５０４）合焦レンズは迅速且つ確実に終点目標位置に到達して、合焦レンズ位置制御シーケンスが完結する（ステップＳ５０５）。
【０１０４】
また、ステップＳ５０３において、終点目標位置までの距離が上記閾値よりも大きいことが判った場合（ステップＳ５０４：ＮＯ）、制御系４００は、合焦レンズを、移動制御シーケンスにより制御する（ステップＳ５０６）。移動制御シーケンス５０６は、図６を参照して説明した移動制御シーケンスと同様に、軌道関数により合焦レンズの移動を制御するので、合焦レンズは、確実に終点目標位置に到達する。
【０１０５】
このように、レンズユニット２００において制御系４００は、終点目標位置までの距離が閾値よりも大きい場合は軌道関数を用いた制御により合焦レンズを終点目標位置に移動させ、終点目標位置までの距離が閾値以下の場合はステップ応答制御により合焦レンズを移動させる。よって、軌道関数の生成に要する無駄時間を削減し、合焦レンズの移動を高速化できる。
【０１０６】
上記の例では、交換可能なレンズユニット２００を備えた撮像システム１００について説明したが、クイックリターンミラーを備えていないレンズ交換式の撮像装置であっても上記の構造を適用できる。また、レンズユニット２００とカメラボディ３００が一体に形成され、レンズユニット２００を交換できないカメラにおいても上記の構造を適用できる。更に、顕微鏡、双眼鏡、測量器等、アクチュエータで駆動するレンズを備えた他の光学装置においても、上記の構造を適用できる場合がある。また更に、レンズユニット２００は、倍率が変化する変倍レンズであったが、撮影倍率が固定されたレンズユニット２００においても上記の構造を適用できる。
【０１０７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１０８】
１００  撮像システム、２００  レンズユニット、２０１  固定筒、２０２  移動筒、２０３  変倍操作環、２０４  変倍エンコーダ、２０５  合焦操作環、２０６  合焦エンコーダ、２１０  第一レンズ群、２１２、２２２、２３２、２３６、２４２、２５２  レンズ保持枠、２１４  繰り出し筒、２１７  カム筒、２１８  直流モータ、２１９  駆動ギヤ、２２０  第二レンズ群、２２６  案内軸、２２８  ステッピングモータ、２２９  リードスクリュー、２３０  第三レンズ群、２３４  防振レンズ、２４０  第四レンズ群、２４４  延伸部、２４６  ボイスコイル、２５０  第五レンズ群、２６０  レンズ側マウント部、２８０  ボイスコイルモータ、２８２  永久磁石、２８４  ヨーク、３００  カメラボディ、３１０  シャッタユニット、３２０  基板、３２２  制御部、３２４  画像処理部、３３０  撮像素子、３３２  ローパスフィルタ、３４０  表示部、３５０  ファインダ、３５２  フォーカシングスクリーン、３５４  ペンタプリズム、３５６  ファインダ光学系、３６０  ボディ側マウント部、３７０  ミラーユニット、３７１  メインミラー、３７２  メインミラー保持部、３７３  メインミラー回動軸、３７４  サブミラー、３７５  サブミラー保持部、３７６  サブミラー回動軸、３８０  合焦光学系、３８２  焦点検出センサ、３９０  測光センサ、４００  制御系、４０２  変倍レンズ、４０３  変倍レンズ位置センサ、４０６  合焦サーボ開始指令、４０７  合焦レンズ初期撮影距離記憶部、４０８  合焦レンズ撮影距離算出部、４０９  合焦レンズ撮影距離記憶部、４１０、４１８、４２８  切り換え部、４１１  合焦レンズ目標位置算出部、４１４  合焦レンズリミッタ、４１５  レンズ位置保持部、４１６  軌道関数生成部、４１７  移動先指令、４１９  位置制御部、４２０  駆動部、４２１  フィードフォワード制御部、４２２  過電流検出部、４２３  アクチュエータ、４２４  合焦レンズ位置算出部，４２５  合焦レンズ位置，４２７  位置検出センサ 
【図１】
2015040954.tif 000007
【図２】
2015040954.tif 000008
【図３】
2015040954.tif 000009
【図４】
2015040954.tif 000010
【図５】
2015040954.tif 000011
【図６】
2015040954.tif 000012
【図７】
2015040954.tif 000013
【図８】
2015040954.tif 000014
【図９】
2015040954.tif 000015
【図１０】
2015040954.tif 000016
【図１１】
2015040954.tif 000017
【図１２】
2015040954.tif 000018