(57)【要約】【課題】撮像の倍率を変更しながらも被写体に速やかにピントを合わせる。【解決手段】変倍レンズ１Ｂを含む撮像レンズ部を介して被写体の光学像を画像信号として出力するＣＭＯＳ３と、画像信号として出力される被写体の光学像の倍率変更を指示する変更命令に基づいて、ＣＭＯＳ３と変倍レンズ１Ｂの少なくとも一方を、両者の相対的位置を変化させるように撮像レンズ部の光軸に沿って移動させるズーム制御部と、を備え、所定の撮像形態で撮像処理を実行する撮像装置であって、前述の変更命令を受付けると撮像形態をパンフォーカス状態に設定し、パンフォーカス状態を保持しながら倍率変更に基づいてズーム制御部により相対的位置に変化せしめる状態保持部、をさらに備える。【選択図】図１
2012002921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ズームレンズを含む撮像レンズ部を介して被写体の光学像を画像信号として出力する撮像素子と、
前記画像信号として出力される前記被写体の光学像の倍率変更を指示する変更命令に基づいて、前記撮像素子と前記ズームレンズの少なくとも一方を、両者の相対的位置を変化させるように前記撮像レンズ部の光軸に沿って移動させるズーム制御部と、を備え、所定の撮像形態で撮像処理を実行する撮像装置であって、
前記変更命令を受付けると前記撮像形態をパンフォーカス状態に設定し、前記パンフォーカス状態を保持しながら前記倍率変更に基づいて前記ズーム制御部により前記相対的位置に変化せしめる状態保持部、をさらに備える、撮像装置。
【請求項２】
前記撮像レンズ部は、さらにフォーカスレンズを含み、
前記フォーカスレンズを前記光軸に沿って移動させるフォーカス制御部と、
開口部を含み、該開口部を介して前記被写体の光学像を前記撮像素子に通過させる絞りと、
前記開口部の開口サイズを可変に制御する絞り制御部とを、さらに備え、
前記状態保持部は、
前記パンフォーカス状態を保持するように、前記相対的位置の変化に従って前記フォーカス制御部により前記フォーカスレンズの位置と、前記絞り制御部により前記開口サイズとを変更する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記状態保持部は、
前記パンフォーカス状態の被写界深度を取得する被写界深度取得手段と、
前記被写界深度取得手段によって取得された前記被写界深度を保持するように、変化後の前記相対的位置に対応した位置に前記フォーカス制御部によって前記フォーカスレンズを移動させるとともに、変化後の前記相対的位置と移動後の前記フォーカスレンズの位置とに従って前記絞り制御部によって前記開口サイズを変更する手段と、を含む、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記絞り制御部によって変更された開口サイズと、画像の所定明るさを得るための開口サイズとの差分に基づき、前記画像信号に従う画像の明るさを可変に制御する明るさ制御部を、さらに備える、請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記明るさ制御部は、前記差分に基づき前記画像信号の振幅の大きさを可変に制御する、請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記明るさ制御部は、前記差分に基づき前記撮像素子の露光時間を可変に制御する、請求項４または５に記載の撮像装置。
【請求項７】
ズームレンズを含む撮像レンズ部を介して被写体の光学像を画像信号として出力する撮像素子と、
前記画像信号として出力される前記被写体の光学像の倍率変更を指示する変更命令に基づいて、前記撮像素子と前記ズームレンズの少なくとも一方を、両者の相対的位置を変化させるように前記撮像レンズ部の光軸に沿って移動させるズーム制御部と、を備え、所定の撮像形態で撮像処理を実行する撮像装置における撮像方法であって、
前記変更命令を受付けると前記撮像形態をパンフォーカス状態に設定するステップと、
前記パンフォーカス状態を保持しながら前記倍率変更に基づいて前記ズーム制御部により前記相対的位置に変化せしめるステップ、を備える、撮像方法。
【請求項８】
被写体からの反射光が入射する１つ以上の光学部と、
前記１つ以上の光学部を、所定の撮像形態で撮像動作を実行させる動作制御部と、を備え、
前記１つ以上の光学部のそれぞれは、
ズームレンズを有する撮像レンズ部を介して被写体の光学像を画像信号として出力する撮像素子と、
前記画像信号として出力される前記被写体の光学像の倍率変更を指示する変更命令に基づいて、前記撮像素子と前記ズームレンズの少なくとも一方を、両者の相対的位置を変化させるように前記撮像レンズ部の光軸に沿って移動させるズーム制御部と、を含み、
前記動作制御部は、
前記変更命令を受付けると前記撮像形態をパンフォーカス状態に設定し、前記パンフォーカス状態を保持しながら前記倍率変更に基づいて前記ズーム制御部により前記相対的位置に変化せしめる状態保持部を含む、撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は撮像装置および撮像方法に関し、特に、光学レンズを用いたズーム機能とフォーカス機能を用いる撮像装置および撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学レンズを用いたズーム機能とフォーカス機能を有するカメラとして、たとえば特許文献１のビデオカメラが提案されている。特許文献１のビデオカメラは、ズーム動作中に焦点ボケを起こすことのないようにフォーカシング用のレンズを駆動制御する機構を備える。具体的には、被写体の距離別にズームトレースカーブを予め得て記憶させておく。そして、ズーム動作を実行する際には、検出した被写体の距離に対応したトレースカーブに沿って結像レンズを微少振動させながら移動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１６９４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
被写体が１つである場合には被写体までの距離は一意に決まることから適用するべきトレースカーブも１つに特定できる。この場合には特許文献１の方法は有効であるけれども、複数個の被写体を撮像する場合には、被写体までの距離を一意に特定することができず、適用するべきトレースカーブも特定できない。この場合には、特許文献１の方法では、ズーム動作中の焦点ボケを回避することが困難である。
【０００５】
また、撮像素子に対して被写体の姿勢が斜めに位置する場合には、被写体が１つでありながら、当該被写体の各部分で合焦するための距離が異なり、被写体までの距離を一意に特定することができない。したがって、適用するべきトレースカーブも特定できない為、特許文献１の方法では、ズーム動作中の焦点ボケを回避することが困難である。
【０００６】
それゆえにこの発明の目的は、撮像の倍率を変更しながらも被写体に速やかにピントを合わせることを容易にする撮像装置および撮像方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のある局面に従うと撮像装置は、ズームレンズを含む撮像レンズ部を介して被写体の光学像を画像信号として出力する撮像素子と、画像信号として出力される被写体の光学像の倍率変更を指示する変更命令に基づいて、撮像素子と前記ズームレンズの少なくとも一方を、両者の相対的位置を変化させるように撮像レンズ部の光軸に沿って移動させるズーム制御部と、を備え、所定の撮像形態で撮像処理を実行する撮像装置であって、変更命令を受付けると撮像形態をパンフォーカス状態に設定し、パンフォーカス状態を保持しながら倍率変更に基づいてズーム制御部により相対的位置に変化せしめる状態保持部、をさらに備える。
【０００８】
好ましくは、撮像レンズ部は、さらにフォーカスレンズを含み、フォーカスレンズを光軸に沿って移動させるフォーカス制御部と、開口部を含み、該開口部を介して被写体の光学像を撮像素子に通過させる絞りと、開口部の開口サイズを可変に制御する絞り制御部とを、さらに備え、状態保持部は、パンフォーカス状態を保持するように、前記相対的位置の変化に従って前記フォーカス制御部により前記フォーカスレンズの位置と、前記絞り制御部により前記開口サイズとを変更する。
【０００９】
好ましくは、状態保持部は、パンフォーカス状態の被写界深度を取得する被写界深度取得手段と、被写界深度取得手段によって取得された被写界深度を保持するように、変化後の相対的位置に対応した位置にフォーカス制御部によってフォーカスレンズを移動させるとともに、変化後の相対的位置と移動後のフォーカスレンズの位置とに従って絞り制御部によって開口サイズを変更する手段と、を含む。
【００１０】
好ましくは、絞り制御部によって変更された開口サイズと、画像の所定明るさを得るための開口サイズとの差分に基づき、画像信号に従う画像の明るさを可変に制御する明るさ制御部を、さらに備える。
【００１１】
好ましくは、明るさ制御部は、差分に基づき画像信号の振幅の大きさを可変に制御する。
【００１２】
好ましくは、明るさ制御部は、差分に基づき撮像素子の露光時間を可変に制御する。
この発明の他の局面に従う撮像方法は、ズームレンズを含む撮像レンズ部を介して被写体の光学像を画像信号として出力する撮像素子と、画像信号として出力される被写体の光学像の倍率変更を指示する変更命令に基づいて、撮像素子と前記ズームレンズの少なくとも一方を、両者の相対的位置を変化させるように撮像レンズ部の光軸に沿って移動させるズーム制御部と、を備え、所定の撮像形態で撮像処理を実行する撮像装置における撮像方法であって、変更命令を受付けると撮像形態をパンフォーカス状態に設定するステップと、パンフォーカス状態を保持しながら倍率変更に基づいてズーム制御部により相対的位置に変化せしめるステップ、を備える。
【００１３】
この発明のさらに他の局面に従う撮像装置は、被写体からの反射光が入射する１つ以上の光学部と、１つ以上の光学部を、所定の撮像形態で撮像動作を実行させる動作制御部と、を備える。１つ以上の光学部のそれぞれは、ズームレンズを有する撮像レンズ部を介して被写体の光学像を画像信号として出力する撮像素子と、画像信号として出力される被写体の光学像の倍率変更を指示する変更命令に基づいて、撮像素子と前記ズームレンズの少なくとも一方を、両者の相対的位置を変化させるように撮像レンズ部の光軸に沿って移動させるズーム制御部と、を含み、動作制御部は、変更命令を受付けると撮像形態をパンフォーカス状態に設定し、パンフォーカス状態を保持しながら倍率変更に基づいてズーム制御部により相対的位置に変化せしめる状態保持部を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、望遠側へのズーム操作時にはパンフォーカス状態を保持しながらズーム操作が行われることにより、奥行きのある被写体（至近の被写体から無限遠の被写体まで）に対して、ピントが合った鮮明な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの内部構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの光学系の機能構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る被写体距離テーブルの内容を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る合焦点位置テーブルの内容を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る倍率変更時の光学系制御の処理フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照し説明する。なお、各図中の同一符号は、同一または相当部分を指す。
【００１７】
本明細書では、撮像は、被写体像を撮影することを指す。被写体距離は、撮像素子（より特定的には撮像面）から被写体までの距離を指す。合焦状態とは、撮像素子上に被写体像が結像した状態を指し、この状態における結像レンズと撮像素子（より特定的には撮像面）の距離を焦点距離という。
【００１８】
本明細書では、被写体を表す光学像を撮像素子の撮像面に結像させることを被写体にピントを合わせると称する。被写体を表す光学像が結像する点（焦点と呼ぶこともできる）が撮像素子の撮像面上の点と一致している状態（上述の合焦状態に相当）をピントが合っていると称する。ただし、一致していない状態であっても、被写体が鮮明に撮影される範囲にある場合（換言すると、撮像素子の撮像面が焦点深度内に位置する場合）は、ピントが合っていると称する。逆に、ピントが合っていない場合をピントがぼけていると言う。
【００１９】
図１には、本実施の形態に係る撮像装置を搭載する監視カメラ向けのデジタルカメラの構成例が示される。ここでは、撮像装置は監視カメラ向けデジタルカメラに搭載するとしているが、監視カメラの用途に限定されない。
【００２０】
図１を参照して、デジタルカメラは、撮像レンズと絞り２を含む光学系、撮像素子であるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）３、ＣＭＯＳ３からの出力信号を処理する撮像信号処理系、ＳＤＲＡＭ（Synchronous DRAM（Dynamic Random Access Memory））７、画像処理部８、画像圧縮・伸張処理部９、Ｄ／Ａ（Digital/Analog）変換器１１、ビデオエンコーダ１２、表示器１３、カード制御部１４、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１およびメモリ２０２を含むコントローラ２０、操作部２１、モータ駆動部２２、およびＣＭＯＳ駆動部２３を備える。ここでは、ＣＭＯＳ３にＣＭＯＳを用いるが、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を用いてもよい。デジタルカメラは、さらに、光学系に関連して、モータ２４，２５および２６、ポテンショメータ２７、ならびにエンコーダ２８および２９を備える。モータ２４〜２６は、モータ駆動部２２に接続されるステッピングモータであり、モータ駆動部２２から送信される駆動パルスにより回転角度（回転方向と角度を含む）動作が制御される。撮像信号処理系は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路４、Ａ／Ｄ変換器５および信号処理部６を含む。
【００２１】
なお、ＣＭＯＳ３とＣＤＳ／ＡＧＣ回路４とＡ／Ｄ変換器５とを含めてＣＭＯＳイメージセンサと称されている。また、表示器１３は、たとえばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）であって、ＬＣＤドライバを備え、ＳＤＲＡＭ７に書込まれた画像データをＬＣＤドライバを介してＬＣＤに表示されてもよい。
【００２２】
撮像レンズは主レンズ１Ａ、倍率を変更するための変倍レンズ１Ｂ、および結像レンズ１Ｃを含む。撮像レンズの各レンズは、その中央部を外部からの入射光（被写体からの反射光）の光軸が通過するように配置される。ここでは、撮像レンズは、主レンズ１Ａ、変倍レンズ１Ｂおよび結像レンズ１Ｃを含むことにとどめたが、レンズによる収差軽減のために他にも複数のレンズが含まれている。
【００２３】
撮像レンズの背後には、絞り２が配置される。絞り２の位置は、撮像レンズの背後に限定されず、撮像レンズ２の前であってもよい。絞り２はサイズが可変に制御される略円形状の開口を有し、光軸が円形の中心を通過するように絞り２が配置される。絞り２は、開口のサイズ、より特定的には開口の径を変更することにより撮像レンズを通過してＣＭＯＳ３に入射する光量を調整する。
【００２４】
モータ２４には変倍レンズ１Ｂが接続される。変倍レンズ１Ｂは、モータ２４の回転に連動して光軸に沿って移動する。モータ２５には結像レンズ１Ｃが接続される。結像レンズ１Ｃは、モータ２５の回転に連動して光軸に沿って移動する。エンコーダ２８はモータ２４の回転角度に基づき変倍レンズ１Ｂの光軸上の位置を検出し、検出した位置を指す信号３０を出力する。エンコーダ２９はモータ２５の回転角度に基づき結像レンズ１Ｃの光軸上の位置を検出し、検出した位置を指す信号３１を出力する。
【００２５】
モータ２６には絞り２が接続される。絞り２は、モータ２６の回転に連動しての開口の径を同心円状にサイズを変化させる。モータ２６には、ポテンショメータ２７が接続される。ポテンショメータ２７は、モータ２６の回転角度を検出し、検出した回転角度に基づき絞り２の開口径のサイズを示す信号３２を出力する。
【００２６】
絞り２の背後には、ＣＭＯＳ３が配置されている。ＣＭＯＳ３に関連してＣＰＵ２０によって制御されるタイミングジェネレータ（図示せず）が備えられる。ＣＭＯＳ駆動部２３は、タイミングジェネレータから入力されるタイミング信号に基づいて、ＣＭＯＳ３の各セルからの電気信号（受光量に応じたレベルの電圧または電流の信号）を読出すタイミングを制御する。ＣＭＯＳ３の各セルからは、ＣＭＯＳ駆動部２３からの駆動信号に従って電気信号が導出される。
【００２７】
図１では、被写界の光学像（被写体像）は、撮像レンズおよび絞り２を通してＣＭＯＳ３の受光面つまり撮像面に照射される。ＣＭＯＳ３の各セルには、光電変換によって、撮像面に結像した被写界の光学像の明暗に対応する電荷が蓄えられて、蓄えられた電荷量に応じたレベルの電気信号（つまり画像信号）が、ＣＭＯＳ駆動部２３からの駆動信号に従ったタイミングで各セルから出力される。
【００２８】
ＣＭＯＳ３から出力された画像信号は、ＣＤＳ回路とＡＧＣ回路とを備えたＣＤＳ／ＡＤＣ回路４に送られる。ＣＤＳ／ＡＤＣ回路４に入力したＣＭＯＳ３の出力信号は、ＣＤＳ回路で相関二重サンプリング処理された後、ＡＧＣ回路でＣＰＵ２０から与えられるゲイン信号に基づき最適な振幅にゲイン調整される。ＣＤＳ／ＡＧＣ回路４の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器５によってデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器５によって得られたデジタル信号は信号処理部６に送られ、所定の信号処理（ホワイトバランス調整、色分離、ＹＵＶ変換など）が施されることにより、画像データに変換される。信号処理部６によって生成された画像データは、ＳＤＲＡＭ７に格納される。
【００２９】
デジタルカメラの各部は、ＣＰＵ２０によって制御される。ＣＰＵ２０には、ユーザの操作を受付ける操作部２１が接続されている。操作部２１には、電源ボタン、シャッタボタン、倍率を広角（ワイド）側、望遠（テレ）側に変倍するズームボタン２１１、合焦状態を調整するためのフォーカスボタン２１２、表示器１３にメニュー画面を表示させるためのメニューボタンなどが設けられている。
【００３０】
ＣＰＵ２０には、上述したモータ駆動部２２、ＣＭＯＳ駆動部２３、信号処理部６およびＳＤＲＡＭ７の他、画像処理部８、画像圧縮・伸張処理部９、Ｄ／Ａ変換器１１およびカード制御部１４が接続されている。Ｄ／Ａ変換器１１には、ビデオエンコーダ１２を介して表示器１３が接続されている。カード制御部１４には、外部メモリカード１５が接続されている。ここでは、画像データは、ＳＤＲＡＭ７に格納されるとしているが、カード制御部１４を介して外部メモリカード１５に格納されてもよい。
【００３１】
次に、上記構成を有するデジタルカメラの基本的な動作について説明する。まず、デジタルカメラで被写体の撮像を行なう場合には、電源ボタンを操作してデジタルカメラの電源を投入する。なお、撮像は、静止画あるいは動画のいずれでも可能であり、操作部２１の操作により選択することができる。
【００３２】
撮像では、一定間隔（たとえば１／６０秒）で撮影された画像データがＳＤＲＡＭ７に書込まれた後、Ｄ／Ａ変換器１１によってアナログ映像信号に変換される。アナログ映像信号はビデオエンコーダ１２によりＮＴＳＣ（National Television Standards Committee）信号に変換されて表示器１３に表示される。ＳＤＲＡＭ７に書込まれた画像データは、読出されて画像圧縮・伸張処理部９によってＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）またはＭＰＥＧ（Moving Picture Experts Group）形式にエンコードされた後、カード制御部１４によって外部メモリカード１５に保存される。
【００３３】
（光学系を制御するための機能）
図２を参照して、ＣＰＵ２０１の下に制御される光学系に関連した機能として、操作部２１から入力する操作信号に基づき与えられる命令を検出する命令検出部１０１、距離検出部１０２、変倍レンズ１Ｂのズーム方向（広角側または望遠側）を判別するズーム方向判別部１０３、絞り２の開口径のサイズを可変に制御するための絞り制御部１０４、結像レンズ１Ｃの位置を制御するためのフォーカス制御部１０５、変倍レンズ１Ｂの位置を制御するためのズーム制御部１０６、および画像の明るさを制御するための明るさ制御部１０７を備える。距離検出部１０２は、被写体距離を検出するための被写体距離検出部１２１および焦点距離を検出するための焦点距離検出部１２２を含む。
【００３４】
図２ではＣＰＵ２０１の機能に関連してモータ駆動部２２の機能が示される。モータ駆動部２２は、絞り制御部１０４に接続される絞り駆動部１０８、フォーカス制御部１０５に接続される結像レンズ駆動部１０９、およびズーム制御部１０６に接続される変倍レンズ駆動部１１０を含む。
【００３５】
絞り駆動部１０８は、絞り制御部１０４から入力する制御信号に基づき、モータ２６の回転角度を決定し、決定した回転角度だけ回転させるための駆動パルス信号をモータ２６に出力する。結像レンズ駆動部１０９は、フォーカス制御部１０５から入力する制御信号に基づき、モータ２５の回転角度を決定し、決定した回転角度だけ回転させるための駆動パルス信号をモータ２５に出力する。変倍レンズ駆動部１１０は、ズーム制御部１０６から入力する制御信号に基づき、モータ２４の回転角度を決定し、決定した回転角度だけ回転させるための駆動パルス信号をモータ２４に出力する。
【００３６】
メモリ２０２には、ＣＰＵ２０１の各部によって参照される後述の被写体距離テーブル２０３および合焦点位置テーブル２０４が予め格納される。
【００３７】
図３を参照して被写体距離テーブル２０３について説明する。図３には、縦軸に結像レンズ１Ｃの光軸上の位置、横軸に変倍レンズ１Ｂの光軸上の位置が取られて、両方の位置によって一意に被写体距離（被写体とＣＭＯＳ３との距離）Ｆ（ｉ）（ただしｉ＝１、２、３、…）が特定されることが示される。被写体距離テーブル２０３には、結像レンズ１Ｃと変倍レンズ１Ｂの位置のデータと、当該位置のデータに対応付けて被写体距離Ｌ（ｉ）のカーブを指すデータとが予め実験などによって検出されて格納される。
【００３８】
図４を参照して合焦点位置テーブル２０４を説明する。図４には、横軸に変倍レンズ１Ｂの光軸上の位置が取られ、縦軸に結像レンズ１Ｃの光軸上の位置が取られている。図４においては、被写体距離（至近、距離Ａ、距離Ｂおよび無限遠など）毎に、結像レンズ１Ｃの合焦点の位置は、変倍レンズ１Ｂの位置もよって一意に特定されることが示される。合焦点位置テーブル２０４には、カーブで規定される被写体距離のデータと、被写体距離の各データに対応付けて、変倍レンズ１Ｂの位置及び結像レンズ１Ｃの位置のデータとが予め実験などによって検出されて格納される。
【００３９】
（光学系の動作）
モータ駆動部２２から出力される駆動パルス信号に基づく回転角度に従ったモータ２４〜２６の回転動作に連動して、撮像レンズの位置、ならびに、絞り２の開口径が可変に制御される。このような制御により、所定の範囲でＣＭＯＳ３の受光面で結像する画像の倍率（以下、ズーム倍率という）を変更したり、受光面での合焦を調整したり、受光面に入射される光量を制限することができる。
【００４０】
撮像時にユーザが操作部２１のズームボタン２１１を望遠側または広角側に操作すると、それぞれ、その旨の操作信号がコントローラ２０に送信される。ＣＰＵ２０１のズーム制御部１０６は、受信する操作信号に従うプログラム（命令コード）を実行することによって、望遠側または広角側にズームする旨の操作信号に従って、ズーム倍率を徐々に上げる（望遠側）または下げる（広角側）ための制御信号を、変倍レンズ駆動部１１０に送信する。
【００４１】
モータ駆動部２２は、ズーム制御部１０６からズーム倍率を徐々に上げるための制御信号が送信されてきた場合は、変倍レンズ１Ｂを徐々に望遠側に移動させるための駆動パルス信号をモータ２４に送信し、ズーム倍率を徐々に下げるための制御信号が送信されてきた場合は、変倍レンズ１Ｂを徐々に広角側にさせるための駆動パルス信号をモータ２４に送信する。モータ２４は、駆動パルス信号に応じて回転する。この回転に連動して、変倍レンズ１Ｂの位置は光軸に沿って徐々に望遠側または広角側に移動する。
【００４２】
このような変倍レンズ１Ｂの移動により、焦点距離を変化させることができ、この焦点距離の変化によって得られる同一被写体に対するＣＭＯＳ３の受光面で結像される画像のズーム倍率（拡大率もしくは縮小率）を変化させることができる。
【００４３】
結像レンズ１Ｃは、結像レンズ駆動部１０９からの駆動パルス信号に従ったモータ２４の回転動作に連動して、被写体像がＣＭＯＳ３の受光面の位置で結像するように、言い換えると被写体像に合焦する（ピントが合っているとも言う）ように光軸に沿って移動する。これにより、焦点位置が調整される（フォーカス動作ともいう）。
【００４４】
（パンフォーカス状態）
一般的に、ピントが合っている状態とは、光学系を通過してきた光がＣＭＯＳ３の受光面（撮像面）上に収束している状態のことを表すが、実際には、受光面に対して「被写界深度」分前後した位置で収束していたとしても、ピントが合っていると見なされる。つまり、被写体にピントを合わせると、被写体の前後に位置する対象物にもおおよそピントの合った範囲（「被写界深度」と言う）が存在するからである。
【００４５】
一般に被写界深度は、撮像面から被写体までの距離（以下、被写体距離という）が長い（被写体が遠い）ほど深くなる。被写界深度が深いとき、ピントが合っていると見なされる範囲が広い(より奥から手前までピントが合っている)状態となる。
【００４６】
無限遠を被写界深度に収めた状態が、ピントが合っていると見なされる範囲が最も広くなる。この状態を「パンフォーカス」状態といい、パンフォーカス状態のとき実際にピントが合っている被写体距離を「過焦点距離」という。パンフォーカス状態のときピントが合っていると見なされる範囲（合焦範囲）は、無限遠の位置から、過焦点距離の半分の位置までの範囲となる。このようにパンフォーカス状態では、至近距離から遠距離（無限遠）までピントが合っている状態で撮像することができる。
【００４７】
ここで過焦点距離Ｈは、（式１）に従って、レンズ焦点距離ｆ、絞り値Ｎおよび撮像素子の種類によって決まることが知られている。ここで、絞り値Ｎは、絞り２の開口径のサイズによって決まる（換算される）値を指す。なお、（式１）の変数Ｃは撮像素子による固有値であって、予め検出されてメモリ２０２に格納されていると想定する。
【００４８】
Ｈ＝ｆ２／（Ｎ・Ｃ）・・・（式１）
（式１）によれば、撮像レンズが移動して焦点距離ｆの値が変化するのに追従して絞り値Ｎを変化させる、すなわち絞り２の開口径を変化させることによって、一定の過焦点距離Ｈ（被写界深度）を保つことができる。
【００４９】
（明るさ制御）
上述の（式１）に従って、焦点距離Ｈを保持するために絞り値Ｎ（すなわち絞り２の開口径）が変化して撮像面に対する入射光量が制限されると、画像信号の輝度レベル（振幅レベル）は減少する。そのため、表示器１３に表示される画像などは暗くなる。
【００５０】
このような画像の明るさを補償するために、明るさ制御部１０７は明るさ制御を実行する。つまり、明るさ制御部１０７は信号３２を入力し、信号３２が指す絞り２の開口径のサイズに基づき所定換算式に従って絞り値Ｎを算出する。算出した絞り値Ｎと所定絞り値Ｎとの差分に従ったレベルを有するゲイン信号３３を生成し、ＣＤＳ／ＡＧＳ回路４に出力する。または、ＣＭＯＳ３から出力される画像信号を入力し、入力した画像信号の振幅レベルと所定閾値とを比較し、比較結果の差分に基づくレベルを有したゲイン信号３３を生成して、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路４に与えるようにしてもよい。
【００５１】
なお、所定絞り値Ｎは通常の画像明るさを得るための光量を撮像面に入射させるための絞り値Ｎを指し、所定閾値は通常の画像明るさを指す画像信号の振幅値を指す。所定絞り値Ｎと所定閾値は、予めメモリ２０２に格納されている。
【００５２】
ＣＤＳ／ＡＧＳ回路４は、入力するゲイン信号３３に従って、ＣＭＯＳ３から入力する画像信号の振幅を増幅または減衰処理する。これにより、画像信号の輝度レベルが、絞り値Ｎの変動量に従って可変に制御されて、一定明るさの画像を得ることができる。
【００５３】
なお、画像信号の明るさ調整は、上述のゲイン信号３３を用いるものに限定されない。たとえば、信号処理部６において、デジタルの画像データについて、階調値を絞り値Ｎに従って可変に制御してもよい。
【００５４】
または、ＣＭＯＳ３のシャッタ速度、すなわちＣＭＯＳ３の各セルに電荷を蓄える露光時間を、絞り値Ｎに基づきＣＭＯＳ駆動部２３によって可変に制御してもよい。
【００５５】
（処理フローチャート）
図５のフローチャートを参照して、ズーム操作時の光学系の制御について説明する。なお、このフローチャートに従うプログラムは予めメモリ２０２に格納されており、ＣＰＵ２０１がメモリ２０２からプログラムの命令コードを読出し実行することで、当該制御が実現される。
【００５６】
ここでは、図１のデジタルカメラは監視カメラとして利用される状態を想定する。したがって、デジタルカメラは常時、撮像する状態にあり、ユーザが操作部２１の電源ボタンをＯＦＦ操作したときに、図５の処理は終了すると想定する。
【００５７】
まず、命令検出部１０１は、操作部２１から操作信号を入力するまで待機する（ステップＳ１）。操作信号を入力すると、入力した操作信号を解析し、ユーザのズームボタン２１１の操作によるズーム開始命令を指示するか否かを判定する（ステップＳ３）。ここでは、ズームボタン２１１が押下開始されると命令検出部１０１によりズーム開始命令が検出される。その後、ユーザが、ズームボタン２１１を押下し続ける期間は、命令検出部１０１は、単位ズームステップだけズーム動作させるためのズーム命令を繰返し出力する。ユーザがズームボタン２１１の押下を停止したとき、命令検出部１０１は、ズーム停止命令を出力する。
【００５８】
命令検出部１０１がズーム開始命令ではないと判定すると（ステップＳ３でＮＯ）、処理はステップＳ１に戻り待機状態となる。ズーム開始命令であると判定されると（ステップＳ３でＹＥＳ）、被写体距離検出部１２１は現在の被写体距離Ｌを検出する（ステップＳ５）。ステップＳ５において被写体距離Ｌを検出するとき、通常の露光状態であり、且つパンフォーカス状態ではないがピントが合っている状態であり絞り２の開口径は通常のサイズであると想定する。
【００５９】
ステップＳ５では、距離検出部１０２は、エンコーダ２８と２９から信号３０と３１を入力し、入力した信号３０と３１が指す変倍レンズ１Ｂの位置および結像レンズ１Ｃの位置に基づき、メモリ２０２の被写体距離テーブル２０３を検索する。検索結果に基づき、被写体距離テーブル２０３から対応する被写体距離Ｌ（ｉ）のカーブを読出す。たとえば、図３を参照して、変倍レンズ１Ｂの位置がＺＰ１を指し、結像レンズ１Ｃの位置がＦＰ１を指すとき、対応の被写体距離Ｌは距離Ｌ（３）のカーブとして一意に特定される。被写体距離Ｌを検出したときの変倍レンズ１Ｂの位置（たとえば、ＺＰ１）および結像レンズ１Ｃの位置（たとえば、ＦＰ１）は、メモリ２０２に格納される。
【００６０】
ズーム方向判別部１０３は、ズーム開始命令が指示するズーム方向を判別する（ステップＳ７）。ズーム方向を“望遠側”と判別すると（ステップＳ７でＹＥＳ）、後述のステップＳ９の処理に移行するが、“広角側”と判別すると、ステップＳ５で検出した被写体距離Ｌの被写界深度を保つように、変倍レンズ１Ｂと結像レンズ１Ｃを移動させる処理（ステップＳ２１）に移行する。
【００６１】
ステップＳ２１では、ズーム制御部１０６は、命令検出部１０１が出力するズーム命令を入力する毎に、変倍レンズ駆動部１１０に、変倍レンズ１Ｂを“広角側”に単位ズームステップだけ移動させるための制御信号を出力する。
【００６２】
また、ステップＳ２１では、フォーカス制御部１０５は、単位ズームステップだけ移動した後の変倍レンズ１Ｂの位置を、信号３０に基づき検出し、検出した変倍レンズ１Ｂの位置に基づき被写体距離テーブル２０３を検索する。検索結果に基づき結像レンズ１Ｃの位置を被写体距離テーブル２０３から読出す。
【００６３】
たとえば、単位ズームステップの移動により、変倍レンズ１Ｂの位置がＺＰ１からＺＰ２に移動した場合には（図３参照）、被写体距離Ｌ（３）を保つような結像レンズ１Ｃの位置ＦＰ２が検索されて被写体距離テーブル２０３から読出される。このように、変倍レンズ１Ｂの位置と結像レンズ１Ｃの位置との相対的関係を示す図３の被写体距離Ｌ（３）のカーブに従ってトレースすることにより、変倍レンズ１Ｂの位置に対応した結像レンズ１Ｃの位置を検出することができる。
【００６４】
フォーカス制御部１０５は、被写体距離テーブル２０３から読出した位置に結像レンズ１Ｃを移動させるような制御信号を結像レンズ駆動部１０９を制御する。これにより、結像レンズ１Ｃは位置ＦＰ１からＦＰ２に移動する。
【００６５】
その後は、命令検出部１０１は、操作部２１からの操作信号に基づきズーム停止命令が与えられるか否を判定する（ステップＳ２３）。ズーム停止命令が与えられないと判定される間は（ステップＳ２３でＮＯ）、ステップＳ２１のレンズ移動処理が単位ズームステップ毎に繰返される。
【００６６】
ズーム停止命令が与えられたと判定されると（ステップＳ２３でＹＥＳ）、ズーム制御部１０６は、変倍レンズ１Ｂの移動を停止させるための制御信号を出力し、応じてモータ２４は停止する（ステップＳ２５）。これにより、変倍レンズ１Ｂの移動は停止する。変倍レンズ１Ｂが停止することにより結像レンズ１Ｃの移動も停止する。ステップＳ２５の処理後は、ステップＳ１の処理に戻り、再度、待機状態となる。
【００６７】
このように、ピントが合っている状態で検出された被写体距離Ｌを保った状態で、すなわち被写体にピントを合わせた状態で広角側にズーム処理することが可能となる。
【００６８】
ステップＳ７で“望遠側”と判定されると（ステップＳ７でＹＥＳ）、ステップＳ９の処理において、（式１）に従って絞り値Ｎを検出し、同時に、過焦点距離に対応した位置に結像レンズ１Ｃを移動させる。
【００６９】
具体的には、絞り制御部１０４は過焦点距離Ｈが、ステップＳ５で検出された被写体距離Ｌの２倍（２Ｌ）を指示するような絞り値Ｎを、（式１）に従って算出する。なお、このときの（式１）の焦点距離ｆは、焦点距離検出部１２２が入力する信号３０と３１が指す撮像レンズの位置に基づき所定換算式に従って算出することにより検出されて、絞り制御部１０４に与えられている。絞り制御部１０４は、算出された絞り値Ｎに基づく制御信号を生成して絞り駆動部１０８に出力する。絞り駆動部１０８は制御信号に従うパルス駆動信号を生成してモータ２６に出力する。これにより、モータ２６はパルス駆動信号に基づく角度だけ回転することにより、回転に連動して絞り２の開口径は変化（拡大または縮小）する。
【００７０】
同時に、フォーカス制御部１０５は、過焦点距離Ｈ（＝２Ｌ）に対応する位置に結像レンズ１Ｃを移動させる。具体的には、フォーカス制御部１０５は、図４の合焦点位置テーブル２０４を検索して、過焦点距離Ｈ（＝２Ｌ）に対応する被写体距離を特定する。たとえば、図４の距離Ｙが過焦点距離Ｈに対応する場合は、フォーカス制御部１０５は、入力する信号３０が指す変倍レンズ１Ｂの位置と距離Ｙとに基づき合焦点位置テーブル２０４を検索して、対応する結像レンズ１Ｃの位置を読出す。読出した結像レンズ１Ｃの位置に基づく制御信号を生成して結像レンズ駆動部１０９に出力する。結像レンズ駆動部１０９は、入力した制御信号に基づく駆動パルス信号を生成しモータ２５に出力する。これにより、モータ２５は駆動パルス信号に従って回転し、回転に連動して結像レンズ１Ｃは、変倍レンズ１Ｂの位置に応じた過焦点距離Ｈ（＝２Ｌ）に対応する位置にまで移動させられる。なお、過焦点距離Ｈは２Ｌに限定されず、２Ｌよりも短ければよい。
【００７１】
その後、ステップＳ１１の処理に移行する。ステップＳ１１の処理は、ズーム停止命令が検出されるまで（ステップＳ１３でＹＥＳ）繰返し実行される。
【００７２】
ステップＳ１１では、変倍レンズ１Ｂを“望遠側”に単位ズームステップだけ移動させ、この移動に連動して結像レンズ１Ｃの位置と、絞り２の開口径とが可変に制御される。具体的には、被写体距離Ｌがパンフォーカス状態の合焦範囲の最も至近側となるように、すなわち過焦点距離Ｈが２Ｌとなるように、変倍レンズ１Ｂの単位ズームステップ毎の移動に合わせて結像レンズ１Ｃの位置および絞り２の開口径を変化させる。
【００７３】
つまり、図４の合焦点位置テーブル２０４を検索して、過焦点距離Ｈ（＝２Ｌ）に対応する被写体距離を特定する。たとえば、図４の距離Ｙが過焦点距離Ｈに対応する場合は、ズーム制御部１０６は、ズーム命令に応答して単位ズームステップだけ変倍レンズ１Ｂを移動させた後に信号３０が指す変倍レンズ１Ｂの位置ＺＰ２と、距離Ｙとに基づき、合焦点位置テーブル２０４を検索して、対応する結像レンズ１Ｃの位置ＦＰ２を読出す。読出した位置ＦＰ２は、単位ズームステップだけ変倍レンズ１Ｂを移動させた後の変倍レンズ１Ｂの位置に対応した結像レンズ１Ｃの位置を指す。変倍レンズ１Ｂがさらに単位ズームステップだけ移動して位置ＺＰ３に位置すると、合焦点位置テーブル２０４を同様に検索することによって、対応する結像レンズ１Ｃの位置を位置ＦＰ３と検出することができる。このように、変倍レンズ１Ｂの位置と結像レンズ１Ｃの位置との相対的関係を示す図４の距離Ｙのカーブに従ってトレースすることにより、変倍レンズ１Ｂの位置に対応した結像レンズ１Ｃの位置を検出することができる。
【００７４】
ステップＳ１１で変倍レンズ１Ｂと結像レンズ１Ｃとが移動することによって、移動に連動して焦点距離ｆは変化する。焦点距離検出部１２２は、レンズ移動に伴い変化する焦点距離ｆを検出する。つまり、焦点距離検出部１２２は、信号３０および３１を入力し、入力信号３０と３１が指す変倍レンズ１Ｂの位置と結像レンズ１Ｃの位置を用いて所定換算式に従って焦点距離ｆを算出する。算出した焦点距離ｆは絞り制御部１０４に出力される。
【００７５】
絞り制御部１０４は、焦点距離検出部１２２から入力する焦点距離ｆに基づき、過焦点距離Ｈを保持するような絞り値Ｎを、（式１）に従って算出する。絞り制御部１０４は、算出した絞り値Ｎに基づいて絞り２の開口径を変化させるための制御信号を生成し、生成した制御信号を絞り駆動部１０８に出力する。絞り駆動部１０８は、制御信号を入力し、入力した制御信号に基づき駆動パルス信号を生成し、モータ２６に出力する。これにより、モータ２６は、駆動パルス信号に従った回転角度だけ回転するので、絞り２の開口径を回転角度だけ変化（拡大・縮小）させることができる。これにより、一定の過焦点距離Ｈ（被写界深度）を保持するような絞り２の開口径に制御することができる。
【００７６】
このとき、過焦点距離Ｈを保持するような絞り２の開口径が制御されると、撮像面への入射光量は制限されるが、明るさ制御部１０７によって上述した明るさ制御が実行されることにより、画像の明るさを一定に維持することができる。
【００７７】
その後、ズーム停止命令を入力すると（ステップＳ１３でＹＥＳ）、ステップＳ１１の繰返し処理は終了し、ステップＳ１５の処理に移行する。
【００７８】
ステップＳ１５では、ズーム制御部１０６は、ズーム停止命令に応じてモータ２４を停止するように制御して、変倍レンズ１Ｂの移動を停止させる。これに連動して結像レンズ１Ｃおよび絞り２の駆動も停止する。
【００７９】
その後、ステップＳ１７では、結像レンズ１Ｃを、当初の被写体距離Ｌの位置に移動させ、絞り２の開口径を通常の値に戻す。これにより、パンフォーカス状態は解除されて、ステップＳ５のピントが合っている状態となる。
【００８０】
ステップＳ１７では、被写体距離Ｌを検出したときの結像レンズ１Ｃの位置は、メモリ２０２から読出すことで取得できる。フォーカス制御部１０５は、先のステップＳ５において検出された結像レンズ１Ｃの位置に、結像レンズ１Ｃを戻すような制御信号を生成し結像レンズ駆動部１０９に出力する。結像レンズ駆動部１０９は、制御信号に基づく駆動パルス信号を生成しモータ２５に出力する。モータ２５は駆動パルス信号に従って回転する。結像レンズ１Ｃは、モータ２５の回転に連動して移動し、被写体距離Ｌに対応した位置に戻される。また、絞り制御部１０４は信号３２が指す開口径のサイズと通常の開口径のサイズとの差分に応じて開口径を変化させるための制御信号を生成して絞り駆動部１０８に出力する。これにより、絞り駆動部１０８からは、制御信号に基づく駆動パルス信号が生成されモータ２６に出力される。モータ２６は駆動パルス信号に従って回転し、回転に連動して絞り２の開口径のサイズは通常サイズに変化する。
【００８１】
ステップＳ１７の処理後は、ステップＳ１の処理に戻り、再度、待機状態となる。
本実施の形態によれば、望遠側のズーム操作時には、ピントが合っている状態の被写界深度を保つことが可能である。また、望遠側へのズーム操作時にはパンフォーカス状態の被写界深度すなわち過焦点距離Ｈを一定に保ちながらズーム操作が行われることにより、奥行きのある被写体（至近の被写体から無限遠の被写体まで）に対しても、ピントが合わせた鮮明な画像を得ることができる。したがって、監視カメラの用途のように、所望の被写体にズームインするケースが頻繁であったとしても、本実施の形態によれば、パンフォーカス状態を保ちながらズーム操作が行われることにより、ピントがボケることなく当該被写体に速やかにピントを合わせることができる。
【００８２】
さらに、被写界深度を保持する際には画像の明るさ制御が並行して実行されることによって、明るさが保持された鮮明な画像を得ることができる。
【００８３】
（変形例）
上述の実施の形態では、ＣＭＯＳ３を位置固定で変倍レンズ１Ｂを移動させることによりズーム倍率であるＣＭＯＳ３と変倍レンズ１Ｂの相対的位置を変化させてズーム（広角側または望遠側への倍率変更）制御をしたが、変倍レンズ１Ｂを位置固定にしてＣＭＯＳ３を光軸に沿って移動させることによって当該相対的位置を変化させ、それによりズーム（倍率変更）制御するようにしてもよい。または、両者の位置を変化させて当該相対的位置を変化させてもよい。
【００８４】
この場合には、図３と図４のおよび結像レンズ１Ｃと変倍レンズ１Ｂの位置関係は、結像レンズ１ＣとＣＭＯＳ３の位置関係に代替し、当該相対的位置を変更させるためにＣＯＭＳ３に関連して、ズーム制御部１０６、変倍レンズ駆動部１１０およびモータ２４に相当した位置制御部を追加して備えればよい。
【００８５】
また、明るさ制御は、ゲイン調整、またはＣＭＯＳ３のシャッタ速度調整のいずれかを行うとしたが、いずれを適用するかはユーザが操作部２１から選択的に指定するようにしてよい。また、両方を併用するようにしてもよい。
【００８６】
また、ここではデジタルカメラを監視カメラとして例示したが、オートフォーカス機能を有するものであれば他の装置、たとえば携帯型端末に搭載されるデジタルカメラであってもよい。
【００８７】
監視カメラとして用いる場合には、図１の光学系とＣＭＯＳ３およびこれらの関連部分を含む１つ以上の光学部を各監視ポイントに設置し、各光学部とは分離して設けられたコントローラ２０により各光学部を遠隔から図５の手順に従ってコントロールするようにしてもよい。
【００８８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８９】
１Ａ  主レンズ、１Ｂ  変倍レンズ、１Ｃ  結像レンズ、３  ＣＭＯＳ、２０  コントローラ、２１  操作部、２２  モータ駆動部、２３  ＣＭＯＳ駆動部，２４〜２６  モータ、３３  ゲイン信号、１０１  命令検出部、１０２  距離検出部、１０３  ズーム方向判別部、１０４  絞り制御部、１０５  フォーカス制御部、１０６  ズーム制御部、１０７  明るさ制御部、１０８  絞り駆動部、１０９  結像レンズ駆動部、１１０  変倍レンズ駆動部、１２１  被写体距離検出部、１２２  焦点距離検出部、２０３  被写体距離テーブル、２０４  合焦点位置テーブル、２１１  ズームボタン、２１２  フォーカスボタン。
【図１】
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【図２】
2012002921.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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