JP4401802B2

JP4401802B2 - カメラ

Info

Publication number: JP4401802B2
Application number: JP2004027496A
Authority: JP
Inventors: 塗師　　隆治; 隆大吉見
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP2005221597A; EP1566681A1; US20050168829A1; US7113344B2

Description

本発明は、アナモフィックコンバーターを用いて、撮像素子（撮像手段）と異なるアスペクト比の映像を撮影するフィルムカメラやテレビカメラ、あるいはビデオカメラに関するものである。

画像のアスペクト比を変換して記録・再生する技術としては、従来から種々提案されてきている。特に映画用としては、アスペクト比２．３５：１のシネマスコープ形式の映像記録・再生システムとして、アナモフィックレンズを用いて光学的に水平方向を圧縮してフィルムに撮影し、再生時にもアナモフィックレンズを用いて光学的にフィルム上の画像を水平方向に拡大して映写する方式が一般に用いられている。

アナモフィックコンバーターとしては、例えば特許文献１、特許文献２等に開示されているような結像光学系の物体側に取り付けるフロントコンバーターが知られている。これらにおいては、シンプルで、変換比率によらず適切な有効径を確保することによりケラレが生じないコンバーターが実現される。また、このようなフロントコンバーターにおいて、例えば特許文献３、特許文献４等においては、フォーカスによる非点収差を補正する技術が提案されている。

また、結像光学系の像側に取り付けるリアコンバーターとして、例えば特許文献５に記載されているようなフォーカスによる非点収差変化を少なくしたものが知られている。さらに、結像光学系のフォーカス群より像側に挿脱可能な内蔵コンバーターを有する、例えば特許文献６に記載されているようなコンバーターが知られている。この内蔵コンバーターにおいても、非点収差の変化を少なくすることができる。
特開平２−１３９１６号公報特開平６−８２６９１号公報特開平３−２５４０７号公報特開平５−１８８２７１号公報特許第３０２１９８５号公報特開平０８−１８４７５９号公報

近年ビデオ技術の高画質化が進み、ＨＤＴＶシステムで映画を撮影するデジタルシネマシステムが一般化しつつある。デジタルシネマシステムではアスペクト比１６：９（１．７８：１）の撮像素子を用いることが一般的であるが、アスペクト比２．３５：１のシネマスコープ形式での撮影のために、撮像素子側の画素を有効に活用して画質を向上するためのアナモフィックコンバーターが要望されている。
シネ用アナモフィックコンバーターとしては、適切なアスペクト比変換がなされること、ケラレが生じないこと、結像光学系の有効像面を十分活用可能なこと、周辺光量低下が少ないこと、結像光学系のズーム・フォーカス全域で高い光学性能を有することが必要である。

ところで、特許文献１や特許文献２に示されるフロントコンバーターは、構成がシンプルで、変換比率によらず適切な有効径を確保することによりケラレが生じないといった利点を有しているが、大型化や、フォーカスによる非点収差変化の点で更なる対策が望まれていた。また、特許文献３や特許文献４のものでは非点収差の補正が可能とされているが、結像光学系のフォーカスに連動してコンバーター内の補正手段を駆動しなければならず、複雑な機構が必要となる。

また、特許文献５のリアコンバーター型では、フォーカスによる非点収差変化がないという利点を有するものであるが、ケラレを抑制するため水平側と垂直側の変換倍率を適切に設定することが必要となり、結像光学系の画角の変化に対する対策等が望まれていた。また特許文献６の内蔵コンバーター型もフォーカスによる非点収差変化が少ないという利点を有するものであるが、角倍率γを１未満としており、ケラレが発生してしまうという問題点があった。

本発明は、デジタルシネマ用として好適な、小型で光学性能が良好なアナモフィックコンバーターを有する結像光学系を備えたカメラを提供することを目的とする。

本発明は、以下のように構成したアナモフィックコンバーターを有する結像光学系を備えたカメラを提供するものである。
すなわち、本発明のカメラは、撮像手段と、該撮像手段に物体の像を結ぶ結像光学系とを備えるカメラであって、
前記結像光学系内に挿脱可能としたアナモフィックコンバーターを有しており、
前記アナモフィックコンバーターの光軸を含む任意の断面Ｘにおける焦点距離変換倍率をβｘ、光軸を含み前記断面Ｘに垂直な断面Ｙにおける焦点距離変換倍率をβｙとし、前記結像光学系の像面における撮像範囲のアスペクト比をＡＲ１、前記撮像手段の有効領域におけるアスペクト比をＡＲ２としたとき、
０．９＜（ＡＲ１・βｘ）／（ＡＲ２・βｙ）＜１．１
（ＡＲ２^２＋１）・βｙ^２／（ＡＲ１^２＋１）＞１
を満足し、且つ、前記アナモフィックコンバーターは、物体側より順に、２つのアナモフィックレンズａ１、ａ２からなり、前記アナモフィックレンズａ１、ａ２の光軸を含む任意の断面Ｘまたは光軸を含み前記断面Ｘに垂直な断面Ｙにおける屈折力を、φａ１、φａ２としたとき、
φａ１＞０
φａ２＜０
を満足することを特徴としている。
また、本発明のカメラは、前記結像光学系が、物体側から順に正の屈折力の第１群と、変倍用の負の屈折力の第２群と、変倍に伴う像面変動を補正するための第３群と、変倍中固定の正の屈折力からなり、前記アナモフィックコンバーターは、前記第４群内に設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、デジタルシネマ用として好適な、小型で光学性能が良好なアナモフィックコンバーターを有する結像光学系を備えたカメラを実現することができる。

［実施形態］
つぎに、本発明の実施形態として、撮像手段と、該撮像手段に物体の像を結ぶ結像光学系とを備えるカメラにおいて、結像光学系（合焦用のレンズ群）Ｆの像側のレンズ群内に、挿脱可能としたアナモフィックコンバーターを有する構成例について説明する。
図２は本実施形態を説明するアスペクト比の概念図、図３は本実施形態を説明する結像光学系の像面におけるイメージサークル、撮像範囲の概念図、図４は本実施形態を説明するコンバーターによる変換後のイメージサークル、撮像範囲の概念図、図５は本実施形態を説明する撮像手段の有効領域の概念図、図６は本実施形態を説明する映写時の出力画像の表示領域の概念図である。

本実施形態の上記撮像手段の結像光学系内に挿脱可能としたアナモフィックコンバーターを有するカメラにおいては、つぎのような条件設定をして変換倍率を適切に規定することにより、ケラレを生じることなく適切なアスペクト比変換を行うようにすることができる。
すなわち、前記コンバーターの光軸を含む任意の断面Ｘにおける焦点距離変換倍率をβｘ、光軸を含み前記Ｘに垂直な断面Ｙにおける焦点距離変換倍率をβｙとし、結像光学系の像面における撮像範囲のアスペクト比をＡＲ１とし、撮像手段の有効領域のアスペクト比をＡＲ２としたとき、
０．９＜（ＡＲ１・βｘ）／（ＡＲ２・βｙ）＜１．１（１）
（ＡＲ２^２＋１）・βｙ^２／（ＡＲ１^２＋１）＞１（２）
となるように条件設定をする。
上記（１）式は、適切なアスペクト比変換を行うための条件である。

図２に示すように像面の横の長さをＸ、像面の縦の長さをＹとすると、アスペクト比ＡＲは、
ＡＲ＝Ｘ／Ｙ（５）
で表される。図３に結像光学系の撮像範囲の模式図を、また図４に撮像手段の撮像範囲の模式図を示す。図３より、結像光学系の像面における撮像範囲の有効画面寸法の横の長さをＸ１、縦の長さをＹ１、アスペクト比をＡＲ１とし、図４より撮像手段の撮像範囲における横の長さをＸ２、縦の長さをＹ２、アスペクト比をＡＲ２としたとき、
ＡＲ１／ＡＲ２＝（Ｘ１・Ｙ２）／（Ｘ２・Ｙ１）（６）
で表される。

また、図５にアナモフィックコンバーターによるアスペクト比変換後の撮像範囲の概念図を示す。適切なアスペクト比変換がなされるためには、アナモフィックコンバーターの横方向における変換倍率βｘおよび縦方向における変換倍率βｙは、
βｘ＝Ｘ２／Ｘ１（７）
βｙ＝Ｙ２／Ｙ１（８）
であることが望ましい。
（６）〜（８）式より、理想的なアスペクト比変換の為の条件は、
（ＡＲ１・βｘ）／（ＡＲ２・βｙ）＝１（９）
となる。

実際は１０％程度の誤差は視覚的に影響が少ないため、（１）式を満たすことにより適切なアスペクト比変換が実現できる。
（２）式はアスペクト比変換に伴うケラレを防止するための条件である。コンバーターを結像光学系の像側に配置する場合、イメージサークルは結像光学系側の有効径で規制されるため、変換倍率を１より小さくしても広角化はできず画面周辺でケラレを生じてしまう。図３に示すように、結像光学系のイメージサークルＩ１は、
Ｉ１＝（Ｘ１^２＋Ｙ１^２）^１／２＝Ｙ１・（ＡＲ１^２＋１）^１／２（１０）
で表される。また図４に示すように、撮像手段の対角長Ｉ２は、
Ｉ２＝（Ｘ２^２＋Ｙ２^２）^１／２＝ βｙ・Ｙ１・（ＡＲ２^２＋１）^１／２（１１）
で表される。

ここで、図５に示すように、アナモフィックコンバーターでアスペクト比変換された像の対角長Ｉ３は、
Ｉ３＝｛（βｘ・Ｘ１）^２＋（βｙ・Ｙ１）^２｝^１／２
＝βｙ・Ｙ１・（ＡＲ２^２＋１）^１／２（１２）
で表される。したがってアスペクト比変換後の像が撮像手段の対角長を包括しケラレを防止するためには、Ｉ３＞Ｉ２でなければならない。したがって、（１１）式、（１２）式より、
Ｉ３^２／Ｉ２^２＞１（１３）
｛βｙ^２・（ＡＲ２^２＋１）｝／（ＡＲ１^２＋１）＞１（２）
となる。

なお、図６に映写時の出力画像の概念図を示す。映写時には撮像時と逆のアスペクト比変換を行い、元のアスペクト比に戻す必要がある。したがって、図６の横の長さＸ４、縦の長さＹ４はそれぞれ、
Ｘ４＝ βｘ’・Ｘ２（１４）
Ｙ４＝ βｙ’・Ｙ２（１５）
で表される。ここで変換倍率βｘ’、βｙ’は、任意の定数をｍとして
βｘ’ ＝ｍ／βｘ（１６）
βｙ’ ＝ｍ／βｙ（１７）
と表せる。

なお、一般に結像光学系のイメージサークルはズーム・フォーカス・絞りにより変化する。（２）式の条件はイメージサークルが最小となる条件に基づいて算出しているので、結像光学系のズーム・フォーカス・絞りの使用範囲を限定することにより、イメージサークルＩ１が撮像手段の対角長Ｉ２より大きく確保できる場合は、（２）式の左辺が１未満でもケラレないようにすることも可能である。

また、本実施形態においては、つぎのような条件設定をすることにより、結像光学系内に挿脱可能としてアスペクト比変換するためのアナモフィックコンバーターの構成を適切に規定することができる。
すなわち、物体側より順に、少なくとも２つのアナモフィックレンズａ１、ａ２を有し、該アナモフィックレンズａ１、ａ２の光軸を含む任意の断面Ｘまたは光軸を含み前記Ｘに垂直な断面Ｙにおける屈折力を、φａ１、φａ２としたとき、
φａ１＞０（３）
φａ２＜０（４）
となるように条件設定をする。

断面Ｘと断面Ｙで異なる変換倍率とするためには、Ｘ断面とＹ断面で異なる曲率を持ついわゆるトーリックレンズまたは、ある断面のみ曲率をもつシリンドリカルレンズを少なくとも２枚使用して、前記Ｘ断面と前記Ｙ断面で異なる角倍率のアフォーカルコンバーター（アナモフィックコンバーター）を形成する必要がある。特に（２）式の条件を満たし、ケラレを防止するためには、βｘ＞１またはβｙ＞１でなければならない。したがって、前記Ｘ断面または前記Ｙ断面におけるアナモフィックコンバーターは、物体側から正負構成のテレコンバーター型とする必要がある。

以上に説明したように、本実施形態のようにアナモフィックコンバーターを結像光学系の像側に配置するようにしたものにおいては、光軸を含む各断面Ｘ，Ｙの変換倍率の条件を規定し、レンズ構成を適切に設定することにより、特にデジタルシネマ用として最適な、光学性能が良好でかつ、ケラレがない内蔵コンバーター方式のアナモフィックコンバーターを達成することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
本発明の結像光学系の像側にアナモフィックコンバーターを配した構成を適用した実施例の構成例について説明する。
図１は本実施例における構成を示す図であり、（ａ）はアナモフィックコンバーター挿入時のＹ方向におけるレンズ構成を示す断面図、（ｂ）はアナモフィックコンバーター挿入時のＸ方向におけるレンズ構成を示す断面図である。また図７は本実施例における数値実施例のｆｘ＝１０．３ｍｍ、ｆｙ＝１３．６ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＸ方向の縦収差図、
図８は本実施例における数値実施例のｆｘ＝１０．３ｍｍ、ｆｙ＝１３．６ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＹ方向の縦収差図、
図９は本実施例における数値実施例のｆｘ＝３９．５ｍｍ、ｆｙ＝５２．１ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＸ方向の縦収差図、
図１０は本実施例における数値実施例のｆｘ＝３９．５ｍｍ、ｆｙ＝５２．１ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＹ方向の縦収差図、
図１１は本実施例における数値実施例のｆｘ＝１５１．１ｍｍ、ｆｙ＝１９９．７ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＸ方向の縦収差図、
図１２は本実施例における数値実施例のｆｘ＝１５１．１ｍｍ、ｆｙ＝１９９．７ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＹ方向の縦収差図である。

また、図１３は本実施例におけるアナモフィックコンバーター挿入前の広角端におけるレンズ構成を示す断面図、
図１４は本実施例における数値実施例のアナモフィックコンバーター挿入前のｆ＝１０．３ｍｍ、物体距離２．５ｍにおける縦収差図、
図１５は本実施例における数値実施例のアナモフィックコンバーター挿入前のｆ＝３９．５ｍｍ、物体距離２．５ｍにおける縦収差図、
図１６は本実施例における数値実施例のアナモフィックコンバーター挿入前のｆ＝１５１．１ｍｍ、物体距離２．５ｍにおける縦収差図である。

図１において、Ｆは第１群としての正の屈折力の前玉レンズ群である。Ｖは第２群としての変倍用の負の屈折力のバリエ−タであり、光軸上を像面側へ単調に移動させることにより、広角端（ワイド）から望遠端（テレ）への変倍を行っている。Ｃは第３群としての負の屈折力のコンペンセ−タであり、変倍に伴う像面変動を補正するために光軸上を物体側へ凸の軌跡を有して非直線的に移動している。バリエ−タＶとコンペンセ−タＣとで変倍系を構成している。
ＳＰは絞り、Ｒは第４群としての正の屈折力の変倍中固定のリレ−群である。Ｐは色分解プリズムや光学フィルタ−等であり、同図ではガラスブロックとして示している。

次に、本実施例における第４群の特徴について説明する。
第４群は略アフォーカルな間隔Ａを有し、アナモフィックコンバーターＡＮが前記間隔Ａに挿脱可能に構成されている。ＡＮは２枚のシリンドリカルレンズａ１、ａ２で構成されており、各シリンドリカルレンズはＸ方向の曲率がゼロ、Ｙ方向にのみ曲率を有している。前記ａ１，ａ２のＹ方向の屈折力φａ１、φａ２は、
φａ１＝＋０．０１６２
φａ２＝ −０．０２１４
であり、（３）式、（４）式の条件を満たす。

結像光学系の像面における撮像範囲のアスペクト比ＡＲ１、撮像手段の有効領域のアスペクト比をＡＲ２は、
ＡＲ１＝２．３５（１８）
ＡＲ２＝１．７８（１９）
である。
また、Ｘ方向の変換倍率βｘおよびＹ方向の変換倍率βｙは
βｘ＝１．０（２０）
βｙ＝１．３２（２１）
である。

したがって、各条件式の値は
（ＡＲ１・βｘ）／（ＡＲ２・βｙ）＝１．００（２２）
（ＡＲ２^２＋１）・βｙ^２／（ＡＲ１^２＋１）＝１．１１（２３）
で（１）式、（２）式の条件を満たしており、光学性能が良好でかつ、ケラレがない内蔵コンバーター方式のアナモフィックコンバーターを達成している。
以下に本実施例における数値実施例を示す。
［実施例における数値実施例］

＊ｒ２４〜ｒ２７：シリンドリカルレンズ。Ｘ方向の曲率半径はゼロである。

本発明の実施例における構成を示す図であり、（ａ）はアナモフィックコンバーター挿入時のＹ方向におけるレンズ構成を示す断面図、（ｂ）はアナモフィックコンバーター挿入時のＸ方向におけるレンズ構成を示す断面図。本発明の実施形態を説明するアスペクト比の概念図。本発明の実施形態を説明する結像光学系の像面におけるイメージサークル、撮像範囲の概念図。本発明の実施形態を説明するコンバーターによる変換後のイメージサークル、撮像範囲の概念図。本発明の実施形態を説明する撮像手段の有効領域の概念図。本発明の実施形態を説明する映写時の出力画像の表示領域の概念図。本発明の実施例における数値実施例のｆｘ＝１０．３ｍｍ、ｆｙ＝１３．６ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＸ方向の縦収差図。本発明の実施例における数値実施例のｆｘ＝１０．３ｍｍ、ｆｙ＝１３．６ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＹ方向の縦収差図。本発明の実施例における数値実施例のｆｘ＝３９．５ｍｍ、ｆｙ＝５２．１ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＸ方向の縦収差図。本発明の実施例における数値実施例のｆｘ＝３９．５ｍｍ、ｆｙ＝５２．１ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＹ方向の縦収差図。本発明の実施例における数値実施例のｆｘ＝１５１．１ｍｍ、ｆｙ＝１９９．７ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＸ方向の縦収差図。本発明の実施例における数値実施例のｆｘ＝１５１．１ｍｍ、ｆｙ＝１９９．７ｍｍ、物体距離２．５ｍにおけるＹ方向の縦収差図。本発明の実施例におけるアナモフィックコンバーター挿入前の広角端におけるレンズ構成を示す断面図。本発明の実施例における数値実施例のアナモフィックコンバーター挿入前のｆ＝１０．３ｍｍ、物体距離２．５ｍにおける縦収差図。本発明の実施例における数値実施例のアナモフィックコンバーター挿入前のｆ＝３９．５ｍｍ、物体距離２．５ｍにおける縦収差図。本発明の実施例における数値実施例のアナモフィックコンバーター挿入前のｆ＝１５１．１ｍｍ、物体距離２．５ｍにおける縦収差図。

Claims

撮像手段と、該撮像手段に物体の像を結ぶ結像光学系とを備えるカメラであって、
前記結像光学系内に挿脱可能としたアナモフィックコンバーターを有しており、
前記アナモフィックコンバーターの光軸を含む任意の断面Ｘにおける焦点距離変換倍率をβｘ、光軸を含み前記断面Ｘに垂直な断面Ｙにおける焦点距離変換倍率をβｙとし、前記結像光学系の像面における撮像範囲のアスペクト比をＡＲ１、前記撮像手段の有効領域におけるアスペクト比をＡＲ２としたとき、
０．９＜（ＡＲ１・βｘ）／（ＡＲ２・βｙ）＜１．１
（ＡＲ２^２＋１）・βｙ^２／（ＡＲ１^２＋１）＞１
を満足し、且つ、前記アナモフィックコンバーターは、物体側より順に、２つのアナモフィックレンズａ１、ａ２からなり、前記アナモフィックレンズａ１、ａ２の光軸を含む任意の断面Ｘまたは光軸を含み前記断面Ｘに垂直な断面Ｙにおける屈折力を、φａ１、φａ２としたとき、
φａ１＞０
φａ２＜０
を満足することを特徴とするカメラ。
前記結像光学系が、物体側から順に正の屈折力の第１群と、変倍用の負の屈折力の第２群と、変倍に伴う像面変動を補正するための第３群と、変倍中固定の正の屈折力からなり、前記アナモフィックコンバーターは、前記第４群内に設けられていることを特徴とする請求項１記載のカメラ。