JP2011070120A - 光学装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でブレ補正を行うことが可能な光学装置及び撮像装置を提供する。
【解決手段】回転軸に対して所定角度で交わる第１面１０５と、回転軸に対して直交する第２面１０６とを有し、回転軸を中心として回転するフィルタ１０２と、フィルタ１０２に隣接して配置され、フィルタ１０２との間の回転軸上の点に対して第１面１０５及び第２面１０６と点対称の位置関係にある第３面１１５及び第４面１１６を有し、回転軸を中心としてフィルタ１０２と逆方向に回転するフィルタ１１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置及び撮像装置に関する。

従来、例えば下記の特許文献１に記載されているように、カメラのブレ補正を行うために、補正レンズを動かす事により光軸角度を変化させて、画像ブレを打ち消し、ブレの少ない画像取得を行う技術が知られている。

特開平９−１７１２０４号公報

ブレ補正機構としては、撮影レンズ中の一部のレンズ（補正光学系）を、光軸と垂直方向に変位させることで、光軸角度を変化させ、画像ブレを打ち消している例が多い。その場合、補正光学系は、直線運動を行う必要がある。カメラを手に持った場合に生じるブレ、あるいはカメラを支柱などに据え付けた場合のブレの双方において、振動振幅の中央付近ではブレ速度が大きく、最大振幅付近ではブレ速度が小さくなる傾向がある。このため、直線運動を行う補正光学系は、これに応じて、光軸付近では光学系の移動速度は最大とそ、最大ブレ補正量が生じる最大振幅付近に近づくにつれて急激に減速し、最大ブレ補正位置では移動速度を０にし、移動方向を反転する必要がある。

しかしながら、上記のような動作はアクチュエータに負担となる。特に、ブレ振動数が大きくなると、動作速度に遅れが生じ、追従が困難になるため、所望のブレ補正動作が実現できなくなる問題がある。また、ブレ補正機構は撮影レンズに内蔵する構造が殆どであり、一眼レフなどのレンズ交換式カメラでは、ブレ補正機構付レンズ以外では、ブレ補正の機能を使うことができない問題がある。

更に、パノラマ画像を簡単に取得するために、カメラをパンしながら撮影を行なうことが行われている。この場合、カメラを停止させてから撮影を行い、再びパン方向へ移動させると、撮影時間が長時間になる問題がある。また、パン方向への移動と停止を繰り返し行うためには、駆動機構（モータ）を大型にする必要があり、装置の複雑化、コストの上昇を招待する問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、簡素な構成でブレ補正を行うことが可能な、新規かつ改良された光学装置及び撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、回転軸に対して所定角度で交わる第１面と、前記回転軸に対して直交する第２面とを有し、前記回転軸を中心として回転する第１の光学素子と、前記第１の光学素子に隣接して配置され、前記第１の光学素子との間の前記回転軸上の点に対して前記第１面及び第２面と点対称の位置関係にある第３面及び第４面を有し、前記回転軸を中心として前記第１の光学素子と逆方向に回転する第２の光学素子と、を備える、光学装置が提供される。

また、前記第１面は、前記回転軸を含む境界面を境として前記回転軸に対する傾斜の向きが反転した２つの面から構成され、前記回転軸上の点に対して前記第１面と点対称の位置関係にある前記第４面は、前記回転軸上の前記点に対して前記第１面の前記２つの面と点対称の位置関係にある２つの面から構成されるものであってもよい。

また、前記第１及び第２の光学素子は、所定の回転角の範囲で前記回転軸を中心とした往復運動を行うものであってもよい。

また、被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に前記撮影レンズの光軸と前記回転軸を一致させた状態で配置され、前記第１及び第２の光学素子を通過した光線を前記撮影レンズに入射させるものであってもよい。

また、被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に前記撮影レンズの光軸と前記回転軸とがオフセットされた状態で配置され、前記第１及び第２の光学素子を通過した光線を前記撮影レンズに入射させるものであってもよい。

また、被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に配置され、前記撮影レンズが移動しながらフレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期されるものであってもよい。

また、被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に配置され、前記撮影レンズが光軸の向きを回転しながらフレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期されるものであってもよい。

また、被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に配置され、前記撮影レンズが光軸の向きを回転しながらフレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期され、前記撮影レンズの１フレーム毎の光軸の向きの変化量が、前記第１及び第２の光学素子が１８０度回転した際の光線ふれ量と一致するものであってもよい。

また、被写体像を結像させるための撮像レンズの被写体側の前部、前記撮像レンズの結像面側の後部又は前記撮像レンズの内部に配置されるものであってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、回転軸に対して所定角度で交わる第１面と、前記回転軸に対して直交する第２面とを有し、前記回転軸を中心として回転する第１の光学素子と、前記第１の光学素子に隣接して配置され、前記第１の光学素子との間の前記回転軸上の点に対して前記第１面及び第２面と点対称の位置関係にある第３面及び第４面を有し、前記回転軸を中心として前記第１の光学素子と逆方向に回転する第２の光学素子と、を有する光学素子と、前記光学素子を透過した光線による被写体像を結像させるための撮影レンズと、前記撮影レンズにより被写体像が結像される撮像面を有する撮像素子と、を備える、撮像装置が提供される。

また、前記第１の光学素子の前記第１面は、前記回転軸を含む境界面を境として前記回転軸に対する傾斜の向きが反転した２つの面から構成され、前記回転軸上の点に対して前記第１面と点対称の位置関係にある前記第４面は、前記回転軸上の前記点に対して前記第１面の前記２つの面と点対称の位置関係にある２つの面から構成されるものであってもよい。

また、前記第１及び第２の光学素子は、所定の回転角の範囲で前記回転軸を中心とした往復運動を行うものであってもよい。

また、前記撮影レンズの光軸と前記回転軸とが一致して配置されたものであってもよい。

また、前記撮影レンズの光軸と前記回転軸とがオフセットされた状態で配置されたものであってもよい。

また、移動しながらフレーム毎に被写体を撮影し、前記フレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期されたものであってもよい。

また、前記撮影レンズの光軸の向きを回転しながらフレーム毎に被写体を撮影し、前記フレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期されたものであってもよい。

また、前記撮影レンズの光軸の向きを回転しながらフレーム毎に被写体を撮影し、１フレーム毎の光軸の向きの変化量が、前記第１及び第２の光学素子が１８０度回転した際の光線ふれ量と一致するものであってもよい。

本発明によれば、簡素な構成でブレ補正を行うことが可能な、新規かつ改良された光学装置及び撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光学ユニットを示す模式図である。 光学ユニットのフィルタを示す模式図である。 フィルタが回動する様子を示す模式図である。 図３の初期状態を０度と定義し、フィルタ１０２とフィルタ１１０が、−９０度、＋９０度、＋１８０度のそれぞれの回転角に位置した状態での、光線が屈折する様子の概略を示す模式図である。 レンズ回転角（−９０°、０°、＋９０°、＋１８０°）に応じた、水平方向、垂直方向の光軸角変位量を示す模式図である。 レンズ回転角０度の垂直方向（ＸＺ平面上）、レンズ回転角１８０度の垂直方向（ＸＺ平面上）では、光線が大きく屈折しない理由を説明するための模式図である。 撮影レンズの前にフィルタを設置した例を示す模式図である。 フィルタを重ねた場合の光線フレ角θと、フィルタ頂角α、フィルタ屈折率ｎとの関係を説明するための模式図である。 図９は、垂直方向（ＸＺ平面上）、水平方向（ＹＺ平面上）のそれぞれにおいて、フィルタの面が光線を屈折させるパワーを矢印のベクトルで示した模式図である。 光軸ふれ角について詳細に説明するための模式図である。 本実施形態に係る光学ユニットを利用して、パノラマ画像を撮影している様子を示す模式図である。 第２の実施形態に係る光学ユニットの構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係るフィルタの構成を示す模式図である。 フィルタ回転角の初期状態を０度と定義し、フィルタが、−９０度、＋９０度、＋１８０度回転した状態での、光線が屈折する様子の概略を示す模式図である。 第３の実施形態に係るブレ補正方法を説明するための特性図である。 第２の実施形態に係る光学フィルタの駆動機構を示す模式図である。 第２の実施形態に係る光学フィルタの駆動機構を示す模式図である。 光学フィルタの駆動機構において、フィルタを断面で示した模式図である。 光学フィルタの駆動機構において、フィルタを断面で示した模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施の形態（回転フィルタによるブレ補正の構成例）
２．第２の実施の形態（光軸ふれ角を一方向にする構成例）
３．第３の実施の形態（回転フィルタを往復駆動する構成例）
４．フィルタを回転させる構成例

＜１．第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光学ユニット１００を示す模式図である。図１に示すように、光学ユニット１００は、ガラス製のフィルタ１０２及びフィルタ１１０から構成される。フィルタ１０２及びフィルタ１１０の外周は、共に光軸１０００（Ｚ軸）を中心軸とする円筒面とされている。

図２は、フィルタ１０２を示す模式図である。図２に基づいてフィルタ１０２へ入射した光の屈折について説明すると、図２の左から入射した光線１０３は、フィルタ１０２で屈折して、フィルタ２の右側から光軸１０００に沿った光線１０４として射出される。

フィルタ１０２の光線１０３が入射する面１０５は、円筒を斜めに切断して得られる平面である。また、光線１０４が射出する面１０６は、光軸１０００に垂直な面である。図２に示すようにＸ，Ｙ，Ｚ方向を定義し、面１０５の法線はＸＺ平面上にあるものとする。フィルタ１０２をＸＺ平面で切断した場合、面１０５の切断線と面１０６の切断線は平行ではなく、くさび形となる。

一方、フィルタ１０２をＹＺ平面で切断した場合、面１０５の切断線と面１０６の切断線は平行となる。このため、面１０５へ入射した入射光線１０３は、Ｘ方向（ＸＺ面に沿った方向）には屈折するが、Ｙ方向（ＹＺ面に沿った方向）には屈折することなく真直ぐに進む。そして、フィルタ１０２を、光軸１０００を中心として回動させると、光線の屈曲方向を３６０度方向に自在に調整することができる。

図１において、フィルタ１０２とフィルタ１１０は同一形状のものであり、同一の材質からなる。図１に示すように、フィルタ１０２に対して、光軸１０００上の点１２３に対して点対称となるようにフィルタ１１０が配置されて、本実施形態に係る光学ユニット１００が構成される。フィルタ１１０は、円筒を斜めに切断して得られる面１１５と光軸１０００に垂直な面１１６とを有している。

本実施形態に係る光学ユニット１００は、フィルタ１０２から出射した光線をフィルタ１１０へ入射させ、フィルタ１１０で再度屈折させる。上述したように、フィルタ１０２を、光軸１０００を中心として回動させると、光線の屈曲方向を光軸１０００周りの３６０度方向に自在に調整することができる。また、フィルタ１１０についても同様に、光軸１０００を中心として回動させると、光線の屈曲方向を光軸１０００周りの３６０度方向に自在に調整することができる。本実施形態の光学ユニット１００は、この性質を利用し、フィルタ１０２とフィルタ１１０を相互に回動させることで、特定の方向にのみ入射光線を屈折させるようにしている。

図３は、フィルタ１０２及びフィルタ１１０が回動する様子を示す模式図である。ここで、図３は基準となる初期状態を示しており、面１０５の法線はＸＺ平面上に存在し、面１１５の法線もＸＺ平面上に存在している。この状態では、フィルタ１０２の面１０５とフィルタ１１０の面１１５とは平行である。

そして、本実施形態の光学ユニット１００では、図１に示した状態を初期状態として、フィルタ１０２とフィルタ１１０は、光軸１０００を中心として、逆方向に同じ速度で回転させる。図１に示すように、フィルタ１０２は矢印１１１方向（Ｚ軸のマイナス側（被写体側）から見て時計周り）に回転し、フィルタ１１０は矢印１１２方向（Ｚ軸のマイナス側（被写体側）から見て反時計周り）に回転する。

図４は、図３の初期状態を０度と定義し、フィルタ１０２とフィルタ１１０が、−９０度、＋９０度、＋１８０度のそれぞれの回転角に位置した状態での、光線が屈折する様子の概略を示している。図４に示す垂直方向は、図１のＹ軸方向のプラス側から光学ユニット１００を見た状態を示しており、ＸＺ平面上で光線が屈折する様子を示している。また、図４に示す水平方向は、図１のＸ軸方向のマイナス側から光学ユニット１００を見た状態を示しており、ＹＺ平面上で光線が屈折する様子を示している。また、−９０度、＋９０度、＋１８０度の回転角については、フィルタ１０２の回転方向を（図３の矢印１１１方向）をプラス方向とする。

フィルタ１０２とフィルタ１１０は、撮影レンズ１２４の前側（被写体側）に配置される。撮影レンズ１２４は、被写体像をＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーなどの撮像素子１２３の撮像面（結像面）上に結像させるレンズであり、１または複数の光学レンズから構成される。図４に示すように、撮影レンズ１２４は、光学ユニット１００のレンズ光軸１０００に対して撮影レンズ１２４の光軸が一致するように配置される。なお、光学ユニット１００は撮影レンズ１２４の内部に配置しても良く、この場合、光学ユニット１００は撮影レンズ１２４の複数の光学レンズの間に配置される。また、光学ユニット１００は、撮影レンズ１２４と撮像素子１２３の結像面との間に配置しても良い。いずれの場合においても、後述する光軸ふれ角を生じさせることができ、ブレ補正を行うことが可能である。

図４に示すように、レンズ回転角０度の場合、水平方向（ＹＺ平面上）では、面１０５及び面１１５の法線がＸＺ面上にあるため、ＹＺ平面上で光線は屈折されない。撮像素子１２３の中央に到達する光線は、光軸１０００の方向から光学ユニット１００へ入射して撮影レンズ１２４を透過した光線２１６となる。

レンズ回転角０度、垂直方向（ＸＺ平面上）では、フィルタ１０２とフィルタ１１０により光線はＸＺ平面上で微小に屈折するが、後述するようにその屈折量は非常に小さい。このため、垂直方向においても、撮像素子１２３中央に到達する光線は、光軸１０００と平行に光学ユニット１００へ入射して撮影レンズ１２４を透過した光線２１５である。

レンズ回転角＋９０°の場合、水平方向（ＹＺ平面上）では、面１０５及び面１１５の法線がＹＺ面上にあるため、フィルタ１０２とフィルタ１１０により光線が図示のように屈折される。このため、撮像素子１２３中央に到達する光線は、光軸１０００に対してθの角度でフィルタ１０２へ入射して撮影レンズ１２４を透過した光線２１８となる。レンズ回転角＋９０°、垂直方向（ＸＺ平面上）では、面１０５及び面１１５の法線がＹＺ面上にあるため、ＸＺ平面上で光線は屈折されない。このため、撮像素子１２３の中央に到達する光線は、光軸１０００の方向から光学ユニット１００へ入射して撮影レンズ１２４を透過した光線２１７である。

レンズ回転角＋１８０°の場合、水平方向（ＹＺ平面上）では、面１０５及び面１１５の法線がＸＺ面上にあるため、ＹＺ平面上で光線は屈折されない。このため、撮像素子１２３の中央に到達する光線は、光軸１０００の方向から光学ユニット１００へ入射して撮影レンズ１２４を透過した光線２２０である。レンズ回転角＋１８０°の場合、垂直方向（ＸＺ平面上）では、フィルタ１０２とフィルタ１１０により構成は微小に屈折するが、後述するようにその屈折量は非常に小さい。このため、垂直方向においても、撮像素子１２３の中央に到達する光線は、光軸１０００と平行に入射した光線２１９である。

レンズ回転角−９０°、水平方向（ＹＺ平面上）では、面１０５及び面１１５の法線がＹＺ面上にあるため、フィルタ１０２とフィルタ１１０により光線が図示のように屈折される。このため、撮像素子１２３中央に到達する光線は、光軸に対してθの角度でフィルタ１０２へ入射して撮影レンズ１２４を透過した光線２１４である。レンズ回転角−９０°、垂直方向（ＸＺ平面上）では、面１０５及び面１１５の法線がＹＺ面上にあるため、ＸＺ平面上で光線は屈折されない。このため、撮像素子１２３の中央に到達する光線は、光軸１０００の方向から光学ユニット１００へ入射して撮影レンズ１２４を透過した光線２１３となる。

図５は、レンズ回転角（−９０°、０°、＋９０°、＋１８０°）に応じた、水平方向、垂直方向の光軸角変位量を示している。光軸角変位量は、光学ユニット１００によって変位する撮影レンズ１２４の光軸の向きである。図４で説明したように、例えば＋９０°の水平方向では、光軸１０００に対してθの角度でフィルタ１０２へ入射した光線２１８が撮像素子１２３中央に到達する。このため、光学ユニット１００を使用せずに撮影レンズ１２４のみを使用した場合に、撮影レンズ１２４向きを角度θだけ傾けた場合と同様の効果が得られる。そして、本実施形態では、この光軸角変位量をブレ角度補正量としてブレ補正を行うことを１つの目的としている。

図５に基づいて光軸角変位量について説明すると、図４で説明したように、垂直方向（ＸＺ平面上）においては、レンズ回転角−９０°、０°、＋９０°、＋１８０°のいずれにおいても、光学ユニット１００へ入射した光線は、ＸＺ平面上では屈折しない。このため、図５に示すように、垂直方向での光軸角変位量は回転角によらず常に０となる。

一方、水平方向（ＹＺ平面上）では、フィルタ１０２、フィルタ１１０の回動に伴って、図５に示すように、光軸角変位量はサインカーブを描く。このため、光軸角変位量は０°、＋１８０°で０となり、−９０°で最小値（−θ）、＋９０°で最大値（θ）となる。

このように、本実施形態の光学ユニット１００によれば、光軸の変位は、ＹＺ平面上でのみ発生する。従って、図５の水平方向の図に示すように、フィルタ１０２，１１０の相対的な回動に応じて光軸の向きを可変させることで、ＹＺ平面上でのみ光軸の向きを変化させることができる。これを利用して、撮影レンズ１２４及び光学ユニット１００からなる光学系の向きがＹＺ平面上で移動した場合に、移動方向と反対方向に光軸の向きを変化させることにより、光学系の移動による撮像素子１２３上での被写体の動きをキャンセルすることができ、ブレ補正などに適用することができる。

上述したように、レンズ回転角０度の垂直方向（ＸＺ平面上）、レンズ回転角１８０度の垂直方向（ＸＺ平面上）では、光線は微小に屈折するが、大きく屈折することはない。この点について、図６に基づいて説明する。図６において、被写体から入射する物空間の光線２１５は、上述のように撮影レンズ１２４の光軸上を通り、撮像素子１２３の中央に到達する。矢印の方向に進む光線２１５は、フィルタ１０２の面１０５上の点１３２でフィルタ１０２に入射角Ａ１で入射し、スネルの法則により出射角Ａ１’となり、フィルタ１０２内を進行する。そして、光線２１５は、フィルタ１０２の面１０６上の点１３１で入射角Ａ２、出射角Ａ２’で出射する。その後、光線２１５は、面１１６上の点１３３で入射角Ａ３、出射角Ａ３’でフィルタ１１０に入射する。そして、光線２１５は、フィルタ１１０の面１１５上の点１３４で入射角Ａ４、出射角Ａ４’で出射する。

図６において、直線１３７は平面１０５の法線、直線１３８は平面１０５の法線、直線１３９は平面１１６の法線、直線１４０は平面１１５の法線である。平面１０６、平面１１６は平行であり、かつ撮影レンズ１２４の光軸に垂直である。また、平面１０５、１１５は平行であり、フィルタ１０２と１１０の屈折率は同一である。従って、Ａ２’＝Ａ３、Ａ２＝Ａ３’、Ａ１’＝Ａ４となり、Ａ１＝Ａ４’となる。ここで、法線１３７と法線１４０は平行であるため、光線２１５と撮影レンズ１２４の光軸は平行となる。光線２１５と撮影レンズ１２４の光軸との間には、僅かな光軸平行ずれ（光軸と直交する方向のずれ）が生じる場合があるが、光軸平行ずれによる画像シフトは、光軸角度変化による画像シフトより微小となる。特に、風景など比較的遠景を撮影する場合は、光軸平行ずれによる影響は小さい。

次に、レンズ回転角９０度の水平方向（ＹＺ平面上）等において光線が曲がる場合の原理を、図７に基づいて説明する。図７は、撮影レンズ１２４の前に、フィルタ１０２のみを設置した場合を示している。光線Ｌ１は、光軸１０００に対して角度θでフィルタ１０２に入射し、撮影レンズ１２４の光軸上を進み、撮像素子１２３の中央に到達する。フィルタ１０２の頂角をα、屈折率をｎとすると、スネルの法則により以下の式が成立する。なお、ｎはフィルタ１０２の屈折率である。
１＊ｓｉｎ（θ＋α）＝ｎ＊ｓｉｎα

θ＋αが十分小さい値では、θ＋α＝ｎ＊α が成り立つので、θ＝α（ｎ−１）となる。例えば、ｎ＝１．５とし、αを±４度変位させた場合、光線ふれ角θは２度となる。従って、図４における、水平方向−９０度、＋９０度では、フィルタ１０２、フィルタ１１０の頂角の和をαとすると、光軸ふれ角θ＝α（ｎ−１）となる。

フィルタ１０２とフィルタ１１０を重ねた場合、光線ふれ角θは図７の場合の２倍となる。図８は、フィルタ１０２とフィルタ１１０を重ねた場合の光線フレ角θと、フィルタ頂角α、フィルタ屈折率ｎとの関係を説明するための模式図である。

図７と同様に、左から右に光が進むものとする。直線１００４は光軸１０００と平行な直線である。ここで、スネルの法則により、以下の式が成立する。
１＊ｓｉｎＣ１＝ｎ＊ｓｉｎＣ１’ ・・・（１）
ｎ＊ｓｉｎＣ２＝１＊ｓｉｎＣ２’ ・・・（２）
１＊ｓｉｎＣ２’＝ｎ＊ｓｉｎＣ３’ ・・・（３）
ｎ＊ｓｉｎＣ４＝１＊ｓｉｎα ・・・（４）

よって、（２）式、（３）式より、以下の式が成立する。
ｎ＊ｓｉｎＣ２＝ｎ＊ｓｉｎＣ３’
ゆえに、Ｃ２ 、Ｃ３’は９０度以下なので、
Ｃ２＝Ｃ３’となる。

また、Ｃ１’−α＝Ｃ２＝Ｃ３’
α−Ｃ４＝Ｃ２＝Ｃ３’
よって、Ｃ１’−α＝α−Ｃ４となる。
（１）式は、
ｓｉｎＣ１＝ｎ＊ｓｉｎ（２＊α−Ｃ４）となり、
角度が十分に小さい場合、
Ｃ１＝ｎ＊（２＊α−Ｃ４） ・・・（５）
となる。

また、（４）式より、
ｓｉｎＣ４＝１／ｎ＊ｓｉｎα となり、
角度が十分に小さい場合、
Ｃ４＝α／ｎ ・・・（６）
となる。

（５）式、（６）式から、
Ｃ１＝２＊ｎ＊α−α
となり、よって、フレ角θ＝Ｃ１−α
θ＝２α（ｎ−１）
となる。ｎ＝１．５の場合、θ＝αとなる。

図４における、水平方向０度、＋１８０度、垂直方向−９０度、＋９０度では、フィルタ１０２の面１０５、フィルタ１１０の面１１５の光軸垂直面に対する等高線は、光軸と垂直となることから、光線ふれ角θは０となる。

次に、図９に基づいて、光軸ふれ角について更に説明する。図９は、垂直方向（ＸＺ平面上）、水平方向（ＹＺ平面上）のそれぞれにおいて、面１０５、面１１５が光線を屈折させるパワーを矢印のベクトル（光線ふれベクトルのＸＺ平面上、ＹＺ平面上の成分）で示したものである。ここで、面１０５、面１１５による光線の屈折量は、ＸＺ平面上、ＹＺ平面上のそれぞれにおける面１０５、面１１５の傾斜によって決定される。

垂直（Ｙ）方向の−４５度では、フィルタ１０２の面１０５と、フィルタ１１０の面１１５とは、傾斜の大きさ（光軸垂直面に対する面１０５の等高線を描いた場合に、その等高線のＸＺ面上での間隔）は等しくかつ逆向きの傾斜となる。換言すれば、フィルタ１０２の面１０５と、フィルタ１１０の面１１５とは、光線を屈折させるパワーを考えた場合、ベクトルは逆であり、スカラーは等しいので、Ｙ方向に光軸を曲げるパワーを打ち消すことから、垂直（Ｙ）方向の光線ふれ角θは０となる。垂直Ｙ方向の＋４５度なども同様であり、加えて垂直方向のあらゆる角度で、光線ふれ角θは０となる。

一方、水平Ｘ方向の−４５度などでは、フィルタ１０２とフィルタ１１０で生じる光線を曲げるパワーは、ベクトルが逆向きでスカラー量は異なるため、負の方向に光線を曲げるパワーが残り、負の光線ふれ角を生じる。また、水平Ｘ方向の＋４５度、＋９０度などでは、フィルタ１０２とフィルタ１１０で生じる光軸を曲げるパワーは、ベクトルが逆向きでスカラー量は異なるため、正の方向に光軸を曲げるパワーが残り、正の光線ふれ角を生じる。

図１０に基づいて、光軸ふれ角について更に詳細に説明する。図１０では、レンズ回転角に対応したフィルタ１０２，１１０の光線を屈折させるパワーを光線フレベクトルとして示したものである。図１０において、フィルタ１０２の光線ふれベクトルを実線の矢印で、フィルタ１１０の光線ふれベクトルを破線の矢印で示しており、それぞれのベクトルは光線を屈折させる方向を示している。また、図１０は、Ｚ軸のプラス方向から見た状態を示しており、フィルタ１０２の回転に伴って、フィルタ１０２の光線ふれベクトルである実線の矢印は反時計周りに回転し、３６０度で１回転する。従って、０度では時計の１２時の位置にあった実線の光線ふれベクトルは、紙面上反時計周りに回転し３６０度で１回転する。

一方、フィルタ１１０の回転に伴って、フィルタ１１０の光線ふれベクトルである破線の矢印は時計周りに回転し、３６０度で１回転する。従って、フィルタ１１０の回転に伴って、０度では６時の位置にあった破線の光線ふれベクトルは、紙面上時計周りに回転し、３６０度で１回転する。

従って、図１０から明らかなように、２つのベクトルの和である光線の総合ふれベクトルは、Ｙ方向から見た場合（ＸＺ平面上）では常に打ち消し合い、その一方、Ｘ方向から見た場合（ＹＺ平面上）ではＹＺ平面上での成分が加算される。これにより、垂直方向、水平方向のそれぞれにおいて、図５に示した特性が得られる。フィルタ回転角β（時計１２時方向を基準０とし、フィルタ１０２の回転方向をプラス方向とする）のとき、水平方向の総合ふれ角γは、フィルタ１０２および１１０の最大ふれ角をそれぞれＬとすると、以下の（２）式で表すことができる。
γ＝２Ｌ＊ｃｏｓ（β＋π／２） ・・・（２）

図１１は、本実施形態に係る光学ユニット１００を利用して、パノラマ画像を撮影している様子を示す模式図である。図１１に示すように、光学ユニット１００、撮影レンズ１２４及び撮像素子１２３が一体に構成されたカメラ５００をパン方向に移動しながら、撮像素子１２３で画像を取得する。

この際、ブレのないパノラマ画像を取得するために、カメラ５００を止めることなく、パンしながら撮影する。カメラ５００のフレームレートは、１秒Ｃ枚とする。そして、１／Ｃ秒間の移動角度がθ１となるようにカメラをパンさせる。ここで、フィルタ回転角が−９０度から＋９０度となる間の光軸ふれ角変位をθ１とし、かつパン方向とは逆方向に変位させることで、カメラ５００の変位角が光軸ふれ角によって打ち消される。このため、カメラ５００をパンさせながら、図１１に示す各画像Ａ，Ｂ，Ｃの中央位置近傍でシャッターを切ることにより、ブレのないパノラマ画像を順次に取得することが可能である。そして、カメラを矢印Ａ１方向にパンさせながら画像Ａ、画像Ｂ、画像Ｃ・・・を順次に撮影した後、画像を合成することで、パノラマ写真を構成することができる。このように、本実施形態の構成によれば、カメラ５００の回転と同期してフィルタ１０２，１１０を回転させることにより、カメラ５００を停止させることなく画像Ａ，Ｂ，Ｃ・・・を順次に撮影することができる。従って、１コマ毎にカメラ５００を停止させる必要がないため、パノラマ画像の撮影に必要な時間を大幅に短縮することが可能となる。これにより、例えば望遠カメラで広範な範囲を連続的に撮影することで、遠方の領域のパノラマ画像を短時間で取得して監視するなどの用途にも適用可能となる。また、カメラ５００を１コマ毎に停止させる必要がないため、大型のモータを使用する必要がなく、システムを簡素に構成できるとともに、消費電力を低減することも可能である。

フィルタ回転角＋９０度から−９０度までは、カメラ５００のパン方向と同じ方向に光軸変位が起こるため、ブレを補正することはできない。このため、フィルタ回転角＋９０度から−９０度に相当するカメラフレームはパノラマ画像に使用せず、フィルタ回転角−９０度から＋９０度で得られた画像同士をオーバーラップさせてパノラマ画像を生成する。その後、図１１に示すように、カメラを逆方向（矢印Ａ２方向）にパンする場合は、フィルタ回転方向は変えずに、フィルタ回転角−９０度から＋９０度に相当するカメラフレームはパノラマ画像に使用せず、フィルタ回転角＋９０度から−９０度で得られた画像同士をオーバーラップさせてパノラマ画像を生成する。

以上のように、カメラ５００の移動に同期して光学ユニット１００を回動させることで、カメラ５００の移動に伴うブレを補正することができる。従って、カメラ５００を往復運動させて矩形パノラマ画像を撮影する場合などにおいて、ブレの無い画像を取得することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、フィルタ１０２，１１０の同方向の回転運動でブレ補正が可能となり、高周波の振動にも対応させることが可能となる。また、振動波形は正弦波に近いため、無理なく確実なブレ補正が可能となる。更に、フィルタ１０２，１１０の回転によりブレ補正ができるため、可動機構部をシンプルにすることが可能となり、耐久性の向上、コストダウンも図ることができる。特に、ブレ補正の主流であるシフトレンズ方式は、ブレ補正のために、レンズを直線往復運動させる必要があり、特に高周波数での制御が困難であったが、本実施形態によれば、高周波の振動にも対応させたブレ補正が可能となる。

また、カメラ５００をパンし続けながらパノラマ画像を撮影する場合においても、フィルタ１０２，１１０を回転運動させることで、ブレ補正することが可能であり、３６０度のパノラマ撮影も可能となる。

また、自動車や飛行機などの移動体に、カメラを据え付け、主に進行方向と直交した方向の景色を撮影した後、画像をはり合わせて得られた広範囲画像を利用する際にも、本実施形態によるパノラマ撮影技術を適用することにより、高速移動撮影が可能となり、撮影時間の短縮を実現することができる。

また、既存の撮影レンズの前に、ブレ補正用のユニットとして光学ユニット１００を後付けすることができるので、多種のレンズにブレ補正機能を付加することも可能となる。

＜２．第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、パノラマ画像を簡単に取得するために、カメラ５００を止めることなく、同方向にパンし続けながら撮影する際に、３６０度パノラマを連続して撮影する場合や、車などの移動体から外の風景を写し続ける場合などに特に適した手法である。

図１２は、第２の実施形態に係る光学ユニット３００の構成を示す模式図である。第２の実施形態における光学ユニット３００は、フィルタ３０２とフィルタ３１０の重ね合わせによって構成される。図１３は、フィルタ３０２の構成を示す模式図である。フィルタ３０２は、第１の実施形態のフィルタ１０２を、その中心軸を通り、かつ中心軸に垂直な面に対する面１０５の最も高い点Ｐを通る平面で切断し、切断した一方を２つ用意して、互いに中心軸に対して鏡像反転して切断面で接合したものである。このため、フィルタ３０２の第１面（被写体側の面）は傾斜の向きが異なる２つの面３０５から構成される。フィルタ３０２の第２の面３０６は、第１の実施形態の面１０６と同様に、中心軸に対して垂直な面である。フィルタ３１０の形状はフィルタ３０２と同一であり、第１の実施形態と同様、フィルタ３０２に対して、中心軸１１００上の点１２３で点対称となる位置にフィルタ３１０が配置されて、本実施形態に係る光学ユニット３００が構成される。第１の実施形態と同様に、フィルタ３０２は、矢印１１１方向に回転し、フィルタ３５０は逆方向の矢印１１２に同じ速度で回転する。

図１４は、フィルタ回転角の初期状態を０度と定義し、フィルタ３０２とフィルタ３１０が、−９０度、＋９０度、＋１８０度回転した状態での、光線が屈折する様子の概略を示している。図１４に示すように、第２の実施形態では、フィルタ回転軸１１００と撮影レンズ１２４の光軸１０００は平行であるが、両者は一致しておらず所定距離だけ互いにオフセットしている。

図４と同様に、図１４に示す垂直方向は、図１２のＹ軸方向のプラス側から光学ユニット３００を見た状態（ＸＺ平面での断面）を示しており、ＸＺ平面上で光線が屈折する様子を示している。また、図１４に示す水平方向は、図１２のＸ軸方向のマイナス側から光学ユニット３００を見た状態（ＹＺ平面での断面）を示しており、ＹＺ平面上で光線が屈折する様子を示している。

光学ユニット３００による光線の屈折の基本的な原理は、基本的には第１の実施形態の光学ユニット１００と同様である。第２の実施形態に係る光学ユニット３００では、フィルタ３０２の回転によりフィルタ３０２の接合面が撮影レンズ１２４の光軸を通過すると、撮影レンズ１２４へ入射する光線が通過する面が２つの面３０５の間で切り換わる。同時に、フィルタ３１０の回転によりフィルタ３１０の接合面が撮影レンズ１２４の光軸を通過すると、撮影レンズ１２４へ入射する光線が通過する面が２つの面３１５の間で切り換わる。

この切り換わりは、−９０度、＋９０度の位置で発生するように構成される。このため、−９０度、＋９０度の位置において、第１の実施形態の光学フィルタ１００のフィルタ１０２及びフィルタ１１０を１８０度分だけ瞬時に回転させた場合と同様の効果が得られる。

第２の実施形態では、フィルタ回転軸１１００と撮影レンズ１２４の光軸１０００をオフセットしているが、フィルタ３０２，３１０の回転に伴う面３０５と面３１５の位置関係（光線ふれベクトル）は、第１の実施形態の面１０５と面１１５の関係と同様となる。従って、第１の実施形態においてもフィルタ回転軸と撮影レンズ１２４の光軸をオフセットしても良い。

図１４に示すように、垂直方向（ＸＺ平面上）では、撮影レンズ１２４に入射する光線が通過する、フィルタ３０２の第１面３０５とフィルタ３１０の第２面３１６は、逆向きでＹ方向成分では等しい傾斜となるか、あるいは平行となる。従って、ベクトルは逆でスカラーは等しいので、Ｙ方向に光軸を曲げるパワーを打ち消すことから、光線ふれ角θは常に０となる。

一方、水平方向では、第１の実施形態で説明した原理により、フィルタ３０２、フィルタ３１０の回転角度に応じて、光軸が屈折する。第１の実施形態と異なるのは、光線ふれ角θが、＋９０度を境に、最大プラス変位量から、最小マイナス変位量になることである。−９０度でも同様に、−９０度を境に、最大プラス変位量から、最小マイナス変位量になることである。このため、図１４に示すように、水平方向の光線ふれ角θは、−９０度で最小となり＋９０度に向かって大きくなり、＋９０度を超えると再び最小となり、−９０度（２７０度）に向かって次第に大きくなる「鋸歯型」の特性を描く。

図１１と同様にパノラマ写真を撮影する場合は、カメラ５００のフレームレートを１秒Ｃ枚とすると、１／Ｃ秒間の移動角度がθ１となるようにカメラ５００をパンさせる。フィルタ回転角−９０度から＋９０度となる間の光線ふれ角変位をθ１とし、かつパン方向とは逆方向に変位させることで、パンさせながら連続撮影したフレームすべてにおいてブレのない画像を得ることが可能となる。換言すれば、第１の実施形態の光学フィルタ１００では、フィルタ回転角＋９０度から−９０度までは、カメラ５００のパン方向と同じ方向に光軸変位が起こるため、ブレを補正することはできなかったが、光学フィルタ３００では、常に同じ方向に光軸変位が起こるため、フレーム間を間引くことなく、連続してブレのない画像を取得することが可能である。

また、３６０度パノラマ撮影を行う場合、灯台の照明のように、カメラを一定速度で回転し続ければ、所定角度毎にブレの無い画像を連続して撮影し続けることが可能である。また、カメラを自動車などの移動体に搭載し、車外を撮影する際も、フィルタ回転速度を移動体の速度に同期させれば、ブレのない画像の連続取得が可能である。

＜３．第３の実施形態＞
第３の実施形態では、カメラを手に持って、あるいは肩に乗せて撮影する場合のカメラのブレを抑制するための方法例、あるいは監視カメラなどを構造物に固定設置した場合に、風などのよる構造物振動に起因するカメラブレを抑制するための方法例を説明する。カメラを手に持った場合のブレを抑制するための光軸フレ角は、一般的に、やや小さな手ぶれで０．０１４度程度、やや大きな手ぶれでは０．０２８度程度、非常に大きな手ぶれでは０．０５６度程度と考えられている。また、水平画角１度以下の超望遠監視カメラでは、ブレを抑制するための光軸フレ角を０．０２度程度に設定している例がある。カメラを手持ち、または肩に乗せて撮影する場合、あるいは監視カメラなどを構造物に固定設置した場合に必要な光軸フレ角は、概ね０．１度以下とも考えられる。

第３の実施形態では、これらの値に基づいて、フィルタを往復回転運動させることにより、ブレ補正を行うものである。図１５は、第３の実施形態に係るブレ補正方法を説明するための特性図である。第１の実施形態の図４と同様にフィルタ１０２、フィルタ１１０を駆動した際に、図１５中の領域Ｂ内をカメラブレの補正範囲として、領域Ｂでフィルタ１０２、フィルタ１１０が往復運動するようにフィルタを制御する。そして、この往復駆動により、例えば０．１度以下の微小角度のブレ補正を行う。水平方向のみでなく、垂直方向にもブレ補正が必要な場合には、同様の構成からなる光学フィルタ１００を、もう１組レンズ前に設置し、２組の光学フィルタ１００に光線が通過した後、撮影レンズ１２４へ入射するようにすればよい。その場合、１組の光学フィルタ１００は水平方向のブレ補正を行い、もう１組の光学フィルタ１００は垂直方向のブレ補正を行うため、光線屈折の作用方向を９０度相違させて配置する。

＜４．フィルタを回転させる構成例＞
次に、上述した光学フィルタ３００、撮影レンズ１２４及び撮像素子１２３を備えるカメラにおいて、光学フィルタ３００のフィルタ３０２、フィルタ３１０を回転させる具体的構成について説明する。図１６及び図１７は、一例として第２の実施形態に係る光学フィルタ３００の駆動機構及び撮影レンズ１２４を示す模式図である。図１６及び図１７に示すように、光学フィルタ３００のフィルタ３０２は保持枠４００に装着されている。また、フィルタ３１０は保持枠４１０に装着されている。また、フィルタ３０２及びフィルタ３１０は、回転軸１１００の位置でシャフト４２０に貫通されており、シャフト４２０に対して回動可能とされている。また、保持枠４００の外周にはギヤ４０２が設けられ、保持枠４１０の外周にはギヤ４１２が設けられている。ギヤ４０２にはギヤ４３０が係合し、ギヤ４１２にはギヤ４４０が係合している。また、撮影ユニット４５０は、撮影レンズ１２４と撮像素子１２３を備えており、撮影レンズ１２４の光軸１０００はシャフト４２０に対して所定量だけオフセットしている。

以上のような構成において、ギヤ４３０、ギヤ４４０にはモータ（不図示）からの駆動力が伝達され、互いに逆方向に回転する。この場合において、ギヤ４３０、ギヤ４４０の間にアイドルギヤを１つ挿入することで１つのモータでギヤ４３０、ギヤ４４０を同じ速度で逆回転させることができる。これにより、駆動力はギヤ４３０からギヤ４０２へ伝達され、また、ギヤ４４０からギヤ４１２へ伝達されて、保持枠４００に保持されたフィルタ３０２と保持枠４１０に保持されたフィルタ３１０とが互いに逆方向に回動する。

図１８及び図１９は、フィルタ３０２及びフィルタ３１０を断面で示したものであり、図１８は、０度位置でＸ方向のプラス側からフィルタ３０２及びフィルタ３１０を見た状態を示している。また、図１９は、９０度位置でＸ方向のプラス側からフィルタ３０２及びフィルタ３１０を見た状態を示している。

第１の実施形態に係る光学フィルタ１００を構成する場合は、フィルタ１０２を保持枠４００で保持し、フィルタ１１０を保持枠４１０で保持する。そして、回転中心にシャフト４２０を設けることなく、保持枠４００及び保持枠４１０の外周を回動可能に保持することで光学フィルタ１００を構成できる。この場合においても、ギヤ４３０，４４０からの駆動力の伝達により、フィルタ１０２及びフィルタ１１０を逆方向に回動することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００，３００ 光学ユニット
１０２，１１０，３０２，３１０ フィルタ
１０５，１０６，１１５，１１６，３０５，３０６，３１５，３１６ 面
１２３ 撮像素子
１２４ 撮影レンズ
５００ カメラ

Claims (17)

1. 回転軸に対して所定角度で交わる第１面と、前記回転軸に対して直交する第２面とを有し、前記回転軸を中心として回転する第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子に隣接して配置され、前記第１の光学素子との間の前記回転軸上の点に対して前記第１面及び第２面と点対称の位置関係にある第３面及び第４面を有し、前記回転軸を中心として前記第１の光学素子と逆方向に回転する第２の光学素子と、
   を備える、光学装置。
2. 前記第１面は、前記回転軸を含む境界面を境として前記回転軸に対する傾斜の向きが反転した２つの面から構成され、
   前記回転軸上の点に対して前記第１面と点対称の位置関係にある前記第４面は、前記回転軸上の前記点に対して前記第１面の前記２つの面と点対称の位置関係にある２つの面から構成される、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１及び第２の光学素子は、所定の回転角の範囲で前記回転軸を中心とした往復運動を行う、請求項１に記載の光学装置。
4. 被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に前記撮影レンズの光軸と前記回転軸を一致させた状態で配置され、前記第１及び第２の光学素子を通過した光線を前記撮影レンズに入射させる、請求項１に記載の光学装置。
5. 被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に前記撮影レンズの光軸と前記回転軸とがオフセットされた状態で配置され、前記第１及び第２の光学素子を通過した光線を前記撮影レンズに入射させる、請求項２に記載の光学装置。
6. 被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に配置され、前記撮影レンズが移動しながらフレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期される、請求項１に記載の光学装置。
7. 被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に配置され、前記撮影レンズが光軸の向きを回転しながらフレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期される、請求項１に記載の光学装置。
8. 被写体像を結像させるための撮影レンズの被写体側に配置され、前記撮影レンズが光軸の向きを回転しながらフレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期され、前記撮影レンズの１フレーム毎の光軸の向きの変化量が、前記第１及び第２の光学素子が１８０度回転した際の光線ふれ量と一致する、請求項２に記載の光学装置。
9. 被写体像を結像させるための撮像レンズの被写体側の前部、前記撮像レンズの結像面側の後部又は前記撮像レンズの内部に配置される、請求項１に記載の光学装置。
10. 回転軸に対して所定角度で交わる第１面と、前記回転軸に対して直交する第２面とを有し、前記回転軸を中心として回転する第１の光学素子と、
    前記第１の光学素子に隣接して配置され、前記第１の光学素子との間の前記回転軸上の点に対して前記第１面及び第２面と点対称の位置関係にある第３面及び第４面を有し、前記回転軸を中心として前記第１の光学素子と逆方向に回転する第２の光学素子と、を有する光学素子と、
    前記光学素子を透過した光線による被写体像を結像させるための撮影レンズと、
    前記撮影レンズにより被写体像が結像される撮像面を有する撮像素子と、
    を備える、撮像装置。
11. 前記第１の光学素子の前記第１面は、前記回転軸を含む境界面を境として前記回転軸に対する傾斜の向きが反転した２つの面から構成され、
    前記回転軸上の点に対して前記第１面と点対称の位置関係にある前記第４面は、前記回転軸上の前記点に対して前記第１面の前記２つの面と点対称の位置関係にある２つの面から構成される、請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記第１及び第２の光学素子は、所定の回転角の範囲で前記回転軸を中心とした往復運動を行う、請求項１０に記載の撮像装置。
13. 前記撮影レンズの光軸と前記回転軸とが一致して配置された、請求項１０に記載の撮像装置。
14. 前記撮影レンズの光軸と前記回転軸とがオフセットされた状態で配置された、請求項１１に記載の撮像装置。
15. 移動しながらフレーム毎に被写体を撮影し、前記フレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期された、請求項１０に記載の撮像装置。
16. 前記撮影レンズの光軸の向きを回転しながらフレーム毎に被写体を撮影し、前記フレーム毎に撮影を行う周期と、前記第１及び第２の光学素子の回転周期とが同期された、請求項１０に記載の撮像装置。
17. 前記撮影レンズの光軸の向きを回転しながらフレーム毎に被写体を撮影し、１フレーム毎の光軸の向きの変化量が、前記第１及び第２の光学素子が１８０度回転した際の光線ふれ量と一致する、請求項１１に記載の撮像装置。

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