JP2012042589A - 像振れ補正機構、レンズ鏡筒、および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動センサに角速度センサを用いた既存の像振れ補正機構から大きく逸脱することがなく、簡便な構成を採ることにより高速な演算を可能としながら、マクロ域での補正効果を得ることができる像振れ補正機構を提供する。
【解決手段】像振れ補正機構に、撮影像倍率を算出し、シフト振れの影響が大きくなるマクロ域において、角度振れを検出する角速度センサからシフト振れを検出する加速度センサにセンサを切り替える像振れ補正制御手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、像振れ補正機構、レンズ鏡筒、および撮像装置に関し、特にマクロ撮影時に像振れ補正の効果を得ることを目的とした像振れ補正機構、およびそれを用いたレンズ鏡筒並びに撮像装置に関する。

近年の撮像装置、とりわけ一眼レフカメラ、コンパクトカメラ、ビデオカメラにおいては、撮影者の手振れに起因する像振れを補正する機構が搭載されているものがある。

このような像振れ補正機構は、主にコンパクトデジタルカメラに用いられる電子的像振れ補正機構と、主に一眼レフカメラに用いられる光学的像振れ補正機構とがある。

電子的像振れ補正機構は、デジタルカメラによって取得される画像の出力領域を像振れに合わせてシフトすることで像振れの少ない画像を生成する機構である。また電子的像振れ補正機構として、複数の画像を電子的に合成する機構もある。これらは、機械的に付加する要素が極めて少ないため、機構的に省スペースであることが特に求められるコンパクトデジタルカメラやカメラ機能を搭載した携帯電話に搭載されることが多い。一方、電子的像振れ補正機構は、処理そのものに時間がかかったり、複数の画像から像振れの少ない画像を生成する処理の過程で解像感が失われたりする課題がある。そのため、より解像感を失わない画像処理工程の開発やより高速な画像処理チップの開発が行われている。

光学的像振れ補正機構は、像振れを補正するために光軸を偏心させるレンズおよびレンズ群（以下、補正レンズ）と、補正レンズを移動するためのアクチュエータと、補正レンズの現在位置を検出する位置センサと、撮像装置に加わる撮影者の手振れを検出する振動センサと、撮影者の手振れによる像振れを打ち消すように補正レンズの移動を制御するＣＰＵ（以下、像振れ補正ＣＰＵ）から成る。また、デジタルカメラにおいては、レンズの代わりに撮像素子を移動させるものもある。

ここで、光学的像振れ補正装置の仕組みについて詳述する。

補正レンズは、レンズ鏡筒内に配置されるレンズ光学系の少なくとも一枚のレンズであり、光軸と直交する面内において移動可能に保持されている。補正レンズを移動することで像面上の結像位置が一定に保たれ、像振れの少ない画像が撮影できる。

補正レンズを移動するためのアクチュエータは、補正レンズを高速・高精度に移動すると共に一定の位置に保持し続けるために、十分な推力と応答性を兼ね備えたものが用いられる。通常用いられるのはボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭ）であり、補正レンズを保持する鏡枠か、像振れ補正機構のユニット側にコイルが設けられ、対応する位置に設けられた永久磁石を一組とし、補正レンズの外側に少なくとも２組以上配置され、補正レンズの移動を行う。

補正レンズの現在位置を検出する位置センサは、アクチュエータに用いられるボイスコイルモータの磁束密度を検出するホール素子や、像振れ補正機構のユニット側に設けられ、補正レンズを保持する鏡枠に設けられた赤外発光ダイオードの発光を捉える光位置センサなどが用いられる。

撮像装置に加わる撮影者の手振れを検出する振動センサは、角速度センサまたは加速度センサが用いられる。どちらのセンサを用いる場合も通常２つで一組の構成とし、ピッチ方向とヨー方向または左右シフト方向と上下シフト方向の振動を検出し、撮像装置に加わる撮影者の手振れの情報として手振れ補正ＣＰＵに出力する。

また振動センサは、撮像装置の種類によっても使い分けられている。これは、振動センサの検出できる振動が、加速度センサが撮像面に対して平行な方向のシフト振れを検出するのに対し、角速度センサは撮像面が傾く方向の角度振れを検出するためであり、撮像装置の特性によって発生する手振れが異なることに起因する。

一般的に、携帯電話など小型の撮像装置については加速度センサが用いられている。一方一眼レフカメラやビデオカメラなど大型の撮像装置には角速度センサが用いられるのが一般的である。像振れ補正機構の黎明期には、両方のセンサを搭載したものもあったが、現在では一般的ではない。

補正レンズの移動を制御するＣＰＵは、振動センサの出力より像振れの防止に必要な補正レンズの目標値を算出し、位置センサの出力より補正レンズの現在位置を特定し、これらの差分から補正レンズの移動量を決定する。決定された移動量に基づいて補正レンズを移動するようにアクチュエータを制御し、補正レンズを移動する。

光学的像振れ補正装置はこのような動作を高速で繰り返し、像振れ補正を行っている。

ところで、手振れは通常１Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数を有する振動であり、周波数・振幅ともに変化する複雑な振動であるといえる。解析のために手振れを成分に分解すると、シフト振れと角度振れに分解できる。さらに各々について成分に分解すると、角度振れはピッチとヨーとロールの合成、シフト振れは前後と左右と上下の合成と見なすことが出来る。

一般に撮影倍率が０．１倍以下の場合は、角度振れの補正のみで像振れ補正は十分行われるが、撮影倍率がそれよりも大きくなると、シフト振れの影響が大きくなることがわかっている。

さらに、撮影倍率が大きくなるに連れてピント方向（撮影光軸方向）の振れの影響も大きくなる。これは、シフト振れが撮影倍率に比例して像面上でのずれとして発生し、またピント方向の振れは撮影倍率の二乗に比例してピントのずれとして発生するためである。

このため、従来一眼レフカメラの像振れ補正機構には角速度センサが用いられるところ、マクロレンズのような撮影倍率の高い光学機器において、角速度センサに加えて加速度センサをも用い、２種類の振動センサによって検出した手振れの振動から像振れ補正量を算出する機構が提案されている（例えば特許文献１）。

特許文献１に示す発明は、振れ合成部において振れ変位演算部で算出された加速度センサ出力を基にした平行振れ変位量と角速度センサによる検出結果から求められた角度振れ変位量（ピッチ、ヨー方向）とから、補正レンズの駆動量（振れ補正量）を決定する。より具体的には、Ｘ方向の平行振れによる振れ変位量と、ヨー方向の角度振れによる像面上での振れ変位量とを合成し、かつＹ方向の平行振れによる振れ変位量とピッチ方向の角度振れによる像面上での振れ変位量とをそれぞれ合成する。そして、合成された振れ変位量から、補正レンズの駆動量および方向を決定する。

また特許文献２に示す発明は、シフト振れをカメラから離れた場所に振れの回転中心がある時の角度振れとみなして求め、別に設けた角速度センサ出力の積分から角度振れを求め、それらの合成信号で振れ補正を行う。

加速度センサの出力は、特に手振れの周波数域において外乱ノイズや温度などの環境変化の影響を受けやすい。特許文献１では、カメラ本体の加速度を検出する加速度センサを設け、加速度センサの出力の二階積分からシフト振れを求めるため、それらの不安定要因はさらに拡大され、シフト振れの高精度な補正が難しいという問題がある。

特許文献２の方法では、加速度センサの出力の一階積分の出力から回転半径の算出ができるため、上記のような加速度センサの不安定要因を軽減することができる。

しかし、特許文献１に示された方法では、加速度センサと角速度センサが協働して像振れ補正を行うため、現象に即した補正を可能としている一方で、いずれか一方のセンサを用いた機構よりも演算が複雑であり、手振れに対して応答が遅れるという欠点がある。その一方で、所望の処理速度を得ようとすれば、より高速な演算を可能とするＣＰＵが必要となり、コストアップに直結する。

また、たとえ演算精度が高いとされる特許文献２に示された方法をもってしても、振れの変位量を算出する中で２つのセンサの誤差が影響を及ぼすことは避けられないため、演算精度の向上には限界がある。特に、高速演算が必要とされる像振れ補正では、演算の過程で近似を多用しているため、さらなる誤差の拡大は避けなくてはならない。

さらに、このような機構では、従来の機構では想定されていないセンサの入力数や処理があるため、従来の機構で用いていた像振れ補正ＣＰＵを流用できない欠点がある。これは、従来の機構で積み上げたチューニングのノウハウなども流用し得ないという不都合がある。

特開２００６−００３４３９号公報 特開２０１０−０９６９３８号公報

振動センサに角速度センサを用いた既存の像振れ補正機構から大きく逸脱することがなく、簡便な構成を採ることにより高速な演算を可能としながら、マクロ域での補正効果を得ることができる像振れ補正機構を提供する。

請求項１に示す発明は、光学機器に具備される像振れ補正機構であって、像振れ補正のための補正レンズと、前記補正レンズの位置を検出する補正レンズ位置検出手段と、シフト振れを検出するシフト振れ検出手段と、角度振れを検出する角度振れ検出手段と、前記補正レンズを移動する補正レンズ移動手段と、前記光学機器の撮影像倍率を算出する撮影像倍率算出手段と、前記シフト振れ検出手段または前記角度振れ検出手段により検出された振れの信号と前記補正レンズ位置検出の現在位置とから目標位置までの移動量を算出し、前記補正レンズ移動手段を制御する像振れ補正制御手段とを有し、前記像振れ補正制御手段は前記撮影像倍率算出手段によって算出された撮影像倍率に基づいて前記シフト振れ検出手段または前記角度振れ検出手段のいずれか一方の信号を用いて前記補正レンズ移動手段を駆動させることを特徴とする像振れ補正機構である。

請求項２に示す発明は、前記像振れ補正制御手段は、前記撮影像倍率算出手段によって算出された撮影像倍率が大きい場合には前記シフト振れ検出手段を、前記撮影像倍率算出手段によって算出された撮影像倍率が小さい場合には前記角度振れ検出手段を用いて前記補正レンズ移動手段を駆動させることを特徴とする請求項１記載の像振れ補正機構である。

請求項３に示す発明は、前記シフト振れ検出手段は加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項２いずれかに記載の像振れ補正機構である。

請求項４に示す発明は、前記角度振れ検出手段は角速度センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の像振れ補正機構である。

これらの構成により、シフト振れの影響が大きくなるマクロ域において、角度振れを検出する角速度センサからシフト振れを検出する加速度センサにセンサを切り替えることで、マクロ域における補正効果を得ることができる。その一方で、振動センサに角速度センサを用いた既存の像振れ補正機構から大きく逸脱しない簡便な構成を実現する。

請求項５に示す発明は、請求項１乃至請求項４いずれかに記載の像振れ補正機構を備えたレンズ鏡筒である。

請求項６に示す発明は、請求項１乃至請求項５いずれかに記載の像振れ補正機構を備えた撮像装置である。

本発明によれば、振動センサに角速度センサを用いた既存の像振れ補正機構から大きく逸脱することがなく、簡便な構成を採ることにより高速な演算を可能としながら、マクロ域での補正効果を得ることができる像振れ補正機構を提供出来る。

以下に、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。

図１は本発明を適用して構成された一眼レフカメラの要部構造と制御系の概略図である。図１において、１はカメラ本体、３はカメラ本体１に着脱自在に装着されたレンズ鏡筒である。

レンズ鏡筒３には以下の装置が搭載されている。

５はレンズ構成体、７は像振れ補正のための補正レンズ、９は補正レンズの位置を検出する位置センサ、１１はシフト振れを検出するための加速度センサ、１３は角度振れを検出するための角速度センサ、１５は補正レンズを移動するための像振れ補正レンズ駆動装置、１７は加速度センサまたは角速度センサによって検出された手振れの振動と補正レンズの現在位置から補正レンズを目標位置まで駆動する移動量を算出して補正レンズ駆動装置を制御する像振れ補正ＣＰＵ、１９は絞り装置、２１は絞り装置の駆動源たるモータを駆動する絞りモータ駆動回路、２３はフォーカシングレンズ、２５はフォーカシングレンズ駆動機構のモータを駆動するフォーカシングモータ駆動回路、２７はカメラ本体側のＣＰＵ（以下、カメラＣＰＵと略記する）６３と情報通信可能なレンズ内蔵のＣＰＵ（以下、レンズＣＰＵと略記する）、２９はカメラ本体１とレンズ鏡筒３とを機械的に連結するマウントである。

一方、カメラ本体１には以下の装置が搭載されている。

３１は公知のペンタプリズム、３３はファインダ接眼レンズ、３５はＳＰＣ（シリコンフォトダイオード）等から成る公知の測光素子、３７は該素子３５の出力信号に基づいて被写界輝度を演算する測光回路、３９は公知の昇降動可能なミラー、４１は前記ミラー３９を昇降動させるためのミラー駆動モータ、４３は該モータ４１を駆動するミラー駆動回路、４５はＣＣＤラインセンサ等から成る公知の測距素子、４７は該素子４５の出力から被写体に対する焦点距離を検出する焦点検出回路、４９はシャッター、５１は該シャッターの駆動源を制御するシャッター駆動回路、５３はフイルムカメラにおけるフイルムあるいはデジタルカメラにおける固体撮像素子が位置する撮像面、５５は公知の液晶装置等から成る表示器、５７は撮影者によって押し込み動作によって信号を発信するレリーズボタン、５９はカメラの露出モード等を切り替えるモードダイヤル、６１は電源、６３はカメラ本体１とレンズ鏡筒３とを接続するマウント２９に設けられた電気接点６５を介してシリアル伝送線でレンズＣＰＵ２７に接続されたカメラＣＰＵである。カメラＣＰＵ６３はカメラ本体１の各構成部の動作を制御するとともに、レンズＣＰＵ２７との通信を行う。

本発明に係る像振れ補正機構は、補正レンズ７、位置センサ９、加速度センサ１１、角速度センサ１３、像振れ補正レンズ駆動装置１５、及び像振れ補正ＣＰＵ１７を有する機構である。

次に、図２のフローチャートを用いて、図１に示したシステムの主要動作を説明する。

（ステップ＃１００）まず、カメラ本体１における電源６１がＯＮされると、カメラ本体１からレンズ鏡筒３に電源が供給され、カメラＣＰＵ６３、レンズＣＰＵ２７、及び像振れ補正ＣＰＵ１７の通信が開始される。はじめに初期設定が行われ、レンズＣＰＵ２７は像振れ補正ＣＰＵ１７にレンズ固有の主点間距離を含めた各種情報を送信する。

（ステップ＃１０１）次に、カメラ本体１におけるレリーズボタンが半押し（１ｓｔレリーズ）されたか否か判別する。レリーズボタンは通常２段押し込み可能なスイッチとなっており、半押し（１ｓｔレリーズ）と全押し（２ｎｄレリーズ）を判別可能な構造である。ここでレリーズボタンが半押しされたと判断するとステップ＃１０３に進み、そうでない場合はステップ＃１０１を繰り返す。

（ステップ＃１０３）続いて、像振れ補正機構がＯＮされているか否か判別する。像振れ補正機構のＯＮまたはＯＦＦは、カメラ本体１またはレンズ鏡筒３に設けられたスライドスイッチやＧＵＩ（グラフィックユーザーインターフェイス）によって選択可能である。ここで像振れ補正機構がＯＮされている場合はステップ＃１０５に進み、ＯＦＦの場合はステップ＃１２５に進む。

（ステップ＃１０５）ステップ＃１０５に進むと、カメラＣＰＵ６３は測光および焦点検出動作を行い、レンズＣＰＵ２７は焦点検出結果に基づくフォーカス動作を行うとともに、焦点距離（ズームポジション）及び撮影距離（フォーカスポジション）の検出を行う。

（ステップ＃１０７）続いて、レンズＣＰＵ２７はステップ＃１０５において検出した焦点距離（ズームポジション）及び撮影距離（フォーカスポジション）を像振れ補正ＣＰＵ１７に送信する。像振れ補正ＣＰＵ１７はレンズＣＰＵ２７から受信した焦点距離、撮影距離、及び主点間距離から、撮影像倍率を算出する。

ここで、撮影像倍率の算出方法について述べる。

はじめに、薄肉モデルを例に挙げる。まず、薄肉レンズの焦点距離をｆ、薄肉レンズの主点から被写体までの距離をａ、薄肉レンズの主点から像面までの距離をｂ、撮影距離をＤ、被写体の大きさをＬ、被写体の像面での大きさをｌとすると、相似の関係から撮影像倍率Ｍは式１のようになる。

ここで、撮影距離Ｄは式２のようになる。

さらに、式３に示す相似の関係から、薄肉モデルの撮影像倍率Ｍは焦点距離ｆ、撮影距離Ｄから式４のように表せる。

ここで、主点間距離ｈの厚肉モデルとした場合、撮影距離Ｄは式５のようになる。

即ち、厚肉モデルにおける撮影像倍率Ｍは式６のようになる。

よって像振れ補正ＣＰＵ１７は、レンズＣＰＵ２７から受信した焦点距離ｆ、撮影距離Ｄ、及び主点間距離ｈから、撮影像倍率Ｍを算出する。

（ステップ＃１０９）ステップ＃１０９に進むと、ステップ＃１０７で算出した撮影像倍率が既定の撮影像倍率よりも大きいか否か判別する。判別の結果、撮影像倍率が所定の値よりも大きかった場合、ステップ＃１１１に進む。判別の結果、撮影像倍率が所定の値よりも大きくなかった場合、ステップ＃１１３に進む。

（ステップ＃１１１）ステップ＃１１１に進むと、像振れ補正ＣＰＵ１７は振動センサの出力を加速度センサ１１に設定する。

（ステップ＃１１３）ステップ＃１１３に進むと、像振れ補正ＣＰＵ１７は振動センサの出力を角速度センサ１３に設定する。

（ステップ＃１１５）続いてステップ＃１１５に進み、前ステップで設定された振動センサの出力と像振れ補正レンズ位置センサの出力に基づき、像振れ補正駆動を行う。

（ステップ＃１１７）次に、カメラ本体１におけるレリーズボタンが全押し（２ｎｄレリーズ）されたか否か判別する。ここでレリーズボタンが全押しされたと判断するとステップ＃１１９に進み、そうでない場合はステップ＃１０１に戻る。

（ステップ＃１１９）ステップ＃１１９に進むと、カメラＣＰＵ６３は露光動作を行い、レンズＣＰＵ２７は露光動作に合わせて絞り動作を行う。この間も、像振れ補正駆動を行っている。

（ステップ＃１２１）続いて、ステップ＃１２１に進むと、露光動作によって得られた画像データを記録する。

（ステップ＃１２３）ステップ＃１２３に進むと、カメラ本体１における電源がＯＦＦされたか否か判別する。ここでカメラ本体１における電源がＯＦＦされた場合はステップ＃１２７に進み、このフローが終了する。そうでない場合はステップ＃１０１に戻る。

実施例１では、ステップ＃１０７において、像振れ補正ＣＰＵ１７による演算によって撮影像倍率を算出する例を示した。実施例２では、像振れ補正ＣＰＵ１７内に焦点距離、撮影距離、及び主点間距離から、撮影像倍率を決定できるテーブルを格納しておき、像振れ補正ＣＰＵ１７はレンズＣＰＵ２７から受信した焦点距離、撮影距離、及び主点間距離から、撮影像倍率を決定できる。

実施例２の特長として、実施例１で行ったような複雑な計算を必要としないため、像振れ補正ＣＰＵ１７の処理能力を像振れ補正動作そのものに回すことが出来る。

本発明の実施例における一眼レフカメラを示すブロック図である。 本発明の実施例におけるフローチャートである。

１ カメラ本体
３ レンズ鏡筒
５ レンズ構成体
７ 補正レンズ
９ 位置センサ
１１ 加速度センサ
１３ 角速度センサ
１５ 像振れ補正レンズ駆動装置
１７ 像振れ補正ＣＰＵ
１９ 絞り装置
２１ 絞りモータ駆動回路
２３ フォーカシングレンズ
２５ レンズＣＰＵ
２９ マウント
３１ ペンタプリズム
３３ ファインダ接眼レンズ
３５ 測光素子
３７ 測光回路
３９ ミラー
４１ ミラー駆動モータ
４３ ミラー駆動回路
４５ 測距素子
４７ 焦点検出回路
４９ シャッター
５１ シャッター駆動回路
５３ 撮像面
５５ 表示器
５７ レリーズボタン
５９ モードダイヤル
６１ 電源
６３ カメラＣＰＵ
６５ 電気接点

Claims (6)

1. 光学機器に具備される像振れ補正機構であって、
   像振れ補正のための補正レンズと、
   前記補正レンズの位置を検出する補正レンズ位置検出手段と、
   シフト振れを検出するシフト振れ検出手段と、
   角度振れを検出する角度振れ検出手段と、
   前記補正レンズを移動する補正レンズ移動手段と、
   前記光学機器の撮影像倍率を算出する撮影像倍率算出手段と、
   前記シフト振れ検出手段または前記角度振れ検出手段により検出された振れの信号と前記補正レンズ位置検出の現在位置とから目標位置までの移動量を算出し、前記補正レンズ移動手段を制御する像振れ補正制御手段とを有し、
   前記像振れ補正制御手段は前記撮影像倍率算出手段によって算出された撮影像倍率に基づいて前記シフト振れ検出手段または前記角度振れ検出手段のいずれか一方の信号を用いて前記補正レンズ移動手段を駆動させることを特徴とする像振れ補正機構。
2. 前記像振れ補正制御手段は、前記撮影像倍率算出手段によって算出された撮影像倍率が大きい場合には前記シフト振れ検出手段を、前記撮影像倍率算出手段によって算出された撮影像倍率が小さい場合には前記角度振れ検出手段を用いて前記補正レンズ移動手段を駆動させることを特徴とする請求項１記載の像振れ補正機構。
3. 前記シフト振れ検出手段は加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項２いずれかに記載の像振れ補正機構。
4. 前記角度振れ検出手段は角速度センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の像振れ補正機構。
5. 請求項１乃至請求項４いずれかに記載の像振れ補正機構を備えたレンズ鏡筒。
6. 請求項１乃至請求項５いずれかに記載の像振れ補正機構を備えた撮像装置。

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