JP2012208335A

JP2012208335A - 画像ぶれ補正装置

Info

Publication number: JP2012208335A
Application number: JP2011074279A
Authority: JP
Inventors: Junichi Tanaka; 淳一田中
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】大小広範囲な振幅の振れに対応するとともにレンズ構成の制約が少ない画像ぶれ補正装置を提供する。
【解決手段】撮影レンズ４には、第１補正レンズ１１と第２補正レンズ１２とを設けてある。各補正レンズ１１，１２は、光学的補正感度が同じになっている。第１補正レンズ１１は、振動の低周波成分の振れ角度に基づいて駆動されるＶＣＭ２１，２２で変位され、第２補正レンズ１２は、振動の高周波成分の振れ角度に基づいて駆動されるＶＣＭ２５，２６で変位される。ＶＣＭ２１，２２のストロークは、相対的に長くされ、ＶＣＭ２５，２６は、変位可能な変位量を小さくして応答性を高くしてある。
【選択図】図２

Description

本発明は監視カメラなどの撮影レンズに用いられる画像ぶれ補正装置に関するものである。

近年、手ぶれ補正を行う画像ぶれ補正装置を内蔵するデジタルカメラやビデオカメラなどの撮影装置が多くなっている。手ブレ補正は、電子式のものと光学式（機械式）のものとが知られている。電子式の画像ぶれ補正装置は、撮像手段から順次に得られる各フレームの所定領域を比較し、両者の相関を求めることにより、先行するフレームの画像に対する後続のフレームの画像の光軸に直交する方向の移動方向と移動量とを検出し、この移動方向とは逆方向に移動量分だけ、撮像素子の撮像範囲から切り出して出力する画像の範囲をシフトするようにしている（例えば特許文献１参照）。

一方、光学式の画像ぶれ補正装置は、角速度センサなどの検出結果に基づいて、撮像装置の振れ角を検出し、この振れ角に応じて、撮影レンズに配された補正レンズを変位させることにより、撮像素子上に結像されている光学像の振れよる移動を打ち消すようにしている。

また、撮影装置に加わる振動は、様々の周波数のものがあるが、一般的に周波数が高い振動は振幅が小さく、周波数が低い振動は振幅が大きいという性質がある。そこで、レンズの変位に対する補正量、すなわち光学的補正感度が高低２種類の補正レンズを用い、周波数が高い振動を感度の低い補正レンズで補正し、周波数の低い振動を感度の高い補正レンズで補正する撮影レンズが知られている（特許文献２参照）。この特許文献２の撮影レンズでは、この構成により、画質を維持しながら手ぶれや一眼レフカメラのクイックリターンミラーの作動時の振動などの周波数帯の振動に対応させている。

特開平１−１０９９７０号公報特開２００３−２９５２５０号公報

上記のような電子式の画像ぶれ補正装置は、撮像素子の撮像範囲から画像を切り出しているため有効画素数が小さくなり、画質劣化が生じる。この画質劣化を抑えるために、切り出される画像の範囲の大きさを撮像範囲の９０％程度に制限される。その結果、撮像範囲の１０％程度の光学像の変位にしか対応できず、補正量がかなり小さかった。例えば撮影画角が１０度であるときに、補正可能な振れ角は１度であり、十分な補正効果が得られるものではなかった。

ところで、船舶や山頂，鉄塔などに設置される監視カメラでは、数ｋｍの先を監視するため、撮影画角が極めて小さなものとなることがある。例えば、１／２型縦横比１６：９の撮像素子と焦点距離２０００ｍｍの撮影レンズを組み合わせた場合、Ｖ（垂直）方向の撮影画角は０．１１度であり、上記のような電子式の画像ぶれ補正装置では、補正できる振れ角は最大で０．０１度となる。このため、このような監視カメラに電子式の画像ぶれ補正装置は不向きである。

また、上記のような監視カメラでは、波による船舶の揺れや鉄塔の揺れなどのかなり周波数が低い低周波数の振動から、撮影レンズを収容したハウジングの振動や強風による振動等による高周波数の振動などが加わる。また振幅の範囲が日常の使用環境の範囲に比べてかなり大きく、日常の使用環境では想定されないような大きな振幅もある。例えば、低周波数の振動では振れ角度で±８度になるものもあり、また高周波数の振動では振れ角度で±０．００１度となるような微細なものもある。このため、特許文献１に記載されるように日常の使用環境において満足できるものであっても、監視カメラでは、十分な画像ぶれの補正を行うことができなかった。さらに、特許文献１のように光学的補正感度が異なる２種類の補正レンズを撮影レンズに組み込むことは、レンズ光学系の設計の自由度が小さくなるという問題があった。

本発明は、大小広範囲な振幅の振れに対応しながら、レンズ構成の制約が小さい画像ぶれ補正装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の画像ぶれ補正装置では、画像ぶれを補正する第１及び第２補正レンズと、相対的に応答性が低くされるとともにストロークが長くされ、第１補正レンズを変位させる第１アクチュエータ、及び応答性が高くされるとともにストロークが短くされ、第２補正レンズを変位させる第２アクチュエータと、振れ信号を低周波成分と高周波成分とに分離し、低周波成分に基づいて前記第１アクチュエータを駆動し、高周波成分に基づいて前記第２アクチュエータを駆動する駆動制御手段とを備えるものである。

また、前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを、ボイスコイルとすることが好ましい。

本発明によれば、光学的補正感度が同じにされた第１及び第２補正レンズのうち第１補正レンズを、相対的に応答性が低くされるとともにストロークが長くされたアクチュエータで変位し、第２補正レンズを応答性が高くされるとともにストロークが短くされた第２アクチュエータで変位させるようにし、振れ信号の低周波成分に基づいて第１アクチュエータを駆動し、高周波成分に基づいて第２アクチュエータを駆動するようにしたから、レンズ構成の制約を小さくしながら、大小広範囲な振幅の振れに対応させて画像ぶれを補正することができる。

本発明による監視カメラの構成を示す模式図である。各防振ユニットの斜視図である。監視カメラの主要部の電気的な構成を示すブロック図である。Ｘ方向補正制御部の構成を示すブロック図である。画像ぶれ補正装置の全体的な構成を示す原理図である。

図１に示すように、監視カメラ２は、画像ぶれ補正装置３を備える撮影レンズ４と、カメラ本体５とから構成されている。監視カメラ２は、メイン制御部６によってその各部が統括的に制御される。撮影レンズ４は、レンズ駆動機構７で駆動される複数のレンズＧ１〜Ｇ５と、絞り装置８、第１補正レンズ１１、第２補正レンズ１２とを備えている。

レンズＧ１は、フォーカシングレンズであり、被写体にピントが合致されるように光軸方向に移動される。レンズＧ２，Ｇ３は、撮影レンズ２の焦点距離を連続的に変化させるズーム部であり、レンズＧ２がバリエータ、レンズＧ３がコンペンセータとなっている。レンズＧ２，Ｇ３は、いずれも光軸方向に移動する。

レンズＧ４は、焦点距離を切り換えるためのエクステンダレンズであり、図示されるように、光路から退避した退避位置と、二点鎖線で示すように、光路に挿入された挿入位置とに移動される。レンズＧ４を挿入位置とすることにより、撮影レンズ４の焦点距離が所定の倍率で長くなる。レンズＧ５は、フランジバック調整のためのトラッキングレンズであり、光軸方向に移動自在にされている。

絞り装置８は、光路中に配された絞り羽根８ａを有している。この絞り羽根８ａにより形成される絞り開口の径を増減することにより、カメラ５に入射する撮影光の光量を調整する。

画像ぶれ補正装置３は、第１補正レンズ１１を含む第１防振ユニット１４、第２補正レンズ１２を含む第２防振ユニット１５，制御ユニット１６などで構成され、制御ユニット１６には、Ｘ方向ジャイロセンサ１７，Ｙ方向ジャイロセンサ１８や制御用の回路などを内蔵している。

各補正レンズ１１，１２は、いずれも画像ブレを補正するものであり、撮影レンズ４の光路中に配され、独立して変位する。このうちの第１補正レンズ１１は、低周波数の振動に対応するために設けられている。また、第２補正レンズ１２は、高周波数の振動に対応するために設けられている。なお、各補正レンズ１１，１２は、それぞれ１枚で構成される必要はなく、複数枚で構成されてもよい。

第１補正レンズ１１と第２補正レンズ１２とは、光学的な補正感度、すなわちレンズの変位量に対して変位する光学像の変位量が同じにされている。また、第１補正レンズ１１と第２補正レンズ１２は、光学的なストローク差がない。このため、例えば撮影レンズに組み込まれている１組の補正レンズ系を２つの補正レンズに均等なパワー配分で分離して２組の補正光学系とし、一方を第１補正レンズ１１とし他方を第２補正レンズ１２とするよう構成することもできる。これにより、１組の補正レンズ系で構成されたこれまでのレンズ光学系に比較的に容易な変更を加えて利用することも可能となる。また、本来１組しか補正光学系が構成できないようなレンズ光学系であっても利用することも可能となる。

なお、この例では、第１補正レンズ１１と第２補正レンズ１２は、光学的な補正感度及び光学的なストロークに差がないものとしているが、これらが差を有してもよい。この場合に、低周波数の振動に対応する第１補正レンズ１１の光学的補正感度を大きくするのも好ましく、第１補正レンズ１１の光学的なストロークを大きくするのもよい。

Ｘ方向ジャイロセンサ１７は、撮影レンズ４の光軸ＰＬに直交し、かつ互いに直交するＸ方向，Ｙ方向のうちのＸ方向の振れ角速度を検出し角速度信号を出力する。同様に、Ｙ方向ジャイロセンサ１８は、Ｙ方向の振れ角速度を検出して角速度信号を出力する。

カメラ本体５は、撮影レンズ４の後端にマウントＭを介して取り付けられている。カメラ本体５は、撮像素子５ａを内蔵しており、撮影レンズ４で結像される光学像を電気的な撮像信号に変換して出力する。この撮像信号は、各種信号処理が施されてモニタ（図示省略）に送られる。これにより、撮影レンズ４を通してカメラ本体５で撮影される画像を見ることができる。

図２において、第１防振ユニット１４は、Ｘ方向，Ｙ方向に移動自在にして第１補正レンズ１１を保持している。また、この第１防振ユニット１４には、第１補正レンズ１１を変位させるためのアクチュエータとして、Ｘ方向ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）２１と、Ｙ方向ＶＣＭ２２とが設けられている。Ｘ方向ＶＣＭ２１は、第１補正レンズ１１をＸ軸方向に移動させ、Ｙ方向ＶＣＭ２２は、第１補正レンズ１１をＹ方向に移動させる。

また、第１防振ユニット１４には、Ｘ方向位置センサ２３と、Ｙ方向位置センサ２４とが設けられている。Ｘ方向位置センサ２３は、第１補正レンズ１１のＸ方向のレンズ位置を検出し、Ｙ方向位置センサ２４は、第１補正レンズ１１のＹ方向のレンズ位置を検出する。

同様に、第２防振ユニット１５には、Ｘ方向，Ｙ方向に移動自在にして第２補正レンズ１２が保持されている。また、第２補正レンズ１２を変位させるためのアクチュエータとして、Ｘ方向ＶＣＭ２５、Ｙ方向ＶＣＭ２６が設けられており、Ｘ方向ＶＣＭ２５により第２補正レンズ１２がＸ軸方向に、Ｙ方向ＶＣＭ２６により第２補正レンズ１２がＹ方向に移動される。さらに、Ｘ方向位置センサ２７により第２補正レンズ１２のＸ方向のレンズ位置が検出され、Ｙ方向位置センサ２８により第２補正レンズ１２のＹ方向の位置が検出される。

ＶＣＭ２１，２２は、第１補正レンズ１１を変位させることで振幅の大きい低周波の振動成分による画像ぶれを補正し、ＶＣＭ２５，２６は、第２補正レンズ１２を変位させることで振幅の小さい高周波の振動成分による画像ぶれを補正する。補正レンズを変位可能な変位量、すなわちＶＣＭのストロークは、相対的にＶＣＭ２１，２２が長くされ、ＶＣＭ２５，２６のものが短くしてあり、光学的補正感度を同じにした各補正レンズ１１，１２のうちの第１補正レンズ１１については、変位可能な変位量を大きくし、第２補正レンズ１２については、変位可能な変位量を小さくしてある。

ＶＣＭ２１，２２は、ストロークを大きくすることにより、駆動信号の入力に対してそれに対応する所定の位置に変位する応答速度、すなわち応答性が低くなるが、低周波の振動成分による像の変位速度は遅いため、これに対応できるので特に問題にならない。一方、ＶＣＭ２５，２６は、ストロークを小さくすることにより応答性を高くし、高周波の振動成分による像の変位に対応できるようになっている。また、ＶＣＭ２５，２６は、ストロークが小さいため、振動の高周波成分の微小な振幅に対応して、第２補正レンズ１２の変位量を細かく制御できる。

制御ユニット１６は、振れ信号に基づいて各ＶＣＭ２１，２２，２５，２６を駆動する駆動制御手段となっており、図３に示すように、Ｘ方向補正制御部４１とＹ方向補正制御部４２からなる。Ｘ方向補正制御部４１は、前述のＸ方向ジャイロセンサ１７からの角速度信号に基づき、Ｘ方向ＶＣＭ２１，２５の駆動を制御する。Ｙ方向補正制御部４２は、Ｙ方向ジャイロセンサ１８からの角速度信号に基づき、Ｙ方向ＶＣＭ２２，２６の駆動を制御する。

Ｘ方向補正制御部４１の構成を図４に示す。Ｘ方向ジャイロセンサ１７からの角速度信号は、アンプ４３に送られる。アンプ４３は、微弱な角速度信号を所定のゲインで増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器４４は、アンプ４３で増幅された角速度検出信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングすることによって角速度データにデジタル変換する。この角速度データは、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４５と、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）４６とに送られる。

ＬＰＦ４５は、順次入力される角速度データに演算処理を施すことにより、角速度信号のうちの基準周波数以下、例えば１Ｈｚ以下の低周波の振動成分に相当する低周波角速度データを出力する。同様に、ＨＰＦ４６は、角速度データに演算処理を施して、角速度信号のうちの基準周波数を超える高周波の振動成分の高周波角速度データを出力する。

ＬＰＦ４５からの低周波角速度データは、積分回路４７に送られる。積分回路４７は、入力される低周波角速度データを用いて積分処理を行う。この積分処理では、低周波角速度データから振れ角度を求め、得られる振れ角度を順次に加算することにより、監視カメラ２のＸ方向の振れのうちの低周波成分の累積振れ角θｘ１を算出する。振れ角度は、角速度信号をサンプリングする１周期期間に振動の低周波成分によって監視カメラ２がＸ方向の振れた角度であり、累積振れ角θｘ１は、監視カメラ２の静止時を基準（「０」）として、その基準から振動の低周波成分によって監視カメラ２がＸ方向に振れた角度である。

また、この積分回路４７では、監視カメラ２が静止時したときに第１補正レンズ１１を原点位置に戻すためのセンタリング処理部４７ａが設けられている。このセンタリング処理部４７ａは、監視カメラ２が静止時（振動の低周波成分が「０」）に第１補正レンズ１１を原点位置に戻すためのものであり、累積振れ角θｘ１を減衰させて「０」に向けて収束させる。

駆動回路４８には、積分回路４７からの累積振れ角θｘ１が入力される。この駆動回路４８は、累積振れ角θｘ１を電圧信号である駆動信号に変換して、この駆動信号でＸ方向ＶＣＭ２１を駆動する。また、駆動回路４８には、Ｘ方向位置センサ２３からの第１補正レンズ１１のＸ方向のレンズ位置が入力され、このレンズ位置に基づいてＸ方向ＶＣＭ２１をフィードバック制御する。これにより、累積振れ角θｘ１に対応する位置に第１補正レンズ１１がＸ方向ＶＣＭ２１によって変位される。

ＨＰＦ４６からの高周波角速度データは、積分回路５１に送られる。積分回路５１は、積分回路４７と同様であるが、入力される高周波角速度データを用いてＸ方向の振れのうちの高低周波の振動成分の累積振れ角θｘ２を求めて出力する。また、この積分回路５１では、センタリング処理部５１ａにより、監視カメラ２が静止時したときに累積振れ角θｘ２を「０」に向けて収束する。

駆動回路５２は、積分回路５１からの累積振れ角θｘ２を駆動信号に変換して、レンズ位置に基づいてＸ方向ＶＣＭ２５をフィードバック制御しながら、駆動信号でＸ方向ＶＣＭ２５を駆動する。これにより、累積振れ角θｘ２に対応した位置に第２補正レンズ１２がＸ方向ＶＣＭ２５によって変位される。

なお、累積振れ角θｘ１，θｘ２を監視カメラ２の振れ方向に応じた符号を付などとすることで、各補正レンズ１１，１２を変位すべき方向が識別できるようにされている。

Ｙ方向補正制御部４２は、Ｙ方向の振れの補正を行うために、Ｙ方向ジャイロセンサ１８の検出結果に基づいて、Ｙ方向ＶＣＭ２２，Ｙ方向ＶＣＭ２６を駆動するための駆動信号をそれぞれ発生させるものである。このＹ方向補正制御部４２の構成は、Ｘ方向補正制御部４１と同様であるので、詳しい説明を省略する。

なお、画像ぶれ装置３の全体的な構成を原理図として図５に示す。

次に上記構成による画像ぶれの補正について説明する。なお、以下の説明では、監視カメラ２がＸ方向に振れた場合を例にして説明する。Ｘ方向ジャイロセンサ１７からの角速度信号がアンプ４３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４４により所定のサンプリング周期でサンプリングされて角速度データに変換される。そして、このようにして得られる角速度データがＬＰＦ４５とＨＰＦ４６とにそれぞれ送られる。

ＬＰＦ４５によって振動の低周波成分の角速度に相当する低周波角速度データが求められ、これが積分回路４７に送られる。この積分回路４７に低周波角速度データが順次に入力されることにより、その積分回路４７によって監視カメラ２のＸ方向の低周波成分の累積振れ角θｘ１が算出される。そして、この累積振れ角θｘ１が駆動回路４８に送られる。

一方、ＨＰＦ４６からは振動の高周波成分の角速度に相当する高周波角速度データが出力され、これが積分回路５１に送られる。これにより、積分回路５１から監視カメラ２のＸ方向の高周波成分の累積振れ角θｘ２が出力されて駆動回路５２に送られる。

上記のようにして、低周波成分の累積振れ角θｘ１が駆動回路４８に入力されて、その累積振れ角θｘ１に基づいてＸ方向ＶＣＭ２１が駆動される。また、高周波成分の累積振れ角θｘ２が駆動回路５２に入力されて、その累積振れ角θｘ２に基づいてＸ方向ＶＣＭ２５が駆動される。これにより、第１補正レンズ１１は、Ｘ方向ＶＣＭ２１によって累積振れ角θｘ１に対応するＸ方向の位置に変位され、第２補正レンズ１２は、Ｘ方向ＶＣＭ２５によって累積振れ角θｘ２に対応するＸ方向の位置に変位される。

そして、再び角速度データが得られると、上記と同様な手順により得られる低周波成分の累積振れ角θｘ１に基づいて駆動回路４８によりＸ方向ＶＣＭ２１が駆動されて第１補正レンズ１１が変位される、また、高周波成分の累積振れ角θｘ２に基づいて駆動回路５２によりＸ方向ＶＣＭ２５が駆動されて第２補正レンズ１２が変位される。以降、同様な手順で、第１レンズ１１及び第２レンズ１２の変位が繰り返される。

このようにして第１補正レンズ１１は、順次に累積振れ角θｘ１に対応する位置に変位され、そのときのＸ方向の変位により、振動の低周波成分による光学像の変位が打ち消される。また、第２補正レンズ１２は、順次に累積振れ角θｘ２に対応する位置に変位され、そのときのＸ方向の変位により、振動の高周波成分による光学像の変位が打ち消される。

上記のように光学像の変位が打ち消されることによって監視カメラ２の振動による画像ぶれが補正されるが、振動の低周波成分の振幅はかなり大きなものとなることがある。しかし、Ｘ方向ＶＣＭ２１のストロークが大きいため、これに対応して第１補正レンズ１１が大きくＸ方向に変位することができ、それによる画像ぶれが補正される。一方、振動の高周波成分については、振幅が小さいから累積振れ角θｘ２の増減は小さいが、増減の繰り返し周期が短い。しかしながら、ＶＣＭ２５，２６は、ストロークを小さくすることにより応答性を高くしているので、累積振れ角θｘ２の増減に追従して第２補正レンズ１２を変位させ、その高周波の振動成分による画像ぶれが補正される。

上記実施形態では、アクチュエータとしてボイスコイルモータを用いた例について説明したが、これに限定されるものではなく、ストロークの応答性とがそれぞれ上記のようなものになっているものであれば他のリニアな制御アクチュエータを用いることができる。

また、上記実施形態では、振動を高周波成分と低周波成分とに分離しているが、高周波成分、低周波成分、それらの中間の周波数帯域の成分などのように３以上の帯域に分離し、それぞれに対応させて補正レンズを設ける構成としてもよい。

２監視カメラ
３画像ぶれ補正装置
４撮影レンズ
５カメラ本体
６メイン制御部
Ｇ１〜Ｇ５レンズ
１１第１補正レンズ
１２第２補正レンズ
２１，２２，２５，２６ＶＣＭ
４１，４２補正制御部
４５ＬＰＦ
４６ＨＰＦ

Claims

撮影レンズの振れを検出した振れ信号に基づいて、撮影レンズの光路中に配したレンズを変位させることより画像ぶれを補正する画像ぶれ補正装置において、
画像ぶれを補正する第１及び第２補正レンズと、
相対的に応答性が低くされるとともにストロークが長くされ、第１補正レンズを変位させる第１アクチュエータ、及び応答性が高くされるとともにストロークが短くされ、第２補正レンズを変位させる第２アクチュエータと、
振れ信号を低周波成分と高周波成分とに分離し、低周波成分に基づいて前記第１アクチュエータを駆動し、高周波成分に基づいて前記第２アクチュエータを駆動する駆動制御手段とを備えることを特徴とする画像ぶれ補正装置。
前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータは、ボイスコイルであることを特徴とする請求項１記載の画像ぶれ補正装置。