JP4769564B2 - 像振れ補正装置、撮像装置及びレンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は、手振れなどによる像振れを補正する像振れ補正装置、撮像装置及びレンズ装置に関するものである。

手振れ等の影響を低減する像振れ補正装置を搭載するビデオカメラ等が製品化されている。この像振れ補正装置は、角速度センサ、角加速度センサ等を用いてビデオカメラの動きを直接測定し、その振れをキャンセルする方向に光学的に撮影光軸を調整する像振れ補正光学系を有している。

従来の像振れ補正装置の構成の一例を図６に示す。５０１は撮像装置の振れ角速度を検出するジャイロ、５０２はジャイロ５０１の出力から直流成分を除去するハイパスフィルタ(以後ＨＰＦ)である。５０３はＨＰＦ５０２の出力を所定量増幅するアンプ、５０４はアンプ５０３の出力をアナログ信号からデジタル信号へと変換するＡ／Ｄ変換器である。５０５はＡ／Ｄ変換器５０４の出力から直流成分を除去するＨＰＦ、５０６はＨＰＦ５０５の出力に対し、位相特性を所定の周波数帯までフラットになるように高域周波数帯の位相補償を行う位相補償器である。５０７はＨＰＦ５０５の出力から一番強い振動周波数を検出する周波数検出手段、５０８は周波数検出手段５０７の周波数検出に応じてカットオフ周波数を変え、位相補償器５０６の出力に対し位相補償を行う可変ＨＰＦである。５０９は振れ角速度から振れ角度へと変換する積分器である。５１０は光軸と水平に移動するフォーカスレンズ、５１１は光軸と水平に移動するズームレンズ、５１２は光軸に対し垂直に移動するシフトレンズ、５１３はシフトレンズ５１２を駆動させるシフトレンズモータである。５１４はシフトレンズ５１２の位置を検出する位置センサ、５１５はレンズ鏡筒である。５１６は位置センサ５１４の出力が積分器５０９の振れ角度をキャンセルする位置になるようにシフトレンズ５１２を駆動するサーボ補償器である。

シフトレンズ５１２とシフトレンズモータ５１３と位置センサ５１４とサーボ補償器５１６から成る振れ補正光学系の周波数応答は、高周波数帯域で位相遅れが発生する。そのため、周波数検出手段５０７で振れ周波数を検出し、その高周波数の位相遅れ帯域に振れ周波数が出現した場合でも、位相遅れを補償するように可変ＨＰＦ５０８の特性を変えて、位相補償を行っている（特許文献１参照）。

他方、プラント、航空機などの分野では、適応制御（adaptive control）が研究され、適用されているものもある。これは、制御対象（プラントなど）の動特性が、環境条件や動作条件に応じて変動するのに対して、制御手段のパラメータを調整して、望ましい特性が得られるようにする制御である。
特開２０００−３９６３７号公報

特許文献１では、個体差や温度環境等により振れ補正光学系の機械的、電気的特性が変化するために周波数応答特性が変化し、適切な位相補償量になるとは限らないといった課題がある。また、位相補償の中心周波数から外れた振れには補正能力が弱くなるといった課題がある。

また、適応制御を像振れ補正装置に適用した例は、いまだない。

（本発明の目的）
本発明の目的は、振れ補正光学系の特性が変化しても、周波数応答特性を良好なものにすることのできる像振れ補正装置、撮像装置及びレンズ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、振れを検出する振れ検出手段と、振れによる画像の動きを補正する振れ補正手段と、前記振れ補正手段の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の出力が前記振れ検出手段による振れ信号に一致するように前記振れ補正手段の補正動作を制御する振れ補正制御手段とを有する像振れ補正装置において、前記振れ補正制御手段は、前記振れ検出手段による振れ信号に対して規範モデルとして設定された入出力特性による規範応答信号を出力する規範応答出力手段と、前記規範応答出力手段の出力、前記位置検出手段の出力および前記振れ検出手段による振れ信号を用いて、前記振れ補正制御手段の制御パラメータを算出する適応機構手段と、前記制御パラメータ、前記位置検出手段の出力および前記振れ検出手段による振れ信号を用いて、前記位置検出手段の出力が前記規範応答出力手段の出力に等しくなるように前記振れ補正手段の補正動作を制御する適応サーボ補償手段と、を設け、前記振れ検出手段の入力から前記規範応答出力手段の出力までの周波数応答特性が予め定められた周波数帯で予め定められた周波数応答特性になるように前記規範応答出力手段の入出力特性を設定し、前記規範応答出力手段の規範応答信号と前記位置検出手段の出力とを一致させるように前記適応機構手段にて前記制御パラメータを変更し、前記振れ検出手段の入力から前記位置検出手段の出力までの周波数応答特性が、前記規範応答出力手段の周波数応答特性に追従するように適応制御することを特徴とする。

また、本発明は、本発明の像振れ補正装置を具備した撮像装置とするものである。

また、本発明は、本発明の像振れ補正装置を具備したレンズ装置とするものである。

本発明によれば、振れ補正光学系の特性が変化しても、周波数応答特性を良好なものにすることができる。

本発明を実施するための最良の形態は、後述する実施例１及び２に記載の通りである。

図１は本発明の実施例１である像振れ補正装置の構成を示すブロック図である。本発明は、適応制御方式のうちのモデル規範型適応制御方式を用いるものである。

１０１は撮像装置の振れ角速度を検出するジャイロ、１０２はジャイロ１０１の出力から直流成分を除去するハイパスフィルタ（以後ＨＰＦ）である。１０３はＨＰＦ１０２の出力信号を所定量増幅するアンプ、１０４はアンプ１０３の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA／D変換器、１０５はA／D変換器１０４の出力から直流成分を除去するＨＰＦである。１０６は振れ角速度から振れ角度へと変換する積分器、１０７は光軸と水平に移動するフォーカスレンズである。１０８は光軸と水平に移動するズームレンズ、１０９は光軸に対し垂直に移動するシフトレンズである。１１０はシフトレンズ１０９を駆動させるシフトレンズモータ、１１１はシフトレンズ１１０の位置を検出する位置センサである。１１２はレンズ鏡筒である。１１３は規範モデルとして所望の入出力特性が設定された規範応答出力手段、１１４はリアプノフの安定理論に基づき適応パラメータを算出する適応機構手段である。１１５は適応機構手段１１４で算出された適応パラメータを用いて位置センサ１１１の出力が規範応答出力手段１１３の出力に等しくなるようにシフトレンズモータ１１０を駆動する適応サーボ補償器である。

規範応答出力手段１１３の入出力特性について説明する。図２は図１においてジャイロ１０１から規範応答出力手段１１３と位置センサ１１１までの系統を示すブロック図である。ジャイロ１０１への入力をＸ、規範応答出力手段１１３の出力をＹｍとすると、伝達関数はＹｍ／Ｘで表すことができる。

図３は図２におけるＹｍ／Ｘの周波数応答特性図であり、図３（ａ）のゲイン特性の縦軸はゲイン、図３（ｂ）の位相特性の縦軸は位相、横軸はともに周波数である。図３のごとくジャイロ１０１の入力Ｘから規範応答出力手段１１３の出力Ｙｍまでの周波数応答特性Ｙｍ／Ｘが振れを補正したい周波数帯（予め定められた周波数帯域）で０度フラット（予め定められた周波数応答特性）になるように、図２における規範応答出力手段１１３の入出力特性を設定する。例えば、周波数ｆ１＝１Ｈｚ、ｆ２＝２０Ｈｚ、ｆ３＝６０Ｈｚとする。これらの周波数は、通常の手振れ周波数帯（例えば３から８Ｈｚ程度）から自動車等に装置を固定させて走行した場合（例えば２０Ｈｚ）も含み、映像信号の画面更新周波数（例えば６０Ｈｚ）まで達している。したがって、位置センサ１１１の出力を規範応答出力手段１１３の出力に追従させていけば、画像上に振れ等の影響が見えなくなる。

図１の適応機構手段１１４のリアプノフの安定理論について説明する。

スカラー入力κφ´（ｔ）υ（ｔ）に対してリアプノフ関数であるスカラー出力ｅ（ｔ）が
ｅ（ｔ）＝Ｈ（ｓ）［κφ´（ｔ）υ（ｔ）］ （式１）
と表される系を考える。なお、前記において、Ｈ（ｓ）は強正実な伝達関数、φ（ｔ），υ（ｔ）はベクトル、υ（ｔ）は可観測、κは符号が既知だが、値が未知の定数である。このとき以下の定理が成り立つ。

（式１）のｅ（ｔ）とφ（ｔ）は、もし
φ´（ｔ）＝−ｓｇｎ（κ）γｅ（ｔ）υ（ｔ） （式２）
γ＞０ （式３）
であれば、大域安定である。さらにυ（ｔ）が有界であれば、ｔ→∞で、ｅ（ｔ）→０である。

この理論に基づいて（式２）より、規範応答出力手段１１３の出力、位置センサ１１１の出力、積分器１０６の出力を用いて適応パラメータφ（ｔ）を算出する。このように、位置センサ１１１の出力を規範応答出力手段１１３の出力に追従させていくための適応パラメータが算出される。例えば、適応パラメータφ１としては適応ゲイン・（規範応答出力手段１１３の出力−位置センサ１１１の出力）・積分器１０６の出力が算出される。また、適応パラメータφ２としては適応ゲイン・（規範応答出力手段１１３の出力−位置センサ１１１の出力）・位置センサ１１１の出力が算出される。

図１の適応サーボ補償器１１５について説明する。

ｕ（ｔ）＝φ（ｔ）υ（ｔ） （式４）
φ（ｔ）は適応パラメータ、υ（ｔ）はベクトルである。

（式４）より、位置センサ１１１の出力、積分器１０６の出力、適応パラメータφ（ｔ）を用いて、位置センサ１１１の出力を規範応答出力手段１１３の出力に追従させていくための適応サーボ補償器１１５の出力を算出している。例えば、算出出力＝（積分器１０６の出力・適応パラメータφ１＋位置センサ１１１の出力・適応パラメータφ２）とする。

このようにジャイロ１０１の入力から規範応答出力手段１１３の出力までの位相特性が、振れを補正したい周波数帯で０度フラットになるような設定にしておく。そうすると、適応機構手段１１４は、位置センサ１１１の出力を規範応答出力手段１１３の出力に追従させていくための適応パラメータを算出する。適応サーボ補償器１１５は、算出された適応パラメータから出力を算出する。それにより、図２のＹ／Ｘで表されるジャイロ１０１から位置センサ１１１までの位相特性もシフトレンズモータ１１０の機械的、電気的な変動によらず、振れを補正したい周波数帯で０度フラットな特性になる。

また、主振動周波数の周波数検出をして位相補償をかけるのではなく、その都度、規範応答出力手段１１３の出力と位置センサ１１１の出力とを一致させるように適応機構手段１１４が動作するので、広帯域の振れに対応することができる。それに比べて、図６のものは、位相補償が効かない帯域はカットせざるを得ないので、振れに対応できる帯域が狭くなってしまう。

図４は本発明の実施例２である像振れ補正装置の構成を示すブロック図である。図１と同じ構成部分は同じ符号にて示される。４０９は光軸に対し回転する可変頂角プリズム、４１０は可変頂角プリズム４０９を回転させるプリズムアクチュエータ、４１１は可変頂角プリズム４０９の頂角を検出する頂角センサである。

規範応答出力手段１１３の入出力特性について説明する。図５は図４においてジャイロ１０１から規範応答出力手段１１３と頂角センサ４１１までの系統を示すブロック図である。ジャイロ１０１の入力をＸ、規範応答出力手段１１３の出力をＹｍとすると、伝達関数はＹｍ／Ｘで表すことができる。図３のごとくジャイロ１０１の入力Xから規範応答出力手段１１３の出力Yｍまでの周波数応答特性Ｙｍ／Ｘが振れを補正したい周波数帯で0度フラットになるように、図４における規範応答出力手段１１３の入出力特性を設定する。例えば、周波数ｆ１＝１Ｈｚ、ｆ２＝２０Ｈｚ、ｆ３＝６０Ｈｚとする。これらの周波数は、通常の手ぶれ周波数帯（例えば３から８Ｈｚ程度）から自動車等に装置を固定させて走行した場合（例えば２０Ｈｚ）も含み、映像信号の画面更新周波数（例えば６０Ｈｚ）まで達している。したがって、頂角センサ４１１の出力を規範応答出力手段１１３の出力に追従させていけば、画像上に振れ等の影響が見えなくなる。

このようにジャイロ１０１の入力から規範応答出力手段１１３の出力までの位相特性が、振れを補正したい周波数帯で０度フラットになるような設定にしておく。そうすれば、適応機構手段１１４は、頂角センサ４１１の出力を規範応答出力手段１１３の出力に追従させていくための適応パラメータを算出する。適応サーボ補償器１１５は、算出された適応パラメータから出力を算出する。それにより、図５のＹ／Ｘで表されるジャイロ１０１から頂角センサ４１１までの位相特性もプリズムアクチュエータ４１０の機械的、電気的な変動によらず、可変頂角プリズム４０９の粘度変化によらず、振れを補正したい周波数帯で０度フラットな特性になる。

なお、以上説明した実施例１，２は、振れ補正手段としてシフトレンズや可変頂角プリズムを用いるものであるが、撮像素子を光軸に垂直な平面上で移動させることにより像振れ補正を行うものにも本発明を適用することができる。

本発明の実施例１である像振れ補正装置の構成を示すブロック図である。 実施例１における伝達関数を示す説明図である。 実施例１における規範応答出力手段の周波数応答特性を示す特性図である。 本発明の実施例２である像振れ補正装置の構成を示すブロック図である。 実施例２における伝達関数を示す説明図である。 従来の像振れ補正装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ ジャイロ
１０２ ハイパスフィルタ
１０３ アンプ
１０４ A／D変換器
１０５ ハイパスフィルタ
１０６ 積分器
１０７ フォーカスレンズ
１０８ ズームレンズ
１０９ シフトレンズ
１１０ シフトレンズモータ
１１１ 位置センサ
１１２ レンズ鏡筒
１１３ 規範応答出力手段
１１４ 適応機構手段
１１５ 適応サーボ補償器
４０９ 可変頂角プリズム
４１０ プリズムアクチュエータ
４１１ 頂角センサ

Claims (5)

1. 振れを検出する振れ検出手段と、
   振れによる画像の動きを補正する振れ補正手段と、
   前記振れ補正手段の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段の出力が前記振れ検出手段による振れ信号に一致するように前記振れ補正手段の補正動作を制御する振れ補正制御手段とを有する像振れ補正装置において、
   前記振れ補正制御手段は、
   前記振れ検出手段による振れ信号に対して規範モデルとして設定された入出力特性による規範応答信号を出力する規範応答出力手段と、
   前記規範応答出力手段の出力、前記位置検出手段の出力および前記振れ検出手段による振れ信号を用いて、前記振れ補正制御手段の制御パラメータを算出する適応機構手段と、
   前記制御パラメータ、前記位置検出手段の出力および前記振れ検出手段による振れ信号を用いて、前記位置検出手段の出力を前記規範応答出力手段の出力に追従させるように前記振れ補正手段の補正動作を制御する適応サーボ補償手段と、
   を設け、
   前記振れ検出手段の入力から前記規範応答出力手段の出力までの周波数応答特性が予め定められた周波数帯で予め定められた周波数応答特性になるように前記規範応答出力手段の入出力特性を設定し、
   前記規範応答出力手段の規範応答信号と前記位置検出手段の出力とを一致させるように前記適応機構手段にて前記制御パラメータを変更し、
   前記振れ検出手段の入力から前記位置検出手段の出力までの周波数応答特性が、前記規範応答出力手段の周波数応答特性に追従するように適応制御することを特徴とする像振れ補正装置。
2. 前記予め定められた周波数帯とは、補正対象となる振れの周波数帯域で、前記予め定められた周波数応答特性とは、位相特性が平坦で、位相遅れが零度であることを特徴とする請求項１に記載の像振れ補正装置。
3. 前記制御パラメータとは、前記振れ検出手段による振れ信号または前記位置検出手段の出力に対する演算係数であることを特徴とする請求項１または２に記載の像振れ補正装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の像振れ補正装置を具備したことを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の像振れ補正装置を具備したことを特徴とするレンズ装置。

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