JP6402640B2 - 撮影システム - Google Patents

Description

本発明は、日周運動する天体に追従し、静止状態に撮影可能な撮影システムに関する。

撮影位置（観測位置）の緯度と、撮影光軸の方位と仰角とカメラの姿勢（撮影光軸に対する回転位置）が分かれば天体の日周運動による移動軌跡が算出可能で、ＧＰＳと方位センサとカメラの仰角を検出する仰角センサとカメラの姿勢（撮影光軸周りの回転角、傾き角、またはイメージセンサ（撮像センサ）の撮像面の基準方向が水平方向に対して傾いた傾き角となる撮影光軸に対する回転位置）を検出する姿勢センサから得られた各データを利用して算出した移動軌跡に基づいて天体を追尾しながら長時間撮影を行えることは既に知られている（特許文献１）。ここでカメラの姿勢は、光軸周りの回転角、傾き、またはイメージセンサ（撮像センサ）の撮像面の基準方向の水平方向に対する傾きを意味する。また、地球から見る天体はそれぞれ赤経・赤緯という天体の座標を示す２つの数値によって位置が定義づけられており、それに加えて観測日時と観測している位置（緯度・経度）が分かれば、その日時のその位置における上記天体の方角・高さ（撮影光軸の方位と仰角に相当）が計算できる。

しかし、今までのＧＰＳや方位センサ、仰角センサや姿勢センサなどの検出値を利用して算出した移動軌跡データに基づく天体追尾撮影では、各センサの検知精度が悪い場合には追尾撮影の精度が下がってしまうという問題があった。特に電子コンパスはキャリブレーションの精度や周囲の磁気環境の影響を強く受けるため、方位の精度がよくない。

一方、予め撮影する天体が決まっていれば、（該天体を正確に撮像面中心に捕らえるスキルが撮影者に必要ではあるものの）該天体の赤経・赤緯、撮影位置の緯度・経度データから方位と仰角は正確に算出できるので、方位センサによる方位データと、仰角センサによる仰角データの精度は低くても、またこれらのセンサが無くても問題ない。しかし、カメラの姿勢データは算出することができないので姿勢センサが必要であり、姿勢センサの精度による問題が依然として存在する。また姿勢センサには、撮影光軸を天頂方向に向けた場合（仰角が略９０度の場合）には姿勢（光軸周りの回転角）が検出できないという問題もある。演算により天体の移動軌跡を高精度に求めても、カメラの姿勢検出精度が低いと追尾撮影の精度が低い問題は解消できなかった。

特許文献２には、天体追尾撮影に関する発明として、ＧＰＳや方位センサ、仰角センサ、姿勢センサなどの各センサを利用することなく、撮影装置とイメージセンサを固定した状態で予備撮影を行って得られた天体画像（被写体像）の移動軌跡像から、該天体画像の移動方向および速さ（回転量）を計算し、その移動方向および速さ（回転量）を打ち消すようにイメージセンサを移動しつつ撮影を行う天体追尾撮影が開示されている。

しかし、特許文献２による天体追尾を行うための軌跡の演算は、移動方向・速さ・回転量のすべてを予備撮影によって得た天体画像から求めるので、認識する天体画像が２点以上必要であり、計算量も多く複雑であった。しかも実際に天体追尾撮影を行う露光時間に匹敵する露光時間をかけて予備撮影を行わないと十分な精度が得られない場合がある。

ＷＯ２０１１／１３６２５１号公報 特開２０１２-５１１２号公報

本発明は、高精度な被写体追尾撮影が可能な撮影システムを得ることを目的とする。

本発明者は、既知の軌跡で移動する被写体の移動データから精度の低いセンサデータを補完（補正）演算可能であることを見出して本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、撮影装置の撮影光軸に対する回転位置が判別できる撮影システムであって、撮影装置に対する相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体を、上記撮影装置によって撮影した物体像から該物体の撮影装置に対する相対移動方向を検出する相対移動方向検出手段と、上記物体の撮影装置に対する相対移動方向を、上記物体の物理法則に基づく撮影装置に対する相対移動関係により算出する相対移動方向算出手段と、上記相対移動方向検出手段が検出した検出相対移動方向と上記相対移動方向算出手段が算出した算出相対移動方向との差異に基づいて、上記撮影装置の撮影光軸に対する回転位置を判別する回転位置判別手段と、を備えたことを特徴とする。

上記相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体は天体が実際的であった、上記相対移動方向算出手段は、上記算出相対移動方向を、上記撮影装置の撮影光学系の焦点距離と、上記天体の赤経と赤緯、撮影地点の緯度と経度及び撮影時の日時により演算することができる。

上記相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体は天体のとき、上記相対移動方向算出手段は、上記算出相対移動方向を、上記撮影装置の撮影光学系の焦点距離と、上記撮影光軸の仰角と方位及び撮影地点の緯度により演算することができる。

本発明の撮影システムにあっては、撮影装置の撮像面上に形成された上記物体像を、少なくとも、撮像面上の初期位置にあるときと、設定時間経過したときに撮影し、上記相対移動方向検出手段は、上記検出相対移動方向を、上記撮影した物体像の撮像面上の初期位置と設定時間経過したときの位置から検出することができる。

本発明の撮影システムにあっては、上記物体像を、少なくとも、初期位置にあるときから設定時間継続露光撮影し、上記相対移動方向検出手段は、上記検出相対移動方向を、上記撮影した物体像の初期位置と継続露光撮影した物体像の軌跡から検出することができる。

本発明の撮影システムにあっては、上記相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体は天体であって、上記判別された撮影装置の撮影光軸回りの回転位置に基づいて、所定日時における上記撮影装置に対する上記天体の相対移動軌跡データを算出し、該算出された相対移動軌跡データに基づいて、所定露光時間中上記撮像装置の撮像面と上記天体像との相対位置が固定されるよう、天体の日周運動を追尾撮影することが実際的である。

本発明によれば、撮像面に対する被写体像の移動軌跡を高精度に算出可能なので、移動する被写体を高精度に静止画として追尾撮影することができる。

本発明によるデジタルカメラの要部構成を示すブロック図である。 本発明によるデジタルカメラの撮影動作の概要をフローチャートで示す図である。 本発明によるデジタルカメラの姿勢検出撮影及び姿勢演算動作の第１の実施形態の主要動作をフローチャートで示す図である。 本発明によるデジタルカメラにより姿勢検出撮影した画像の例を示す図である。 本発明によるデジタルカメラの姿勢検出撮影及び姿勢演算動作の第２の実施形態の主要動作をフローチャートで示す図である。 本発明によるデジタルカメラにより姿勢検出撮影した画像の例を示す図である。 本発明によるデジタルカメラの姿勢検出撮影、姿勢演算及び天体追尾撮影動作の概要をフローチャートで示す図である。 本発明によるデジタルカメラの姿勢検出撮影、姿勢演算及び天体追尾撮影動作の別の態様の概要をフローチャートで示す図である。

図１ないし図８を参照して、本発明の撮影装置について説明する。図１に示すように、本発明の撮影システムを適用したデジタルカメラシステム１０は、カメラボディ１１と撮影レンズ１０１（撮影光学系Ｌ）を備えている。カメラボディ１１内には、撮影光学系Ｌの後方に撮像手段としてイメージセンサ（撮像センサ、撮像素子）１３が配設されている。撮影光学系Ｌの光軸（撮影光軸）Ｚとイメージセンサ１３の撮像面１４とは直交している。このイメージセンサ１３は、移動部材駆動ユニット（移動手段）１５に搭載されている。移動部材駆動ユニット１５は、図示しない固定ステージと、この固定ステージに対して可動な可動ステージと、該固定ステージに対して可動ステージを移動させる電磁回路とを有しており、可動ステージにイメージセンサ１３が保持されている。イメージセンサ１３（可動ステージ）は、光軸Ｚと直交する所望の方向に所望の速さで平行移動制御され、さらに光軸Ｚまたは光軸Ｚと平行な軸（光軸Ｚと直交する面内の何処かに位置する瞬間中心）を中心として所望の回転速度で回転制御される。このような移動部材駆動ユニット１５は、例えば特許文献１または２などに記載されている防振ユニットが使用できる。

撮影レンズ１０１は、撮影光学系Ｌ内に、可変絞り１０３を備えている。この可変絞り１０３の絞り値（開閉度合い）は、カメラボディ１１内に備えられた絞り駆動制御機構１７によって制御される。撮影光学系Ｌは、図示しないが、無限遠から近距離まで合焦可能な焦点調節機構を備えている。

カメラボディ１１には、カメラ全体の機能を制御するＣＰＵ２１が搭載されている。ＣＰＵ２１は、イメージセンサ１３を撮像駆動制御し、撮影した画像信号を処理してＬＣＤモニタ２３に表示するとともに、メモリーカード２５に書き込む。ＣＰＵ２１によるイメージセンサ１３の撮像駆動制御には、ライブビュー撮影のフレームレート等や、静止画撮影（記録）するときの画像サイズ及びＩＳＯ感度の設定が含まれる。カメラボディ１１はカメラボディ１１に加わる振れを検出するＸ方向ジャイロセンサＧＳＸ、Ｙ方向ジャイロセンサＧＳＹ、及び回転検出ジャイロセンサＧＳＲを内蔵し、ＣＰＵ２１には、移動部材駆動ユニット１５を像振れ軽減駆動するための防振ユニットとして用いる際に、撮影レンズ１０１の焦点距離検出装置１０５から焦点距離ｆデータが、Ｘ方向ジャイロセンサＧＳＸ、Ｙ方向ジャイロセンサＧＳＹ、及び回転検出ジャイロセンサＧＳＲから振れ検出信号が入力される。

カメラボディ１１は、スイッチ類として、電源スイッチ２７、レリーズスイッチ２８、天体撮影スイッチ２９、設定スイッチ３０を備えている。ＣＰＵ２１は、これらのスイッチ２７、２８、２９、３０のオン／オフ状態に応じた制御を実行する。例えば、電源スイッチ２７の操作を受けて、図示しないバッテリからの電力供給をオン／オフし、レリーズスイッチ２８の操作を受けて焦点調節動作、測光動作及び撮影動作（天体追尾撮影動作）を実行する。天体撮影スイッチ２９は、デジタルカメラシステム１０に天体追尾撮影モードによる天体追尾撮影動作を開始させるスイッチである。設定スイッチ３０は、例えば、天体追尾撮影させる天体追尾撮影モードと通常撮影モードのいずれか一方を選択したり、天体追尾撮影モードにおいて、天体追尾撮影に必要なデータ（撮影地点の緯度、経度、標高、撮影対象である天体の赤経、赤緯データ等）を入力する姿勢検出モードを選択したり、ＩＳＯ感度を設定したりするためのスイッチである。

デジタルカメラシステム１０による天体追尾撮影は、イメージセンサ１３の撮像面１４上の天体画像が撮像面１４上を移動しないように移動部材駆動ユニット１５によってイメージセンサ１３を天体の日周運動に合わせて移動しながら撮影することである。
デジタルカメラシステム１０の姿勢とは、デジタルカメラシステム１０の撮影光軸Ｚ周りに回転した（ある基準姿勢から回転した）回転位置を意味する。より具体的には、初期位置のイメージセンサ１３の長手方向を所定の方向とし、長手方向が水平のときを基準姿勢として、長手方向が水平方向（水平面）と成す角度がカメラ姿勢角度であり、撮影光軸Ｚに対する回転位置である。姿勢検出モードはこのデジタルカメラシステム１０の撮影光軸Ｚに対する回転位置（カメラの姿勢角度）を検出する動作に関するモードである。

図２は、天体追尾撮影のための姿勢検出動作に関するフローチャートである。撮影者には、デジタルカメラシステム１０を三脚等に装着して撮影対象の天体に向け、ある瞬間においてその天体の画像がファインダ視野の略中央またはいわゆるライブビューモードの場合はＬＣＤモニタ２３の略中央、つまり撮像面１４の略中央に位置するように（撮影光軸の延長線上に撮影対象の天体が一致するように）構図を調整するスキルがあることを前提としている。以下の実施形態は、ＣＰＵ２１の統括的な制御下で動作する。

デジタルカメラシステム１０（ＣＰＵ２１）は、電源スイッチ２７がオンしているか否かチェックし（Ｓ１０１）、電源スイッチ２７がオンしていなければ（Ｓ１０１：ＮＯ）この処理を終了する（終了）。その後一定時間が経過するのを待って、一定時間が経過したらこのフローチャートに入り電源スイッチ２７の状態をチェックする（Ｓ１０１）。電源スイッチ２７がオンすると（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、姿勢検出モードが設定されているか否かチェックし（Ｓ１０２）、姿勢検出モードが設定されているとき（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、ステップＳ１０３ないしＳ１０６の姿勢検出処理動作を行う。姿勢検出モードは、デジタルカメラシステム１０の底辺または撮像面１４の長手方向辺の光軸Ｚ周りの傾き（回転位置、カメラの姿勢角度）を水平方向を基準として検出するモードである。

ステップＳ１０３では、撮影者等による、現在位置の緯度・経度、無視しても問題ないが標高、そして撮影対象としている（視野中心に捕らえようとしている）天体の赤経・赤緯の値の入力（または入力済みなら確認）を待つ（Ｓ１０３）。現在位置の緯度・経度、標高は、例えばインターネットの地図ウエブサイト等を利用して簡単に調べることができる。また、特許文献１と同様、ＧＰＳによって検出することも可能である。入力の方法は、ＬＣＤモニタ２３に入力画面を表示して、撮影者が図示しないスイッチ等を使用してマニュアル入力（手入力）する方法、あるいはこのデジタルカメラシステム１０に有線または無線で接続した携帯端末、ＧＰＳ端末等から通信入力する方法がある。撮影対象としている天体の赤経・赤緯も、デジタルカメラシステム１０に有線または無線で接続した携帯端末等から入力することができる。

フローチャートには表示しないが、ステップＳ１０３の前あるいは後で、撮影者は姿勢検出撮影用露光時間（シャッタースピード）及び撮影間隔（設定時間Δｔ）を設定する。露光時間と撮影間隔は、撮影者がそれぞれ適当な値を入力してもよいし、デジタルカメラシステム１０に撮影レンズ１０１の焦点距離ｆデータなどを利用して、適切な値を自動で設定させてもよい。いずれにしても、この撮影間隔（設定時間Δｔ）は、デジタルカメラシステム１０の姿勢が検出できればよいので、特許文献２の段落００２４における予備撮影時間（「撮影結果から天体の日周運動軌跡が演算できる程の撮影時間」）よりはるかに短くて済むのである。

さらに撮影者は、撮影対象として赤経・赤緯等のデータを入力した天体が、ファインダ視野の略中央またはいわゆるライブビューモードの場合はＬＣＤモニタ２３の略中央、つまり撮像面１４の略中央に位置するように構図を調整し、固定した後レリーズスイッチ２８をオンする。データ入力と構図調整の順番は問わない。

デジタルカメラシステム１０（ＣＰＵ２１）は、緯度・経度、赤経・赤緯データが入力されると（または入力済みなら確認をすると）（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、レリーズスイッチ２８がオンしたか否かをチェックし（Ｓ１０４）、オンしていなければ（Ｓ１０４：ＮＯ）ステップＳ１０１に戻り、オンしていれば（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、入力された各データ（緯度・経度、赤経・赤緯、姿勢検出撮影用露光時間、撮影間隔（設定時間Δｔ））を設定し（Ｓ１０５）、姿勢検出撮影及び姿勢演算を実行して（Ｓ１０６）実際のカメラ姿勢角度δを求めて、ステップＳ１０１に戻る。

デジタルカメラシステム１０（ＣＰＵ２１）は、ステップＳ１０２において姿勢検出モードではないと判断したとき（Ｓ１０２：ＮＯ）、レリーズスイッチ２８がオンしているか否かをチェックする（Ｓ１０７）。レリーズスイッチ２８がオンしていなければステップＳ１０１に戻り（Ｓ１０７：ＮＯ）、レリーズスイッチ２８がオンしていれば（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、通常撮影用の露光時間、絞り、ＩＳＯ感度等の撮影データを設定し（Ｓ１０８）、その設定で通常撮影動作を実行してステップＳ１０１に戻る（Ｓ１０９、Ｓ１０１）。

図３は、ステップＳ１０６で実行する姿勢検出撮影及び姿勢演算動作に関する第１の実施形態のフローチャートである。姿勢検出撮影及び姿勢演算１では、先ず、姿勢検出撮影用の設定露光時間（設定シャッタースピード）で１回目の撮影１を実行する（Ｓ１１１）。撮影１により得られた画像を図４（Ａ）に示した。設定露光時間は、図４の（Ａ）の星画像Ｏｂ１のように、撮影対象の星が点状に写る長さ（時間）が望ましく、予め設定しておいてもよく、測光値に基づいて設定してもよい。

撮影１（露光）が終了すると、設定時間Δｔ秒待ち（時間を空けて天体が移動するのを待ち）（Ｓ１１２）、設定露光時間（設定シャッタースピード）で２回目の撮影２を実行する（Ｓ１１３）。撮影２により得られた画像を図４（Ｂ）に示した。撮影２により、撮影１において撮影した撮影対象の星が星画像Ｏｂ２として撮影されている。撮影１と撮影２の設定露光時間は同一でもよく、異ならせてもよい。設定時間Δｔは、想定される本撮影（天体追尾撮影）時間よりもはるかに短い時間でよい。撮影１（露光）開始時から撮影２（露光）の開始時または終了時までの時間が設定時間Δｔとなるように設定してもよい。

入力された緯度・経度・赤経・赤緯とカメラから撮影１の開始日時（撮影時刻）を取得し、撮影１で得た星画像Ｏｂ１がそこから設定時間Δｔでイメージセンサ１３上のどの方向に進むか（算出相対移動方向（計算上移動方向β））を計算する（Ｓ１１４）。算出相対移動方向βは、任意の仮想の基準方向に対する角度として計算する。この実施形態では仮想の基準方向としてイメージセンサ１３（撮像面）の長手方向と平行な方向（撮像面上基準方向α）を設定し、算出相対移動方向βを撮像面上基準方向αに対する角度として計算する。

撮影１と撮影２で得られた星画像Ｏｂ１とＯｂ２から撮像面１４上で動いた移動方向を撮像面上基準方向αからの検出相対移動方向（実測移動方向）γとして検出し（Ｓ１１５）（図４（Ｃ））、計算で得られた算出相対移動方向βと検出相対移動方向γから式、
α＋γ-β＝δ
により実際のカメラ姿勢角度δを求めてリターンする（Ｓ１１６、ＲＥＴ）。
なお、撮像面上基準方向αは、イメージセンサ１３を移動制御する際に移動する方向、回転する方向、移動軌跡及び位置（座標）の基準となる直交座標軸の一方の座標軸と平行にすることが好ましく、この実施形態ではイメージセンサ１３（撮像面）の長手方向と平行に設定している。すなわち、α＝０（゜）としてある。

簡単のため、ステップＳ１１１の撮影１とステップＳ１１３の撮影２では１個の星が点状の星画像Ｏｂ１とＯｂ２として撮影できたとする（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）。撮影１から撮影２までの間に設定時間Δｔ秒が経過しているため、初期位置の星画像Ｏｂ１は、設定時間Δｔ秒後には移動後の位置で星画像Ｏｂ２として撮影されている。撮像面１４上における移動方向は、図４（Ｃ）のように撮像面１４の長手方向と平行な撮像面上基準方向αに対して検出相対移動方向γとして検出される。

また、デジタルカメラシステム１０の姿勢を仮に撮像面上基準方向αが水平（α＝０°）であるとすれば、撮影レンズ１０１から得られる焦点距離ｆのデータと、与えられた撮影位置の緯度・経度、撮影対象である星の赤経・赤緯、及び撮影時刻、または撮影位置の緯度、撮影方位、仰角の各データから、撮像面１４上の初期位置を初期座標（０，０）として、この初期位置にある星画像Ｏｂ１が設定時間Δｔ秒後にどこに移動するかを物理法則に基づいて計算することが可能であり、計算方法の一例は特許文献２に記載されている。計算により求めた移動後の星画像Ｏｂ２の位置を移動後座標（Ｘ，Ｙ）とすると、移動方向（算出相対移動方向β）は、ａｒｃＴａｎ（Ｘ／Ｙ）などの計算から求めることができる。

この演算した算出相対移動方向βと測定した検出相対移動方向γを比較することで、撮像面上基準方向αに対するカメラ姿勢角度δは式、
δ＝α＋γ-β
により求めることが可能である。撮像面上基準方向αを撮像面１４の長手方向と平行に設定すれば、α＝０となり、カメラ姿勢角度δ＝γ-βとなる。

撮影光軸Ｚが天頂（つまり鉛直）を向いている場合、従来のカメラは姿勢センサによってカメラ姿勢角度δを検出することができないか、カメラ姿勢角度δを検出できてもその精度が著しく低い。本発明によれば、例えば、撮像面１４の長手方向（撮像面上基準方向α）を基準として、カメラ姿勢角度δ（姿勢データ）を正確に算出（定義）することができる。

カメラ姿勢角度δは、その後、撮影光学系の焦点距離ｆと、撮影する天体（星）の赤経と赤緯、撮影地点の緯度と経度及び撮影時の日時、または撮影光学系の焦点距離ｆと、デジタルカメラシステム１０の仰角と方位及び撮影地点の緯度により天体（星）の移動軌跡（移動方向と移動速さ）を算出するために使用される。そうして算出された移動軌跡により移動部材駆動ユニット１５を駆動しながら設定時間継続露光撮影（バルブ露光撮影）して、天体追尾撮影を行う。撮影する星画像の移動軌跡は、例えば、特許文献１に記載の演算方法により演算できる。

以上の通り本発明を適用したデジタルカメラシステム１０によれば、姿勢検出撮影及び姿勢演算によりデジタルカメラシステム１０の姿勢を高精度に正確に検出できるので、正確な天体移動軌跡に基づいて正確に追尾撮影することができる。姿勢検出撮影及び姿勢演算は撮像面上基準方向に対する検出相対移動方向γを検出できればよいので、従来の天体の移動軌跡（移動方向および移動速さ）を予備撮影と演算によって求める方法よりも姿勢検出撮影の所要時間が短縮され、かつ演算も簡略になり、所要時間が短縮された。

この実施形態は、例えば撮影する天体（星）の赤経・赤緯データが分かっていて、撮影者が撮影する天体を画面略中央に捕らえる（撮影光軸Ｚを撮影する天体に正確に向ける）ことができるが、ＧＰＳや方位センサ、姿勢センサ等がない場合や、これらのセンサデータによる追尾撮影結果、被写体の静止状態に満足できない場合に特に有用である。

なお、本発明は、一度カメラ姿勢角度δを検出したときに姿勢検出撮影及び姿勢演算動作を停止し、その後一定時間経過したときや、構図変更をジャイロセンサや加速度センサによる三脚検知などから検知して、構図変更があれば姿勢検出撮影及び姿勢演算動作をやり直したり、構図変更角度をジャイロセンサのデータから計算したりしてもよい。この実施形態によれば、無駄な動作をしないので、省電力化に寄与できる。

ステップＳ１１１の撮影１とステップＳ１１３の撮影２は星（天体）が点状に写ることが望ましい。ステップＳ１１５で（全自動／半自動／全手動いずれにしても）各画像から星（天体）を検出し、撮像面１４上での移動方向を正確に算出するためである。露光時間、絞り、ＩＳＯ感度（ゲイン）等の撮影条件は使用者が入力設定してもよいし、撮像面１４上での移動量や星の像のサイズ（直径）は使用する撮影レンズの焦点距離ｆにより決まるため、自動設定してもよい。同様に設定時間Δｔも使用者が設定してもよく、焦点距離ｆに基づいて自動で設定してもよい。

以上の実施形態において、ＣＰＵ２１は、移動部材駆動ユニット１５を介してイメージセンサ１３を光軸Ｚ方向と異なる方向に駆動制御してイメージセンサ１３の撮像面１４と被写体像とを相対移動させる駆動制御手段を構成している。さらにＣＰＵ２１は、物理法則で定義される既知の軌跡で移動する被写体のイメージセンサ１３の撮像面１４上に形成された被写体像について、該被写体像の仮想基準方向に対する計算上の移動軌跡（算出相対移動方向β及び計算上の速さ）を演算する相対移動方向計算手段と、既知の軌跡で移動する被写体を予め定めた設定時間Δｔ間隔または予め定めた設定時間Δｔの露光により撮影し、撮影した被写体像から該被写体像が実際に移動した移動方向を撮像面１４上に設定した撮像面１４上の基準方向に対する検出相対移動方向γとして検出する相対移動方向検出手段と、相対移動方向検出手段が検出した検出相対移動方向γと相対移動方向算出手段が算出した算出相対移動方向βとの差異に基づいて、撮像面１４上の所定の基準方向に対してなす傾き角（回転角、姿勢）δ（撮影装置の回転位置）を判別する回転位置判別手段を構成している。

図３及び図４に示した本実施形態は、撮影１と撮影２を共に星が点状に写る程度の露光時間（シャッタースピード）としたが、一方のみ点状画像、他方は線状画像になる設定及び撮影の仕方でもよい。図５及び図６は、姿勢検出撮影において、一方が点状画像になるように、他方が線状画像なるように撮影し、点状画像と線状画像に基づいて姿勢を検出（姿勢演算）する第２の実施形態を示している。この第２の実施形態は、ＣＰＵ２１の統括的な制御下で、姿勢検出撮影及び姿勢演算動作する。

姿勢検出撮影及び姿勢演算２では、先ず、設定露光時間で撮影１を実行する（Ｓ１２１）。ＣＰＵ２１は、撮影１の短時間露光が終了すると、撮影２を実行する（Ｓ１２３）。撮影２は設定時間Δｔ露光を継続する長時間露光（バルブ露光）である。

入力された緯度・経度、赤経・赤緯と撮影１の開始日時を取得し、デジタルカメラシステム１０のカメラ姿勢角度を仮に仮想基準方向αの角度として、撮影１で得た星画像Ｏｂ１がそこから設定時間Δｔ後に仮想像面上の仮想基準方向αに対してどの方向に進む（移動する）のかを演算し、算出相対移動方向βを求める。

撮影１と撮影２で得られた星画像から星画像が撮像面１４の撮像面上基準方向αに対して移動した検出相対移動方向γを検出し（Ｓ１１５）、算出相対移動方向βと検出相対移動方向γから式、
δ＝α＋γ-β
により実際のカメラ姿勢角度δを求め（Ｓ１１６）、リターンする（ＲＥＴ）。

図５と図６は、第２の実施形態を示している。第２の実施形態では、先に星画像Ｏｂ１が点状になるように撮影した後に、星画像Ｏｂ３が線状となるようにバルブ露光により撮影している。この順番は入れ替えてもよく、どちらからどちらへ移動したのかという関係性が明瞭であれば問題ない。また、線状に撮影する場合は設定時間Δｔ継続露光撮影するが、その際に白とびしてしまわないようＩＳＯ感度や絞り値を調節する。なお、図６において星画像Ｏｂ３は直線状に描いているが、直線とは限らず、円弧状の曲線の場合もあるが、星画像Ｏｂ１と星画像Ｏｂ３の終点とを結ぶ方向（γ）が検出できれば、途中の軌跡形状によらない。

以上の実施形態は、姿勢検出モードが設定されているときには姿勢検出撮影及び姿勢演算動作をするが、天体追尾撮影動作と通常撮影動作はしない例である。図７と図８は、天体追尾撮影モードが設定されているとき、カメラの姿勢情報が無いときには自動的に姿勢検出撮影及び姿勢演算動作し、その後に自動で（連続して）天体追尾撮影を行う実施形態のフローチャートを示している。以下の実施形態は、ＣＰＵ２１の統括的な制御下で動作する。

この実施形態は、撮影者が、撮影しようとする天体（星）の赤経・赤緯データを入力し、該天体にデジタルカメラシステム１０の撮影光軸を向け、撮像面１４の中央（ファインダー視野またはＬＣＤモニタ２３の画面中央）にその天体画像が位置するように構図等のセッティングを調整する。撮影地点の緯度・経度データ天体の赤経・赤緯データ、日時データは、撮影者が手入力するか、カメラの内蔵時計、あるいはＧＰＳの受信データ、各種情報端末（スマートフォン等）を利用して入力してもよい。

ＣＰＵ２１は、所定のタイミングで電源スイッチ２７がオンしているか否かチェックし（Ｓ２０１）、電源スイッチ２７がオンしていなければ（終了する処理（Ｓ２０１：ＮＯ、終了）を定期的に繰り返す。電源スイッチ２７がオンすると（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、天体追尾撮影モードが設定されているか否かチェックし（Ｓ２０２）、天体追尾撮影モードが選択されていないとき（通常撮影モードが選択されているとき）（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、通常撮影モードを設定し（Ｓ２１３）、レリーズスイッチ２８がオンしていれば（Ｓ２１４：ＹＥＳ）、通常撮影用設定をし（Ｓ２１５）、通常撮影動作して（Ｓ２１６）ステップＳ２０１に戻り、レリーズスイッチ２８がオンしていなければ（Ｓ２１４：ＮＯ）、そのままステップＳ２０１に戻る。

ＣＰＵ２１は、天体追尾撮影モードが選択されているとき（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、天体追尾撮影モードを設定し（Ｓ２０３）、撮影者が現在位置の緯度・経度、標高、そして撮影対象としている（視野中心に捕らえようとしている）天体の赤経・赤緯の値を入力（または入力済みなら確認）するのを待つ（Ｓ２０４）。これらの動作は、図２のステップＳ１０３の動作及び関連する動作についての説明と同様の動作である。

ＣＰＵ２１は、緯度・経度、赤経・赤緯データが入力されると（または入力済みなら確認をすると）（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、カメラの姿勢情報はあるか否かチェックする（Ｓ２０５）。カメラの姿勢情報がない（あるいはあっても使わないと撮影者の指示がある）場合（Ｓ２０５：ＮＯ）は、レリーズスイッチ２８がオンしているか否かチェックし（Ｓ２０６）、オンしていないとき（Ｓ２０６：ＮＯ）は、ステップＳ２０１に戻る。

レリーズスイッチ２８がオンしているとき（Ｓ２０６：ＹＥＳ）は、姿勢検出撮影用設定及び追尾撮影用設定をする（Ｓ２０８）。姿勢検出撮影用設定には、姿勢検出撮影及び姿勢演算１または２で使用する設定露光時間（設定シャッタースピード）、設定時間Δｔ、絞り値及びＩＳＯ感度と、本撮影（天体追尾撮影）用の絞り値、露光時間、ＩＳＯ感度などの露出データを含む。またこれらのデータを「カメラ任せにする設定」も含む。そうしてＣＰＵ２１は、ステップＳ２０８で設定した姿勢検出撮影用設定により姿勢検出撮影及び姿勢演算を行い（Ｓ２１０）、デジタルカメラシステム１０の撮影光軸Ｚに対する回転位置を判別、つまりカメラ姿勢角度δを求める。

続いてＣＰＵ２１は、ステップＳ２０８で設定した追尾撮影用設定に従って、天体軌道演算を行う（Ｓ２１１）。天体軌道演算では、撮影光学系Ｌの焦点距離ｆと、撮影する天体の赤経と赤緯、撮影地点の緯度と経度と、撮影時の日時データと、姿勢検出撮影及び姿勢演算で得られたカメラ姿勢角度δを用いてイメージセンサ１３を移動する移動軌跡（相対移動軌跡データ）を演算する。そうしてＣＰＵ２１は、撮影者がレリーズスイッチ２８を操作する前に設定した追尾撮影用設定と演算した相対移動軌跡データにより移動部材駆動ユニット１５を介してイメージセンサ１３を天体追尾駆動しながら所定露光時間露光する天体追尾撮影を行う（Ｓ２１２）。つまりこのデジタルカメラシステム１０は、所定露光時間中のイメージセンサ１３の撮像面１４と天体像との相対位置が固定されるように、天体の日周運動を追尾しながら撮影する。

ＣＰＵ２１は、ステップＳ２０５において、すでに姿勢情報があると判定しときには（Ｓ２０５：ＹＥＳ）、レリーズスイッチ２８がオンしているか否かチェックし（Ｓ２０７）、オンしていなければ（Ｓ２０９：ＮＯ）ステップＳ２０１に戻り、オンしていれば（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、入力済みの追尾撮影用設定をし（Ｓ２０９）、天体軌道演算（Ｓ２１１）及び天体追尾撮影を行って（Ｓ２１２）、ステップＳ２０１に戻る。

以上の通りこのデジタルカメラシステム１０は、カメラ姿勢角度δを、撮影対象である天体をファインダー視野の中央または撮像面の中央に位置させて、姿勢検出撮影及び姿勢演算動作により求めた検出相対移動方向γと、演算により求めた算出相対移動方向βとによって検出するので、姿勢センサの有無、精度にかかわらず、カメラの姿勢（カメラ姿勢角度δ）を高精度に検出することが可能である。以上より本デジタルカメラシステム１０は、高精度な天体追尾撮影が可能である。
この実施形態は、姿勢情報が無くても姿勢検出撮影及び姿勢演算に続いて天体追尾撮影を行うので、撮影者が設定した天体を容易に高精度な静止画像として撮影できる。

以上の天体自動追尾撮影の実施形態は、ステップＳ２０４で撮影者が緯度・経度、赤経・赤緯データを入力するとしたが、これらのデータを、例えばＧＰＳ、赤経・赤緯データベースから自動入力してもよい。

図８には、撮影場所・方位・仰角データを自動入力する実施形態を示している。図７の実施形態と同一の処理には同一のステップＳ番号を付して説明を省略する。

ＣＰＵ２１は、電源スイッチ２７がオンすると（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、撮影場所・方位及び仰角データがあるか否かチェックする（Ｓ２０１−２）。いずれかのデータがない場合（Ｓ２０１−２：ＮＯ）は、通常撮影モードを設定して（Ｓ２１３）通常撮影動作する（Ｓ２１４：Ｓ２１５：ＹＥＳ、Ｓ２１６、Ｓ２０１）。撮影場所・方位及び仰角データは、撮影者が手動で入力してもよく、撮影場所の緯度・経度データは内蔵あるいは無線または有線で接続されたＧＰＳ装置から取得してもよく、仰角は仰角センサから入力してもよく、既に説明た手段、方法のいずれかにより入力できる。撮影場所・方位及び仰角データデータがある場合（Ｓ２０１−２：ＹＥＳ）は、天体追尾撮影モードか否かチェックし（Ｓ２０２）、天体追尾撮影モードが設定されていた場合（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、天体追尾撮影モードを設定し（Ｓ２０３）、ステップＳ２０５以降の天体追尾撮影動作を実行する。

なお、カメラ姿勢角度は、構図変更をジャイロや加速度センサによる三脚検知などから検知して、構図変更があれば姿勢検出撮影をやり直したり、構図変更角度をジャイロのデータから計算したりすることができる。

以上の実施形態では、イメージセンサ１３を「移動部材」として、このイメージセンサ１３を光軸直交平面内で駆動する態様を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、撮影光学系Ｌの少なくとも一部をなすレンズ（光学要素）を「移動部材」として、このレンズ（光学要素）を撮影レンズ１０１内に設けたボイスコイルモータ（駆動機構）によって光軸直交平面内で駆動する態様も可能である。さらに、撮影レンズ１０１とイメージセンサ１３を含むカメラボディ１１全体を「移動部材」として駆動する態様も可能である。あるいは、イメージセンサ１３と撮影光学系Ｌの少なくとも一部をなすレンズ（光学要素）の双方を「移動部材」として、これらを光軸直交平面内で駆動する態様も可能である。いずれの態様であっても、イメージセンサ１３上の被写体像の結像位置を移動させて追尾撮影効果を得ることができる。

本実施形態では、天体（星）など、地球上から見て物理法則に従って所定の軌道、軌跡で移動する天体の撮影について説明したが、本発明は、既知の軌道、軌跡で移動する動体であって、その移動方向及び速さ（移動軌跡）を物理法則に基づく演算により求めることができる物体の追尾撮影に適用できる。例えば、毎回ほぼ同じ方向とスピードで来る電車やレースカーなどの動体を考えると、動体の速度ｖが分かれば撮影倍率ｍから動体のセンサー上の追尾速度はｍ×ｖで計算できる。撮影倍率ｍはレンズデータとして随時取得している場合もあり、また、式
ｍ＝Ｈ／（ｄ-ＨＨ-Ｈ）
（ｄ：撮影距離、Ｈ：第二主面から像面までの距離、ＨＨ：主面間距離）
により演算効能であり、撮影距離ｄが焦点距離に対して十分大きければ ｍ≒Ｈ／（ｄ-Ｈ） とおくことができる。撮影距離ｄや第二主面から像面までの距離Ｈは、現在のデジタルカメラでは手ぶれ補正やＡＦ、ＡＥなどで使用しているため、既にカメラ内でレンズから情報として取得している場合が多い。よって、カメラ姿勢を気にせずに設置し、上記方法により動体に対する追尾速度とカメラ姿勢情報（撮影装置の撮影光軸に対する回転位置）を取得することで、自動で追尾撮影することができるようになる。

１０ デジタルカメラシステム（撮影装置、撮影システム）
１１ カメラボディ
１３ イメージセンサ（撮像素子）
１４ 撮像面
１５ 移動部材駆動ユニット（移動部材駆動機構）
１７ 絞り駆動制御機構
２１ ＣＰＵ（相対移動方向検出手段、相対移動方向算出手段、回転位置判別手段）
２３ ＬＣＤモニタ
２５ メモリーカード
２７ 電源スイッチ
２８ レリーズスイッチ
２９ 天体撮影スイッチ
３０ 設定スイッチ
１０１ 撮影レンズ（撮影光学系）
１０３ 可変絞り
１０５ 焦点距離検出装置
Ｌ 撮影光学系
ＧＳＸ Ｘ方向ジャイロセンサ
ＧＳＹ Ｙ方向ジャイロセンサ
ＧＳＲ 回転検出ジャイロセンサ

Claims (6)

1. 撮影装置の撮影光軸に対する回転位置が判別できる撮影システムであって、
   撮影装置に対する相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体を、上記撮影装置によって撮影した物体像から該物体の撮影装置に対する相対移動方向を検出する相対移動方向検出手段と、
   上記物体の撮影装置に対する相対移動方向を、上記物体の物理法則に基づく撮影装置に対する相対移動関係により算出する相対移動方向算出手段と、
   上記相対移動方向検出手段が検出した検出相対移動方向と上記相対移動方向算出手段が算出した算出相対移動方向との差異に基づいて、上記撮影装置の撮影光軸に対する回転位置を判別する回転位置判別手段と、
   を備えたことを特徴とする撮影システム。
2. 請求項１記載の撮影システムにおいて、
   上記相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体は天体であって、
   上記相対移動方向算出手段は、上記算出相対移動方向を、上記撮影装置の撮影光学系の焦点距離と、上記天体の赤経と赤緯、撮影地点の緯度と経度及び撮影時の日時により演算する撮影システム。
3. 請求項１記載の撮影システムにおいて、
   上記相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体は天体であって、
   上記相対移動方向算出手段は、上記算出相対移動方向を、上記撮影装置の撮影光学系の焦点距離と、上記撮影光軸の仰角と方位及び撮影地点の緯度により演算する撮影システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の撮影システムは、撮影装置の撮像面上に形成された上記物体像を、少なくとも、撮像面上の初期位置にあるときと、設定時間経過したときに撮影し、
   上記相対移動方向検出手段は、上記検出相対移動方向を、上記撮影した物体像の撮像面上の初期位置と設定時間経過したときの位置から検出する撮影システム。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の撮影システムは、上記物体像を、少なくとも、初期位置にあるときから設定時間継続露光撮影し、
   上記相対移動方向検出手段は、上記検出相対移動方向を、上記撮影した物体像の初期位置と継続露光撮影した物体像の軌跡から検出する撮影システム。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の撮影システムにおいて、上記相対移動関係が物理法則によって定義可能な物体は天体であって、
   上記判別された撮影装置の撮影光軸回りの回転位置に基づいて、所定日時における上記撮影装置に対する上記天体の相対移動軌跡データを算出し、該算出された相対移動軌跡データに基づいて、所定露光時間中上記撮像装置の撮像面と上記天体像との相対位置が固定されるよう、天体の日周運動を追尾撮影する撮影システム。

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