CN101253448A - 图像振动校正装置 - Google Patents

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大竹与志知
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Abstract

一种图像振动校正装置，设置在摄像机中，具有补偿部件(2)，所述补偿部件具有可彼此独立旋转的可动棱镜(10A、10B)，并且可动棱镜(10A、10B)响应于由于手部颤动产生的摄像机的振动而旋转。

Description

图像振动校正装置
技术领域
本发明涉及一种可适用于例如摄影机、电子相机和相机等具有光学透镜的设备的图像振动校正装置，用于补偿由于设备振动引起的不稳定图像运动。
背景技术
已知传统的摄像机设备，具有配备图像振动校正装置的相机主体，所述图像振动校正装置用于补偿获取图像时的手部颤动，以使图像在重放时易于观看。专利文件No.1(日本专利公开特开No.9-51469)显示了一种采用活动棱镜法的图像振动校正装置。
专利文件No.1中使用的活动棱镜具有一种结构，其中在通过特殊薄膜的可张开波纹管(bellows)彼此连接的两片玻璃板之间，充有与所述玻璃具有基本相同折射率的液体。
该活动棱镜布置在CCD图像传感器和用于将目标图像引导到CCD图像传感器的透镜装置的物镜之间，通过改变各玻璃片关于摄像机主体在垂直或水平方向的各倾角(称为“顶角”)来补偿手部颤动。
因此，采用活动棱镜技术的图像振动校正装置具有小功率损耗、易于小型化、更小的分辨率退化和相对宽的补偿面积等优点。
该活动棱镜法中通过补偿手部颤动防止重放图像的“振动”，可能实现具有高图像质量的紧凑轻便的“便携式”摄像机装置。
而且，如果在透镜装置的前面布置活动棱镜，则补偿在目标侧完成，而与透镜装置无关。换句话说，该活动棱镜将在理论上对所有透镜系统有效，显示了其扩展的多功能性。而且，活动棱镜可连接到摄像机装置的外部。
发明内容
但是，活动棱镜具有上述结构，其中在通过可张开的特殊薄膜波纹管彼此连接的两片玻璃片之间充有与所述玻璃基本相同折射率的液体。因而，需要完全将液体封装在波纹管中而不产生空气气泡的技术。这导致结构复杂，并且难于制造。
在这种情况下，一直期待一种图像振动校正装置的出现，其具有与活动棱镜相似的图像稳定效果，具有较简单的结构，并且易于制造。
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种具有较简单结构且易于制造的图像振动校正装置。
为了达到上述目的，根据本发明的一个主要方面，提供一种图像振动校正装置，其光学补偿由具有光学透镜的成像设备获取的图像的振动，所述装置包括：振动检测器，检测成像设备的振动；一对可动折射元件，布置在光学透镜的入射侧，用于改变入射在光学透镜上的光线的折射方向；两个旋转器，垂直于光轴分别且彼此独立地旋转可动折射元件；和控制器，旋转控制两个旋转器来消除由振动检测器检测到的振动。
附图说明
图1是显示根据本发明实施例的图像振动校正装置结构的结构图。
图2是显示图1中所示图像振动校正装置的补偿部件的示意图，其中图2(a)为示意性前视图，图2(b)是示意性侧视图。
图3是图2中所示补偿部件的结构视图，其中图3(a)是前视图，图3(b)是从图2(a)方向B观看的剖视图，图3(c)是从图2(a)方向A观看的剖视图。
图4是图3的补偿部件所包括的固定棱镜的立体视图。
图5是图3的补偿部件所包括的致动器和传感器的布置视图致动器，其中，图5(a)是示意性侧视图，图5(b)是可动棱镜10A的致动器和传感器布置视图，图5(c)是可动棱镜10B的致动器和传感器的布置视图。
图6是说明由棱镜产生的目标图像移动的视图，其中，图6(a)是说明由棱镜折射的光线视图，图6(b)是在其前方观看的图6(a)的棱镜视图。
图7是显示当可动棱镜不旋转时图像移动矢量的视图。
图8是说明当可动棱镜旋转时目标图像移动的视图，其中，图8(a)是显示当可动棱镜旋转时图像移动矢量的视图，图8(b)是获得图8(a)的图像移动矢量位移的视图。
图9是显示目标图像(目标)平行平移形式的视图，其中，图9(a)为移动到第二象限的目标图像视图，图9(b)是移动到第一象限的目标图像视图，图9(c)是移动到第三象限的目标图像视图，图9(d)是移动到第四象限的目标图像视图。
图10是说明等效焦距和相位角的视图，其中，图10(a)是说明等效焦距的视图，图10(b)是说明移动距离的视图。
图11是说明手部颤动补偿的视图，其中，图11(a)是说明由于手部颤动产生的目标图像移动的视图，图10(b)是说明补偿由于手部颤动产生的目标图像移动的视图。
图12是显示图1透镜系统的视图。
图13是显示图1的补偿部件、透镜系统和其他部件的布置视图，其中，图13(a)是显示布置在透镜系统中的补偿部件的视图，图13(b)是显示布置在透镜系统后面的补偿部件的视图。
图14是显示作为本发明补偿部件另一种结构的没有固定棱镜的补偿部件视图，其中图14(a)是补偿部件的前视图，图14(b)是补偿部件的平面视图，图14(c)是补偿部件的侧视图。
图15是显示作为本发明补偿部件另一种结构的具有两片固定棱镜的补偿部件视图，其中，图15(a)是补偿部件的前视图，图15(b)是该部件的平面视图，图15(c)是该部件的侧视图。
图16是显示本发明棱镜的另一种结构的视图，其中，图16(a)是显示单一棱镜的视图，图16(b)是复合棱镜的视图，图16(c)是显示具有棱镜效果的平行片的视图。
具体实施方式
将参照附图描述体现本发明图像振动校正装置的优选实施例。
图1是显示根据本发明实施例的图像振动校正装置结构的结构图。本发明的图像振动校正装置设置在例如公知的摄像机1中。
本发明实施例中的图像振动校正装置包括补偿部件2，补偿部件2具有一对围绕作为旋转中心的光轴1a可独立旋转的可动棱镜10A、10B(图3(b))和固定棱镜9(图3(b))，用于获取目标图像的透镜系统3，用于分别并且独立旋转成对可动棱镜10A、10B的致动器4A、4B，用于检测由于手部颤动等产生的摄像机1的振动并且产生手部颤动信号的振动检测部件5，将控制信号传送到致动器4A、4B以用于其旋转控制从而响应来自振动检测部件5的振动信号消除振动的控制器6，用于响应来自控制器6的控制信号以驱动致动器4A、4B的电机驱动电路(MDE)7，和用于检测在补偿部件2中的可动棱镜旋转的传感器8A、8B(图5(b)和5(c))。
振动检测部件5包括第一和第二角速度传感器，具有在摄像机1垂直和水平方向相对的各自检测面。第一和第二角速度传感器设置用于分别检测来自水平振动方向和垂直振动方向的角速度，并且也由例如陀螺传感器等公知角速度传感器形成。
图2到5为说明棱镜检测旋转的操作或旋转情况的视图，但是由于旋转器和检测器是公知的，因此略去其详细描述。
图2是显示图1的图像振动校正装置的补偿部件2的示意图。图2(a)是补偿部件的示意性前视图，而图2(b)是补偿部件的示意性侧视图。图3为图2的补偿部件的结构视图。图3(a)是前视图。图3(b)是在图2(a)方向B观看的剖视图，而图3(c)是从图2(a)方向A观看的剖视图。图4是布置在图3补偿部件中的固定棱镜的立体视图。
如图3(a)到3(b)中所示，补偿部件2包括在适当位置不可动的固定棱镜9和可围绕作为旋转中心的光轴旋转的可动棱镜10A、10B。
如图4所示，固定棱镜9包括垂直于光轴1a的第一面9a和与第一面9a以微小倾斜角度相对的为平直平面的第二面9b。固定棱镜9由亚克力(acryl)等制成。可动棱镜10A、10B在形状和材料方面也与棱镜9类似。
图5是显示图2的补偿部件确实具有的致动器和传感器的布置视图。图5(a)是示意性侧视图，图5(b)是可动棱镜10A的致动器和传感器的布置视图，图5(c)是可动棱镜10B的致动器和传感器的布置视图。致动器和传感器连接到补偿部件2。如图5(b)和5(c)所示，致动器4A和传感器8A设置用于可动棱镜10A，而致动器4B和传感器8B设置用于可动棱镜10B。
致动器4A、4B响应于来自控制器6的控制信号旋转可动棱镜10A、10B。致动器4A、4B包括例如小型脉冲电机、小型线性电机和小型超声电机等，并且分别具有小驱动扭矩。
由例如小型光断路器、MR元件(磁电阻元件)和霍尔元件(hall elements)等形成的传感器8A、8B检测可动棱镜10A、10B的旋转情况，并且输出关于控制器6旋转情况的信息。
如果采用小型光断路器用于传感器8A、8B，则将脉冲电机用作致动器4A、4B。可动棱镜10A、10B在其周围用蔽光材料覆盖，蔽光材料上分别形成孔10a、10b。孔10a、10b设置成当可动棱镜10A、10B分别进入其初始位置时与传感器8A、8B重合。
光断路器包括红外线发射二极管和光电晶体管。光断路器布置成使可动棱镜10A或10B介于红外线发射二极管和光电晶体管之间。
当驱动该装置来旋转可动棱镜10A、10B时，由于光电晶体管接收通过孔10a、10b的红外线发射二极管的光线，因此小型光断路器检测其初始位置。假设在棱镜的初始位置脉冲数设为0，那么通过计数旋转脉冲数可获得关于可动棱镜10A、10B旋转情况的信息。
如果采用MR元件或霍尔元件用于传感器8A、8B，则磁体分别连接到可动棱镜10A，10B，代替孔10a、10b。
MR元件或霍尔元件检测由与可动棱镜10A、10B一起旋转的磁体产生的场变化，以由此检测关于旋转情况的信息。
图6为说明由棱镜产生的目标图像移动的视图。图6(a)为说明由棱镜折射的光线视图，而图6(b)为图6(a)的棱镜从其前方(箭头a)观看的视图。在图6(b)中，图6(a)的棱镜1 1以角度“a”旋转。如图6(a)和6(b)所示，目标“A”的图像移动(平行平移)到目标“A′”。
在图6(a)和6(b)中，“i”表示棱镜11的棱镜角(光线入射角)，“L”为棱镜长度，“d”为棱镜高度，“d1”为在最薄部分的棱镜高度，“N”为折射率，“i”为光线折射角，“θ”为图像相位角(偏转角)，“a”为棱镜旋转角，“La”为棱镜旋转长度，“vector e”为在图像移动方向“θ”方向上的单位矢量，“vectorθ”为图像移动矢量。这里假设后缀“vector”代表矢量。在图6到11中，这些矢量大小由代替后缀“vector”的黑体表示。这里，建立下面的关系：
vectorθ＝θvector e    (1)
图6(a)显示，在棱镜角(入射角)“i”、折射角“i′”和图像相位角(偏转角)“θ”之间建立如下关系：
θ＝i′-i     (2)
另外，根据司乃耳定律(Snell′slaw)得出：
sin i′＝Nsini(3)
现在假设棱镜角“i”很小，则方程(3)可近似为
i′＝Ni       (4)
因此，将方程(4)带入方程(2)得出
θ＝(N-1)i    (5)
而且，图6(b)显示，在棱镜旋转长度“La”和棱镜旋转角“a”之间建立如下关系：
La＝(L/2)a    (6)
即，
a＝(2/L)La    (7)
而且，同样建立下面的关系：
d＝Ltani+d1   (8)
即，
L＝(d-d1)/tani(9)
图7是显示在可动棱镜10A、10B不旋转情况下图像移动矢量的视图。在图7中，矢量“θ1”、矢量“θ2”和矢量“θ3”分别为由固定棱镜9、可动矢量10A和10B产生的图像移动矢量。如图7所示，固定棱镜9和可动棱镜10A、10B的位置这样建立：矢量“θ1”抵消矢量“θ2”和矢量“θ3”的合成矢量。因而，当固定棱镜9和可动棱镜10A、10B一起等同于平行平片时，补偿部件2的入射角等于发射角，从而目标图像不移动。
图8为说明在可动棱镜10A、10B旋转的情况下目标图像移动的视图。图8(a)为当可动棱镜旋转时显示图像移动矢量的视图，而图8(b)为获得图8(a)的图像移动矢量的位移的视图。
假设图8(a)中矢量“θ2”和矢量“θ3”分别代表当可动棱镜10A、10B以角度“a1”和“a2”旋转时的图像移动矢量。这里，假设图8(a)中所示的旋转方向分别为角度“a1”和“a2”的正向。假设建立下述关系：
vectorθa＝vectorθ′2-vectorθ2       (10)
vectorθb＝vectorθ′3-vectorθ3       (11)
于是，如图8(b)所示，目标“A”的图像平移移动到“A′”。于是，作为矢量“θa”和矢量“θb”的合成矢量，图像移动矢量描述为
vectorθ＝vectorθa+vectorθb＝(θX，θY)(12)
于是，图8(a)和8(b)显示出建立了下述关系：
θx＝θ2sina1-θ3(1-cosa2)               (13)
θY＝θ3sina2-θ2(1-cosa1)               (14)
这里，考虑到矢量具有分量“a1”和“a2”，即矢量a＝(a1，a2)。关于“a1”，“a2”对方程(13)和(14)求解得出：
a1＝±cos-1(C/D)+a1 *                    (15)
a2＝±cos-1{[(θx+θ3)+θ2sina1]/θ3}   (16)
其中
C＝[A2+B2+θ2 2-θ3 2]/2θ2                (17)
D＝(A2+B2)1/2                            (18)
a1 *＝±cos-1(A/D)(选择B标记)             (19)
A＝(θY+θ2)，并且                       (20)
B＝(θx+θ3)                             (21)
图9为显示目标图像(目标)平行平移形式的视图。图9(a)为移动到第二象限的目标图像视图，图9(b)为移动到第一象限的目标图像视图，图9(c)为移动到第三象限的目标图像，图9(d)为移动到第四象限的目标图像视图。
当目标图像移动到第一象限内时，如图9(b)所示，由于θx＞0，并且θY＞0，则建立不等式a1＞0和a2＞0。而且，当目标图像移动到第二象限内时，如图9(a)中所示，由于θx＜0，并且θY＞0，则建立不等式a1＜0和a2＞0。而且，当目标图像移动到第三象限内时，如图9(c)中所示，由于θx＜0，并且θY＜0，则建立不等式a1＜0和a2＜0。再次，当目标图像移动到第四象限内时，如图9(d)中所示，由于θx＞0，并且θY＜0，则建立不等式a1＞0和a2＜0。
图10为说明等效焦距和移动距离的视图。图10(a)为说明等效焦距的视图，而图10(b)为说明移动距离的视图。
在图10(a)中，“SF”表示目标“A”和第一主要点之间的距离，“f”表示透镜系统3的焦距长度。那么，等效焦距“fm”与透镜系统3的第二主要点和用于将目标图像14A成像的CCD 13之间的距离相同，并且由下式表示：
fm＝f+SB                 (22)
其中
SB＝f2/SF                (23)
假设插入补偿部件2，以使目标图像14A以图像相位角“θ”移动到目标图像14A′，如图10(b)中所示。则移动距离“S”表示为
S＝fm tanθ              (24)
图11为说明手部颤动补偿的视图。图11(a)是说明由于手部颤动造成的目标图像移动的视图，而图11(b)为说明补偿由于手部颤动造成的目标图像移动的视图。
如图11(a)中所示，例如摄像机等主体的向上旋转会造成目标A相对向下旋转。结果，目标图像14A移动到目标图像14A′，从CCD 13偏离出。这里，假设振动角为“θ”，并且振动方向的单位矢量为“vector e*”(＝-vector e)，则振动角矢量“vectorθ*”由下式表示：
vectorθ*＝θ*·vector e*(25)
图11显示了其中补偿部件2插在透镜系统3前面的情况。那么，如果图像移动矢量“θ”和振动角矢量“θ*”符合振动补偿条件：
vectorθ＝-vectorθ*     (26)
则目标图像14A′移动到目标图像14A的位置，以使振动得到补偿。
接下来，将描述本发明实施例中图像振动校正装置的操作。
传感器8A、8B检测可动棱镜10A、10B的旋转，并且输出关于控制器6旋转的信息。
振动检测部件5b检测由于手部颤动造成的摄像机1的振动，并且以振动信号的形式将振动输出到控制器6。根据振动信号，控制器6计算振动角矢量“θ*”，所述角矢量“θ*”代表振动的大小及其方向，根据下式计算：
vectorθ*＝(θX *，θY *)   (27)
这里使用方程(26)得出
(θX，θY)＝(-θX *，-θY *)(28)
控制器6根据方程(15)到(21)计算矢量，并且将控制信号输出到电机驱动电路7，以使可动棱镜10A、10B的旋转角分别变成“a1”，“a2”。
然后，电机驱动电路7响应来自控制器6的控制信号驱动致动器4A、4B，同时致动器4A、4B旋转可动棱镜10A、10B，以使其旋转角分别变成“a1”，“a2”。
根据本发明实施例中的图像振动校正装置，当由于手部颤动造成的不稳定图像运动通过旋转可动棱镜10A、10B得到补偿时，可能提供一种具有简单结构并且容易制造的图像振动校正装置。
应注意的是，虽然在图1中以一个方框示出透镜系统3，但是实际上透镜系统3由多个成组的透镜形成。图12为显示图1透镜系统的视图。图13(a)为显示其中补偿部件布置在透镜系统中的结构视图。图13(b)为显示其中补偿部件布置在透镜系统后面的结构视图。
透镜系统3包括第一到第四透镜组3a到3d。虽然在透镜系统3后面被省略，但是具有用于抑制噪声(错误信号)的光学低通过滤器16和用于目标图像成像的CCD 13，尽管其在图1中没有显示。
虽然在图1中，补偿部件2如图12中所示布置在透镜系统3的前面，但是补偿部件2可布置在透镜系统3内部，如图13(a)中所示。可选地，如图13(b)中所示，补偿部件2可布置在透镜系统3的后面。因此，可能将补偿部件2布置在经过透镜系统3的光通量的窄部分内，可减小补偿部件2的尺寸。
在上述实施例中，补偿部件2包括固定棱镜9和可动棱镜10A、10B，但是固定棱镜9可从装置中去除。可选地，其他棱镜可添加到该装置。
作为本发明补偿部件的另一种结构，图14示出了没有固定棱镜的补偿部件。图14(a)为该补偿部件的前视图，图14(b)为平面视图，图14(c)为侧视图。作为本发明补偿部件的另一种结构，图15示出具有两片固定棱镜的补偿部件。图15(a)为该补偿部件的前视图，图15(b)为平面视图，图15(c)为侧视图。
在图15的情况下，各棱镜的位置这样调节：在其初始状态的补偿部件2具有等于发射角的入射角。图14和图15共同的其他操作与上述实施例中的相同，获得相同的效果。
从方程(10)和(11)应可理解，虽然在图14的情况下在初始状态图像方向偏离，但是该偏离与不稳定图像运动的补偿不直接相关。虽然该装置构造成初始状态补偿部件2上的入射角等于图3和15情况下的发射角，但是这样的构成出于最小化棱镜在图像稳定方面的作用对色差影响的目的。在图14的情况下，与图3和15的情况相比较，色差变大。但是，根据图14无棱镜的结构，可能通过缩短补偿部件2在光轴方向上的长度来最小化该装置。
而且，为了平衡对色差影响的抑制和补偿部件2的最小化，也可调节固定棱镜9的棱镜角，以使色差变成处于在图3和15情况下的色差和在图14情况下的色差之间的中间位置的水平。
另外，在上述实施例中，每一个棱镜可以是单一棱镜或复合棱镜的形式。可选地，棱镜可由具有棱镜效果的平行片形成。图16示出本发明棱镜的另一种结构。图16(a)为显示单一棱镜的视图，图16(b)为复合棱镜的视图，图16(c)为显示具有棱镜效果的平行片的视图。
例如，如图16(b)中所示，可动棱镜10A可以是复合棱镜的形式，所述复合棱镜通过将两片棱镜10Aa、10Ab以微小角度结合形成。在复合棱镜的情况下，可能增大每一个棱镜单元的角度，使微小角度棱镜容易制造，所述微小角度棱镜如果由单一棱镜制成则很困难。
而且，如图16(c)中所示，每一个棱镜可由具有棱镜效果、折射率N从N＝1.5到N＝1.4变化的平行片17代替。棱镜在其生产中需要控制其倾斜角，而平行片17则易于加工。
工业适用性
本发明的图像振动校正装置包括一对改变入射在光学透镜上的光线折射方向的可动折射元件，以由此检测在成像设备中产生的振动，并且还垂直于光轴、彼此独立地旋转可动折射元件，以由此补偿不稳定图像运动。因此，根据本发明，可提供一种既具有简单结构又易于制造的图像振动校正装置。

Claims (4)

1.一种图像振动校正装置，其光学补偿由具有光学透镜的成像设备获取的图像的振动，所述装置包括：
振动检测器，检测成像设备的振动；
一对可动折射元件，布置在所述光学透镜的入射侧，以改变入射在所述光学透镜上的光线的折射方向；
两个旋转器，使所述可动折射元件分别在垂直于光轴的方向独立地旋转；和
控制器，旋转控制所述两个旋转器，以消除由所述振动检测器检测到的振动。
2.根据权利要求1所述的图像振动校正装置，其中，所述一对可动折射元件中的至少一个为复合棱镜，所述复合棱镜由在光轴方向彼此叠置的两个或多个棱镜形成。
3.根据权利要求1或2所述的图像振动校正装置，还包括靠近所述一对可动折射元件固定的固定折射元件，其中
当所述一对可动折射元件的旋转角为恒定角时，由所述一对可动折射元件和固定折射元件组成的折射元件组的入射角和发射角之间的差值小于或者等于所述一对可动折射元件上的入射角及其发射角之间的差值。
4.根据权利要求3所述的图像振动校正装置，其中，所述固定折射元件为复合棱镜，所述复合棱镜由在光轴方向彼此叠置的两个或多个棱镜形成。
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