CN102269912B - 具有图像抖动校正功能的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有图像抖动校正功能的光学装置，该光学装置包括：用于消除由于振动而产生的图像抖动的图像抖动校正单元；用于检测角速度的具有轴的至少两个角速度传感器，所述轴相互平行；用于基于至少两个角速度传感器的输出来计算振动角度输出的振动角度计算单元；和用于根据由角度计算单元计算的振动角度来驱动图像抖动校正单元的驱动单元。

Description

具有图像抖动校正功能的光学装置

技术领域

本发明涉及具有图像抖动校正功能的光学装置。

背景技术

近年来，使用透镜的图像拾取系统需要用于校正静止图像和运动图像中的图像抖动的图像抖动校正功能。为了实现图像抖动校正功能，需要检测振动。为了检测振动，主要利用使用诸如陀螺传感器(gyrosensor)的角速度传感器的方法。一般地，陀螺传感器具有可能产生低频率噪声的结构。即使当不施加振动时，陀螺传感器的输出也不利地波动。因此，出现这样的问题，即，即使不施加振动，被拾取的图像也由于执行图像抖动校正而缓慢地移动。

为了解决上述的问题，提出了组合具有不同特性的多个角速度传感器的输出以获得角速度的方法、以及根据供使用的拍摄模式在具有不同特性的多个角速度传感器之间执行切换的方法(日本专利申请公开No.2005-321726和日本专利申请公开No.2006-292845)。

但是，根据在日本专利申请公开No.2005-321726和日本专利申请公开No.2006-292845中描述的方法，由多个角速度传感器中的具有最佳噪声特性的角速度传感器确定当不施加振动时产生的图像摇动量(image swinging amount)(以下，简称为“图像摇动量”)。特别地，与使用具有最佳噪声特性的单个角速度传感器的情况相比，通过上述方法不能进一步减少图像摇动量。

发明内容

鉴于上述的问题，本发明的一个示例性目的是，提供具有图像抖动校正功能的光学装置，其中，由于角速度传感器的噪声而产生的图像摇动量被减少。

为了实现上述目的，根据本发明的光学装置包括：用于沿与光轴垂直的方向移位成像位置的单元；用于检测角速度的具有轴的至少两个角速度传感器，所述轴相互平行；用于基于所述至少两个角速度传感器的输出来计算角度的角度计算单元；和用于根据由角度计算单元计算的角度来驱动所述用于沿与光轴垂直的方向移位成像位置的单元的驱动单元。

根据本发明，可以在当图像抖动校正功能起作用时的时间减少由于角速度传感器的噪声而产生的图像摇动量。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得十分明显。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例到第三实施例的变焦透镜装置的配置图。

图2是根据第一实施例到第三实施例的水平振动检测器和垂直振动检测器的配置图。

图3是示出根据第一实施例和第二实施例的水平振动检测器中所包括的角速度传感器的布置的示图。

图4是示出根据第一实施例和第二实施例的垂直振动检测器中所包括的角速度传感器的布置的示图。

图5是根据第一实施例的图像抖动校正处理的框图。

图6示出当使用单个角速度传感器时产生的图像摇动量。

图7示出在执行根据第一实施例的平均化处理之后的图像摇动量。

图8是当在模拟电路中执行平均化处理时的水平振动检测器和垂直振动检测器的配置图。

图9是当在模拟电路中执行平均化处理时的根据第一实施例的图像抖动校正处理的框图。

图10是根据第二实施例的图像抖动校正处理的框图。

图11是示出根据第二实施例的选择处理的流程图。

图12是示出在执行根据第二实施例的选择处理之后的图像摇动量的图。

图13是示出当使用三个或更多个角速度传感器时的选择处理的流程图。

图14是示出当积分处理的输出经受选择处理时的图像抖动校正处理的框图。

图15是要对积分处理的输出执行的选择处理的流程图。

图16是示出包含于根据第三实施例的水平振动检测器中的角速度传感器的布置的示图。

图17是示出包含于根据第三实施例的垂直振动检测器中的角速度传感器的布置的示图。

图18是根据第三实施例的图像抖动校正处理的框图。

图19示出在执行根据第三实施例的减法处理之后的图像摇动量。

图20是当执行根据第三实施例的选择处理时的图像抖动校正处理的框图。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。

第一实施例

图1是示出可应用本发明的光学装置的根据第一实施例的变焦透镜装置的配置的图。

聚焦透镜单元1能够使变焦透镜装置50的成像位置移位，并且通过马达11沿光轴方向被驱动。聚焦透镜单元1的位置通过位置检测器12被转换成电压。

变焦透镜单元2具有可变焦距，并且通过马达13沿光轴方向被驱动。变焦透镜单元2的位置通过位置检测器14被转换成电压。

用于使光轴偏心的图像抖动校正透镜单元3通过水平驱动马达16在与光轴垂直的平面中沿水平方向被驱动。图像抖动校正透镜单元3的水平移动量通过水平位置检测器17被转换成电压。图像抖动校正透镜单元3还通过垂直驱动马达15在与光轴垂直的面中沿垂直方向被驱动。图像抖动校正透镜单元3的垂直移动量通过垂直位置检测器18被转换成电压。

在对于实施例的以下的描述中，假定照相机被定位(locate)为使得其光轴水平延伸。特别地，“水平方向”意味着在水平地板(levelfloor)上安装照相机时的光轴方向或与光轴垂直的横向，并且，“垂直方向”意味着与照相机的光轴垂直的纵向。当照相机被以一个角度放置或上下颠倒时，水平方向和垂直方向根据照相机的位置和定位而改变。向变焦透镜装置50施加的水平振动通过水平振动检测器19被检测，而向变焦透镜装置50施加的垂直振动通过垂直振动检测器20被检测。如图2所示，水平振动检测器19包含角速度传感器31和32以及放大器33和34，而垂直振动检测器20包含角速度传感器35和36以及放大器37和38。包含于水平振动检测器19中的角速度传感器31和32如图3所示的那样被布置，以分别检测水平面上的旋转角速度。角速度传感器31和32被布置为使得要被检测的角速度的轴向相同。本实施例中使用的角速度传感器31和32在振动频率上具有相同的灵敏度和相位延迟(以下，“相同的灵敏度和相位延迟”意味着，对于以频率1～10Hz进行的振动，灵敏度的差值在±5％的范围内，并且，相位延迟的差值在±5％的范围内)。包含于垂直振动检测器20中的角速度传感器35和36如图4所示的那样被布置，以分别检测与光轴和垂直轴平行的平面上的旋转角速度。角速度传感器35和36被布置为使得要被检测的角速度的轴向相同。如角速度传感器31和32的情况那样，本实施例中使用的角速度传感器35和36在振动频率上具有相同的灵敏度和相位延迟。

聚焦驱动电路21产生用于驱动马达11的信号，而变焦驱动电路22产生用于驱动马达13的信号。图像抖动校正透镜驱动电路23产生用于驱动水平驱动马达16和垂直驱动马达15的信号。

A/D转换器24将输入电压转换成数字数据，并且将由此获得的数字传送到CPU 26。D/A转换器25将从CPU 26输入的数字数据转换成电压，并且将所述电压输出到聚焦驱动电路21、变焦驱动电路22和图像抖动校正透镜驱动电路23。

CPU 26从输入自A/D转换器24的各条数字数据产生用于驱动马达11和13、垂直驱动马达15以及水平驱动马达16的控制数据，并且将所述控制数据传送到D/A转换器25。

以下，描述在CPU 26中执行的图像抖动校正处理。图5是示出根据第一实施例的在水平方向上的图像抖动校正处理的框图。在A/D转换器控制处理101中，获得聚焦位置数据、变焦位置数据、角速度数据A、角速度数据B和图像抖动校正透镜位置数据。角速度数据A与从角速度传感器31获得的角速度数据对应，而角速度数据B与从角速度传感器32获得的角速度数据对应。在平均化处理102中，各角速度数据A和B经受平均化处理。在平均化处理102中，使用由下式(1)表达的算术平均来从输入x₁和x₂计算输出

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{x_1+x_2}{2}---\left(1\right)$

但是，平均化处理不限于用于获得式(1)表达的算术平均的平均化处理。因此，也可以使用由下式(2)表达的几何平均(仅当输入x₁和x₂是正值时)。作为替代方案，也可执行其它的平均化处理。

$\stackrel{\‾}{x}=\sqrt{x_1\·x_2}---\left(2\right)$

在高通滤波器(HPF)处理103中，所获得的角速度数据的DC(直流)成分被去除。在积分处理104中，振动角速度数据被转换成振动角度数据。在本实施例中，角速度数据经受平均化处理。但是，作为替代方案，所述两个角速度数据可首先单独地经受积分处理并然后作为角度数据经受平均化处理。

在焦距校正处理105中，用于振动角度的图像抖动校正透镜的适当的移动量根据变焦透镜装置50的焦距而不同。因此，将振动角度数据乘以焦距校正增益值以校正移动量。通过使用预先存储于在CPU 26中的查找表，从变焦位置数据和聚焦位置数据获得焦距校正增益值。在增益调整处理106中，将焦距校正处理105的结果乘以在初始调整时设定的调整增益值以计算图像抖动校正透镜位置命令数据，使得由向变焦透镜装置50施加的振动导致的图像抖动量和由图像抖动校正透镜获得的抖动校正量变得彼此相等。在位置控制处理107中，从在增益调整处理106中计算的图像抖动校正透镜位置命令数据和在A/D转换器控制处理101中获得的图像抖动校正透镜水平位置数据，产生用于控制水平驱动马达16的图像抖动校正透镜水平控制数据。然后，在D/A转换器控制处理108中，图像抖动校正透镜水平控制数据被传送到D/A转换器25。

在垂直方向上的图像抖动校正处理与在水平方向上的图像抖动校正处理基本相同，因此，在这里省略其描述。

图6示出当不施加振动时的角速度传感器的输出噪声的例子，图7示出通过对于分别在图6的(A)和(B)中示出的两个角速度传感器的输出执行平均化处理而获得的结果。如图6所示，即使当不向角速度传感器施加振动时，角速度传感器中的每一个也输出微小的角速度信号。在图6和图7中示出的阴影区域与通过对振动角速度信号进行积分而获得的值(特别是被识别为振动角度的值)对应，并且，当执行图像抖动校正处理时，还与指示图像摇动量的值对应。由图6和图7之间的比较可以理解，与仅使用一个角速度传感器的情况相比，通过如在本实施例中执行的那样将两个角速度传感器的输出平均化，降低了图像摇动量。

以下，在理论上描述通过使用两个角速度传感器来降低图像摇动量。假定角速度传感器的噪声x_n具有以在静止状态中产生的输出为中心的正态分布，并且角速度传感器的噪声x_n相互独立，可基于标准平均偏差的一般思想通过下式来表达N个角速度传感器的噪声x_n的算术平均的标准偏差

$\mathrm{\σ}\left(\stackrel{\‾}{x}\right)=\frac{1}{N}\sqrt{\mathrm{\σ}{\left(x_1\right)}^2+\mathrm{\σ}{\left(x_2\right)}^2+...+\mathrm{\σ}{\left(x_N\right)}^2}---\left(3\right)$

这里，N是角速度传感器的数量，σ(x_n)是标准偏差(指示变化程度的值)。此外，假定角速度传感器的噪声x_n的标准偏差彼此相等，那么获得下式。

$\mathrm{\σ}\left(\stackrel{\‾}{x}\right)=\frac{1}{N}\sqrt{N\·\mathrm{\σ}{\left(x\right)}^2}$

$=\frac{\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\χ}\right)}{\sqrt{N}}---\left(4\right)$

因此，当N个角速度传感器的输出经受平均化处理时，静止状态中的输出的变化降低N^-1/2。特别地，通过如本实施例中那样对于两个角速度传感器的输出执行平均化处理，图像摇动量可被降低2^-1/2。

另一方面，当施加振动时，由于两个角速度传感器具有相同的频率特性，因此，即使这两个角速度传感器的输出经受平均化处理，也只有灵敏度被平均化。特别地，当施加振动时，可以获得与在使用单个角速度传感器的情况下获得的特性基本相同的特性。因此，不出现根据频率的图像抖动校正性能的劣化。

如上所述，如本实施例那样，两个角速度传感器的输出经受平均化处理。作为结果，可以在不使图像抖动校正性能劣化的情况下降低当不施加振动时产生的图像摇动量。

虽然在本实施例中，所使用的角速度传感器的数量为两个，但是，角速度传感器的数量不限于两个。可以使用三个或更多个角速度传感器。在这种情况下，随着角速度传感器的数量变大，根据式(4)，图像摇动量降低得更多。

在本实施例中，两个角速度传感器的信号在CPU 26中以数字信号经受平均化处理。但是，所述信号可以以拟信号经受平均化处理。在这种情况下，如图8所示的那样配置水平振动检测器19和垂直振动检测器20。另外，如图9所示的那样执行在CPU 26中执行的图像抖动校正处理。以这种方式，可以实现模拟信号的平均化处理。当执行平均化处理以获得算术平均时，使用简单的加法电路作为图8的平均化处理电路39和40。在与前一级对应的放大器33、34、37和38中或者在图9所示的增益调整处理205中执行减半运算(halvingoperation)。

第二实施例

在本发明的第二实施例中，变焦透镜装置50及振动检测器19和20的配置、以及角速度传感器31、32、35和36的布置与在第一实施例中描述的在图1～4中所示的相同。因此，这里省略它们的描述。

描述第二实施例中的在CPU 26中执行的图像抖动校正处理。图10是示出根据第二实施例的在水平方向上的图像抖动校正处理的框图。在A/D转换器控制处理301中，获得聚焦位置数据、变焦位置数据、角速度数据A、角速度数据B和图像抖动校正透镜位置数据。在高通滤波器(HPF)处理302中去除角速度数据A的DC成分，而在HPF处理303中去除角速度数据B的DC成分。

以下，描述选择处理304。图11是示出选择处理304的流程图。在步骤S101中，获得从HPF处理302输出的角速度输入A和从HPF处理303输出的角速度输入B。在步骤S102中，确定所获得的两个角速度输入的符号是否相同，特别地，角速度的方向是否相同。当符号相同时，处理前进到步骤S103，在步骤S103中，将两个角速度输入中的绝对值比另一个小的一个设为角速度输出。另一方面，当在步骤S102中确定符号不相同时，处理前进到步骤S104，在步骤S104中，角速度输出被设为零。在图11的流程图所示的处理中选择的角速度输出被输入到图10所示的积分处理305。

积分处理305、焦距校正处理306、增益调整处理307、位置控制处理308和D/A转换器控制处理309与图5所示的积分处理104、焦距校正处理105、增益调整处理106、位置控制处理107和D/A转换器控制处理108相同。因此，这里省略它们的描述。

图12示出当不施加振动时，在图6所示的两个角速度传感器的输出经受选择处理304之后获得的结果。特别地，由图6和图12之间的比较可以理解，与仅使用一个角速度传感器的情况相比，通过如在本实施例中那样对于两个角速度传感器的输出执行选择处理，降低了图像摇动量。此外，从图7和图12之间的比较可以理解，与图7中的平均化处理的输出的阴影区域相比，图12中的阴影区域进一步减少。因此，可以理解，图像摇动量的减小量比通过平均化处理实现的减小量大。这是因为，通过对于任意两个角速度传感器的输出执行图11的流程图所示的处理而获得的输出总是变得比平均化处理的输出小。

另一方面，当施加振动时，两个角速度传感器产生具有与以上在第一实施例中描述的频率特性相同的频率特性的输出。因此，即使执行图11的流程图所示的处理，也仅输出具有较低的灵敏度的角速度传感器输出。特别地，当施加振动时，可以获得与在使用单个角速度传感器的情况下获得的特性相同的特性。因此，不出现根据频率的图像抖动校正性能的劣化。

如上所述，两个角速度传感器的输出如本实施例那样经受选择处理。作为结果，可以在不使图像抖动校正性能劣化的情况下减小在不施加振动时产生的图像摇动量。

在本实施例中，所使用的角速度传感器的数量是两个。但是，如第一实施例的情况那样，角速度传感器的数量不限于两个，并且，可以为三个或更多个。在这种情况下，可以如图13所示的那样实现选择处理304。

此外，在本实施例中，对于角速度信号执行选择处理。但是，也可对于在积分处理之后获得的角度信号执行选择处理。在这种情况下，如图14所示的那样执行在CPU 26中执行的图像抖动校正处理。然后，如图15的流程图所示的那样执行选择处理406。以这种方式，可以实现对于角度信号执行的选择处理。

第三实施例

在本发明的第三实施例中，变焦透镜装置50以及振动检测器19和20的配置与在第一实施例中描述的图1和2所示的配置相同。因此，这里省略它们的描述。

在本实施例中，角速度传感器31和32如图16所示的那样被布置，以分别检测水平面上的旋转角速度。但是，要被检测的角速度的轴向被设为处于180度，即，彼此相对。角速度传感器35和36如图17所示的那样被布置，以分别检测与光轴和垂直轴平行的平面上的旋转角速度。但是，要被检测的角速度的轴向被设为处于180度，即，彼此相对。

以下描述在CPU 26中执行的图像抖动校正处理。图18是示出根据第三实施例的在水平方向上的图像抖动校正处理的框图。在A/D转换器控制处理501中，获得聚焦位置数据、变焦位置数据、角速度数据A、角速度数据B和图像抖动校正透镜位置数据。在减法处理502中，对于各角速度数据A和B，基于下式从输入x₁和x₂计算输出

${\stackrel{\‾}{x}}^{\′}=\frac{x_1-x_2}{2}---\left(5\right)$

HPF处理503、积分处理504、焦距校正处理505、增益调整处理506、位置控制处理507和D/A转换器控制处理508与图5所示的HPF处理103、积分处理104、焦距校正处理105、增益调整处理106、位置控制处理107和D/A转换器控制处理108相同。因此，这里省略它们的描述。

在本实施例中，两个角速度传感器的输出经受减法处理。但是，如图16和17所示，在彼此相对的旋转方向上的角速度被检测。因此，在由式(5)表达的处理中将角速度平均化。特别地，获得与第一实施例的效果相同的效果。此外，通过执行由式(5)表达的减法处理，相同相位中的噪声被消除。因此，当由于电路配置而使得相同相位中的噪声的量大时，可大大减少图像摇动量。图19示出当相同相位中的噪声的量大时在执行第一实施例中描述的平均化处理之后的图像摇动量和在执行本实施例中描述的减法处理之后的图像摇动量之间的比较。从图19可以理解，当相同相位中的噪声的量大时，减法处理的效果变得更大。但是，即使当由两个角速度传感器产生的噪声没有相关性(relativity)时，由于执行与第一实施例的处理基本相同的处理，因此可以获得与第一实施例的效果相同的效果。

虽然在本实施例中，减法处理是在两个角速度传感器的检测轴向被设为处于180度(即，彼此相对)的状态下执行的，但是，作为减法处理的替代，可以执行在第二实施例中描述的选择处理。在这种情况下，在CPU 26中执行的图像抖动校正处理为如图20所示的那样。通过在符号反转处理604中使HPF处理602和603的输出中的一个(在图20所示的情况下，为HPF处理603的输出)的符号反转，实现图像抖动校正处理。

在第一实施例到第三实施例中，作为例子描述了定位照相机使得其光轴沿水平方向延伸的情况。特别地，在水平振动检测器19中，角速度传感器31和32被设置在水平面上，以检测水平面上的旋转角速度。在垂直振动检测器20中，角速度传感器35和36被设置在与光轴和垂直轴平行的平面上，以检测与光轴和垂直轴平行的平面上的旋转角速度。但是，还应注意，即使当照相机的光轴不是水平地延伸时，也可通过在与光轴平行的平面上布置水平振动检测器19的角速度传感器31和32以便检测与该平面垂直的轴向上的角速度来获得相同的效果。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (1)

1.一种光学装置，包括：

用于沿与光轴垂直的方向移位成像位置的单元；

用于检测角速度的具有轴的至少两个角速度传感器，所述轴相互平行；

用于基于所述至少两个角速度传感器的输出来计算角度的角度计算单元；和

用于根据由所述角度计算单元计算的角度来驱动所述用于沿与光轴垂直的方向移位成像位置的单元的驱动单元，

其中，所述角度计算单元包含方向确定单元，所述方向确定单元用于对于所述至少两个角速度传感器中的每一个角速度传感器确定所述至少两个角速度传感器中的所述每一个角速度传感器的输出相对于在静止状态中产生的输出进行旋转的方向；

当由所述方向确定单元获得的至少两个方向包含不同的方向时，所述角度计算单元将角速度设为零并然后计算角度；

当确定的所述至少两个方向全部相同时，所述角度计算单元使用所述至少两个角速度传感器中的具有最小的角速度绝对值的一个角速度传感器的输出来计算角度；以及

所述至少两个角速度传感器具有相同的灵敏度和相同的相位延迟，以检测针对振动频率的角速度。