CN105007406B - 光学装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学装置及其控制方法。所述光学装置包括：抖动检测单元，第一光学校正单元，第二光学校正单元，变焦检测单元，被配置为计算要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的校正量的校正量计算单元，以及被配置为根据变焦透镜是否执行变焦操作来改变所述校正量的计算方法的控制单元，其中所述控制单元控制在停止所述变焦操作的情况下通过分离抖动的频率的演算来计算所述校正量，而在执行所述变焦操作的情况下通过基于所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元的可移动范围的比例演算来计算所述校正量。

Description

光学装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种使用多个校正光学系统校正所拍摄图像的模糊的技术。

背景技术

最近，以下图像模糊校正功能已变得普遍，该图像模糊校正功能不仅对用户静止站立时照相机抖动所引起的所拍摄图像的模糊进行校正，还对在用户单手执行拍摄时所引起的相对较大的模糊以及在用户行走期间执行拍摄时所引起的所拍摄图像的大幅模糊进行校正。

图像模糊校正方法包括以下技术：诸如通过光学地移动校正透镜按照模糊来移位光轴的光学图像模糊校正技术，以及按照模糊改变从由图像传感器所拍摄的图像输出的抠图区域的电子图像模糊校正技术等。

为校正大幅模糊，光学图像模糊校正方式需要增加校正角度，而电子图像模糊校正方式需要设置大的剩余像素区域。两者之中任何一种方法都需要扩大校正范围。然而，当扩大校正范围时，光学图像模糊校正方式会产生如下问题：透镜或致动器在尺寸上增加或者在大幅抖动透镜时光学性能劣化。另外，电子图像模糊校正方式会产生如下问题：有效区域的缩小导致图像质量的劣化，并且传感器尺寸的增加导致电力消耗的增加。

为了解决这样的问题，日本特开第2003-202499号公报提出一种设置并驱动用于抖动校正的两个校正光学系统的方法。此外，日本特开第2010-4370号公报提出如下方法：该方法设置了校正光学系统及电子校正系统，并通过将模糊分离成高频带和低频带以及使用两个校正系统对各频带执行校正来校正模糊。

然而，在日本特开第2003-202499号公报以及第2010-4370号公报中公开的传统技术没有考虑变焦操作时进行的控制。因此，产生了下述问题。

也就是，当使用两个校正光学系统分离抖动的频带并执行校正时，两个校正光学系统的可移动范围根据焦距的光学特性而改变。因此，有必要按照焦距在负责校正高频成分的系统和负责校正低频成分的系统之间进行切换以便确保所期望的抖动校正性能。然而，如果变焦操作期间进行在负责校正高频成分的系统和负责校正低频成分的系统之间的切换，那么随着可移动范围的变化会出现诸如端撞(end hit)等图像模糊校正上的失败。

发明内容

本发明是鉴于上述问题所做出的，并提供了一种即使在变焦操作时也可获得优良的图像模糊校正效果的摄像装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种光学装置，所述光学装置包括：抖动检测单元，其被配置为检测所述装置的抖动；第一光学校正单元，其被配置为基于通过所述抖动检测单元所检测的抖动来校正图像模糊；第二光学校正单元，其被配置为基于通过所述抖动检测单元所检测的抖动来校正图像模糊；变焦检测单元，其被配置为检测是否正在执行变焦透镜的变焦操作，其中，变焦倍率在所述变焦操作中变化；校正量计算单元，其被配置为基于所述抖动计算通过所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的校正量；控制单元，其被配置为根据是否正在执行所述变焦操作来改变通过所述校正量计算单元计算出的所述校正量的计算方法。其中，所述控制单元控制所述校正量计算单元在所述变焦操作停止的情况下通过分离所述抖动的频率的演算来计算通过所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量，而在所述变焦操作正在执行的情况下通过基于所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元的可移动范围的比例演算来计算通过所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量。

根据本发明的第二方面，提供了一种光学装置的控制方法，所述光学装置包括：抖动检测单元，其被配置为检测所述光学装置的抖动，第一光学校正单元，其被配置为基于通过所述抖动检测单元检测的抖动来校正图像模糊，以及第二光学校正单元，其被配置为基于通过所述抖动检测单元检测的抖动来校正图像模糊，所述光学装置的控制方法包括：变焦检测步骤，其检测是否正在执行变焦透镜的变焦操作，其中，变焦倍率在所述变焦操作中变化；校正量计算步骤，其基于所述抖动计算通过所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的校正量；以及控制步骤，其根据是否正在执行所述变焦操作来改变在所述校正量计算步骤中计算出的所述校正量的计算方法。其中，在所述控制步骤中，控制所述校正量计算步骤在所述变焦操作停止的情况下通过分离所述抖动的频率的演算来计算通过所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量，而在所述变焦操作正在执行的情况下通过基于所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元的可移动范围的比例演算来计算通过所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量。

根据以下参照附图对示例性实施例的详细描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的摄像装置的配置的框图。

图2是示出变焦停止时校正量计算单元的示例的图。

图3是示出第一和第二校正光学系统的可移动范围的图表。

图4是示出变焦操作时校正量计算单元的示例的图。

图5是说明校正量计算控制的流程图。

具体实施方式

下文将参照附图详细描述本发明的实施例。在以下实施例中，数字摄像机将被描述为本发明的摄像装置的示例。然而，本发明还适用于具有移动图像拍摄功能的任意摄像装置。摄像装置还包括其中并入或整合诸如具有照相机的便携式电话、游戏机或个人计算机等的摄像装置的设备。请注意，在此实施例的描述中，将施加于摄像装置的振动表达为“抖动”，并将由施加于摄像装置的抖动对所拍摄图像造成的影响表达为“图像模糊”。

图1是示出根据本发明的第一实施例的摄像装置的配置的示例的框图。参见图1，拍摄光学系统101是由多个透镜构成的透镜组。拍摄光学系统101包括两个光学图像模糊校正机构。移位透镜(第一光学校正单元)102是第一光学图像模糊校正机构，其能够通过在与光轴垂直的二维平面内被移动而改变入射到摄像平面的光束的入射角。变焦透镜(第二光学校正单元)103是第二光学图像模糊校正机构。变焦透镜103通过在光轴方向上被移动而改变拍摄光学系统101的倍率，并且能够改变在图像传感器的摄像平面上形成的图像的倍率。此外，变焦透镜103能够在与光轴垂直的二维平面内移动，或者围绕光轴上的一点球状地旋转，并且还用作光学图像模糊校正机构。在下文中，移位透镜102和变焦透镜103也将被分别称为第一校正光学系统和第二光学校正系统。

图像传感器113将经由拍摄光学系统101形成的光学被摄体图像进行光电转换，并输出处理过的信号作为视频信号。例如，将CCD或CMOS传感器用作图像传感器113。信号处理单元114由模拟信号处理电路和数字信号处理电路构成。模拟信号处理电路通过对由图像传感器113获得的信号执行预定处理来生成模拟摄像信号。例如，模拟信号处理电路由CDS(相关双采样)电路、AGC(自动增益控制)电路等构成。数字信号处理电路利用A/D转换器将模拟摄像信号转换为数字信号，并通过执行诸如伽玛校正或白平衡校正等预定信号处理而生成数字视频信号。此外，例如，数字信号处理电路生成用于AF(自动聚焦)控制和AE(自动曝光)控制等的评价信号。

当用于发出指令以开始或结束记录的操作单元(未示出)发出记录视频信号的指令时，记录控制单元115向记录介质116输出从信号处理单元114供给的视频信号，并使记录介质116记录该信号。记录介质116是诸如半导体存储器的信息记录介质、诸如硬盘或磁带的的磁记录介质等。显示控制单元117输出从信号处理单元114供给的视频信号并使显示设备118显示图像。显示设备118通过例如使用液晶显示元件(LCD或取景器)等来显示图像。

角速度传感器120是用于检测施加于摄像装置的抖动的传感器。例如，角速度传感器120是由振动陀螺仪等形成的，其检测由照相机抖动等引起摄像装置整体抖动的角速度并输出电气信号。角速度传感器120在两轴方向上(例如，水平方向上的旋转轴(偏航)和垂直方向上的旋转轴(俯仰))配置两个角速度传感器从而在与光轴垂直的一个平面上形成相互垂直的检测轴。角速度传感器120对各检测轴分别计算校正量以在水平和垂直的方向上在两轴方向上控制第一和第二校正光学系统。针对水平方向上的旋转轴(偏航)和垂直方向上的旋转轴(俯仰)能够通过用于两轴的相同处理来实施校正量的演算和校正光学系统的控制。因此，将仅针对一轴作以下描述。

A/D转换器121将从角速度传感器120输出的电气信号转换为数字信号，并将其输出至μCOM 150。向HPF(高通滤波器)122供给所捕获的数字信号以截断包含于抖动信号中的低频率成分以便输出抖动信号的高频率成分。请注意，HPF 122的用途是消除角速度传感器120中的噪音成分以及由温度特征等生成的DC电压中的漂移成分。然而，该HPF不是本实施中的必要构成元件且可以向敏感度校正单元124直接供给来自A/D转换器121的输出。

敏感度校正单元124放大第一分离抖动信号以使其具有用于通过第一校正光学系统(即移位透镜102)执行的抖动校正的最佳振幅。请注意，这种情况中的放大包括用等于或小于x1的增益进行的放大。将通过敏感度校正单元124放大的第一分离抖动信号供给积分器125。

通过角速度传感器120检测到的抖动信号和通过分离抖动信号生成的第一和第二分离抖动信号是角速度。与此相对，用于移位透镜102和变焦透镜103的控制量是角位移。因此，有必要通过时间积分将角速度转换为角位移。积分器125执行第一分离抖动信号的积分运算并输出结果信号。积分器125执行不完全积分并能够任意改变其的时间常数。

校正量计算单元126根据变焦操作的存在/不存在的确定结果改变校正量的计算方法，并计算第一和第二校正光学系统的控制量。随后将详细描述。饱和防止控制单元127限制校正量计算单元126生成的控制量，以防止移位透镜102邻接机械可移动端。依据控制的示例，将通过限制来自校正量计算单元126的输出而获得的值输出作为最终控制量(下文也称作驱动目标位置)，以使用于第一校正光学系统的控制量不超过预定量(下文也称作极限值)。此外，当来自校正量计算单元126的输出接近极限值时，通过减少积分器125的时间常数来控制控制量随着时间的经过而减小。请注意，由于敏感度校正单元124放大了抖动信号，因此来自饱和防止控制单元127的输出成为适合利用第一校正光学系统的抖动校正的控制量。

接下来将描述用于控制第一校正光学系统(移位透镜102)的驱动的模块。

A/D转换器134对来自用于检测移位透镜102的位置的检测单元104的输出信号执行A/D转换以成为数字信号。然后，减法器128从作为来自饱和防止控制单元127的输出的驱动目标位置减去数字数据。向控制滤波器129供给作为结果的偏差数据。在这种情况下，电气地相互连接终端A 109和终端A 133。

控制滤波器129是由以预定增益放大输入数据的放大器和相位补偿滤波器构成的。在控制滤波器129中，放大器和相位补偿滤波对从减法器128供给的偏差数据执行信号处理。将处理后的数据输出至脉冲宽度调制单元130。

脉冲宽度调制单元130通过改变脉冲波的占空比将经由控制滤波器129所供给的数字数据调制成为波形(也就是，PWM波形)，并向电机驱动单元131供给所调制的数据。电机105是用于驱动移位透镜102的音圈电机。当通过电机驱动单元131驱动电机105时，在与光轴垂直的方向上移动第一校正光学系统102。在这种情况下，电气地相互连接终端B 110和终端B 132。

位置检测单元104由磁铁和在面向磁铁的位置处安装的霍尔传感器构成。位置检测单元104检测移位透镜102在与光轴垂直的方向上的移动量，并经由A/D转换器134向上述减法器128供给检测结果。这样就形成了反馈控制系统，其使移位透镜102在与光轴垂直的方向上的位置跟随作为来自饱和防止控制单元127的输出的驱动目标位置。

接下来将描述控制第二校正光学系统(变焦透镜103)的驱动的模块。

A/D转换器144对来自用于检测变焦透镜103的位置的位置检测单元106的输出执行A/D转换，以成为数字信号。然后减法器138从作为来自饱和防止控制单元2的输出的驱动目标位置减去数字数据。向控制滤波器139供给作为结果的偏差数据。在这种情况下，电气地相互连接终端C 111和终端C 143。

控制滤波器139是由以预定增益放大输入数据的放大器和相位补偿滤波器构成的。在控制滤波器139中，放大器和相位补偿滤波对从减法器138供给的偏差数据执行信号处理。将处理后的数据输出至脉冲宽度调制单元140。

脉冲宽度调制单元140通过改变脉冲波的占空比将经由控制滤波器139所供给的数字数据调制成为波形(即PWM波形)，并向电机驱动单元141供给所调制的数据。电机107是用于驱动变焦透镜103的音圈电机。当通过电机驱动单元141驱动电机107时，在与光轴垂直的方向上移动变焦透镜103。在这种情况下，电气地相互连接终端D 112和终端D142。

位置检测单元106由磁铁和在面向磁铁的位置处所安装的霍尔传感器构成。位置检测单元106检测变焦透镜103在与光轴垂直的方向上的移动量，并经由A/D转换器144向上述减法器138供给检测结果。这样就形成了反馈控制系统，其使变焦透镜103在与光轴垂直的方向上的位置跟随作为来自饱和防止控制单元127的输出的驱动目标位置。

以这种方式，通过基于角速度传感器120所检测的抖动信号来驱动校正光学系统能够校正由施加于摄像装置的抖动所引起的图像模糊。

接下来将描述校正量计算单元126。校正量计算单元126从编码器108获得变焦位置(变焦透镜103的位置信息)并通过计算时间变化确定是否正在进行变焦操作(变焦检测)。校正量计算单元126按照变焦操作是否正在进行的确定结果来改变校正量的计算方法。通过如图2和图4示出的构成来执行变化时的计算方法。

图2示出了变焦停止时校正量计算单元的构成的示例。参见图2，通过将由角速度传感器检测到的抖动信号分离成不同的频带且输出具有高频率成分和低频率成分的两个抖动信号来控制两个校正光学系统。能够根据从控制单元146供给的信号在向第一和第二分离抖动信号的一者输出高频率成分和低频率成分之间进行切换。

参见图2，HPF 203从通过角速度传感器120所检测的抖动信号中仅提取具有高频率成分的信号，并将所提取的信号供给选择器205和减法单元204。减法单元204从原始抖动信号减去已通过HPF 203的高频率成分来生成包含于抖动信号中的低频率成分，并将其输出至选择器205。这种构成使高频率抖动信号与低频率抖动信号互补。这就使即使在使用两个校正光学系统来执行校正时也能够完全地校正原始抖动信号的频带。请注意，可以使用LPF代替HPF 203以使低频率成分通过，将其作为所一个输出而输出，并从原始信号减去已通过的低频率成分来生成高频率成分，将其作为另一个输出而输出。

选择器205按照来自控制单元146的控制信号能够在是以向第一分离抖动信号输出高频率成分而向第二分离抖动信号输出低频率成分的组合还是以向第一分离抖动信号输出低频率成分而向第二分离抖动信号输出高频率成分的组合之间进行切换。通过这种方式，可以将抖动信号分离成高频率成分和低频率成分，并将其输出目的地切换为第一校正光学系统或者第二校正光学系统。

图3是示出考虑到光学制约根据焦距的第一和第二校正光学系统的校正范围(单位：度)的图。参见图3，将第一校正光学系统的校正范围和第二校正光学系统的校正范围相互交叉处的焦距定义为f 2。控制单元146控制信号分配单元在焦距小于f 2的范围内向第一校正光学系统分配低频率成分，而在焦距为f 2或更大的范围内向第二校正光学系统分配低频率成分。

图4示出在变焦操作时校正量计算单元的构成的示例。参见图4，乘法器201以预定放大倍率K1放大由角速度传感器120检测到的抖动信号，并输出处理后的信号作为第一分离抖动信号。另外，乘法器201以预定放大倍率K2放大抖动信号并输出处理后的信号作为第二分离抖动信号。分离第一分离抖动信号和第二分离抖动信号以使所分离的信号相互互补。因此，通过将放大倍率设置为以下等式，即使在使用两个校正光学系统执行图像模糊校正时也可以执行精确的校正：

0≤K1≤1

K2＝1-K1。

通过控制单元146来设置K1和K2。更具体地说，在变焦操作期间，基于第一和第二校正光学系统的可移动范围的比例来划分由角速度传感器120检测到的抖动振幅，并将所划分的振幅量分别设置为它们的校正量。

现在将参照图5中示出的流程图描述校正量计算单元的控制操作的示例。请注意，在诸如60Hz(其为摄像装置拍摄一帧图像的周期)的任意的预定周期内反复执行图5中示出的处理。

在步骤S101中，校正量计算单元获得变焦编码器108的位移。然后，在步骤S102中，校正量计算单元确定是否正在进行变焦操作。如果没有正在进行变焦操作，那么处理进入步骤S103。如果正在进行变焦操作，那么处理进入步骤S104。然后，在步骤S103中，校正量计算单元执行校正量计算中的频率分离演算。在步骤S104中，校正量计算单元执行校正量计算中的校正可移动范围的比例演算。

如上所述，在变焦停止期间，本实施例中公开的系统分离频带，并通过使用两个校正光学系统对在高频带中和低频带中的各图像模糊成分执行校正。另一方面，在变焦操作期间，系统按照与两个校正光学系统的校正可移动范围相对应的比例演算来执行校正。这就使得即在变焦操作期间可移动范围发生变化也可以不考虑不分频带而确保校正范围，并且可以在变焦进行期间实现优良的图像模糊校正。

尽管在本实施中，通过使用角速度传感器检测抖动的角速度并对所检测的角速度执行积分处理来计算各校正光学系统的角位移量，但也可以使用其他抖动检测单元。例如，本实施例可以被配置为：通过使用加速度传感器检测抖动的加速度并对所检测的加速度执行两次积分来计算各校正光学系统的角位移量。

此外，尽管本实施例例示了通过在垂直于光轴的二维平面内移动拍摄光学系统的一些透镜组(每一个均作为校正光学系统的示例)来校正所拍摄图像的图像模糊的方法，但本发明并不限于此。例如，各校正光学系统可以被配置为：围绕光轴上的一点球状地旋转，或者例如，可以使用在与光轴垂直的方向上驱动VAP(可变角棱镜)或图像传感器的方法。可选地，可以对多种方式进行组合。

此外，尽管本实施例例示了在将抖动信号分离成两个信号时使用两个校正光学系统来执行图像模糊校正的方法，但本发明并不限于此。本发明也包含以下形式：例如，可以将抖动信号分离成三个或更多信号，并且可以驱动三个或更多校正光学系统来执行图像模糊校正。

尽管在上文中基于本发明的优选实施例详细描述了本发明，但本发明并不限于这些特定实施例。本发明还包含不超出本发明的范围的各种形式。可以根据需要组合上述实施例的一些特征。

其他实施例

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对下列权利要求的范围赋予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构及功能。

Claims (5)

1.一种光学装置，所述光学装置包括：

抖动检测单元，其被配置为检测所述装置的抖动；

第一光学校正单元，其被配置为基于所述抖动检测单元所检测的抖动来校正图像模糊；

第二光学校正单元，其被配置为基于所述抖动检测单元所检测的抖动来校正图像模糊；

变焦检测单元，其被配置为检测是否正在执行变焦透镜的变焦操作其中，变焦倍率在所述变焦操作中变化；

校正量计算单元，其被配置为基于所述抖动计算要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的校正量；

控制单元，其被配置为根据是否正在执行所述变焦操作来改变通过所述校正量计算单元计算出的所述校正量的计算方法，

其中，所述控制单元控制所述校正量计算单元在停止所述变焦操作的情况下通过分离所述抖动的频率的演算来计算要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量，而在正在执行所述变焦操作的情况下通过基于所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元的可移动范围的比例演算来计算要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，在停止所述变焦操作的情况下，所述校正量计算单元将通过所述抖动检测单元所检测的所述装置抖动分离成高频率成分和低频率成分，并将所述高频率成分和所述低频率成分中的一者设置为要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元中的一者校正的所述校正量。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，在停止所述变焦操作的情况下，所述校正量计算单元将所述低频率成分设置为要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元中具有更大可移动范围的光学校正单元的校正量。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，在正在执行所述变焦操作的情况下，所述校正量计算单元基于所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元的所述可移动范围的比例来划分通过所述抖动检测单元所检测的抖动的振幅，并将所划分的振幅量设置为要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元的所述校正量。

5.一种光学装置的控制方法，所述光学装置包括：抖动检测单元，其被配置为检测所述光学装置的抖动，第一光学校正单元，其被配置为基于所述抖动检测单元检测的抖动来校正图像模糊，以及第二光学校正单元，其被配置为基于所述抖动检测单元检测的抖动来校正图像模糊，所述光学装置的控制方法包括：

变焦检测步骤，其检测是否正在执行变焦透镜的变焦操作，其中，变焦倍率在所述变焦操作中变化；

校正量计算步骤，其基于所述抖动计算要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的校正量；以及

控制步骤，其根据是否正在执行所述变焦操作来改变在所述校正量计算步骤中计算出的所述校正量的计算方法，

其中，在所述控制步骤中，控制所述校正量计算步骤在停止所述变焦操作的情况下通过分离所述抖动的频率的演算来计算要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量，而在正在执行所述变焦操作的情况下通过基于所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元的可移动范围的比例演算来计算要被所述第一光学校正单元和所述第二光学校正单元所校正的所述校正量。