JP2008103955A - 撮像装置、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学式補正機能を有する撮像光学系のズームレンズ群の倍率を変化したときに生じ得る被写体像の移動を軽減する撮像装置を提供する。
【解決手段】ズームレンズ群を有する撮像光学系１１０と、撮像画像を読み出す撮像素子１２０と、像ぶれ補正部１８０とを備えるデジタルビデオカメラ１００において、撮像光学系１１０の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報を記憶する内部メモリ１６１と、内部メモリ１６１に記憶された撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点の位置情報を読み出し、この読み出した位置情報に基づいて撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面の中心位置とが交わるように像ぶれ補正部１８０を制御するカメラ制御部１６０とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、被写体像を変倍可能に形成するズームレンズ群を有する撮像光学系と、撮像光学系によって形成される被写体像を光電変換した撮像画像を読み出す撮像素子と、撮像光学系の一部を構成する光学素子と撮像素子との少なくとも一方をズームレンズ群の光軸の直交方向とこの直交方向を軸とした回転方向との少なくとも一方向に動かす駆動手段とを備える撮像装置、及びその制御方法に関するものである。

デジタルカメラなどの撮像装置で撮像された画像は、画像撮像時にカメラ本体を保持するユーザの手が揺れることにより、被写体像にぶれが生じる場合がある。このためデジタルカメラには、ユーザの手の動きを含め、カメラ本体に加えられた振動によって撮像画像に現れる被写体像のぶれ（以下、像ぶれと呼ぶ。）を補正する像ぶれ補正機能が組み込まれているものがある。

像ぶれ補正処理は、電子式像ぶれ補正処理と、光学式像ぶれ補正処理との２種類の処理に大別される。電子式像ぶれ補正は、撮像画像に画像処理を施して、擬似的に像ぶれを補正する処理である。また、光学式像ぶれ補正処理は、角加速度センサなどでカメラ本体に加えられた振動を検出して、この検出結果に応じて被写体像を形成する撮像光学系内部に設けられたプリズムを回転させ、この撮像光学系の光軸方向を変化させることによって撮像素子の受光面に結像される像を移動して像ぶれを補正する処理である（特許文献１）。すなわち、光学式像ぶれ補正処理は、カメラ本体に加えられた振動を検出して、この検出結果に応じて撮像光学系の一部を構成する光学素子又は撮像素子を動かして像ぶれを補正する処理を行う。

光学式像ぶれ補正処理は、撮像素子の受光面に形成される被写体像のぶれを補正するので、撮像素子から読み出された後に擬似的に像ぶれを補正する電子式像ぶれ補正処理に比べて、像ぶれによる画像劣化をより低減することができる。

特開２００２―４９０７０号公報

しかしながら、光学式像ぶれ補正処理を行うデジタルカメラは、撮像光学系の一部を構成する光学素子又は撮像素子を像ぶれを補正する方向に動かす駆動系をカメラ本体に組み込まなければならないので、撮像光学系又は撮像素子の内部構造が、このような補正機能を有していないカメラよりも複雑になる。

また、一般的にカメラは、撮像光学系のズームレンズ群の倍率を変えても撮像画像の被写体像が常に固定させるようにするため、この倍率を変化させても撮像光学系の光軸が常に撮像素子の中心位置に交わるように設計される。しかし、実際に製造される撮像光学系では、撮像素子の受光面の中心位置が撮像光学系の光軸と厳密に交わらない。このため、実際に製造されたカメラは、撮像光学系におけるズームレンズ群の倍率を変化させて静止した被写体を撮像したときに、撮像素子から読み出される画像中において被写体像を厳密に中心位置に固定することができない。

光学式像ぶれ補正機能が組み込まれたデジタルカメラは、このような補正機能が組み込まれていない撮像装置に比べて構造が複雑であるため、撮像光学系の光軸と撮像素子の受光面の中心位置との位置を精度良く一致させることができない。

したがって、光学式像ぶれ補正機能が組み込まれたデジタルカメラは、他のカメラに比べて、撮像光学系のズームレンズ群の倍率を変化させたときに被写体像がより大きく移動する場合が多くなってしまった。

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、撮像光学系の一部を構成する光学素子と撮像素子との少なくとも一方をズームレンズ群の光軸の直交方向とこの直交方向を軸とした回転方向との少なくとも一方向に動かす駆動手段を備える撮像装置において、ズームレンズ群の倍率を変化したときに生じ得る被写体像の移動を軽減する撮像装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための手段として、本発明は、被写体像を変倍可能に形成するズームレンズ群を有する撮像光学系と、上記撮像光学系によって形成される被写体像を光電変換した撮像画像を読み出す撮像素子と、上記撮像光学系の一部を構成する光学素子と上記撮像素子との少なくとも一方を上記ズームレンズ群の光軸の直交方向とこの直交方向を軸とした回転方向との少なくとも一方向に動かす駆動手段とを備える撮像装置において、上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報であって、上記ズームレンズ群の倍率の変化から検出される被写体像の移動に基づいて算出される位置情報を記憶する制御情報記憶手段と、上記制御情報記憶手段に記憶された上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報を読み出し、この読み出した位置情報に基づいて上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面の中心位置とが交わるように上記駆動手段を制御する制御手段とを備える。

また、本発明は、被写体像を変倍可能に形成するズームレンズ群を有する撮像光学系と、上記撮像光学系によって形成される被写体像を光電変換した撮像画像を読み出す撮像素子と、上記撮像光学系の一部を構成する光学素子と上記撮像素子との少なくとも一方を上記ズームレンズ群の光軸の直交方向とこの直交方向を軸とした回転方向との少なくとも一方向に動かす駆動手段とを備える撮像装置の制御方法において、記憶手段に記憶された上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報であって、上記ズームレンズ群の倍率の変化から検出される被写体像の移動に基づいて算出される位置情報を読み出し、上記読み出した位置情報に基づいて、上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面の中心位置とが交わるように上記駆動手段を制御する。

本発明は、記憶手段に記憶された撮像光学系の光軸と撮像素子の受光面との交点の位置情報であって、ズームレンズ群の倍率の変化から検出される被写体像の移動に基づいて算出される位置情報を読み出し、この読み出した位置情報に基づいて、撮像光学系の光軸と撮像素子の受光面の中心位置とが交わるように駆動手段を制御するので、ズームレンズ群の倍率を変化によって生じ得る被写体像の移動を軽減することができる。

被写体を広角端から望遠端に亘って撮像可能な撮像光学系を有するカメラは、その撮像光学系におけるズームレンズ群の倍率を変えても、撮像画像において被写体像を中心位置に固定させるため、撮像光学系の光軸が常に撮像素子の受光面の中心位置を通るように通常設計される。しかし、実際に製造される撮像光学系は、撮像素子の受光面の中心位置が結像光学系の光軸と厳密に交わらない。このため、実際に製造されたカメラは、撮像光学系におけるズームレンズ群の倍率を変化させて静止した被写体を撮像したときに、撮像素子から読み出される画像中において被写体像が厳密には中心位置に固定されないで、被写体像が撮像画像の中心位置から移動してしまう。

特に、光学式像ぶれ補正機能が組み込まれたデジタルカメラは、このような補正機能が組み込まれていない撮像装置に比べて構造が複雑であるため、製造段階において、撮像光学系の光軸と撮像素子の受光面の中心位置とを精度良く一致させることができない。したがって、光学式像ぶれ補正機能が組み込まれたデジタルカメラは、ズームレンズ群の倍率を変化させたときに、次の具体例で示すように、撮像素子から読み出される撮像画像中において被写体が中心位置からより大きく移動してしまう場合がある。

図１は、光学式像ぶれ補正機能が組み込まれたデジタルビデオカメラ１００と、このデジタルビデオカメラ１００によって撮像される被写体２００とを模式的に示した図である。ここで、被写体２００は、水平方向及び垂直方向の両方向で線対称の図形とし、また、この図形の中心を基準点Ｃとする。

次に、撮像画像の中心点と被写体の基準点Ｃとが一致するようにデジタルビデオカメラ１００本体の位置を固定させてこのデジタルビデオカメラ１００の撮像光学系のズームレンズ群を望遠端から広角端へ変化させたときの、被写体２００の像の基準点Ｃの移動を示す。

図２は、撮像光学系のズームレンズ群を望遠端にしてデジタルビデオカメラ１００から出力される画像Ｐ１と、この画像Ｐ１を撮像している状態から撮像光学系のズームレンズ群を広角端に変化させたときのデジタルビデオカメラ１００から出力される撮像画像Ｐ２とを重ね合わせた図である。ここで、撮像画像の水平軸をｘ軸とし垂直軸をｙ軸として、この撮像画像の左上端部を原点（０，０）とする。また、撮像画像Ｐ１での被写体２００の基準点Ｃに対応する座標点をＣ１（Ｃ１ｘ，Ｃ１ｙ）とし、撮像画像Ｐ２での被写体２００の基準点Ｃに対応する座標点をＣ２（Ｃ２ｘ，Ｃ２ｙ）とする。

この場合において、座標点Ｃ１（Ｃ１ｘ，Ｃ１ｙ）から座標点Ｃ２（Ｃ２ｘ，Ｃ２ｙ）までの距離が、撮像光学系を望遠端から広角端へ焦点距離を変化させたときの、撮像画像における被写体像の基準点Ｃの移動量に当たる。

以下では、撮像光学系のズームレンズ群の倍率の変化に応じて生じ得る被写体像の移動が軽減された状態で撮像画像を出力するデジタルビデオカメラ１００の構成とその動作に関して説明する。

＜デジタルビデオカメラの全体構成＞
デジタルビデオカメラ１００は、図３に示すように、被写体像を形成する撮像光学系１１０と、この撮像光学系１１０により形成される被写体像に応じた画像信号を読み出す撮像素子１２０と、撮像素子１２０から読み出された画像信号に対して画像処理を施す画像処理部１３０と、画像データを記憶する記憶部１４０と、画像を表示する表示部１５０と、デジタルビデオカメラ１００全体の処理を制御するカメラ制御部１６０と、カメラ制御部１６０に接続された内部メモリ１６１と、撮像光学系１１０が有するズームレンズ群の倍率を変化させるズームレンズ群駆動部１７０と、カメラ本体に加えられた振動によって生じる像ぶれを補正する像ぶれ補正部１８０とから構成される。

撮像光学系１１０は、複数の光学素子からなり、被写体像を撮像素子１２０の受光面に形成する。また、撮像光学系１１０は、被写体像を変倍可能に形成するズームレンズ群を有する。

撮像素子１２０は、撮像光学系１１０によって形成される被写体像を、その受光面上に配列した複数の画素で光電変換を行う。そして、撮像素子１２０は、光電変換した電気信号をアナログ形式からデジタル形式に変換し、この変換したデジタル画像信号を画像処理部１３０に供給する。

画像処理部１３０は、撮像素子１２０から供給されるデジタル画像信号に対して所定の画像処理を施して、記憶部１４０の記憶形式及び表示部１５０の表示形式に応じたデータ形式に変換して各処理部に供給する。

記憶部１４０は、画像処理部１３０から供給されるデジタル画像信号を記憶する。また、記憶部１４０は、記憶しているデジタル画像信号を、カメラ制御部１６０からの制御命令に従って、画像処理部１３０に読み出す処理も行う。

表示部１５０は、画像処理部１３０から供給される画像データをユーザに対して視認可能に表示する。

カメラ制御部１６０は、デジタルビデオカメラ１００全体の動作を制御する。具体的には、カメラ制御部１６０は、撮像光学系１１０が有するズームレンズ群の倍率を変化させるズームレンズ群駆動部１７０を駆動させるための制御を行う。また、カメラ制御部１６０は、内部メモリ１６１と接続されており、内部メモリ１６１に記憶された制御情報に基づいて、後述する撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面の中心位置との位置合わせを行う。また、カメラ制御部１６０は、画像処理部１３０に制御命令を供給して、撮像素子１２０から連続して読み出されるデジタル画像信号を記憶部１４０に記憶させる処理や、この連続したデジタル画像信号を表示部１５０に供給させて表示させる処理を制御する。

ズームレンズ群駆動部１７０は、カメラ制御部１６０から供給される制御命令に従って、後述する撮像光学系１１０の一部を構成するズームレンズ群を駆動させる。

像ぶれ補正部１８０は、デジタルビデオカメラ１００本体に加えられた振動により生じる像ぶれを補正する。像ぶれ補正部１８０は、後述するように、カメラ本体に加えられた振動を検出して、この検出結果に応じて光学的に像ぶれを補正する（以下、光学式像ぶれ補正処理と呼ぶ。）。

＜光学式像ぶれ補正処理＞
一般的に、デジタルカメラにおいて光学式像ぶれ補正処理では、カメラ本体に加えられた振動の検出結果に応じて撮像光学系の一部を構成する光学素子や撮像素子を動かす。光学式像ぶれ補正処理を実現する一例として、撮像光学系１１０及び像ぶれ補正部１８０は、図４に示すような構成を備える。

撮像光学系１１０は、図４に示すように、焦点距離を所定の範囲内で変更可能なズームレンズ群１１１と、ズームレンズ群１１１の光軸に対して直交方向に移動可能な像ぶれ補正レンズ１１２とから構成される。

ズームレンズ群１１１は、複数のレンズから構成され、被写体像を変倍可能に形成する。また、ズームレンズ群１１１は、そのレンズ群を構成する各レンズがズームレンズ群駆動部１７０によって移動することで、撮像素子１２０の受光面に形成させる被写体像の倍率を変化することができる。具体的に、ズームレンズ群１１１は、その光軸方向に各レンズを移動することで、被写体像の倍率を変化させている。

なお、上述したように撮像素子の受光面の水平方向をｘ方向とし、この受光面の垂直方向をｙ方向としているので、ズームレンズ群１１１の光軸方向は、ｘ方向及びｙ方向に対してそれぞれ直交方向（以下、ｚ方向と呼ぶ。）となる。

像ぶれ補正レンズ１１２は、その光学中心がズームレンズ群１１１の光軸に対する直交方向に移動可能な構造を有している。すなわち、像ぶれ補正レンズ１１２は、その光学中心が、ｘ方向及びｙ方向に移動するような構造となっている。具体的な像ぶれ補正処理に関しては後述する。

像ぶれ補正部１８０は、カメラ本体に加えられた振動によるカメラ本体の移動を検出する移動検出センサ１８１と、像ぶれ補正レンズ１１２を移動させる補正駆動部１８２と、像ぶれ補正レンズ１１２の位置を検出する位置検出センサ１８３と、移動検出センサ１８１の検出結果と位置検出センサ１８３の検出結果とから像ぶれを補正するために補正駆動部１８２の動作を制御する像ぶれ補正制御部１８４とから構成される。

移動検出センサ１８１は、カメラ本体のｘ方向の移動を検出するｘ方向移動検出センサ１８１ａと、カメラ本体のｙ方向の移動を検出するｙ方向移動検出センサ１８１ｂとからなる。移動検出センサ１８１は、カメラ本体の移動を検出するために、例えば、角加速度を検出するジャイロセンサによって実現され、このジャイロセンサによって検出される角加速度に応じて、ｘ方向及びｙ方向の位置移動量が検出される。移動検出センサ１８１は、検出したｘ方向及びｙ方向の移動検出信号をそれぞれ像ぶれ補正制御部１８４に供給する。

補正駆動部１８２は、像ぶれ補正レンズ１１２をｘ方向に移動するｘ方向補正駆動部１８２ａと、像ぶれ補正レンズ１１２をｙ方向に移動するｙ方向補正駆動部１８２ｂとから構成される。また補正駆動部１８２が補正レンズ１１２を移動させるための駆動出力は、像ぶれ補正制御部１８４によって制御される。

位置検出センサ１８３は、補正駆動部１８２によって移動された像ぶれ補正レンズ１１２のｘ方向の位置を検出するｘ方向位置検出センサ１８３ａと、補正駆動部１８２によって移動された像ぶれ補正レンズ１１２のｙ方向の位置を検出するｙ方向位置検出センサ１８３ｂとからなる。また、位置検出センサ１８３は、検出したｘ方向及びｙ方向の位置検出信号をそれぞれ像ぶれ補正制御部１８４に供給する。

像ぶれ補正制御部１８４は、移動検出センサ１８１から供給される移動検出信号に基づいて、像ぶれ補正を補正するための像ぶれ補正レンズ１１２の目標位置を逐次、算出する。そして、像ぶれ補正制御部１８４は、位置検出センサ１８３から供給される像ぶれ補正レンズ１１２の位置が目標位置との偏差が０になるように補正駆動部１８２の駆動出力を制御する。

デジタルビデオカメラ１００では、このカメラ本体に加えられた振動を検出して、この検出結果に応じて、像ぶれ補正レンズ１１２をズームレンズ群１１１の光軸に対して直交する方向に移動させることで、この振動によって生じる像ぶれを光学的に補正する。

すなわち、デジタルビデオカメラ１００は、像ぶれ補正レンズ１１２を移動させて像ぶれを補正するには、撮像光学系１１０の光軸を変化させ撮像素子１２０の受光面上で被写体像の移動がなくなるように制御する。また、デジタルビデオカメラ１００は、撮像素子１２０を移動させて像ぶれを補正するには、撮像光学系１１０の光軸を固定した状態で撮像素子１２０の受光面上で被写体像の移動がなくなるように制御する。

なお、上述した光学補正処理に関わらず、デジタルビデオカメラ１００は、次のような補正処理を行うようにしても良い。すなわち、デジタルビデオカメラ１００は、撮像素子１２０の受光面をｘ方向及びｙ方向に移動させることで像ぶれを補正しても良い。また、デジタルビデオカメラ１００は、補正レンズ１１２の代わりにプリズムを撮像光学系１１０に設けて、このプリズムをｘ方向及びｙ方向を軸とした回転方向に移動することで像ぶれを補正するようにしても良い。同様にしてデジタルビデオカメラ１００は、撮像素子を１２０をｘ方向及びｙ方向を軸とした回転方向に移動することで像ぶれを光学的に補正するようにしても良い。

＜撮像光学系の光軸と撮像素子の受光面との交点の算出処理＞
上述したように、デジタルビデオカメラ１００は、像ぶれ補正レンズ１１２を移動させることにより撮像光学系１１０の光軸を変化させ、撮像素子１２０の受光面上で被写体像の移動がなくなるように制御する。ここで、デジタルビデオカメラ１００は、このカメラ本体に振動が加わっていない場合には、撮像光学系１１０の光軸を変化させないので、像ぶれ補正レンズ１１２の主点がズームレンズ群１１１の光学中心と一致するような位置に配置されるように通常設計される。

しかしながら、デジタルビデオカメラ１００の撮像光学系１１０は、上述した光学式補正機能を有していないカメラに比べて、その構造が複雑であるため、製造工程で生じる誤差などによって、ズームレンズ群１１１の拡大率を変化させると、その変化に応じて撮像画像において被写体像が撮像画像の中心位置から移動してしまう場合がある。

そこで、デジタルビデオカメラ１００は、カメラ制御部１６０がその内部メモリ１６１に記憶された制御情報に基づいて、撮像光学系１１０の光軸が撮像素子１２０の受光面の中心位置を通るように、像ぶれ補正部１８０を制御する。ここで、内部メモリ１６１に記憶されている制御情報は、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子の受光面の中心位置との交点の位置情報である。以下では、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子の受光面の中心位置との交点の位置情報を算出する算出処理について詳述する。

また、デジタルビデオカメラ１００では、画像処理部１３０が、ズームレンズ群１１１の倍率の変化に応じた被写体像の移動を検出して、この検出結果に応じて撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点を算出する。なお、本算出処理は、画像処理部１３０が行う場合に限定されず、撮像画像をデジタルビデオカメラ１００外部に出力して、所定の算出処理装置で行うようにしても良い。

まず、ズームレンズ群１１１の倍率の変化に応じた被写体像の移動を検出するために、次のような処理を行う。デジタルビデオカメラ１００は、図５に示すように、撮像光学系１１０に無限遠レンズ３００を取り付けて被写体２００を撮像する。ここで、無限遠レンズ３００は、具体的に、被写体との光学距離を無限大とするコンバージョンレンズである。デジタルビデオカメラ１００は、この無限遠レンズ３００を介して被写体２００を撮像することによって、被写体２００が無限遠方に配置されたものとして撮像することとなる。

デジタルビデオカメラ１００は、ズームレンズ群１１１を望遠端にして被写体２００を撮像し、また、ズームレンズ群１１１を広角端にして被写体２００を撮像する。ここで、撮像素子１２０から読み出される撮像画像は、図６に示すように、その左上端を原点（０，０）とし、この撮像画像の走査端（右下端）の座標を（Ｈ，Ｖ）とする。画像処理部１３０は、ズームレンズ群１１１が望遠端及び広角端に位置するときの撮像画像から、次に示す検出処理により、被写体２００の基準点Ｃの座標Ｃｔ（Ｘｔ，Ｙｔ）及び座標Ｃｗ（Ｘｗ，Ｙｗ）をそれぞれ検出する。さらに、画像処理部１３０は、検出した座標Ｃｔ（Ｘｔ，Ｙｔ）及び座標Ｃｗ（Ｘｗ，Ｙｗ）から、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点Ｃｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）を算出する。

画像処理部１３０は、例えば、図７に示すように、撮像画像中の被写体２００の像の輝度情報を参照して、点Ｃの座標（Ｓ’’，Ｙ’’）を検出する。すなわち、画像処理部１３０は、撮像画像をｘ方向に走査して、現在の走査位置の画素の輝度情報と次の走査位置の画素の輝度情報とが所定の閾値よりも小さくなった場合に、その点をＳとする。その後、画像処理部１３０は、現在の走査位置の画素の輝度情報と次の走査位置の画素の輝度情報とが所定の閾値よりも大きくなった場合に、その点をＳ’とする。そして、画像処理部１３０は、点Ｓと点Ｓ’の中点を点Ｓ’’として検出する。

同様にして、画像処理部１３０は、撮像画像をｙ方向に走査して、現在の走査位置の画素の輝度情報と次の走査位置の画素の輝度情報とが所定の閾値よりも小さくなった場合に、その点をＴとする。その後、画像処理部１３０は、現在の走査位置の画素の輝度情報と次の走査位置の画素の輝度情報とが所定の閾値よりも大きくなった場合に、その点をＴ’とする。そして、画像処理部１３０は、点Ｔと点Ｔ’の中点を点Ｔ’’として検出する。

このように、被写体２００は、水平方向及び垂直方向ともに線対称な図形からなるので、撮像画像から輝度情報を参照して、この図形の点対称となる基準点Ｃの位置を正確に求めることができる。なお、輝度及び色差情報の変化を利用して、撮像画像から被写体の基準となる点を正確に検出できるテストチャートなどを被写体として用いれば、上述した図形に限定されない。

次に、画像処理部１３０は、撮像画像から検出した座標Ｃｔ（Ｘｔ，Ｙｔ）及び座標Ｃｗ（Ｘｗ，Ｙｗ）から、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点Ｃｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）を図８に示す条件に基づいて算出する。

図８は、ズームレンズ群１１１を望遠端及び広角端にしたときの、被写体２００の像の基準点Ｃが撮像素子１２０の受光面に結像される条件を模式的に示したものである。なお、図８で示されるレンズＬｔ及びレンズＬｗは、次の通りである。すなわち、レンズＬｔは、ズームレンズ群１１１を望遠端としたときの撮像光学系１１０と等価な関係を有する仮想的なレンズである。また、レンズＬｗは、ズームレンズ群１１１を望遠端としたときの撮像光学系１１０と等価な関係を有する仮想的なレンズである。

ズームレンズ群１１１を望遠端としてデジタルビデオカメラ１００が画像を撮像したときに次に示す（１）式の関係が成立する。
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ・・・（１）
ここで、ｆは、レンズＬｔの焦点距離である。また、ａは、被写体２００からレンズＬｔの光学中心までの距離である。さらに、ｂは、レンズＬｔの光学中心から撮像素子１２０の受光面までの距離である。

同様にして、ズームレンズ群１１１を広角端としてデジタルビデオカメラ１００が画像を撮像したときに次に示す（２）式の関係が成立する。
１／ａ’＋１／ｂ’＝１／ｆ’・・・（２）
ここで、ｆ’は、レンズＬｗの焦点距離である。また、ａ’は、被写体２００からレンズＬｗの光学中心までの距離である。さらに、ｂ’は、レンズＬｗの光学中心から撮像素子１２０の受光面までの距離である。

また、この無限遠レンズ３００を介して被写体２００を撮像することにより、被写体２００が無限遠方に配置されたものとしてデジタルビデオカメラ１００では画像を撮像しているので、次の（３）式の関係が成り立っている。
ａ＝ａ’＝∞・・・（３）
すなわち、被写体２００を基準とすると、ズームレンズ群１１１の倍率を変化させても、撮像光学系１１０の光学中心が常に一定の位置に固定されているとみなすことができる。

そして、（１）式、（２）式、及び（３）式から次に示す（４）式、及び（５）式が成り立つ。
ｂ＝ｆ・・・（４）
ｂ’＝ｆ’・・・（５）

デジタルビデオカメラ１００は、撮像光学系１１０に無限遠レンズ３００を取り付けているため、（４）式及び（５）式の関係が得られることとなる。なお、デジタルビデオカメラ１００には、その撮像光学系１１０と被写体との間の距離が、撮像光学系１１０と撮像素子との間の距離に対して非常に大きくなり、（４）式及び（５）式の関係が得られる条件下で撮像できるのであれば、上述した無限遠レンズ３００を取り付けなくてもよい。

また、撮像光学系１１０の光軸をｚ０とし、光軸ｚ０と点Ｃｔとの距離をβとし、光軸ｚ０と点Ｃｗとの距離をβ’とする。なお、ズームレンズ群１１１を望遠端及び広角端にしたときの撮像光学系１１０の光軸をそれぞれ光軸ｚｔ、光軸ｚｗとする。ｚ０（Ｌ）は、光軸ｚ０と交わるズームレンズ群１１１の光学中心とする。

この場合、βとβ’との差分が、ズームレンズ群１１１を望遠端から広角端へ変化させたことによって生じる被写体２００の像の基準点Ｃの移動量となる。

ここで、被写体２００と撮像光学系１１０との光学距離が無限大であるため、被写体２００の基準点Ｃの光が撮像光学系１１０の光学中心に入射する入射角は、ズームレンズ群１１１の倍率に関わらず変化しないものと近似することができる。

よって、次に示す三角形の相似関係が成立する。すなわち、ズームレンズ群１１１の光学中心ｚ０（Ｌ）と座標Ｃｔとを結んだ線分を斜辺とし光軸ｚ０と撮像素子１２０の受光面とのなす角を直角とした直角三角形と、ズームレンズ群１１１の光学中心ｚ０（Ｌ）と座標Ｃｗとを結んだ線分を斜辺とし光軸ｚ０と撮像素子１２０の受光面とのなす角を直角とした直角三角形とが相似の関係になるものとして近似することができる。このような２つの直角三角形の相似関係によって次に示す（６）式が成立する。
β＝（ｂ／ｂ’）β’・・・（６）
さらに、（４）式、（５）式、及び（６）式より、ｂとｂ’とを消去すると、次に示す（７）式が得られる。
β＝（ｆ／ｆ’）β’・・・（７）
また、レンズＬｗに対するレンズＬｔの拡大率Ｍは、次に示す（８）式で表される。
Ｍ＝ｆ／ｆ’・・・（８）

また、望遠端から広角端までズームレンズ群１１１の倍率を変化させたときの、被写体２００の像の移動量ｄは、次に示す（９）式で表される。
ｄ＝β−β’・・・（９）
この移動量ｄは、（７）式、（８）式、及び（９）式により、次に示す（１０）式で表される。
ｄ＝β−β’＝（ｆ／ｆ’−１）β’＝（Ｍ−１）β’・・・（１０）
そして、β’は、（１０）式を変形して次に示す（１１）式で表される。
β’＝ｄ／（Ｍ−１）・・・（１１）

よって、交点Ｃｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）は、（１２）式、及び（１３）式のように表される。
Ｘｃ＝Ｘｗ−β’＝Ｘｗ−（ｄｘ／（Ｍ−１））・・・（１２）
Ｙｃ＝Ｙｗ−β’＝Ｙｗ−（ｄｙ／（Ｍ−１））・・・（１３）
ここで、ｄｘとｄｙとは、移動量ｄの水平成分及び垂直成分をそれぞれ表す値である。よって、交点Ｃｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）は、次に示す（１４）式、及び（１５）式で表される。
Ｘｃ＝Ｘｗ−（１／（Ｍ−１））×（Ｘｔ−Ｘｗ）・・・（１４）
Ｙｃ＝Ｙｗ−（１／（Ｍ−１））×（Ｙｔ−Ｙｗ）・・・（１５）

したがって、広角端での被写体像の点Ｃの原点（０，０）に対する基準ベクトルをｗとし、望遠端での被写体像の点Ｃの原点（０，０）に対する基準ベクトルをｔとすると、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点の原点（０，０）に対する基準ベクトルｃは、（１４）式、及び（１５）式より、次に示す（１６）式で表される。
ｃ＝ｗ＋（１／（Ｍ−１））（ｗ−ｔ）・・・（１６）

なお、上述した具体例では、ズームレンズ群１１１を望遠端及び広角端に設定したときの撮像画像中の被写体２００の像の基準点Ｃの位置を検出し、この検出結果に基づいて交点Ｃｃの位置を算出しているが、任意の倍率に設定したときの撮像画像中の被写体２００の像の基準点Ｃの位置を検出して交点Ｃｃの位置を算出するようにしても良い。さらに、ズームレンズ群１１１の倍率をより多く設定して、各設定条件での撮像画像中の被写体２００の像の基準点Ｃの位置を検出して、これらの検出結果に基づいて交点Ｃｃの位置を精度良く算出することができる。

デジタルビデオカメラ１００では、（１６）式の関係を用いて、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点の位置を算出する。すなわち、デジタルビデオカメラ１００において、画像処理部１３０は、ズームレンズ群１１１を望遠端及び広角端にした画像からそれぞれ座標点Ｃｔ及び座標点Ｃｗを検出する。そして、画像処理部１３０は、検出した座標点Ｃｔ及び座標点Ｃｗと、ズームレンズ群１１１における広角端に対する望遠端の拡大率Ｍとから、（１６）式に示す関係を用いて交点Ｃｃを算出する。

このようにして、画像処理部１３０は、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点の位置を容易に求めることができる。また、デジタルビデオカメラ１００は、デジタルビデオカメラ１００と被写体２００との距離を無限遠とする無限遠レンズ３００を介して被写体２００を撮像することで、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点の位置を、容易且つ精度良く求めることができる。

＜カメラ制御部による補正レンズの位置制御＞
カメラ制御部１６０は、画像処理部１３０によって算出された交点Ｃｃに基づいて、撮像光学系１１０の光軸が撮像素子１２０の受光面の中心位置を通るように、像ぶれ補正部１８０を制御する。すなわち、カメラ制御部１６０は、交点Ｃｃに関する制御情報として内部メモリ１６１に予め記憶しており、この制御情報を読み出して、撮像光学系１１０の光軸が撮像素子１２０の受光面の中心位置を通るように、次に示すような処理を行う。

撮像画像の中心座標が（Ｈ／２，Ｖ／２）なので、撮像画像上において撮像光学系１１０の光学中心が次に示す（１７）式の移動量ベクトルｅだけ水平方向及び垂直方向にそれぞれ移動させれば、ズームレンズ群１１１の倍率を変化させても被写体像の移動が軽減される。
ｅ＝（Ｈ／２−Ｃｘ，Ｖ／２−Ｃｙ）・・・（１７）

ここで、求められた移動量ベクトルｅは、撮像画像上の座標系での移動量なので、実際に補正レンズ１１２を動かす移動量を算出するために、次に示す移動量に変換処理を施す。

すなわち、（１７）式の移動量ベクトルｅに対応する撮像素子１２０の受光素子上で移動量ベクトルｅの水平成分ｅｘ’及び垂直成分ｅｙ’は、それぞれ次に示す（１８）、及び（１９）式で表される。
ｅｘ’＝（Ｈ／２−Ｃｘ）／Ｈ×Ｐ・・・（１８）
ｅｙ’＝（Ｖ／２−Ｃｙ）／Ｖ×Ｐ・・・（１９）
ここで、Ｐは、１画素（ピクセル）当たりの撮像素子１２０の受光面上の移動距離である。

さらに、撮像素子１２０の受光面上の移動量ベクトルｅ’に対応する補正レンズ１１２の移動量ベクトルｅ’’の水平成分ｅｘ’’及び垂直成分ｅｙ’’は、それぞれ次に示す（２０）、及び（２１）式で表される。
ｅｘ’’＝ｅｘ’／Ｂｚ＝（Ｈ／２−Ｃｘ）／Ｈ×Ｐ／Ｂｚ・・・（２０）
ｅｙ’’＝ｅｘ’／Ｂｚ＝（Ｖ／２−Ｃｙ）／Ｖ×Ｐ／Ｂｚ・・・（２１）
ここで、係数Ｂｚは、例えば補正レンズ１１２が１［μｍ］動いた場合、この移動によって撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点が何［μｍ］動くかを示す係数である。例えば、Ｂｚの値が２の場合には、補正レンズ１１２が１［μｍ］移動するのに伴って、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点が２［μｍ］移動することとなる。

なお、係数Ｂｚがズームレンズ群１１１の倍率に応じて変化する場合には、ズームレンズ群１１１の拡大率Ｍを変数として、任意の拡大率Ｍにおいて補正レンズ１１２の移動量に応じた撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面との交点の移動量を求めた係数Ｂｚ（Ｍ）を用いるようすればよい。このように、カメラ制御部１６０は、係数Ｂｚを拡大率Ｍの変数として移動量ベクトルｅ’’を算出することで、任意の拡大率において撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面の中心位置とをより精度良く一致させることができる。

このようにして、カメラ制御部１６０は、補正レンズ１１２を、水平方向にｅｘ’’、垂直方向にｅｙ’’移動させる制御命令を像ぶれ補正部１８０に供給して、補正レンズ１１２を所定の位置に移動させる。すなわち、カメラ制御部１６０の内部メモリ１６１には、交点Ｃｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）とＰとＢｚとの各値を制御情報として記憶している。そして、カメラ制御部１６０は、内部メモリ１６１から制御情報を読み出して移動量ベクトルｅ’’を算出し、移動量ベクトルｅ’’だけ補正レンズ１１２を移動させる旨の制御命令を像ぶれ補正部１８０に供給する。

なお、本実施形態に係るデジタルビデオカメラ１００では、補正レンズ１１２を用いて像ぶれを補正するが、撮像素子自体を移動させて像ぶれを補正する機構を有するカメラであれば、この撮像素子を水平方向にｅｘ’、垂直方向にｅｙ’移動させることで、ズームレンズ群１１１の倍率を変化させても被写体像を精度良く固定させることができる。さらに、撮像光学系の一部の光学素子、又は、撮像素子を回転させて光学的に像ぶれを補正する機構を有するカメラでは、撮像画面上の移動ベクトルｅに対応した回転座標系の移動ベクトルを算出して、算出した目標回転角に移動するように、撮像光学系の一部の光学素子又は、撮像素子を回転させればよい。

以上のように、デジタルビデオカメラ１００において、画像処理部１３０は、ズームレンズ群１１１の倍率の変化に応じた被写体２００の像の基準点Ｃの移動量を撮像画像から検出し、検出した基準点Ｃの移動に基づいて撮像光学系の光軸と撮像素子の受光面との交点を算出する。さらに、カメラ制御部１６０は、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子の受光面との交点に基づいて、撮像光学系１１０の光軸と撮像素子１２０の受光面の中心位置とが一致するように像ぶれ補正部１８０を制御するので、ズームレンズ群１１１の倍率を変化によって生じる被写体像の移動を軽減して画像を撮像することができる。

このようにして、ユーザは、デジタルビデオカメラ１００を用いることで、撮像画面の中心に捉えた被写体像を拡大しながら動画像を撮像するときに、被写体を中心位置に精度良く固定された状態で撮像動作を行うことができる。

なお、本実施の形態では、光学式像ぶれ補正機能を有する撮像装置として、デジタルビデオカメラ１００に適用した具体例を示したが、これに限定されず静止画像のみを撮像するカメラに適用するようにしても良い。

光学式像ぶれ補正機能が組み込まれたデジタルビデオカメラと、このデジタルビデオカメラによって撮像される被写体との位置関係を示した図である。 撮像光学系のズームレンズ群の倍率を望遠端したときの画像Ｐ１と、この画像Ｐ１を撮像している状態から撮像光学系のズームレンズ群の倍率を広角端に変化させたときの撮像画像Ｐ２とを重ね合わせた図である。 デジタルビデオカメラの構成を示すブロック図である。 撮像光学系及び像ぶれ補正処理部の構成とその動作とを模式的に示した図である。 無限遠レンズを取り付けた撮像光学系と被写体２００との位置関係を示した図である。 撮像画像の直交座標と、この直交座標上における各座標点の位置を模式的に示した図である。 被写体像の基準点Ｃに応じた撮像画像上における座標点の検出処理の説明に供する模式図である。 ズームレンズ群を望遠端及び広角端とした場合の、被写体像の基準点と撮像光学系と撮像素子との光学的な位置関係を模式的に示した図である。

符号の説明

１００ デジタルビデオカメラ、１１０ 撮像光学系、１１１ ズームレンズ群、１１２ 補正レンズ、１２０ 撮像素子、１３０ 画像処理部、１４０ 記憶部、１５０ 表示部、１６０ カメラ制御部、１６１ 内部メモリ、１７０ ズームレンズ群駆動部、１８０ 像ぶれ補正部、１８１ 移動検出センサ、１８２ 補正駆動部、１８３ 位置検出センサ、１８４ 像ぶれ補正制御部、２００ 被写体、３００ 無限遠レンズ

Claims (5)

1. 被写体像を変倍可能に形成するズームレンズ群を有する撮像光学系と、上記撮像光学系によって形成される被写体像を光電変換した撮像画像を読み出す撮像素子と、上記撮像光学系の一部を構成する光学素子と上記撮像素子との少なくとも一方を上記ズームレンズ群の光軸の直交方向とこの直交方向を軸とした回転方向との少なくとも一方向に動かす駆動手段とを備える撮像装置において、
   上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報であって、上記ズームレンズ群の倍率の変化から検出される被写体像の移動に基づいて算出される位置情報を記憶する制御情報記憶手段と、
   上記制御情報記憶手段に記憶された上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報を読み出し、この読み出した位置情報に基づいて上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面の中心位置とが交わるように上記駆動手段を制御する制御手段とを備える撮像装置。
2. 上記制御情報記憶手段に記憶された上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報は、被写体との光学距離が無限大となる無限遠レンズを介して上記撮像光学系が被写体像を形成するときに、上記ズームレンズ群の倍率の変化から検出される被写体像の移動に基づいて算出されることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 上記制御情報記憶手段に記憶された上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報は、第１の倍率のときに撮像された撮像画像とこの第１の倍率とは異なる第２の倍率で撮像された撮像画像とから検出される上記被写体像の移動と上記第１の倍率と上記第２の倍率とに基づいて算出されることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 上記第１の倍率は上記ズームレンズ群が望遠端のときの倍率であり、上記第２の倍率は上記ズームレンズ群が広角端のときの倍率であることを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
5. 被写体像を変倍可能に形成するズームレンズ群を有する撮像光学系と、上記撮像光学系によって形成される被写体像を光電変換した撮像画像を読み出す撮像素子と、上記撮像光学系の一部を構成する光学素子と上記撮像素子との少なくとも一方を上記ズームレンズ群の光軸の直交方向とこの直交方向を軸とした回転方向との少なくとも一方向に動かす駆動手段とを備える撮像装置の制御方法において、
   記憶手段に記憶された上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面との交点の位置情報であって、上記ズームレンズ群の倍率の変化から検出される被写体像の移動に基づいて算出される位置情報を読み出し、
   上記読み出した位置情報に基づいて、上記撮像光学系の光軸と上記撮像素子の受光面の中心位置とが交わるように上記駆動手段を制御する撮像装置の制御方法。

Images