JP2011023987A - 撮像装置及び揺れ補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像装置において画像の揺れ補正の安定性を向上させること。
【解決手段】 互いに直交するヨー及びピッチ方向の揺れをそれぞれ検出する角速度センサ（１１，１２）とカットオフ周波数が可変であり、角速度センサの出力のうち低周波数成分を遮断するハイパスフィルタ（２４、２５）と、ハイパスフィルタからの出力に基づいて、ヨー及びピッチ方向それぞれについて揺れを補正するための補正量を演算する補正量演算回路（２８、２９）と、補正量演算回路により演算された補正量に基づいて、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を制御するパン・チルト判定回路（２８）と、補正量演算回路により演算された補正量に基づいて、揺れを補正する補正手段（２、３１、３２）とを有し、パン・チルト判定回路は、補正量が大きいほど、カットオフ周波数を高くすることを特徴とする撮像装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は撮像装置及び揺れ補正方法に関し、特に光学的にカメラ等の撮像装置の揺れを補正する揺れ補正機能を有する撮像装置において、円滑な揺れ補正制御を実現させる技術に関するものである。

従来の光学的揺れ補正機構を備えた撮像装置の光学補正アルゴリズムにおいて、２つの補正軸を関連づけて制御する方法がある。２つの直交した補正軸のそれぞれが補正最大値を取り得ることを許すと、鏡筒の無駄な大型化や光学的な収差の発生を生じてしまう。これらの課題を解決すべく、光学的揺れ補正最大許容駆動範囲が制限されるよう制御部を設け、揺れ補正光学系の可動範囲を制御する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３１６２１２６号公報

しかしながら、上記従来例では光学的揺れ補正の補正最大許容駆動範囲内の可動範囲においては、揺れ補正光学系の２つの補正軸について可動が制限されることなく自在に可動するが、補正最大許容駆動範囲に至ると揺れ補正光学系の動作が停止する。そのため以下のような問題点があった。

補正最大許容駆動範囲内か範囲外かによって、揺れ補正光学系が自在に可動する領域と、停止させる領域とが分かれている。そのため、補正最大許容駆動範囲までの可動範囲内にとどまる揺れ量が加わっている場合には十分な抑振効果が得られるが、補正最大許容駆動範囲を超える揺れ量が加わると補正最大許容駆動範囲となった時点で揺れ補正が停止してしまう。これにより、揺れ補正の連続性が突然損なわれ、揺れが補正された状態（画像）と揺れが補正されない状態（画像）とが生じることとなる。

特に連続した画像を撮影するビデオカメラにおいては、画像の安定性の観点から上記の補正連続性が保てないと視聴者に違和感や嫌悪感を与えかねない。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮像装置における画像の揺れ補正の安定性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、互いに直交する第１及び第２の方向の揺れをそれぞれ検出する検出手段と、カットオフ周波数が可変であり、前記検出手段の出力のうち低周波数成分を遮断するハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタからの出力に基づいて、前記第１及び第２の方向それぞれについて揺れを補正するための補正量を演算する演算手段と、前記演算手段により演算された前記第１及び第２の方向それぞれの補正量に基づいて、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を制御する制御手段と、前記演算手段により演算された前記第１及び第２の方向それぞれの補正量に基づいて、揺れを補正する補正手段とを有し、前記制御手段は、前記補正量が大きいほど、前記カットオフ周波数を高くする。

本発明によれば、撮像装置において画像の揺れ補正の安定性を向上させることができる。

本発明の実施の形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図。 制御目標値生成回路の構成を示すブロック図。 補正光学系の可動範囲を示す図である。 本実施の形態における補正量とカットオフ周波数との関係を示すグラフ。 本実施の形態におけるパン・チルト判定回路の動作を説明するフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。同図において、１は撮像光学系であるレンズ群である。２は像のブレを補正する揺れ補正光学系（光学部材）であり、本実施例においては光軸に対して直交する方向に可動する補正レンズである。３はレンズ群１により結像された画像を光電変換する撮像素子である。なお、本実施例においては、像のブレを補正する揺れ補正光学系２として補正レンズを用いて説明するが、撮像素子３が光軸に対して直交する方向に可動することで揺れ補正光学系としても良い。４は撮像素子３により光電変換された撮像信号を、例えば標準ビデオ信号などの標準信号に変換処理するカメラ信号処理回路である。５はカメラ信号処理回路４にて得られた標準信号を出力する出力端子である。

また、本実施の形態の撮像装置は、ブレ補正機構の構成として以下の構成を有する。１１及び１２はそれぞれ異なる検出軸を持ち、カメラに加わる揺れを検出するための、例えば振動ジャイロ等の角速度センサ（検出手段）である。角速度センサ１１及び１２の検出軸として、光軸に直交する平面上において互いに直交する回転軸を検出軸とするように配置することで、カメラの左右方向の回転ブレ（Ｙａｗ）およびカメラの上下方向の回転ブレ（Ｐｉｔｃｈ）を検出することができる。以下、ヨー方向（第１の方向）の揺れを検出する角速度センサをジャイロＹ１１、ピッチ方向（第２の方向）の揺れを検知する角速度センサをジャイロＰ１２と呼ぶ。２１はジャイロＹ１１及びジャイロＰ１２の検出出力に基づいて、揺れ補正光学系２の駆動量である揺れ補正量を求める制御目標値生成回路である。

３１及び３２は、制御目標値生成回路２１により得られた揺れ補正量に基づいて、揺れ補正光学系２を駆動するための駆動回路である。以下、ヨー方向（左右方向）の揺れを補正するための駆動を行う駆動回路を駆動回路Ｙ３１、ピッチ方向（上下方向）の揺れを補正するための駆動を行う駆動回路を駆動回路Ｐ３２と呼ぶ。これにより、同検出軸の揺れ補正が行われる。

次に、制御目標値生成回路２１の構成及び動作について図２を用いて説明する。なお、図１と同様の構成には同じ参照番号を付して、説明を省略する。同図において、２２及び２３は増幅器（アンプ）であり、ジャイロＹ１１及びジャイロＰ１２から出力された角速度信号を増幅して出力する。２４及び２５はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）で、その周波数特性はカットオフ周波数を変更することで可変であり、アンプ２２及び２３により増幅された角速度信号に含まれる低周波数成分を遮断し、残りの周波数成分を透過する。以下、ジャイロＹ１１の出力に基づいた信号が入力されるＨＰＦを以下、「ＨＰＦ＿Ｙ２４」と呼び、ジャイロＰ１２の出力に基づいた信号が入力されるＨＰＦを以下、「ＨＰＦ＿Ｐ２５」と呼ぶ。

２６、２７は積分器であり、ＨＰＦ＿Ｙ２４、ＨＰＦ＿Ｐ２５から出力された角速度信号をそれぞれ時間積分することにより角変位量を得る。以下、ＨＰＦ＿Ｙ２４の出力信号が入力される積分器を「積分器Ｙ２６」、ＨＰＦ＿Ｐ２５の出力信号が入力される積分器を「積分器Ｐ２７」と呼ぶ。２８及び２９は補正量演算回路であり、撮像画像の揺れがキャンセルされるように、積分器Ｙ２６及び積分器Ｐ２７より出力された角変位量を、揺れ補正光学系２を駆動するための揺れ補正量に変換して出力する。以下、積分器Ｙ２６の出力信号が入力される補正量演算回路を「補正量演算回路Ｙ２８」、積分器Ｐ２７の出力信号が入力される補正量演算回路を「補正量演算回路Ｐ２９」と呼ぶ。

補正量演算回路Ｙ２８および補正量演算回路Ｐ２９は、揺れ補正光学系２の補正移動量に対する光学的な揺れ補正角（光軸変化量）の関係を補正する回路であり、例えば揺れ補正光学系２の補正移動量に対する光学的な揺れ補正角を除算する除算回路で良い。また、補正量演算回路Ｙ２８および補正量演算回路Ｐ２９は、ジャイロＹ１１及びジャイロＰ１２より本実施例で説明している積分器Ｙ２６及び、積分器Ｐ２７の後の何れかに設けられていれば良い。更に、アンプ２２及びアンプ２３の増幅率を考慮（変える）することにより、アンプ２２及びアンプ２３が補正量演算回路Ｙ２８および補正量演算回路Ｐ２９を兼ねることもできる。

３０はパン・チルト判定回路であり、補正量演算回路Ｙ２８及び補正量演算回路Ｐ２９により得られた揺れ補正量（以下、単に「補正量」と呼ぶ。）に基づいて撮像装置がパンニング若しくはチルティング状態にあるか否かの判定を行い、ＨＰＦ＿Ｙ２４及びＨＰＦ＿Ｐ２５の周波数特性を変更する。パンニング及びチルティングは、撮影者が意図的に構図を変えて撮影を行う。このため、パンニング及びチルティング時のカメラの動きを揺れとして補正すると、逆に撮影者が意図する構図での撮影が行われなくなってしまう。よって、パンニング及びチルティング時の揺れ補正では、パンニング及びチルティングに対応するカメラの動きについては補正を行わないように制御するのが一般的である。パンニング及びチルティング時は、撮像装置は一方向に所定時間連続して動くため、本実施の形態ではＨＰＦ＿Ｙ２４及びＨＰＦ＿Ｐ２５により低周波の揺れを遮断して、パンニング及びチルティングの揺れ補正されないようにすることで、パン・チルト制御を行う。なお、この周波数特性の変更制御については、詳細に後述する。

以上の動作により補正量が生成され、上記のように駆動回路Ｙ３１、駆動回路Ｐ３２を介して補正光学系２による光学的な揺れ補正が可能となる。

次にパン・チルト判定回路３０によるパン・チルト制御、即ちＨＰＦの周波数特性の変更を含めた、補正光学系２の駆動範囲について図３及び図４を用いて説明する。図３において、Ｐ軸はジャイロＰ１２の検出方向（上下方向）の揺れを補正する補正軸であり、Ｙ軸はジャイロＹ１１の検出方向（左右方向）のブレを補正するに補正軸とする。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、補正光学系２の中心が可動な範囲を、Ｐ座標及びＹ座標からなる一平面として示したものである。また、図４は、パン・チルト判定回路３０によって変更制御される、角変位量（横軸）に対するＨＰＦ＿Ｙ２４及びＨＰＦ＿Ｐ２５のカットオフ周波数（縦軸）を示すグラフである。

図３（Ａ）及び（Ｂ）において、２１０は補正光学系２の可動中心で、レンズ群１の光軸と一致している。２０２は補正光学系２の中心が駆動可能な最大範囲（最大補正範囲）で、不図示の補正光学系２を可動保持する保持機構や、光学的な有効光路によって移動が制約される最大範囲となる。この最大範囲２０２を超えて補正光学系２の中心を変位すると、機械的な制約による補正制御の不連続性を生じたり、光学的な性能の破綻をきたす原因に繋がるため、補正光学系２の中心を最大範囲２０２内で制御する必要がある。補正光学系２の中心が可動中心２１０にある場合に補正光学系２の光学的な補正量は０となり、補正光学系２の中心が最大範囲２０２にある場合に光学系的な補正量は最大となる。

２０１は本実施例における補正光学系２の中心が取り得る補正制御範囲で、パン・チルト判定回路３０のパン・チルト制御によって形成され、最大範囲２０２内に設けられる。本発明では図示の通り八角形で示される範囲となる。

補正光学系２は、先に説明した揺れ補正動作に伴いＰ座標及びＹ座標からなる一平面上の範囲で可動である。図３（Ａ）に示すＰ軸の補正量がａ以下、Ｙ軸の補正量画ａ以下で示される補正光学系２の可動範囲２１１（Ｐ＝０〜ａ，Ｙ＝０〜ａ）では、パン・チルト判定回路３０の制御によりＨＰＦ＿Ｙ２４、ＨＰＦ＿Ｐ２５のカットオフ周波数を一番低く設定する。このように設定することで、ジャイロＹ１１、ジャイロＰ１２により検出された角速度信号のほとんどがＨＰＦ＿Ｙ２４及びＨＰＦ＿Ｐ２５を通過する。そして、積分器Ｙ２６及び積分器Ｐ２７によりそれぞれ積分して得られた角変位量に基づいてＹ軸及びＰ軸方向の補正量が生成される。これによって、図３（Ａ）に示すＰ軸の補正量がａ以下、Ｙ軸の補正量画ａ以下で示される補正光学系２の可動範囲２１１（Ｐ＝０〜ａ，Ｙ＝０〜ａ）では、パンニング制御を働かすことなく、揺れを補正することができる。

この状態から、補正光学系２の可動範囲２１３（Ｐ＝０〜ａ，Ｙ＝ａ〜ｂ）までＹ軸側の揺れが補正量ａを超えて増加する場合の、ＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数の変化について説明する。この場合、グラフ４１に示すようにカットオフ周波数を変化させるのであるが、補正光学系２の補正量がＹ軸及びＰ軸共にａ以下の可動範囲２１１ではＨＰＦ＿Ｙ２４及びＨＰＦ＿Ｐ２５のカットオフ周波数は最低値ｆｃ＿ｍｉｎを取る。補正光学系２の補正量がａを超えて増加すると、図４のグラフ４１に示すように補正量に応じてＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数が高くなるように変更することで、Ｙ軸側の通過周波数に制限を設ける。このようにして、制御目標値生成回路２１から得られるＹ軸側の揺れ補正量の増加を抑制することで、パンニング時の制御となる。ここで、揺れが大きくなり、補正光学系が可動範囲２１１を超えて可動範囲２１３まで移動した場合を想定しているので、当初の補正量の最大値は（ａ，ａ）である。ここから、Ｙ軸方向に補正量が大きくなった場合、（ａ，ｂ）で最大範囲２０２に到達する。そのため、補正量の最大値をｂとしている。そして、Ｙ軸側の補正量の最大値であるｂにおいては、カットオフ周波数を、カメラに加わる揺れ周波数の全てを通過させない最大値ｆｃ＿ｍａｘとすることにより、補正量ｂを超えることのなように制御することができる。

次に、カメラに加わる揺れを補正すべくＰ軸側に補正光学系２の補正量が増加した場合を図３（Ｂ）に示す。Ｐ軸側の補正量がａを超え、Ｙ軸の補正量がａ以下で示される補正光学系２の可動範囲２１２（Ｐ＝ａ〜ｂ，Ｙ＝０〜ａ）では、Ｐ軸の補正量に基づいて、ＨＰＦ＿Ｐ２５のカットオフ周波数を上げる。このように制御することにより、Ｐ軸側の通過周波数に制限が設けられるので、制御目標値生成回路２１から得られるＰ軸側の補正量の増加が抑制されて、パンニング制御が稼動することとなる。

更に、Ｐ軸側の補正量ｃから、矢印２２１に示すようなブレに伴うＹ軸側の補正量の増加が起こると、図４のグラフ４２に示すようにＹ軸側の補正量がａに至る前にＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数を上げ始める。このようにＹ軸側の通過周波数を制限することで、制御目標値生成回路２１から得られるＹ軸側の補正量の増加を抑制することによりパンニング時の制御となる。そして、Ｙ軸側の補正量ｃ’においてはＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数としてカメラに加わる揺れ周波数の全てを通過させない最大値ｆｃ＿ｍａｘの値を取ることにより、補正量ｃ’を超えることのない制御ができる。

また、例えば図３（Ｂ）に示すＰ軸側の補正量がｂの状態から、ブレ補正に伴うＹ軸側の補正量の増加が生じた場合には、カットオフ周波数を図４のグラフ４３に示すように変化させる。このように、Ｐ軸側の補正量が増えるにつれて、Ｙ軸側の補正量がより少ない段階から、カットオフ周波数を上げ始めるとともに、変化割合をさらに急峻な特性変化とする。そして、図３（Ｂ）から分かるように、Ｙ軸側の補正量がａになると、（ｂ，ａ）で最大範囲２０２に到達するので、ＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数は最大値ｆｃ＿ｍａｘの値を取る。

以上のように補正量に応じて、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を図４のグラフ４１〜４３に示すように連続的に変化させる。これにより、揺れ補正量を低周波側から緩やかに減衰させ、補正制御範囲２０１に至ってはその値を超えること無く、ブレ補正を停止させることができる。

なお、図３においては説明の便宜上、補正軸Ｙおよび補正軸Ｐで構成される可動範囲の第一象限（Ｙ、Ｐの補正量共に正）で説明したが、他の象限でも同様の動作がされるものである。

また、上述した図３に示す例では、ａ、ｂがＹ軸側及びＰ軸側で共通の値であるように説明したが、これらの値をＹ軸側とＰ軸側とで異なる値にしても良い。

次に、上述したパン・チルト判定回路３０の制御について、図５のフローチャートを参照して説明する。図５に示す処理は、カメラのブレ周波数よりも高い繰り返し周波数にて繰り返し行われる制御であって、例えば１００Ｈｚ周期で繰り返し実行される。

制御が開始されると、先ず、補正光学系２のＰ軸側の補正量（あるいは変位）Ｐｘの絶対値Ｐを算出し（Ｓ１１）、この絶対値Ｐの値が先に説明したａにより示される閾値以下であることかどうかを判定する（Ｓ１２）。絶対値Ｐが閾値ａ以下であればＳ１３へ、超えていればＳ１４へ進む。

Ｓ１３では、絶対値Ｐが閾値ａ以下に対応するＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数Ｙ＿ｆｃを算出する。絶対値Ｐが閾値ａ以下である場合には、図４を用いて説明したように、カットオフ周波数変化はグラフ４１で示されるＹ軸側の補正量の関数であり、下記の式により示される。
Ｙ_ｆｃ＝Ｙｄｅｆ（Ｙ）

一方、Ｓ１４では、絶対値Ｐが閾値ａを超えた場合のＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数Ｙ＿ｆｃを算出する。絶対値Ｐが閾値ａを超えている場合のカットオフ周波数の変化は、図４のグラフ４２、４３を含むａ〜ｂの領域内４４で示されるＹ軸及びＰ軸側の補正量の関数となり、下記の式により示される。
Ｙ_ｆｃ＝Ｙｄｅｆ（Ｙ，Ｐ）

続いてＹ軸側の処理を行う。補正光学系２のＹ軸補正量（あるいは変位）Ｙｘの絶対値Ｙを算出し（Ｓ１５）、この絶対値Ｙの値が先に説明したａにより示される閾値以下であるかどうかを判定する（Ｓ１６）。絶対値Ｙが閾値ａ以下であればＳ１７へ、超えていればＳ１８へ進む。

Ｓ１７では、絶対値Ｙが所定量ａ以下のＨＰＦ＿Ｐ２５のカットオフ周波数Ｐ＿ｆｃを算出する。絶対値Ｙが所定量ａ以下である場合には、上記と同様に下記の式で示される。
Ｐ_ｆｃ＝Ｐｄｅｆ（Ｐ）

一方、Ｓ１８では、絶対値Ｙが閾値ａを超えた場合のＨＰＦ＿Ｙ２４のカットオフ周波数Ｐ＿ｆｃを算出する。絶対値Ｙが所定量ａを超えている場合のカットオフ周波数の変化は、Ｐ，Ｙの補正量の関数となり下記の式で示される。
Ｐ_ｆｃ＝Ｙｄｅｆ（Ｐ，Ｙ）

以上のようにしてパン・チルト判定フローに伴うＨＰＦ＿Ｙ２４、ＨＰＦ＿Ｐ２５のカットオフ周波数を算出すると、処理を終了する。

以上のようにパン・チルト判定回路３０によるカットオフ周波数の制御を行うことで、揺れ補正された画像の安定性を向上させることができる。

なお、上記説明ではＹ＿ｆｃ、Ｐ＿ｆｃを求めるのに関数式を用いるとしているが、Ｙ、Ｐの値を引数としたルックアップテーブルを用いても良い。

＜他の実施形態＞
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。上述の実施形態の一部を適宜組み合わせてもよい。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (3)

1. 互いに直交する第１及び第２の方向の揺れをそれぞれ検出する検出手段と、
   カットオフ周波数が可変であり、前記検出手段の出力のうち低周波数成分を遮断するハイパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタからの出力に基づいて、前記第１及び第２の方向それぞれについて揺れを補正するための補正量を演算する演算手段と、
   前記演算手段により演算された前記第１及び第２の方向それぞれの補正量に基づいて、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を制御する制御手段と、
   前記演算手段により演算された前記第１及び第２の方向それぞれの補正量に基づいて、揺れを補正する補正手段とを有し、
   前記制御手段は、前記補正量が大きいほど、前記カットオフ周波数を高くすることを特徴とする撮像装置。
2. 前記補正手段は、光軸に対して直交する方向に光学部材を駆動することで撮像画像の揺れを補正する手段であって、
   前記制御手段は、前記第１及び第２の方向それぞれの補正量の最大値が、前記光学部材を駆動可能な範囲に収まるように、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 検出手段が、互いに直交する第１及び第２の方向の揺れをそれぞれ検出して出力する検出工程と、
   カットオフ周波数が可変なハイパスフィルタにより、前記検出工程での出力のうち、低周波数成分を遮断する遮断工程と、
   演算手段が、前記ハイパスフィルタからの出力に基づいて、前記第１及び第２の方向それぞれについて揺れを補正するための補正量を演算する演算工程と、
   制御手段が、前記演算工程で演算された前記第１及び第２の方向それぞれの補正量に基づいて、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を制御する制御工程と、
   補正手段が、前記演算工程で演算された前記第１及び第２の方向それぞれの補正量に基づいて、揺れを補正する補正工程とを有し、
   前記制御工程では、前記補正量が大きいほど、前記カットオフ周波数を高くすることを特徴とする揺れ補正方法。

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