JP2011114357A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天体等の移動による像ぶれを取り除くとともに、画像データを生成するための時間が長くなることも、画角が狭くなることもない撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光軸１０１ｂに垂直な平面内で移動する移動レンズ１０１ａを含む光学系１０１と、前記光学系１０１によって形成された光学像に基づく画像データを生成する撮像素子３０１と、地球の自転に合わせて前記移動レンズ１０１ａを移動させる制御手段３０５ａと、を備える、ことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、被写体の画像データを生成する撮像装置、特には、極めて緩やかな動きを示す被写体の撮影が可能な撮像装置に関するものである。

満天の星空を撮影しようとした場合、光量の不足から長秒露光が必要となる。しかし、地球の自転によって天体は常時移動しているから、概ね３０秒以上の露光を行なうと、天体の移動によって、天体が流れた画像データが生成されてしまう。この様子を図６に示した。地球の自転によって、天体は、撮像装置の画角内で、あるいは撮像装置の画角を越えて移動するので、天体が流れた画像データが生成されてしまう。

この問題は、赤道儀を用いることにより解決することができる。赤道儀は、望遠鏡や撮像装置を固定する架台である。赤道儀は、極軸を天の北極に向けてセットすることで、目標とする天体を自動的に追尾することができる。この様子を図７に示した。赤道儀には、三脚と一体になったものと、三脚と望遠鏡又は撮像装置の間に取り付けるものがある。図７は、後者の赤道儀を用いた場合を示している。

しかし、赤道儀は、ポータブルなものであっても高価である。さらに、撮像装置と三脚に加えて赤道儀をも持ち歩かなければならないし、その設定も容易とはいえない。また、赤道儀も電源を必要とするので、撮像装置と同様に、撮影中に電池が切れる心配がある。従って、赤道儀がなくとも天体等の撮影ができる撮像装置の登場が望まれる。

天体等を像ぶれなく撮影する撮像装置に関する先行技術文献として、特許文献１がある。特許文献１に記載の撮像装置は、天体等の撮影に要する露光時間を複数に分割し、それぞれの露光時間に得られた画像データに対して、天体等の移動による位置ずれを補正しつつ、これらの画像データを信号加算して一枚の画像データを生成する。

特開２００３−２５９１８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の撮像装置では、露光時間を複数に分割したとしても、天体等は常時移動しているから、天体等の移動による像ぶれを皆無とすることはできないという本質的な課題がある。分割された露光時間においても、天体等は微小な距離だけ移動しているからである。

また、天体等の移動による位置ずれを補正しつつ、事後的に複数の画像データを信号加算して一枚の画像データを生成するので、画像データの生成に時間を要するという課題がある。

長秒露光においては、一般的に、遮光した状態で露光時間と同じ時間だけ露光を行い、露光時間に得られた画像データから遮光した状態で得られた画像データを減算することによりノイズの除去を行なっている。従って、一枚の画像データを生成するために、少なくとも露光時間の倍の時間が必要である。これに複数の画像データを信号加算する時間が加わると、一枚の画像データを生成するための時間は、さらに長くなる。

さらに、天体等の位置が一致するように複数の画像データを信号加算するときに、全ての画像データが揃わない領域が発生する。すなわち、画像データの中心付近は、全ての画像データが揃うが、画像データの周辺では、全ての画像データが揃わない。複数の画像データを信号加算するときに、全ての画像データが揃う画像データの中心付近と全ての画像データが揃わない画像データの周辺との境界に輝度の段差が生じてしまう。従って、全ての画像データが揃う画像データの中心付近に限って、一枚の画像データを生成することになる。すなわち、生成された画像データの画素数は、複数の画像データの画素数よりも少なく、画角も狭くなる。

本発明は、前記課題を解決し、天体等の移動による像ぶれを取り除くとともに、画像データを生成するための時間が長くなることも、画角が狭くなることもない撮像装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、光軸に垂直な平面内で移動する移動レンズを含む光学系と、前記光学系によって形成された光学像に基づく画像データを生成する撮像素子と、地球の自転に合わせて前記移動レンズを移動させる制御手段と、を備える、ことを特徴とする。

この構成では、移動レンズが地球の自転に合わせて移動するので、天体等の移動によって像ぶれが発生することがない。また、露光時間を複数に分割して得た画像データを信号加算して一枚の画像データを生成するということがないので、一枚の画像データを生成するための時間が長くなるということも、画角が狭くなるということもない。

また、本発明の撮像装置は、光学系と、前記光学系の光軸に垂直な平面内で移動し前記光学系によって形成された光学像に基づく画像データを生成する撮像素子と、地球の自転に合わせて前記撮像素子を移動させる制御手段と、を備える、ことを特徴とする。

この構成では、撮像素子が地球の自転に合わせて移動するので、天体等の移動によって像ぶれが発生することがない。また、地球の自転に合わせて移動レンズを移動させる構成と同様に、露光時間を複数に分割して得た画像データを信号加算して一枚の画像データを生成するということがないので、一枚の画像データを生成するための時間が長くなるということも、画角が狭くなるということもない。

以上のように、本発明によれば、天体等の移動による像ぶれを取り除くとともに、画像データを生成するための時間が長くなることも、画角が狭くなるということもない撮像装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの外観図 本発明の実施の形態に係るデジタルカメラが三脚に固定された状態を示す図 本発明の実施の形態に係るデジタルカメラのブロック図 本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの動作の概要を説明する概念図 天体の回転角度の算出を説明する図 天体が流れた画像データが生成される様子を説明する概念図 赤道儀を用いた撮影を説明する概念図

以下、本発明の実施の形態に係る撮像装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
（１．構成）
（１−１．外観）
図１は、本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの外観図である。図１（ａ）は、正面図であり、図１（ｂ）は、背面図であり、図１（ｃ）は、底面図である。なお、図１には、いわゆるコンパクトタイプのデジタルカメラを示しているが、レンズ交換式のデジタルカメラであっても本発明を適用することができる。

デジタルカメラ１００の正面（図１（ａ）参照）には、撮像光学系１０１とフラッシュ１０２が配されている。撮像光学系１０１は、被写体像をデジタルカメラ１００内の撮像素子（図示せず）に結像させる。フラッシュ１０２は、暗所での撮影において、閃光を発して撮影光量の不足を補う。デジタルカメラ１００の上面には、シャッターボタン１０３が配されている。シャッターボタン１０３を押下すると、撮像素子に結像した被写体像に基づく画像データがメモリカード等の記録媒体（図示せず）に記録される。

なお、星空の撮影のように長秒露光を必要とする場合は、シャッターボタン１０３を一度押下することにより、あらかじめ設定した時間（例えば、３０秒）だけ露光を行なうようにすることができる。従って、長秒露光の露光中、シャッターボタン１０３を押下し続ける必要はない。また、星空の撮影の場合にフラッシュ１０２を使用しないことはいうまでもない。

デジタルカメラ１００の背面（図１（ｂ）参照）には、液晶モニター１０４、モードダイヤル１０５、各種操作ボタン１０６が配されている。液晶モニター１０４には、撮像素子に結像した被写体像に基づく画像が表示される。従って、液晶モニター１０４に表示された画像を観察しながら撮影のための構図を決定することができる。なお、シャッターボタン１０３が押下され露光が開始されたあとは、露光が終了するまで液晶モニター１０４に撮像素子に結像した被写体像に基づく画像は表示されない。星空の撮影のように長秒露光の場合には、露光の残り時間を液晶モニター１０４に表示することが多い。

また、液晶モニター１０４は、記録媒体に記録された画像データに基づく画像を表示することができる。モードダイヤル１０５を操作することで、デジタルカメラ１００の動作モードを決定することができる。デジタルカメラ１００の動作モードには、撮影モードと再生モードがある。

撮影モードは、シャッターボタン１０３を押下することにより、撮像素子に結像した被写体像に基づく画像データをメモリカード等の記録媒体に記録することができる動作モードである。撮影モードは、さらに全自動撮影モード、プログラム撮影モード、シャッター速度優先撮影モード、絞り優先撮影モード、シーン別撮影モードに細分される。シーン別撮影モードには、星空撮影モードが含まれる。星空撮影モードでは、露光時間を設定することができる。

再生モードは、記録媒体に記録された画像データに基づく画像を液晶モニター１０４に表示することができる動作モードである。

各種操作ボタン１０６を操作することで、撮影モードと再生モードにおける、さらに詳細な設定をすることができる。すなわち、撮影モードにおいては、露出補正、ホワイトバランス調整、フラッシュ１０２の発光に関する設定等を行うことができる。また、再生モードにおいては、液晶モニター１０４に表示された画像の拡大や縮小、液晶モニター１０４に同時に表示する画像の数の設定、メモリカード等の記録媒体に記録された画像データの検索等を行うことができる。

デジタルカメラ１００の底面（図１（ｃ）参照）には、収納部１０７と三脚固定穴１０８が配される。収納部１０７は、開閉が可能であり、収納部１０７の内部には、バッテリー（図示せず）とメモリカード等の記録媒体が収納される。三脚固定穴１０８は、内側面にネジが切られており、デジタルカメラ１００を三脚（後述）に固定することができる。

図２は、本発明の実施の形態に係るデジタルカメラが三脚に固定された状態を示す図である。

デジタルカメラ１００を三脚２００に固定して撮影を行うことで、手持ち撮影では不可避な手ぶれの影響による画像データの品質の劣化を回避することができる。三脚２００を使用した撮影は、必然的に長秒露光となり、手ぶれの影響が避けられない星空撮影や手ぶれの影響が顕著に現れる超望遠撮影等において、その効果を発揮する。
（１−２．ブロック構成）
図３は、本発明の実施の形態に係るデジタルカメラのブロック図である。

撮像光学系１０１は、被写体像を撮像素子であるＣＣＤイメージセンサー３０１に結像させる。撮像光学系１０１は、複数のレンズ群で構成されており、手ぶれ補正レンズ１０１ａを含む。手ぶれ補正レンズ１０１ａは、撮像光学系１０１内で、光軸１０１ｂと垂直な平面内を移動することによって、手ぶれによるデジタルカメラ１００の動きを打ち消す働きを担う。

ＣＣＤイメージセンサー３０１は、結像した被写体像に基づく画像信号を出力する。ＡＦＥ３０２は、ＣＣＤイメージセンサー３０１の出力するアナログ信号である画像信号をデジタル信号である画像データに変換し、バス３０３を経由してＳＤＲＡＭ３０４に格納する。本発明の実施の形態に係るデジタルカメラ１００では、撮像素子としてＣＣＤイメージセンサー３０１を採用するが、ＣＭＯＳイメージセンサー等その他の撮像素子であっても構わない。

信号処理ＬＳＩ３０５は、ＣＰＵ３０５ａ、信号処理部３０５ｂ、動き検出部３０５ｃで構成されている。ＣＰＵ３０５ａは、デジタルカメラ１００全体の制御を行う。信号処理部３０５ｂは、ＡＦＥ３０２によってＳＤＲＡＭ３０４に格納された画像データを液晶モニター１０４での表示に適した画像データに変換し、液晶モニター１０４に出力する。シャッターボタン１０３の半押しによって合焦動作が開始され、全押しによって撮影が行われる。信号処理部３０５ｂは、ＳＤＲＡＭ３０４に格納された画像データが、シャッターボタン１０３の全押しによって格納された画像データであるときは、メモリカード３０６での記録に適した画像データに変換し、メモリカード３０６に記録する。メモリカード３０６に記録された画像データは、信号処理部３０５ｂによって、液晶モニター１０４での表示に適した画像データに変換され、液晶モニター１０４に表示される。

ジャイロセンサー３０７は、デジタルカメラ１００の動きに対応した動き信号を出力する。動き検出部３０５ｃは、ジャイロセンサー３０７の出力する動き信号をＣＰＵ３０５ａに出力する。ＣＰＵ３０５ａは、動き検出部３０５ｃから出力された動き信号に基づいて、デジタルカメラ１００の動きを打ち消す方向に手ぶれ補正レンズ１０１ａを動かすようレンズ駆動回路３０８に制御信号を送る。なお、手ぶれ補正レンズ１０１ａを動かす代わりに、ＣＣＤイメージセンサー３０１を動かすことによって、手ぶれを補正してもよい。
（２．動作）
（２−１．概要）
図４は、本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの動作の概要を説明する概念図である。

星空の撮影においては、デジタルカメラ１００が三脚２００に固定されており、手ぶれを補正する必要がないので、手ぶれ補正レンズ１０１ａを動かす必要がない。そこで、天体の動きを打ち消すために、手ぶれ補正レンズ１０１ａを動かす。なお、ＣＣＤイメージセンサー３０１を動かすことによって同様の効果を得ることもできる。ここでは、手ぶれ補正レンズ１０１ａを動かす実施の形態を中心に説明する。

天体の動きを打ち消すために、手ぶれ補正レンズ１０１ａを動かすには、デジタルカメラ１００の位置情報と方位情報と仰角情報が必要となる。
（２−１−１．位置情報）
近時、ＧＰＳを内蔵するデジタルカメラが登場している。このようなデジタルカメラであれば、内蔵するＧＰＳから位置情報（緯度）を取得することができる。また、ポータブルなＧＰＳ内蔵機器も市販されている。このようなＧＰＳ内蔵機器を別途携帯している場合は、各種操作ボタン１０６を用いて、ＧＰＳ内蔵機器から得た位置情報をデジタルカメラ１００に入力するようにしてもよい。身近なＧＰＳ内蔵機器として、例えば、携帯電話がある。

なお、ＧＰＳによる位置情報が得られない場合は、各種操作ボタン１０６を用いて、概略の位置情報をデジタルカメラ１００に入力してもよい。概略の位置情報として、例えば、国名や都道府県名が考えられる。ＣＰＵ１０５ａは、入力された国名や都道府県名と代表緯度との対照表を参照して位置情報を得る。国名や都道府県名と代表緯度との対照表は、例えば、信号処理ＬＳＩ３０５内の記憶部（図示せず）に記憶しておけばよい。
（２−１−２．方位情報）
方位情報とは、デジタルカメラ１００の撮像光学系１０１の光軸１０１ｂがどちらの方角を向いているかを示す情報である。デジタルカメラが電子コンパス（磁気センサー）を内蔵している場合は、内蔵する電子コンパスから方位情報（東西南北）を取得することができる。

また、電子コンパスや方位磁石を別途携帯している場合は、各種操作ボタン１０６を用いて、電子コンパスや方位磁石から得た方位情報をデジタルカメラ１００に入力するようにしてもよい。さらに、使用者が概略の方位情報を認識している場合は、これらの機器に頼らず、各種操作ボタン１０６を用いて、概略の方位情報をデジタルカメラ１００に入力するようにしてもよい。
（２−１−３．仰角情報）
仰角情報とは、デジタルカメラ１００の撮像光学系１０１の光軸１０１ｂが水平に対してどの程度上方を向いているかを示す情報である。

手ぶれ補正レンズ１０１ａは、電磁アクチュエータ（図示せず）によって、光軸１０１ｂと垂直な面内を一定の範囲で移動できるように構成されている。重力に逆らって、手ぶれ補正レンズ１０１ａの中心を光軸１０１ｂ上に位置させるためには、電磁アクチュエータに一定の電流を供給する必要がある。

ここで、手ぶれ補正レンズ１０１ａの中心を光軸１０１ｂ上に位置させるために電磁アクチュエータに供給する電流は、光軸１０１ｂが水平のときに最大となる。そして、光軸１０１ｂが水平から上方を向くに従って、この電流は小さくなる。従って、手ぶれ補正レンズ１０１ａの中心を光軸１０１ｂ上に位置させるために電磁アクチュエータに供給する電流の大きさから仰角情報を取得することができる。なお、手ぶれ補正レンズ１０１ａの位置は、磁石とホール素子（いずれも図示せず）によって取得することができる。

また、デジタルカメラが傾きセンサーを内蔵している場合は、内蔵する傾きセンサーから仰角情報を取得することもできる。例えば、デジタルカメラが角速度センサーを内蔵している場合は、内蔵する角速度センサーから仰角情報を取得することもできる。
（２−２．天体の回転角度の算出）
次に、図５を用いて、デジタルカメラ１００の位置情報と方位情報と仰角情報から手ぶれ補正レンズ１０１ａをどのように動かすかについて説明する。図５は、天体の回転角度の算出を説明する図である。

地球は、地軸を軸として２３時間５６分４秒で一回転するので（自転）、自転速度、すなわち天体の移動速度は、０．２５°／分である。天体は、地軸を中心にして東から西に回転移動する。

デジタルカメラ１００の撮像光学系１０１の光軸１０１ｂは、任意の方角を向いているので、仰角情報から、東西方向と南北方向のそれぞれについて、仰角を求めなければならない。東西方向に対する仰角θｅｗと南北方向に対する仰角θｓｎは、方位情報と仰角情報から算出することができる。

ここで、光軸１０１ｂと地軸のなす角をθ１とし、光軸１０１ｂと東西方向のなす角をθ２とすると、
θ１＝θｓｎ−緯度・・・（１）
θ２＝θｅｗ ・・・（２）
となる。緯度は、位置情報から得られる。そうすると、東西方向のＸ分間の回転角度と南北方向のＸ分間の回転角度（°）は、それぞれ以下のようになる。

東西方向のＸ分間の回転角度≒（０．２５×Ｘ）ｓｉｎθ１ ・・・（３）
南北方向のＸ分間の回転角度≒ｓｉｎθ１×ｓｉｎ（θ２＋０．２５×Ｘ）・・・（４）
従って、式（３）（４）に示す天体の動きを打ち消すように手ぶれ補正レンズ１０１ａを動かせばよい。具体的には、まず、主光線が最も東側によるように手ぶれ補正レンズ１０１ｂを動かしておく。このとき、手ぶれ補正レンズ１０１ｂが東側によるか西側によるかは、撮像光学系１０１の構成によって決まる。次に、シャッターボタン１０３の押下によって露光を開始し、露光時間の経過とともに主光線が徐々に東側から西側に移動するように手ぶれ補正レンズ１０１ｂを動かす。

星野撮影のように主に天体のみを撮影するのであれば、上記の通りでよい。しかし、星景撮影のように天体だけではなく地上の風景も含んだ撮影をするのであれば、上記の通り天体の移動に完全に追従すると地上の風景がぶれてしまうので、移動速度を０．１２５°／分程度とするのが望ましい。各種操作ボタン１０６を用いて、移動速度をデジタルカメラ１００に入力できるようにしてもよいし、星野撮影と星景撮影を切り換えられるようにしてもよい。
（実施の形態２）
実施の形態２では、信号処理ＬＳＩ３０５の信号処理部３０５ｂが画像データから動きベクトルを検出する機能を備えるものとする。その他の構成は、実施の形態１と同じであるので、説明を省略する。

まず、星空撮影の準備動作を行なう。準備動作では、ＣＣＤイメージセンサー３０１は、連続して画像信号を出力し、ＡＦＥ３０２は、連続して画像データをＳＤＲＡＭ３０４に格納している。信号処理部３０５ｂは、連続してＳＤＲＡＭ３０４から画像データを読み出して動きベクトルを検出する。

準備動作は、所定の時間、例えば、１分間行なわれるので、ＣＰＵ３０５ａは、信号処理部３０５ｂが検出した動きベクトルの大きさと向きから天体の移動速度と向きを知ることができる。

なお、準備動作において、星景撮影の場合は、動きベクトルを検出する対象となる天体を指定しておくことが望ましい。星景撮影では、地上の方が明るいため、動きベクトルの検出が困難になる場合があるからである。天体の指定は、各種操作ボタン１０６を用いて行なってもよいし、液晶モニター１０４がタッチパネルを備える場合は、タッチパネルにて行なってもよい。

ＣＰＵ３０５ａが天体の移動速度と向きを知ることができれば、実施の形態１と同様に、まず、主光線が最も東側によるように手ぶれ補正レンズ１０１ｂを動かし、次に、シャッターボタン１０３の押下によって露光を開始し、露光時間の経過とともに主光線が徐々に東側から西側に移動するように手ぶれ補正レンズ１０１ｂを動かせばよい。
（その他の実施の形態）
方位情報が得られない場合において、液晶モニター１０４に北極星が表示されているときは、北極星を指定できるようにしてもよい。北極星の指定は、各種操作ボタン１０６を用いて行なってもよいし、液晶モニター１０４がタッチパネルを備える場合は、タッチパネルにて行なってもよい。ただし、全ての天体は北極星を中心に回転移動しているので、液晶モニター１０４の中央付近に北極星を捉える画角での撮影は好ましくない。北極星を中心とする円を考えたときに、一方の半円では天体の移動による像ぶれを取り除くことができるが、他方の半円では天体の移動と略同じ向きに手ぶれ補正レンズ１０１ｂが動くことによって、天体の移動と手ぶれ補正レンズ１０１ｂの動きが加算されてしまうからである。

本発明によれば、天体等の移動による像ぶれを取り除くとともに、画像データを生成するための時間が長くなることも、画角が狭くなるということもないので、レンズ交換式であるか否かを問わずデジタルカメラ等の撮像装置に適用して有用である。

１００ デジタルカメラ
１０１ 撮像光学系
１０１ａ 手ぶれ補正レンズ
１０１ｂ 光軸
１０２ フラッシュ
１０３ シャッターボタン
１０４ 液晶モニター
１０５ モードダイヤル
１０６ 各種操作ボタン
２００ 三脚
３０１ ＣＣＤイメージセンサー
３０２ ＡＦＥ
３０３ バス
３０４ ＳＤＲＡＭ
３０５ 信号処理ＬＳＩ
３０５ａ ＣＰＵ
３０５ｂ 信号処理部
３０５ｃ 動き検出部
３０６ メモリカード
３０７ ジャイロセンサー
３０８ レンズ駆動回路

Claims (4)

1. 光軸に垂直な平面内で移動する移動レンズを含む光学系と、
   前記光学系によって形成された光学像に基づく画像データを生成する撮像素子と、
   地球の自転に合わせて前記移動レンズを移動させる制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   自身の位置情報と方位情報と仰角情報に基づいて、前記移動レンズを移動させる、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 光学系と、
   前記光学系の光軸に垂直な平面内で移動し前記光学系によって形成された光学像に基づく画像データを生成する撮像素子と、
   地球の自転に合わせて前記撮像素子を移動させる制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   自身の位置情報と方位情報と仰角情報に基づいて、前記撮像素子を移動させる、
   ことを特徴とする撮像装置。
3. 光軸に垂直な平面内で移動する移動レンズを含む光学系と、
   前記光学系によって形成された光学像に基づく画像データを生成する撮像素子と、
   撮影準備動作において前記撮像素子によって生成された画像データから動きベクトルを検出する動きベクトル検出手段と、
   撮影動作において前記動きベクトル検出手段によって検出された動きベクトルに基づいて前記移動レンズを移動させる制御手段と、
   を備える、
   ことを特徴とする撮像装置。
4. 光学系と、
   前記光学系の光軸に垂直な平面内で移動し前記光学系によって形成された光学像に基づく画像データを生成する撮像素子と、
   撮影準備動作において前記撮像素子によって生成された画像データから動きベクトルを検出する動きベクトル検出手段と、
   撮影動作において前記動きベクトル検出手段によって検出された動きベクトルに基づいて前記移動レンズを移動させる制御手段と、
   を備える、
   ことを特徴とする撮像装置。

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