JP2011118073A - 画像振れ補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パン又はチルト操作の終了時に発生する画像のゆれ戻しがあっても、撮像中はその影響を全く受けない画像振れ補正を実現できる。
【解決手段】振動に対応する角速度信号を出力する角速度検出手段１０１と、前記角速度信号に基づいて前記振動を打ち消すために可動部を駆動する駆動手段１０６と、前記可動部の位置に対応する位置信号を出力する位置検出手段１０７と、前記位置信号を微分する微分手段１０８と、前記角速度信号から前記微分された位置信号を減算する減算手段と、前記減算手段の減算結果に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディジタルスチルカメラ等における画像振れを補正する画像振れ補正装置に関する。

テレビカメラ等の画像振れ補正装置として、撮影光学系に防振レンズを光軸と直交する面内で移動自在に配置し、カメラ（カメラの撮影光学系）に振動が加わると、その振動を打ち消す方向に防振レンズをアクチュエータで駆動して画像振れを補正するようにしたものが知られている。このような画像振れ補正装置では、カメラに加わった振動を角速度センサによって検出し、その角速度センサから出力される振れ信号を積分することによって画像振れを補正するための防振レンズの変位量が求められるようになっている。

ところで、角速度センサから出力される振れ信号には、手振れのような補正すべき振動に起因する信号の他に、パン操作やチルト操作のような撮影者の意図的なカメラ操作に起因する信号等も含まれている。従って、単に振れ信号に基づいて防振レンズを駆動すると、パン又はチルト操作時にも画像振れ補正が行われる。しかしながら、パン又はチルト操作時に画像振れ補正が行われると、パン又はチルト操作終了後に画像振れ（ゆれ戻し）が生じ、カメラ操作や映像に違和感が生じるため好ましくない。

そこで、角速度センサから出力された振れ信号がパン又はチルト操作によるものか否かを判断し、パン又はチルト操作によるものと判断した場合には画像振れ補正を停止し、防振レンズを可動範囲の中心（変位量０とする基準位置）に戻して停止させておくようにしたゆれ戻し補正が構成されている。

ところで、パン又はチルト操作の終了時には、カメラの角速度の急激な変化による検出信号処理系で使用されているＨＰＦ（ハイパスフィルタ）や積分器の残留信号等により振れ信号が厳密には０にならず、漸進的に０値に近づく。このため、画像振れ補正を再開する際に防振レンズがこの振れ信号により大きく動き、画像のゆれ戻しが発生する。このようなゆれ戻しが発生すると、正確で素早いフレーミングを行うことができないという問題があった。

このようなゆれ戻しを防ぐための技術として、特許文献１には、パンニング操作の終了が検知されることにより、振れ出力信号のゲインを変更するゲイン変更手段を有する像振れ補正機能付き光学機器について開示されている。

また特許文献２には、同様の目的で、角速度の信号処理系フィルタのカットオフ周波数を、パンニング操作の終了が検知されることにより、段階的に変化させる手段を有する像振れ補正機能付き光学機器について開示されている。

図４に従来の画像振れ補正システムのブロック図を示す。

図において、３００は従来の画像振れ補正システム、３０１はジャイロセンサ、３０２はジャイロセンサ３０１で検出した角速度を信号処理する信号処理部、３０３はアンプ、３０４はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、３０５は積分器、３０６はゲイン調整部、３０７はＰＤ制御器、３０８はアクチュエータ、３０９は位置センサである。ジャイロセンサ３０１で検出された角速度は、アンプ３０３で増幅された後、ＨＰＦ３０４において、直流成分を遮断され、積分器３０５において角度に変換される。ゲイン調整部３０６の出力は、ＰＤ制御器３０７、アクチュエータ３０８、および位置センサ３０９で構成されるアクチュエータ位置制御系への位置指令として入力される。

図５は、入力を画像振れ角度、出力を補正角度とした場合の画像振れ補正システム３００のゲイン伝達特性である。補正すべき帯域は一般的に１〜２０Ｈｚであり、この帯域においてゲイン０ｄＢになるように設計される。低域側（１Ｈｚ）の折れ点周波数は、図４のＨＰＦ３０４のカットオフ周波数ｆｈと積分器３０５のカットオフ周波数ｆｉで決まり、高域側（２０Ｈｚ）の折れ点周波数は、ＰＤ制御器３０７、アクチュエータ３０８、および位置センサ３０９で構成されるアクチュエータ位置制御系の応答で決まる。

図６は、パン又はチルト操作後の防振レンズ位置の過渡現象を示す時間応答図である。応答時間は、図５で説明した低域側の折れ点周波数で決まり、折れ点周波数が低い程、図６の応答時間は長くなる。例えば、ｆｈ＝５０ｍＨｚ、ｆｉ＝５０ｍＨｚとすると、応答時定数τ＝（１／２πｆｈ）＋（１／２πｆｉ）＝約６．４秒となる。当然のことながら、この応答中に撮影が行われると（図６に「撮像時間」と記載）、振れ画像が撮影されることになる。

以上の応答時間を短縮するために、特許文献２では、積分器３０５のカットオフ周波数ｆｉを時間的に変化させると記載されている。例えばｆｉ＝５００ｍＨｚから時間と共にｆｉ＝５０ｍＨｚに変化させた場合を考えると、図６の破線のように応答時間は短縮される（ｆｉ＝５００ｍＨｚ固定の波形が一点鎖線、ｆｉ＝５０ｍＨｚ固定の波形が実線、時間的にｆｉを変化させた波形が破線）が、ｆｉを一時的に高くするということは、図５の一点鎖線で示したように、画像振れ補正帯域の低域側性能が劣化することを意味する。以上のように、ゆれ戻しの応答時間短縮と、画像振れ補正性能はトレードオフの関係にある。

特開平１０−２１３８３２号公報 特開２００６−１１３２６４号公報

従来の画像振れ補正装置は、以上のように構成されているため、パン又はチルト操作の終了時に発生する画像のゆれ戻しに対して、振れ信号のゲインやフィルタのカットオフ周波数を時間と共に変更して、画像のゆれ戻しを低減できる。しかしゲインやカットオフ周波数を変化させている時間は、画像振れ補正性能が犠牲になっており、言い換えれば、パン又はチルト操作の終了後、即座に所定の画像振れ補正性能が発揮できないという課題があった。

本発明における画像振れ補正装置は、角速度センサによって検出された信号の信号処理系に、ＨＰＦや積分器を使用しないことを特徴としている。前記信号処理系の出力は、防振レンズもしくは撮像素子を駆動するアクチュエータ制御系への速度指令値である。なお、画像振れ補正には、防振レンズを駆動して画像振れを補正する方式の他に、撮像素子を駆動して画像振れを補正する方式が存在する。

アクチュエータ制御系は、アクチュエータ、位置センサ、制御器から成り立っており、撮像中は位置センサの微分値（防振レンズ速度）を前記速度に追従させる速度制御系として動作し、撮像中以外の時は前記速度制御系に、画像振れ帯域よりも低周波側で位置帰還がかかる位置制御系が付加されて動作する。これにより、撮像中以外の時は緩やかな応答で防振レンズが可動範囲の中心に制御されつつ、角速度センサで検出された角速度に防振レンズ速度が追従して動作し、撮像中は角速度センサで検出された角速度に防振レンズ速度が追従するだけの動作になる。撮像中は、従来のような画像振れ補正の応答を支配するＨＰＦや積分器が存在しないので、飛躍的な高速応答が得られ、パン又はチルト操作の終了時に発生する画像のゆれ戻しがあっても、撮像中はその影響を全く受けない画像振れ補正を実現できる。

上記目的を達成するために本発明に係る画像振れ補正装置は、光学系に加えられた振動に対応する角速度を検出する角速度検出手段と、前記光学系に加えられた振動に起因する画像振れを打ち消すように前記角速度検出手段で検出した角速度を信号処理し、画像偏心指令を演算する信号処理手段と、レンズ又は撮像素子を駆動し、画像を偏心させる画像偏心手段と、前記偏心量を検出する画像偏心量検出手段と、前記信号処理手段で信号処理された画像偏心指令と、前記画像偏心量検出手段によって検出された画像偏心量の差を演算し、その演算結果に基づき、前記画像偏心手段を制御する画像偏心制御手段と、を備える画像振れ補正装置において、前記信号処理手段に積分処理を含まず、その出力である画像偏心指令が画像偏心速度の指令であり、かつ、画像偏心量検出手段によって検出された偏心量を微分する微分処理を画像偏心制御手段が含んでいることを特徴とする。

また、本発明に係る画像振れ補正装置は、画像偏心制御手段が、画像振れ補正帯域よりも低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタを有し、前記低域通過フィルタを通過した画像振れ補正帯域よりも低い画像偏心量と、前段落記載の偏心量の微分処理によって得た偏心速度の２系統の制御要素を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る画像振れ補正装置は、撮像中においては、低域通過フィルタ系統を遮断することを特徴とする。

また、本発明に係る画像振れ補正装置は、画像偏心制御手段が、画像偏心手段に加わる重力や駆動摩擦負荷などの外乱を検出する外乱推定器を有することを特徴とする。

また、本発明の画像振れ補正装置は、角速度検出手段が、直流ドリフトが小さい水晶発振タイプのジャイロセンサであることを特徴とする。

以上説明したように本発明に係る画像振れ補正装置によれば、撮像中は角速度センサにより検出される角速度に、防振レンズ又は撮像素子の速度が追従するように制御し、時間応答を支配する積分器等の信号処理要素がないため、高速応答が可能となり、パン又はチルト操作の終了後の撮像中は、画像のゆれ戻しがあったとしても、即座に所定の画像振れ補正性能が発揮でき、良好な画像振れ補正を実現できるという効果がある。

手振れ補正光学系を有する撮像装置の概略構成図 本発明の一実施例の画像振れ補正システムのブロック図 本発明の一実施例における手振れ補正レンズ位置の過渡現象を示す時間応答図 従来の画像振れ補正システムのブロック図 従来例における画像振れ補正システムのゲイン伝達特性図 従来例における防振レンズ位置の過渡現象を示す時間応答図

図１は、手振れ補正光学系を有する撮像装置の概略構成図である。図において、２００は撮像装置、２０１はレンズ群、２０２は対物レンズ、２０３はズームレンズ、２０４は絞り、２０５は手振れ補正レンズ（防振レンズ）、２０６はフォーカスレンズ、２０７はＣＣＤ（電荷結合素子）、２０８は画像検出手段、２０９はＣＣＤ駆動制御手段、２１０は角速度センサ、２１１は角速度センサ２１０の出力信号を増幅するための増幅回路、２１２はアナログ信号である増幅回路２１１出力信号をディジタル化するためのＡ／Ｄ変換器、２１３はＡ／Ｄ変換器２１２で変換されたディジタルデータを基に手振れ補正レンズ２０５をどのように駆動するかを決定するマイクロコンピュータ、２１４はマイクロコンピュータ２１３のディジタル出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器、２１５は手振れ補正レンズ２０５を移動させるための駆動制御手段、２１６は手振れ補正レンズ２０５の位置検出手段である。

撮像装置２００の手振れ角速度は角速度センサ２１０によって検出され、増幅回路２１１、Ａ／Ｄ変換器２１２を経てマイクロコンピュータ２１３に入力される。マイクロコンピュータ２１３では、角速度センサ２１０で検出した角速度を信号処理し、手振れ補正レンズ２０５の指令信号を生成する。指令信号はＤ／Ａ変換器２１４を経てアナログ信号に変換され、駆動制御手段２１５に入力される。駆動制御手段２１５と位置検出手段２１６はフィードバック系を構成しており、前記指令信号に基づいて手振れ補正レンズ２０５の制御を行う。

図２に本発明の一実施例の画像振れ補正システムのブロック図を示す。

図において、１００は本発明の一実施例の画像振れ補正システム、１０１はジャイロセンサ、１０２はジャイロセンサ１０１で検出した角速度を信号処理する信号処理部、１０３はアンプ、１０４はゲイン調整部、１０５はＰＩ制御器、１０６はアクチュエータ、１０７は位置センサ、１０８は微分器、１０９は位置帰還ゲイン、１１０は低域通過フィルタ、１１１は撮像中に低域通過フィルタ１１０の出力を遮断するスイッチである。

ジャイロセンサ１０１で検出された角速度は、アンプ１０３で増幅された後、ゲイン調整部１０４にてゲイン調整され、そのまま出力される。従来の画像振れ補正システム３００に存在するＨＰＦ３０４と積分器３０５は存在しない。ゲイン調整部１０４の出力は、ＰＩ制御器１０５、アクチュエータ１０６、および位置センサ１０７で構成されるアクチュエータ制御系への速度指令として入力される。

撮像中はスイッチ１１１の作用により、位置帰還ゲイン１０９と低域通過フィルタ１１０で構成される位置帰還ループが切断されるため、微分器１０８で構成される速度帰還ループだけの制御となる。

撮像中以外の時は、スイッチ１１１の作用により、位置帰還ループが働く。位置帰還ループ中の低域通過フィルタ１１０は、手振れ補正帯域よりも低い帯域の周波数成分を通過させる。ジャイロセンサ１０１で検出された角速度信号の内、手振れ補正帯域よりも低い帯域の周波数成分は、ジャイロセンサ１０１が持つわずかな低周波ドリフトノイズのみであり、実質的に０である。従い、前記位置帰還ループは０の位置指令に従い、手振れ補正レンズ２０５の位置を追従させる作用があるため、低域通過フィルタ１１０のカットオフ周波数ｆｘで決まる緩やかな応答で手振れ補正レンズ２０５の位置は可動範囲中心に移動（レンズセンタリング）することになる。

従来の画像振れ補正システムとの違いは、アクチュエータ制御系への指令が位置指令ではなく速度指令であることであり、低周波応答を支配するＨＰＦ３０４と積分器３０５が存在しないため、高速応答が可能になる。

図３は、パン又はチルト操作後の手振れ補正レンズ２０５位置の過渡現象を示す時間応答図である。おおよそ図６の破線と同様の挙動を示すが、撮像中は速度帰還ループのみの制御となり、位置帰還ループの作用であるレンズセンタリング動作が停止するので、手振れ補正レンズ２０５位置は変化しない。

さらにパン又はチルト操作の終了時、従来の画像振れ補正システム３００では積分器３０５のカットオフ周波数ｆｉを時間と共に変化させていたが、本発明の一実施例の画像振れ補正システム１００では低域通過フィルタ１１０のカットオフ周波数ｆｘを同様に変更することで、撮像中以外の時に液晶モニター等に表示される画像の応答性を向上させることもできる。

本発明の画像振れ補正システム１００によって十分な画像振れ補正性能を得ることができるが、比較的重い手振れ補正レンズを使用したり、手振れ補正レンズ２０５の駆動摩擦負荷が大きかったりする場合は、外乱オブザーバ制御を前記アクチュエータ制御系に付加して外乱抑圧特性を高めるようにしてもよい。外乱オブザーバとは、制御対象に入力する操作量と、制御対象の出力である制御量のふたつの情報から制御対象に加わる外乱を推定するものである。例えば、制御対象の伝達特性をP、操作量をｕ、制御量をｘとすると、x＝P・ｕとなるが、制御対象に外乱ｄが加わると、ｘ＝Ｐ・ｕ＋ｄとなる。外乱ｄは、ｄ＝ｘ−Ｐ・ｕの演算によって求めることができる。外乱オブザーバ制御とは、前記演算で求めた外乱値を、操作量から予め減算することによって外乱をキャンセルし、耐外乱性能を改善する制御方法である。

また、本発明の一実施例の画像振れ補正システム１００では、従来の画像振れ補正システム３００に設置されていたＨＰＦ３０４を設置していない。これによりジャイロセンサ１０１の低周波ドリフトノイズに敏感になり、低周波で補正レンズ２０５が動いてしまう場合がある。このような場合は、低周波ドリフトノイズが小さい水晶ジャイロセンサを使用するようにするとよい。

本発明は、ディジタルスチルカメラなどの撮像装置に利用可能である。

１０１ ジャイロセンサ
１０２ 信号処理部
１０３ アンプ
１０４ ゲイン調整部
１０５ ＰＩ制御器
１０６ アクチュエータ
１０７ 位置センサ
１０８ 微分器
１０９ 位置帰還ゲイン
１１０ 低域通過フィルタ
１１１ スイッチ

Claims (5)

1. 振動に対応する角速度信号を出力する角速度検出手段と、
   前記振動を打ち消すために可動部を駆動する駆動手段と、
   前記可動部の位置に対応する位置信号を出力する位置検出手段と、
   前記位置信号を微分する微分手段と、
   前記角速度信号から前記微分された位置信号を減算する減算手段と、
   前記減算手段の減算結果に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする画像振れ補正装置。
2. 前記位置信号の低域周波数帯を通過させる低域通過手段と、
   前記減算手段の減算結果から、前記低域通過手段の出力をさらに減算する第二の減算手段と、
   をさらに備え、
   前記制御手段は、
   前記第二の減算手段の減算結果に基づいて前記駆動手段を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像振れ補正装置。
3. 撮像中において、前記第二の減算手段における減算を行わないようにするために、前記低域通過手段の出力を遮断する切替手段
   をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像振れ補正装置。
4. 前記制御手段は、
   前記可動部に加わる外乱を検出する外乱推定器を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像振れ補正装置。
5. 前記加速度検出手段は、
   水晶発振型ジャイロセンサである、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の画像振れ補正装置。

Images