JP2012128050A - 光学機器および姿勢検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 重力方向に直交する水平軸周り（上下方向）の３６０度全周の姿勢を安価で高精度に検知する。
【解決手段】 光学部材を光軸方向に駆動する光軸方向移動用駆動手段と、光学部材が重力に抗して位置を維持するための制御値を検知する制御値検知手段と、制御値検知手段により検知された制御値の履歴を記憶する制御値記憶手段と、光学部材を移動可能に保持する保持手段の回動方向が上下方向であることを判別する方向判別手段と、制御値記憶手段に記憶された制御値の履歴と方向判別手段で判別した方向に基づいて姿勢を算出する姿勢算出手段とを有し、姿勢算出手段は、制御値の変化量（ΔＦｆ）の符号と方向判別手段により判別された上下方向（Ｔｊ）の符号の比較（Ｓ１８４）、および前記制御値（Ｆｆ）に基づいて姿勢を算出する（Ｓ１８６，１８８）。
【選択図】 図７

Description

本発明は、撮影レンズや撮像装置などの姿勢を検知する光学機器および姿勢検知方法に関する。

撮影レンズもしくは撮像装置に作用する重力による影響を除外するために、姿勢を検知することが必要とされることが多い。例えば、像振れ補正機能を有する撮影レンズや撮像装置では、振れ補正レンズが光軸と垂直な面内に動くことが可能な構造となっているものがあり、重力の影響を受け、振れ補正レンズが変位する。撮影レンズや撮像装置の姿勢が変化した場合においても姿勢が検知できれば、振れ補正レンズの変位のうち、重力による成分をキャンセルすることも可能である。

撮像装置の姿勢を検知する方法として、フォーカスレンズの保持力を監視する方法がＷＯ２００６／１００８０４（特許文献１）により知られている。この方法では、センサーなどを追加する必要がないため安価に姿勢検知を実現できる。

ＷＯ２００６／１００８０４

しかしながら、特許文献１の構成では、重力方向に直交する水平軸周り（上下方向）の３６０度全周囲の姿勢を検知できない。特に、上向き姿勢を超える姿勢や下向き姿勢を超える姿勢を検知することが望まれる。

（発明の目的）
本発明の目的は、重力方向に直交する水平軸周りの３６０度全周の姿勢を安価で高精度に検知することができる光学機器および姿勢検知方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の光学機器は、光軸方向に移動可能な光学部材と、前記光学部材を光軸方向に移動可能な状態で保持する保持手段と、前記光学部材を駆動する光軸方向移動用駆動手段と、前記光学部材が重力に抗して位置を維持するための制御値を検知する制御値検知手段と、前記制御値検知手段により検知された制御値の履歴を記憶する制御値記憶手段と、前記保持手段の回動方向が上下方向であることを判別する方向判別手段と、前記制御値記憶手段に記憶された制御値の履歴と前記方向判別手段で判別した方向に基づいて姿勢を算出する姿勢算出手段とを有し、前記姿勢算出手段が、前記制御値の変化量の符号と前記方向判別手段により判別された上下方向の符号の比較、および前記制御値に基づいて前記姿勢を算出することを特徴とするものである。

本発明によれば、重力方向に直交する水平軸周り（上下方向）の３６０度全周の姿勢を安価で高精度に検知することができる。

本発明の実施例である撮影レンズの構成を示す図である。 実施例の撮影レンズの正姿勢を示す図である。 実施例の撮影レンズの姿勢変化を説明する図である。 実施例の撮影レンズに作用する重力方向を説明する図である。 実施例の撮影レンズに作用する重力成分の変化を示す図である。 実施例のシフトレンズの重力補正動作を説明する図である。 実施例の姿勢検知動作を説明するフローチャートである。 実施例の撮影レンズの重力方向、回動方向の向きを説明する図である。 実施例の電源投入時のシフトレンズの重力補正動作を説明するフローチャートである。 実施例の撮影レンズの電源投入時の姿勢検知動作を説明するフローチャートである。

本発明を実施するための形態は、以下の実施例に記載される通りである。ただし、本発明はこの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

以下、図１から図１０を参照して、本発明の実施例である撮影レンズについて説明する。

（構成）
図１は、姿勢検知を行う撮影レンズの構成を示すブロック図である。撮影レンズ１は、不図示のカメラに対して交換可能に取り付けられるようになっており、２を光軸とする。１０１は光学部材であるフォーカスレンズであり、光軸２の方向に移動可能な状態で、保持手段である支持バー１０３に取り付けられている。

光学部材としてフォーカスレンズ１０１を挙げているが、光軸方向に移動可能な光学部材であれば良く、ズームレンズでも良い。

１０２は光軸方向移動用駆動手段であるフォーカスアクチュエータであり、磁石とコイルの組合せによる電磁力駆動方式としている。この他にもステッピングモータやＤＣモータによるアクチュエータなどフォーカスレンズ１０１を光軸方向に移動させることが可能なものであればよく、電磁力駆動方式に限定するものではない。１０４はフォーカスアクチュエータ１０２の駆動を制御する、制御値検知手段であるフォーカス駆動制御部である。制御値は、フォーカスレンズ１０１が重力に抗して位置を維持するための値である。１０５は、フォーカスレンズ１０１の位置を検出する位置検出部である。位置検出部１０５は位置が検出できればよく、ホール素子と磁石の組合せやフォトインタラプタとパルス板の組合せなどが代表的であるが、その他の方法でも構わない。

１１１は光軸２と直交する方向に移動して像振れを補正するためのシフトレンズ（振れ補正用部材）である。１１２はシフトレンズ１１１を駆動する、像振れ補正用駆動手段であるシフトアクチュエータである。図１には１つだけ図示されているが、２次元面内を移動するために２つ以上設けられていてもよい。１１４はシフト駆動制御部である。１１３は付勢支持手段であるシフトバネであり、シフトレンズ１１１の付勢支持を行う。１１５は角速度センサーであり、光軸２が振れる際の角速度を検出するものである。撮影レンズ１によって結像される光学像が上下（ピッチ方向）に振れる場合と、左右（ヨー方向）に振れる場合を２軸のセンサーで検出することが多い。角速度センサー１１５は、本実施例では支持レバー１０３の回動方向が上下方向（ピッチ方向）であることを判別する判別手段としても使用されている。

１２１は姿勢算出手段を含むシステム制御部であり、詳細は後述するが、カメラからの命令により撮影レンズ１内の各部の制御を行うものである。１２２は、動作中の一時的な情報を記憶しておく、制御値記憶手段でもあるメモリである。制御値記憶手段としてのメモリ１２２は、制御値の履歴を記憶する。その他、工場調整値などの装置固有の情報を記憶しておくことも可能である。以上が、本発明の実施例における撮影レンズ１の構成である。

（動作）
次に、図１に基づいて撮影レンズ１を構成する各部の動作を説明する。

フォーカスレンズ１０１は、焦点位置を調節するために、光軸２の方向に進退する。システム制御部１２１からフォーカス駆動制御部１０４に対して、フォーカスレンズ１０１の目標位置などの情報が伝達される。フォーカス駆動制御部１０４は、フォーカスアクチュエータ１０２に対して移動を指示する。それと同時に位置検出部１０５からの情報を元にフォーカスレンズ１０１が実際にどれだけ移動したかを把握する。フォーカス駆動制御部１０４は、位置検出部１０５から情報をフィードバックしながらフォーカスアクチュエータ１０２への指示を行うことで、正確にフォーカスレンズ１０１を所定の位置に移動することができる。

撮影レンズ１全体が動いた場合、いわゆる手振れが発生した場合には、その振れ量に応じて光軸２が上下方向（ピッチ方向）もしくは左右方向（ヨー方向）のどちらに振れたかを判別する方向判別手段である角速度センサー１１５で角速度が検出される。角速度情報は、シフト駆動制御部１１４に伝達される。シフト駆動制御部１１４では、角速度情報に対して適切なフィルタ処理などを施した後に、シフト光学部材であるシフトレンズ１１１の目標位置が決定される。その目標位置に移動するように、シフトアクチュエータ１１２に対して振れ補正用駆動信号の指示が出される。その結果、シフトレンズ１１１は、シフトアクチュエータ１１２に印加された力、シフトバネ１１３の変形を元に戻そうとする力、それに加えてシフトレンズ１１１に作用する重力成分が釣り合う位置まで移動する。

撮影レンズ１は、図２に示すように通常の人を撮影する場合などは、正姿勢と呼ばれる姿勢が使用されることが多い。これに対して、飛行機などの上空を撮影する場合には、図３に示すように、上向き姿勢で撮影することがある。正姿勢と上向き姿勢では、撮影レンズ１に作用する重力の方向が変化する。本実施例では上向き姿勢のみを図示したが、下向き姿勢も同様に重力の方向が変化する。

図４を用いて、フォーカスレンズ１０１、シフトレンズ１１１が受ける重力Ｇの影響を説明する。光軸２と重力方向のなす角度をθとする。フォーカスレンズ１０１が受ける重力成分は、
Ｆｆ＝Ｇ・ｃｏｓθ ・・・（１）
と表すことができる。一方で、シフトレンズ１１１が受ける重力成分は、
Ｆｉ＝Ｇ・ｓｉｎθ ・・・（２）
と表すことができる。

重力を受けたフォーカスレンズ１０１の動作に関して説明する。フォーカスレンズ１０１がＦｆの力を受けると微小に移動を始める。フォーカス駆動制御部１０４は、位置検出部１０５からの情報に基づいてフォーカスレンズ１０１の位置を維持しようとする。その結果、フォーカスアクチュエータ１０２は、元の位置において重力に抗する力を発生した状態でフォーカスレンズ１０１の位置を保つことができる。本実施例ではフォーカスアクチュエータ１０２が電磁力駆動方式であることを前提としている。フォーカスアクチュエータ１０２が、ステッピングモータやＤＣモータの場合であっても、駆動速度や駆動トルクを監視することで重力に抗する力の発生を検出することは可能である。

Ｆｆ、Ｆｉは、撮影レンズ１と光軸２のなす角度θに応じて、図５のように変動する。ここでθ＝９０°が正姿勢である。θ＝０°が上向き姿勢の頂点、θ＝１８０°が下向き姿勢の頂点、θ＝２７０°が反転姿勢となる。図５においては正姿勢でＦｉが＋側の最大値となっている。正姿勢は最も多用する姿勢と考えられるので、シフトレンズ１１１が光軸２の中心で重力と釣り合うようにシフトバネ１１３を調整することも可能である。

図６〜８を用いて、シフトレンズ１１１に対して重力補正する手順について説明する。

図６において、最初に姿勢を検知し、撮影レンズ１と重力のなす角度θが決定される（ステップＳ１７１）。ステップＳ１７１の詳細は後述する。θが分かると図５に基づいてシフトレンズ１１１に作用する重力成分Ｆｉが決定できる（ステップＳ１７２）。Ｆｉを使ってシフトレンズ１１１の重力補正を実行する（ステップＳ１７３）。つまり、シフトレンズ１１１に作用する重力成分を相殺するように振れ補正用駆動信号を変化させる。

図７を用いて姿勢検知の詳細を説明する。フォーカス駆動制御部１０４は、フォーカスレンズ１０１を所定位置に保つように監視しているので、Ｆｆが変化すると、変化したことを検出できる。フォーカスレンズ１０１に作用している重力成分Ｆｆが変化したかどうかを判断する（ステップＳ１８１）。変化しなければ、再度ステップＳ１８１に戻る。Ｆｆが変化した場合には、ステップ１８２へ進み、Ｆｆの変化量ΔＦｆを出力する。ここで出力したＦｆやΔＦｆはメモリ１２２に記憶される。そのときの角速度センサー出力Ｔｊを抽出（ステップＳ１８３）し、メモリ１２２に記憶されたΔＦｆとＴｊの符号を比較し、異同を判定する（ステップＳ１８４）。このとき各出力の符号の向きを図８に示す。ΔＦｆは、光軸２に沿って被写体と反対側へ作用する重力成分が増える向き１９１を＋とし、被写体側へ作用する重力成分が増える向き１９２を−とする。Ｔｊは、撮影レンズ１が紙面上で時計回りに回動する方向１９４を＋とし、反時計回りの方向１９３を−とする。ステップＳ１８４で比較した符号が同じであった場合には、正姿勢から±９０°以内の姿勢であるということになる（ステップＳ１８５）。つまり図５でいえば０〜１８０°の範囲の姿勢ということである。この範囲内でメモリ１２２に記憶したＦｆから現在の姿勢位置θを決定することができる（ステップＳ１８６）。逆にステップＳ１８４で符号が異なった場合には、正姿勢から天地を反転した反転姿勢から±９０°以内の姿勢であるということになる（ステップＳ１８７）。つまり図５でいうところの１８０〜３６０°の範囲の姿勢ということである。この範囲内でメモリ１２２に記憶したＦｆから現在の姿勢位置θを決定することができる（ステップＳ１８８）。以上が、撮影レンズ１の各部の動作である。

次に撮影レンズ１に電源が投入される起動時の動作について図９、図１０を用いて説明する。電源投入直後は、メモリ１２２にＦｆが蓄積されていないため、変化を見極めてシフトレンズ１１１の重力補正を行うことができない。そのため、別の方法で起動姿勢を検知する必要がある。図９において、最初に起動姿勢を検知し、撮影レンズ１と重力のなす角度θが決定される（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０１の詳細は後述する。θが分かるとシフトレンズ１１１に作用する重力成分Ｆｉが決定できる（ステップＳ２０２）。Ｆｉを使ってシフトレンズ１１１の重力補正を実行する（ステップＳ２０３）。

次に図１０を用いて、起動姿勢を検知する動作についての詳細を説明する。ステップＳ２１１ではＦｆを検出し、その値が閾値Ｔｈ１以下であればステップＳ２１２へ進む。ここで閾値Ｔｈ１は図５に示したＦｆの最大値に近い値であることが望ましい。つまりステップＳ２１１では撮影レンズ１が上向きに近い状態でないかを判断している。Ｆｆが閾値Ｔｈ１以下であればステップＳ２１２へ進む。Ｆｆが閾値Ｔｈ１より大きい場合はステップＳ２２５に進み、θ＝０°と決定し、終了する。ステップＳ２１２では、Ｆｆが閾値Ｔｈ２以上であればステップＳ２１３へ進む。ここで閾値Ｔｈ２は図５に示したＦｆの最小値に近い値であることが望ましい。つまりステップＳ２１２では撮影レンズ１が下向きに近い状態でないかを判断している。Ｆｆが閾値Ｔｈ２より小さい場合はステップＳ２２４に進み、θ＝１８０°と決定し、終了する。閾値Ｔｈ１、閾値Ｔｈ２は、予めメモリ１２２に記憶されているが、環境温度等によって変化させてもよい。Ｆｆが閾値Ｔｈ１と閾値Ｔｈ２の間に存在する場合にはステップＳ２１３へ進む。ステップＳ２１３ではシフトレンズ１１１に撮影レンズ１が正姿勢にある状態で上向きの推力を与える。このとき与える推力は、シフトレンズ１１１の可動範囲を超えて動作させられるだけの値とする。ステップＳ２１４ではシフトレンズ１１１が推力を与えられてから可動範囲の上端に達するまでの時間を計測し、メモリ１２２に記憶する。ステップＳ２１５で推力を解除し、シフトレンズ１１１を元の位置に戻す。

ステップＳ２１６ではシフトレンズ１１１に撮影レンズ１が正姿勢にある状態で下向きの推力を与える。このときの推力はステップＳ２１３で与える推力と同じ値とする。ステップＳ２１７ではシフトレンズ１１１が推力を与えられてから可動範囲の下端に達するまでの時間を計測し、メモリ１２２に記憶する。ステップＳ２１８で推力を解除し、シフトレンズ１１１を元の位置に戻す。

ステップＳ２１９ではメモリ１２２に記憶された上端到達時間と下端到達時間を比較し、下端到達までの時間が早ければステップＳ２２０に進む。上端到達までの時間が早くなければステップＳ２２２へ進む。シフトレンズ１１１を同じ推力で動作させているので、元々の位置が可動範囲の中心より下側にいれば下端到達の時間が早くなり、逆に中心より上側にいれば上端到達の時間が早くなるはずである。ステップＳ２２０ではシフトレンズ１１１のつり合い位置が下側にあることから正姿勢から±９０°以内にいることが判断できる。

即ち、本実施例においては、シフトレンズ１１１の可動範囲の中心位置からシフトアクチュエータ１１２が正反対（上述した例では、上方向と下方向）の方向に駆動する。そして、この正反対の方向に駆動した際に、それぞれの端までの到達時間を比較することによって姿勢を算出する。

ステップＳ２２１では図５における０〜１８０°の範囲内でメモリ１２２に記憶したＦｆから現在の姿勢位置θを決定することができる。ステップＳ２２２ではシフトレンズ１１１のつり合い位置が上側にあることから反転姿勢から±９０°以内にいると判断できる。ステップＳ２２３では図５における１８０〜３６０°の範囲内でメモリ１２２に記憶したＦｆから現在の姿勢位置θを決定することができる。本実施例においては、シフトレンズ１１１に重力の影響が作用しない状態のつり合い位置から可動範囲の移動量を上下ともに等しいという前提としている。しかし、上下の移動可能量が異なる場合でも、到達時間を比較する際に移動量の差を考慮することで同様の起動姿勢検知が可能である。起動姿勢検知は、装置の起動時のみ必要な動作であり、短い時間で完了する動作であるので、画像の表示を開始する前に完了してしまえば、シフトレンズ１１１を動作させてもユーザへ違和感を与えることはない。

また起動姿勢を検知する動作中に撮影レンズ１に回動動作がなされた場合には、図６に示した通常の姿勢検知動作へ移行し、より精度よく姿勢を検知することも可能である。

なお、本発明においては、シフトレンズを有する交換レンズをもとに説明したが、シフトレンズを含む光学系とカメラ本体が一体のタイプの、たとえばデジタルカメラやデジタルビデオカメラのような撮像装置でも適用できる。また、本発明における光学機器は、光学的に振れ補正を行うことのできる光学系を含む電子機器、たとえば携帯電話やゲーム機などにも応用可能である。

１０１ フォーカスレンズ
１０２ フォーカスアクチュエータ
１０３ 支持バー
１０４ フォーカス駆動制御部
１１１ シフトレンズ
１１２ シフトアクチュエータ
１１３ シフトバネ
１１４ シフト駆動制御部
１２１ システム制御部
１２２ メモリ

Claims (8)

1. 光軸方向に移動可能な光学部材と、
   前記光学部材を光軸方向に移動可能な状態で保持する保持手段と、
   前記光学部材を駆動する光軸方向移動用駆動手段と、
   前記光学部材が重力に抗して位置を維持するための制御値を検知する制御値検知手段と、
   前記制御値検知手段により検知された制御値の履歴を記憶する制御値記憶手段と、
   前記保持手段の回動方向が上下方向であることを判別する方向判別手段と、
   前記制御値記憶手段に記憶された制御値の履歴と前記方向判別手段で判別した方向に基づいて姿勢を算出する姿勢算出手段とを有し、
   前記姿勢算出手段は、前記制御値の変化量の符号と前記方向判別手段により判別された上下方向の符号の比較、および前記制御値に基づいて前記姿勢を算出することを特徴とする光学機器。
2. 前記姿勢算出手段は、前記制御値の変化量の符号と前記判別した上下方向の符号の異同により正姿勢から±９０°以内と反転姿勢から±９０°以内を判定し、前記保持手段が重力となす上下方向の角度を、前記制御値から姿勢を示す値として算出することを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 前記光軸と直交する方向に移動可能な振れ補正用部材と、
   前記振れ補正用部材を付勢支持する付勢支持手段と、
   前記振れ補正用部材を振れ補正用駆動信号に基づいて駆動する振れ補正用駆動手段と
   前記姿勢算出手段により算出された姿勢から、前記振れ補正用部材に作用する重力成分を算出し、前記重力成分を相殺するように前記振れ補正用駆動信号を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の光学機器。
4. 前記光軸方向移動用駆動手段として、電磁力駆動方式を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学機器。
5. 前記方向判別手段として、角速度センサーを使用することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学機器。
6. 前記振れ補正用駆動手段として、電磁力駆動方式を用いることを特徴とする請求項３に記載の光学機器。
7. 前記振れ補正用部材を駆動することで起動姿勢を検知することを特徴とする請求項３または６に記載の光学機器。
8. 光軸方向に移動可能な光学部材が重力に抗して位置を維持するための制御値を検知する制御値検知ステップと、
   前記制御値検知ステップで検知された制御値の履歴を記憶する制御値記憶ステップと、
   前記光学部材を光軸方向に移動可能な状態で保持する保持手段の回動方向が上下方向であることを判別する方向判別ステップと、
   前記制御値記憶ステップで記憶された制御値の変化量の符号と前記方向判別ステップで判別された上下方向の符号の比較、および前記制御値に基づいて姿勢を算出する姿勢算出ステップとを有することを特徴とする姿勢検知方法。

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