JP2013077910A - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 赤道儀などの機材を使用することなく、撮像装置を固定した状態で天体の追尾撮影を容易に行う。
【解決手段】 地球上での高度を含む座標を取得し（Ｓ３０１）、光軸が向いている方角、仰角、および光軸を中心とした回転方向の傾きを含めた姿勢を取得し（Ｓ３０２）、取得された座標と、取得された姿勢から、画角内の天体の移動方向および移動速度を演算し（Ｓ３０４）、演算により求められた天体の移動方向および移動速度に基づいて被写体の光学像を結像するためのレンズ群の一部を動かすことにより光軸の方向を変化させて天体の追尾を行う（Ｓ３０８）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、天体撮影に好適な撮像装置およびその制御方法に関するものである。

従来の撮像装置には、撮像された画像から被写体の移動方向および移動速度を検出し、撮像光学系を動かすことで光軸を被写体の移動方向に動かし、被写体を追尾する機能を有するものがある（例えば、特許文献１）。

特開平８−４６８４８号公報

しかしながら、上記従来例では、撮像された画像から被写体の移動方向や移動速度を検出するため、フィードバック制御を行う必要があり、被写体の画角内での相対位置を固定させるように撮影を行うためには、露光時間を短くする必要があり、また画像自体の補正が必要になってしまうという問題点がある。

さらに、被写体の移動方向と移動速度の予測は行っていないため、被写体がどちらに動いても対応できるように、光軸の初期状態の方向を光軸の可動範囲の中央付近にしておく必要があり、可動範囲の約半分しか活用できないという問題点がある。

また、天体撮影を行う際に天体の動きを自動追尾するための機材として、赤道儀が挙げられるが、自動追尾機能を備えた赤道儀は高価であり、扱いも容易ではないという問題点がある。

（発明の目的）
本発明の目的は、赤道儀などの機材を使用することなく、撮像装置を固定した状態で天体の追尾撮影を容易に行うことができる撮像装置およびその制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、被写体の光学像を結像するためのレンズ群と、前記レンズ群の一部を動かすことにより光軸の方向を変化させるレンズ駆動手段と、地球上での高度を含む座標を取得するための座標取得手段と、前記光軸が向いている方角、仰角、および光軸を中心とした回転方向の傾きを含めた姿勢を取得するための姿勢取得手段と、取得された前記座標と取得された前記姿勢から、画角内の天体の移動方向および移動速度を演算する演算手段と、演算により求められた前記天体の移動方向および移動速度に基づいて前記レンズ駆動手段により光軸の方向を変化させることによって前記天体の追尾を行う制御手段とを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、赤道儀などの機材を使用することなく、撮像装置を固定した状態で天体の追尾撮影を容易に行うことができる。

本発明の実施例１に係る撮像装置としてのデジタルカメラの構成を示すブロック図である。 実施例１に係る被写体の動きとレンズの動きの関連を示す図である。 実施例１の動作を示すフローチャートである。 実施例３の動作を示すフローチャートである。 実施例４の動作を示す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１ないし４に記載される通りである。

図１は本発明の実施例１に係る撮像装置としてのデジタルカメラの構成を示すブロック図である。

レンズ群１０１は、前玉レンズや、ズームを行うために光軸方向に駆動するレンズや、手振れなどの振動を補正するために光軸の方向を変化させるように駆動するレンズなどの複数のレンズから構成されている。レンズ群１０１により撮像素子１０２上に被写体の光学像が結像され、撮像素子１０２によって電気信号へと変換され、カメラ信号処理部１０３に出力される。

カメラ信号処理部１０３は得られたカメラ信号に対し、輝度や色などの補正を行う。ビデオ信号処理部１０４は、カメラ信号処理部１０３から出力されたカメラ信号に対して符号化処理を施し、表示部１０５に出力する。同時に、記録再生処理部１０６に出力され、記録再生処理部１０６で所定の処理を施し、記録に適した形態に変換して記録媒体１０７に記録される。

また、制御・演算部１０８はデジタルカメラの各処理部の情報を読み取り、それらの情報を基に各処理部の動作を制御するとともに、撮像光学系制御部１０９を通して撮像素子１０２の蓄積時間などを制御する。さらに、レンズ駆動部１１０を制御することでレンズ群１０１に含まれるレンズの駆動を行う。

一方、ＧＰＳユニットなどに代表される位置センサ１１１により地球上の高度を含めた座標情報を取得し、電子コンパスなどに代表される方位センサ１１２により光軸の向いている方角を取得する。さらに、加速度センサ１１３により光軸の仰角や光軸を中心とした回転方向の傾き、デジタルカメラが三脚などに固定されているか否かなどの情報を取得する。位置センサ１１１が座標取得手段を構成し、方位センサ１１２および加速度センサ１１３が姿勢取得手段を構成する。また、撮像光学系制御部１０９からレンズの焦点距離、および光軸と直交する面内方向に駆動するレンズの位置情報を取得する。撮像光学系制御部１０９が焦点距離取得手段を構成する。

制御・演算部１０８は、これらの情報をＲＯＭ１１４に予め格納されている天体の運行情報と照らし合わせ、画角内に入っている天体の移動方向や移動速度を演算する。制御・演算部１０８が演算手段と制御手段を構成する。なお、天体の移動方向や移動速度は、同一画角内においても画角内の位置で異なるが、方角、画角内の天体の範囲および追尾時間によって天体ごとの動きの違いは無視できる場合も多く、本実施例１においては同一画角内の天体の動きは全て同一とみなして説明する。
さらに、使用者による各種操作を受け付ける入力部１１５などを備えている。

なお、レンズ駆動部１１０によってレンズ群１０１に含まれる光軸の方向を変化させるように駆動するレンズを動かすことによって、撮像素子１０２上に結像される被写体像を動かすことが可能となる。また逆に被写体の動きと同期させて動かすことにより、被写体が動いていても撮像素子１０２上に結像される被写体像を動かさないように制御することも可能である。

ここで、図２は、撮像素子２０１上にレンズ２０２を通して結像された被写体２０３の像を、被写体２０３が動いても変化させないようにするための制御を示したものである。ここでは、光軸と直交する面内をレンズが移動することで光軸の方向を変化させているが、レンズの角度を変化させることで光軸の方向を変化させてよいし、レンズ形状を変化させることで光軸の方向を変化させても良い。なお、簡略化のため該当のレンズ以外のレンズは省略している。

図２（ａ）において被写体２０３ａが２０３ｂの位置まで移動した場合、レンズ２０２ａをその動きと同期させて２０２ｂの位置まで移動させることで、撮像素子２０１上に結像する被写体２０３の像の動きを打ち消すことが可能となる。

また、図２（ｂ）において、レンズ２０２の初期位置を２０２ｃとすることで、被写体２０３が２０３ｃから２０３ｂへ移動する動きを打ち消すことができ、図２（ａ）の例と比べて約２倍の追尾時間を実現することが可能となる。

図３は本発明の実施例１に係るデジタルカメラの天体撮影モードでの動作を示すフローチャートである。

ここでは、天体撮影モードとは天体の自動追尾を行う撮影モードである。
まず、ステップＳ３０１において位置センサ１１１により、デジタルカメラの地球上での位置座標を取得する。なお、本実施例１においては緯度情報と高度情報が必要となる。

また、ステップＳ３０２において、方位センサ１１２によりデジタルカメラの向いている方角の取得と、加速度センサ１１３によりデジタルカメラの仰角や光軸を軸とした回転方向の傾きの取得と、光軸の可動範囲中における位置の取得とを行い、これらの情報から光軸の方向を算出する。

さらに、ステップＳ３０３において焦点距離の情報を取得し、ステップＳ３０１からＳ３０３で取得した情報を基に、画角内における天体の移動速度と移動方向を算出する（ステップＳ３０４）。

ステップＳ３０５において、撮像を開始する前に撮像する画角を決定するための撮像画角調整時における光軸の方向を、光軸の可動範囲の中で、ステップＳ３０４で算出された天体の移動方向と逆の方向の端に来るように変化させる。例えば、画角内で天体が左上の方向に移動する場合には、画角が右下に移動するように光軸の方向を変化させ、右下の端から撮影を開始できるようにする。これにより、光軸方向の変化の範囲を広げることが可能となり、より長時間の撮影が可能となる。

ステップＳ３０６において、ステップＳ３０４で取得された天体の移動速度と移動方向から、光軸の可動範囲内で天体の追尾撮影を続けることができる時間を算出し、液晶モニタなどの表示部１０５上に表示する。天体の追尾撮影中露光をし続ける静止画撮影時においては、撮影された画像が適切な明るさになるように、自動で絞りや感度を変更してもよい。

ステップＳ３０７において、使用者の操作により撮影が開始されるまでステップＳ３０１からステップＳ３０６を繰り返すことで、焦点距離の変化やデジタルカメラの姿勢の変化に対応することが可能となる。

ステップＳ３０７において、使用者の操作により撮影が開始された場合は、撮影を開始するとともに、ステップＳ３０８において画角内での天体の相対位置が常に一定となるように、天体の動きの速度と方向に合わせて光軸の方向を変化させる。

続いて、ステップＳ３０９において撮像中に光軸の方向が制御範囲（光軸の可動範囲）の制御端（端）に到達したかどうかを判定する。光軸の方向が制御端に達してこれ以上動かすことができなくなった場合、ステップＳ３１２へ移行し、撮影を停止した上でステップＳ３０１へと戻る。

一方、ステップＳ３０９において光軸の方向が制御範囲の端に到達していない場合、ステップＳ３１０において撮像中に光軸の方向が制御端（光軸の可動範囲の端）に接近しているか否かを判定する。制御端に接近していないと判定された場合はそのままステップＳ３０８に戻り、制御端に接近していると判定された場合はステップＳ３１１にて警告表示を行った上で、ステップＳ３０８に戻る。ここで、警告表示とは、光軸の可動範囲が残り少なく撮影可能時間が残り少ないことを使用者に伝えるためのもので、表示部１０５に文字で表示しても良いし、ＬＥＤなどのランプや警告音などを発することで使用者に伝えても良い。表示部１０５やランプ、警報音発生器が警告手段を構成する。

実施例１では、図３のステップＳ３０６において光軸の可動範囲から撮影可能時間を算出している。しかし、撮像光学系の焦点距離によって光軸の可動範囲が変化する撮像光学系を持つデジタルカメラにおいては、使用者が撮影時間を指定することで、必要な光軸の可動範囲を算出し、自動的に焦点距離を変える制御を行っても良い。またその際、天体の追尾撮影中露光をし続ける静止画撮影時においては、撮影された画像が適切な明るさになるように、自動で絞りや感度を変更しても良い。

実施例１では、図３のステップＳ３０４において取得した各種情報から画角内の天体の移動速度と移動方向を算出しているが、同一画角内におけるそれぞれの天体ごとの動きの違いが無視できない量である場合、一部の天体のみ正常に追尾撮影が可能となるが、残りの天体は追尾しきれずに動きが写ってしまう可能性がある。

そこで、上記のような状態になった際の制御のフローチャートを図４に示す。なお、ステップＳ３０３以前およびステップＳ３０６以降は実施例１における図３と同等の制御であるため省略している。

ステップＳ３０３以前で各種情報取得を行い、それらの情報を基にステップＳ３１３において、画角の中央および四隅の天体の移動速度と移動方向をそれぞれ算出する。ステップＳ３１４において算出されたそれぞれの移動速度と移動方向から、画角の位置による移動量の差を取得する。

得られた移動量の差が所定の値以上だった場合、ステップＳ３１６において画角内の一部の天体の動きが写ってしまう可能性がある旨を、表示部１０５に示すなどして使用者に伝える。一方、移動量の差が所定の値より小さい場合、警告表示などは行わずにステップＳ３１７に移行する。

ステップＳ３１７において、光軸の方向がステップＳ３１４で算出された画角中央の天体の移動方向と逆側の端に来るように移動させる。なお、ここでは画角中央の天体としているが、ステップＳ３１６を通る場合にはステップＳ３１６において画角内のどの天体を主被写体とするかを使用者に選択させ、選択された天体の動きを追尾できるような制御を行っても良い。

その後、ステップＳ３０６以降の制御は実施例１と同等であるため、割愛する。

実施例１ないし３は天体を追尾撮影するための天体撮影モードにおける制御を示しているが、天体撮影モードと通常の撮影を行う通常撮影モードがある場合において、使用者が任意で天体撮影モードに切り替えても良いし、撮影時の状況から天体撮影を行っていると判断して自動で天体撮影モードに切り替わっても良い。前者の場合には手動の切替手段を入力部１１５に接続する。後者の場合の自動の切替手段については後述する。

図５に自動で天体撮影モードに切り替わる際の制御のフローチャートを示す。

まずステップＳ４０１において位置センサ１１１などにより、撮像装置の地球上での位置座標を取得する。なお、本実施例４においては緯度情報、経度情報、高度情報が必要となる。

次にステップＳ４０２において、方位センサ１１２によりデジタルカメラの向いている方角の取得と、加速度センサ１１３によりデジタルカメラの仰角や光軸を軸とした回転方向の傾きの取得と、光軸の可動範囲中における位置の取得とを行い、これらの情報から光軸の向いている方向を算出する。

さらに、ステップＳ４０３において現在時刻（日時）を取得する。位置情報の取得にＧＰＳユニットなどの時刻も取得できる手段を用いている場合は、それにより時刻を取得すれば良い。時刻を取得できない手段を用いている場合は、別途日時取得手段を持つ必要がある。

ステップＳ４０４において、ステップＳ４０１からＳ４０３で取得した各種情報を基に、画角内において星が見える条件か否かを判定し、ステップＳ４０５において星が見える条件に合致していればステップＳ４０６へ移行する。

ステップＳ４０６では被写体像を取得し、まずステップＳ４０７において被写体像の大部分が暗いかどうかを判定する。被写体像の大部分が暗いと判定された場合、次にステップＳ４０８において被写体像に点光源が存在するかを判定する。被写体像に点光源が存在すると判定された場合はステップＳ４０９へ移行する。ステップＳ４０７、Ｓ４０８は、被写体が天体に近似していることを検出する被写体像検出手段に相当する。

ステップＳ４０７、Ｓ４０８において取得した被写体像情報と、ステップＳ４０９において取得した焦点距離情報と、ステップＳ４０１およびＳ４０２において取得した情報とを基に、画角内における天体の移動速度と移動方向を算出する（ステップＳ４１０）。

その後ステップＳ４１１において、ステップＳ４０６で取得した被写体像の動きと、ステップＳ４１０で算出した天体の動きが合致していた場合、撮影している被写体は星などの天体であると判断し、天体撮影モードに自動で移行する。ステップＳ４１１は、被写体が天体であることを判定する被写体判定手段に相当するとともに、天体撮影モードと通常撮影モードを自動的に切り替える切替手段にも相当する。

なお、ステップＳ４０５、Ｓ４０７、Ｓ４０８、およびＳ４１１のいずれかで否と判定された場合は、撮影されている被写体は天体ではないと判断し、通常撮影モードを維持する。通常撮影モードは、天体の追尾を行う制御を無効にするものである。

１０１ レンズ群
１０８ 制御・演算部
１０９ 撮像光学系制御部
１１０ レンズ駆動部
１１１ 位置センサ
１１２ 方位センサ
１１３ 加速度センサ

Claims (10)

1. 被写体の光学像を結像するためのレンズ群と、
   前記レンズ群の一部を動かすことにより光軸の方向を変化させるレンズ駆動手段と、
   地球上での高度を含む座標を取得するための座標取得手段と、
   前記光軸が向いている方角、仰角、および光軸を中心とした回転方向の傾きを含めた姿勢を取得するための姿勢取得手段と、
   取得された前記座標と取得された前記姿勢から、画角内の天体の移動方向および移動速度を演算する演算手段と、
   演算により求められた前記天体の移動方向および移動速度に基づいて前記レンズ駆動手段により光軸の方向を変化させることによって前記天体の追尾を行う制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、撮像を開始する前に撮像する画角を決定するための撮像画角調整時における光軸の方向を、前記レンズ駆動手段によって動かすことが可能な光軸の可動範囲の中で、演算により求められた前記天体の移動方向と逆の方向の端とすることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記天体の移動速度と、前記光軸の可動範囲の大きさに基づいて、光軸の方向を変化させることによって天体を追尾することが可能な時間を算出し、使用者に示すことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、撮像中に光軸の方向が前記可動範囲の端まで達した際に、撮像を停止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、撮像中に前記レンズの位置が前記可動範囲の端に接近した際に、警告手段により警告を行わせることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 撮像光学系の焦点距離を取得する焦点距離取得手段をさらに有し、前記光軸の可動範囲が、前記撮像光学系の焦点距離によって変化する撮像装置であって、
   前記演算手段は、使用者が撮像する時間を指定した場合に、指定された時間の撮像が可能となる焦点距離を演算し、
   前記制御手段は、演算された焦点距離に前記撮像光学系の焦点距離を変更することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記演算手段は、取得された前記座標と前記取得された前記姿勢と前記取得された前記焦点距離から、画角の中央および四隅の天体の移動方向および移動速度をそれぞれ演算し、
   前記制御手段は、画角の中央および四隅の天体の移動量の差が所定の値以上であるときには、警告手段により警告を行わせることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 天体の追尾を行って撮影する天体撮影モードと、天体の追尾を行う制御を無効にする通常撮影モードとを切り替える切替手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 日時を取得する日時取得手段と、
   撮像された被写体が天体に近似していることを検出する被写体像検出手段と、
   被写体が天体であることを判定する被写体判定手段とをさらに有し、
   前記被写体判定手段は、取得された前記座標、前記姿勢、前記焦点距離、前記日時および前記被写体像情報から、前記被写体が天体であると判定し、前記切替手段により前記天体撮影モードに切り替えさせることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 被写体の光学像を結像するためのレンズ群の一部を動かすことにより光軸の方向を変化させるレンズ駆動ステップと、
    地球上での高度を含む座標を取得する座標取得ステップと、
    前記光軸が向いている方角、仰角、および光軸を中心とした回転方向の傾きを含めた姿勢を取得する姿勢取得ステップと、
    取得された前記座標と取得された前記姿勢から、画角内の天体の移動方向および移動速度を演算する演算ステップと、
    演算により求められた前記天体の移動方向および移動速度に基づいて前記レンズ駆動ステップにて光軸の方向を変化させることによって前記天体の追尾を行う制御ステップとを有することを特徴とする撮像装置の制御方法。

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