JP2017009632A - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置において光学部材の傾動による光学特性の変化を補正すること。
【解決手段】撮像装置は、傾動可能な光学部材（像ブレ補正レンズ等）を含む撮像光学系１０１と、撮像素子１０３を備える。撮像素子１０３は傾動可能であり、撮像光学系１０１からの光を光電変換して画像信号を取得する。光学系駆動量算出部１０５は光学部材の傾動量を算出し、光学系制御部１０３は、算出された傾動量にしたがって撮像光学系１０１の光学部材を傾動させて像ブレ補正制御を行う。撮像素子駆動量算出部１０６は、光学部材の傾動量と撮像光学系１０１の光学情報に基づいて撮像素子１０３の傾動量を算出する。撮像素子制御部１０４は、算出された傾動量にしたがって撮像素子１０３を傾動させる制御を行い、光学部材の傾動による光学特性の変化を補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置における撮像光学系（結像光学系）の光学特性の変化を補正する技術に関する。

結像光学系を含むレンズ部またはレンズ装置と撮像素子を用いた撮像装置では、手ブレ等に起因する撮像素子上の像ブレが発生し得るため、像ブレ補正装置を搭載した装置がある。撮像された画像の像ブレを抑制するため、特許文献１には結像光学系を構成するレンズの一部（補正レンズ）を駆動制御する技術が開示されている。

特開２００８−１３４３２９号公報

従来技術では、像ブレ補正用のレンズを傾動させることによって、光学特性に変化が生じる可能性がある。被写体からの光線がレンズへ入射する角度が変わってしまうと、撮像光学系を通る被写体からの光の結像位置が変化し、光学特性に起因する撮影画像上の画質劣化が発生することが懸念される。
本発明は、撮像装置において光学部材の傾動による光学特性の変化を補正することを目的とする。

本発明に係る装置は、傾動可能な光学部材を有し、被写体の像を結像する撮像光学系と、傾動可能な撮像素子とを備える撮像装置であって、前記光学部材の傾動量を算出する第１の算出手段と、前記第１の算出手段により算出された前記光学部材の傾動量と前記撮像光学系の光学情報を取得して前記撮像素子の傾動量を算出する第２の算出手段と、前記第２の算出手段により算出された前記撮像素子の傾動量を取得して、前記撮像素子を傾動させる制御により前記撮像光学系の光学特性の変化を補正する制御手段を備える。

本発明によれば、撮像装置において光学部材の傾動による光学特性の変化を補正することができる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。 第１実施形態における処理例を示すフローチャートである。 像ブレ補正用の光学部材について傾動の様子を説明する模式図である。 傾動後の光学部材の中心を通り光軸に直交する平面での断面を示す模式図である。 第１実施形態における、被写体と光学系と撮像素子の位置関係を示す模式図である。 第１実施形態における画角調整を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。 第２実施形態における幾何変形処理を説明するフローチャートである。 第２実施形態における、被写体と光学系と撮像素子の位置関係を示す模式図である。 第２実施形態における、光軸方向から見た場合の撮像素子の模式図である。

以下、本発明の各実施形態について、添付図面に参照して説明する。本発明は、像ブレ補正装置を搭載したデジタル一眼レフカメラやデジタルコンパクトカメラ、デジタルビデオカメラ、監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、携帯型電子機器等の撮像装置に適用可能である。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。撮像光学系（以下、光学系ともいう）１０１は、被写体からの光を被写体像として結像させる。撮像光学系１０１は、被写体にピントを合わせるためのフォーカスレンズとその駆動機構部、および焦点距離を変更するためのズームレンズとその駆動機構部、さらには入射光量を調節するための絞り機構部のうち、少なくとも１つ以上を備える。撮像光学系１０１は傾動可能なレンズ（像ブレ補正用の可動光学部材であり、以下では補正レンズという）を含み、手ブレ等に因る像ブレを抑制する。

光学系制御部１０２は撮像光学系１０１を制御する。例えば光学系制御部１０２は、後述する光学系駆動量算出部１０５からの指示に従って、補正レンズやフォーカスレンズ等の駆動制御や絞り等を制御する。撮像素子１０３は、撮像光学系１０１を通った光を光電変換によって電気信号に変換し、画像信号として出力する。また、手ブレ等に因る像ブレを抑制するために、撮像素子１０３を傾動させる不図示の傾動用部材、例えばアクチュエータ等の部材が設けられている。撮像素子制御部１０４は後述する撮像素子駆動量算出部１０６からの指示にしたがって、撮像素子１０３が有する電子シャッタ機能やゲイン調整機能等を制御する。また撮像素子制御部１０４は撮像素子駆動量算出部１０６からの指示にしたがって、撮像素子１０３に設けられた傾動用部材の駆動制御を行う。なお、撮像素子１０３を傾動させる機構部は公知であり、構成の如何は問わないので詳細な説明を省略する。

光学系駆動量算出部１０５は、振れ検出部による手ブレ等の検出情報に応じて補正レンズを含む像ブレ補正光学系の傾動量を算出する。光学系駆動量算出部１０５は、光学系制御部１０２に対して、像ブレ補正光学系の傾動量に対応する駆動量を出力し、当該傾動量を撮像素子駆動量算出部１０６に出力する。撮像素子駆動量算出部１０６は、光学系駆動量算出部１０５から取得した像ブレ補正光学系の傾動量と、後述する制御部１０９から送られてくる光学情報に基づき、撮像素子１０３の傾動量を算出する。撮像素子駆動量算出部１０６は、撮像素子制御部１０４に対して、傾動量に応じた撮像素子駆動量を出力する。撮像素子駆動量とは、撮像光学系１０１の光軸と直交する平面に対して撮像素子１０３の姿勢を傾動量で傾けるための駆動量である。

画角調整部１０７は、撮像素子１０３で得られた画像信号を取得し、画像信号領域の切り出し処理を行う。記憶部１０８は、画角調整部１０７のためのパラメータを記憶している。画角調整部１０７は、記憶部１０８から読み出したパラメータを用いて画像信号領域（切り出し領域）内のデータを抽出することで画角調整を行う。制御部１０９は、撮像装置全体の制御を司る中枢部であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）により制御プログラムを実行して各種の処理を行う。

次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態における処理（撮像素子１０３の傾動量の決定処理を含む）について説明する。処理ステップの符号にＳを付して示す以下の処理は、制御部１０９のＣＰＵが制御プログラムを実行することにより実現される。
Ｓ２０１では、撮像光学系１０１の駆動量情報を取得する処理が行われる。撮像素子駆動量算出部１０６は、撮像光学系１０１の補正レンズの傾動量と傾動方向の情報を光学系駆動量算出部１０５より取得する。図３を参照して像ブレ補正光学系について説明する。

図３は、傾動の前後の補正レンズ位置を幾何学的に示す模式図である。光軸３０２をＺ軸に設定し、Ｚ軸を含む平面内にて、傾動前の補正レンズの中心位置を点Ａとし、傾動後の補正レンズの中心位置を点Ｂとする。点Ｏは傾動の中心３０１である。点Ａと点ＯはＺ軸上に位置する。図３は、点Ｏと点Ｂを通る線分３０３、および光軸３０２を含む面内での補正レンズの位置を示している。線分ＡＯ、線分ＢＯの長さ（動径長）をＲとする。

点Ｂから線分ＡＯに下ろした垂線の足を点Ｃとし、線分ＢＣを点Ｂの側に延長した線を直線ＤＣとする。弧ＡＢは、補正レンズを点Ａから点Ｂまで傾動させたときの軌跡を示しており、直線ＥＦは、点Ｂにて弧ＡＢと接する線（接線）である。補正レンズの傾動量は∠ＤＢＦの角度に相当し、図３の∠ＢＯＡの角度と等しいことが分かる。以降、補正レンズの傾動量をθと表記する。

図４は、図３における線分ＢＣを含む平面を、ＸＹ座標平面として示す模式図である。横軸をＸ軸とし、縦軸をＹ軸と定義する。線分４０１は、図３の点Ｂと点Ｃを結んだ線分に相当し、これは補正レンズの傾動方向を示している。本実施形態にて傾動方向については、点Ｃを中心としてＹ軸を基準とする角度Ｖで表すこととする。

撮像素子駆動量算出部１０６は、図３に示す傾動量θと図４に示す傾動方向Ｖのデータを光学系駆動量算出部１０５から取得する。傾動量θと傾動方向Ｖは、手ブレ等に起因する像ブレを抑制する値に決定される。

図２のＳ２０２で撮像素子駆動量算出部１０６は、制御部１０９から光学情報を取得する。光学情報は物体距離（図５のａ参照）と像距離（図５のｂ参照）の情報を含む。Ｓ２０３で撮像素子駆動量算出部１０６は撮像素子１０３の傾動量φを算出して決定する。以下、図５を参照して、被写体と撮像光学系１０１と撮像素子１０３の位置関係を説明する。

図５にて、被写体位置を点Ｐ、補正レンズ位置を点Ａ、結像面位置を点Ｑでそれぞれ表す。横軸上にて、点Ｐと点Ａとの間隔を物体距離ａとし、点Ａと点Ｑとの間隔を像距離ｂとする。直線５０１は撮像素子１０３が傾動していないときの結像面を示す。直線５０２は像ブレ補正光学系の補正レンズが傾動していないときの光軸に垂直な面を示す。直線５０３は被写体側の合焦面を示している。直線５０１，５０２，５０３はいずれも、各面と紙面との交線を表すものとする。直線５０２に対して傾いた線を直線５０４とし、直線５０１に対して傾いた線を直線５０５とし、３つの直線５０３，５０４，５０５の交点を点Ｎで示す。∠ＰＮＡの角度をθとし、∠ＰＮＱの角度をφとする。つまり、幾何学的関係から、直線５０４と直線５０２とがなす角度はθであり、直線５０５と直線５０１とがなす角度はφである。

補正レンズが傾動量θで傾動した場合、結像面を表す直線５０１は、点Ｎと点Ｑを通る直線５０５のように変化することが一般に知られている。撮像素子１０３の傾動用部材を駆動して撮像素子１０３を傾動させ、撮像素子１０３の平面（撮像面）を直線５０５で示す結像面と重なるように補正する制御が行われる。これによって、補正レンズの傾動による結像面の変化を補正することが可能となる。撮像素子１０３の傾動量φは、物体距離ａ、像距離ｂ、傾動量θから、以下の式で算出される。
（式１）中の”tan”は正接関数を表し、”arctan”は逆正接関数を表す。

あるいは、（式１）より、物体距離ａが像距離ｂよりも十分に大きい場合（ｂ／ａ≒０）に、
として、近似計算により算出することも可能である。撮像素子１０３の傾動量φはθに等しいか、またはｂ／ａの値が無視できない場合にはθよりも大きい値に設定される。その他には、傾動可能な補正レンズが撮像光学系１０１の一部分であり、図５に示したような単レンズ近似が成立しない場合もあり得る。このような場合、撮像素子駆動量算出部１０６は、補正レンズの傾動量θと撮像素子１０３の傾動量φとの関係を近似的に表現する多項式を用いて傾動量φを算出する。あるいは傾動量θと傾動量φとの関係を表すデータが予め記憶部に参照テーブルとして保持されており、撮像素子駆動量算出部１０６は参照テーブルを用いて傾動量φを算出する。

図２のＳ２０４で撮像素子制御部１０４は、撮像素子駆動量算出部１０６が算出した傾動量φに基づいて撮像素子１０３を駆動し、光軸に対する撮像面の角度を制御する。撮像素子１０３は、傾動量φで傾動された後、Ｓ２０５では撮像光学系１０１を通して結像される被写体像を光電変換して画像信号を取得する。

次に、図６のフローチャートを参照して、撮像素子１０３の傾動によって生じる画角変動に対する調整処理について説明する。
Ｓ６０１にて画角調整部１０７は、撮像素子駆動量算出部１０６から撮像素子１０３の傾動量φおよび傾動方向Ｖの情報を取得する。Ｓ６０２で画角調整部１０７は、撮像素子１０３から出力される画像信号から必要な領域の信号を切り出して抽出するための情報を記憶部１０８から取得する。記憶部１０８は、画角変動に対する調整処理に使用する参照テーブルのデータを記憶している。このデータは、撮像素子１０３の傾動量φと傾動方向Ｖに応じた、画像信号上の切り出し領域の座標情報であり、座標（ｘ，ｙ）で表され、切り出し領域の位置を表す。座標（ｘ，ｙ）は画像に設定される２次元座標であり、第１の軸をｘ軸とし、ｘ軸に直交する第２の軸をｙ軸とする。画角調整部１０７は切り出し領域の座標情報を取得する。Ｓ６０３で画角調整部１０７は、傾動量φと傾動方向Ｖに応じて取得した切り出し領域の座標（ｘ，ｙ）に基づき、撮像素子１０３により得られた画像信号から切り出し領域内の信号を抽出して画角調整を行う。

以上のように、補正レンズを傾動させて手ブレ等に起因する像ブレを補正するために、撮像素子駆動量算出部１０６は補正レンズの傾動量θに基づき、結像面と撮像素子１０３の撮像面とが一致するように、撮像素子１０３の傾動量φを算出する。撮像素子制御部１０４は、算出された傾動量φに基づいて撮像素子１０３を傾動させる制御を行う。これにより、補正レンズの傾動に起因する光学特性の低下、特に結像位置の変化を抑制することが可能となる。すなわち、撮像素子１０３の傾動によって、結像される領域が変動してしまうことへの対策として画角調整処理が行われる。撮像素子１０３から得られる画像信号に対して画角調整部１０７は、撮像素子１０３の傾動量φに応じた切り出し領域を設定して画像信号の抽出処理を行う。したがって、本来の目的である手ブレ等に起因する像ブレの抑制効果を維持することが可能となる。

本実施形態によれば、傾動可能な光学部材の駆動量と光学条件に基づいて撮像素子を傾動させ、さらに撮像素子の傾動に起因する画角変動を補正することで、精度の高い像ブレ補正制御を実現できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、画像領域の切り出し後の画像信号に対して幾何学的変形処理（幾何変形処理）を施すことに特徴がある。

図７は本実施形態に係る撮像装置のブロック図である。図１との相違点は、幾何変形部７０１が設けられている点である。本実施形態にて第１実施形態の場合と同様の構成部については既に使用した符号を用いることにより、それらの詳細な説明を省略し、主に相違点を説明する。

幾何変形部７０１は、画角調整部１０７が出力する画像信号を取得し、撮像素子１０３の傾動情報および光学情報に基づいて幾何変形処理を行う。傾動情報とは、撮像素子１０３の傾動量φと傾動方向Ｖの情報である。光学情報とは、像距離ｂ（図９参照）と、撮像素子１０３が傾動していないときの像の円形領域（イメージサークル）の径ｒ（図１０参照）の情報である。以下、図８から図１０を参照して、幾何変形部７０１が行う処理について具体的に説明する。図８は処理の流れを示すフローチャートである。

図８のＳ８０１で幾何変形部７０１は、撮像素子駆動量算出部１０６から撮像素子１０３の駆動量情報を取得する。駆動量情報とは、撮像素子１０３の傾動量φおよび傾動方向Ｖの情報である。Ｓ８０２で幾何変形部７０１は、光学系駆動量算出部１０５から撮像光学系１０１の光学情報を取得する。光学情報とは、図９に示す像距離ｂと、撮像素子１０３が傾動していないときのイメージサークルの径ｒ（図１０参照）の各情報である。Ｓ８０３で幾何変形部７０１は、取得した撮像素子１０３の駆動量情報と撮像光学系１０１の光学情報に基づいて、幾何変形パラメータｒｍ，ｒｎを算出する。図９を参照して算出処理を説明する。

図９は、被写体と撮像光学系１０１と撮像素子１０３の位置関係を示す図である。図５と同じ符号を割り当てた箇所については、それらの詳細な説明を省略する。直線５０１上にて、撮像素子１０３が傾動していないときのイメージサークルの縁の１点を点Ｕと記す。直線９０１は、点Ｕと像ブレ補正光学系の中心点Ａを通る直線である。直線９０１と直線５０３との交点を点Ｓとする。直線５０３は補正レンズが傾動していないときの合焦面に相当する。

撮像素子１０３を傾動量φで傾動させたときに、点Ｕに対応するイメージサークルの縁の１点は点Ｔとなる。点Ｔは点Ｎと点Ｑを通る直線５０５上の点である。撮像素子１０３が傾動していないときのイメージサークルの縁上にある点Ｕと、光軸に関して点対称な点を点Ｌとする。直線９０２は点Ｌと点Ａを通る直線である。直線９０２と直線５０３との交点を点Ｋとする。撮像素子１０３を傾動量φだけ傾動させたときの点Ｌに対応するイメージサークルの縁の１点は点Ｍとなる。点Ｍは直線５０５と直線９０２との交点である。

図１０は、図９を光軸方向にて点Ａから点Ｑの向きから見た場合の模式図である。点線で示す円形枠１００１は、補正レンズおよび撮像素子１０３がともに傾動していないときのイメージサークルを表す。点線の矩形枠１００２は、そのときの撮像素子１０３を表している。補正レンズおよび撮像素子１０３が傾動しているときには、イメージサークルは実線で示す円形枠１００３で表される。そのときの撮像素子１０３は実線の矩形枠１００４で表される。図１０に示す各量は以下のとおりである。
・傾動前のイメージサークルの径ｒ：傾動の中心軸１００５と光軸との交点Ｑから点Ｕ，Ｌまでの長さＱＵおよびＱＬ。
・傾動後のイメージサークルの径（ｒｍおよびｒｎ）：ｒｍは傾動の中心軸１００５を境に、点Ｑから点Ｔまでの長さを表し、ｒｎは点Ｑから点Ｍまでの長さを表す。

補正レンズおよび撮像素子１０３が傾動することにより、画角調整後の画像信号は傾動の中心軸１００５を境に像の偏倍（像倍率の偏り）が起き得る。そこで、傾動の前後のイメージサークルの径の比で画像信号の拡大または縮小処理を行うことにより、像の偏倍を調整できる。図９より傾動後のイメージサークル径ｒｍ、ｒｎはそれぞれ、下記の式（３）および式（４）で表される。
（式３）および（式４）に示す”cos”は余弦関数を表し、”tan”は正接関数を表す。

図８のＳ８０４では、算出されたイメージサークルの径ｒｍ、ｒｎを幾何変形パラメータとして幾何変形処理が実行される。幾何変形部７０１は画角調整後の画像信号に対して、傾動の中心軸１００５を境に、式（３）および式（４）で算出されるイメージサークルの径ｒｍ，ｒｎと、傾動前のイメージサークルの径ｒとの比の逆数を用いて座標変換処理を行う。

本実施形態では、結像面の変化を撮像素子１０３の傾動によって抑制した後、画角調整部１０７が傾動による画角変動を調整する。さらに幾何変形部７０１は、傾動による像の偏倍に対し、傾動前後のイメージサークル径ｒと、ｒｍおよびｒｎに基づいて幾何変形処理を行う。したがって補正レンズおよび撮像素子１０３の傾動による影響で発生する光学特性の変化を抑制できる。

本実施形態によれば、傾動可能な光学部材の駆動量と光学条件に基づいて撮像素子を傾動させ、さらに撮像素子の傾動に起因する画角変動および画像歪みを補正することで、光学部材の傾動による光学特性の低下を抑制できる。よって、精度の高い像ブレ補正制御を実現することができる。
なお、第１および第２実施形態では、可動光学部材として像ブレ補正光学系の補正レンズを例示して説明したが、これに限らず、プリズム等の各種光学部材を駆動する構成にも適用可能である。

１０１ 撮像光学系
１０２ 光学系制御部
１０３ 撮像素子
１０４ 撮像素子制御部
１０５ 光学系駆動量算出部
１０６ 撮像素子駆動量算出部
１０７ 画角調整部
１０８ 記憶部
１０９ 制御部
７０１ 幾何変形部

Claims (11)

1. 傾動可能な光学部材を有し、被写体の像を結像する撮像光学系と、傾動可能な撮像素子とを備える撮像装置であって、
   前記光学部材の傾動量を算出する第１の算出手段と、
   前記第１の算出手段により算出された前記光学部材の傾動量と前記撮像光学系の光学情報を取得して前記撮像素子の傾動量を算出する第２の算出手段と、
   前記第２の算出手段により算出された前記撮像素子の傾動量を取得して、前記撮像素子を傾動させる制御により前記撮像光学系の光学特性の変化を補正する制御手段を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記撮像光学系により結像される像面の位置の変化を補正することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第２の算出手段は、前記光学情報として前記撮像光学系に係る像距離および物体距離の情報を取得して前記撮像素子の傾動量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記第２の算出手段は前記撮像素子の傾動量として、前記光学部材の傾動量に等しいか、または当該傾動量よりも大きい値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、前記光学部材が傾動していないときの被写体側の合焦面を基準として、前記光学部材が傾動したときの前記合焦面の変動を調整する制御を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記撮像素子により取得される画像信号に対し、前記撮像素子の傾動量および傾動方向にしたがって画像の切り出し領域内の信号を抽出する画角調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像素子の傾動量および傾動方向に対応する前記切り出し領域の座標情報を記憶する記憶手段をさらに備え、
   前記画角調整手段は、前記記憶手段から前記撮像素子の傾動量および傾動方向に対応する前記座標情報を取得して前記切り出し領域を決定することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記撮像光学系の光学情報と、前記撮像素子の傾動量および傾動方向の情報を取得し、前記撮像素子により取得される画像信号に対して幾何変形処理を行う幾何変形手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記幾何変形手段は、前記光学部材の傾動の前後におけるイメージサークルの径を算出して前記画像信号の拡大または縮小処理を行うことを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記光学部材は、前記撮像装置の振れによる画像のブレを補正するレンズであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 傾動可能な光学部材を有し、被写体の像を結像する撮像光学系と、傾動可能な撮像素子とを備える撮像装置にて実行される制御方法であって、
    前記光学部材の傾動量を算出する第１の算出工程と、
    前記第１の算出工程で算出された前記光学部材の傾動量と、前記撮像光学系の光学情報を取得して前記撮像素子の傾動量を算出する第２の算出工程と、
    前記第２の算出工程で算出された前記撮像素子の傾動量を取得して、前記撮像素子を傾動させる制御により前記撮像光学系の光学特性の変化を補正する制御工程を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。