JP4144827B2 - 像安定化装置 - Google Patents
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- G03B2205/0007—Movement of one or more optical elements for control of motion blur
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単眼鏡、双眼鏡さらにはビデオカメラ等の光学装置が振動を受けた場合に、これら光学装置の光軸に対する観察物体からの光束の射出角度が変動し、光学像がブレて観察されるのを防止する、この光学装置内に配される像安定化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単眼鏡、双眼鏡等の光学的な観測を目的とした光学装置を手で保持して操作する場合、特に光学装置を航空機や車輌等に持ち込んで使用する場合には、航空機、車輌等の振動や揺動が光学装置に伝わり、光軸に対する、観察物体からの光束の射出角度が変動し、観察される光学像を劣化させることが多い。このような光学装置に伝わる振動は、その振幅がたとえ小さくとも、単眼鏡や双眼鏡等においては視界が狭いことと観察物体を拡大して観察しているために、光軸に対する変動角度も拡大される。それ故に、比較的角度変動速度の小さい揺動時であっても、観察物体が視界の中で急速に移動したり、変動角度が大きい場合には視界から外れてしまったりする不都合が生じる。また、比較的角度変動速度の大きい揺動時には、比較的変動角度が小さくても光学装置の倍率分だけ観察物体の像の角度変動速度が大きくなって観察されるので、像のぶれとなって像の劣化となる不都合が生じる。
【０００３】
これまでにも、光学装置に伝わる振動や揺動によって光軸に対する光束の射出角度が変動し観察される像が劣化することを防止するための像安定化のための装置が種々提案されている。
【０００４】
例えば特公昭57-37852号公報には双眼鏡における観察像のブレを補正するためこの双眼鏡内に、回転慣性体（ジャイロモータ）を利用した防振手段を設けたものが開示されている。
【０００５】
すなわち、この技術は双眼鏡の対物レンズと接眼レンズの間の光軸上に正立プリズムを配し、この正立プリズムを、回転慣性体が取り付けられたジンバル懸架手段上に固設し、双眼鏡が手ブレ等により振動しても正立プリズムを略同一姿勢に保持して双眼鏡の観察像のブレを防止するようにしたものである。
【０００６】
このような、回転慣性体とジンバル懸架手段を利用した従来技術は高精度で像安定化が図れる一方、小さなスペースで大きな慣性力を得るため高速の回転体が必要であり、また回転体自身の発生する振動を小さくする必要があることから高精度である必要がある。この小型、高速、高精度の要求に対しての問題点は、価格や寿命、さらには電源投入から必要な慣性力を得るまでの時間等が不利となることである。また、双眼鏡の倍率や解像力を上げるのに伴なって対物レンズの有効径を大きくすると正立プリズムが大型化し、これに伴い大きな慣性力が必要となって上記の問題が一層大きくなることの他に、消費電力もこれに伴って大きくなる。
【０００７】
そこで、本願出願人は、上記回転慣性体に代えて角速度センサをジンバル懸架手段に搭載し、この角速度センサからの出力値に基づいてこのジンバル懸架手段の回動を制御して正立プリズムの姿勢を地球（慣性系）に対して固定する像安定化装置を提案している（特開平6-250100）。この装置によれば、基本的にジンバル懸架手段に保持された正立プリズムには慣性力があり、特に、振動速度が速い、振動周波数の高い振動に対しては、比較的振幅の大きな振動に対しての姿勢保持能力が高い。したがって、角速度センサからの出力に基づく回転位置の制御力も少なくて良い。しかし、バリアングルプリズムやレンズ駆動を行う他の像安定化装置は積極的な駆動部が必要であり、周波数の高い振動では大きな振幅を補正するためには、駆動部を高速で動かす必要があるため、大きな角度範囲で補正することが難しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ジンバル懸架手段は、モータ等のアクチュエータにより光学装置の左右方向および上下方向に延びる２本の回動軸周りに回動するようになっている。そして、上記アクチュエータは、応答性に優れ、かつ電力の利用効率の良いＰＷＭ制御で駆動されるようになっている。
【０００９】
しかしながら、ＰＷＭ制御においては 回動制御手段から駆動回路へパルス波形を出力し、その出力波形のパルス幅に応じた電力でアクチュエータを駆動するようになっているので、バッテリ電源を用いた場合のように装置使用中に駆動回路の電源電圧が降下すると、アクチュエータ駆動電力が低下してしまい、意図した回動制御を行うことができなくなるという問題がある。
【００１０】
これに対し、駆動回路の電源側にレギュレータを設置して定電圧を駆動回路に供給するようにすれば、アクチュエータ駆動電力を一定に維持することができるが、このようにした場合、アクチュエータの負荷が大きいときには大電力タイプが必要となり、特に小型の光学装置では、大きさ、発熱、コスト等においてメリットがない。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、ジンバル懸架手段を回動させるアクチュエータを、駆動回路を介してＰＷＭ制御で駆動するように構成された像安定化装置において、装置使用中に駆動回路の電源電圧が降下した場合でも、アクチュエータ駆動電力の低下を防止して意図した回動制御を行うことができる像安定化装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の像安定化装置は、正立プリズムを対物レンズと接眼レンズの間に配置した単眼鏡光学系もしくは双眼鏡光学系を有し、これら光学系の対物レンズおよび接眼レンズをケース内に固設してなる光学装置に搭載される像安定化装置であって、
前記光学装置の左右方向および上下方向に延びる２本の回動軸を有し、前記正立プリズムを前記ケースに回動自在に装着するジンバル懸架手段と、
該ジンバル懸架手段を該２本の回動軸の周りに回動せしめるアクチュエータと、
前記正立プリズムを慣性系に対して固定するよう、前記アクチュエータを駆動回路を介してＰＷＭ制御で駆動し、前記ジンバル懸架手段の２つの回動軸周りの回動を制御する回動制御手段と、
前記駆動回路の電源電圧が降下したとき、前記アクチュエータの駆動電力を低下させないように、前記回動制御手段から該駆動回路への出力波形のパルス幅を増大補正するパルス幅増大補正手段とを備え、
前記パルス幅の増大補正率が、前記電源電圧の降下率の逆数に設定されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、一般にＰＷＭ制御においては、パルス幅に最大リミット値が設定されているが、駆動回路の電源電圧が降下したとき、この最大リミット値を増大補正する最大リミット値増大補正手段を設けることが好ましい。
【００１５】
その際、最大リミット値の増大補正率は、パルス幅の増大補正率と同一の値に設定することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
図２、３、４および５は、それぞれ本発明の実施形態に係る像安定化装置を双眼鏡に組み込んだ状態を示す平面断面図、正面断面図、側面断面図および斜視図である。図示されるように、本実施形態の像安定化装置20をケース30内に組み込んだ双眼鏡は１対の対物レンズ系1a，1b、１対の接眼レンズ系2a，2b、および１対の正立プリズム3a，3bを備えており、対物レンズ1a、接眼レンズ2a、正立プリズム3aは第１の望遠鏡系10a を構成し、対物レンズ1b、接眼レンズ2b、正立プリズム3bは同様に第２の望遠鏡系10b を構成し、この第１、第２の望遠鏡系10a ，10b 一対が双眼鏡系を構成している。
【００１８】
この双眼鏡系を構成する一対の対物レンズ系1a，1bおよび接眼レンズ系2a，2bは本光学装置のケース30に固着されており、上記正立プリズム3a，3bは装置の上下方向（光軸の延びる方向および対物レンズ系1a,1bの配列方向に直交する方向）および装置の左右方向（対物レンズ系1a，1bの配列方向）に延びる回動軸６、106（図６参照）を有するジンバル懸架部材７、107を介して上記ケース30に回動自在に装着されている。
【００１９】
また、ケース30の背面部には、メインスイッチ50、および後述する制御ループにおける利得の切換えを外部操作可能とする、利得切換指示用のモード切換スイッチ40が配設されている。
【００２０】
以下、図６および図７を用いて本実施形態装置の前提となる基本機能について説明する。なお、本明細書中で、装置の上下方向とは図中矢印Ａ方向を示し、装置の左右方向とは図中矢印Ｃ方向を示す。
【００２１】
図６において上記正立プリズム3a，3bの装着されているジンバル懸架部材７、107がケース30に対して固定された状態、したがってジンバル懸架部材７、107に装着されている上記正立プリズム3a，3bがケース30に固定された状態では、本光学装置は通常の双眼鏡系の構成となるが、この時の各望遠鏡光学系10a ，10b の光軸4a，4bを本光学装置の光軸と称することとする。
【００２２】
なお、上記対物レンズ系1a，1b、接眼レンズ系2a，2b、正立プリズム3a，3b、ジンバル懸架部材７、107および回動軸６、106等の適切な配設位置については公知文献（例えば特公昭57-37852号公報）に詳述されているので、ここでは省略する。
【００２３】
図６に示すように、本実施形態装置では内側のジンバル懸架部材107 が外側のジンバル懸架部材７に軸支されており、ジンバル懸架装置が内外２重の構造となっている。外側のジンバル懸架部材７が装置の左右方向に延びる回動軸６により上下方向の像ブレを補正するように回動するのに対し、内側のジンバル懸架部材107 は装置の上下方向に延びる回動軸106 により左右方向の像ブレを補正するように回動する。正立プリズム3a，3bは、この内側のジンバル懸架部材107 に装着されている。なお、この図６においては、上下の関係が図２〜５のものとは逆となるようにして示されている。
【００２４】
また、外側のジンバル懸架部材７ の上側壁部の中央部分には角速度センサ８が固設されており、一方、 内側のジンバル懸架部材107 の前側壁部の中央部分には角速度センサ108が固設されている。角速度センサ８が、ケース30の上下方向のブレに伴なって外側のジンバル懸架部材７が矢印Ｂ方向に回動した場合に、この回転角速度ω１ を検出するセンサであるのに対し、角速度センサ108 は、ケース30の左右方向のブレに伴なって内側のジンバル懸架部材107 が矢印Ｄ方向に回動した場合に、この回転角速度ω２ を検出するセンサである。
【００２５】
また、上記回動軸６の一端には、上記検出角速度による速度フィードバック制御に加えて位置フィードバック制御を行なうため回動軸６の回転角度θ１ を検出するポジションセンサ９が取り付けられており、上記回動軸６の他端には、上記角速度センサ８および上記ポジションセンサ９からの検出値に基づき、正立プリズム3a，3bをケース30のブレに対し常に初期の姿勢に戻すようにジンバル懸架部材７の回動軸６を回動せしめる回転駆動モータ５が取り付けられている。一方、上記回動軸106 の一端には、上記検出角速度による速度フィードバック制御に加えて位置フィードバック制御を行なうため回動軸106 の回転角度θ２ を検出するポジションセンサ109 が取り付けられており、上記回動軸106 の他端には、上記角速度センサ108および上記ポジションセンサ109からの検出値に基づき、正立プリズム3a，3bをケース30の左右方向のブレに対し常に初期の姿勢に戻すように内側のジンバル懸架部材107 の回動軸106 を回動せしめる回転駆動モータ105 が取り付けられている。
【００２６】
次に、本実施形態装置の制御ループの基本的概念を図７により説明する。図示するように、この装置は角速度センサ８からの角速度信号およびポジションセンサ９からの角度信号を各々増巾する増幅器11a ，11b と、これらの角速度信号および角度信号に基づき、正立プリズム3a，3bを元の姿勢に戻すように回転駆動モータ５の駆動量を演算し、この演算に基づく制御信号を出力するＣＰＵ12と、このＣＰＵ12からの制御信号を増巾して回転駆動モータ５を駆動するモータ駆動回路13を備えている。このＣＰＵ12による回転駆動モータ５の駆動制御は、応答性に優れ、かつ電力の利用効率が良いＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御で行われるようになっている。
【００２７】
ＣＰＵ12には、各種プログラムが格納されたＲＯＭ12a、および該ＣＰＵ12にこの制御ループの利得の切換を指示するモード切換スイッチ40が接続されている。一方、角速度センサ108 およびポジションセンサ109 からの検出信号は、上記角速度センサ８および上記ポジションセンサ９からの検出信号と同様に、図７に示す制御ループと同様の制御ループによって制御信号に変換され、この制御信号により回転駆動モータ105 が駆動される。
【００２８】
したがって本実施形態装置では、外側と内側の２つのジンバル懸架部材７,107を各々元の姿勢に戻すために２組の制御ループが必要となるがＣＰＵ12は共通のものを用いればよい。
【００２９】
次に、図１を用いて上記制御ループの詳細な構成について説明する。
【００３０】
なお、この制御ループは速度（角速度）フィードバックループと位置（角度）フィードバックループの２重の帰還ループから構成されており、また、この制御ループはＣＰＵ12のマイコンプログラムによるソフト的なループとハード的なループの組合せにより構成されている。
【００３１】
まず、速度フィードバックループはジンバル懸架装置70（７,107)の回動軸６,106 周りの角速度ωを角速度センサ61（８,108 ）により検出し、この検出値をハード的な増幅器62 により増幅した後、減算器66および増幅器67を介して上記検出値ωをモータ駆動系68に負帰還させる（第１の速度フィードバックループ）。これによりモータ69 に逆向きの回転トルクを発生させ、手ブレ等の振動に抗してジンバル懸架装置70 を元の姿勢に戻すように、すなわち角速度の大きい振動に対しては上記正立プリズム3a，3bが地球（慣性系）に対して固定されるような制御がなされることになる。
【００３２】
また、この速度フィードバックループでは角速度センサ61により検出された検出値を減算器63および増幅器64を介して積分器65に入力せしめ、この後積分器65からの出力値と、減算器66において上記増幅器62から直接入力された検出値とを減算処理し、その減算結果をこのモータ駆動系68に負帰還させている（第２の速度フィードバックループ）。このように角速度センサ61による検出値を積分器65を介して負帰還させることで速度指令に対して定常偏差が０の場合でも、すなわちフィードバックループの速度入力値と速度出力値が等しい場合でも制御系を機能させることができ、これとともにループゲインを２重にできるためジンバル懸架装置70の高速安定化を図る（スタビ精度を上げる）ことができる。
【００３３】
なお、上記積分器65は入力値を平均化する機能を有し、その出力値が減算器66において検出角速度値との間で減算されるため、上記第１の速度フィードバックループの発振を防止するダンパ的機能を有しているともいえる。
【００３４】
一方、上記位置フィードバックループはジンバル懸架装置70 の回動軸６,106 周りの角度位置θをポジションセンサ81（９,109 )により検出し、この検出値をハード的な増幅器82 により増幅した後モータ駆動系68 に戻すことにより、回転駆動モータ69 (５,105 ）がジンバル懸架装置70を視軸中点の角度位置θ０に近づけるように制御するものである。
【００３５】
なお、双眼鏡等の光学装置においては、大きくパンニングあるいはチルティングを行う場合があり、このような場合に上記速度フィードバックループのみを用いた制御であると、パンニングあるいはチルティングに対する応答性が悪く、また、そのためにジンバル懸架装置70 が大きく回動してケース30 の可動限界端部に衝突してしまうおそれがある。
【００３６】
そこで、この位置フィードバックループでは、ジンバル懸架装置70 が大きく回動したことが検出された場合、その検出値に応じた信号をモータ駆動系68 に戻すようにして、ジンバル懸架装置70 を視軸中点方向に強力に戻すようモータ69 を駆動させる。これにより、パンニングあるいはチルティング時等において、ジンバル懸架装置70 がケース30 の可動限界端部に衝突する不測の事態を防止するとともに、パンニングあるいはチルティングを行う場合に、その追従性を良好なものとしている。
【００３７】
この位置フィードバックループにおいては、基本的にはポジションセンサ81からの検出信号が第１増幅器83を介して帰還されるように構成されている。この第１増幅器83の増幅率は、ジンバル懸架装置70の回動角度が増大するに従って徐々に増大するリニアな特性を有しているが、その傾斜角は比較的小さい値に設定されている。すなわち、この第１増幅器83は、位置フィードバックループの利得（ポジションゲイン）を比較的小さく抑えるように設定されており、これにより防振性能を重視したモード（防振モード）とするようになっている。
【００３８】
ところで、実際に双眼鏡を使用する際には、鳥や飛行機等の飛行物体を追従しながら観察することも多く、このような場合には素早いパン／チルト操作、特に素早いパンニングが要求される。このようなパンニングの操作では装置内の光学系が観察物体の移動方向にスムーズに追従していくことが必要となるから、振動に抗して光学系を元の位置に固定しようとする上記防振機能とは相反する機能が必要とされ、このようなパン／チルト操作を行う場合には、むしろ上記防振機能を無効状態とする必要がある。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、増幅率が小さい第１増幅器83 と並列で増幅率が大きい第２増幅器84 を位置フィードバックループ内に配設するとともに、ソフトスイッチ部85により第１増幅器83および第２増幅器84間の切換えを行い得るように構成されている。この第２増幅器84の増幅率は、ジンバル懸架装置70の回動角度が増大するに従って徐々に増大するリニアな特性を有しているが、その傾斜角は第１増幅器83よりもかなり大きい値に設定されている。
【００４０】
ソフトスイッチ部85の切換えは、ケース30の背面部に設けられたモード切換スイッチ40を、操作者が状況に応じて切換操作することにより行われる。そして、ソフトスイッチ部85が第２増幅器84に接続されたときには、ポジションゲインが大きくなるように設定され、これにより追従性能を重視したモード（パンニングモード）とするようになっている。
【００４１】
次に、上記ＣＰＵ12による回転駆動モータ５の駆動制御について説明する。
上述したように、回転駆動モータ５は、モータ駆動回路13を介してＰＷＭ制御により駆動されるようになっているが、図９および１０は、このＰＷＭ制御の内容を分かりやすく示す回路図および波形図である。
【００４２】
これらの図に示すように、ＣＰＵ12は、パルス波形を生成してこれをモータ駆動回路13へ出力するようになっており、モータ駆動回路13は、その出力波形のパルス幅に応じた電力で回転駆動モータ５を駆動するようになっている。この回転駆動モータ５の両端子にはコンデンサＣ１、Ｃ２が接続されているので、該回転駆動モータ５に実際に印加される電圧は、図１０に破線で示すような波形となる。
【００４３】
上記モータ駆動回路13には電源電圧Ｖｐが供給されるが、この電源電圧Ｖｐはバッテリ使用により次第に降下してくる。このような電源電圧Ｖｐの降下が生じると、回転駆動モータ５の駆動電力が低下してしまい、意図した回動制御を行うことができなくなってしまう。
【００４４】
そこで本実施形態においては、図１１に示すように、モータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下したとき、ＣＰＵ12は、該ＣＰＵ12からモータ駆動回路13への出力波形のパルス幅を増大補正するようになっている。
【００４５】
すなわち、ＣＰＵ12には電源電圧Ｖｐがレギュレータを介して定電圧Ｖｃｃ（５Ｖ）として入力されるようになっているが、このＣＰＵ12では、そのA/D 端子において電源電圧Ｖｐの読み取りを行うようになっている。そして、このA/D 端子において読み取られた電源電圧Ｖｐが定格電圧Ｖ１よりも低い電圧Ｖ２に降下すると、その降下量に応じて出力波形のパルス幅をＷ１からＷ２に増大補正するようになっている。その際の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）は電源電圧Ｖｐの降下率の逆数（Ｖ１／Ｖ２）に設定されている。
【００４６】
また本実施形態においては、上記出力波形のパルス幅に最大リミット値Ｗmax が設定されており、ＣＰＵ12はモータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下したときは最大リミット値Ｗmax を増大補正するようになっている。この最大リミット値Ｗmax は、ＣＰＵ12からの出力波形の周期Ｔの１／２に設定されており、その増大補正率は、パルス幅の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）と同一の値に設定されている。
【００４７】
以上詳述したように本実施形態においては、回転駆動モータ５をＣＰＵ12によりモータ駆動回路13を介してＰＷＭ制御により駆動するようになっているが、バッテリ使用によりモータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下すると、それに応じてＣＰＵ12により出力波形のパルス幅を増大補正するようになっているので、アクチュエータ駆動電力が低下するのを防止して意図した回動制御を行うことができる。
【００４８】
しかも、パルス幅の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）は電源電圧Ｖｐの降下率の逆数（Ｖ１／Ｖ２）に設定されているので、電源電圧Ｖｐの降下に応じて過不足のないアクチュエータ駆動電力を得ることができる。
【００４９】
図１２は、アルカリ単３電池４本を直列に配設してなるバッテリ電源を本実施形態の像安定化装置に用いた場合において、バッテリ使用による電源電圧Ｖｐの変化の様子を示す図である。
【００５０】
図示のように、このようなバッテリ電源においては、その使用により電源電圧Ｖｐが定格６Ｖよりもやや高い電圧から徐々に降下し、２時間で約５．２Ｖ、４時間で約４Ｖとなり、その後急激に電圧が降下する。
【００５１】
仮にパルス幅の増大補正がなされないとすれば、回転駆動モータ５を駆動するのに約５．２Ｖ以上の駆動電圧が必要なので、約２時間しか電池寿命が確保されないが、本実施形態においては、電源電圧Ｖｐの降下に応じてパルス幅が増大補正されるので、４．５Ｖ程度の駆動電圧でも回転駆動モータ５を十分駆動することができる。したがって本実施形態によれば、電池寿命を大幅に延長させることができる。
【００５２】
また本実施形態においては、モータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下したとき、ＣＰＵ12により最大リミット値Ｗmax の増大補正を行うようになっているので、パルス幅を増大補正したときに、増大補正後のパルス幅Ｗ２が最大リミット値Ｗmax を超えて該最大リミット値Ｗmax によるパルス幅の制限が加えられてしまうおそれを低減することができる。特に本実施形態においては、最大リミット値Ｗmax の増大補正率がパルス幅の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）と同一の値に設定されているので、パルス幅Ｗ２が最大リミット値Ｗmax を超えてしまうことがなく、これにより常に所要のアクチュエータ駆動電力を確保することができる。
【００５３】
なお、前述の正立プリズム3a，3bとしてはシュミット(Schmidt）の正立プリズム、アツベ(Abbe)の正立プリズム、バウエルン フエント(bauern fend）の正立プリズム、ポロの正立プリズムおよびダハの正立プリズム等があるが、このうち図８にはシュミットの正立プリズムを示す。シュミットの正立プリズムは図に示すようにプリズム23とプリズム24から構成されており、プリズム24の一部25がダハ反射面となっている。このような正立プリズムでは図示するように入射光軸21と射出光軸22を同一直線上にとることのできる入射光軸の位置が存在する。このような入射光軸21と射出光軸22を同一直線上にとることのできる正立プリズムにおいては、図８に示す如く、光軸21より上側にｈだけ離れた、該光軸21に平行な光線21′は、上記正立プリズムを通った後は射出光軸22より下側にｈだけ離れた、光軸22に平行な光線22′になるという性質を持っている。
【００５４】
また、上記角速度センサ８、108は、円柱状等の柱状振動子と複数個の圧電セラミックからなる、コリオリの力を利用した圧電振動ジャイロセンサであって、柱状振動子の側面に少なくとも２個の検出用圧電セラミックと少なくとも１個の帰還用圧電セラミックを設けてなる。
【００５５】
各検出用圧電セラミック からは振動に応じて値の異なる検出信号が出力され、これらの差分を演算することにより角速度を得る。
なお、帰還用圧電セラミックは検出信号の位相補正用に使用される。
【００５６】
この角速度センサ８、108は構造が簡単で超小型であることから像安定化装置20自体を構造簡単かつ小型とすることができる。また、高Ｓ／Ｎ比で高精度であるから角速度制御を高精度とすることができる。
【００５７】
なお、本発明の像安定化装置としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他種々の態様の変更が可能であり、例えば、角速度検出手段としては、円柱状振動子タイプの圧電振動ジャイロセンサの他、三角柱振動子タイプ、四角柱振動子タイプや音叉状振動子タイプ等の種々のタイプの振動子を用いた圧電振動ジャイロセンサを使用することが可能であり、さらに、その他の種々の角速度センサを使用することが可能である。
【００５８】
なお、角度位置検出手段としては、上記ポジションセンサに代えてレゾルバ、シンクロ、ロータリエンコーダ等の種々の角度センサを用いることができる。
【００５９】
また、上記実施形態装置は双眼鏡に適用するための構成とされているが、本発明の像安定化装置としては単眼鏡に適用し得る構成とすることも可能である。また、ビデオカメラ等のカメラに搭載しても同様の効果を得ることができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の像安定化装置においては、ジンバル懸架手段を回動させるアクチュエータを、駆動回路を介してＰＷＭ制御で駆動するように構成されているが、装置使用中に駆動回路の電源電圧が降下したとき、該駆動回路への出力波形のパルス幅を増大補正するようになっているので、アクチュエータ駆動電力が低下するのを防止して意図した回動制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る像安定化装置の制御ループを示すブロック線図
【図２】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す平面断面図
【図３】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す正面断面図
【図４】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す側面断面図
【図５】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す斜視図
【図６】本発明の実施形態に係る像安定化装置の機能を説明するための装置概略斜視図
【図７】本発明の実施形態に係る像安定化装置の機能を説明するためのブロック図
【図８】図２に示す正立プリズムを説明するための側面図
【図９】本発明の実施形態に係る像安定化装置におけるＰＷＭ制御の内容を示す回路図
【図１０】本発明の実施形態に係る像安定化装置におけるＰＷＭ制御の内容を示す波形図
【図１１】本発明の実施形態に係る像安定化装置におけるパルス幅の増大補正の様子を示す波形図
【図１２】本発明の実施形態に係る像安定化装置においてバッテリ使用による電源電圧の変化の様子を示す図である。
【符号の説明】
1a，1b 対物レンズ（対物レンズ系）
2a，2b 接眼レンズ（接眼レンズ系）
3a，3b 正立プリズム
4a，4b 光軸
５，105 回転駆動モータ
６，106 回動軸
７, 107 ジンバル懸架部材
８，61，108 角速度センサ
９，81，109 ポジションセンサ
10a ，10b 望遠鏡光学系
12 ＣＰＵ
12a ＲＯＭ
30 ケース
40 モード切換スイッチ（利得切換手段）
68 モータ駆動系
70 ジンバル懸架装置
83 第１増幅器
84 第２増幅器
85 ソフトスイッチ部
Ｖｐ 電源電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、単眼鏡、双眼鏡さらにはビデオカメラ等の光学装置が振動を受けた場合に、これら光学装置の光軸に対する観察物体からの光束の射出角度が変動し、光学像がブレて観察されるのを防止する、この光学装置内に配される像安定化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単眼鏡、双眼鏡等の光学的な観測を目的とした光学装置を手で保持して操作する場合、特に光学装置を航空機や車輌等に持ち込んで使用する場合には、航空機、車輌等の振動や揺動が光学装置に伝わり、光軸に対する、観察物体からの光束の射出角度が変動し、観察される光学像を劣化させることが多い。このような光学装置に伝わる振動は、その振幅がたとえ小さくとも、単眼鏡や双眼鏡等においては視界が狭いことと観察物体を拡大して観察しているために、光軸に対する変動角度も拡大される。それ故に、比較的角度変動速度の小さい揺動時であっても、観察物体が視界の中で急速に移動したり、変動角度が大きい場合には視界から外れてしまったりする不都合が生じる。また、比較的角度変動速度の大きい揺動時には、比較的変動角度が小さくても光学装置の倍率分だけ観察物体の像の角度変動速度が大きくなって観察されるので、像のぶれとなって像の劣化となる不都合が生じる。
【０００３】
これまでにも、光学装置に伝わる振動や揺動によって光軸に対する光束の射出角度が変動し観察される像が劣化することを防止するための像安定化のための装置が種々提案されている。
【０００４】
例えば特公昭57-37852号公報には双眼鏡における観察像のブレを補正するためこの双眼鏡内に、回転慣性体（ジャイロモータ）を利用した防振手段を設けたものが開示されている。
【０００５】
すなわち、この技術は双眼鏡の対物レンズと接眼レンズの間の光軸上に正立プリズムを配し、この正立プリズムを、回転慣性体が取り付けられたジンバル懸架手段上に固設し、双眼鏡が手ブレ等により振動しても正立プリズムを略同一姿勢に保持して双眼鏡の観察像のブレを防止するようにしたものである。
【０００６】
このような、回転慣性体とジンバル懸架手段を利用した従来技術は高精度で像安定化が図れる一方、小さなスペースで大きな慣性力を得るため高速の回転体が必要であり、また回転体自身の発生する振動を小さくする必要があることから高精度である必要がある。この小型、高速、高精度の要求に対しての問題点は、価格や寿命、さらには電源投入から必要な慣性力を得るまでの時間等が不利となることである。また、双眼鏡の倍率や解像力を上げるのに伴なって対物レンズの有効径を大きくすると正立プリズムが大型化し、これに伴い大きな慣性力が必要となって上記の問題が一層大きくなることの他に、消費電力もこれに伴って大きくなる。
【０００７】
そこで、本願出願人は、上記回転慣性体に代えて角速度センサをジンバル懸架手段に搭載し、この角速度センサからの出力値に基づいてこのジンバル懸架手段の回動を制御して正立プリズムの姿勢を地球（慣性系）に対して固定する像安定化装置を提案している（特開平6-250100）。この装置によれば、基本的にジンバル懸架手段に保持された正立プリズムには慣性力があり、特に、振動速度が速い、振動周波数の高い振動に対しては、比較的振幅の大きな振動に対しての姿勢保持能力が高い。したがって、角速度センサからの出力に基づく回転位置の制御力も少なくて良い。しかし、バリアングルプリズムやレンズ駆動を行う他の像安定化装置は積極的な駆動部が必要であり、周波数の高い振動では大きな振幅を補正するためには、駆動部を高速で動かす必要があるため、大きな角度範囲で補正することが難しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ジンバル懸架手段は、モータ等のアクチュエータにより光学装置の左右方向および上下方向に延びる２本の回動軸周りに回動するようになっている。そして、上記アクチュエータは、応答性に優れ、かつ電力の利用効率の良いＰＷＭ制御で駆動されるようになっている。
【０００９】
しかしながら、ＰＷＭ制御においては 回動制御手段から駆動回路へパルス波形を出力し、その出力波形のパルス幅に応じた電力でアクチュエータを駆動するようになっているので、バッテリ電源を用いた場合のように装置使用中に駆動回路の電源電圧が降下すると、アクチュエータ駆動電力が低下してしまい、意図した回動制御を行うことができなくなるという問題がある。
【００１０】
これに対し、駆動回路の電源側にレギュレータを設置して定電圧を駆動回路に供給するようにすれば、アクチュエータ駆動電力を一定に維持することができるが、このようにした場合、アクチュエータの負荷が大きいときには大電力タイプが必要となり、特に小型の光学装置では、大きさ、発熱、コスト等においてメリットがない。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、ジンバル懸架手段を回動させるアクチュエータを、駆動回路を介してＰＷＭ制御で駆動するように構成された像安定化装置において、装置使用中に駆動回路の電源電圧が降下した場合でも、アクチュエータ駆動電力の低下を防止して意図した回動制御を行うことができる像安定化装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の像安定化装置は、正立プリズムを対物レンズと接眼レンズの間に配置した単眼鏡光学系もしくは双眼鏡光学系を有し、これら光学系の対物レンズおよび接眼レンズをケース内に固設してなる光学装置に搭載される像安定化装置であって、
前記光学装置の左右方向および上下方向に延びる２本の回動軸を有し、前記正立プリズムを前記ケースに回動自在に装着するジンバル懸架手段と、
該ジンバル懸架手段を該２本の回動軸の周りに回動せしめるアクチュエータと、
前記正立プリズムを慣性系に対して固定するよう、前記アクチュエータを駆動回路を介してＰＷＭ制御で駆動し、前記ジンバル懸架手段の２つの回動軸周りの回動を制御する回動制御手段と、
前記駆動回路の電源電圧が降下したとき、前記アクチュエータの駆動電力を低下させないように、前記回動制御手段から該駆動回路への出力波形のパルス幅を増大補正するパルス幅増大補正手段とを備え、
前記パルス幅の増大補正率が、前記電源電圧の降下率の逆数に設定されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、一般にＰＷＭ制御においては、パルス幅に最大リミット値が設定されているが、駆動回路の電源電圧が降下したとき、この最大リミット値を増大補正する最大リミット値増大補正手段を設けることが好ましい。
【００１５】
その際、最大リミット値の増大補正率は、パルス幅の増大補正率と同一の値に設定することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
図２、３、４および５は、それぞれ本発明の実施形態に係る像安定化装置を双眼鏡に組み込んだ状態を示す平面断面図、正面断面図、側面断面図および斜視図である。図示されるように、本実施形態の像安定化装置20をケース30内に組み込んだ双眼鏡は１対の対物レンズ系1a，1b、１対の接眼レンズ系2a，2b、および１対の正立プリズム3a，3bを備えており、対物レンズ1a、接眼レンズ2a、正立プリズム3aは第１の望遠鏡系10a を構成し、対物レンズ1b、接眼レンズ2b、正立プリズム3bは同様に第２の望遠鏡系10b を構成し、この第１、第２の望遠鏡系10a ，10b 一対が双眼鏡系を構成している。
【００１８】
この双眼鏡系を構成する一対の対物レンズ系1a，1bおよび接眼レンズ系2a，2bは本光学装置のケース30に固着されており、上記正立プリズム3a，3bは装置の上下方向（光軸の延びる方向および対物レンズ系1a,1bの配列方向に直交する方向）および装置の左右方向（対物レンズ系1a，1bの配列方向）に延びる回動軸６、106（図６参照）を有するジンバル懸架部材７、107を介して上記ケース30に回動自在に装着されている。
【００１９】
また、ケース30の背面部には、メインスイッチ50、および後述する制御ループにおける利得の切換えを外部操作可能とする、利得切換指示用のモード切換スイッチ40が配設されている。
【００２０】
以下、図６および図７を用いて本実施形態装置の前提となる基本機能について説明する。なお、本明細書中で、装置の上下方向とは図中矢印Ａ方向を示し、装置の左右方向とは図中矢印Ｃ方向を示す。
【００２１】
図６において上記正立プリズム3a，3bの装着されているジンバル懸架部材７、107がケース30に対して固定された状態、したがってジンバル懸架部材７、107に装着されている上記正立プリズム3a，3bがケース30に固定された状態では、本光学装置は通常の双眼鏡系の構成となるが、この時の各望遠鏡光学系10a ，10b の光軸4a，4bを本光学装置の光軸と称することとする。
【００２２】
なお、上記対物レンズ系1a，1b、接眼レンズ系2a，2b、正立プリズム3a，3b、ジンバル懸架部材７、107および回動軸６、106等の適切な配設位置については公知文献（例えば特公昭57-37852号公報）に詳述されているので、ここでは省略する。
【００２３】
図６に示すように、本実施形態装置では内側のジンバル懸架部材107 が外側のジンバル懸架部材７に軸支されており、ジンバル懸架装置が内外２重の構造となっている。外側のジンバル懸架部材７が装置の左右方向に延びる回動軸６により上下方向の像ブレを補正するように回動するのに対し、内側のジンバル懸架部材107 は装置の上下方向に延びる回動軸106 により左右方向の像ブレを補正するように回動する。正立プリズム3a，3bは、この内側のジンバル懸架部材107 に装着されている。なお、この図６においては、上下の関係が図２〜５のものとは逆となるようにして示されている。
【００２４】
また、外側のジンバル懸架部材７ の上側壁部の中央部分には角速度センサ８が固設されており、一方、 内側のジンバル懸架部材107 の前側壁部の中央部分には角速度センサ108が固設されている。角速度センサ８が、ケース30の上下方向のブレに伴なって外側のジンバル懸架部材７が矢印Ｂ方向に回動した場合に、この回転角速度ω１ を検出するセンサであるのに対し、角速度センサ108 は、ケース30の左右方向のブレに伴なって内側のジンバル懸架部材107 が矢印Ｄ方向に回動した場合に、この回転角速度ω２ を検出するセンサである。
【００２５】
また、上記回動軸６の一端には、上記検出角速度による速度フィードバック制御に加えて位置フィードバック制御を行なうため回動軸６の回転角度θ１ を検出するポジションセンサ９が取り付けられており、上記回動軸６の他端には、上記角速度センサ８および上記ポジションセンサ９からの検出値に基づき、正立プリズム3a，3bをケース30のブレに対し常に初期の姿勢に戻すようにジンバル懸架部材７の回動軸６を回動せしめる回転駆動モータ５が取り付けられている。一方、上記回動軸106 の一端には、上記検出角速度による速度フィードバック制御に加えて位置フィードバック制御を行なうため回動軸106 の回転角度θ２ を検出するポジションセンサ109 が取り付けられており、上記回動軸106 の他端には、上記角速度センサ108および上記ポジションセンサ109からの検出値に基づき、正立プリズム3a，3bをケース30の左右方向のブレに対し常に初期の姿勢に戻すように内側のジンバル懸架部材107 の回動軸106 を回動せしめる回転駆動モータ105 が取り付けられている。
【００２６】
次に、本実施形態装置の制御ループの基本的概念を図７により説明する。図示するように、この装置は角速度センサ８からの角速度信号およびポジションセンサ９からの角度信号を各々増巾する増幅器11a ，11b と、これらの角速度信号および角度信号に基づき、正立プリズム3a，3bを元の姿勢に戻すように回転駆動モータ５の駆動量を演算し、この演算に基づく制御信号を出力するＣＰＵ12と、このＣＰＵ12からの制御信号を増巾して回転駆動モータ５を駆動するモータ駆動回路13を備えている。このＣＰＵ12による回転駆動モータ５の駆動制御は、応答性に優れ、かつ電力の利用効率が良いＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御で行われるようになっている。
【００２７】
ＣＰＵ12には、各種プログラムが格納されたＲＯＭ12a、および該ＣＰＵ12にこの制御ループの利得の切換を指示するモード切換スイッチ40が接続されている。一方、角速度センサ108 およびポジションセンサ109 からの検出信号は、上記角速度センサ８および上記ポジションセンサ９からの検出信号と同様に、図７に示す制御ループと同様の制御ループによって制御信号に変換され、この制御信号により回転駆動モータ105 が駆動される。
【００２８】
したがって本実施形態装置では、外側と内側の２つのジンバル懸架部材７,107を各々元の姿勢に戻すために２組の制御ループが必要となるがＣＰＵ12は共通のものを用いればよい。
【００２９】
次に、図１を用いて上記制御ループの詳細な構成について説明する。
【００３０】
なお、この制御ループは速度（角速度）フィードバックループと位置（角度）フィードバックループの２重の帰還ループから構成されており、また、この制御ループはＣＰＵ12のマイコンプログラムによるソフト的なループとハード的なループの組合せにより構成されている。
【００３１】
まず、速度フィードバックループはジンバル懸架装置70（７,107)の回動軸６,106 周りの角速度ωを角速度センサ61（８,108 ）により検出し、この検出値をハード的な増幅器62 により増幅した後、減算器66および増幅器67を介して上記検出値ωをモータ駆動系68に負帰還させる（第１の速度フィードバックループ）。これによりモータ69 に逆向きの回転トルクを発生させ、手ブレ等の振動に抗してジンバル懸架装置70 を元の姿勢に戻すように、すなわち角速度の大きい振動に対しては上記正立プリズム3a，3bが地球（慣性系）に対して固定されるような制御がなされることになる。
【００３２】
また、この速度フィードバックループでは角速度センサ61により検出された検出値を減算器63および増幅器64を介して積分器65に入力せしめ、この後積分器65からの出力値と、減算器66において上記増幅器62から直接入力された検出値とを減算処理し、その減算結果をこのモータ駆動系68に負帰還させている（第２の速度フィードバックループ）。このように角速度センサ61による検出値を積分器65を介して負帰還させることで速度指令に対して定常偏差が０の場合でも、すなわちフィードバックループの速度入力値と速度出力値が等しい場合でも制御系を機能させることができ、これとともにループゲインを２重にできるためジンバル懸架装置70の高速安定化を図る（スタビ精度を上げる）ことができる。
【００３３】
なお、上記積分器65は入力値を平均化する機能を有し、その出力値が減算器66において検出角速度値との間で減算されるため、上記第１の速度フィードバックループの発振を防止するダンパ的機能を有しているともいえる。
【００３４】
一方、上記位置フィードバックループはジンバル懸架装置70 の回動軸６,106 周りの角度位置θをポジションセンサ81（９,109 )により検出し、この検出値をハード的な増幅器82 により増幅した後モータ駆動系68 に戻すことにより、回転駆動モータ69 (５,105 ）がジンバル懸架装置70を視軸中点の角度位置θ０に近づけるように制御するものである。
【００３５】
なお、双眼鏡等の光学装置においては、大きくパンニングあるいはチルティングを行う場合があり、このような場合に上記速度フィードバックループのみを用いた制御であると、パンニングあるいはチルティングに対する応答性が悪く、また、そのためにジンバル懸架装置70 が大きく回動してケース30 の可動限界端部に衝突してしまうおそれがある。
【００３６】
そこで、この位置フィードバックループでは、ジンバル懸架装置70 が大きく回動したことが検出された場合、その検出値に応じた信号をモータ駆動系68 に戻すようにして、ジンバル懸架装置70 を視軸中点方向に強力に戻すようモータ69 を駆動させる。これにより、パンニングあるいはチルティング時等において、ジンバル懸架装置70 がケース30 の可動限界端部に衝突する不測の事態を防止するとともに、パンニングあるいはチルティングを行う場合に、その追従性を良好なものとしている。
【００３７】
この位置フィードバックループにおいては、基本的にはポジションセンサ81からの検出信号が第１増幅器83を介して帰還されるように構成されている。この第１増幅器83の増幅率は、ジンバル懸架装置70の回動角度が増大するに従って徐々に増大するリニアな特性を有しているが、その傾斜角は比較的小さい値に設定されている。すなわち、この第１増幅器83は、位置フィードバックループの利得（ポジションゲイン）を比較的小さく抑えるように設定されており、これにより防振性能を重視したモード（防振モード）とするようになっている。
【００３８】
ところで、実際に双眼鏡を使用する際には、鳥や飛行機等の飛行物体を追従しながら観察することも多く、このような場合には素早いパン／チルト操作、特に素早いパンニングが要求される。このようなパンニングの操作では装置内の光学系が観察物体の移動方向にスムーズに追従していくことが必要となるから、振動に抗して光学系を元の位置に固定しようとする上記防振機能とは相反する機能が必要とされ、このようなパン／チルト操作を行う場合には、むしろ上記防振機能を無効状態とする必要がある。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、増幅率が小さい第１増幅器83 と並列で増幅率が大きい第２増幅器84 を位置フィードバックループ内に配設するとともに、ソフトスイッチ部85により第１増幅器83および第２増幅器84間の切換えを行い得るように構成されている。この第２増幅器84の増幅率は、ジンバル懸架装置70の回動角度が増大するに従って徐々に増大するリニアな特性を有しているが、その傾斜角は第１増幅器83よりもかなり大きい値に設定されている。
【００４０】
ソフトスイッチ部85の切換えは、ケース30の背面部に設けられたモード切換スイッチ40を、操作者が状況に応じて切換操作することにより行われる。そして、ソフトスイッチ部85が第２増幅器84に接続されたときには、ポジションゲインが大きくなるように設定され、これにより追従性能を重視したモード（パンニングモード）とするようになっている。
【００４１】
次に、上記ＣＰＵ12による回転駆動モータ５の駆動制御について説明する。
上述したように、回転駆動モータ５は、モータ駆動回路13を介してＰＷＭ制御により駆動されるようになっているが、図９および１０は、このＰＷＭ制御の内容を分かりやすく示す回路図および波形図である。
【００４２】
これらの図に示すように、ＣＰＵ12は、パルス波形を生成してこれをモータ駆動回路13へ出力するようになっており、モータ駆動回路13は、その出力波形のパルス幅に応じた電力で回転駆動モータ５を駆動するようになっている。この回転駆動モータ５の両端子にはコンデンサＣ１、Ｃ２が接続されているので、該回転駆動モータ５に実際に印加される電圧は、図１０に破線で示すような波形となる。
【００４３】
上記モータ駆動回路13には電源電圧Ｖｐが供給されるが、この電源電圧Ｖｐはバッテリ使用により次第に降下してくる。このような電源電圧Ｖｐの降下が生じると、回転駆動モータ５の駆動電力が低下してしまい、意図した回動制御を行うことができなくなってしまう。
【００４４】
そこで本実施形態においては、図１１に示すように、モータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下したとき、ＣＰＵ12は、該ＣＰＵ12からモータ駆動回路13への出力波形のパルス幅を増大補正するようになっている。
【００４５】
すなわち、ＣＰＵ12には電源電圧Ｖｐがレギュレータを介して定電圧Ｖｃｃ（５Ｖ）として入力されるようになっているが、このＣＰＵ12では、そのA/D 端子において電源電圧Ｖｐの読み取りを行うようになっている。そして、このA/D 端子において読み取られた電源電圧Ｖｐが定格電圧Ｖ１よりも低い電圧Ｖ２に降下すると、その降下量に応じて出力波形のパルス幅をＷ１からＷ２に増大補正するようになっている。その際の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）は電源電圧Ｖｐの降下率の逆数（Ｖ１／Ｖ２）に設定されている。
【００４６】
また本実施形態においては、上記出力波形のパルス幅に最大リミット値Ｗmax が設定されており、ＣＰＵ12はモータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下したときは最大リミット値Ｗmax を増大補正するようになっている。この最大リミット値Ｗmax は、ＣＰＵ12からの出力波形の周期Ｔの１／２に設定されており、その増大補正率は、パルス幅の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）と同一の値に設定されている。
【００４７】
以上詳述したように本実施形態においては、回転駆動モータ５をＣＰＵ12によりモータ駆動回路13を介してＰＷＭ制御により駆動するようになっているが、バッテリ使用によりモータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下すると、それに応じてＣＰＵ12により出力波形のパルス幅を増大補正するようになっているので、アクチュエータ駆動電力が低下するのを防止して意図した回動制御を行うことができる。
【００４８】
しかも、パルス幅の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）は電源電圧Ｖｐの降下率の逆数（Ｖ１／Ｖ２）に設定されているので、電源電圧Ｖｐの降下に応じて過不足のないアクチュエータ駆動電力を得ることができる。
【００４９】
図１２は、アルカリ単３電池４本を直列に配設してなるバッテリ電源を本実施形態の像安定化装置に用いた場合において、バッテリ使用による電源電圧Ｖｐの変化の様子を示す図である。
【００５０】
図示のように、このようなバッテリ電源においては、その使用により電源電圧Ｖｐが定格６Ｖよりもやや高い電圧から徐々に降下し、２時間で約５．２Ｖ、４時間で約４Ｖとなり、その後急激に電圧が降下する。
【００５１】
仮にパルス幅の増大補正がなされないとすれば、回転駆動モータ５を駆動するのに約５．２Ｖ以上の駆動電圧が必要なので、約２時間しか電池寿命が確保されないが、本実施形態においては、電源電圧Ｖｐの降下に応じてパルス幅が増大補正されるので、４．５Ｖ程度の駆動電圧でも回転駆動モータ５を十分駆動することができる。したがって本実施形態によれば、電池寿命を大幅に延長させることができる。
【００５２】
また本実施形態においては、モータ駆動回路13の電源電圧Ｖｐが降下したとき、ＣＰＵ12により最大リミット値Ｗmax の増大補正を行うようになっているので、パルス幅を増大補正したときに、増大補正後のパルス幅Ｗ２が最大リミット値Ｗmax を超えて該最大リミット値Ｗmax によるパルス幅の制限が加えられてしまうおそれを低減することができる。特に本実施形態においては、最大リミット値Ｗmax の増大補正率がパルス幅の増大補正率（Ｗ２／Ｗ１）と同一の値に設定されているので、パルス幅Ｗ２が最大リミット値Ｗmax を超えてしまうことがなく、これにより常に所要のアクチュエータ駆動電力を確保することができる。
【００５３】
なお、前述の正立プリズム3a，3bとしてはシュミット(Schmidt）の正立プリズム、アツベ(Abbe)の正立プリズム、バウエルン フエント(bauern fend）の正立プリズム、ポロの正立プリズムおよびダハの正立プリズム等があるが、このうち図８にはシュミットの正立プリズムを示す。シュミットの正立プリズムは図に示すようにプリズム23とプリズム24から構成されており、プリズム24の一部25がダハ反射面となっている。このような正立プリズムでは図示するように入射光軸21と射出光軸22を同一直線上にとることのできる入射光軸の位置が存在する。このような入射光軸21と射出光軸22を同一直線上にとることのできる正立プリズムにおいては、図８に示す如く、光軸21より上側にｈだけ離れた、該光軸21に平行な光線21′は、上記正立プリズムを通った後は射出光軸22より下側にｈだけ離れた、光軸22に平行な光線22′になるという性質を持っている。
【００５４】
また、上記角速度センサ８、108は、円柱状等の柱状振動子と複数個の圧電セラミックからなる、コリオリの力を利用した圧電振動ジャイロセンサであって、柱状振動子の側面に少なくとも２個の検出用圧電セラミックと少なくとも１個の帰還用圧電セラミックを設けてなる。
【００５５】
各検出用圧電セラミック からは振動に応じて値の異なる検出信号が出力され、これらの差分を演算することにより角速度を得る。
なお、帰還用圧電セラミックは検出信号の位相補正用に使用される。
【００５６】
この角速度センサ８、108は構造が簡単で超小型であることから像安定化装置20自体を構造簡単かつ小型とすることができる。また、高Ｓ／Ｎ比で高精度であるから角速度制御を高精度とすることができる。
【００５７】
なお、本発明の像安定化装置としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他種々の態様の変更が可能であり、例えば、角速度検出手段としては、円柱状振動子タイプの圧電振動ジャイロセンサの他、三角柱振動子タイプ、四角柱振動子タイプや音叉状振動子タイプ等の種々のタイプの振動子を用いた圧電振動ジャイロセンサを使用することが可能であり、さらに、その他の種々の角速度センサを使用することが可能である。
【００５８】
なお、角度位置検出手段としては、上記ポジションセンサに代えてレゾルバ、シンクロ、ロータリエンコーダ等の種々の角度センサを用いることができる。
【００５９】
また、上記実施形態装置は双眼鏡に適用するための構成とされているが、本発明の像安定化装置としては単眼鏡に適用し得る構成とすることも可能である。また、ビデオカメラ等のカメラに搭載しても同様の効果を得ることができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の像安定化装置においては、ジンバル懸架手段を回動させるアクチュエータを、駆動回路を介してＰＷＭ制御で駆動するように構成されているが、装置使用中に駆動回路の電源電圧が降下したとき、該駆動回路への出力波形のパルス幅を増大補正するようになっているので、アクチュエータ駆動電力が低下するのを防止して意図した回動制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る像安定化装置の制御ループを示すブロック線図
【図２】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す平面断面図
【図３】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す正面断面図
【図４】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す側面断面図
【図５】本発明の実施形態に係る像安定化装置を内蔵した双眼鏡を示す斜視図
【図６】本発明の実施形態に係る像安定化装置の機能を説明するための装置概略斜視図
【図７】本発明の実施形態に係る像安定化装置の機能を説明するためのブロック図
【図８】図２に示す正立プリズムを説明するための側面図
【図９】本発明の実施形態に係る像安定化装置におけるＰＷＭ制御の内容を示す回路図
【図１０】本発明の実施形態に係る像安定化装置におけるＰＷＭ制御の内容を示す波形図
【図１１】本発明の実施形態に係る像安定化装置におけるパルス幅の増大補正の様子を示す波形図
【図１２】本発明の実施形態に係る像安定化装置においてバッテリ使用による電源電圧の変化の様子を示す図である。
【符号の説明】
1a，1b 対物レンズ（対物レンズ系）
2a，2b 接眼レンズ（接眼レンズ系）
3a，3b 正立プリズム
4a，4b 光軸
５，105 回転駆動モータ
６，106 回動軸
７, 107 ジンバル懸架部材
８，61，108 角速度センサ
９，81，109 ポジションセンサ
10a ，10b 望遠鏡光学系
12 ＣＰＵ
12a ＲＯＭ
30 ケース
40 モード切換スイッチ（利得切換手段）
68 モータ駆動系
70 ジンバル懸架装置
83 第１増幅器
84 第２増幅器
85 ソフトスイッチ部
Ｖｐ 電源電圧
Claims (3)
- 正立プリズムを対物レンズと接眼レンズの間に配置した単眼鏡光学系もしくは双眼鏡光学系を有し、これら光学系の対物レンズおよび接眼レンズをケース内に固設してなる光学装置に搭載される像安定化装置であって、
前記光学装置の左右方向および上下方向に延びる２本の回動軸を有し、前記正立プリズムを前記ケースに回動自在に装着するジンバル懸架手段と、
該ジンバル懸架手段を該２本の回動軸の周りに回動せしめるアクチュエータと、
前記正立プリズムを慣性系に対して固定するよう、前記アクチュエータを駆動回路を介してＰＷＭ制御で駆動し、前記ジンバル懸架手段の２つの回動軸周りの回動を制御する回動制御手段と、
前記駆動回路の電源電圧が降下したとき、前記アクチュエータの駆動電力を低下させないように、前記回動制御手段から該駆動回路への出力波形のパルス幅を増大補正するパルス幅増大補正手段とを備え、
前記パルス幅の増大補正率が、前記電源電圧の降下率の逆数に設定されていることを特徴とする像安定化装置。 - 前記パルス幅に最大リミット値が設定されており、前記駆動回路の電源電圧が降下したとき前記最大リミット値を増大補正する最大リミット値増大補正手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の像安定化装置。
- 前記最大リミット値の増大補正率が、前記パルス幅の増大補正率と同一の値に設定されていることを特徴とする請求項２記載の像安定化装置。
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