JP4487246B2

JP4487246B2 - 像振れ補正装置

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Publication number: JP4487246B2
Application number: JP2004141561A
Authority: JP
Inventors: 千勝守屋
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP2005321726A

Description

本発明は像振れ補正装置に係り、特に振動によるカメラの像振れを補正（防止）する像振れ補正装置に関する。

テレビカメラの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、その振動による像振れを打ち消すように防振レンズをアクチュエータで駆動して像振れを補正するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、２等参照）。像振れを打ち消すための防振レンズの変位量は、例えば、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角速度信号を積分処理することによって算出される。
特開２００１−１４２１０３号公報特開２００３−１０７５５４号公報

ところで、角速度センサにはゼロ点が熱などによって時間と共に変動するドリフトと呼ばれる特性があることが知られている。そのドリフト特性と位相に関する周波数特性とで現在市販されている角速度センサを大別すると２つに分類することができる。１つは、ドリフトは少ないが周波数特性の悪い（周波数が高いほど位相遅れが大きい）もので、もう１つは、ドリフトは多いが周波数特性の良い（周波数が高い場合でも位相遅れが小さい）ものに分類される。前者に分類されるものをドリフト特性の良い角速度センサといい、後者に分類されるものを周波数特性の良い角速度センサというものとすると、ドリフト特性の良い角速度センサを像振れ補正に使用した場合、ドリフトの影響は少ないが、位相遅れが大きいため、位相遅れを補償する必要が生じ、それに伴う利得の増加により高周波領域の振動に対して過補正になってしまう問題があった。

一方、周波数特性の良い角速度センサを像振れ補正に使用した場合、位相遅れが少ないため位相遅れを補償したとしても過補正が問題になることは殆ど無いが、ドリフトが大きいため、振動が無い状態でも振動が生じていると誤認され、それに対する像振れ補正が行われてしまう。その結果、像が動き（いわゆる「揺らぎ」）、安定した像が得られないという問題があった。特に、テレビ放送用に使用される撮影レンズでは、ズームの高倍率化が進んでおり、ズーム倍率が大きいとその揺らぎがより目立つためドリフトを防止することは重要な課題となっている。ハイパスフィルタなどでドリフトの信号成分を取り除いた場合、ドリフトの周波数領域と、像振れ補正の対象となる振動の周波数領域とが一部で重複しているため、ドリフトの信号成分と共に振動の信号成分も除去されてしまい、除去された周波数範囲の振動に対する像振れ補正が適正に行われなくなるという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、振動を検出する角速度センサ等の振れセンサのドリフトによる像の揺らぎが少なく、また、広範囲の周波数の振動に対して良好な像振れ補正を行うことができる像振れ補正装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の像振れ補正装置は、像を結像する光学系と、前記光学系に加わった振動に対応する角速度信号を出力する角速度センサと、前記光学系に配置された防振レンズを変位させることにより前記像を変位させる像変位手段と、前記角速度センサにより出力された角速度信号に基づいて前記光学系に加わった振動に起因する像振れを打ち消すように前記像変位手段により像を変位させる像振れ補正手段と、を備え、前記光学系を備えたレンズ装置に搭載された像振れ補正装置において、前記角速度センサは、前記光学系に加わった振動に対応する角速度信号を出力する角速度センサであって、該振動の周波数領域のうち低周波領域の振動を検出するための第１の角速度センサと、前記光学系に加わった振動に対応する角速度信号を出力する角速度センサであって、該振動の周波数領域のうち高周波領域の振動を検出するための第２の角速度センサと、前記低周波領域の角速度信号を前記第１の角速度センサにより得られた角速度信号から取得し、前記高周波領域の角速度信号を前記第２の角速度センサにより得られた角速度信号から取得して合成することにより前記光学系に加わった振動の全周波数領域に対する角速度信号を生成する信号合成手段と、を備えたことを特徴としている。本発明によれば、異なる特性の角速度センサを用いて低周波領域と高周波領域の角速度信号を取得することができるため、各々の周波数領域で特性の優れた角速度センサを用いることによってドリフトの信号成分を含まず、且つ、広範囲の周波数の振動に対して適切な応答の角速度信号を得ることができる。

請求項２に記載の像振れ補正装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１の角速度センサは、ドリフトが少なく高周波領域での周波数特性が悪い角速度センサであり、前記第２の角速度センサは、ドリフトが多く高周波領域での周波数特性が良い角速度センサであることを特徴としている。本発明は、第１と第２の角速度センサとして好適な特性を限定したものである。

本発明に係る像振れ補正装置によれば、振れセンサのドリフトによる像の揺らぎが少なく、また、広範囲の周波数の振動に対して好適に像振れを防止することができる。

以下添付図面に従って本発明に係る像振れ補正装置の好ましい実施の形態について詳述する。

図１は、本発明に係る像振れ補正装置の内部構成を示した構成図である。像振れ補正装置は、例えば、テレビカメラ用のレンズ装置（撮影レンズ）、ムービカメラ、又は、スチルカメラ等に搭載され、同図に示す防振レンズ２４は、本装置が搭載されるレンズ装置又はカメラ等の光学系において、光軸に対して垂直な面内で上下（鉛直方向）、左右（水平方向）に移動可能に配置される。また、防振レンズ２４は、モータ２２により上下、又は、左右に駆動されるようになっており、カメラ（光学系）に振動が生じた場合には、このモータ２２により像振れを補正する位置（振動による像振れを打ち消す位置）に移動するようになっている。尚、防振レンズ２４は上下方向と左右方向のいずれの方向についても各方向に生じた振動に基づいて同様に駆動されるため、同図には一方向（例えば水平方向）に対する像振れ補正を行う構成についてのみ示し、他方向に対して同様に構成されるものとする。

同図に示す角速度信号出力部１０は、光学系に生じた振動の角速度を検出し、検出した角速度の信号（角速度信号）を出力する構成部であり、詳細を後述するように特性が異なる２つの角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈによって光学系の例えば左右方向の振動を検出し、各角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈから出力された角速度信号を合成した角速度信号Ｓ３が出力される。

角速度信号出力部１０から出力された角速度信号Ｓ３は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２によって、像振れ補正の対象とする周波数範囲よりも高い周波数成分が遮断された後、Ａ／Ｄ変換器１４によりデジタル信号に変換されてＣＰＵ１６に入力される。

ＣＰＵ１６は、入力された角速度信号Ｓ３をデジタルフィルタと同等の演算処理により積分処理し、角速度信号Ｓ３を角度信号に変換する。即ち、光学系の振動によって生じる像振れに対してそれを打ち消す方向及び大きさで像を変位させるための防振レンズ２４の変位量（基準位置からの変位量）を、角速度信号Ｓ３を積分処理することによって求める。そして、その角度信号の値を防振レンズ２４の移動目標位置を示す値として出力する。

ＣＰＵ１６から出力された角度信号はＤ／Ａ変換器１８によりアナログ信号に変換された後、モータ駆動回路２０に入力される。モータ駆動回路２０は、防振レンズ２４を例えば左右方向に移動させるモータ２２を駆動して、ＣＰＵ１６から出力された角度信号の値に対応した位置に防振レンズ２４を移動させる。これによって光学系に加わった振動による像振れが補正される。尚、像振れ補正の方式には本実施の形態のように防振レンズ２４を変位させることによって光学系の像を意図的に変位させる像変位手段によって振動による像振れを打ち消す場合の他に、カメラの撮像素子を変位させて像を意図的に変位させる像変位手段によって振動による像振れを打ち消すようにしたものや、光学的な像変位手段によって像振れを補正するのではなく、カメラの撮像素子によって撮像される撮影画像の範囲内から記録又は再生用の映像信号として切り出す範囲を変位させて像を意図的に変位させる電子的な像変位手段によって振動による像振れを打ち消すようにしたもの等が知られている。このような他の方式の像振れ補正においても、角速度信号出力部１０から得られた角速度信号を積分処理することによって、本実施の形態と同様に振動による像振れを打ち消すように像変位手段に像を変位させるための変位量の信号（上記角度信号に相当）を求めることができ、本実施の形態と同様に本発明を他の方式の像振れ補正に適用することができる。

続いて、上記角速度信号出力部１０について詳説する。光学系の振動を検出する２つの角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈは、例えばジャイロセンサであり、レンズ鏡胴の上面等に設置される。各角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈからは、レンズ鏡胴の例えば左右方向に生じた振動の角速度に応じた電圧の電気信号が角速度信号として出力される。

これらの２つの角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈには異なる特性のものが使用されており、角速度センサ３０Ｌには、ドリフトは少ないが周波数特性が悪いセンサ（ドリフト特性の良い角速度センサ）が使用され、角速度センサ３０Ｈには、ドリフトは多いが周波数特性が良いセンサ（周波数特性が良い角速度センサ）が使用されている。

図２は、これらの角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈの周波数特性を比較した特性図である。同図（Ａ）は利得に関する周波数特性（ゲイン特性）を示しており、ゲイン特性に関してはいずれの角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈも略一致した特性を示している。一方、同図（Ｂ）は位相に関する周波数特性（位相特性）を示しており、曲線Ａが角速度センサ３０Ｌの位相特性を示し、曲線Ｂが角速度センサ３０Ｈの位相特性を示している。曲線Ａと曲線Ｂを比較して分かるように、角速度センサ３０Ｈは、周波数が高い領域においても位相遅れが少なく良好な位相特性を示すのに対して、角速度センサ３０Ｌは、周波数が高く領域ほど位相遅れが顕著に大きくなり位相特性が悪い。

これに対して、これらの特性図には現れないドリフト特性に関しては、角速度センサ３０Ｌの方が角速度センサ３０Ｈよりもドリフトが小さくて良好な特性を示す。

図１に示すように各角速度センサ３０Ｌ、３０Ｈから出力された角速度信号はそれぞれ、各ＤＣカット部３２Ｌ、３２Ｈにより直流成分を除去され、増幅回路３４Ｌ、３４Ｈにより増幅処理されたのち合成回路３６に入力される。尚、角速度センサ３０Ｌから得られた角速度信号をＳ１、角速度センサ３０Ｈから得られた角速度信号をＳ２とする。

合成回路３６は、所定の周波数を境界にして低周波領域ｆＬと高周波領域ｆＨの２つの周波数領域に分け、角速度センサ３０Ｌと角速度センサ３０Ｈの各々から得られた角速度信号Ｓ１、Ｓ２のうち、低周波領域ｆＬの信号成分を、ドリフト特性の良い角速度センサ３０Ｌの角速度信号Ｓ１から取得し、高周波領域ｆＨの信号成分を、周波数特性の良い角速度センサ３０Ｈの角速度信号Ｓ２から取得し、それらを合成することによって全周波数領域の角速度信号Ｓ３を生成する。このように合成された角速度信号Ｓ３は、ドリフトの信号成分が現れる可能性のある低周波領域ｆＬの信号成分が、ドリフト特性の良い角速度センサ３０Ｌから得られた角速度信号Ｓ１によって生成されるためドリフトによる電圧変動が殆どなく、また、周波数特性の悪い角速度センサ３０Ｌから得られた角速度信号Ｓ１であっても低周波領域ｆＬに限ってその角速度信号Ｓ１が有効に使用されるため低周波領域ｆＬでの周波数特性も良好となる。一方、高周波領域ｆＨの信号成分は、周波数特性の良い角速度センサ３０Ｈから得られた角速度信号Ｓ２によって生成されるため、高周波領域ｆＨでの周波数特性も良好である。

したがって、合成回路３６によって合成されて上記のように角速度信号出力部１０からＬＰＦ１２に出力される角速度信号Ｓ３は、ドリフトが少なく周波数特性も良い理想的な角速度センサから得られる角速度信号と同等のものとなる。

図３に合成回路３６の一例を示す。同図に示すように角速度センサ３０Ｌから合成回路３６に入力された角速度信号Ｓ１はローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０によって高周波領域ｆＨの信号成分が遮断されて低周波領域ｆＬの信号成分のみが抽出される。一方、角速度センサ３０Ｈから合成回路３６に入力された角速度信号Ｓ２はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５２によって低周波領域ｆＬの信号成分が遮断されて高周波領域ｆＨの信号成分のみが抽出される。図４は、ＬＰＦ５０とＨＰＦ５２の周波数特性を示した図であり、ＬＰＦ５０の特性はグラフＬ１によって表され、ＨＰＦ５２の特性はグラフＬ２によって表されている。ＬＰＦ５０とＨＰＦ５２の特性は、ＬＰＦ５０とＨＰＦ５２を合わせた合成回路３６のゲインが全ての周波数領域の信号成分に対して均一（１）となるように設定されており、例えば、ＬＰＦ５０とＨＰＦ５２のカットオフ周波数ｆｃは一致し、４Ｈｚに設定されている。尚、ＬＰＦ５０とＨＰＦ５２のグラフＬ１とＬ２が交差する周波数は、上記低周波領域ｆＬと高周波領域ｆＨの境界を示す周波数であり、クロスオーバー周波数ｆＣというものとすると、図４の例では、クロスオーバー周波数ｆＣがＬＰＦ５０とＨＰＦ５２のカットオフ周波数ｆｃ（例えば４Ｈｚ）に一致している。

このようにＬＰＦ５０によって低周波領域ｆＬの信号成分のみを抽出された角速度信号Ｓ１と、ＨＰＦ５２によって高周波領域ｆＨの信号成分のみを抽出された角速度信号Ｓ２は、続いて加算器５４に入力して加算される（Ｓ１＋Ｓ２）。これによって角速度信号Ｓ１の低周波領域ｆＬの信号成分と角速度信号Ｓ２の高周波領域ｆＨの信号成分とを合成した角速度信号Ｓ３が生成され、その角速度信号Ｓ３が合成回路３６から出力される。

尚、図３に示した合成回路３６は一例であって、他の回路構成でも図３と同様に角速度信号Ｓ１と角速度信号Ｓ２とを合成して角速度信号Ｓ３を生成することができる。図５、図６はその合成回路３６の一例を示したもので、説明は省略するがいずれの回路も、図３に示した合成回路３６をＨＰＦと加算器のみで構成した変形例であり、角速度信号Ｓ１、Ｓ２の入力に対して結果的に図３の合成回路３６と同一の角速度信号Ｓ３が合成されて出力されるようになっている。

次に、図１の角速度信号出力部１０の他の実施の形態について説明する。図７は、角速度信号出力部１０の他の実施の形態（第２の実施の形態）を示した構成図である。尚、図１の角速度信号出力部１０と同一又は類似の作用の構成部には同一符号を付しその説明を省略する。図１と比較して図７には、角速度センサ３０Ｌから出力された角速度信号Ｓ１を処理する信号ラインに位相補償回路３８が追加されている。この位相補償回路３８は、周波数特性の悪い角速度センサ３０Ｌから得られた角速度信号Ｓ１の上記低周波領域ｆＬでの位相遅れが無視できないような場合に効果的である。例えば、角速度センサ３０Ｈから得られる角速度信号Ｓ２の周波数成分のうちドリフトによる信号成分が含まれる周波数までは上記低周波領域ｆＬとし、その低周波領域ｆＬの信号成分を角速度信号Ｓ１から取得して合成の角速度信号Ｓ３を生成することが望ましい。

このような条件を優先して低周波領域ｆＬと高周波領域ｆＨの境界（クロスオーバー周波数ｆＣ）を設定した場合、低周波領域ｆＬにおける角速度信号Ｓ１の位相遅れが無視できない場合がある。例えば、角速度センサＳ１の周波数特性が低周波領域においても悪い場合や、角速度センサＳ２のドリフトの信号成分が比較的高い周波数領域まで及ぶためにクロスオーバー周波数ｆＣを高くせざるを得ない場合などがある。

位相補償回路３８は、角速度センサ３０Ｌからの角速度信号Ｓ１の位相を周波数に応じた量だけ進め、角速度信号Ｓ１の位相遅れを補償する。これによって、合成される角速度信号Ｓ３の低周波領域ｆＬの周波数特性が良好となる。

図８は、角速度信号出力部１０の第３の実施の形態を示した構成図である。尚、本実施の形態は、第２の実施の形態のように位相補償回路３８を配置した場合に利得特性の劣化が生じた場合にそれを防止するもので、図７の角速度信号出力部１０と同一又は類似の作用の構成部には同一符号を付しその説明を省略する。一般に、位相補償を行った場合、それに伴って信号の利得も変動する。図７の第２の実施の形態と比較して図８の第３の実施の形態では、角速度センサ３０Ｈから出力された角速度信号Ｓ２を処理する信号ラインに利得補償回路４０が追加されている。この利得補償回路４０は、第２の実施の形態のように角速度センサ３０Ｌからの角速度信号Ｓ１を位相補償回路３８によって位相補償した場合に、それに伴う利得の変化が無視できないような場合に特に効果的である。例えば、位相補償回路３８は、角速度信号Ｓ１の周波数成分のうち、低周波領域ｆＬと高周波領域ｆＨの境界（クロスオーバー周波数ｆＣ）付近での信号成分に対する位相補償が主であり、その周波数付近での角速度信号Ｓ１の位相遅れが非常に大きい場合にはその周波数付近での利得の増加が無視できないほど大きくなる。

クロスオーバー周波数ｆＣ付近では、図４の特性図からも分かるように角速度信号Ｓ１の周波数成分と角速度信号Ｓ２の周波数成分を所定の割合で加算したものが角速度信号Ｓ３の信号成分となるため、位相補償回路３８によって角速度信号Ｓ１の利得が増加した分、利得補償回路４０によって角速度信号Ｓ２の利得を減じることによって、位相補償回路３８による角速度信号Ｓ１の利得の変動が補償される。

以上、上記実施の形態では光学系に加わった振動を角速度センサにより検出し、角速度センサから出力される角速度信号に基づいて像振れ補正を行う場合について説明したが、光学系に加わった振動を角速度センサ以外の振れセンサ、例えば角加速度センサ、加速度センサ、速度センサ、角変位センサ、又は、変位センサ等で検出し、振動に対応してそれらの振れセンサから出力される振れ信号に基づいて像振れ補正を行う場合においても本発明を適用することができる。

図１は、本発明に係る像振れ補正装置の内部構成を示した構成図である。図２は、振動検出に使用する２つの角速度センサの周波数特性を比較した特性図である。図３は、角速度信号出力部における合成回路の一例を示した構成図である。図４は、合成回路のフィルタ特性を示した図である。図５は、角速度信号出力部における合成回路の一例を示した構成図である。図６は、角速度信号出力部における合成回路の一例を示した構成図である。図７は、角速度信号出力部の他の実施の形態を示した構成図である。図８は、角速度信号出力部の他の実施の形態を示した構成図である。

符号の説明

１０…角速度信号出力部、１２、５０…ローパスフィルタ、１４…Ａ／Ｄ変換器、１６…ＣＰＵ、１８…Ｄ／Ａ変換器、２０…モータ駆動回路、２２…モータ、２４…防振レンズ、３０Ｌ、３０Ｈ…角速度センサ、３２Ｌ、３２Ｈ…ＤＣカット部、３４Ｌ、３４Ｈ…増幅回路、３６…合成回路、３８…位相補償回路、４０…利得補償回路、５２…ハイパスフィルタ、５４…加算器

Claims

像を結像する光学系と、前記光学系に加わった振動に対応する角速度信号を出力する角速度センサと、前記光学系に配置された防振レンズを変位させることにより前記像を変位させる像変位手段と、前記角速度センサにより出力された角速度信号に基づいて前記光学系に加わった振動に起因する像振れを打ち消すように前記像変位手段により像を変位させる像振れ補正手段と、を備え、前記光学系を備えたレンズ装置に搭載された像振れ補正装置において、
前記角速度センサは、
前記光学系に加わった振動に対応する角速度信号を出力する角速度センサであって、該振動の周波数領域のうち低周波領域の振動を検出するための第１の角速度センサと、
前記光学系に加わった振動に対応する角速度信号を出力する角速度センサであって、該振動の周波数領域のうち高周波領域の振動を検出するための第２の角速度センサと、
前記低周波領域の角速度信号を前記第１の角速度センサにより得られた角速度信号から取得し、前記高周波領域の角速度信号を前記第２の角速度センサにより得られた角速度信号から取得して合成することにより前記光学系に加わった振動の全周波数領域に対する角速度信号を生成する信号合成手段と、
を備えたことを特徴とする像振れ補正装置。
前記第１の角速度センサは、ドリフトが少なく高周波領域での周波数特性が悪い角速度センサであり、前記第２の角速度センサは、ドリフトが多く高周波領域での周波数特性が良い角速度センサであることを特徴とする請求項１の像振れ補正装置。