JP5159240B2

JP5159240B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5159240B2
Application number: JP2007270831A
Authority: JP
Inventors: 智明山中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: US8174574B2; JP2009100325A; US20090102920A1

Description

本発明は、ズーミングによる画面の中心ずれの補正を可能とする撮像装置に関するものである。

近年、撮像装置の高倍化・高画質化が進んでおり、理想的なレンズシステムの場合にはズーミングによる画面の中心ずれは発生しないため、広角端での中心被写体と望遠端での中心被写体にずれが生ずることはない。しかし、レンズ群同士の偏心やレンズと撮像素子との取付位置のずれ等の機械的なばらつきにより、ズーミング時に中心ずれが発生し易い。

本来、理想的には図５（ａ）に示すように画面１の中央にある被写体２がズーミングされても画面３の中央に位置するはずである。しかし、上述の要因により（ｂ）に示すようにズーミングによって画面３の中心から被写体２が外れてしまうという問題が生ずる。

監視用撮像装置や産業用撮像装置では雲台を用いてパン・チルト動作を行い、撮影範囲を広げる一方で、任意の位置を拡大撮影するために、高倍率のズーム機構付きレンズを使用する要望がある。このことから、近年ではズーミングによる画面の中心ずれの問題が顕著になっている。

中心ずれを軽減する方法として、レンズ自身やレンズに付随する部材の加工精度を上げる、或いは組み立て後に調整を行うなどの方法がある。しかし、これらの場合には多大の労力を要し、製造コストが上昇するという課題がある。

そこで、上述した中心ずれを補正する方法として、特許文献１では、撮像素子からの切出位置をずらすことによって中心ずれを補正している。また、特許文献２では、像振れ補正用の光路補正光学系を兼用してズーミングの際の中心ずれを補正している。

特開平９−２７９２６号公報特開２００６−１９１１８１号公報

しかし、特許文献１のように撮像素子からの切出位置をずらすことによって中心ずれを補正する場合に、撮影される画像は撮像素子の有効画素の一部しか利用することができないため画質が劣化する。

また、特許文献２のように像振れ補正用の補正光学系と兼用する場合に、画質の劣化はないが、像振れ補正のための光学系振れ角の一部を中心ずれ補正用に利用するため、像振れ補正効果や中心ずれ補正効果が十分に得られなくなることがある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、ズーミング操作により生ずる画面の中心ずれをパン・チルト手段を用いて補正し得る撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の関わる撮像装置は、変倍を行うためのズームレンズが光軸方向に移動することに起因する撮像画面の中心ずれを補正する撮像装置であって、前記変倍を行うためのズームレンズを備えたレンズユニットと、前記レンズユニットをパン又はチルトするためのパン・チルト駆動手段と、前記パン・チルト駆動手段を制御するためのパン・チルト制御手段と、前記レンズユニットのズームレンズの光軸方向の位置を検出する位置検出手段と、前記ズームレンズの光軸方向の位置に起因する撮像画面の中心ずれ情報を記憶した記憶部と、前記中心ずれの補正を優先するモードと前記レンズユニットのパン・チルト駆動を優先するモードとを選択可能な選択手段と、を有し、前記パン・チルト制御手段は、前記位置検出手段により検出されたズームレンズの光軸方向の位置情報に応じて、前記記憶部に記憶された前記撮像画面の中心ずれ情報を読み出し、前記読み出された情報に基づいて前記中心ずれを補正するように前記パン・チルト駆動手段の駆動を制御する際に、前記選択手段により前記中心ずれ補正を優先するモードが選択されている場合は、前記パン・チルト駆動手段の駆動範囲の全域で前記中心ずれ補正を行い、前記レンズユニットのパン・チルト駆動を優先するモードが選択されている場合は、前記パン・チルト駆動手段の駆動範囲の端領域では前記中心ずれの補正を行わないことを特徴とする。

本発明に係る撮像装置によれば、低コストでかつ画質を劣化させることなく、ズーミング操作による中心ずれを補正することが可能となる。

また、幾つかの補正モードを設ければ、中心ずれの補正を優先するか、パン・チルト動作を優先するかを選択可能とすることができる。

本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は撮像装置のブロック回路構成図である。光軸上に、フロントレンズユニット１１、ズームレンズユニット１２、絞りユニット１３、固定レンズユニット１４、フォーカスレンズユニット１５、撮像素子１６が配列されている。そして、これらのレンズ手段はパン又はチルト動作を行う雲台などのパン・チルト手段１７に搭載されている。

制御ＣＰＵ２１は、中心ずれ補正部２２、パン・チルト端位置変更部２３、パン・チルト駆動部２４、中心ずれ情報記憶部２５、ズーム駆動部２６を備えている。制御ＣＰＵ２１の出力は駆動部２７、パン用アクチュエータ２８及び駆動部２９、チルト用アクチュエータ３０を介してパン・チルト手段１７に接続されている。パン・チルト手段１７の位置は、パン用位置エンコーダ３１、チルト用位置エンコーダ３２により検出され、これらの出力は制御ＣＰＵ２１に接続されている。

制御ＣＰＵ２１は映像信号処理部３３と接続され、映像信号処理部３３は映像情報を出力すると共に、撮像素子駆動部３４を介して撮像素子１６と接続されている。制御ＣＰＵ２１の出力は駆動部３５、アクチュエータ３６、及び駆動部３７、アクチュエータ３８を介して、それぞれズームレンズユニット１２及びフォーカスレンズユニット１５を駆動するようにされている。また、ズームレンズユニット１２の位置を検出する位置エンコーダ３９の出力が、制御ＣＰＵ２１に接続されている。

更に、補正モード選択手段４０、ズーム操作手段４１、外部接続手段４２の出力が制御ＣＰＵ２１に接続され、外部接続手段４２は外部機器と接続されている。

被写体からの光束は、レンズユニット１１、１２、絞りユニット１３、レンズユニット１４、１５を通過して、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子から成る撮像素子１６の受光面上に結像する。

撮像素子１６では光電変換された電荷が蓄積され、所定のタイミングで撮像素子駆動部３４により電荷が読み出される。撮像素子駆動部３４は撮像素子１６からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換の機能を内蔵しており、撮像素子駆動部３４を介して撮像素子１６から出力された信号は、デジタル信号として映像信号処理部３３に送られる。映像信号処理部３３では撮像素子１６からの出力信号に対して所定の増幅やガンマ補正などの各種処理を施して映像信号が生成され、この映像信号は外部の液晶ディスプレイパネル等の表示デバイスに出力される。

ズームレンズを備えたズームレンズユニット１２は制御ＣＰＵ２１内のズーム駆動部２６からの駆動信号により、駆動部３５を介してＤＣモータやパルスモータなどアクチュエータ３６を駆動することで光軸方向に移動して変倍動作を行う。そして、ズームレンズユニット１２の位置は位置エンコーダ３９により検出される。ただし、パルスモータの場合に、制御ＣＰＵ２１の内部で位置を計数することで位置検出ができるため、位置エンコーダ３９は省略してもよい。

フォーカスレンズユニット１５は制御ＣＰＵ２１からの駆動信号により、駆動部３７を介してＤＣモータやパルスモータなどのアクチュエータ３８を駆動することで焦点調節動作を行う。

レンズ手段をパン・チルトさせるパン・チルト手段１７は制御ＣＰＵ２１内のパン・チルト駆動部２４からの駆動信号により、駆動部２７、２９を介して、パン用アクチュエータ２８とチルト用アクチュエータ３０により駆動可能とされている。パン・チルト手段１７のパン・チルトのそれぞれの位置は、パン・チルト位置検出手段である位置エンコーダ３１、３２を用いて検出される。ただし、アクチュエータ２８、３０がパルスモータの場合に、制御ＣＰＵ２１の内部で計数することで位置を検出できる。

外部接続手段４２はパソコンや他の撮像装置などの外部機器を接続するので、外部機器からパン・チルトやズーム、フォーカスを制御することも可能である。

制御ＣＰＵ２１の内部の中心ずれ情報記憶部２５は、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュＲＯＭなどの書換え可能な記憶素子であり、予め中心ずれ量や駆動すべき補正駆動量などのデータを記憶している。この中心ずれ量又は補正駆動量を得るためには、設計シミュレーションによって算出したり、撮像装置の製造過程において測定する必要がある。

中心ずれ情報は全てのズームレンズ位置毎に記憶する手法があるが、データ量が大きくなるという問題がある。そのため、所定の間隔をおいて複数のズームレンズ位置の中心ずれ情報を記憶し、記憶されていないズームレンズ位置での中心ずれは記憶された中心ずれ情報から、線形補間等により近似的に算出することも可能である。この手法を用いると、中心ずれ情報を設計シミュレーションや製造過程から得るデータは少なくて済み、容易に算出、測定することが可能である。

中心ずれ補正部２２は中心ずれ情報記憶部２５に記憶された中心ずれに関するデータから、実際にパン・チルトに必要な補正駆動量を算出する。パン・チルト手段１７では中心ずれ補正手段で算出された補正駆動量に従って、ズーミング時の中心のずれを補正する。例えば、図５（ｂ）に示すように中心ずれ補正を行わない状態での中心ずれ量をＸ、Ｙとすると、中心ずれＸはパン動作により補正され、中心ずれＹはチルト動作により補正される。

パン・チルトの駆動領域は中心ずれ量よりも十分に大きいため、このようにパン・チルト動作と中心ずれ補正を兼用しても支障はない。

補正モード選択手段４０による補正モードの選択により中心ずれ補正を優先するか、パン・チルト動作を優先するかを判断し、補正モード選択手段４０での補正モードの設定毎に、パン・チルト端位置変更部２３では、パン・チルト端の位置を変更する。

なお、図１のブロック回路構成図では、アクチュエータを用いて電気的にズーミングを行っているが、手動によりズーミングを行う場合でも、ズーム位置が検出できれば適用が可能である。また、ズーミングはズーム操作手段４１からの指示だけでなく、外部接続手段４２を介して接続された外部機器からも操作可能である。

表１は各補正モードでのパン・チルト端における動作、及び中心ずれ補正動作の一例を示している。

表１
補正モードパン・チルト端中心ずれ補正
中心ずれ補正優先制限ありパン・チルト全域で補正
パン・チルト優先制限なしパン・チルト端では補正なし
中心ずれ補正なし制限なし補正なし

中心ずれ補正優先モードではパン・チルトの駆動範囲に制限を設け、端位置を実際に駆動できる範囲よりも内側に設定しておいて、中心ずれ補正を行えるようにする。これはパン・チルトの端位置では、中心ずれ補正が行えない可能性があるためである。パン・チルト駆動範囲の制限は、中心ずれ補正量から求めることができる。

パン・チルト優先モードでは、パン・チルトの駆動範囲に制限はないが、中心ずれ補正はパン・チルト端では行わない。更に、中心ずれ補正なしモードでは、パン・チルトの駆動範囲に制限はなく、パン・チルト全域で中心ずれ補正は行わない。

このように、各補正モードを設けることで、優先すべき動作を選択できるため、使用者の要求や設置場所に合わせて、カスタマイズ可能な撮像装置が得られる。

図２は前述したズーミング操作時の中心ずれ補正動作のフローチャート図である。

（ステップＳ１０１）ズーム操作があるか否かの判定をズーム操作手段４１の出力により行う。ズーム操作がない場合には次の処理をせず、ズーム操作があった場合には中心ずれ補正を行うために次のステップＳ１０２に進む。なお、ズーム操作があるか否かの判定には、制御ＣＰＵ２１の割り込み機能を用いても可能である。ズーミングはズーム操作手段４１以外にも外部接続手段４２に接続された外部機器からの信号により操作できる。

（ステップＳ１０２）ズーム位置の検出を行う。ズームレンズユニット１２を駆動するアクチュエータ３６がＤＣモータ等である場合に、ズーム位置をエンコーダ３９により検出する必要がある。また、アクチュエータ３６がパルスモータ等の場合には、制御ＣＰＵ２１で計数された位置をズーム位置として使用すればよい。

（ステップＳ１０３）予め記憶された中心ずれ補正情報を中心ずれ情報記憶部２５から読み出し、中心ずれ補正を行うための補正駆動量の算出を行う。中心ずれ補正情報は光学的な中心ずれ量、或いは補正駆動量量そのものでもよい。また中心ずれ補正情報は、前述したように設計シミュレーションや、製造過程での測定により求められている。

（ステップＳ１０４）パン・チルト駆動部２４は中心ずれ補正を行うために、先ず駆動部２７、パン用アクチュエータ２８を用いてパン・チルト手段１７によりパン方向に駆動を開始する。

（ステップＳ１０５）次に、中心ずれ補正を行うために、駆動部２９、チルト用アクチュエータ３０によりパン・チルト手段１７をチルト方向に駆動開始する。ここでは、パン方向から駆動を開始したが、チルト方向から駆動してもよいし、パン方向・チルト方向を同時に駆動してもよい。

（ステップＳ１０６）パン方向に中心ずれ補正駆動量の駆動が完了したかの判定をパン用位置エンコーダ３１により行う。駆動量が足りない場合には引続きパン方向への駆動を行い、所望の駆動が完了するとステップＳ１０７に進む。

（ステップＳ１０７）パン方向への駆動を停止する。

（ステップＳ１０８）チルト方向に中心ずれ補正駆動量の駆動が完了したかの判定をチルト用位置エンコーダ３２により行う。駆動量が足りない場合には、引続きチルト方向への駆動を行い、所望の駆動が完了するとステップ１０９に進む。

（ステップＳ１０９）チルト方向への駆動を停止する。

（ステップＳ１１０）パン・チルトの両方向の補正駆動が完了したかの判定を行う。パン・チルトの何れか一方でも補正駆動が完了していない場合にはステップＳ１０６に戻り、補正駆動が完了した場合には、ステップＳ１０１からの処理を再実行する。

中心ずれ補正をズーム操作が完了後に実行すると急な画角変化がおき、撮影画像が不用意に振れたり、意図した画面にズーミングができないという問題が発生する。そのため、上述した処理は、ズーム操作がされているズーミング中に連続的に行うことが望ましい。

図３は補正モードの設定と、それに合わせたパン・チルトの駆動範囲を制限するフローチャート図である。

（ステップＳ２０１）中心ずれ補正部２２による中心ずれ補正の有効又は無効が選択されているか否かの判定を行う。中心ずれ補正なしが選択されている場合にはステップＳ２０５に進み、中心ずれ補正を行う場合には次のステップＳ２０２に進む。

（ステップＳ２０２）中心ずれ補正を優先するモードか、パン・チルトを優先するモードかの判定を補正モード選択手段により行う。中心ずれ補正を優先する場合にはステップＳ２０４に進み、パン・チルトを優先する場合にはステップＳ２０３に進む。

（ステップＳ２０３）パン・チルト優先モードを設定する。

（ステップＳ２０４）中心ずれ補正モードを設定する。

（ステップＳ２０５）パン・チルト端では中心ずれ補正を行わないため、パン・チルト駆動範囲の制限を解除する。従って、パン・チルトの駆動指示により、移動可能な全域でパン・チルト駆動が可能となる。

（ステップＳ２０６）パン・チルトの駆動範囲に制限を設ける。制限する移動量は、全ズーム領域での中心ずれ補正量の最大値とすればよい。パン・チルト端位置変更部２３は制限後の端位置を新たなパン・チルト移動端として再設定する。

図４はパン・チルト端での中心ずれ補正を考慮した場合のフローチャート図である。

（ステップＳ３０１）図３のフローチャート図で示した補正モードの検出とパン・チルト駆動範囲つまり端位置の設定を行う。

（ステップＳ３０２）中心ずれ補正なしモードが選択されているかの判定を行う。中心ずれ補正なしの場合にはそのまま処理を終了し、中心ずれ補正を行う場合には、次のステップ３０３に進む。

（ステップＳ３０３）現在のパン位置の検出を行う。ＤＣモータ等で駆動を行う場合にはパン用位置エンコーダ３１を用い、パルスモータの場合には制御ＣＰＵ２１で計数し位置検出を行う。

（ステップＳ３０４）現在のチルト位置の検出を行う。ＤＣモータ等で駆動を行う場合にはチルト用位置エンコーダ３２を用い、パルスモータの場合には制御ＣＰＵ２１で位置を計数し位置検出を行う。

（ステップＳ３０５）ステップＳ３０３で検出したパン位置から、現在位置が端位置であるか否かの判定を行う。端位置でない場合には、通常の中心ずれ補正を行うため、ステップＳ３０８に進む。ここでの端位置は、ステップＳ３０１で設定された端位置であり、中心ずれ補正優先モードが選択されている場合には、実際に移動可能なパン駆動範囲よりも内側に設けられる。また、パン・チルト優先モードが選択されている場合には、実際に移動可能なパン駆動範囲の端位置である。

（ステップＳ３０６）ステップＳ３０４で検出したチルト位置から、現在位置が端位置であるか否かの判定を行う。端位置でない場合には、通常の中心ずれ補正を行うためステップＳ３０８に進む。ここでの端位置は、ステップＳ３０１で設定された端位置であり、中心ずれ補正優先モードが選択されている場合には、実際に移動可能なチルト駆動範囲よりも内側に設けられる。また、パン・チルト優先モードが選択されている場合には、実際に移動可能なチルト駆動範囲である。

（ステップＳ３０７）中心ずれ補正優先モードか否かの判定を行う。中心ずれ補正優先モードが選択されている場合にはステップＳ３０８に進み、中心ずれ補正優先モードが選択されていない場合には、パン・チルト優先モードが選択されていると判断しステップＳ３０１に戻る。

ここでの判定処理により、中心ずれ補正優先モードでは、通常の駆動範囲よりも内側に設けられたパン・チルトの端位置でも中心ずれ補正を行うことができ、パン・チルト優先モードでは使用可能な駆動範囲までパン・チルト駆動を行うことができる。ただし、パン・チルト優先モードでは、パン又はチルト端位置では中心ずれ補正は行われない。

（ステップＳ３０８）ズーム操作があるか否かの判定を行う。ズーム操作がない場合には次の処理をせず、ズーム操作があった場合には、中心ずれ補正を行うために次のステップＳ３０９に進む。ズーム操作があるか否かの判定には、制御ＣＰＵ２１の割り込み機能を用いても可能である。ズームは撮像装置に設けられたズーム操作手段４１や、外部接続手段４２に接続された外部機器からの信号により操作される。

（ステップＳ３０９）ズーム位置の検出を行う。ズームレンズユニット１２を駆動するアクチュエータがＤＣモータ等である場合に、ズーム位置を位置エンコーダ３９により検出する必要がある。また、パルスモータ等である場合には、制御ＣＰＵ２１で計数された位置をズーム位置として使用する。

（ステップＳ３１０）予め記憶された中心ずれ補正情報を記憶手段から読み出し、中心ずれ補正を行うための補正駆動量の算出を行う。中心ずれ補正情報は光学的な中心ずれ量、或いは補正駆動量量そのものでもよい。また、前述したように、中心ずれ補正情報は設計シミュレーションや、製造過程での測定により求められる。

（ステップＳ３１１）パン・チルト手段１７の一部であるパン用アクチュエータ２８は中心ずれ補正を行うために、パン方向に駆動を開始する。

（ステップＳ３１２）同様に、チルト用アクチュエータ３０は中心ずれ補正を行うために、チルト方向に駆動を開始する。ここでは、パン・チルトを同時に駆動するアルゴリズムとしているが、図２のフローチャート図で説明したように交互に移動を開始してもよい。

（ステップＳ３１３）パン方向に中心ずれ補正駆動量の駆動が完了したかの判定を行う。駆動量が足りない場合には引続きパン方向への駆動を行い、所望の駆動が完了すればステップＳ３１５に進む。

（ステップＳ３１４）チルト方向に中心ずれ補正駆動量の駆動が完了したかの判定を行う。駆動量が足りない場合には引続きチルト方向への駆動を行い、所望の駆動が完了するとステップＳ３１６に進む。

（ステップＳ３１５）パン方向への駆動を停止する。駆動停止後は再びステップＳ３０８からの処理を繰り返す。

（ステップＳ３１６）チルト方向への駆動を停止する。駆動停止後は再びステップＳ３０８からの処理を繰り返す。中心ずれ補正部２２による中心ずれ補正をズーム操作が完了後に実行した場合に急な画角変化が生じ、撮影画像が不用意に振れたり、意図した画角にズーミングができないという問題が発生する。そのため、上述した処理は図２のフローチャート図と同様に、中心ずれ補正はズーム操作がされている最中に連続的に行うことが望ましい。

撮像装置のブロック回路構成図である。動作のフローチャート図である。動作のフローチャート図である。動作のフローチャート図である。中心ずれ補正の概念図である。

符号の説明

１２ズームレンズユニット
１５フォーカスレンズユニット
１６撮像素子
１７パン・チルト手段
２１制御ＣＰＵ
２２中心ずれ補正部
２３パン・チルト端位置変更部
２４パン・チルト駆動部
２５中心ずれ情報記憶部
２６ズーム駆動部
２８パン用アクチュエータ
３０チルト用アクチュエータ
３３映像信号処理部
３６、３８アクチュエータ
３９位置エンコーダ
４０補正モード選択手段
４１ズーム操作手段
４２外部接続手段

Claims

変倍を行うためのズームレンズが光軸方向に移動することに起因する撮像画面の中心ずれを補正する撮像装置であって、
前記変倍を行うためのズームレンズを備えたレンズユニットと、
前記レンズユニットをパン又はチルトするためのパン・チルト駆動手段と、
前記パン・チルト駆動手段を制御するためのパン・チルト制御手段と、
前記レンズユニットのズームレンズの光軸方向の位置を検出する位置検出手段と、
前記ズームレンズの光軸方向の位置に起因する撮像画面の中心ずれ情報を記憶した記憶部と、
前記中心ずれの補正を優先するモードと前記レンズユニットのパン・チルト駆動を優先するモードとを選択可能な選択手段と、を有し、
前記パン・チルト制御手段は、前記位置検出手段により検出されたズームレンズの光軸方向の位置情報に応じて、前記記憶部に記憶された前記撮像画面の中心ずれ情報を読み出し、前記読み出された情報に基づいて前記中心ずれを補正するように前記パン・チルト駆動手段の駆動を制御する際に、前記選択手段により前記中心ずれ補正を優先するモードが選択されている場合は、前記パン・チルト駆動手段の駆動範囲の全域で前記中心ずれ補正を行い、前記レンズユニットのパン・チルト駆動を優先するモードが選択されている場合は、前記パン・チルト駆動手段の駆動範囲の端領域では前記中心ずれの補正を行わないことを特徴とする撮像装置。