JP5159286B2 - 像振れ補正装置および撮像装置 - Google Patents

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本発明は、ステップモータを用いて補正手段を変位させることにより像振れ補正を行う像振れ補正装置および撮像装置に関する。
近年、手振れ等による像振れを光学的に補正する像振れ補正装置を備え、高画質撮影を可能にするデジタルカメラの要求が高まっている。像振れ補正装置には、ジャイロなどの角速度センサからの信号に応じて、補正レンズまたは撮像素子を変位させ、結像面での像振れを抑えるものがある。例えば、特許文献1では、ステップモータを駆動源として補正レンズまたは撮像素子を変位させ、像振れ補正を行う撮像装置が示されている。
特開2006−129597号公報
特許文献1では、サンプリング周期内において発生させる駆動パルスに対して、ウェイト時間または駆動パルス数の上限などの制限を加えることによって、予め駆動最高速度と最小位置決め分解能を設定している。そのため、速い振れに追従するように駆動最高速度を高く設定した場合は、最小位置決め分解能が粗くなり、補正精度が低くなる。一方、補正精度を高めるために最小位置決め分解能を細かく設定した場合は、駆動最高速度が低くなり、速い振れに追従できない。従って、様々な周波数成分を含む振れに対しては十分な像振れ補正精度を保てない虞があった。
(発明の目的)
本発明の目的は、様々な周波数成分を含む振れに対して、高い精度で像振れ補正を行うことのできる像振れ補正装置および撮像装置を提供しようとするものである。
上記目的を達成するために、本発明は、振れを検出する角速度センサと、前記振れに起因する画像劣化を軽減する補正手段を変位させるためのステップモータと、前記補正手段の現在位置を検出する位置検出手段と、前記角速度センサからの振れ角速度を振れ変位信号に変換して、前記補正手段を変位させる制御目標位置を算出する制御目標算出手段と、前記制御目標位置に従って前記補正手段を前記現在位置から変位させるように前記ステップモータを動作させる制御手段とを有する像振れ補正装置であって、前記制御手段は、前記振れ変換信号に変換していない振れ角速度の絶対値が第1の閾値よりも大きい場合、前記ステップモータを第1の励磁方式を用いて動作させ、前記振れ角速度の絶対値が前記第1の閾値よりも大きくない場合、前記ステップモータを前記第1の励磁方式よりも分解能が高い第2の励磁方式を用いて動作させる像振れ補正装置とする。
同じく上記目的を達成するために、本発明は、本発明の上記像振れ補正装置を具備する撮像装置とするものである。
本発明によれば、様々な周波数成分を含む振れに対して、高い精度で像振れ補正を行うことができる像振れ補正装置または撮像装置を提供できるものである。
本発明を実施するための最良の形態は、以下の実施例1および2に示す通りである。
図1は、本発明の実施例1に係わる、光学機器の一例である撮像装置に好適な像振れ補正装置を示す構成図である。図1において、101はジャイロセンサであり、光学機器に発生した振れを検出して、振れ角速度を出力する。102は制御目標算出部であり、ジャイロセンサ101から出力される振れ角速度から、後述する補正レンズ107の制御目標位置を出力する。制御目標算出部102は、ジャイロセンサ101からの振れ角速度を振れ量に変換する積分器と、積分器が出力する振れ量を像振れ補正のために後述する補正レンズ107が駆動されるべき制御目標位置に変換する係数変換器とを有する。
103は制御部であり、制御目標算出部102から出力される補正レンズ107の制御目標位置と後述するカウンタ106から出力される補正レンズ107の現在位置との差分から、像振れ補正に必要な補正レンズ107の駆動量を算出する。また、制御部103は、ジャイロセンサ101から出力される振れ角速度に応じて、後述するステップモータ105の励磁方式を設定し、駆動量と励磁方式に応じた駆動パルスを出力する。
104はドライバ部であり、制御部103から出力される駆動パルスをもとに、後述するステップモータ105を駆動する。105はステップモータであり、ドライバ部104から出力される駆動によって駆動し、不図示の動力伝達機構を介して補正レンズ107を変位させる。106はカウンタであり、制御部103から出力される駆動パルスを積算し、補正レンズ107の現在位置を出力する。107は補正レンズであり、変位して結像面での像振れを補正する。
本実施例1においては、ジャイロセンサ101とステップモータ105を1個づつ用いて一方向の像振れを補正する構成を示しているが、これらを複数用い、補正レンズ107を複数方向に変位させることで、複数方向の像振れを補正する構成でもよい。また、本実施例1においては、変位させる制御対象を補正レンズ107としたが、撮像素子を変位させて結像面での像振れ補正を行う構成でもよい。
本実施例1においては、補正レンズ107の現在位置をカウンタ106によって算出する、いわゆるオープン制御による像振れ補正を行っている。しかし、ホール素子などの位置検出センサによって補正レンズ107の現在位置を検出する、いわゆるフィードバック制御による振れ補正を行う構成でもよい。
次に、図2のフローチャートを用いて、ステップモータ105を駆動するための励磁方式の設定を含む像振れ補正動作について説明する。
像振れ補正動作が開始されると、まずステップS201にて、ジャイロセンサ101から出力される振れ角速度ωを取得し、次のステップS202にて、振れ角速度ωの絶対値|ω|と所定のしきい値SH1を比較する。比較の結果、振れ角速度ωの絶対値|ω|が所定のしきい値SH1を超える場合はステップS203へ進み、ステップモータ105の励磁方式をAに設定する。一方、振れ角速度ωの絶対値|ω|が所定のしきい値SH1を超えない場合はステップS204へ進み、ステップモータ105の励磁方式をBに設定する。
次のステップ205では、制御目標位置と現在位置の差分dxに応じた駆動パルスを出力する(詳細は後述する)。続くステップ206では、終了信号の有無を判定する。終了信号が有る場合は像振れ補正動作を終了し、終了信号が無い場合はステップ201に戻り、以下、同様の動作を繰り返す。
ここで、励磁方式Aは励磁方式Bに対してステップ角の大きい励磁方式とすれば、励磁方式Bで駆動したときに比べて励磁方式Aで駆動したときの補正レンズ107の駆動可能な最高速度が速くなる。従って、振れ角速度ωが速い場合においても像振れ補正が可能になる。
また、しきい値SH1を、制御部103が出力可能な駆動周波数の範囲内で、励磁方式Bを用いたときに補正可能な最大の振れ角速度ω、または、それに近い振れ角速度ωの値に設定したとする。すると、制御部103が補正可能な限りにおいてステップ角、すなわち分解能の高い励磁方式Bで像振れ補正を行うため、像振れ補正の精度が向上する。
また、ここでいう励磁方式とは、2相駆動方式、1−2相駆動方式、分割数が異なる複数のマイクロステップ駆動方式のうち、ステップ角の異なる少なくとも二つの励磁方式を用いる構成であればよい。すなわち、しきい値を二つ以上設定して、三つ以上の励磁方式を切り換える構成にしてもよい。切り換えられる励磁方式の種類が多いほど、振れの状態に応じてきめ細かい制御が可能となり、像振れ補正の精度が向上する。
図3は、像振れ補正動作の中で駆動パルスを出力する動作、つまり図2のステップS205での動作を示すフローチャートである。
まず、ステップS301では、制御目標位置と現在位置の差分dxを取得する。そして、次のステップS302にて、差分の絶対値|dx|と所定のしきい値SH2を比較する。比較の結果、差分の絶対値|dx|が所定のしきい値SH2を超えない場合は、駆動パルス出力の動作を終了する。
一方、差分の絶対|dx|が所定のしきい値SH2を超える場合はステップS303へ進み、差分dxの正負を判定する。判定の結果、差分dxがプラスの場合はステップS304へ進み、プラス方向の駆動パルスを出力して、駆動パルス出力の動作を終了する。差分dxがプラスでない場合はステップS305へ進み、マイナス方向の駆動パルスを出力して、駆動パルス出力を終了する。
本実施例1では、現在の励磁方式での分解能をdとしたとき、しきい値SH2=d/2とするが、その他の値を用いてもよい。また、本実施例1では、各制御間隔内の駆動パルスは1パルスずつとしているが、各制御間隔内に複数パルスを出力してもよく、差分dxに応じて制御間隔内の駆動パルス数またはパルスレートを変更してもよい。
図4は、本実施例1に係る像振れ補正動作のタイミングチャートであり、補正レンズ107の制御目標位置と現在位置、ステップモータ105の励磁方式、制御部103から出力される駆動パルスを模式的に示している。横軸が時刻、縦軸が補正レンズ107の移動方向Xにおける光軸からの距離を表している。
図4において、Xobjは補正レンズ107の制御目標位置、Xnowは本実施例1における補正レンズ107の現在位置を示す。XnowAは励磁方式Aのみを用いた場合の補正レンズ107の現在位置、XnowBは励磁方式Bのみを用いた場合の補正レンズ107の現在位置を示す。dAは励磁方式Aにおける補正レンズ107の分解能、dBは励磁方式Bにおける補正レンズ107の分解能である。tは制御部103がドライバ部104に対して駆動パルスを出力する間隔、すなわち制御間隔であり、制御部103の仕様や他の制御との関係によって決まる。s0〜s16は制御間隔tによって決まる制御タイミング、x0〜x10は各分解能によって決まる補正レンズ107の座標である。また、駆動パルスは上向きがXプラス方向の駆動パルス、下向きがXマイナス方向の駆動パルスを示す。
本実施例1では、制御部103は、各制御タイミングにおいて、前述した図2のフローチャートに従って励磁方式を選択し、駆動パルスを出力する。このとき、補正レンズ107はXnowのように推移する。s0〜s4,s14〜s16の区間では、振れ角速度がしきい値SH1を超えるため、励磁方式Aが選択されている。なお、このタイミングチャートにおいては、Xobjの各時刻における接線の傾きの大きさが角速度の大きさと比例関係にある。一方、s5〜s13の区間では、振れ角速度がしきい値SH1以下であるため、励磁方式Bが選択されている。
最高速度が速いが、分解能が粗い励磁方式Aのみを用いた場合、補正レンズ107の現在位置はXnowAのように推移する。この制御方式では、s5〜s11の区間において、励磁方式Aにおける分解能が粗いため、本実施例1よりも偏差が大きく、像振れ補正の精度が低いことが分かる。
また、最高速度は遅いが、分解能が細かい励磁方式Bのみを用いた場合、補正レンズ107の現在位置はXnowBのように推移する。この制御方式では、s1〜s8の区間において、制御目標の速度(Xobjの接線の傾きに相当)が補正レンズ107の最高速度(dB/tに相当)を超えており、像振れ補正の精度が大幅に低下している。
補正レンズ107の最高速度を高めるには、制御間隔tを短くするという方法があるが、制御部103の仕様や他の処理との兼ね合いから限界がある。そこで、本実施例1では、振れ角速度が速いときは、補正レンズ107の最高速度が速い励磁方式Aを用い、振れ角速度が遅いときは、補正レンズ107の分解能が細かい励磁方式Bを用いる。このことで、異なる振れの状態において、ステップモータ105(補正レンズ107)を駆動するために常に最適な励磁方式を選択でき、像振れ補正の精度を向上させることができる。
次に、図5〜図7を用いて、本発明の実施例2に係わる、光学機器の一例である撮像装置に好適な像振れ補正装置について説明する。像振れ補正装置の回路構成は図1と同様であるものとする。
ここで、本発明の実施例2に係る像振れ補正装置の像振れ補正動作について、図5のフローチャートを用いて説明する。
像振れ補正動作が開始されると、ステップS401にて、ジャイロセンサ101から出力される振れ角速度ωを取得する。そして、次のステップS402にて、振れ角速度ωの絶対値|ω|と所定のしきい値SH1を比較する。比較の結果、振れ角速度ωの絶対値|ω|が所定のしきい値SH1を超える場合はステップS405へ進み、ステップモータ105を駆動するための励磁方式をAに設定する。そして、次のステップS407にて、差分dxに応じた駆動パルスを出力する。その後はステップS408へ進み、終了信号の有無を判定して、終了信号が有る場合は像振れ補正動作を終了し、終了信号が無い場合はステップS401に戻り、以下、同様の動作を繰り返す。
上記ステップS402において、振れ角速度の絶対値|ω|が所定のしきい値SH1を超えない場合はステップS403へ進み、制御目標位置と現在位置の差分dxを取得する。そして、次のステップ404にて、振れ角速度ωと差分dxをパラメータとした関数f(ω,dx)と所定のしきい値SH3を比較する。比較の結果、関数f(ω,dx)がしきい値SH3を超える場合は上記のステップS405へ進み、ステップモータ105を駆動するための励磁方式をAに設定する。一方、関数f(ω,dx)がしきい値SH3を超えない場合はステップS404からステップS406へ進み、ステップモータ105を駆動するための励磁方式をBに設定する。
その後はステップS407へ進み、差分dxに応じた駆動パルスを出力し、次のステップS408にて、終了信号の有無を判定する。判定の結果、終了信号が有る場合は像振れ補正動作を終了し、終了信号が無い場合はステップS401に戻り、以下、同様の動作を繰り返す。
ここで、上記実施例1と同様、励磁方式Aは励磁方式Bに対してステップ角の大きい駆動励磁方式とすれば、励磁方式Bで駆動したときに比べて励磁方式Aで駆動したときの補正レンズ107の駆動可能な最高速度が速くなる。従って、振れ角速度が速い場合においても、像振れ補正が可能になる。
また、しきい値SH1を、制御部103が出力可能な駆動周波数の範囲内で、励磁方式Bを用いたときに補正可能な最大の振れ角速度、または、それに近い振れ角速度に設定する。このことにより、制御部103が補正可能な限りにおいてステップ角すなわち分解能の高い励磁方式Bで振れ補正を行うため、像振れ補正の精度が向上する。
また、上記の励磁方式は、2相駆動方式、1−2相駆動方式、分割数が異なる複数のマイクロステップ駆動方式のうち、ステップ角の異なる少なくとも2つの励磁方式を用いる構成であればよい。すなわち、しきい値を二つ以上設定して、三つ以上の励磁方式を切り換える構成にしてもよい。切り換えられる励磁方式の種類が多いほど、振れの状態に応じてきめ細かい制御が可能となり、像振れ補正の精度が向上する。
関数f(ω,dx)は、振れ角速度ωが一定であると仮定し、補正レンズ107が励磁方式Bにおける最高速で像振れ補正動作を行った場合に、差分dxが所定の許容値以下となるまでの所要時間を示している。また、しきい値SH3は、許容される追従所要時間に設定する。
図6は、ある時刻S0における本実施例2に係る像振れ補正動作の説明図である。
時刻S0において、振れ角速度はω0、制御目標位置と現在位置の差分はdx0となっている。dx0は各駆動励磁方式の分解能より大きいものとする。Xobjは制御目標位置である。振れ角速度と制御目標の速度との関係を示す係数をKとおき、時刻S0における振れ角速度ω0がその後も一定であると仮定すると、時刻S0における制御目標の速度Vobjは
Vobj=K×ω0
の式で表せる。
制御目標位置Xobjに対し、駆動励磁方式Aで補正動作を行った場合は、XAに沿って最高速度VAで追従動作を行い、時刻SAで制御目標位置に達する。このとき、制御目標位置に達するまでの所要時間TAは
TA=|dx0/(VA−K×ω0)|
で表せる。
また、制御目標位置Xobjに対し、励磁方式Bで補正動作を行った場合は、XBに沿って最高速度VBで追従動作を行い、時刻SBで制御目標位置に達する。このとき、制御目標位置に達するまでの所要時間TBは
TB=|dx0/(VB−K×ω0)|
で表せる。
ここで、f(ω,dx)=TBとした場合を考えると、f(ω,dx)>SH3となるため、図5のフローチャートのステップS403により、励磁方式Aが選択される。励磁方式Aは励磁方式Bに対してステップ角が大きく、最高速度も速いため、制御目標位置に達するまでの所要時間TAはTBに比べ、短縮される。
像振れ補正動作において、追従所要時間TAおよびTBは追従遅れとしてみなされ、長ければ長いほど、像振れ補正の精度が低下することになる。しかし、本実施例2のように、追従所要時間が許容される値を超える場合に、最高速度が速く追従所要時間がより短くなる励磁方式に切り換えることで、像振れ補正の精度の低下を防ぐことができる。
上記の実施例1および2における像振れ補正装置によれば、以下の構成要素を有している。
振れを検出するジャイロセンサ101、振れに起因する画像劣化を軽減する補正レンズ107(もしくは撮像素子)を変位させるためのステップモータ105を有する。さらに、ジャイロセンサ101が出力する振れの角速度を振れ変位信号に変換して、補正レンズ107を変位させる制御目標位置を算出する制御目標算出部102を有する。さらに、算出された制御目標位置に従って補正レンズ107を変位させるように、ステップモータ105を駆動する制御部103を有する。
そして、制御部103が、振れの角速度を振れ変位信号に変換する前の、前記振れの角速度に基づいてステップモータ105を駆動するための励磁方式を変更するようにしている。
上記のように、振れの角速度に応じて励磁方式を選択して像振れ補正を行うため、様々な周波数成分を含む振れに対して、高い精度で像振れ補正を行うことができる。また、ジャイロセンサ101が出力する振れの角速度を励磁方式の変更に利用するため、演算による遅れの少ない制御が可能となる。
詳しくは、上記制御部103は、補正レンズ107(もしくは撮像素子)の現在位置と変位目標との差分量に基づいて、ステップモータ105の励磁方式を変更するものである。
この構成においては、振れの角速度に加え、制御対象である補正レンズ107の現在位置と変位目標との差分量に応じて駆動励磁方式を選択して像振れ補正を行うことになる。このため、振れの角速度のみを使用した場合に比べ、より高い精度で像振れ補正が可能となる。
また、上記制御部103は、励磁方式の変更前後において、ステップモータ105のステップ角が互いに異なるように、励磁方式の変更を行う。
この構成においては、振れの角速度に応じてステップモータ105のステップ角を変更し、制御対象である補正レンズ107の位置決め分解能を最適な値に変更できる。このため、常に高い精度で像振れ補正を行うことができる。
また、上記制御部103は、振れ角速度が予め定められた振れ角速度より速い角速度を示す場合は、そうでない場合に比べて、ステップ角の大きい励磁方式に変更するようにしている。
この構成においては、速い振れの場合はステップ角が大きく、最高速度が速い励磁方式を選択し、そうでない場合はステップ角が小さく、分解能が細かい励磁方式を選択することになる。よって、様々な周波数成分を含む振れに対して、最適な像振れ補正を行うことができる。
また、上記制御部103は、ステップモータ105に対して出力可能な最高駆動周波数を有している。そして、前記振れの角速度が前記最高駆動周波数で補正可能な角速度より速い角速度を示す場合は、そうでない場合に比べて、前記ステップ角が大きい励磁方式に変更するようにしている。
この構成においては、現在の励磁方式で補正可能な振れ角速度を超えても、ステップ角が大きく、最高速度が速い励磁方式に変更するので、速い振れが入力された場合でも、高い精度で像振れ補正を行うことができる。また、補正可能な振れ角速度の範囲において、ステップ角が小さく、分解能が細かい駆動励磁方式を選択するため、常に最適な精度で像振れ補正を行うことができる。
また、上記制御部103は、補正レンズ107の現在位置と制御目標位置との差分量が予め定められた差分量より大きい場合は、そうでない場合に比べて、ステップ角が大きい励磁方式に変更するようにしている。
この構成においては、補正レンズ107の現在位置と制御目標位置との差分量が大きい場合は、ステップ角が大きく、最高速度が速い励磁方式に変更されるので、より速く振れに追従することができる。
また、上記制御部103は、振れの角速度と前記差分量から、前記差分量が予め定められた許容差分量より小さくなるまでの所要時間を予測する。そして、所要時間が予め定められた時間より大きい場合は、そうでない場合に比べて、ステップ角が大きい励磁方式に変更するようにしている。
この構成においては、振れの角速度、または、制御対象である補正レンズ107の現在位置と制御目標位置との差分量から時間遅れを予測し、最適な駆動励磁方式を選択しているので、時間遅れを低減し、高い振れ像補正精度を保つことができる。
本発明の各実施例に係る像振れ補正装置の回路構成を示すブロック図である。 本発明の実施例1に係る像振れ補正動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例1に係る像振れ補正動作の中の駆動パルスの出力に関する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例1に係る像振れ補正動作時のタイミングチャートである。 本発明の実施例2に係る像振れ補正動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例2に係る像振れ補正動作の説明図である。
符号の説明
101 ジャイロセンサ
102 制御目標算出部
103 制御部
104 ドライバ部
105 ステップモータ
106 カウンタ
107 補正レンズ

Claims (6)

  1. 振れを検出する角速度センサと、
    前記振れに起因する画像劣化を軽減する補正手段を変位させるためのステップモータと、
    前記補正手段の現在位置を検出する位置検出手段と、
    前記角速度センサからの振れ角速度を振れ変位信号に変換して、前記補正手段を変位させる制御目標位置を算出する制御目標算出手段と、
    前記制御目標位置に従って前記補正手段を前記現在位置から変位させるように前記ステップモータを動作させる制御手段とを有する像振れ補正装置であって、
    前記制御手段は、前記振れ変換信号に変換していない振れ角速度の絶対値が第1の閾値よりも大きい場合、前記ステップモータを第1の励磁方式を用いて動作させ、前記振れ角速度の絶対値が前記第1の閾値よりも大きくない場合、前記ステップモータを前記第1の励磁方式よりも分解能が高い第2の励磁方式を用いて動作させることを特徴とする像振れ補正装置。
  2. 前記制御手段は、前記振れ角速度の絶対値が前記第1の閾値よりも大きくない場合、前記現在位置と前記制御目標位置の差分量に基づいて前記ステップモータを動作させる際に用いる励磁方式として前記第1の励磁方式または前記第2の励磁方式を設定することを特徴とする請求項1に記載の像振れ補正装置。
  3. 前記制御手段は、前記振れ角速度の絶対値が前記第1の閾値よりも大きくない場合、前記振れ角速度と前記差分量から前記差分量が予め定められた許容差分量より小さくなるまでの所要時間を予測し、前記所要時間が第2の閾値より大きくなければ前記ステップモータを前記第2の励磁方式を用いて動作させることを特徴とする請求項2に記載の像振れ補正装置。
  4. 前記第1の励磁方式は、前記第2の励磁方式に対してステップ角が大きいことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の像振れ補正装置。
  5. 前記第1の閾値は、前記ステップモータに対して出力可能な最高駆動周波数で補正可能な角速度に略等しい値であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の像振れ補正装置。
  6. 請求項1ないしのいずれか1項に記載の像振れ補正装置を具備したことを特徴とする撮像装置。
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