JP5163556B2 - 手ぶれ補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、手ぶれによって生じる撮影画像のブレを光学的に補正する手ぶれ補正装置に関する。

デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置においては、撮像装置本体を手で支えることにより被写体を撮像するため、手ぶれにより撮影画像のぶれが生じる。

手ぶれを補正する方法としては、撮影した複数の画像データから所定の演算をして手ぶれを補正する電子式手ぶれ補正と、プリズム、補正用レンズあるいは撮像素子等に可動部を設け、可動部を動かすことにより光軸を物理的に調整する光学式手ぶれ補正とが存在する。

光学式手ぶれ補正は、電子式手ぶれ補正と比較して、ノイズが少なく、動画のみならず静止画にも適用可能であるなどの利点があるが、光軸調整のための可動部の位置を検出する機構が必要であり装置が大型化するという問題点があった。この問題点を解決するため、光軸調整用光学部材である例えば補正用レンズの位置を検出する機構として小型化が容易なホール素子を用いる手ぶれ補正装置が、例えば下記特許文献１，２に記載されている。

特開２００２−２２９０９０号公報 特開２００７−１２１５１８号公報

上記特許文献１に記載の従来の手ぶれ補正装置においては、光軸調整用光学部材を含む可動部にマグネットを備え、マグネットからの磁束を検知して可動部の位置を検出するホール素子と、可動部の位置を調整する駆動コイルとを有している。そして、ホール素子により検出された可動部の位置を手ぶれ分移動させるために、駆動コイルに所定の電圧を印加して可動部の位置を調整する。

しかし、手ぶれ補正装置の小型化を図るためには、可動部の位置検出を行うホール素子と可動部の位置調整を行う駆動コイルを近接して配置しなければならない。その場合、駆動コイルが発する磁界もホール素子が検出してしまうので、この駆動コイルが発する磁界はマグネットからの磁束に対してクロストーク成分となる。よって、ホール素子は、マグネットからの磁束のみを検知することはできず、可動部の位置を正確に検出することができないという問題点がある。

上記特許文献２に記載の従来の手ぶれ補正装置においては、上記の問題点を解決するため、駆動コイルから発生すると予想される擬似クロストーク成分を算出し、ホール素子が検出した可動部の位置から、算出した擬似クロストーク成分を打ち消す補正をして、可動部の位置誤差を低減している。

上記の特許文献２の手ぶれ補正装置によれば、可動部の位置検出における誤差を低減する一定の効果が得られる。しかし、可動部の微小な動きで高周波成分が発生する場合には、クロストーク成分がマグネットからの磁界に対して相対的に大きくなり、可動部の位置検出精度が低下してしまうという問題点がある。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、小型化が容易で、かつ光軸調整用の可動部の位置検出において高周波成分が発生した場合でも、高精度な位置検出ができる手ぶれ補正装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、撮像装置（２）の手ぶれを補正する少なくとも１つの光学部材（１２）を取り付けた可動部と、可動部の位置を検出する第１の位置検出素子（６１）と、第１の位置検出素子から得られる可動部の現在位置を示す位置信号の高周波成分を除去して第１の位置検出信号を生成する低域通過フィルタ（６３）と、可動部の位置を検出する第２の位置検出素子（６４）と、第２の位置検出素子から得られる可動部の現在位置を示す位置信号の低周波成分を除去して第２の位置検出信号を生成する高域通過フィルタ（６６）と、第１の位置検出信号と第２の位置検出信号とを加算して可動部の現在位置を示す第３の位置検出信号を算出する加算器（６７）と、第３の位置検出信号に基づいて、手ぶれを補正するように可動部の位置を移動制御する制御部（１７）とを有する手ぶれ補正装置（１）を提供する。
ここで、低域通過フィルタのカットオフ周波数の値と高域通過フィルタのカットオフ周波数の値とが同一であることが好ましい。
また、撮像装置の手ぶれを検出して手ぶれ量を算出する手ぶれ検出部（１５）を有し、制御部は、手ぶれ量に基づいて可動部を移動させる目標位置を算出し、第３の位置検出信号から可動部の現在位置を算出し、目標位置と現在位置との差分を算出して、目標位置と現在位置との差分を可動部の移動量として可動部の位置を移動制御することが好ましい。
更に、可動部はマグネット（１４Ａ）と一体であり、第１の位置検出素子がホール素子であり、制御部は、マグネットに対向し前記ホール素子の近傍に取り付けられた駆動コイルに対して、可動部の移動量に相当する電流を供給して、可動部の位置を移動制御することが好ましい。
また、第２の位置検出素子は、光を射出する光源（６４Ａ）と光源より射出する光と同一波長の光を検出可能な受光部（６４Ｂ）を有するフォトセンサであり、可動部は、可動部の移動可能な範囲内で、前記可動部の各々の位置によってフォトセンサの受光部で検出される光量が各々異なるように、フォトセンサの光源より射出された光を反射するリフレクタ（１４Ｄ）を有することが好ましい。

本発明の手ぶれ補正装置によれば、小型化が可能であり、光軸調整用の可動部の位置検出において高周波成分が発生した場合でも、高精度な位置検出ができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。 光学系の軸方向を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る手ぶれ補正装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る可動部を説明する平面図である。 本発明の実施の形態に係る位置検出部を説明する周波数特性図である。 本発明の実施の形態に係る位置検出部を説明する回路図である。

以下、本発明の手ぶれ補正装置について、添付図面を参照して説明する。図１に示す撮像装置２は、手ぶれ補正装置１、撮像レンズ１１、撮像素子１３、信号処理部３１、表示部３２及びメモリ３３を有している。

撮像レンズ１１は、少なくとも１つのレンズで構成され、被写体からの光を集光する。撮像レンズ１１により集光された光は、手ぶれ補正装置１内の光軸調整用光学部材１２を通過して、撮像素子１３の受光面１３Ａにて受光される。なお、撮像装置２内の撮像レンズ１１と光軸調整用光学部材１２は順序が異なってもよい。すなわち、被写体からの光が光軸調整用光学部材１２を通過し、その後撮像レンズ１１により集光され、撮像素子１３の受光面１３Ａにて受光される構成でもよい。

光軸調整用光学部材１２としては、頂角プリズム、レンズ等を用いることができる。また、光軸調整用光学部材１２は少なくとも１つ以上の部材で構成されているものである。撮像素子１３としては、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサやＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサを用いることができる。なお、光軸調整用光学部材１２を省略し、撮像素子１３自体を光軸調整に用いることも可能である。

撮像素子１３は、受光した光を光電変換し、その結果得られるアナログ画像信号を信号処理部３１に供給する。信号処理部３１は、不図示のＡ／Ｄ変換器により、撮像素子１３より供給されるアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。更に、そのデジタル画像信号に対して、色バランス調整、ガンマ補正などの所定の信号処理を施す。そして、信号処理部３１は、デジタル画像信号を表示部３２に供給し、そのデジタル画像信号に基づいて画像を表示するように表示部３２を制御する。また、信号処理部３１は、不図示のスイッチによりデジタル画像信号を記憶する指示を受けた場合、デジタル画像信号をメモリ３３に供給し、画像データを記憶するようにメモリ３３を制御する。

次に、手ぶれ補正装置１について説明する。手ぶれ補正装置１は、光軸調整用光学部材１２、可動部１４、手ぶれ検出部１５、位置検出部１６、制御部１７、位置調整部１８を有する。

光軸調整用光学部材１２は、可動部１４と一体になっている。可動部１４は、位置調整部１８の移動制御により、撮像レンズ１１の光軸に対して後述するヨーイング方向に移動する。可動部１４を移動させることにより、撮像レンズ１１の光軸に対して光軸調整用光学部材１２の位置関係が変化するため、撮像レンズ１１を通った光の光軸を移動することができる。

図２は撮像レンズ１１、光軸調整用光学部材１２よりなる光学系の軸方向を示す説明図である。図２に示すｚ軸は、手ぶれがないときの基準光軸であり、ｚ軸に垂直な一方向をｘ軸とし、ｘ軸及びｚ軸に垂直な方向をｙ軸とする。ここで、前述のヨーイング方向はｙ軸周りの方向を示す。なお、可動部１４の位置検出と移動調整は、ヨーイング方向のみとして説明するが、これに限定されるものではない。例えば、ｘ軸周りの方向であるピッチング方向やｚ軸周りの方向であるローリング方向についても、可動部１４の位置検出と移動調整を行う構成としてもよい。

手ぶれ検出部１５は、撮像装置２あるいは撮像レンズ１１等の光学部品の振動である手ぶれを検出し、手ぶれ量を示す位置信号Ａを制御部１７に供給する。位置検出部１６は、光軸調整用光学部材１２と一体である可動部１４の位置を検出し、可動部１４の現在位置を示す位置検出信号Ｓ２を制御部１７に供給する。

制御部１７は、手ぶれ検出部１５より供給される位置信号Ａに基づいて可動部１４が位置するべき目標位置を算出する。また、制御部１７は、位置検出部１６より供給される位置検出信号Ｓ２に基づいて現在位置を算出する。そして、制御部１７は、可動部１４の目標位置と現在位置の差分をとり、可動部１４を移動制御するための移動量を算出する。更に、制御部１７は、算出した移動量を示す移動制御信号Ｂを位置調整部１８に供給する。位置調整部１８は、制御部１７より供給される移動制御信号Ｂに基づいて可動部１４を移動制御する。

次に、手ぶれ補正装置１の詳細な構成について説明する。図３は実施形態に係る手ぶれ補正装置の全体構成を示すブロック図である。手ぶれ検出部１５は、角速度センサ５１、Ａ／Ｄ変換器５２、積分器５３及びゲイン増幅器５４を有している。角速度センサ５１は、撮像装置２または撮像レンズ１１等の光学部品のヨーイング方向の振動、すなわち手ぶれを示す角速度を検出し、検出された角速度情報を示すアナログ角速度信号をＡ／Ｄ変換器５２に供給する。

本実施形態では、可動部１４の位置検出及び移動調整と同様に、角速度センサ５１はヨーイング方向の振動を検出するものとして説明するが、ピッチング方向やローリング方向の振動による手ぶれを検出可能なものとしてもよい。その場合、１つの角速度センサで２方向あるいは３方向の振動を検出する構成でもよく、複数の角速度センサにより２方向あるいは３方向の振動を検出する構成でもよい。

Ａ／Ｄ変換器５２は、角速度センサ５１より供給されるアナログ角速度信号をデジタル角速度信号に変換して、積分器５３に供給する。積分器５３は、デジタル角速度信号を積分演算して角度情報に変換し、角度情報を示す角度信号をゲイン増幅器５４に供給する。ゲイン増幅器５４は、積分器５３より供給される角度信号に所定のゲインを乗算することにより利得制御して位置信号Ａを生成し、位置信号Ａを制御部１７に供給する。この位置信号Ａが撮像装置２または撮像レンズ１１等の光学部品のヨーイング方向の手ぶれ量に相当する。

次に、可動部１４の詳細な構成について説明する。図４は、可動部１４を説明する平面図である。可動部１４は、マグネット１４Ａ、ロータ１４Ｂ、ロータ回転軸１４Ｃ、リフレクタ１４Ｄ及び可動部支持部材１４Ｅを有している。マグネット１４Ａは、ロータ１４Ｂに取り付けられている。そして、可動部１４は、駆動コイル７４からの駆動力によって、ロータ１４Ｂの中心に位置するロータ回転軸１４Ｃを中心として回動方向θで回動制御される。ここで、可動部１４は、例えば回動制御されるものとしたが、上述の位置調整部１８による移動制御の一形態であることはいうまでもない。

リフレクタ１４Ｄは、ロータ１４Ｂに搭載され、後述するフォトセンサ６４の光源６４Ａから射出される赤外光を反射する曲面状の反射板である。なお、リフレクタ１４Ｄは、上述の反射板に限定されることなく、スリットや回折格子に置き換えることも可能である。可動部支持部材１４Ｅは、ロータ１４Ｂを支持する部材である。

ここで、可動部１４の位置検出をホール素子６１のみによって行う場合の問題点について説明する。手ぶれ補正装置１を小型化するためには、ホール素子６１に対して駆動コイル７４を近接して配置する必要がある。しかし、ホール素子６１のみでは、可動部１４の微小な動きによる高周波成分に対して、可動部１４の位置検出精度が低下する。その理由は、可動部１４のマグネット１４Ａの動きが微小になると、マグネット１４Ａからの磁界は弱くなるが、駆動コイル７４からの磁界はほぼ変化しないため、相対的に駆動コイル７４からの磁界が大きくなることによる。

可動部１４の微小な動きによる高周波成分に対して位置検出精度を高めるためには、ホール素子６１とは別の原理に基づく素子を設けることが必要があり、例えばフォトセンサ６４を用いることが望ましい。一方、可動部１４の緩やかな動きによって発生する低周波成分に対しては、フォトセンサ６４よりもホール素子６１を用いる方が、高い検出精度で可動部１４の位置を検出することができる。

そこで、本実施形態では、位置検出部１６に、ホール素子６１とフォトセンサ６４を設けて、高周波成分に対する可動部１４の位置検出精度を向上させる構成としている。

最初に、ホール素子６１による可動部１４の位置検出について説明する。図３において、ホール素子６１は、マグネット１４Ａの磁界から生じる電磁力を受けて、ホール効果によるホール電圧を発生し、ホールアンプ６２に供給する。可動部１４の位置によってマグネット１４Ａからの電磁力に差が生じ、ホール電圧と可動部の位置が１対１で対応する関係なので、ホール素子６１は可動部１４の位置検出が可能である。

ホールアンプ６２は、ホール素子６１より供給されるホール電圧を増幅し、増幅後の電圧信号を位置検出信号Ｐ１としてＬＰＦ（低域通過フィルタ：Low Pass Filter）６３に供給する。ＬＰＦ６３は、ホールアンプ６２より供給される位置検出信号Ｐ１の低周波成分のみを通過させ、位置検出信号Ｐ２として加算器６７に供給する。なお、ＬＰＦ６３のカットオフ周波数をｆｃとする。

次に、フォトセンサ６４による位置検出について説明する。図４に示すように、フォトセンサ６４は、光源６４Ａと受光部６４Ｂを備える。そして、フォトセンサ６４の光源６４Ａは、赤外光を射出する光源である。また、フォトセンサ６４の受光部６４Ｂは、光源６４Ａから射出される赤外光と略同一の波長の光を受光するとその光量に応じて電流を出力する。フォトセンサ６４の光源６４Ａから射出された赤外光は、可動部１４のリフレクタ１４Ｄによって反射され、反射光の一部が受光部６４Ｂに到達する。

例えば、リフレクタ１４Ｄは曲面状の反射板である。リフレクタ１４Ｄで反射されて受光部６４Ｂに到達する光量は、可動部１４の移動可能な範囲内において、可動部１４の位置によって異なるように、リフレクタ１４Ｄの曲面が形成される。よって、受光部６４に到達する光量と可動部１４の位置関係が１対１で対応するので、フォトセンサ６４は可動部１４の位置検出が可能である。

図３において、フォトセンサ６４は、受光部６４Ｂで検出した光量を電流に変換してフォトアンプ６５に供給する。なお、光源６４Ａは赤外光を射出する光源に限定されることなく、例えば可視光を射出する光源でもよく、受光部６４Ｂも１つに限定されることなく、例えばラインセンサを用いてもよい。

フォトアンプ６５は、フォトセンサ６４より光電変換されて供給される電流を電圧に変換して増幅し、増幅した後の電圧信号を位置検出信号Ｑ１としてＨＰＦ（高域通過フィルタ：High Pass Filter）６６に供給する。

ＨＰＦ６６は、フォトアンプ６５より供給される位置検出信号Ｑ１の高周波成分のみを通過させ、位置検出信号Ｑ２として加算器６７に供給する。ここで、ＨＰＦ６６のカットオフ周波数をｆｃ’とする。ＨＰＦ６６のカットオフ周波数ｆｃ’は、ＬＰＦ６３のカットオフ周波数ｆｃと同一とするのが望ましく、本実施形態ではカットオフ周波数ｆｃ’とｆｃを同一とする。ただし、カットオフ周波数ｆｃ’とｆｃの同一とは、カットオフ周波数ｆｃ’とｆｃが必ずしも完全に一致することを指すだけでなく、カットオフ周波数ｆｃ’とｆｃの差が所定の範囲内にあり実質的に同一とみなせることを含むものである。加算器６７は、ホール素子６１側から供給される位置検出信号Ｐ２とフォトセンサ６４側から供給される位置検出信号Ｑ２を加算する。

図５は、加算器６７に対する入力前及び出力後の電圧利得を説明する図である。図５（Ａ）は、フォトアンプ６５より供給される位置検出信号Ｑ１の高周波成分のみを通過させるＨＰＦ６６での電圧利得を示している。また、図５（Ｂ）は、ホールアンプ６１より供給される位置検出信号Ｐ１の低周波成分のみを通過させるＬＰＦ６３での電圧利得を示している。

加算器６７では、図５（Ａ）に示す電圧利得を有するＨＰＦ６６からの位置検出信号Ｑ２と、図５（Ｂ）に示す電圧利得を有するＬＰＦ６３からの位置検出信号Ｐ２が加算される。図５（Ｃ）は、加算器６７での電圧利得を示している。図５（Ｃ）に示すように、ＨＰＦ６６のカットオフ周波数ｆｃ’とＬＰＦ６３のカットオフ周波数ｆｃは同一であるため、加算器６７での電圧利得は周波数によらず一定となる。そして、加算器６７は、周波数によらず一定の電圧利得となる位置検出信号Ｓ１を出力する。

ホール素子６１側及びフォトセンサ６４側からの位置検出信号Ｑ２，Ｐ２を加算して得られる位置検出信号Ｓ１と可動部１４の位置とは、１対１で対応する関係となる。制御部１７は、予め不図示のメモリに記憶されている位置検出信号Ｓ１と可動部１４の位置関係とを照合することにより、可動部１４の現在位置を特定できる。

図６は、ＬＰＦ６３，ＨＰＦ６６及び加算器６７の具体的な回路図を示す。図６に示すように、例えば、ＬＰＦ６３のキャパシタをＣ１，抵抗値をＲ１、ＨＰＦ６６のキャパシタをＣ２，抵抗値をＲ２とする。なお、ＬＰＦ６３のカットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝１／（２・π・Ｃ１・Ｒ１）で表される。そこで、Ｃ１＝１［μＦ］、Ｒ１＝１８［ｋΩ］とするとｆｃ＝８．８［Ｈｚ］となる。また、ＨＰＦ６６のカットオフ周波数ｆｃ’は、ｆｃ’＝１／（２・π・Ｃ２・Ｒ２）で表される。そして、ＬＰＦ６３のカットオフ周波数ｆｃとＨＰＦ６６のカットオフ周波数ｆｃ’が同一のとき、Ｃ２＝１［μＦ］、Ｒ２＝１８［ｋΩ］となる。

以上説明してきたように、可動部１４の位置検出としてホール素子６１とフォトセンサ６４を設け、ホール素子６１からの位置検出信号Ｐ１の低周波成分を抽出した位置検出信号Ｐ１と、フォトセンサ６４からの位置検出信号Ｑ１の高周波成分を抽出した位置検出信号Ｑ２を加算することで、安定した電圧利得を有する位置検出信号Ｓ１が得られる。

図３において、加算器６７で出力される位置検出信号Ｓ１は、Ａ／Ｄ変換器６８に供給される。Ａ／Ｄ変換器６８は、加算器６７より供給されるアナログ信号である位置検出信号Ｓ１をデジタル信号である位置検出信号Ｓ２に変換し、制御部１７に供給する。

制御部１７は、ゲイン増幅器５４からの位置信号Ａと、Ａ／Ｄ変換器６８からの位置検出信号Ｓ２を受ける。そして、制御部１７は、位置検出信号Ｓ２から可動部１４の現在位置を算出する。そして、制御部１７は、ゲイン増幅器５４からの位置信号Ａに基づく目標位置と現在位置との差分を算出し、可動部１７が移動すべき移動量を求める。更に、制御部１７は、その移動量に相当するデジタル移動制御信号Ｂを位相補償部７１に供給する。

位相補償部７１は、可動部１４の移動時に発振することを防ぐため、制御部１７より供給されるデジタル移動制御信号Ｂの位相とゲインを所定範囲に調整し、調整後のデジタル移動制御信号ＢをＤ／Ａ変換器７２に供給する。Ｄ／Ａ変換器７２は、位相補償部１２１より供給される調整後のデジタル移動制御信号をアナログ移動制御信号に変換し、駆動ドライバ７３に供給する。

駆動ドライバ７３は、Ｄ／Ａ変換器７２より供給されるアナログ移動制御信号に基づいて駆動コイル７４に供給する電流を決定し、決定された電流を駆動コイル７４に供給する。

駆動コイル７４に駆動ドライバ７３より供給される電流と、マグネット１４Ａの磁界との相互作用により駆動力が発生する。可動部１４は、その駆動力で図４に示す回動方向θに回動する。すなわち、駆動ドライバ７３より制御される駆動力によって、可動部１４の位置は制御される。そして、上述の可動部１４の位置検出、手ぶれ量検出及び可動部の位置制御が、周期的に繰り返し行われる。

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１ 手ぶれ補正装置
２ 撮像装置
１２ 光軸調整用光学部材（頂角プリズム）
１４ 可動部
１４Ａ マグネット
１４Ｄ リフレクタ
１５ 手ぶれ検出部
１７ 制御部
６１ 第１の位置検出素子（ホール素子）
６３ 低域通過フィルタ
６４ 第２の位置検出素子（フォトセンサ）
６４Ａ 光源
６４Ｂ 受光部
６６ 高域通過フィルタ
６７ 加算器

Claims (5)

1. 撮像装置の手ぶれを補正する少なくとも１つの光学部材を取り付けた可動部と、
   前記可動部の位置を検出する第１の位置検出素子と、
   前記第１の位置検出素子から得られる前記可動部の現在位置を示す位置信号の高周波成分を除去して第１の位置検出信号を生成する低域通過フィルタと、
   前記可動部の位置を検出する第２の位置検出素子と、
   前記第２の位置検出素子から得られる前記可動部の現在位置を示す位置信号の低周波成分を除去して第２の位置検出信号を生成する高域通過フィルタと、
   前記第１の位置検出信号と前記第２の位置検出信号とを加算して前記可動部の現在位置を示す第３の位置検出信号を算出する加算器と、
   前記第３の位置検出信号に基づいて、前記手ぶれを補正するように可動部の位置を移動制御する制御部と
   を有することを特徴とする手ぶれ補正装置。
2. 前記低域通過フィルタのカットオフ周波数の値と前記高域通過フィルタのカットオフ周波数の値とが実質的に同一であることを特徴とする請求項１記載の手ぶれ補正装置。
3. 前記撮像装置の手ぶれを検出して手ぶれ量を算出する手ぶれ検出部を有し、
   前記制御部は、前記手ぶれ量に基づいて前記可動部を移動させる目標位置を算出し、前記第３の位置検出信号から前記可動部の現在位置を算出し、前記目標位置から前記現在位置との差分を算出して、前記目標位置と現在位置との差分を前記可動部の移動量として前記可動部の位置を移動制御することを特徴とする請求項１または２記載の手ぶれ補正装置。
4. 前記可動部はマグネットと一体であり、前記第１の位置検出素子がホール素子であり、前記制御部は、前記マグネットに対向し前記ホール素子の近傍に取り付けられた駆動コイルに対して、前記可動部の移動量に相当する電流を供給して、前記可動部の位置を移動制御することを特徴とする請求項３記載の手ぶれ補正装置。
5. 前記第２の位置検出素子は、光を射出する光源と前記光源より射出する光と同一波長の光を検出可能な受光部を有するフォトセンサであり、前記可動部は、前記可動部の移動可能な範囲内で、前記可動部の各々の位置によって前記フォトセンサの受光部で検出される光量が各々異なるように、前記フォトセンサの光源より射出された光を反射するリフレクタを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の手ぶれ補正装置。

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