JP5213935B2 - 像振れ補正装置及びその制御方法及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置および光学機器に関し、特に手振れ補正機能を有する撮像装置に関するものである。

撮像装置の振れを検出して、この振れに起因する像ブレを補正するように移動可能な撮像レンズを駆動する振れ補正装置を備えた撮像装置が知られている。また近年では動画記録時にワイド端側において防振範囲を広げて、歩き撮りなどにより生じる大きな手振れに対して従来よりも手振れ補正の効果を高める技術も知られている（以下大振れ防振と呼ぶ）。

また、大きな手振れに対して補正制御が行われる撮像装置に関しては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。

特開２００６−４７７４２号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、撮像装置を保持する姿勢情報に合わせて可動範囲を広げた場合、シフトレンズの駆動分解能が低下する。静止画撮影時ではその影響は手振れ補正効果の劣化として顕著に出てしまう。また光学レンズの特性から、可動範囲を広げた場合の静止画画像において解像度の劣化など画質の低下が懸念される。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、動画及び静止画の撮影の双方において、手振れの抑制効果と画質の劣化の防止を両立させることである。

本発明に係わる像振れ補正装置は、補正部材を移動させることによって振れによる像振れを軽減する像振れ補正装置であって、前記振れを検出する振れ検出手段と、制御精度が可変であり、前記補正部材の位置を検出する位置検出手段と、動画を撮影するモードにおいては第１の駆動範囲を、静止画を撮影するモードにおいては前記第１の駆動範囲よりも狭い第２の駆動範囲を、前記補正部材の駆動可能な範囲として設定し、前記振れ検出手段の出力と前記位置検出手段によって検出された前記補正部材の位置情報とに基づいて前記補正部材の駆動を制御する駆動制御手段とを有し、前記補正部材を駆動可能な範囲として前記第１の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度よりも、前記第２の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度の方が高いことを特徴とする。

本発明によれば、動画及び静止画の撮影の双方において、手振れの抑制効果と画質の劣化の防止を両立させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る撮像装置のブロック図。 本発明の一実施形態に係る防振制御部のブロック図。 本発明の一実施形態に係るホール調整の模式図。 本発明の一実施形態に係るシフトレンズ位置制御部のブロック図。 本発明の一実施形態に係るＡＤ分解能の詳細説明図。 本発明の一実施形態に係る静止画モードと動画モードのＡＤ分解能切り替え図。 本発明の一実施形態に係るＡＤ分解能切り替えフローチャート。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一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。この撮像装置は、主に静止画像と動画像の撮影を行うためのデジタルカメラである。

図１において、１０１はズームユニットであり、変倍を行うズームレンズを含む。１０２はズーム駆動制御部であり、ズームユニット１０１を駆動制御する。１０３は光軸に垂直な方向に位置を変更することが可能な補正レンズ（シフトレンズ）である。１０４は防振制御部であり、補正レンズ１０３を駆動制御する。

１０５は絞り・シャッタユニットである。１０６は絞り・シャッタ駆動制御部であり、絞り・シャッタユニット１０５を駆動制御する。１０７はフォーカスユニットであり、ピント調節を行うレンズを含む。１０８はフォーカス駆動制御部であり、フォーカスユニット１０７を駆動制御する。上記のズームユニット１０１、補正レンズ１０３、絞り・シャッタユニット１０５、フォーカスユニット１０７は、被写体像を結像させる撮影光学系内に配置されている。

１０９は撮像部であり、各レンズ群を通ってきた光像を電気信号に変換する。１１０は撮像信号処理部であり、撮像部１０９から出力された電気信号を映像信号に変換処理する。１１１は映像信号処理部であり、撮像信号処理部１１０から出力された映像信号を用途に応じて加工する。１１２は表示部であり、映像信号処理部１１１から出力された信号に基づいて、必要に応じて画像表示を行う。１１３は電源部であり、システム全体に用途に応じて電源を供給する。１１４は外部入出力端子部であり、外部との間で通信信号及び映像信号を入出力する。１１５はシステムを操作するための操作部である。１１６は記憶部であり、映像情報など様々なデータを記憶する。１１７は姿勢情報制御部であり、撮像装置の姿勢判定をして姿勢情報を提供する。１１８はシステム全体を制御するカメラシステム制御部である。

次に、上記構成を持つ撮像装置の概略動作について説明する。

操作部１１５には、振れ補正（防振）モードを選択可能にする防振スイッチが含まれる。防振スイッチにより振れ補正モードが選択されると、カメラシステム制御部１１８が防振制御部１０４に防振動作を指示し、これを受けた防振制御部１０４が防振オフの指示がなされるまで防振動作を行う。また、操作部１１５には、静止画撮影モードと動画撮影モードとのうちの一方を選択可能にする撮影モード選択スイッチが含まれており、それぞれの撮影モードにおいて各アクチュエータの動作条件を変更することができる。

操作部１１５には、押し込み量に応じて第１スイッチ（ＳＷ１）および第２スイッチ（ＳＷ２）が順にオンするように構成されたシャッタレリーズボタンが含まれる。シャッタレリーズボタンが約半分押し込まれたときにスイッチＳＷ１がオンし、シャッタレリーズボタンが最後まで押し込まれたときにスイッチＳＷ２がオンする構造となっている。スイッチＳＷ１がオンされると、フォーカス駆動制御部１０８がフォーカスユニット１０７を駆動してピント調節を行うとともに、絞り・シャッタ駆動制御部１０６が絞り・シャッタユニット１０５を駆動して適正な露光量に設定する。スイッチＳＷ２がオンされると、撮像部１０９に露光された光像から得られた画像データが記憶部１１６に記憶される。

また操作部１１５には動画記録スイッチが含まれる。スイッチ押下後に動画撮影を開始し、記録中に再度スイッチを押すと記録を終了する。また、操作部１１５には再生モードを選択出来る再生モード選択スイッチも含まれており、再生モード時には防振動作を停止する。

また操作部１１５には、ズーム変倍の指示を行う変倍スイッチが含まれる。変倍スイッチによりズーム変倍の指示があると、カメラシステム制御部１１８を介して指示を受けたズーム駆動制御部１０２がズームユニット１０１を駆動して、指示されたズーム位置にズームユニット１０１を移動させる。それとともに、撮像部１０９から送られ、各信号処理部（１１０,１１１）にて処理された画像情報に基づいて、フォーカス駆動制御部１０８がフォーカスユニット１０７を駆動してピント調節を行う。

図２は防振制御部１０４とカメラシステム制御部１１８の間をより詳細に説明したブロック図である。

Ｐｉｔｃｈ方向およびＹａｗ方向で同じ構成となるため、片軸のみで説明を行う。２０１は角速度検出部（以下ジャイロ）であり、ジャイロが角速度データを検出し電圧として出力する。２０２は角速度ＡＤ変換部であり、ジャイロ２０１が出力したデータをデジタルデータに変換する。

２０３はジャイロゲイン部でありジャイロの出力ばらつきを揃えるための出力調整部である。２０４はキャンセル量算出部であり、角速度データを積分し角度データに変換し、手振れ角度データの逆方向を手振れキャンセルデータとし、補正レンズユニット１０３の駆動範囲に応じた特性の変更を行い、振れキャンセル量（駆動目標値）を算出している。この時、駆動目標値（指令値）は指令中心値２１２に振れキャンセル量を足したものになる。ここで指令値のレンジはシフトレンズＡＤ値と等価である。キャンセル量算出部（目標位置算出部）で出力されたデータはシフトレンズ位置制御部２０５へ通知される。

２０７はシフトレンズ位置検出部であり、シフトレンズの光軸と垂直な方向の位置情報を検出して電圧として出力する。ここではホール素子を用いているが、他の検出手段を用いてもよい。２０８はシフトレンズ位置ＡＤ変換部であり、シフトレンズ位置検出部２０７が出力したデータをデジタルデータに変換している。

シフトレンズ位置制御部２０５は振れキャンセル量と、シフトレンズ位置ＡＤ変換部２０８が検出した位置データとの差分をとり、その偏差が０に近づくようにフィードバック制御を行う。最終的に補正レンズユニット１０３を駆動する信号がシフトレンズ駆動ドライバ部２０６に通知される。シフトレンズ駆動ドライバ部２０６は、駆動信号を通知されると、その分だけ補正レンズ１０３を駆動させる。

２０９はホールオフセット部である。ホール素子出力の増幅部に電圧を印加することにより増幅後のホール出力に電圧オフセットを与え、シフトレンズ位置を調整することが出来る。

２１０はホールゲイン部である。ホール素子の入力部に所定の電圧を印加することによりホール素子の出力を制御する。２１１は姿勢検出部であり、シフトレンズ位置制御部２０５の情報から撮像装置の姿勢を判定する。

ここでホールオフセット部２０９を用いたホールオフセット調整とホールゲイン部２１０を用いたホールゲイン調整（シフトレンズ位置ＡＤ分解能設定）について詳細を述べる。以降ではホールオフセット調整とホールゲイン調整を合わせてホール調整と呼ぶ。

ホールオフセット部２０９を用いたシフトレンズの移動のメカ中心の算出方法は、シフトレンズをメカ駆動範囲面上の水平垂直方向の限界まで駆動させるような移動指令をホールオフセット部２０９へ通知し、シフトレンズを駆動させる。このときの駆動範囲の各限界点の中点がメカ的な中心となる（このメカ中心出しをホールオフセット部２０９で行うことをホールオフセット調整という）。この結果得られたシフトレンズの中心位置をメカ中心と呼び、防振時の駆動中心位置となる（図３（ａ）参照）。

ホールゲイン部２１０を用いたシフトレンズ位置ＡＤ分解能設定の方法は（図３（ｂ）参照）、シフトレンズをメカ駆動範囲面上の水平垂直方向に所定量（例えば５０ＬＳＢ）駆動させるような移動指令をシフトレンズ位置制御部２０５へ通知し、シフトレンズを駆動させる。この時の画角の変化量が０．１度になるようにホールゲイン部２１０の値を設定する。この結果得られた値をホールゲイン値と呼び、この調整をホールゲイン調整と呼ぶ。このホールゲイン調整において０．１度の画角移動量に対して何ＬＳＢで駆動させるかがシフトレンズ位置ＡＤ分解能となる。本実施形態では制御精度としてこのシフトレンズ位置ＡＤ分解能を用いる。尚ここではホールゲイン調整はテレ端位置で行うものとする。

図４は、一実施形態におけるシフトレンズ位置制御部２０５のブロック図である。図４において、３０１は積分補償器（Ｋｉ）、３０２は比例補償器（Ｋｐ）、３０３は微分補償器（Ｋｄ）である。３０４は積分補償値読み出し部である。３０５はゲイン調整部であり、出力に対して値を増幅する。

このシフトレンズ位置制御部２０５では、積分補償値読み出し部３０４には積分補償器（Ｋｉ）３０１の出力値である積分補償値Ｅviが入力され姿勢判定に用いられる。

ここでＰＩＤ制御について目標位置と現在位置の差分を偏差量ｅとすると、出力となるフィードバック量ＰＩＤoutは式（１）のように表される。ここで積分補償値ＥviはＫi∫ｅｄｔとなる。

ＰＩＤout＝Ｋｐ×ｅ＋Ｋｄ×ｄｅ／ｄｔ＋Ｋi∫ｅｄｔ …（１）
図４では目標位置はキャンセル量算出部２０４によって算出された値、現在位置はシフトレンズ位置ＡＤ変換部２０８の値となる。ＰＩＤ制御演算後、ゲイン調整部３０５で所定量のゲイン（通常は１）を乗じたものをシフトレンズ駆動ＤＡ変換部２０６へ通知する。

図５にシフトレンズＡＤ分解能の例を示す。シフトレンズのＡＤレンジは０から６００とし、中央位置を３００とする。図５（ａ）のように静止画モードを基準として考えた場合はホールゲイン調整によりテレ端での０．４度画角が変化する時のシフトレンズ駆動量が２００ＬＳＢに設定されているとする。ここでシフトレンズＡＤ分解能が高い方が静止画撮影時の手振れ補正に有利であるので、出来るだけテレ端での分解能が高くなるように設定する。

ここでワイド端でのＡＤ分解能はテレ端とワイド端の所定画角変化量あたりのシフトレンズ移動量の差で決定される（以下この移動量をシフトレンズ敏感度と呼ぶ）。このシフトレンズ敏感度はレンズの構造・種類によって値が異なる。

例えばある低倍率レンズの場合にテレ端とワイド端のシフトレンズ敏感度比が２：１だった場合、テレ端での画角変化量０．４度のシフトレンズＡＤ分解能を２００ＬＳＢとしたとき、ワイド端では１００ＬＳＢとなる。この時ＡＤレンジの制限によりワイド端ではシフトレンズの可動範囲は±１．２度となる。この設定で動画モード時に大振れ防振を行う場合ＡＤレンジが不足して歩き撮りなどの大きな振れに対して対応出来ない。

そこで図５（ｂ）に示すように動画モードの大振れ防振に対応するために、ワイド端で可動範囲を４．８度のように広くとるようにＡＤ分解能を設定すると（０．４度あたり２５ＬＳＢ）今度はテレ端のＡＤ分解能が低くなり（０．４度あたり５０ＬＳＢ）、その設定で静止画モードに切り替え、静止画撮影を行うと手振れ補正効果が著しく低下してしまう。

ここで動画モード時にシフトレンズＡＤ分解能を低くした時の手ブレ防振についてであるが、動画記録時は静止画画像よりも手振れ防振効果の低下は目立たず、ある程度ＡＤ分解能を下げても見た目的には殆ど劣化は分からない。その理由として動画記録時には記録画素数が静止画記録時よりも粗いことが挙げられる。また画質の点でも解像度については動画は静止画ほど劣化が顕著ではない。

このように静止画に合わせると動画記録時の可動範囲が確保出来なくなり、動画の大振れ防振に合わせると静止画撮影時の手振れ補正効果が低下してしまうという問題が生じてしまう。

そこで、本実施形態では、図６に示すように静止画モードと動画モードの切り替え時にシフトレンズＡＤ分解能を切り替える手段を設けている。切り替え方法としてホールゲイン値（アナログゲイン）を変更する。この様子を図７のフローチャートに示す。

ここでホール調整値によるＡＤ分解能の切り替えは動画記録開始時と動画記録終了時に行うとし、動画記録中のみ動画撮影用のＡＤ分解能に設定するとしてもよい。また静止画モードと動画モードの切り替えがない撮像装置においては、通常待機時には静止画撮影用のＡＤ分解能とし、ホール調整値によるＡＤ分解能の切り替えは動画記録開始時と動画記録終了時に行い、動画記録中のみ動画撮影用のＡＤ分解能に設定するとしてもよい。

図７では、工場出荷時にテレ端において静止画モードと動画モードの２つのモードにおいてそれぞれのモードに適したホールゲインおよびホールオフセット調整値が予め設定されているものとする。ここでは０．４度あたりのＡＤ幅を静止画モードで２００ＬＳＢ、動画モードで５０ＬＳＢとする。

まず、Ｓ１０１で撮像装置の電源がオンされると、Ｓ１０２に進む。Ｓ１０２において撮影モード切替スイッチが切り替わっていると判断したら、Ｓ１０３に進む。Ｓ１０３では静止画モードか動画モードかを判定する。静止画モードだった場合、Ｓ１０４に進む。Ｓ１０４では静止画用のホール調整値（ホールゲイン調整値およびホールオフセット調整値）を設定する。これによりシフトレンズＡＤ分解能は静止画モード用に設定されることになる。

ここでＡＤ分解能を切り替えるときにホールゲイン調整値だけでなくホールオフセット調整値も切り替える理由を述べる。ホールオフセット調整値を１ＬＳＢ変化させた時のホール出力電圧値の変化は回路構成上一定値となる。ホールゲイン調整により０．４度あたりのシフトレンズＡＤ幅が設定された場合、画角０．４度あたりのホール出力電圧幅も決定される。ここで例えば０．４度あたりのＡＤ幅を２００ＬＳＢとした時と５０ＬＳＢとした時ではその電圧幅も４倍異なることになり、それ故ホールオフセット値１ＬＳＢあたりの補正画角量も４倍異なることになる。よってホールゲイン値を変更した場合、それに対応するホールオフセット値も異なってくるので、結果としてＡＤ分解能変更にはホールゲインとホールオフセット両方の値の変更が必要となる。

次にＳ１０５に進む。Ｓ１０５では静止画用の指令値設定を行う。静止画モードでは、指令値の換算は以下の式（２）で表される。

静止画指令値＝振れキャンセル量＋指令中心値 …（２）
次にＳ１０６に進み、静止画用の各種防振パラメータを設定する。ここで各種防振パラメータとはパンニング動作時の画像の見え方を制御するパラメータ、シフトレンズ制御のゲイン値（ゲイン調整部３０５）、補正レンズ１０３の可動範囲などを示す。

次にＳ１１０に進み、電源スイッチＯＮかどうかを判定し、ＯＮの状態ならばＳ１０２に戻り継続して防振動作およびモード切替スイッチの監視を行い、ＯＦＦならば終了する。またＳ１０２においてモード切替スイッチで変更がなければＳ１１０に進み、同様の動作を行う。

またＳ１０３において動画モードと判断した場合、Ｓ１０７に進み動画用のホール調整値を設定する。そしてＳ１０８に進み次の式（３）に従って動画用の指令値換算および設定を行う。

動画指令値＝（静止画指令値−静止画指令中心値）×（動画ＡＤ幅／静止画ＡＤ幅） ＋指令中心値 …（３）
次にＳ１０９に進み動画用の防振パラメータ設定を行う。設定項目はＳ１０６の静止画用と同様である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。たとえば、デジタル一眼レフカメラやデジタルビデオカメラの交換レンズのような光学機器や、デジタルビデオカメラのような撮像装置、または撮像装置を搭載した携帯電話やゲーム機のような電子機器にも適用可能である。

Claims (7)

1. 補正部材を移動させることによって振れによる像振れを軽減する像振れ補正装置であって、
   前記振れを検出する振れ検出手段と、
   制御精度が可変であり、前記補正部材の位置を検出する位置検出手段と、
   動画を撮影するモードにおいては第１の駆動範囲を、静止画を撮影するモードにおいては前記第１の駆動範囲よりも狭い第２の駆動範囲を、前記補正部材の駆動可能な範囲として設定し、前記振れ検出手段の出力と前記位置検出手段によって検出された前記補正部材の位置情報とに基づいて前記補正部材の駆動を制御する駆動制御手段とを有し、
   前記補正部材を駆動可能な範囲として前記第１の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度よりも、前記第２の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度の方が高いことを特徴とする像振れ補正装置。
2. 補正部材を移動させることによって振れによる像振れを軽減する像振れ補正装置であって、
   前記振れを検出する振れ検出手段と、
   制御精度が可変であり、前記補正部材の位置を検出する位置検出手段と、
   動画を撮影する時は第１の駆動範囲を、静止画を撮影する時は前記第１の駆動範囲よりも狭い第２の駆動範囲を、前記補正部材の駆動可能な範囲として設定し、前記振れ検出手段の出力と前記位置検出手段によって検出された前記補正部材の位置情報とに基づいて前記補正部材の駆動を制御する駆動制御手段とを有し、
   前記補正部材を駆動可能な範囲として前記第１の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度よりも、前記第２の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度の方が高いことを特徴とする像振れ補正装置。
3. 前記位置検出手段の制御精度を変更する変更手段をさらに有し、該変更手段は、前記位置検出手段のアナログゲインを変更することを特徴とする請求項１または２に記載の像振れ補正装置。
4. 前記位置検出手段の制御精度を変更する変更手段をさらに有し、該変更手段は、前記位置検出手段の制御精度の変更時に、前記補正部材の目標位置を算出する目標位置算出手段の指令値の換算を行い、また画像の見え方を制御するパラメータ、および前記補正部材の位置の制御のためのゲインを変更することを特徴とする請求項１または２に記載の像振れ補正装置。
5. 補正部材を移動させることによって振れによる像振れを軽減する像振れ補正装置であって、
   前記振れを検出する振れ検出手段と、
   制御精度が可変であり、前記補正部材の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段の制御精度を変更する変更手段と、
   第１の駆動範囲と、前記第１の駆動範囲よりも狭い第２の駆動範囲とを、前記補正部材を駆動可能な範囲として設定することが可能であり、前記振れ検出手段の出力と前記位置検出手段によって検出された前記補正部材の位置情報とに基づいて前記補正部材の駆動を制御する駆動制御手段とを有し、
   前記補正部材を駆動可能な範囲として前記第１の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度よりも、前記第２の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出手段の制御精度の方が高く、
   前記変更手段は、前記位置検出手段の制御精度の変更時に、前記補正部材の目標位置を算出する目標位置算出手段の指令値の換算を行い、また画像の見え方を制御するパラメータ、および前記補正部材の位置の制御のためのゲインを変更することを特徴とする像振れ補正装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の像振れ補正装置を備えた撮像装置。
7. 補正部材を移動させることによって振れによる像振れを軽減する像振れ補正装置の制御方法であって、
   前記振れを検出する振れ検出工程と、
   制御精度が可変であり、前記補正部材の位置を検出する位置検出工程と、
   動画を撮影するモードまたは動画を撮影する時においては第１の駆動範囲を、静止画を撮影するモードまたは静止画を撮影する時においては前記第１の駆動範囲よりも狭い第２の駆動範囲を、前記補正部材の駆動可能な範囲として設定し、前記振れ検出工程からの出力と前記位置検出工程で検出された前記補正部材の位置情報とに基づいて前記補正部材の駆動を制御する駆動制御工程とを有し、
   前記補正部材を駆動可能な範囲として前記第１の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出工程での制御精度よりも、前記第２の駆動範囲が設定されたときの前記位置検出工程での制御精度の方を高くすることを特徴とする像振れ補正装置の制御方法。

Images