JP5599039B2

JP5599039B2 - 像ブレ補正機能付き光学装置

Info

Publication number: JP5599039B2
Application number: JP2010125856A
Authority: JP
Inventors: 卓朗朝野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: CN102269912B; US8809757B2; US20110292510A1; EP2393279A1; EP2393279B1; CN102269912A; JP2011253004A

Description

本発明は、像ブレ補正機能を有する光学装置に関する。

近年、レンズを用いた撮像システムにおいて、撮影する写真や映像の像ぶれを補正する像ブレ補正機能が必要とされてきている。像ブレ補正機能を実現するためには、振動を検出する必要があり、主にジャイロセンサなどの角速度センサを用いて振動を検出する方法がとられている。一般的に、このジャイロセンサは低周波ノイズを発生しやすい構造になっており、振動が全く加わっていない時にも出力が変動してしまう。そのため、振動が全く加わっていないにもかかわらず、像ブレ補正を行ってしまうことにより、撮影している映像がゆっくり動いてしまうという問題がある。
この問題を解決するため、異なる特性を持つ複数の角速度センサの出力を合成して角速度を取得したり、異なる特性を持つ複数の角速度センサを撮影モードに応じて、切替えて使用する、といった方法が提案されている（特許文献１，２）。

特開２００５−３２１７２６特開２００６−２９２８４５

しかし、特許文献１、及び特許文献２による方法では、振動が加わっていない時に生じる映像揺れ量（以降、省略して「映像揺れ量」と呼ぶ）は、複数の角速度センサの内、最もノイズ特性の良い角速度センサにより決まる。つまり、最もノイズ特性の良い角速度センサを１つ使用したときと比較して、映像揺れ量を低減することはできない。
そこで、本発明の例示的な目的は、角速度センサのノイズに起因した映像揺れ量を低減した像ブレ補正機能を有する光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の光学装置は、結像する位置を光軸に垂直な方向に変位させる手段と、ズームレンズ装置の角速度を検出する２つ以上の角速度センサであって、該２つ以上の角速度センサは角速度を検出する軸が互いに平行であり、同じ振動周波数特性を有する、２つ以上の角速度センサと、前記２つ以上の角速度センサの出力から１つの角度を算出する角度演算手段と、前記角度演算手段によって演算された角度に応じて、結像する位置を光軸に垂直な方向に変位させる前記手段を駆動する駆動手段とを有し、前記角度演算手段は、前記２つ以上の角速度センサのそれぞれの出力の方向を判定する方向判定手段を有し、
前記角度演算手段は、前記方向判定手段から得られた２つ以上の方向が異なる方向を含む場合には、角速度出力を「０」として角度を算出し、前記２つ以上の方向の全てが同一の方向であった場合には、最も角速度の絶対値が小さい角速度センサの出力を用いて角度を算出することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、像ブレ補正機能動作時において、角速度センサのノイズに起因した映像揺れ量を低減することができる。

実施例１、２及び参考例１、２のズームレンズ装置の構成図。実施例１、２及び参考例１、２における水平、垂直振動検出部の構成図。実施例１及び参考例１における水平振動検出部の角速度センサ配置図。実施例１及び参考例１における垂直振動検出部の角速度センサ配置図。参考例１における像ブレ補正処理のブロック図。１つの角速度センサを用いた時の映像揺れ量を示した図。参考例１における平均処理を行った時の映像揺れ量を示した図。アナログ回路で平均処理をする時の水平、垂直振動検出部の構成図。アナログ回路で平均処理をする時の参考例１における像ブレ補正処理のブロック図。実施例１における像ブレ補正処理のブロック図。実施例１における選択処理を示すフローチャート。実施例１における選択処理を行った時の映像揺れ量を示した図。３つ以上の角速度センサを用いた時の選択処理を示すフローチャート。積分処理の出力を選択処理する場合の像ブレ補正処理のブロック図。積分処理の出力の選択処理のフローチャート。参考例２における水平振動検出部の角速度センサ配置図。参考例２における垂直振動検出部の角速度センサ配置図。参考例２における像ブレ補正処理のブロック図。参考例２における減算処理を行った時の映像揺れ量を示した図。参考例２における選択処理を行った時の像ブレ補正処理のブロック図。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（参考例１）
図１は、本実施例のズームレンズ装置の構成を示したものである。

フォーカスレンズ群１はズームレンズ装置５０の結像位置を変位させることが可能であり、モータ１１によって光軸方向に駆動され、その位置は位置検出器１２によって電圧に変換される。

ズームレンズ群２は焦点距離を可変とし、モータ１３によって光軸方向に駆動され、その位置は位置検出器１４によって電圧に変換される。

光軸を偏心させるための像ブレ補正レンズ群３は、水平駆動モータ１６によって光軸に垂直な面内を水平方向に駆動され、水平方向の移動量は水平位置検出器１７によって電圧に変換される。また、像ブレ補正レンズ群３は、垂直駆動モータ１５によって光軸に垂直な面内を垂直方向にも駆動され、垂直方向の移動量は垂直位置検出器１８によって電圧に変換される。

以下の参考例、実施例の説明においては、カメラは、光軸が水平になるように配置されていることを前提とする。すなわち、水平方向とは、カメラを水平な床に設置した場合の光軸方向、或いは光軸と垂直な横方向のことであり、鉛直方向とはカメラにとって光軸と垂直な縦方向のことである。これらの方向は、カメラを斜めに設置したり、上下逆に設置したりした場合には、それに応じて変化する。ズームレンズ装置５０に加わった水平方向の振動は水平振動検出部１９により検出され、ズームレンズ装置５０に加わった垂直方向の振動は垂直振動検出部２０により検出される。図２に示すように、水平振動検出部１９は、角速度センサ３１、３２と増幅器３３、３４で構成され、垂直振動検出部２０は、角速度センサ３５、３６と増幅器３７、３８で構成される。水平振動検出部１９の角速度センサ３１、３２は、図３に示すように配置され、ともに水平面上の回転角速度を検出し、角速度センサ３１、３２は検出する角速度の軸方向が一致するように配置される。なお、ここで使用する角速度センサ３１と３２は、互いに振動周波数に対しての感度、位相遅れが同じ（以下、「感度、位相遅れが同じ」とは、１〜１０Hzの周波数の振動に対し、感度の差異が±５％以内、位相遅れの差異が±５°以内であることを示すものとする）なものを使用する。垂直振動検出部２０の角速度センサ３５、３６は、図４に示すように配置され、ともに光軸と鉛直軸に平行な面の回転角速度を検出し、角速度センサ３５，３６は検出する角速度の軸方向が一致するように配置される。角速度センサ３１と３２と同様に、角速度センサ３５と３６も、互いに振動周波数に対する感度、位相遅れが同じものを使用する。

フォーカス駆動回路２１、ズーム駆動回路２２は、モータ１１，１３を駆動するための信号を生成する。像ブレ補正レンズ駆動回路２３は、水平駆動モータ１６、及び垂直駆動モータ１５を駆動する信号を生成する。

Ａ／Ｄ変換器２４は、入力された電圧をデジタルデータに変換し、ＣＰＵ２６に送信する。Ｄ／Ａ変換器２５は、ＣＰＵ２６から入力されたデジタルデータを電圧に変換し、それぞれの駆動回路に出力する。

ＣＰＵ２６は、Ａ／Ｄ変換器２４から入力された各デジタルデータから、各モータを駆動するための制御データを生成し、Ｄ／Ａ変換器２５に送信する。

ここで、ＣＰＵ２６で行う像ブレ補正処理について説明する。図５は、参考例１における水平方向の像ブレ補正処理をブロック図に示したものである。Ａ／Ｄ変換器制御処理１０１は、フォーカス位置データ、ズーム位置データ、角速度データＡ、角速度データＢ、像ブレ補正レンズ位置データを取得する。角速度データＡは、角速度センサ３１から得られた角速度データであり、角速度データＢは、角速度センサ３２から得られた角速度データである。平均処理１０２において、角速度データＡ、Ｂを平均処理する。平均処理１０２においては、以下の式のような相加平均を用いて、入力ｘ₁、ｘ₂から出力

を算出する。

ただし、平均処理は式(1)のような相加平均に限られず、以下の式(2)のような相乗平均を用いても良い (入力ｘ₁、ｘ₂が正の値である場合のみ)し、他の平均処理を行っても良い。

ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）処理１０３によって、得られた角速度データの直流成分を除去する。積分処理１０４では、振動角速度データを振動角度データに変換する。なお、本参考例では、角速度データを平均処理しているが、２つの角速度データをそれぞれ積分処理した後で、角度データとして平均処理しても良い。

焦点距離補正処理１０５では、ズームレンズ装置５０の焦点距離によって、振動角度に対する像ブレ補正レンズの適切な移動量が異なるため、これを補正するための焦点距離補正ゲイン値を振動角度データに乗算する。ここで、焦点距離補正ゲイン値はズーム位置データ、フォーカス位置データから、あらかじめＣＰＵ２６に記憶されているルックアップテーブルを使用して取得する。ゲイン調整処理１０６では、ズームレンズ装置４０に加わった振動による映像ブレ量と、像ブレ補正レンズによるブレ補正量が同じになるようにするため、初期調整時に設定された調整ゲイン値を乗算し、像ブレ補正レンズ位置指令データを算出する。位置制御処理１０７では、ゲイン調整処理１０６で算出された像ブレ補正レンズ位置指令データと、Ａ／Ｄ変換器制御処理１０１で取得した像ブレ補正レンズ水平位置データから、水平駆動モータ１６を制御するための像ブレ補正レンズ水平制御データを生成する。そして、Ｄ／Ａ変換器制御処理１０８にて、像ブレ補正レンズ水平制御データをＤ／Ａ変換器に送信する。
垂直方向の像ブレ補正処理は、水平方向の像ブレ補正処理とほぼ同様であるため、説明は省略する。

図６の(a)、(b)は、振動が全く加わっていない時の角速度センサの出力ノイズの例を示しており、図７は、図６の(a)、(b)で示した２つの角速度センサの出力を平均処理したものを示している。図６の(a)、(b)のように、角速度センサは振動が全く加わっていない場合でも、微小な角速度信号を出力してしまう。図６、７の塗りつぶした部分は、この振動角速度信号を積分した値、すなわち振動角度と認識する値に相当し、像ブレ補正処理を実行した場合には、映像揺れ量を示すものに相当することになる。図６と図７を比較して分かるように、角速度センサを１つしか使用しない場合に対し、本参考例のように２つの角速度センサを平均すると映像揺れ量は小さくなる。

ここで、２つの角速度センサを用いることにより、映像揺れの量が小さくなることを理論的に説明する。各角速度センサのノイズｘ_nが静止時の出力を中心とする正規分布に従い、かつ、各角速度センサのノイズｘ_nが互いに独立だとすれば、一般的な平均の標準偏差の考え方からＮ個の角速度センサのノイズｘ_nの相加平均の標準偏差

は以下の式で表すことができる。

ここで、Ｎは角速度センサの個数、σ（ｘ_n）は標準偏差(バラツキを示す値)を表す。さらに、各角速度センサのノイズｘ_nの標準偏差が等しいと仮定すれば、

となり、Ｎ個の角速度センサ出力を平均処理した時には、静止時の出力のばらつきがＮ^-1/2になる。つまり、本参考例のように２つの角速度センサ出力を平均処理することにより、映像揺れ量を２^-1/2に低減することができる。

一方で、振動が加わった時には、２つの角速度センサは同じ周波数特性を持っているので、２つの角速度センサ出力を平均処理しても感度が平均化されるだけである。つまり、振動が加わった時は、１つの角速度センサを使用したときとほぼ同様の特性が得られ、周波数に応じて像ブレ補正の性能が劣化することはない。

上述したように、本参考例のように２つの角速度センサを平均処理することによって、像ブレ補正の性能を劣化させることなく、振動が加わっていない時の映像揺れ量を低減することができる。

本参考例では、２つの角速度センサを使用したが、２つに限らずに、３つ以上使用しても良い。この場合、式(4)に示すように、角速度センサの数を多くするにつれて、映像揺れ量が大きく軽減していくことになる。

また、本参考例では、２つの角速度センサの信号をＣＰＵ２６内で、デジタル信号として平均処理しているが、アナログ信号で平均処理をしても良い。その場合、振動検出部１９，２０を図８のように構成し、ＣＰＵ２６の像ブレ補正処理を図９にすることによって実現することができる。なお、平均処理を相加平均にする場合には、図８の平均処理回路３９、４０は単純な加算回路を用いて、1/2にするのは前段の増幅器３３、３４、３７、３８で行うか、図９の２０５で行えばよい。

（実施例１）
実施例１におけるズームレンズ装置５０の構成、及び、振動検出部１９，２０の構成、角速度センサ３０、３１、３５，３６の配置は参考例１で説明した図１〜４と同様であるため、説明は省略する。

実施例１におけるＣＰＵ２６で行う像ブレ補正処理について説明する。図１０は、実施例１における水平方向の像ブレ補正処理をブロック図に示したものである。３０１は、Ａ／Ｄ変換器制御処理であり、フォーカス位置データ、ズーム位置データ、角速度データＡ、角速度データＢ、像ブレ補正レンズ位置データを取得する。３０２、３０３はHPF（ハイパスフィルタ）処理であり、角速度データＡ、角速度データＢそれぞれの直流成分を除去する。

次に、選択処理３０４について説明する。図１１は選択処理をフローチャートに示したものである。Ｓ１０１では、ＨＰＦ処理３０２、３０３より出力された入力角速度Aと入力角速度Ｂを取得する。Ｓ１０２では、取得した２つの入力角速度の符号が一致しているかどうか、すなわち、角速度の方向が同一かどうかを判定する。符合が一致している場合、Ｓ１０３に進み、２つの入力角速度の内、絶対値の小さい方を出力角速度とする。一方、Ｓ１０２で符合が一致していないと判断された場合には、Ｓ１０４に進み、出力角速度を０とする。図１１のフローチャートで選択された出力角速度を、図１０の３０５の積分処理に入力する。

積分処理３０５〜Ｄ／Ａ変換器制御処理３０９は、図５の積分処理１０４〜Ｄ／Ａ変換器制御処理１０８と同様であるため、説明は省略する。

図１２は、振動が全く加わっていない時に、図６の(a)、(b)で示した２つの角速度センサ出力を３０４で示した選択処理をしたものを示している。つまり、図６と図１２を比較して分かるように、角速度センサを１つしか使用しない場合に対し、本実施例のように２つの角速度センサを選択処理することにより、映像揺れ量は小さくなる。また、図７と図１２と比較して分かるように、平均処理の出力よりも塗りつぶした部分が小さくなっており、平均処理よりもさらに映像揺れ量が軽減されていることが分かる。これは、図１１のフローチャートのような処理を行うことにより、任意の２つの角速度センサ出力において、必ず平均処理よりも出力が小さくなるからである。

一方で、振動が加わった時には、参考例１で説明したように、２つの角速度センサは周波数特性の同じ出力が発生するため、図１１のフローチャートに示した処理を行っても、感度が小さい角速度センサ出力が出力されるだけである。つまり、振動が加わった時は、１つの角速度センサを使用したときと同様の特性が得られ、周波数に応じて像ブレ補正の性能が劣化することはない。

上述したように、本実施例のように２つの角速度センサを選択処理することによって、像ブレ補正の性能を劣化させることなく、振動が加わっていない時の映像揺れ量を低減することができる。

本実施例では、２つの角速度センサを使用したが、参考例１と同様に２つに限らずに、３つ以上使用しても良く、選択処理３０４を図１３のようにすることで実現することができる。

また、本実施例では、角速度信号に対して選択処理を行ったが、積分処理を行った後の角度信号に対して選択処理を行っても良い。その場合、ＣＰＵ２６の像ブレ補正処理を図１４にし、選択処理４０６を図１５に示すフローチャートのようにすることで実現できる。

（参考例２）
参考例２におけるズームレンズ装置５０の構成、及び、振動検出部１９、２０の構成は参考例１で説明した図１，２と同様であるため、説明は省略する。

本参考例では、角速度センサ３１、３２を図１６のように配置し、ともに水平面上の回転角速度を検出するが、その検出軸方向は１８０度反転させる。また、角速度センサ３５、３６は、図１７に示すように配置し、ともに光軸と鉛直軸に平行な面上の回転角速度を検出するが、その検出軸方向は１８０度反転させる。

ここで、ＣＰＵ２６で行う像ブレ補正処理について説明する。図１８は、参考例２における水平方向の像ブレ補正処理をブロック図に示したものである。Ａ／Ｄ変換器制御処理５０１は、フォーカス位置データ、ズーム位置データ、角速度データＡ、角速度データＢ、像ブレ補正レンズ位置データを取得する。減算処理５０２では、角速度データＡ、Ｂに対し、以下の式に基づいて、入力ｘ₁、ｘ₂より出力

を算出する。

ＨＰＦ処理５０３〜Ｄ／Ａ変換器制御処理５０８は、図５のＨＰＦ処理１０３〜Ｄ／Ａ変換器制御処理１０８と同様であるため、説明は省略する。

本参考例では、２つの角速度センサ出力を減算処理しているが、図１６、１７に示すように、互いに逆回転の角速度を検出しているため、式(5)のような処理をすることにより、角速度が平均されていることになる。つまり、参考例１と同様の効果が得られる。さらに、式(5)のように減算処理をすることによって、同位相のノイズはキャンセルされるため、回路構成などにより同位相のノイズが多い場合には、大きく映像揺れ量を低減することができる。図１９は、同位相のノイズが多い時に、参考例１のような平均処理を行った時と、本参考例の減算処理を行った時の、映像揺れ量を比較したものである。図１９を見て分かるように、同位相のノイズが多い場合には、減算処理の効果が大きくなる。ただし、２つの角速度センサノイズに全く関連性がなくても、実質的には参考例１と同様の処理を行っているので、参考例１と同様の効果が得られる。

本参考例では、２つの角速度センサの検出軸方向を１８０度反転して減算処理を行っているが、減算処理だけでなく、実施例１のように選択処理をしても良い。その場合、ＣＰＵ２６で行う像ブレ補正処理は図２０のようになり、符号反転処理６０４で一つのＨＰＦ出力の符号を反転させることで実現できる。（実施例２）

実施例１，２においては、カメラは光軸が水平方向となるように配置されている場合を例示して説明した。つまり、水平振動検出部１９は、角速度センサ３１，３２を水平面に設置して水平面上の回転角速度を検出し、垂直振動検出部２０は、角速度センサ３５，３６を光軸と鉛直軸に平行な面に設置して、その面上の回転角速度を検出するように構成されていた。しかし、カメラの光軸が水平でない場合においても、水平振動検出部１９の角速度センサ３１，３２を光軸と平行な面上に設置し、その面に対し垂直な軸方向の角速度を検出するように構成することにより、同様の効果が得られることにも留意されたい。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

３像ブレ補正レンズ群
１５垂直駆動モータ
１６水平駆動モータ
１７水平位置検出器
１８垂直位置検出器
１９水平振動検出部
２０垂直振動検出部
２３像ブレ補正レンズ駆動回路
２６ＣＰＵ
３１、３２、３５、３６角速度センサ

Claims

結像する位置を光軸に垂直な方向に変位させる手段と、
ズームレンズ装置の角速度を検出する２つ以上の角速度センサであって、該２つ以上の角速度センサは角速度を検出する軸が互いに平行であり、同じ振動周波数特性を有する、２つ以上の角速度センサと、
前記２つ以上の角速度センサの出力から１つの角度を算出する角度演算手段と、
前記角度演算手段によって演算された角度に応じて、結像する位置を光軸に垂直な方向に変位させる前記手段を駆動する駆動手段と、
を有し、
前記角度演算手段は、前記２つ以上の角速度センサのそれぞれの出力の方向を判定する方向判定手段を有し、
前記角度演算手段は、前記方向判定手段から得られた２つ以上の方向が異なる方向を含む場合には、角速度出力を「０」として角度を算出し、前記２つ以上の方向の全てが同一の方向であった場合には、最も角速度の絶対値が小さい角速度センサの出力を用いて角度を算出する、
ことを特徴とする光学装置。
前記２つ以上の角速度センサは、互いに角速度を検出する軸が１８０度反転して配置された２つの角速度センサで構成され、前記角度演算手段は一方の角速度センサの出力を反転させた後に処理することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。