JP5696429B2

JP5696429B2 - 撮影装置

Info

Publication number: JP5696429B2
Application number: JP2010240497A
Authority: JP
Inventors: 好一飯田
Original assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Current assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: JP2012093531A

Description

本発明は、天体追尾撮影を行う撮影装置に関連し、詳しくは、精度の高い天体追尾演算と追従性の高い天体追尾とを両立するのに好適な撮影装置に関する。

カメラを固定して天体撮影を行うと、天体が日周運動により直線状又は円弧状に写る。撮影面上での天体の日周運動を打ち消すには、例えば、自動追尾機能を備えた赤道儀を用いて、天体を追尾しながら天体撮影を行う必要がある。しかし、この種の赤道儀は高価であり、重量が重く、取り扱いも容易ではない。

そこで、本出願人は、特許文献１において、装置に元々搭載されている手ブレ補正機構を利用して天体追尾撮影を行うデジタルカメラを提案している。具体的には、特許文献１に記載のデジタルカメラは、撮影位置情報、撮影方位情報、撮影高度情報、撮影光学系の焦点距離情報等の種々の情報を用いて、固体撮像素子面上での天体像の移動軌跡を演算する。特許文献１に記載のデジタルカメラは、固体撮像素子面上での天体像の位置が露光中一定に保たれるように、演算結果に基づいて手ブレ補正機構により固体撮像素子を駆動制御する。以下においては、説明の便宜上、固体撮像素子面上での天体像の移動軌跡の演算を「天体追尾演算」と記し、演算結果に基づく手ブレ補正機構の駆動制御を「天体追尾駆動制御」と記す。

特開２０１０−１２２６７２号公報

ところで、天体追尾演算や天体追尾駆動制御には、固体撮像素子面上での天体像の微小な動きを打ち消すため、高い演算精度や駆動分解能が求められる。一般的なデジタルカメラのＣＰＵ（Central Processing Unit）にとっては、天体追尾演算、天体追尾駆動制御の何れも負荷の重い処理である。そのため、天体追尾演算と天体追尾駆動制御とをＣＰＵに同時に処理させた場合、追従性の高い天体追尾を行うのは難しい。追従性の高い天体追尾を行うには、ＣＰＵの高スペック化による処理能力の向上や、演算精度を下げることによる演算量の削減等の対策が必要と考えられる。しかし、前者の対策は、製品単価が上昇するため簡単には採用できない。後者の対策は、追尾精度の低下に伴って天体撮影画像の画質が低下するため望ましくない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、精度の高い天体追尾演算と追従性の高い天体追尾とを両立するのに好適な撮影装置を提供することである。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る撮影装置は、所定の軌跡で規則的に運動する被写体を撮影する装置であり、撮像面上の被写体の像を撮像する固体撮像素子と、撮像面への露光開始を指示入力するレリーズスイッチと、撮影装置の機械動作を駆動制御する機構制御プロセッサと、固体撮像素子の出力信号を処理して画像を生成する画像生成プロセッサとを有する。画像生成プロセッサは、指示入力によって像が撮像面上を露光期間中に移動する移動軌跡演算を開始する。機構制御プロセッサは、固体撮像素子の露光期間中に逐次、移動軌跡演算結果を取得し、該移動軌跡演算結果に基づいて撮像面上での像の位置を補正する。

画像生成プロセッサは、高い演算処理能力を必要とする画像信号処理を行うため、複雑な信号処理を行うのに適した実装がされている。また、画像生成プロセッサは、露光期間中、固体撮像素子の電荷蓄積を待機しているため、処理負荷が極めて軽い。そこで、本発明に係る撮影装置においては、上述したように、露光期間中の画像生成プロセッサのリソースを有効利用して天体追尾演算を行う。すなわち、天体追尾演算を画像生成プロセッサに負担させることにより、機構制御プロセッサは、天体追尾駆動制御と天体追尾演算とを同時に処理する必要が無くなる。機構制御プロセッサに対する過度の処理負荷が有効に避けられるため、機構制御プロセッサを高スペック化することなく、精度の高い天体追尾演算と、天体追尾駆動制御による追従性の高い天体追尾とが同時に達成される。

本発明に係る撮影装置は、機構制御プロセッサと画像生成プロセッサとが単一のマルチコアプロセッサとして構成されてもよい。機構制御プロセッサは、例えば整数演算を行うＣＰＵである。画像生成プロセッサは、例えば浮動小数点演算を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。

機構制御プロセッサは、露光期間中、撮像面上での像の位置が不動であるように、固体撮像素子の位置を微調節する構成としてもよい。

本発明に係る撮影装置は、撮影装置の振動を検知する振動検知手段を更に有した構成としてもよい。この場合、機構制御プロセッサは、振動による露光期間中の像ブレを撮影光学系中の光学部品を駆動制御して補正する。

画像生成プロセッサは、振動検知手段によって検知される振動から、像ブレ補正量を露光期間中に演算するように構成されてもよい。

機構制御プロセッサは、指示入力によって撮像面への露光を開始するシャッタ機構を駆動制御するように構成されてもよい。

本発明によれば、精度の高い天体追尾演算と追従性の高い天体追尾とを両立するのに好適な撮影装置が提供される。

本発明の実施形態の撮影装置のメカ構成及び回路構成を模式的に示す図である。本発明の実施形態の撮影装置の光学系を模式的に示す図である。本発明の実施形態においてＣＰＵにより実行される天体追尾撮影処理のフローチャートを示す図である。本発明の実施形態においてＤＳＰにより実行される天体追尾撮影処理のフローチャートを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の撮影装置について説明する。

図１、２は共に、本実施形態の撮影装置１の構成を模式的に示す図である。図１は、主に、撮影装置１のメカブロックと回路ブロックを示し、図２は、主に、撮影装置１の光学系を示している。本実施形態において、撮影装置１は、デジタル一眼レフカメラを想定しているが、コンパクトデジタルカメラ、カムコーダ、携帯電話端末、ＰＨＳ（Personal Handy phone System）、携帯ゲーム機等の撮影機能を有する別形態の撮影装置に置き換えてもよい。

撮影装置１は、図１に示されるように、カメラ本体部１０と撮影レンズ５０を有している。カメラ本体部１０には、各種回路の動作やタイミングを統括的に制御するＣＰＵ１２が搭載されている。電源スイッチＳＷ０がオンされると、図示省略されたバッテリから撮影装置１の各種回路に電源ラインを通じて電源供給が行われる。

被写体からの光は、図２に示されるように、撮影光学系Ｌ、ミラーＭを介して、ファインダ光学系Ｆに入射する。撮影者は、ファインダ光学系Ｆの接眼レンズを覗くことにより被写体像を観察することができる。

レリーズスイッチＳＷ１が押されると、ＣＰＵ１２の駆動制御によってミラーＭが図２の破線位置にアップすると共にフォーカルプレーンシャッタＦＰがシャッタ速度に応じて開放する。これにより、被写体からの光は、撮影光学系Ｌ、フォーカルプレーンシャッタＦＰを通過して固体撮像素子１４により受光される。

固体撮像素子１４は、例えばベイヤ型画素配置を有する単板式カラーＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサである。固体撮像素子１４は、ＣＰＵ１２の制御によって撮像面１４ａ上の各画素で結像した光学像を光量に応じた電荷として蓄積して、撮像信号に変換する。変換された撮像信号は、図示省略された回路によるＡＤ変換、信号増幅等の処理後、ＤＳＰ１６に入力する。なお、固体撮像素子１４は、ＣＣＤイメージセンサに限らず、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサとしてもよい。以下、説明の便宜上、撮影光学系Ｌの光軸ＡＸ方向をＺ軸方向と定義し、Ｚ軸方向に直交しかつ互いに直交する二方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向と定義する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向はそれぞれ、撮影装置１の幅方向、高さ方向である。

ＤＳＰ１６は、入力した撮像信号に対して色補間、マトリクス演算、Ｙ／Ｃ分離等の所定の信号処理を施して輝度信号Ｙ、色差信号Ｃｂ、Ｃｒを生成し、ＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）等のフォーマットで圧縮する。圧縮画像信号（つまり、撮影画像データ）は、カードスロット１８に差し込まれたメモリカード４０に保存される。また、ＤＳＰ１６は、マトリクス演算後の各色信号を別個のフレームメモリにフレーム単位でバッファリングする。ＤＳＰ１６は、バッファリングされた各色信号を所定のタイミングで各フレームメモリから掃き出して画像信号に変換して画像を生成し、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）モニタ２０上に表示させる。撮影者は、ＬＣＤモニタ２０を通じて撮影画像を視認することができる。

ところで、撮影者の手ブレにより撮影装置１が振動すると、光軸ＡＸの角度ブレや回転ブレが生じて、撮像面１４ａ上の被写体像にブレが生じる。そこで、撮影装置１には、手ブレを検出する多軸ジャイロセンサ２２が搭載されている。多軸ジャイロセンサ２２は、例えばＸ軸、Ｙ軸の角速度、及びＺ軸周りの角速度を検出する。ＣＰＵ１２は、多軸ジャイロセンサ２２の出力に基づいて防振ユニット２４を駆動制御する。防振ユニット２４は、撮像面１４ａ上での被写体像のブレを打ち消すように、固体撮像素子１４を光軸ＡＸと直交する面（ＸＹ平面）内において複合的（Ｘ、Ｙ軸方向の移動、回転等）に動かす。手ブレ補正機能のオン／オフは、設定スイッチＳＷ２により設定される。なお、手ブレ補正機構の具体的構成例は、本出願人が出願した特許文献１や特開２００７−２５６１６号公報等に記載されている。

撮影装置１は、ＧＰＳ（Global Positioning System）ユニット２６、方位センサ２８、重力センサ３０等の天体追尾撮影に必要なセンサ類を内蔵している。これらのセンサは、アクセサリーシュー等に着脱自在な外付けユニットとして構成されてもよい。ＧＰＳユニット２６、方位センサ２８、重力センサ３０はそれぞれ、カメラ本体部１０（より正確には、撮像面１４ａ）が位置する緯度φ、カメラ本体部１０の方位Ａ（地面と水平な面上での光軸ＡＸの向き）、被写体（例えばファインダ中心で狙う天体）の高度ｈ（地面と水平な面に対して光軸ＡＸがなす角度（仰角））をＣＰＵ１２に出力する。

撮影装置１は、設定スイッチＳＷ２の操作に応じて天体追尾撮影モードに移行する。又は、ＬＣＤモニタ２０上のＧＵＩ（Graphical User Interface）等に対する天体追尾撮影モードの選択操作に応じて天体追尾撮影モードに移行するようにしてもよい。

図３は、本実施形態において天体追尾撮影モード移行後にＣＰＵ１２により実行される天体追尾撮影処理のフローチャートを示す図である。本フローチャートの処理は、天体追尾撮影モード以外のモードへの設定変更時又は電源オフ時に終了する。以降の本明細書中の説明並びに図面において、処理ステップは「Ｓ」と省略して記す。

ＣＰＵ１２は、天体追尾撮影モードに移行すると、防振ユニット２４を初期化して、固体撮像素子１４を初期位置で保持する（Ｓ１）。初期位置は、撮像面１４ａの有効画素領域の中心が光軸ＡＸと交差するときの位置である。変形例では、防振ユニット２４の可動範囲内において、天体追尾撮影時に個体撮像素子１４が最も長時間天体を追尾することができる最適な位置を初期位置としてもよい。ＣＰＵ１２は、レリーズスイッチＳＷ１が押されるまで本フローチャートの処理を待機する（Ｓ２）。ＣＰＵ１２は、レリーズスイッチＳＷ１が押されると（Ｓ２：ＹＥＳ）、ミラーＭを図２の破線位置にアップする（Ｓ３）と共に、先幕を走行させてフォーカルプレーンシャッタＦＰを全開状態で保持する（Ｓ４）。

ところで、ＣＰＵ１２は、露光期間中、メカ機構の駆動制御（絞り制御、シャッタ制御、防振制御等）を行う必要がある。本願発明の技術分野において、この種のメカ機構の駆動制御は時間的制約が厳しい。従って、ＣＰＵ１２には、実行スピード重視の（具体的には、整数演算処理能力の高い）コーディングが実装されている。別の側面によれば、ＣＰＵ１２は、複雑な浮動小数点演算を必要とする処理の実行には不向きである。また、本願発明の技術分野においては、ＣＰＵのメモリ容量が小さいという事情がある。そのため、三角関数等の複雑な浮動小数点演算を必要とする天体追尾演算をＣＰＵ１２に高速に処理させるのは難しい。

一方、ＤＳＰ１６には、高精度かつ高ダイナミックレンジな画像信号処理を行うため、浮動小数点演算処理能力の高いコーディングが実装されている。ＤＳＰ１６は、露光期間中、固体撮像素子１４の電荷蓄積を待機しているため、処理負荷が極めて軽い。そこで、ＣＰＵ１２は、露光期間中のＤＳＰ１６のリソースを有効利用して、従来負担していた天体追尾演算を高速に処理するように構成されている。

具体的には、ＣＰＵ１２は、レリーズスイッチＳＷ１が押されると、ミラーアップ制御（Ｓ３）及びシャッタ制御（Ｓ４）の実行と共に、各種センサが出力する情報（緯度φ、方位Ａ、高度ｈ）、及び焦点距離検出装置５２が検出する焦点距離ｆの情報をＤＳＰ１６に出力する（Ｓ５）。

図４は、本実施形態において天体追尾撮影モード時にＤＳＰ１６により実行される天体追尾撮影処理のフローチャートを示す図である。図４に示されるように、ＤＳＰ１６は、図３のＳ５の処理で出力された情報が入力すると、天体追尾演算を行い（Ｓ２１）、演算結果をメモリカード４０に記憶する（Ｓ２２）。天体追尾演算では、移動量ΔＸ、ΔＹ、回転角Δθが次式（１）〜（３）を用いて求められる。移動量ΔＸ、ΔＹはそれぞれ、撮像面１４ａ上での天体像の単位時間あたりのＸ、Ｙ軸方向の移動量である。回転角Δθは、撮像面１４ａ上での天体像の単位時間あたりのＸＹ平面内での回転角である。なお、天体追尾演算のより詳細な説明は、特許文献１に記載されている。
ΔX=f・tan(dα/dH) ・・・（１）
ΔY=f・tan(dh/dH) ・・・（２）
Δθ=dθ/dH ・・・（３）
但し、dα/dH=arccos{(sin²(h)+cos²(h)・cos(dA/dH)}
dA/dH=sinφ+cosφ・tan(h)・cosA
dh/dH=-sinA・cosφ
dθ/dH=cosA・cosφ/cos(h)

ＤＳＰ１６は、露光期間が終了していれば（Ｓ２３：ＹＥＳ）、処理をＳ２５に進める。ＤＳＰ１６は、露光期間が終了していなければ（Ｓ２３：ＮＯ）、多軸ジャイロセンサ２２の出力に基づいた防振ユニット２４の駆動制御量の演算、すなわち手ブレ補正量の演算をＣＰＵ１２に代わり実行する（Ｓ２４）。露光期間中のＤＳＰ１６のリソースを有効利用することにより、ＣＰＵ１２の更なる処理負担の軽減が達成される。

固体撮像素子１４の撮像面１４ａ上には、フォーカルプレーンシャッタＦＰの開放中、撮影対象の天体像が露光される。図３に示されるように、ＣＰＵ１２は、露光期間中、ＤＳＰ１６によって演算されてメモリカード４０に格納された天体追尾演算結果を取得する（Ｓ６）。ＣＰＵ１２は、露光期間中、天体追尾駆動制御を行う（Ｓ７）。すなわち、ＣＰＵ１２は、ＤＳＰ１６があらかじめ演算した天体追尾演算結果を逐次用いて防振ユニット２４を駆動制御して、撮像面１４ａ上での天体像の位置が一定に保たれるように、固体撮像素子１４をＸＹ平面内で動かす。

ＣＰＵ１２は、レリーズスイッチＳＷ１が押されている間（Ｓ８：ＮＯ）、Ｓ６、Ｓ７の処理を繰り返し行い、天体追尾撮影を継続する。ＣＰＵ１２は、レリーズスイッチＳＷ１が離されると（Ｓ８：ＹＥＳ）、後幕を走行させてフォーカルプレーンシャッタＦＰを全閉する（Ｓ９）と共に、ミラーＭを図２の実線位置にダウンさせる（Ｓ１０）。

図４に示されるように、撮影された天体画像の信号は、ＤＳＰ１６の信号処理によりＪＰＥＧ等の形式の画像データに変換されて（Ｓ２５）、メモリカード４０に保存される（Ｓ２６）。また、ＤＳＰ１６による画像処理を経てＬＣＤモニタ２０上に撮影画像として表示される。

本実施形態によれば、高い演算処理能力を必要とする天体追尾演算をＤＳＰ１６に負担させることにより、ＣＰＵ１２に対する過度の処理負荷が有効に避けられる。そのため、ＣＰＵ１２を高スペック化することなく、精度の高い天体追尾演算と、天体追尾駆動制御による追従性の高い天体追尾とが同時に達成される。別の表現によれば、高品位な天体追尾撮影が既存のスペックで実現可能である。また、ＤＳＰ１６は、画像処理等の本来的な役割を露光期間外に行うため、露光期間中のリソースの使用率が元々低い。そのため、ＤＳＰ１６は、天体追尾演算を過度に負担がかかることなく処理することができる。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば、天体追尾撮影に利用する手ブレ補正機構は、撮像面の移動だけで像ブレを補正する機構には限られない。一例として、撮像面の移動（少なくとも回転移動）による補正機構と、撮影光学系の一部のレンズ（例えば図２に示される撮影光学系Ｌ中の最も像側のレンズ）を光軸と垂直な面内で移動させて、撮像面に結像する画像自体を撮像面に対して相対的に移動させることによって像ブレを補正する機構とを併用した手ブレ補正機構を利用して天体追尾撮影を行う構成が考えられる。

ＣＰＵ１２とＤＳＰ１６は、別個独立したマイクロプロセッサであるが、単一のマルチコアプロセッサとして構成されてもよい。

１撮影装置
１０カメラ本体部
１２ＣＰＵ
１４固体撮像素子
１６ＤＳＰ
１８カードスロット
２０ＬＣＤモニタ
２２多軸ジャイロセンサ
２４防振ユニット
２６ＧＰＳユニット
２８方位センサ
３０重力センサ
４０メモリカード
５０撮影レンズ
５２焦点距離検出装置
ＳＷ０電源スイッチ
ＳＷ１レリーズスイッチ
ＳＷ２設定スイッチ
Ｆファインダ光学系
ＦＰフォーカルプレーンシャッタ
Ｌ撮影光学系
Ｍミラー

Claims

所定の軌跡で規則的に運動する被写体を撮影する撮影装置において、
撮像面上の前記被写体の像を撮像する固体撮像素子と、
前記撮像面への露光開始を指示入力するレリーズスイッチと、
少なくとも前記固定撮像素子の位置を制御する機構制御プロセッサと、
前記固体撮像素子の出力信号を処理して画像を生成する画像生成プロセッサと、
を有し、
前記画像生成プロセッサは、
前記指示入力後であって前記固体撮像素子の露光期間開始から該露光期間終了までの露光期間中に逐次、前記撮像面上を移動する前記像の移動軌跡演算を実行し、
前記機構制御プロセッサは、
前記露光期間中に逐次、前記移動軌跡演算結果を取得し、該移動軌跡演算結果に基づいて少なくとも前記固体撮像素子の位置を制御することにより、前記撮像面上での前記像の位置を補正する、
撮影装置。
所定の軌跡で規則的に運動する被写体を撮影する撮影装置において、
撮像面上の前記被写体の像を撮像する固体撮像素子と、
前記撮像面への露光開始を指示入力するレリーズスイッチと、
像ブレ補正手段を駆動制御する機構制御プロセッサと、
前記固体撮像素子の出力信号を処理して画像を生成する画像生成プロセッサと、
を有し、
前記画像生成プロセッサは、
前記指示入力後であって前記固体撮像素子の露光期間開始から該露光期間終了までの露光期間中に逐次、前記撮像面上を移動する前記像の移動軌跡演算を実行し、
前記機構制御プロセッサは、
前記露光期間中に逐次、前記移動軌跡演算結果を取得し、該移動軌跡演算結果に基づいて前記像ブレ補正手段を駆動制御することにより、前記撮像面上での前記像の位置を補正する、
撮影装置。
前記機構制御プロセッサと前記画像生成プロセッサとが単一のマルチコアプロセッサである、
請求項１又は請求項２に記載の撮影装置。
前記機構制御プロセッサは、
整数演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、
前記画像生成プロセッサは、
浮動小数点演算を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）である、
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の撮影装置。
前記機構制御プロセッサは、
前記露光期間中、前記撮像面上での前記像の位置が不動であるように、前記固体撮像素子の位置を微調節する、
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の撮影装置。
前記撮影装置の振動を検知する振動検知手段
を更に有し、
前記機構制御プロセッサは、
前記振動による前記露光期間中の像ブレを撮影光学系中の光学部品を駆動制御して補正する、
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の撮影装置。
前記画像生成プロセッサは、
前記振動検知手段によって検知される振動から、前記像ブレ補正量を前記露光期間中に演算する、
請求項６に記載の撮影装置。
前記機構制御プロセッサは、
前記指示入力によって前記撮像面への露光を開始するシャッタ機構を駆動制御する、
請求項１から請求項７の何れか一項に記載の撮影装置。