JP5792949B2

JP5792949B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5792949B2
Application number: JP2010277719A
Authority: JP
Inventors: 光洋泉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: JP2012128049A

Description

本発明は、像振れ補正機能を備えた撮像装置に関する。

像振れ補正機能を備えた撮像装置として、小型化を実現するために振れ補正レンズの位置センサを不要にした方式が、たとえば特許文献１により提案されている。この方式は振れ補正レンズを移動方向にバネ等の弾性部材で支持することで、弾性力と振れ補正レンズ変位量の既知の関係から振れ補正レンズを制御するものである。その結果、位置センサが不要であるため、小型が実現できると同時に、コスト低減も実現できる。

しかし、位置センサを持たないために、環境温度が変化などによりメカ特性が変動すると、指示通りの応答をせずに補正性能が低下する恐れがある。これに対して、手振れ補正後の撮像結果から動きベクトルを算出することで、振れの残り量をフィードバックして制御特性を変更する提案がされている。（特許文献２）この提案によれば、メカ特性が変動したとしても、フィードバックにより振れの残り量を小さくすることができる。

特許第３４４５００２号公報特開２００５−４９５９１号公報

しかし、特許文献２では、振れが小さい場合には、ノイズ成分により誤った補正をする可能性がある。また、調整した際の振れの周波数と異なる周波数の振れが入力された場合には、メカ特性（＝周波数応答特性）の差により補正効果が期待できない場合がありうる。

（発明の目的）
本発明の目的は、像振れ補正機能を有する、小型化した撮像装置において、メカ特性の変動を精度よく検出することである。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、装置に加わる振れを検出する振れ検出手段と、前記振れ検出手段の検出結果に基づいて、光軸に対して振れ補正レンズを保持するレンズ枠を垂直に駆動することで像振れを補正する振れ補正手段と、を有し、前記振れ補正手段は、一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記レンズ枠を支持する固定部材に他方の端が固定された弾性部材と、温度変化により減衰率が変化し且つ一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記固定部材に他方の端が固定された減衰部材と、を備えた撮像装置であって、
前記振れ補正手段を、前記検出結果に基づいた駆動とは独立して所定周波数で駆動する駆動手段と、前記振れ補正手段を介した被写体からの光束を受光する撮像手段と、前記撮像手段より撮像画像の動き情報を求める動き検出手段と、前記駆動手段によって前記振れ補正手段が前記所定周波数で駆動されている時に、前記動き検出手段により検出された動き情報に基づいて前記振れ補正手段のメカ特性を検出するメカ特性検出手段と、前記メカ特性検出手段の検出結果に基づいて手振れ周波数帯域での温度変化による前記振れ補正手段の周波数応答特性が変化しないように前記振れ補正手段の位相遅れを補正するフィルタ特性を変更する制御特性変更手段と、を有するものである。

本発明によれば、像振れ補正機能を有する、小型化した撮像装置において、メカ特性の変動を精度よく検出することができる。

本発明の実施例であるデジタルカメラの構成を示すブロック図である。実施例の機械的構成を示す図である。実施例の周波数応答特性を説明する図である。実施例の周波数応答特性の温度変化を説明する図である。制御特性の調整の動作を説明するフローチャートである。メカ特性の同定の動作を説明するフローチャートである。動きベクトル検知の動作を説明するフローチャートである。メカ特性の同定の動作の詳細を説明する図である。動きベクトル算出の動作を説明する図である。

本発明を実施するための形態は、以下の実施例に記載される通りである。ただし、本発明はこの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

以下、図１から図９を参照して、本発明の実施例である撮像装置について説明する。

（構成）
本発明の実施例である撮像装置の一例としてのデジタルカメラの構成について図１を用いて詳細に説明する。

図１は、デジタルカメラ１の構成を示す図である。１１は、被写体からの光束を受光して電荷に変換する撮像素子を含む、撮像手段である撮像部を示す。撮像部１１はＣＰＵ１４からの命令により撮像開始／終了を制御できる。撮像が終了すると、Ａ／Ｄ部１５を介して電荷がデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１４へ入力される。ＣＰＵ１４は色変換処理などを行い、最終的にデジタル画像へと変換し、不図示の不揮発性メモリ等に保存する。メモリ１８は、制御パラメータや動きベクトル等を記憶しておくメモリであり、動きベクトルを算出するための画像を記憶しておくフレームメモリも含まれる。

１２は、手振れなどが発生した場合に撮像部１１に入る光束が振れてしまうのを防ぐ、振れ補正手段である振れ補正部を示す。振れ補正部１２は、光軸に対して垂直に駆動されることで像振れを補正する。振れ補正部１２の詳細な構成は後述する。１７は振れ検出手段である振れ検出部であり、ジャイロや加速度計を用いることが多い。手振れなどの振れを検出し、振れ信号をＣＰＵ１４へと伝える。振れ信号は、ＣＰＵ１４でフィルタ処理等がなされ、手振れなどに起因する像振れをキャンセルする信号として、駆動手段である駆動回路１３へ駆動量等の命令が出される。駆動回路１３は、メカ特性変更手段を含むＣＰＵ１４からの命令により振れ補正部１２を駆動する。その結果、被写体からの光束は手振れの影響を軽減した状態で撮像部１１へ入射する。

ＣＰＵ１４は、撮像部１１に対してある一定時間ごとに撮像を繰り返し命令することで連続した静止画像を得ることができる。それらの静止画像を連結して符号化することで動画像にすることが可能である。連続した２枚の静止画像を動き検出手段である動き検出回路１６に入力すると、２枚の撮像画像の中に写っている被写体がどのように移動したかを動き情報（動きベクトル）として検出することができる。動き検出回路１６の演算結果は、メカ特性検出手段を含むＣＰＵ１４へ渡される。ＣＰＵ１４には位置変化算出手段も含まれ、手振れの影響を除去する動作を行う。動き検出回路１６の具体的な動作に関しては後述する。

図２は、デジタルカメラ１の機械的構成を示す図である。図２を用いてデジタルカメラ１の詳細な構成を説明する。光軸２５から入射した光束は、レンズ群２６を通過して振れ補正部１２へ入射する。その後、撮像部１１で結像する。２１は光軸２５に対して直交する方向に移動可能に支持されたシフトレンズ（振れ補正レンズ）である。シフトレンズ２１が光軸２５に対して直交する方向に移動することで、被写体からの光束を屈曲させ、撮像部１１上におけるデジタルカメラ１の振れによる光学像の振れをキャンセルすることができる。２２はシフトレンズ２１を保持するレンズ枠である。２３はコイルバネや板バネにより形成された支持バネである。２４はゴム部材やゲル部材などで形成される支持ダンパである。支持バネ２３と支持ダンパ２４は、片端でデジタルカメラ１本体に固定され、もう一方の端でレンズ枠２２に固定されている。

図３は、振れ補正部１２のメカ特性である周波数応答特性の例を示した図である。単位入力に対する応答を周波数ごとに示している。３１は、横軸に周波数をとり、縦軸を増幅率として表したものである。３２は、同じく横軸に周波数をとり、縦軸を位相として表したものである。ここで、増幅率３１が折れ曲がる周波数を示す３３は、共振周波数ω_ｎに相当し、下式で表される。
ω_ｎ＝√（ｋ／ｍ）・・・（１）
ここで、ｋはシフトレンズ２１を支持する系の剛性を示し、ｍはシフトレンズ２１の可動部質量を示している。また３４は、通常の手振れ補正が有効となる周波数帯域を示しており、増幅率や位相の変化が少なくなるように設計されている。共振周波数３３は、手振れ補正の周波数帯域３４より高く設定されることが多い。

図４は、振れ補正部１２の周波数応答特性が温度によって変化する様子を表した図である。本実施例では、支持ダンパ２４としてゴム部材やゲル部材を使用すると、温度によって剛性／減衰率が変化する。その結果、図４で例示するように温度によって振れ補正部１２の周波数応答特性が変化することになる。４１Ｎ、４２Ｎは常温時の振れ補正部１２の周波数応答特性を示している。４１Ｈ、４２Ｈは高温時、４１Ｌ、４２Ｌは低温時の振れ補正部１２の周波数応答特性を示している。このような温度によるメカ特性（＝周波数応答特性）の変動が生じると、同じ入力に対して振れ補正部１２（特にシフトレンズ２１）の応答が変化してしまうことになる。実際の設計においては、支持ダンパ２４の材料選定や、特性変化を受けにくいような工夫を行うことで、温度によるメカ特性の変動が要求精度の許容範囲内に収まるようにする。しかし、本実施例においては、さらに精度を向上させるためにメカ特性の変動を検出し、温度ごとに制御特性の調整を実施している。

以上が、本実施例のデジタルカメラ１の構成である。次に制御特性の調整動作に関して図５、図６を用いて詳細を説明する。

（動作）
図５は、制御特性（＝フィルタ特性）の調整に関するフローチャートである。ステップＳ５１では、現在の状態におけるメカ特性の同定（＝測定）を行う。具体的には、所定周波数の入力に対する応答の位相遅れを特性値として使用している。ここで使用する特性値としては、位相遅れ以外に増幅率であっても構わない。また、複数の周波数に関する特性値を用いることも可能である。ステップＳ５１の詳細については後述する。

次にステップＳ５２では、ステップＳ５１で同定された位相遅れを既知の温度に対する周波数応答特性と比較する。図８に示すように、８１はステップＳ５１で同定された位相遅れをプロットしたものである。この比較によると、現在の状態は高温時の周波数応答特性４２Ｈに近いことが分かる。よって、常温の状態から特性が変動し、高温の状態になったことが検出できる。なお、ＣＰＵ１４がメカ特性検出手段に相当し、このステップＳ５２がメカ特性検出手段によって実行される制御に相当する。本実施例においては温度の状態として、高温、常温、低温の３状態のみで比較しているが、さらに細かく区分することも可能である。また温度による周波数応答特性は、設計値による特性値を用いてもよいし、生産時に個々の特性に応じて測定した結果をメモリ１８に保存しておいてもよい。ステップＳ５３では、ステップＳ５２において検出した特性変動に応じて、位相遅れを補正するフィルタ特性を変更する。これにより、現在の温度に応じた適切な制御特性（＝フィルタ特性）の調整が完了する。なお、ＣＰＵ１４が制御特性変更手段に相当し、このステップＳ５３が制御特性変更手段によって実行される制御に相当する。

図６を用いて、メカ特性の同定に関する詳細を説明する。ステップＳ６１では、シフトレンズ２１に対して、振れ検出結果に基づいた駆動とは独立して、強制的に所定周波数で振動するように指示する。このときの所定周波数は、図３に示した共振周波数３３の近傍とすると、位相遅れの特性変動を検出しやすい。つまり、所定周波数は、振れ補正部１２が補正可能な周波数帯域３４より高く設定されている。通常の手振れが発生しやすい周波数帯域は、温度による特性が変動しにくいように設計されていることが多い。そのため、手振れが発生する周波数とは異なる周波数帯域でシフトレンズ２１を振動させることが望ましい。また、振動の振幅は、特性変動検出中の手振れの影響を受けにくくするために、できる限り大きい振幅で振動させることが望ましい。

ステップＳ６２では動きベクトル検知を行う。ステップＳ６１で振動を開始したシフトレンズ２１によって、デジタルカメラ１が動いていなくとも撮像結果は動いて見えることになる。その動き量を検知する動作である。詳細は後述する。ステップＳ６３で、動きベクトルの履歴をメモリ１８に記憶しておく。ステップＳ６４では、シフトレンズ２１の動作開始から、所定時間経過したかどうかにより、ステップＳ６５へ進むかステップＳ６２へ戻るかを判断する。例えばシフトレンズ２１を周波数ｆのサイン波形で加振した場合に、その繰り返し波形をｎ回分取り込みたいとすると、それに要する時間Ｔは、
Ｔ＝ｎ／ｆ・・・（２）
という式で表すことができる。つまり、所定時間をＴとすると、シフトレンズ２１がｎ回振動する間の動きベクトルの履歴を取得することができる。ステップＳ６５では、ステップＳ６３でメモリ１８に記憶した動きベクトルの履歴から、シフトレンズ２１に対する振動指示に対して、どのくらい位相が遅れて撮像結果に表れているかを計算することが可能である。ステップＳ６６ではレンズの振動動作を停止してメカ特性の同定動作を終了する。

次にステップＳ６２での動きベクトル検知の動作の詳細を、図７を用いて説明する。ステップＳ７１で撮像を行う。ステップＳ７２では撮像結果をメモリ１８に記憶しておく。このメモリ１８では少なくとも連続した２回分の撮像結果を記憶しておき、後述する動きベクトル算出に使用する。メモリ容量に応じて、古い撮像結果は破棄されることになる。ステップＳ７３では振れ検出部１７の出力からデジタルカメラ１に加わる振れを検出する。なお、ステップＳ６１にて行われる所定周波数での振動は、デジタルカメラ１自体を振動させるほど大きくない振動であり、振れ検出部１７によっては検出されないように設定されている。ここでステップＳ７１とステップＳ７３は同じタイミングで実行されることで、撮像時の振れを検出している。

ステップＳ７４ではメモリ１８に記憶した前回の撮像結果と今回の撮像結果を比較して、動きベクトルを算出する。図９では、前回の撮像結果９１ａと今回の撮像結果９１ｂを比較している。撮像結果９１ａと撮像結果９１ｂを重ね書きしたものが９１ｃである。前回撮像結果の被写体を破線で示している。被写体９２ａ／９２ｂに着目すると、矢印９３のように紙面下側に移動していることが分かる。これが動きベクトルに相当する。図９の例では被写体９２ａ／９２ｂにのみ着目しているが、画面全体を複数の領域に分割してそれぞれ動きベクトルを求めて平均化するなど、動きベクトルの算出手段は問わない。本実施例においては、シフトレンズ２１を動かしているので、その動きに対応して画面全体が移動した量の算出が行えればよい。

次にステップＳ７５では、ステップＳ７４で算出した動きベクトルに対して、ステップＳ７３で検出した振れを差し引くことで動きベクトルを補正する。この補正により、デジタルカメラ１の振れ成分を除去し、純粋にシフトレンズ２１を振動させた影響による動きベクトルを得ることができる。以上が動きベクトル検知の動作の詳細説明である。

以上が本発明の実施例における動作の説明である。本発明によれば、像振れ補正機能を有する、小型化した撮像装置において、メカ特性の変動を精度よく検出することが可能となる。また、姿勢検出の動作中に撮像装置に振れが生じた場合であっても、適切に影響を取り除くことができる。具体的には、振れ補正部のメカ特性の変動を周波数応答特性の変化として捉え、その周波数応答特性の変化に応じて制御特性（＝フィルタ特性）を変更することで、温度によるメカ特性の変動に対応することができる。

１１撮像部
１２振れ補正部
１３駆動回路
１４ＣＰＵ
１６動き検出回路
１７振れ検出部

Claims

装置に加わる振れを検出する振れ検出手段と、前記振れ検出手段の検出結果に基づいて、光軸に対して振れ補正レンズを保持するレンズ枠を垂直に駆動することで像振れを補正する振れ補正手段と、を有し、前記振れ補正手段は、一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記レンズ枠を支持する固定部材に他方の端が固定された弾性部材と、温度変化により減衰率が変化し且つ一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記固定部材に他方の端が固定された減衰部材と、を備えた撮像装置であって、
前記振れ補正手段を、前記検出結果に基づいた駆動とは独立して所定周波数で駆動する駆動手段と、前記振れ補正手段を介した被写体からの光束を受光する撮像手段と、前記撮像手段より撮像画像の動き情報を求める動き検出手段と、前記駆動手段によって前記振れ補正手段が前記所定周波数で駆動されている時に、前記動き検出手段により検出された動き情報に基づいて前記振れ補正手段のメカ特性を検出するメカ特性検出手段と、前記メカ特性検出手段の検出結果に基づいて手振れ周波数帯域での温度変化による前記振れ補正手段の周波数応答特性が変化しないように前記振れ補正手段の位相遅れを補正するフィルタ特性を変更する制御特性変更手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
前記動き検出手段は、前記動き情報から前記振れ検出手段の検出結果を差し引くことによって前記動き情報を補正し、
前記メカ特性検出手段は、前記補正された動き情報に基づいて前記振れ補正手段のメカ特性を検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記所定周波数は、前記振れ補正手段が補正可能な周波数帯域より高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
装置に加わる振れを検出する振れ検出手段と、前記振れ検出手段の検出結果に基づいて、光軸に対して振れ補正レンズを保持するレンズ枠を垂直に駆動することで像振れを補正する振れ補正手段と、を有し、前記振れ補正手段は、一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記レンズ枠を支持する固定部材に他方の端が固定された弾性部材と、温度変化により減衰率が変化し且つ一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記固定部材に他方の端が固定された減衰部材と、を備えた光学装置に用いられる像振れ補正装置であって、
前記振れ補正手段を、前記検出結果に基づいた駆動とは独立して所定周波数で駆動する駆動手段と、前記振れ補正手段を介した被写体からの光束を受光する撮像手段と、前記撮像手段より撮像画像の動き情報を求める動き検出手段と、前記駆動手段によって前記振れ補正手段が前記所定周波数で駆動されている時に、前記動き検出手段により検出された動き情報に基づいて前記振れ補正手段のメカ特性を検出するメカ特性検出手段と、前記メカ特性検出手段の検出結果に基づいて手振れ周波数帯域での温度変化による前記振れ補正手段の周波数応答特性が変化しないように前記振れ補正手段の位相遅れを補正するフィルタ特性を変更する制御特性変更手段と、を有することを特徴とする像振れ補正装置。
装置に加わる振れを検出する振れ検出手段と、前記振れ検出手段の検出結果に基づいて、光軸に対して振れ補正レンズを保持するレンズ枠を垂直に駆動することで像振れを補正する振れ補正手段と、前記振れ補正手段を、前記検出結果に基づいた駆動とは独立して所定周波数で駆動する駆動手段と、前記振れ補正手段を介した被写体からの光束を受光する撮像手段と、を有し、前記振れ補正手段は、一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記レンズ枠を支持する固定部材に他方の端が固定された弾性部材と、温度変化により減衰率が変化し且つ一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記固定部材に他方の端が固定された減衰部材と、を備えた撮像装置の制御方法であって、
前記撮像手段より撮像画像の動き情報を求める動き検出工程と、前記駆動手段によって前記振れ補正手段が前記所定周波数で駆動されている時に、前記動き検出工程により検出された動き情報に基づいて前記振れ補正手段のメカ特性を検出するメカ特性検出工程と、前記メカ特性検出工程の検出結果に基づいて手振れ周波数帯域での温度変化による前記振れ補正手段の周波数応答特性が変化しないように前記振れ補正手段の位相遅れを補正するフィルタ特性を変更する制御特性変更工程と、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
装置に加わる振れを検出する振れ検出手段と、前記振れ検出手段の検出結果に基づいて、光軸に対して振れ補正レンズを保持するレンズ枠を垂直に駆動することで像振れを補正する振れ補正手段と、を有し、前記振れ補正手段は、一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記レンズ枠を支持する固定部材に他方の端が固定された弾性部材と、温度変化により減衰率が変化し且つ一方の端が前記レンズ枠に固定され、前記固定部材に他方の端が固定された減衰部材と、を備えた光学装置に用いられる像振れ補正装置の制御方法であって、
前記振れ補正手段を、前記検出結果に基づいた駆動とは独立して所定周波数で駆動する駆動工程と、前記振れ補正手段を介した被写体からの光束を受光する撮像工程と、前記撮像工程より撮像画像の動き情報を求める動き検出工程と、前記駆動工程によって前記振れ補正手段が前記所定周波数で駆動されている時に、前記動き検出工程により検出された動き情報に基づいて前記振れ補正手段のメカ特性を検出するメカ特性検出工程と、前記メカ特性検出工程の検出結果に基づいて手振れ周波数帯域での温度変化による前記振れ補正手段の周波数応答特性が変化しないように前記振れ補正手段の位相遅れを補正するフィルタ特性を変更する制御特性変更工程と、を有することを特徴とする像振れ補正装置の制御方法。