JP6114076B2 - 撮影装置及び偏光フィルタの回転角度位置制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮影光学系の光路上で光軸を中心に回転する偏光フィルタを備えた撮影装置及びこの偏光フィルタの回転角度位置制御方法に関する。

この種の装置及び方法として、偏光フィルタを予備回転駆動（スキャニング）したときの被写体輝度信号に基づいて、偏光フィルタの回転角度位置を制御するものが知られている（特許文献１）。

ここで、被写体輝度信号には、偏光フィルタによる純粋な偏光効果だけでなく、被写体中の明るさの変化が外乱（ノイズ）として含まれる。とりわけ、被写体中に点滅部分（例えば、交通信号、車のウインカー、点滅ネオンなど）が含まれていると、この点滅部分が被写体輝度信号に及ぼす外乱の影響が著しく大きくなり、偏光フィルタの回転角度位置を精密に制御することができなくなってしまう。つまり、被写体の点滅による被写体輝度信号の変化が偏光フィルタの偏光効果によるものであると誤判定してしまうのである。

特開２００６−２０８７１４号公報

本発明は、以上の問題意識に基づいて完成されたものであり、被写体中に点滅部分が含まれている場合であっても、この点滅部分による外乱の影響を除去して、偏光フィルタの回転角度位置を精密に制御することができる撮影装置及び偏光フィルタの回転角度位置制御方法を得ることを目的とする。

本発明は、偏光フィルタを予備回転駆動したときの被写体輝度信号をそのまま利用して偏光フィルタの回転角度位置を制御するという従来の技術常識を見直して、偏光フィルタを所定の周期パターンで予備回転駆動（非等速回転もしくは等速回転またはこれらの組み合わせ）したときの被写体輝度信号を検出し、この被写体輝度信号のうち上記所定の周期パターンと異なる周期パターンの周波数成分を除去した回転制御用信号を生成し、この回転制御用信号に基づいて偏光フィルタの回転角度位置を制御する、という着眼に基づいて完成されたものである。

本発明の撮影装置は、撮像素子を備えた撮影光学系と、前記撮影光学系の光路上で光軸を中心に回転する偏光フィルタと、前記偏光フィルタを所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させる回転駆動部と、前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させたときに、前記偏光フィルタを透過して前記撮像素子で得られる被写体の輝度信号を検出する検出部と、前記検出部が検出した被写体輝度信号のうち、前記所定の非等速周期パターンと異なる周期パターンの周波数成分を除去した回転制御用信号を生成する生成部と、前記生成部が生成した回転制御用信号に基づいて、前記偏光フィルタの回転角度位置を制御する制御部と、を備え、前記回転駆動部は、前記所定の非等速周期パターンによる予備回転駆動において、前記偏光フィルタを第１の回転速度で第１の回転角度だけ回転させた後に、この第１の回転速度と異なる第２の回転速度で第２の回転角度だけ回転させる、ことを特徴としている。

より具体的に、前記生成部は、前記検出部が検出した被写体輝度信号のうち、前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動したときの偏光状態に対応する輝度信号と周期または位相が異なる周波数成分を除去した回転制御用信号を生成することが好ましい。

「偏光フィルタを所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させる」とは、偏光フィルタの異なる回転速度を連続的に切り替える態様のほか、この偏光フィルタの回転速度の切り替え時に所定の回転停止期間を設ける態様を含む概念で使用する。例えば前記回転駆動部は、前記所定の非等速周期パターンによる予備回転駆動において、前記偏光フィルタを第１の回転速度で９０°回転させた後に、この第１の回転速度を２倍にした第２の回転速度で９０°回転させることができる。この場合、第１の回転速度と第２の回転速度の切り替えは必ずしも連続的に行う必要はなく、第１の回転速度と第２の回転速度の切り替え時に所定の回転停止期間を設けてもよい。

本発明の偏光フィルタの回転角度位置制御方法は、撮像素子を備えた撮影光学系の光路上で光軸を中心に回転する偏光フィルタの回転角度位置制御方法において、前記偏光フィルタを所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させるステップと、前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させたときに、前記偏光フィルタを透過して前記撮像素子で得られる被写体の輝度信号を検出するステップと、検出した被写体輝度信号のうち、前記所定の非等速周期パターンと異なる周期パターンの周波数成分を除去した回転制御用信号を生成するステップと、生成した回転制御用信号に基づいて、前記偏光フィルタの回転角度位置を制御するステップと、を有し、前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させるステップでは、前記偏光フィルタを第１の回転速度で第１の回転角度だけ回転させた後に、この第１の回転速度と異なる第２の回転速度で第２の回転角度だけ回転させる、ことを特徴としている。

より具体的に、前記回転制御用信号を生成するステップでは、前記検出部が検出した被写体輝度信号のうち、前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動したときの偏光状態に対応する輝度信号と周期または位相が異なる周波数成分を除去した回転制御用信号を生成することが好ましい。

本発明によれば、被写体中に点滅部分が含まれている場合であっても、この点滅部分による外乱の影響を除去して、偏光フィルタの回転角度位置を精密に制御することができる撮影装置及び偏光フィルタの回転角度位置制御方法が得られる。

本発明によるデジタルカメラ（撮影装置）の構成を示すブロック図である。 被写体が偏光を発する場合において偏光フィルタを等速回転させたときの偏光フィルタの回転角度位置と被写体輝度信号との関係を示す理想的な図である。 被写体が偏光を発する場合において偏光フィルタを非等速回転させたときの偏光フィルタの回転角度位置と被写体輝度信号との関係を示す理想的な図である。 被写体中に偏光部分と点滅部分とが含まれている状態の撮影を説明する概念図である。 被写体中に偏光部分と点滅部分とが含まれている状態における偏光フィルタの回転角度位置と被写体輝度信号との関係を示す図２に対応する図である。 被写体中に偏光部分と点滅部分とが含まれている状態における偏光フィルタの回転角度位置と被写体輝度信号との関係を示す図３に対応する図である。 本発明による偏光フィルタの回転角度位置制御方法を示すフローチャートである。

図１は、本発明によるデジタルカメラ（撮影装置）１００のブロック図である。デジタルカメラ１００は、撮影光軸Ｚ上に位置させて、物体側から順に、固定レンズ１０１と、可動のフォーカシングレンズ１０２と、ＣＣＤ（撮像素子）１０３とからなる撮影光学系を備えている。固定レンズ１０１とフォーカシングレンズ１０２は、入射した被写体光束をＣＣＤ１０３の撮像面１０３ａに結像させる。フォーカシングレンズ１０２は、フォーカシングモータを含むフォーカシングレンズ駆動部１０２ａにより駆動されて、フォーカシング時に撮影光軸Ｚ方向に移動する。

デジタルカメラ１００は、ＣＣＤ１０３の前方の固定レンズ１０１とフォーカシングレンズ１０２の間に、偏光フィルタ１１０を備えている。偏光フィルタ１１０は、図示しない挿脱機構によって、撮影光軸Ｚ上（撮影光路内）に位置する挿入位置と、撮影光軸Ｚ（撮影光路）から脱した離脱位置との間で挿脱自在である。偏光フィルタ１１０を挿脱する挿脱機構は、例えば特開２００７−３９７０号公報に記載されているように周知である。

偏光フィルタ１１０は、その挿入位置において、偏光フィルタ駆動部（回転駆動部）１１１により駆動されて、撮影光軸Ｚ回りに回転自在である。図示していないが、偏光フィルタ駆動部１１１は、偏光フィルタ１１０を所定角度ずつステップ駆動するステッピングモータと、このステッピングモータを回転制御するモータドライバとを備えている。

偏光フィルタ１１０は、例えば自身の偏光方向（偏光格子の方向）に振動する光のみを透過させる機能を持つ直線偏光フィルタである。従って、偏光フィルタ１１０を撮影光軸Ｚ回りに回転させてその偏光方向（偏光格子の方向）を調整することで、ＣＣＤ１０３に入射する被写体光束の偏光状態を変化させて、被写体の反射を低減または除去することができる。

デジタルカメラ１００は、ＣＰＵ（回転駆動部、制御部）１０４と、Ａ／Ｄ変換器１０５と、信号処理回路１０６と、画像記録部１０７と、ＬＣＤモニタ１０８と、撮影操作部１０９とを備えている。ＣＰＵ１０４は、デジタルカメラ１００の全体の機能を制御する。Ａ／Ｄ変換器１０５は、ＣＣＤ１０３の撮像面１０３ａに結像した被写体像をアナログ信号からデジタル信号に変換して信号処理回路１０６に送る。信号処理回路１０６は、Ａ／Ｄ変換器１０５から送られたデジタル信号に所定の画像処理を施して画像信号とする。この画像信号は、ＣＰＵ１０４を介して、画像記録部１０７に記録され、ＬＣＤモニタ１０８に表示される。撮影操作部１０９は、例えば電源レバー、ズームスイッチ、シャッターボタン、モードダイヤルなどの撮影操作を行うものである。

本実施形態では、偏光フィルタ１１０の回転制御モードとして、偏光フィルタ１１０の偏光効果をデジタルカメラ１００が判定して自動的に回転制御するオートモードを備えている。このオートモードにおいてＣＰＵ（回転駆動部）１０４は、偏光フィルタ駆動部（回転駆動部）１１１を介して、偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動（スキャニング）させる。以下では、偏光フィルタ１１０を１８０°回転（１／２回転）させるために必要な時間を「周期」と定義する。

より具体的にＣＰＵ１０４は、図２に示すように、１８０°（１周期）回転させるのに時間ｔを要する（周期ｔ）偏光フィルタ１１０を３６０°回転（１回転）させる（要する時間は２ｔ）。つまりＣＰＵ１０４は偏光フィルタ１１０を等速回転させる。

あるいはＣＰＵ１０４は、図３に示すように、１８０°（１周期）回転させるのに時間ｔを要する（周期ｔ）偏光フィルタ１１０を９０°回転（１／４回転）させた後に（要する時間は１／２ｔ）、その回転速度を２倍にした１８０°（１周期）回転させるのに時間１／２ｔを要する（周期１／２ｔ）偏光フィルタ１１０を９０°回転（１／４回転）させる（要する時間は１／４ｔ）。つまりＣＰＵ１０４は偏光フィルタ１０４を非等速回転させる。なお、図３中では、偏光フィルタ１１０の回転速度を２倍にする前後で回転角のスケールが変化するため、偏光フィルタ１１０を周期ｔで回転させているときの回転角を括弧なしで示し、偏光フィルタ１１０を周期１／２ｔで回転させているときの回転角を括弧付きで示している。

さらにデジタルカメラ１００は、輝度信号検出部（検出部）１２０を備えている。この輝度信号検出部１２０は、信号処理回路１０６からＣＰＵ１０４に入力した画像信号の各画素を周波数成分として演算することで、偏光フィルタ１１０を透過してＣＣＤ１０３で得られる被写体の輝度信号を検出する。

輝度信号検出部１２０が検出する被写体輝度信号は、理想的には、図２、図３に示すように、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターン（偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動したときの理想的な偏光状態に対応する輝度信号の周期及び位相）と同期していることが好ましい。

ところが、図４に示すように、被写体中に偏光部分（人物が映ったショーウインドウ）
と点滅部分（交通信号）とが含まれていると、この点滅部分が被写体輝度信号に及ぼす外乱の影響が著しく大きくなってしまう。

すなわち、輝度信号検出部１２０が実際に検出する被写体輝度信号には、図５、図６に示すように、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと異なる周期パターンの周波数成分が外乱（ノイズ）として含まれることになる。図５、図６の例ではともに、偏光フィルタ１１０による偏光状態の理想曲線の周期ｔとは異なる周期１／４ｔで点滅を繰り返す「被写体点滅１」の周波数成分（一点鎖線）と、偏光フィルタ１１０による偏光状態の理想曲線と周期は同じだが異なる位相で点滅を繰り返す「被写体点滅２」の周波数成分（二点鎖線）とが外乱として含まれている。

このため、仮にＣＰＵ１０４が、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号をそのまま利用すると、被写体の点滅部分による被写体輝度信号の変化を偏光フィルタ１１０の偏光効果によるものであると誤判定する結果、偏光フィルタ１１０の回転角度位置を精密に制御することができなくなってしまう。

そこで本実施形態のデジタルカメラ１００は、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号のうち、偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動したときの理想的な偏光状態に対応する輝度信号（図５、図６の理想曲線）と周期または位相が異なる周波数成分を除去した回転制御用信号を生成する回転制御用信号生成部（生成部）１３０を備えている。つまり回転制御用信号生成部１３０は、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号のうち、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと異なる周期パターンの周波数成分を除去した回転制御用信号を生成する。この回転制御用信号生成部１３０は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）などのアルゴリズムを利用することにより、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号の周波数成分を解析して、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと同期する周波数成分だけを抽出する。

図５の例では、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号に「被写体点滅１」の周波数成分（一点鎖線）と「被写体点滅２」の周波数成分（二点鎖線）が含まれている。回転制御用信号生成部１３０は、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号のうち、偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動したときの理想的な偏光状態に対応する輝度信号（図５の理想曲線）と周期が異なる「被写体点滅１」の周波数成分（一点鎖線）を完全に除去することができる一方、位相は異なるが周期が一致している「被写体点滅２」の周波数成分（二点鎖線）は完全には除去することができない。それでも高速点滅を繰り返す「被写体点滅１」の周波数成分を除去することができるため、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンとある程度同期した回転制御用信号を生成することができる。

回転制御用信号生成部１３０は、図６の例では、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号のうち、回転速度を２倍にする前後を通じて、偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動したときの理想的な偏光状態に対応する輝度信号（図６の理想曲線）と周期が異なる「被写体点滅１」の周波数成分（一点鎖線）を完全に除去することができ、さらに回転速度を２倍にした後において、偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動したときの理想的な偏光状態に対応する輝度信号（図６の理想曲線）と周期が異なる「被写体点滅２」の周波数成分（二点鎖線）も完全に除去することができる。このように、「被写体点滅１」と「被写体点滅２」の周波数成分を完全に除去することで、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと完全に同期した、図３に示すような理想的な回転制御用信号を生成することができる。

およそ世の中に存在する点滅部分（例えば、交通信号、車のウインカー、点滅ネオンなど）は、その点滅速度に差こそあれ同一の周期で点滅を繰り返すものが多い。このため、図２、図５に示すように、偏光フィルタ１１０を等速回転させるときには、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと被写体中の点滅部分の周期パターンとが偶然一致してしまうことが有り得る。これに対し、図３、図６に示すように、偏光フィルタ１１０を非等速回転させるときには、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンに被写体中の点滅部分の周期パターンが追従して一致することは考えられないため、如何なる点滅部分を含む被写体を撮影する場合であっても、被写体中の点滅部分の周波数成分を完全に除去して、良好な撮影画像を得ることが可能になる。

ＣＰＵ（制御部）１０４は、回転制御用信号生成部１３０が生成した回転制御用信号に基づいて、偏光フィルタ１１０の回転角度位置を制御する。例えば、図２、図３中の被写体輝度信号が水面の輝度状態を示しており、水面からの反射を無くしたいときには、ＣＰＵ１０４は、偏光フィルタ１１０の回転角度位置を、その被写体輝度信号の出力が最も小さい１３５°まで回転させる。

続いて、図７のフローチャートを参照して、本発明による偏光フィルタ１１０の回転角度位置制御方法について説明する。

ＣＰＵ１０４は、偏光フィルタ駆動部１１１を介して、偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動（非等速回転もしくは等速回転またはこれらの組み合わせ）させる（ステップＳ１）。

輝度信号検出部１２０は、偏光フィルタ１１０を所定の周期パターンで予備回転駆動させたときに、偏光フィルタ１１０を透過してＣＣＤ１０３で得られる被写体の輝度信号を検出する（ステップＳ２）。

ＣＰＵ１０４は、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号の中に、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと異なる周期パターンで点滅する周波数成分が含まれているか否かを判定する（ステップＳ３）。

ＣＰＵ１０４は、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号の中に、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと異なる周期パターンで点滅する周波数成分が含まれていないと判定したときは（ステップＳ３：ＮＯ）、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号をそのまま回転制御用信号として使用することを決定し（ステップＳ４）、被写体輝度信号に基づいて偏光フィルタ１１０の回転角度位置を制御する（ステップＳ５）。

一方、ＣＰＵ１０４は、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号の中に、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと異なる周期パターンで点滅する周波数成分が含まれていると判定したときは（ステップＳ３：ＹＥＳ）、回転制御用信号生成部１３０に、輝度信号検出部１２０が検出した被写体輝度信号のうち、偏光フィルタ１１０を予備回転駆動する所定の周期パターンと異なる周期パターンで点滅する周波数成分を除去した回転制御用信号を生成させる（ステップＳ６）。そしてＣＰＵ１０４は、回転制御用信号生成部１３０が生成した回転制御用信号に基づいて、偏光フィルタ１１０の回転角度位置を制御する（ステップＳ７）。

以上の実施形態では、偏光フィルタ１１０を非等速回転させるときに、偏光フィルタ１１０を周期ｔで９０°回転させた後に、その回転速度を２倍にした周期１／２ｔで９０°回転させた場合を例示して説明した。しかし、偏光フィルタ１１０を非等速回転させる態様はこれに限定されず、例えば偏光フィルタ１１０の回転速度を３段階以上に亘って切り替える態様なども可能である。

以上の実施形態では、主として被写体中の点滅部分による外乱の影響を除去して良好な撮影画像を得る場合を例示して説明した。しかし本発明は手ぶれ補正等による外乱の影響を除去するために用いることも可能である。例えば一般的なＡＦのように画面内の所定エリアを信号取得エリアとして固定したときに、この信号取得エリアから光源被写体が手ぶれによって出たり入ったりして被写体輝度信号の外乱（ノイズ）が発生することがある。本実施形態によれば、このような手ぶれ起因の外乱の影響を除去して良好な撮影画像を得ることができる。

１００ デジタルカメラ（撮影装置）
１０１ 固定レンズ
１０２ フォーカシングレンズ
１０２ａ フォーカシングレンズ駆動手段
１０３ ＣＣＤ（撮像素子）
１０３ａ 撮像面
１０４ ＣＰＵ（回転駆動部、制御部）
１０５ Ａ／Ｄ変換器
１０６ 信号処理回路
１０７ 画像記録部
１０８ ＬＣＤモニタ
１０９ 撮影操作部
１１０ 偏光フィルタ
１１１ 偏光フィルタ駆動部（回転駆動部）
１２０ 輝度信号検出部（検出部）
１３０ 回転制御用信号生成部（生成部）

Claims (4)

1. 撮像素子を備えた撮影光学系と、
   前記撮影光学系の光路上で光軸を中心に回転する偏光フィルタと、
   前記偏光フィルタを所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させる回転駆動部と、
   前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させたときに、前記偏光フィルタを透過して前記撮像素子で得られる被写体の輝度信号を検出する検出部と、
   前記検出部が検出した被写体輝度信号のうち、前記所定の非等速周期パターンと異なる周期パターンの周波数成分を除去した回転制御用信号を生成する生成部と、
   前記生成部が生成した回転制御用信号に基づいて、前記偏光フィルタの回転角度位置を制御する制御部と、
   を備え、
   前記回転駆動部は、前記所定の非等速周期パターンによる予備回転駆動において、前記偏光フィルタを第１の回転速度で第１の回転角度だけ回転させた後に、この第１の回転速度と異なる第２の回転速度で第２の回転角度だけ回転させる、
   ことを特徴とする撮影装置。
2. 請求項１記載の撮影装置において、前記生成部は、前記検出部が検出した被写体輝度信号のうち、前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動したときの偏光状態に対応する輝度信号と周期または位相が異なる周波数成分を除去した回転制御用信号を生成する撮影装置。
3. 撮像素子を備えた撮影光学系の光路上で光軸を中心に回転する偏光フィルタの回転角度位置制御方法において、
   前記偏光フィルタを所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させるステップと、
   前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させたときに、前記偏光フィルタを透過して前記撮像素子で得られる被写体の輝度信号を検出するステップと、
   検出した被写体輝度信号のうち、前記所定の非等速周期パターンと異なる周期パターンの周波数成分を除去した回転制御用信号を生成するステップと、
   生成した回転制御用信号に基づいて、前記偏光フィルタの回転角度位置を制御するステップと、
   を有し、
   前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動させるステップでは、前記偏光フィルタを第１の回転速度で第１の回転角度だけ回転させた後に、この第１の回転速度と異なる第２の回転速度で第２の回転角度だけ回転させる、
   ことを特徴とする偏光フィルタの回転角度位置制御方法。
4. 請求項３記載の偏光フィルタの回転角度位置制御方法において、前記回転制御用信号を生成するステップでは、前記検出部が検出した被写体輝度信号のうち、前記偏光フィルタを前記所定の非等速周期パターンで予備回転駆動したときの偏光状態に対応する輝度信号と周期または位相が異なる周波数成分を除去した回転制御用信号を生成する偏光フィルタの回転角度位置制御方法。

Images