JP7309453B2

JP7309453B2 - 撮像装置及びその制御方法

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Publication number: JP7309453B2
Application number: JP2019098670A
Authority: JP
Inventors: 剛内藤; 晃一鷲巣
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: JP2020194048A

Description

本発明は像振れ補正が可能な撮像装置に関する。

デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、ユーザの手振れなどによる像振れを補正する像振れ補正手段を搭載したものがある。また、手振れに関しては、歩き撮りのように手振れの振幅が大きくなるシーンやそうでないシーンなどがあることが知られている。また、手振れの振幅が大きい場合には、撮像素子の露光時間が長い場合、露光時間内のブレ量が大きいため、解像感が低下し、得られる画像の品位が低下するという問題が知られている。

そうした課題に対して、露光時間に応じてブレ補正制御信号に対する補正ゲインを変更することにより得られる画像の品位劣化を防止する技術が特許文献１に記載されている。

特開２０１１－１３５５３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術は露光時間が長い場合に出力振幅を減衰させるため、ブレ補正をしきれずにブレが残ってしまう。

そこで、本発明は、撮像素子の露光時間に応じた良好な像振れ補正を行うことができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る撮像装置は、
光学的な像振れ補正を行う撮像装置であって、前記撮像装置の動き情報を検出する動き検出手段と、撮像素子と、前記撮像素子を用いた静止画撮影時の露光時間を決定する決定手段と、前記動き検出手段により検出された動き情報と前記決定手段により決定された露光時間とに基づいて、静止画撮影時の光学的な像振れ補正の補正量を算出する算出手段と、を有し、前記算出手段は、前記決定手段により決定された露光時間が所定の範囲内の露光時間であるとき、前記補正量を算出する際に用いる利得を、前記決定手段により決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間より短い露光時間であるとき、及び、前記決定手段により決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間よりも長いときよりも、相対的に大きい値にすることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子の露光時間に応じた像振れ補正を行うことができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置であるカメラ１１の構成を説明する図である。カメラ１１の利得制御部１７の利得と露光時間の関係を示す図である。動き検出部１５から像振れ補正部１４ａまでの位相差を示す図である。位相差と像振れ補正残りの関係を示す図である。カメラ１１の防振敏感度調整を説明する図である。カメラ１１の撮影に伴う動作のフローチャートを示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

図１は、発明の実施形態に係る撮像装置であるカメラ１１の構成を説明する図である。カメラ１１は、カメラボディ１１ａと、カメラボディ１１ａに着脱可能な交換レンズ１１ｂで構成されている。なお、カメラボディ１１ａとレンズが一体型のカメラであってもよい。

交換レンズ１１ｂは、焦点調節に用いるフォーカスレンズ、ズーム制御に用いられるズームレンズ、像振れ補正に用いられる補正レンズ、撮像素子に入射する光量の調整に用いられる絞りなどを含む撮像光学系１３を有している。撮像光学系１３は後述するカメラボディ１１ａが有するＣＰＵ１２からの指示にしたがってモータ等により各部を駆動させる。撮像光学系１３の光軸は光軸１０として示している。

カメラボディ１１ａは、ＣＰＵ１２、撮像素子１４、像振れ補正部１４ａ、動き検出部１５、信号処理部１６、利得制御部１７、操作部１８を有している。

ＣＰＵ１２は、カメラボディ１１ａ内の各部を制御するとともに、撮像光学系１３を制御するために交換レンズ１１ｂと通信を行う。また、ＣＰＵ１２は、撮像素子１４から出力される画像信号に基づく被写体の明るさ情報や後述する操作部１８を用いて設定された絞り情報や撮像感度情報に基づいて、静止画撮影時における撮像素子１４の露光時間を求める。あるいは、操作部１８を用いてシャッタスピードが選択された場合はそのシャッタスピードの値を露光時間とする。なお、露光時間の決定方法は特に限定されず、決定した露光時間とするためのシャッタ制御もメカシャッタを制御する方法や電子シャッタを制御する方法など特に限定されない。

撮像素子１４は、撮像光学系１３を通った被写体光束が入射し、入射した被写体光束に応じた画像信号を出力するＣＭＯＳやＣＣＤなどの撮像素子である。撮像素子１４から出力された画像信号は不図示の画像処理部で画像処理が施されたのち不図示の記録部に記録される。

像振れ補正部１４ａは、撮像素子１４を保持した可動部を、モータ等の駆動手段を用いて光軸１０と直交する方向にシフトさせたり光軸１０と平行な軸周りに回転させたりすることで像振れ補正を行う。可動部の駆動目標値（シフト量及び回転量を含む）は、後述する利得制御部１７から出力される。光軸１０と直交する方向の例は図１中の矢印１４ｂに示しているが、光軸１０及び矢印１４ｂで示す方向と直交する方向に可動部を移動させてもよい。

動き検出部１５は、ジャイロセンサなどの角速度センサを用いてカメラ１１の動きの角速度を検出し、検出した角速度に対応する角速度信号を信号処理部１６に出力する。

信号処理部１６は、動き検出部１５から出力される角速度信号を積分して角度信号に変換し、変換した角度信号に基づいて像振れを補正するための補正量である撮像素子１４の駆動目標値を算出する。信号処理部１６で算出した補正量は、後述する利得制御部１７を介して像振れ補正部１４ａに出力される。

利得制御部１７は、ＣＰＵ１２から露光時間情報が入力され、露光時間情報に基づいて信号処理部１６で得られた補正量に対する利得を変更する。

操作部１８は、カメラ１１の各種パラメータを選択及び決定するためのダイヤルやスイッチ、静止画撮影を指示するためのレリーズボタンなどを有する。

次に、図２を用いて利得制御部１７の利得制御について説明する。図２は、利得制御部１７の利得と露光時間の関係を示す図である。利得制御部１７の利得制御は、図２に示したように露光時間に応じて予め決定されており、図２に示す対応関係データは利得制御部１７のメモリに記憶されている。例えば、露光時間が１／６０秒の時には、信号処理部１６から出力される補正量を０．９倍するために、利得制御部１７は利得として０．９の値を設定する。

なお、利得制御部１７は、像振れ補正部１４ａの駆動利得（駆動目標値に対する利得）を変更するが、ローパスフィルタやハイパスフィルタなどのように像振れ補正部１４ａの駆動周波数特性を変更しない。

これは、利得制御部１７で周波数特性を変更する処理を行うと、信号処理部１６から出力される補正量の高周波数成分、あるいは低周波数成分の利得や位相特性が変化してしまい正確な像振れ補正が行えなくなるためである。

図２に示したように露光時間に応じた利得制御を行う理由を図３を用いて説明する。

図３は、動き検出部１５から出力される角速度信号に対する像振れ補正部１４ａの駆動波形の位相差３１（以下、位相差と称す）を示す図であり、横軸は周波数、縦軸は位相差である。

図３において周波数ω１より低周波においては動き検出部１５から出力される角速度信号よりも像振れ補正部１４ａの駆動波形の位相がθ１進んでいる。これは信号処理部１６の積分特性に依存しており、低周波ほど十分な積分が行えないためである。また、周波数ω２より高周波においては振動検出部１５から出力される角速度信号よりも像振れ補正部１４ａの駆動波形の位相がθ２遅れている。これは撮像素子１４の慣性質量により信号処理部１６から出力される補正量に対して像振れ補正部１４ａが十分追従できないためである。

上記のような位相進み、位相遅れの像振れ補正精度に対する影響を図４で説明する。図４は、位相差と像振れ補正残りの関係を示す図であり、横軸は時間、４１は像振れ補正部１４ａの補正量、４２は動き検出部１５が出力する角速度信号に対応するブレ量、４３は補正量４１とブレ量４２の差である補正残りを示す。

図４（ａ）は、図３のグラフの周波数ω１におけるブレ量、補正量、補正残りを示しており、前述したように位相がθ１進んでいるために補正残り４３は大きい。

図４（ｂ）は、図３のグラフの周波数ω０におけるブレ量、補正量、補正残りを示しており、位相のずれが少ないために補正残り４３は極めて小さい。

図４（ｃ）は、図３のグラフの周波数ω２におけるブレ量、補正量、補正残りを示しており、前述したように位相がθ２遅れているために補正残り４３は大きい。

このように、図３に示す手振れの帯域３２における低周波と高周波では高精度の像振れ補正は行えていない。

なお、図４に示した補正残りは、動き検出部１５の感度と像振れ補正部１４ａの駆動量が理想的な場合であり、実際には動き検出部１５の感度ばらつきや像振れ補正部１４ａの駆動不足なども生じるために像振れ補正の精度はさらに悪化する。

これら感度ばらつきや駆動不足を補うための調整（以下、敏感度調整とする）について図５を用いて説明する。

図５（ａ）は、防振敏感度調整の調整方法を説明する図であり、カメラ１１は加振台５１上に設置され、矢印５１ａの方向に周波数ω０で加振される。なお、ω０は図３および図４（ｂ）で説明したもっとも位相差の少ない周波数である。この調整方向では、カメラ１１は点光源５２を被写体としており、像振れ補正を行わないときは撮像素子１４からは加振による点像軌跡が図５（ｂ）のようになる画像信号が出力される。像振れ補正が開始されると、理想的には図５（ｃ）に示すように点像は１点に固定されるはずであるが敏感度調整が不十分な場合には図５（ｄ）に示すように補正残りが生じた画像信号となる。

敏感度調整はこの補正残りの量を測定し、それをゼロにするように動き検出部１５の感度および像振れ補正部１４ａの補正量を調整する。

このようにして感度調整が行われた後は手振れの周波数がω０の場合には高精度の像振れ補正が行えるが、手振れの周波数がω１及びω２近傍では位相差が生じるために十分な像振れ補正が行えていない。

波形間に位相差θがある時にそれらの差を最も小さくする利得Ｇは式（１）で示される。
Ｇ＝ｃｏｓθ ・・・（１）

そこで周波数ω１およびω２においては、式（１）に基づいて利得を変更することで補正精度を高めることができる。

次に露光時間と手振れの周波数の関係を説明する。

静止画撮影時の露光時間が長いときは低周波の手振れが支配的であり、露光時間が短いときは高周波の手振れが支配的になる。これは、低周波ほど手振れの振幅が大きいこと、露光時間が短いときは低周波の手振れによる像振れの影響が小さいことが理由である。以上のように、静止画撮影時の露光時間に応じて支配的な手振れの周波数成分が異なるため、露光時間に応じて補正残りの主な原因となる位相差θも変化する。そのため、静止画撮影時の露光時間に応じて信号処理部１６から出力される補正量に対する利得を変更することで、撮像素子の露光時間に応じた像振れ補正を行うことができる。

例えば、１／６０秒、１／３０秒など露光時間が短い場合は、各露光時間に対応する周波数（ω２近傍）における位相差と式（１）より利得を求め、１秒など露光時間が長い場合はそれに対応する周波数（ω１近傍）における位相差と式（１）より利得を求める。

なお、図２で示す露光時間と利得の関係では、図５において敏感度調整を行った周波数ω０の手振れが支配的となる所定の範囲の露光時間（例えば、１／１５秒～１／２秒）より短い露光時間および長い露光時間の利得をそれぞれ小さくしている。つまり、利得制御部１７は敏感度調整を行った際に使用する周波数の手振れが支配的となる露光時間を基準とした場合に、その露光時間と比較して、実際に設定した露光時間が長い場合や短い場合には像振れ補正部１４ａの駆動利得を小さくする。

なお、利得制御の基準となる露光時間を静止画撮影時に利用される頻度が高い１／６０秒にした場合、それより長い露光時間では利得を大きくすることになるが、露光時間に応じた利得の相対関係は変わらない。すなわち、静止画撮影時の露光時間が所定の範囲内の露光時間よりも長い場合、静止画撮影時の露光時間が所定の範囲内の露光時間である場合よりも利得を相対的に小さい値にする。また、静止画撮影時の露光時間が所定の範囲内の露光時間よりも短い場合、静止画撮影時の露光時間が所定の範囲内の露光時間である場合よりも利得を相対的に小さい値にする。

次に図６を用いてカメラ１１の利得変更動作を説明する。図６は、カメラ１１の撮影に伴う動作のフローチャートを示す図である。

このフローチャートは、例えば、操作部１８のレリーズボタンが半押しされたとＣＰＵ１２が判断すると実行される。

ステップＳ６０１では、ＣＰＵ１２が撮像素子１４から出力される画像信号または操作部１８を用いた撮影者の選択操作に基づいて静止画撮影時の露光時間を決定する。

ステップＳ６０２では、動き検出部１５がカメラ１１の動きの角速度を検出し、検出した角速度に対応する角速度信号を出力する。ステップＳ６０３では、信号処理部１６が動き検出部１５から出力される角速度信号を積分して角度信号に変換し、変換した角度信号に基づいて像振れを補正するための撮像素子１４の駆動目標値を算出して出力する。

ステップＳ６０４では、ＣＰＵ１２が操作部１８を用いた撮影者の静止画撮影開始操作（例えば、操作部１８のレリーズボタンの全押し操作）に応じて静止画撮影（露光）が開始されているか否かを判定する。静止画撮影が開始されていない場合はステップＳ６０５へ移行し、静止画撮影が開始されている場合はステップＳ６０７へ移行する。

ステップ６０５では、利得制御部１７が信号処理部１６から出力された駆動目標値に予め決められた基準利得をかけて出力する。基準利得は、例えば位相差が最も少ないω０の手振れが支配的となる露光時間に対応する利得とする。

ステップＳ６０６では、像振れ補正部１４ａが利得制御部１７から出力された駆動目標値に基づいて撮像素子１４を移動（シフト、回転を含む）させて像振れ補正を行う。

ステップＳ６０７では、利得制御部１７は、信号処理部１６から出力された駆動目標値にかける利得を、ステップＳ６０１で決定した露光時間に対応する利得に設定（変更）する。このとき、図２に示す対応関係データを用いて利得を設定する。なお、すでにステップＳ６０１で決定した露光時間に対応する利得に設定している場合は、本ステップを省略してもよい。

ステップＳ６０８では、利得制御部１７が信号処理部１６から出力された駆動目標値にステップＳ６０７で設定した利得をかけて出力する。

ステップＳ６０９では、像振れ補正部１４ａが利得制御部１７から出力された駆動目標値に基づいて撮像素子１４を移動させて像振れ補正を行う。

ステップＳ６１０では、ＣＰＵ１２が静止画撮影が終了した（決定した露光時間が終了した）か否かを判定し、静止画撮影が終了していなければステップＳ６０２へ移行し、静止画撮影が終了していればステップＳ６１１へ移行する。

ステップＳ６１１では、利得制御部１７は、信号処理部１６から出力された駆動目標値にかける利得を、基準利得に設定（変更）する。

以上がカメラ１１の撮影に伴う動作を示すフローチャートの説明であるが、本フローチャートでは本発明に関係しない動作は省略している。また、本フローチャートはカメラ１１の撮影に伴う動作のフローチャートの一例であって、各動作の順序は限定されない。

以上説明したように、静止画撮影時の露光時間に応じて像振れ補正部の駆動利得を変更することで、撮像素子の露光時間に応じた像振れ補正を行うことができる。

なお、以上で説明した各実施形態はあくまで一例であって、代表的な例に過ぎず、本発明の実施に際しては、各実施形態に対して種々の変形や変が可能である。例えば、上記の実施形態では、本発明を撮像素子を移動させて像振れ補正を行う構成に適用した例を説明したが、補正レンズやその他の補正部材などを移動させる光学的に像振れ補正を行う構成にも適用できる。そのような構成の場合、上記の実施形態においてカメラ１１が有する各部を交換レンズが有していてもよく、静止画撮影時の露光時間の情報はカメラ本体と通信して取得すればよい。その他、撮像素子と補正レンズの両方を用いて光学的に像振れ補正を行う構成でもよいし、交換レンズが有する動き検出部の検出結果をカメラ本体の動き情報とみなす構成やカメラ本体の動き検出部を交換レンズの動き情報とみなす構成でもよい。

また、上記の実施形態では、ＣＰＵと独立させて、動き検出部、信号処理部、利得制御部、像振れ補正部を記載しているが、ＣＰＵが動き検出部、信号処理部、利得制御部、像振れ補正部の少なくとも一部として機能する構成でもよい。また、上記の実施形態では、カメラの動き情報として角速度センサを用いて角速度を検出する構成を説明したが、カメラの動き情報として加速度センサを用いて加速度を検出する構成でもよい。あるいは、カメラの動き情報として撮像素子から出力される画像信号に基づいて動きベクトルを検出する構成でよい。

１２ＣＰＵ
１４撮像素子
１５動き検出部
１６信号処理部
１７利得制御部

Claims

光学的な像振れ補正を行う撮像装置であって、
前記撮像装置の動き情報を検出する動き検出手段と、
撮像素子と、
前記撮像素子を用いた静止画撮影時の露光時間を決定する決定手段と、
前記動き検出手段により検出された動き情報と前記決定手段により決定された露光時間とに基づいて、静止画撮影時の光学的な像振れ補正の補正量を算出する算出手段と、を有し、
前記算出手段は、前記決定手段により決定された露光時間が所定の範囲内の露光時間であるとき、前記補正量を算出する際に用いる利得を、前記決定手段により決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間より短い露光時間であるとき、及び、前記決定手段により決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間よりも長いときよりも、相対的に大きい値にすることを特徴とする撮像装置。
前記算出手段は、前記決定手段により決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間より長い第１の露光時間であるときよりも、前記決定手段により決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間より短い第２の露光時間であるときのほうが、前記利得を相対的に小さい値にすることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記算出手段は、前記決定手段により決定された露光時間が１／１５秒であるときよりも、前記決定手段により決定された露光時間が１／３０秒であるときのほうが、前記利得を相対的に小さい値にすることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
前記算出手段は、前記決定手段により決定された露光時間が１／２秒であるときよりも、前記決定手段により決定された露光時間が１秒であるときのほうが、前記利得を相対的に小さい値にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記動き検出手段は、前記撮像装置の角速度を検出し、
前記算出手段は、前記利得を前記動き検出手段により検出された動き情報に基づく補正量にかけることで前記補正量を算出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮像素子を移動させて光学的な像振れ補正を行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮像素子に入射する被写体光束を通す撮像光学系に含まれる補正レンズを移動させて光学的な像振れ補正を行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮像素子と前記撮像素子に入射する被写体光束を通す撮像光学系に含まれる補正レンズとを移動させて光学的な像振れ補正を行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の撮像装置。
光学的な像振れ補正を行う撮像装置の制御方法であって、
前記撮像装置の動き情報を検出する動き検出ステップと、
静止画撮影時の露光時間を決定する決定ステップと、
前記動き検出ステップで検出された動き情報と前記決定ステップで決定された露光時間とに基づいて、静止画撮影時の光学的な像振れ補正の補正量を算出する算出ステップと、を有し、
前記算出ステップは、前記決定ステップで決定された露光時間が所定の範囲内の露光時間であるとき、前記補正量を算出する際に用いる利得を、前記決定ステップで決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間より短い露光時間であるとき、及び、前記決定ステップで決定された露光時間が前記所定の範囲内の露光時間よりも長いときよりも相対的に大きい値にすることを特徴とする制御方法。