TWI412269B - 具備相機震動補償功能的相機 - Google Patents

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Description

具備相機震動補償功能的相機
本發明係關於相機震動補償裝置(防震裝置)，其提供於像是相機、雙筒望遠鏡等等的光學設備內。
傳統上，像是相機與雙筒望遠鏡這些光學裝置都提供相機震動補償功能。在相機震動補償裝置的傳統相機震動補償操作中(或模糊補償操作)，例如利用陀螺儀感測器獲取光學設備的相機震動(相機震動的方向與數量)。在數位相機的案例中，移動固態成像裝置(例如CCD)來抵消偵測到的相機震動。進一步，在鹵化銀相機(或底片相機)及雙筒望遠鏡內，補償光學系統(物體光學系統的一部分)會移動抵消偵測到的相機震動。藉此，可補償由手持震動等等造成的相機震動，以獲得滿意的影像。
使用相機拍攝物體時，物體的色溫及周圍溫度會因為天氣、位置、時間及季節而改變。另外所選的物體不同，從相機到物體的距離就不同。進一步，對於高速物體而言，攝影師可能需要拿著相機跟著物體移動，而其他物體則以相機固定在三腳架上來拍攝。因此，照相情況並不一定相同。
不過，傳統相機震動補償並不會將上述照相情況列入考量。換言之，在任何情況下，補償光學系統及CCD的動作都只根據陀螺儀感測器的輸出來控制。因此，無法達到根據照相情況的精準相機震動補償。
本發明之目的在於依照照相情況提供精準的相機震動補償。
根據本發明，提供具備相機震動補償功能的相機，其包含相機震動偵測器、照相模式選擇器、調整器及防震機構。
該相機震動偵測器偵測相機內感受到的震動量。該照相模式選擇器則用於選擇照相模式。該調整器依照該照相模式選擇器所選擇的照相模式，調整來自相機震動偵測器的輸出信號。該防震機構根據調整器所調整的輸出信號，補償需要抵消的相機震動。
該調整器可依照照相模式，從輸出信號中擷取預定的頻率成分。
該照相模式可由包含下列至少其中之一的一組資訊來區分：物體尺寸、至物體的距離、影像的倍率、影像平面內的移動量、快門速度、相機是否上下左右移動及是否使用三腳架。
當照相模式設定為天文照相模式，則該調整器可擷取輸出信號的高頻成分。當照相模式設定為鳥類照相模式，則該調整器可擷取關於輸出信號內高頻至大約第一中頻範圍的頻率成分。當照相模式設定為火車照相模式，則該調整器可擷取關於輸出信號內高頻至第二中頻範圍(低於第一頻率)的頻率成分。當照相模式設定為行人照相模式，則該調整器可擷取關於輸出信號內大約中頻至大約低頻的頻率成分。當照相模式設定為夜景照相模式，則該調整器可擷取關於輸出信號內大約低頻至低於該低頻的頻率之頻率成分。
該照相震動偵測器包含陀螺儀感測器。進一步，該調整器可包含複數個不同頻帶的帶通濾波器，及選擇性將陀螺儀感測器連接至該帶通濾波器其中之一的開關。
該高頻可為30 Hz、該第一中頻可為20 Hz、及該低頻可為10 Hz。
以下將參考圖式中顯示的具體實施例來說明本發明。
第一圖說明應用於本發明具體實施例的數位相機1內部。CPU 10為管理數位相機1的微處理器。電池90可分離安裝在數位相機1內。在電池90附近配置電池加熱器91，以免電池90的溫度下降。藉此，即使在低溫情況下照相，可利用啟用電池加熱器90來確保電池90的正常效能。在照相鏡頭26附近配置鏡頭加熱器27，以免照相鏡頭26附近的溫度下降。藉此，即使在低溫情況下照相，可利用啟用鏡頭加熱器27避免照相鏡頭26表面上產生凝結水。在CCD 20附近提供像是帕耳帖(peltier)裝置這類冷卻裝置28。溫度感應器92配置在數位相機1的上半部內。CPU 10根據感應器92偵測到的溫度來控制電池加熱器91和鏡頭加熱器27的啟動。進一步，在數位相機1的頂端上，提供可回縮至數位相機1外殼中的閃光燈93。
第二圖為數位相機1的方塊圖。電源開關SWMAIN的開啟與關閉狀態由數位相機1外殼上提供的電源按鈕(未顯示)操作來選擇。當電源開關SWMAIN開啟，電源就會從電池90供應至CPU 10。
當將外殼上的快門開關(未顯示)按下一半，測光開關SWS就會開啟。當測光開關SWS已開啟，CPU 10會執行測光操作及距離測量操作。換言之，依照來自測光設備11的輸入計算曝光值，如此可從上面計算的曝光值來計算出光圈值、快門速度及成像裝置20的充電累積時間，此為照相操作所需。進一步，根據來自距離測量裝置12的輸入並將控制信號輸出至聚焦鏡頭驅動器21，以計算出聚焦鏡頭(未顯示)的驅動量。藉此，將來自聚焦鏡頭驅動器21的驅動信號輸出至聚焦鏡頭。
完全按下快門時，快門開關SWR就會開啟。當快門開關SWR已開啟，則利用測光操作內獲得的光圈值，利用CPU 10計算出光圈驅動機構(未顯示)和快門(未顯示)的驅動量。根據計算結果將控制信號輸出至光圈驅動器22及快門驅動器23。驅動信號會從光圈驅動器22輸出至光圈驅動機構，如此驅動光圈驅動機構。當已驅動該光圈驅動機構，來自該機構的動力會傳遞至光圈機構(未顯示)，如此將光圈直徑設定為預定尺寸。進一步，來自快門驅動器23的驅動信號會輸出至快門，如此快門會開啟一段預定時間。由於上述操作，通過照相鏡頭26的光線會入射至該成像裝置20的成像表面上。
進一步，依照上述討論的電荷累積期間，控制信號會饋送至成像裝置驅動器24，然後來自成像裝置驅動器24的驅動信號則饋送至成像裝置20。在該成像裝置20內，物體的光學影像(形成於光線接收區內)會經過光電轉換，並從成像裝置20輸出當成類比影像信號。該類比影像信號利用A/D轉換器25轉換成數位影像信號，然後將數位影像信號輸出至CPU 10。
由於CPU 10的控制，所以該數位影像信號會受到預定的影像處理。影像處理期間，該影像資料會暫時儲存在DRAM 30內。會受到預定影像處理的影像資料可顯示在相機本體背面上提供的LCD 31上。
用於操作相機的程式安裝在EEPROM 32內。進一步，當來自物體的光線量不足，驅動信號會從CPU輸出至閃光電路33，如此閃光燈就會發出照明光線。
連接至X軸陀螺儀感測器輸出系統的X軸陀螺儀感測器40X會輸出與角速度成比例的電壓信號，該角速度係關於與相機光學軸垂直的平面內之X軸。該X軸陀螺儀感測器可透過開關50X連接至第一BPF(帶通濾波器)51X、第二BPF 52X、第三BPF 53X、第四BPF 54X或第五BPF 55X其中之一。
第三圖為指示由每個BPF所擷取的頻帶之圖式。該第一BPF 51X擷取大約30 Hz上的高頻成分(由曲線C1表示)。該第二BPF 52X擷取從大約30Hz的高頻到大約20 Hz的中頻範圍內之頻率成分(由曲線C2表示)。該第三BPF 53X擷取從大約30Hz的高頻到低於20 Hz的中頻範圍內之頻率成分(由曲線C3表示)。該第四BPF 54X擷取從大約20Hz的中頻到大約10 Hz的低頻範圍內之頻率成分(由曲線C4表示)。該第五BPF 55X擷取從大約10Hz的低頻範圍及更低頻率內之頻率成分(由曲線C5表示)。換言之，利用操作開關50X可選擇預定的頻帶(其中已經擷取來自X軸陀螺儀感測器40X的電壓信號之頻率成分)。
連接至Y軸陀螺儀感測器輸出系統的Y軸陀螺儀感測器40Y會輸出與角速度成比例的電壓信號，該角速度係關於與相機光學軸垂直的平面內X軸垂直之Y軸。該Y軸陀螺儀感測器可透過開關50Y連接至第一BPF(帶通濾波器)51Y、第二BPF 52Y、第三BPF 53Y、第四BPF 54Y或第五BPF 55Y其中之一。
該第一BPF 51Y擷取大約30 Hz的高頻成分，與該第一BPF 51X相同。該第二BPF 52Y擷取從大約30Hz的高頻到大約20 Hz的中頻範圍內之頻率成分，與該第二BPF 52X相同。該第三BPF 53Y擷取從大約30Hz的高頻到低於20 Hz的中頻範圍內之頻率成分，與該第三BPF 53X相同。該第四BPF 54Y擷取從大約20Hz的中頻到大約10 Hz的低頻範圍內之頻率成分，與該第四BPF 54X相同。該第五BPF 55Y擷取從大約10Hz的低頻範圍及更低頻率內之頻率成分，與該第五BPF 55X相同。換言之，利用操作開關50Y可選擇預定的頻帶(其中已經擷取來自Y軸陀螺儀感測器40Y的電壓信號之頻率成分)。
X軸陀螺儀感測器輸出系統的第一至第五BPF 51X、52X、53X、54X和55X的每一個及Y軸陀螺儀感測器輸出系統的第一至第五BPF 51Y、52Y、53Y、54Y和55Y的每一個都連接至相機震動補償處理器70。只包含從X軸陀螺儀感測器40X通過BPF的電壓信號所擷取的頻率成分之電壓信號，其由開關50X從第一BPF 51X到第五BPF 55X中選取，會供應至相機震動補償處理器70。類似地，只包含從Y軸陀螺儀感測器40Y通過BPF的電壓信號所擷取的頻率成分之電壓信號，其由開關50Y從第一BPF 51Y到第五BPF 55Y中選取，也會供應至相機震動補償處理器70。在該相機震動補償處理器70內，根據輸入電壓信號執行關於X軸和Y軸的角速度整合。結果，可計算出關於相機X軸和Y軸的角置換量或位置置換量資訊。藉此，計算出關於X軸和Y軸的震動量。
進一步，為了抵消計算的震動，在相機震動補償處理器70內也會計算成像裝置20的驅動資料。該驅動資料包含在與該照相鏡頭26光學軸垂直的平面內之驅動動作方向與量。所計算的驅動資料會輸出至防震機構80。該成像裝置20由該防震機構在與該照相鏡頭26光學軸垂直的平面內移動。
CPU 10根據溫度感應器92偵測到的溫度來控制電池加熱器91和鏡頭加熱器27的啟動。若在照相期間溫度感應器92所偵測的溫度低於預定臨界溫度，則會啟動電池加熱器21與鏡頭加熱器27。結果，電池90與照相鏡頭26周圍的溫度會維持在合適的溫度，如此保證電池90可以正常啟動並且避免照相鏡頭26的表面上產生凝結水。進一步，CPU 10根據成像裝置20的電荷累積期間來控制冷卻裝置28的操作。當成像裝置20的電荷累積期間相當長，則成像裝置20會由於連續供電而溫度上升，如此暗電流造成的雜訊會增加。因此，當電荷累積期間比預定臨界期間還長，CPU 10就會啟動冷卻裝置28，以抑制成像裝置20的溫度上升。
第四圖為本發明的影像擷取操作流程圖。在步驟S100內，檢查開關SWS的狀態以便決定數位相機外殼上提供的快門按鈕是否已經按下一半。當已經決定快門按鈕已經按下一半並且開關SWS已經開啟，處理會前往步驟S102。在步驟S102內，會執行測光操作與距離測量操作。
在步驟S104內，從CPU 10的記憶體中讀出由攝影師所選擇的照相模式。在本具體實施例內，照相模式可從五種模式中選擇，包含「天文照相模式」、「鳥類照相模式」、「火車照相模式」、「行人照相模式」及「夜景照相模式」。利用操作數位相機1外殼上提供的轉盤輪流選擇上面照相模式之一，並且關於所選模式的資訊會儲存在CPU 10的記憶體內。在步驟S106－S114內決定所選的照相模式。
當已經決定照相模式設定為「天文照相模式」，則處理會前往步驟S116。在此情況下，照相的物體為天體。因此，物體的尺寸小、與物體的距離遙遠、影像的倍率低並且影像平面內的模糊或移動小。進一步，在天文照相模式中，通常以相機固定在三腳架上的方式來擷取影像，並且使用長曝光時間，所以不會有劇烈的相機動作。因此，相機震動補償操作只補償高頻相機震動。藉此在步驟S116內，控制開關50X和開關50Y將X軸陀螺儀感測器40X連接至第一BPF 51X並且Y軸陀螺儀感測器40Y連接至第一BPF 51Y。因此，只會從X軸陀螺儀感測器40X及Y軸陀螺儀感測器40Y輸出信號中擷取電壓信號大約30 Hz的高頻成分，並饋送至該相機震動補償處理器70。
然後處理前往步驟S118。一般而言，適合天文照相的情況是在冬季的夜間。換言之，當選則「天文照相模式」當成照相模式，則假設數位相機1會在冬天的夜裡使用。藉此在步驟S118內，其標示為第一特定功能處理，電池加熱器91和鏡頭加熱器27都會自動開啟，而不管正常根據溫度感應器92偵測的溫度來啟動加熱器91和27的情況。進一步，一併驅動冷卻裝置28。由於啟動電池加熱器91，因此可避免因為低溫造成電池90不啟用的情況，並且由於啟動鏡頭加熱器27，因此可避免因為照相鏡頭26結露或結凍造成模糊的情況。進一步，利用驅動冷卻裝置28來控制長時間曝光導致成像裝置20溫度升高可避免由於暗電流造成之雜訊增加。請注意，冷卻裝置28啟動期間產生的熱量也可用於加熱電池90和照相鏡頭26，來取代電池加熱器91和鏡頭加熱器27。
進一步，在步驟S118內，執行影像相加處理來改善S/N比。平衡熱雜訊的預設操作並無法用相同方式執行於固定圖案雜訊，這是因為影像的熱雜訊隨機分布於影像內。因此，在物體的動作並不明顯顯示於影像內的情況下，利用重覆相加以特定間隔獲得的影像資料而獲得每個像素內的增強信號，則可相對減少影像資料的雜訊成分。
當在步驟S108內已經決定照相模式設定為「鳥類照相模式」，則處理會前往步驟S120。因為物體為一隻鳥，一般而言物體的尺寸小、與物體的距離遙遠、影像的倍率高並且影像平面內的模糊或移動大。進一步，當拍攝一隻鳥，通常不使用三腳架並且快門速度預設為高速。有時，相機會快速移動或上下左右移動來追蹤飛行中的物體。因此，相機震動補償操作只補償從高頻至中頻範圍內的相機震動。藉此在步驟S120內，控制開關50X和開關50Y將X軸陀螺儀感測器40X連接至第二BPF 52X並且Y軸陀螺儀感測器40Y連接至第二BPF 52Y。因此，只會從X軸陀螺儀感測器40X及Y軸陀螺儀感測器40Y輸出信號中擷取從大約30 Hz的高頻至大約20 Hz的中頻之電壓信號成分，並饋送至該相機震動補償處理器70。
然後處理前往步驟S112。基本上都在戶外拍攝鳥類，因此在步驟S122的第二特定功能處理中，會啟動電池加熱器91。藉此即使在冬天，利用啟動電池加熱器91可避免電池90因為低溫而不啟動。進一步，在影像倍率高的距離範圍內執行聚焦。換言之，照相鏡頭26的範圍受到限制並且執行變焦，藉此利用減少AF操作的聚焦範圍而加速聚焦操作。尤其是，AF操作受限，所以倍率設定為要拍攝的成像區域為鳥類尺寸面積(例如50 cm乘上75 cm)之量。
當在步驟S110內已經決定照相模式設定為「火車照相模式」，則處理會前往步驟S124。因為物體為一列火車，一般而言物體的尺寸大、與物體的距離遙遠、影像的倍率低並且影像平面內的模糊或移動小。進一步，通常在火車停止時拍攝火車。因此，通常使用三腳架並且快門速度預設為中速。進一步，相機很少移動。因此，相機震動補償操作只補償從高頻至中頻或稍微低於中頻範圍內的相機震動。藉此在步驟S124內，控制開關50X和開關50Y將X軸陀螺儀感測器40X連接至第三BPF 53X並且Y軸陀螺儀感測器40Y連接至第三BPF 53Y。因此，只會從X軸陀螺儀感測器40X及Y軸陀螺儀感測器40Y輸出信號中擷取從高頻(大約30 Hz)至中頻(低於20 Hz)範圍之電壓信號成分，並饋送至該相機震動補償處理器70。
然後處理前往步驟S126。基本上都在戶外拍攝火車，因此在步驟S126的第三特定功能處理中，會啟動電池加熱器91。藉此即使在冬天，利用啟動電池加熱器91可避免電池90因為低溫而不啟動。進一步，在影像倍率低的距離範圍內執行聚焦。尤其是，因為物體是一列火車，所以AF操作受限到其中倍率為用於擷取火車的正確尺寸範圍(例如5 m乘上7.5m)，這大於拍攝鳥類的尺寸。
當在步驟S112內已經決定照相模式設定為「行人照相模式」，則處理會前往步驟S128。因為物體為一個人，一般而言物體的尺寸大、與物體的距離近、影像的倍率低並且影像平面內的模糊或移動小。進一步，拍攝行人通常不使用三腳架並且快門速度預設為中速。進一步，在某些情況下相機會快速移動。因此，相機震動補償操作只補償從中頻至低頻範圍內的相機震動。藉此在步驟S128內，控制開關50X和開關50Y將X軸陀螺儀感測器40X連接至第四BPF 54X並且Y軸陀螺儀感測器40Y連接至第四BPF 54Y。因此，只會從X軸陀螺儀感測器40X及Y軸陀螺儀感測器40Y輸出信號中擷取從大約20 Hz的中頻至大約10 Hz的低頻範圍之電壓信號成分，並饋送至該相機震動補償處理器70。
然後處理前往步驟S130。在步驟S130的第四特定功能處理中，會設定日光同步模式。換言之，快門速度及光圈值都預設至適合日光同步操作的值，並且啟動閃光燈93在照相操作中閃光。
當在步驟S114內已經決定照相模式設定為「夜景照相模式」，則處理會前往步驟S132。因為物體夜景，一般而言物體的尺寸大、與物體的距離近、影像的倍率低並且影像平面內的模糊或移動小。進一步，拍攝夜景通常使用三腳架並且快門速度預設為低速。進一步，相機不移動。因此，相機震動補償操作只補償低頻相機震動。藉此在步驟S132內，控制開關50X和開關50Y將X軸陀螺儀感測器40X連接至第五BPF 55X並且Y軸陀螺儀感測器40Y連接至第五BPF 55Y。因此，只會從X軸陀螺儀感測器40X及Y軸陀螺儀感測器40Y輸出信號中擷取低於10 Hz頻率的電壓信號成分，並饋送至該相機震動補償處理器70。
然後處理前往步驟S134。在步驟S134的第五特定功能處理中，快門速度及光圈值都預設至適合夜景照相的值，並且啟動閃光燈93在照相操作中閃光。進一步，在此步驟內，會執行上述影像相加處理，以便改善S/N比。
如上述，會執行在步驟S118、S122、S126、S130和S134內的特定功能處理(啟動電池加熱器及鏡頭加熱器、同步照相操作等等)。請注意，使用者可根據使用者的習慣及照相情況來改變這些功能。例如：當在夏天拍攝時，可停止在天文照相模式中啟動電池加熱器91。
當已經於步驟S118、S122、S126、S130或S134內設定對應至照相模式其中之一的特定功能，處理會前往步驟S136。在步驟S136內，檢查快門開關SWR的狀態，以決定數位相機1外殼上提供的快門按鈕是否已經完全按下。當已經決定快門按鈕已經完全按下並且快門開關SWR已經開啟，處理會前往步驟S138。在步驟S138內，控制信號會從CPU 10輸出至成像裝置驅動器24，之後驅動信號從成像裝置驅動器24饋送至成像裝置20。結果，在成像裝置20內執行照相操作。當在步驟S136內決定快門按鈕未完全按下，處理會回到步驟S100並重複上述處理。
在相機震動補償操作中，在步驟S116、S120、S124、S128或S132內調整(或過濾)來自X軸陀螺儀感測器40X和Y軸陀螺儀感測器40Y的輸出，並且在步驟S118、S122、S126、S130或S134內設定特定功能。進一步，這些操作會重複。
請注意，在本具體實施例內，利用成像裝置20的動作來抵消相機震動，不過，相機震動補償的機構並不受限於此種。根據照相模式從陀螺儀感測器40X和40Y的電壓信號中擷取頻率成份的方法也可應用在驅動補償光學系統(由部分照相鏡頭26構成)來抵消相機震動的相機震動補償機構。
如上述，根據本發明，利用使用者所選擇的照相模式來決定要經過相機震動補償的相機震動頻率。因此，執行適合每種照相模式的相機震動補償。
雖然已藉由參考附圖來說明本發明，精通此技術的人士還是可在不悖離本發明領域的前提下進行許多修改與改變。
本揭露事項與日本專利申請案第2004－203173號(2004年7月9日申請)有關，該案揭露事項全部在此併入當成參考。
10．．．中央處理單元
20．．．成像裝置
26．．．照相鏡頭
27．．．鏡頭加熱器
28．．．冷卻裝置
40X．．．X軸陀螺儀感測器
40Y．．．Y軸陀螺儀感測器
50X．．．開關
50Y．．．開關
51X．．．第一BPF
51Y．．．第一BPF
52X．．．第二BPF
52Y．．．第二BPF
53X．．．第三BPF
53Y．．．第三BPF
54X．．．第四BPF
54Y．．．第四BPF
55X．．．第五BPF
55Y．．．第五BPF
90．．．電池
91．．．電池加熱器
從下面的說明並參考附圖，便可更加了解本發明的目的與優點，其中：第一圖說明應用於本發明具體實施例的數位相機內部；第二圖為數位相機的方塊圖；第三圖為指示由每個BPF所擷取的頻帶之圖式；及第四圖為本發明的影像擷取操作流程圖。
步驟．．．S100
步驟．．．S102
步驟．．．S104
步驟．．．S106
步驟．．．S108
步驟．．．S110
步驟．．．S112
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步驟．．．S120
步驟．．．S122
步驟．．．S124
步驟．．．S126
步驟．．．S128
步驟．．．S130
步驟．．．S132
步驟．．．S134
步驟．．．S136
步驟．．．S138

Claims (4)

  1. 一種具備相機震動補償功能的相機，包含：相機震動偵測器，其偵測該相機的震動量，並根據該震動量產生一輸出信號；照相模式選擇器，其用於選擇照相模式；調整器，其依照該照相模式選擇器所選擇的該照相模式，調整來自相機震動偵測器的該輸出信號；及防震機構，其根據該調整器所調整的輸出信號，補償要抵消的相機震動；其中該調整器根據該照相模式，從該輸出信號中擷取預定的頻率成分，該照相模式係利用一組包含至少一物體尺寸、至該物體的距離、一倍率、影像平面內移動量、快門速度、上下左右移動操作及使用三腳架之資訊來區分。
  2. 如申請專利範圍第1項之相機，其中當該照相模式設定為天文照相模式，該調整器擷取高頻範圍內該輸出信號的頻率成分；當該照相模式設定為鳥類照相模式，則該調整器從大約該高頻至大約該第一中頻範圍內擷取該輸出信號的頻率成分；當該照相模式設定為火車照相模式，則該調整器從大約該高頻至大約該第二中頻範圍內擷取該輸出信號的頻率成分，該第二中頻範圍低於該第一中頻範圍；當該照相模式設定為行人照相模式，則該調整器從大約該第一中頻至大約該低頻內擷取該輸出信 號的頻率成分；及當該照相模式設定為夜景照相模式，該調整器擷取該低頻範圍內該頻率的輸出信號的頻率成分。
  3. 如申請專利範圍第2項之相機，其中該相機震動偵測器包含陀螺儀感測器，並且該調整器包含複數個分別具有不同頻帶的帶通濾波器，及選擇性將該陀螺儀感測器連接至該帶通濾波器其中之一的開關。
  4. 如申請專利範圍第2項之相機，其中該高頻範圍大約是30 Hz、該第一中頻範圍大約是20 Hz、及該低頻範圍大約是10 Hz。
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