專利名稱：圖像穩(wěn)定設備和攝像設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種圖像穩(wěn)定設備和包括該圖像穩(wěn)定設備的攝像設備，其中，該圖像穩(wěn)定設備通過校正由于抖動所引起的圖像模糊來防止所拍攝圖像的劣化。
背景技術：
圖23是示出傳統(tǒng)照相機所包括的圖像穩(wěn)定設備的概要的圖。該照相機所發(fā)生的抖動具有作為包括縱搖運動、橫擺運動和側傾(rolling)運動的三自由度的轉動運動以及包括X軸方向上的運動、Y軸方向上的運動和Z軸方向上的運動的三自由度的平移運動的總共六自由度?，F(xiàn)今商品化了的圖像穩(wěn)定設備通常對由于包括縱搖運動和橫擺運動的兩自由度的轉動運動所引起的圖像模糊進行校正。角速度傳感器130監(jiān)視照相機的運動。作為該角速度傳感器，通常使用用于檢測由于轉動而產(chǎn)生的科氏力的壓電振動式角速度傳感器。角速度傳感器130包含三個檢測器，其中，這三個檢測器進行圖23中作為繞Z軸的轉動的縱搖運動的檢測、圖23中作為繞Y軸的轉動的橫擺運動的檢測和圖23中作為繞X軸(光軸)的轉動的側傾運動的檢測。當要校正由于抖動所引起的圖像模糊時，將角速度傳感器130的輸出發(fā)送至鏡頭CPU 106，并且計算圖像穩(wěn)定用的校正透鏡101的目標驅動位置。為了將校正透鏡101驅動至目標驅動位置，向電壓驅動器161X和161y發(fā)送指示信號，并且電壓驅動器161x和161y依照這些指示信號并對透鏡驅動器120x和120y進行驅動。校正透鏡101的位置由透鏡位置檢測器I IOx和I IOy進行監(jiān)視，并被反饋至鏡頭CPU 106。鏡頭CPU 106基于目標驅動位置和校正透鏡101的位置來進行校正透鏡101的位置控制。通過如此根據(jù)抖動來驅動校正透鏡，可以對由抖動所引起的圖像模糊進行校正。然而，在前述圖像穩(wěn)定設備中，僅角速度傳感器130進行由于抖動所引起的照相機的運動的檢測，因此可以監(jiān)視角度運動(轉動運動)，但無法監(jiān)視使光軸垂直地或水平地平行運動的運動(以下稱為平行運動)。因此，僅可以對包括縱搖運動和橫擺運動的兩自由度的運動進行圖像穩(wěn)定。這里，關于由平行運動所引起的圖像模糊，將說明通過使用焦距為IOOmm的微透鏡進行拍攝的情況作為例子。當通過使用該透鏡拍攝無限遠處的風景時，如果角速度傳感器輸出大致為O. 8deg/s，則根據(jù)該焦距，像面移動速度約為1.40mm/s( = 100XsinO. 8)。因此，由于在以曝光時間為1/15秒進行拍攝時的角度運動所引起的像面的運動寬度為93 μ m( = 1.40mm/15)。此外，如果除角度運動以外、整個照相機以I. Omm/s在垂直方向上平行移動，則由于在無限拍攝的情況下、拍攝倍率β大致為0，因此拍攝不受平行運動速度分量影響，并且不會發(fā)生由于平行運動所引起的圖像模糊。然而，在為了拍攝花等進行特寫拍攝時，拍攝倍率非常大，并且無法忽略平行運動的影響。例如，當拍攝倍率為等倍率(β = I)、并且垂直方向上的移動速度為lmm/s時，像面也以lmm/s的速度移動。在以曝光時間為1/15秒進行拍攝時的像面內(nèi)的運動寬度為67 μ m,并且無法忽略由于平行運動所引起的圖像模糊。
接著，將說明在物理學和工程學的領域內(nèi)表示物體在空間內(nèi)的運動的一般方法(模型和數(shù)學表達式)。這里，為了便于說明，關于表示物體在平面上的運動的模型，將說明普通物體。在這種情況下，如果定義了物體的三個自由度，則可以唯一定義該物體的運動和位置。第一個模型是表示平行運動和轉動運動的模型(參見圖24A和24B)。在將橫軸設置為X軸并且將縱軸設置為Y軸的平面內(nèi)的固定坐標系O-XY中，如圖24A所示,如果指定了 X軸方向上的位置X (t)、Y軸方向上的位置Y (t)和物體自身的轉動角度Θ⑴的三自由度，則可以確定該物體的位置。如圖24B所示，可以由設置在物體上的基準點(主點O2)的X軸方向平移速度Vx (t)和Y軸方向平移速度Vy (t)以及繞該物體上的基準點的轉動角速度6的這三個分量來表示該物體的運動(速度矢量)。該模型最為常見。第二個模型是表示瞬時轉動中心和轉動半徑的模型(參見圖25)。在XY平面內(nèi)的固定坐標系O-XY中，假定在特定時刻、物體正在圍繞被設置為瞬時轉動中心的特定點f (t)=(X(t)，Y(t))以轉動半徑R(t)、轉動速度轉動。如此，可以由瞬時轉動中心的軌跡f(t)和該時刻的轉動速度來表示該平面內(nèi)的運動。在力學中的連桿機構的分析中經(jīng)常使用該模型。近年來，日本特開平07-225405和日本特開2004-295027提出了配備有對平行運動進行校正的功能的照相機。在日本特開平07-225405中，可以說基于三個加速度計和三個角速度傳感器的測量值，利用平移運動和轉動運動來表示照相機在三維空間內(nèi)的運動。此外，在日本特開2004-295027中，在照相機的包括角度運動和平行運動的運動中，如該專利文獻的圖2所示，計算轉動中心相對于焦平面的距離η。在日本特開2004-295027的數(shù)學表達式I中，在前半部分中計算將焦平面設置為轉動中心時發(fā)生的角度運動量，并且在后半部分中計算由于平移運動而發(fā)生的平行運動量。后半部分的平行運動量是利用相對于焦平面遠離了距離η的位置的轉動進行替換來考慮的校正項。作為表示空間內(nèi)的運動的模型，日本特開2004-295027的圖3中的用于獲得轉動中心的位置η的方法使用力學中頻繁使用的瞬時中心的概念。這就是可以通過連續(xù)的轉動運動來表示空間內(nèi)的運動的理念，也就是說，空間內(nèi)的運動在某一瞬時是以特定點作為中心的特定半徑的轉動運動，并且在下一瞬時是以下一特定點作為中心的特定半徑的轉動運動。因此，在日本特開2004-295027中，可以說將由于抖動所引起的照相機的運動建模為具有瞬時中心的連續(xù)轉動運動。然而，日本特開平07-225405所述的方法存在如下問題用于獲得像面內(nèi)的模糊量的計算量極大，并且計算算法非常復雜。此外，并未提及針對光軸方向模糊(失焦)的校正計算。此外，可以說在日本特開2004-295027中，如上所述將照相機的運動建模為具有瞬時轉動中心的連續(xù)轉動運動，并且模型和數(shù)學表達式的問題是如日本特開2004-295027的第
段自身所述，在Fl F2(施加至兩個加速度計的力)的情況下，轉動中心位置η為①，并且無法進行計算。此外，轉動中心位置η為的事實表示不存在由于在縱搖方向或橫擺方向的角度而產(chǎn)生的運動，并且角速度傳感器無法檢測到該運動?？梢酝ㄟ^使用兩個加速度傳感器的輸出來計算校正量，但精度低并且計算量極大。此外，利用這種情況下的數(shù)學表達式，無法對光軸方向上的運動進行校正計算。此外，隨著拍攝光學系統(tǒng)的主點位置的變化，從加速度傳感器(加速度計)輸出后面將說明的校正誤差分量，但日本特開平07-225405和日本特開2004-295027均無相應的技術公開。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到前述問題而作出本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于提供如下一種圖像穩(wěn)定設備和攝像設備在角度運動和平行運動共存的所有狀態(tài)下，該圖像穩(wěn)定設備和該攝像設備都使得能夠在不發(fā)生控制失敗的情況下進行精確的圖像穩(wěn)定，減少計算量，并且可以使伴隨著拍攝光學系統(tǒng)的主點位置的變化的誤差量最小。為了實現(xiàn)前述目的，根據(jù)本發(fā)明實施例的一種圖像穩(wěn)定設備采用具有如下特征的結構，其中，所述圖像穩(wěn)定設備包括拍攝光學系統(tǒng)，用于拍攝被攝體，其中，在所述拍攝光學系統(tǒng)的光軸方向上，所述拍攝光學系統(tǒng)的主點從第一主點位置向第二主點位置移動；以及加速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定設備的加速度并輸出該加速度，并且在所述拍攝光學系統(tǒng)的光軸方向上配置在所述第一主點位置和所述第二主點位置之間。通過以下說明和附圖，本發(fā)明的其它目的和特征將變得明顯。


圖I是示出作為根據(jù)本發(fā)明的實施例I的攝像設備的主要部分的框圖。圖2是實施例I中的投影至XY平面的照相機狀態(tài)的簡化圖。圖3是示出實施例I中的主點位置和加速度計的位置的圖。圖4A和4B是示出在圖3的狀態(tài)下的加速度計輸出的誤差比率函數(shù)的圖。圖5是示出無限位置處的加速度計輸出的誤差比率函數(shù)的圖。圖6是示出在圖3的狀態(tài)下的加速度計輸出的誤差比率變得最小的位置的圖。包括圖7A和7B的圖7是示出實施例I的操作的流程圖。圖8A是示出固定至照相機上的坐標系的圖。圖8B是示出照相機的俯視圖。圖8C是示出照相機的正視圖。圖8D是示出照相機的側視圖。圖9是在三維空間內(nèi)僅表不照相機的光學系統(tǒng)的圖。圖IOA和IOB是示出主點A的極坐標系和正交坐標系的圖。圖11是投影至X9Y9平面和Z9X9平面時的坐標映射。圖12是示出投影至X9Y9平面的照相機狀態(tài)的圖。圖13是示出投影至Z9X9平面的照相機狀態(tài)的圖。圖14是初始時刻t = O時的照相機初始狀態(tài)的圖。圖15是O-XYZ坐標系中的照相機初始狀態(tài)的圖。圖16是極坐標系的基本說明圖。圖17是示出投影至二維XY坐標系的照相機狀態(tài)的圖。圖18是示出投影至二維ZX坐標系的照相機狀態(tài)的圖。圖19A和19B是示出根據(jù)實施例2的加速度計輸出的誤差比率函數(shù)等的圖。圖20是示出根據(jù)實施例2的誤差比率變得最小的位置的圖。
圖21是示出根據(jù)實施例2的變形例的誤差比率變得最小的位置的圖。包括圖22A和22B的圖22是示出實施例3的操作的流程圖。圖23是示出傳統(tǒng)例子的照相機的圖像穩(wěn)定設備的圖。圖24A和24B是示出一般的二維坐標系中的物體位置和物體速度的定義的圖。圖25是示出瞬時轉動中心的一般軌跡的定義的圖。
具體實施例方式用于執(zhí)行本發(fā)明的模式如以下的實施例I 3所示。實施例I在以下實施例中，由“自轉公轉運動表達式”來表示人手把持的照相機的抖動運動和作為照相機的抖動運動的結果在像面上發(fā)生的圖像運動，其中，在該“自轉公轉運動表達式”中，將由自轉運動和公轉運動所表示的運動模型與幾何光學表達式相結合。本實施例是如下的圖像穩(wěn)定設備，其中，該圖像穩(wěn)定設備根據(jù)加速度計和角速度傳感器的測量值以及自轉公轉運動表達式來計算照相機運動，并且還計算圖像運動。通過基于該圖像運動的計算值對拍攝鏡頭的一部分或全部或者攝像裝置的一部分或全部進行驅動控制，對圖像模糊進行校正?？蛇x地，本發(fā)明提供如下的圖像穩(wěn)定設備，其中，該圖像穩(wěn)定設備基于根據(jù)自轉公轉運動表達式所獲得的圖像運動的計算值，通過對所拍攝圖像進行圖像處理來對圖像模糊進行校正。圖I是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例I的包括圖像穩(wěn)定設備的攝像設備(照相機系統(tǒng))的主要部分的框圖。對進行與現(xiàn)有技術相同的功能的部分分配相同的附圖標記和字符，并且將適當省略冗余的說明。根據(jù)實施例I的圖像穩(wěn)定設備設置在相對于照相機本體201可安裝且可拆卸的鏡筒102內(nèi)，并且針對縱搖(繞Z2軸的轉動)、橫擺(繞Y2軸的轉動)、Y2軸方向、Z2軸方向和父2軸(光軸)方向這五個自由度方向進行模糊校正。然而，在圖I及以下說明中，示出了縱搖轉動和Y2軸方向上的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)以及X2軸(光軸)方向上的光軸方向圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，并且橫擺轉動和Z2軸方向上的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)與縱搖轉動和￥2軸方向上的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)相同。角速度傳感器130是如下的角速度檢測器，其中，該角速度檢測器相對于鏡筒102被浮動地支撐并且檢測照相機本體201 (鏡筒102)所發(fā)生的運動的角速度。根據(jù)實施例I的角速度傳感器130是用于檢測由于轉動而產(chǎn)生的科氏力的壓電振動式角速度傳感器。角速度傳感器130是內(nèi)部具有針對縱搖、橫擺和側傾的三軸轉動的靈敏度軸的角速度傳感器。浮動地支撐角速度傳感器130的原因是盡可能消除伴隨著照相機的機構操作的機械振動的影響。角速度傳感器130將與檢測到的角速度相對應的角速度信號輸出至濾波器160co加速度計121是用于檢測照相機本體201 (鏡筒102)所發(fā)生的運動的加速度的加速度檢測器。根據(jù)實施例I的加速度計121是具有相對于X軸、Y軸和Z軸這三個方向的三個靈敏度軸的三軸加速度計，并且由鏡筒102浮動地支撐。由于與角速度傳感器130的情況相同的原因而浮動地支撐加速度計121。此外，在本實施例中，加速度計121是三軸加速度傳感器(使用鉛錘體的加速度傳感器)，并且兩個軸的頻率特性同樣高，但其余一個軸的特性低。因此，為了檢測在與光軸正交的Y2軸方向和Z2軸方向上的加速度，使用靈敏度高的兩個軸，并且使特性低的一個軸與X2軸(光軸方向)對準。這是為了精確地檢測對圖像模糊校正的影響大的Y2軸方向和Z2軸方向上的加速度。加速度計121的輸出在通過諸如濾波器160a等的低通濾波器(LPF)之后經(jīng)過A/D轉換，并被輸入至鏡頭CPU 106內(nèi)的IS(圖像穩(wěn)定)透鏡校正計算器107。加速度計121可以安裝至在變焦等期間在光軸方向上移動的可移動鏡框、保持其它光學系統(tǒng)的框或者光學系統(tǒng)內(nèi)的諸如光圈等的單元，但在這種情況下，需要使得能夠檢測加速度計121相對于變焦后的主點位置的位置。此外，角速度傳感器130是如上所述的振動陀螺儀型，并且以26KHz振動。因此，如果將這些傳感器安裝在同一基板上，則加速度計121有可能拾取到振動噪聲，因此將加速度計121和角速度傳感器130安裝在獨立基板上。圖像穩(wěn)定透鏡驅動器120是如下的驅動器(致動器)，其中，該驅動器生成在與光軸I垂直的平面內(nèi)(Y2Z2平面內(nèi))驅動圖像模糊校正用的校正透鏡101所使用的驅動力。在利用電壓驅動器161所輸出的驅動電流使未示出的線圈進入通電狀態(tài)時，圖像穩(wěn)定透鏡驅動器120生成Y2軸方向上的驅動力并驅動校正透鏡101。透鏡位置檢測器110是用于檢測校正透鏡101在與光軸I正交的平面內(nèi)的位置的光學位置檢測器。透鏡位置檢測器110監(jiān)視校正透鏡101的當前位置，并將與校正透鏡101的當前位置有關的信息經(jīng)由A/D轉換器反饋至圖像穩(wěn)定控制器108。鏡頭CPU 106是用于進行鏡筒102側的各種控制的中央處理器。鏡頭CPU 106基于焦距檢測器163所輸出的脈沖信號計算焦距，并基于被攝體距離檢測器164所輸出的脈沖信號計算被攝體距離。此外，在鏡頭CPU 106中，設置有圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107、圖像穩(wěn)定控制器108和自動調(diào)焦透鏡控制器401。鏡頭CPU 106可以經(jīng)由設置在鏡筒102和照相機本體201之間的鏡頭接點190與本體CPU 109進行通信。與釋放開關191的半按下接通(ON)同步地從本體CPU 109發(fā)送圖像模糊校正開始命令，并且與半按下斷開(OFF)同步地將圖像模糊校正停止命令發(fā)送至CPU 106。此外，鏡頭CPU 106監(jiān)視設置在鏡筒102內(nèi)的模糊校正開關(SW) 103的狀態(tài)。如果模糊校正開關103接通，則鏡頭CPU 106進行圖像模糊校正控制，并且如果模糊校正開關103斷開，則鏡頭CPU 106忽略來自本體CPU 109的圖像模糊校正開始命令并且不進行模糊校正。圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107是用于將濾波器160a和160c的輸出信號轉換成將鏡筒102驅動至目標位置所使用的目標速度信息的部分。圖像穩(wěn)定控制器108、濾波器160a和160c、EEPROM 162、焦距檢測器163以及被攝體距離檢測器164連接至圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107。自動調(diào)焦透鏡控制器401具有光軸方向運動速度計算器402，其中，光軸方向運動速度計算器402通過使用來自圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107的加速度計輸出值來進行為了執(zhí)行光軸方向運動校正的計算，并且自動調(diào)焦透鏡控制器401將該計算結果輸出至自動調(diào)焦透鏡電壓驅動器172。自動調(diào)焦透鏡140可以由使用超聲波馬達或步進馬達作為驅動源的自動調(diào)焦透鏡驅動器141在光軸方向上進行驅動。自動調(diào)焦透鏡電壓驅動器172生成對自動調(diào)焦透鏡驅動器141進行驅動控制用的電壓。
圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107通過利用A/D轉換對從角速度傳感器130和加速度計121經(jīng)由濾波器160a和160c輸出的輸出信號(模擬信號)進行量化來取入這些信號?；趶慕咕鄼z測器163獲得的焦距信息、從被攝體距離檢測器164獲得的被攝體距離信息和寫入EEPROM 162的鏡頭特有信息，圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107將這些信號轉換成校正透鏡101的目標驅動速度。后面將詳細說明圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107所進行的向目標驅動位置的轉換方法(計算方法)。將作為圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107計算出的目標驅動速度的信息的目標速度信號輸出至圖像穩(wěn)定控制器108。圖像穩(wěn)定控制器108是如下的部分，其中，該部分經(jīng)由電壓驅動器161控制圖像穩(wěn)定透鏡驅動器120，并進行跟蹤控制以使得根據(jù)目標驅動速度的信息來驅動校正透鏡101。圖像穩(wěn)定控制器108將透鏡位置檢測器110所輸出的位置檢測信號(模擬信號)轉換成數(shù)字信號并取入該數(shù)字信號。圖像穩(wěn)定控制器108的一個輸入部用于作為圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107的輸出的、轉換成校正透鏡101的目標驅動速度的目標速度信號，并且圖像穩(wěn)定控制器108的另一輸入部用于透鏡位置檢測器110所獲得的校正透鏡101的位置信息。作為圖像穩(wěn)定控制器108中的控制，通過使用校正透鏡101的目標驅動速度和實際速度信息之間的偏差來進行速度控制。圖像穩(wěn)定控制器108基于目標驅動速度和校正透鏡101的速度信息等計算驅動信號，并將該數(shù)字驅動信號輸出至電壓驅動器161。可選地，作為圖像穩(wěn)定控制器108中的控制，可以使用已知的PID控制。通過使用目標位置信息和校正透鏡101的透鏡位置信息之間的偏差來進行PID控制。圖像穩(wěn)定控制器108基于目標位置信息和校正透鏡101的位置信息等計算驅動信號。并將該數(shù)字驅動信號輸出至電壓驅動器161。濾波器160a和160c是如下的濾波器，其中，這些濾波器從角速度傳感器130和加速度計121的輸出信號去除預定頻率成分，并且截除包括在高頻波段中的噪聲成分和DC成分。濾波器160a和160c對預定頻率成分被去除之后的角速度信號進行A/D轉換，之后將這些角速度信號輸出至圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107。電壓驅動器161是根據(jù)所輸入的驅動信號(驅動電壓)向圖像穩(wěn)定透鏡驅動器120供給電力的驅動器。電壓驅動器161對該驅動信號進行切換，向圖像穩(wěn)定透鏡驅動器120施加電壓以驅動圖像穩(wěn)定透鏡驅動器120。EEPROM 162是如下的非易失性存儲器，其中，該非易失性存儲器存儲作為與鏡筒102有關的各種特有信息的鏡頭數(shù)據(jù)、以及用于將被攝體距離檢測器164所輸出的脈沖信號轉換成物理量的系數(shù)。焦距檢測器163是用于檢測焦距的變焦編碼器。焦距檢測器163將與焦距值相對應的脈沖信號輸出至圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107。被攝體距離檢測器164是用于檢測到被攝體的距離的調(diào)焦編碼器。被攝體距離檢測器164檢測拍攝光學系統(tǒng)105 (自動調(diào)焦透鏡140)的位置，并將與該位置相對應的脈沖信號輸出至圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107。根據(jù)焦距檢測器163和被攝體距離檢測器164的檢測結果，如后面所述來計算拍攝光學系統(tǒng)105的主點A的位置。可選地，讀取存儲在EEPROM 162中的拍攝光學系統(tǒng)105的主點A的位置信息，并進行后面將說明的控制。本體CPU 109是用于進行整體照相機系統(tǒng)的各種控制的中央處理器。本體CPU109基于釋放開關191的接通操作將模糊校正開始命令發(fā)送至鏡頭CPU 106。可選地，本體CPU 109基于釋放開關191的斷開操作將模糊校正停止命令輸出至鏡頭CPU106?？蛇x地，進行除以上處理以外的各種處理。將與釋放開關191有關的信息輸入至本體CPU 109，并且釋放開關191可以檢測未示出的釋放按鈕的半按下或全按下操作。釋放開關191是如下的開關，其中，該開關檢測未示出的釋放按鈕的半按下操作并開始一系列的拍攝準備操作，檢測該釋放按鈕的全按下操作并且開始拍攝操作。接著，將詳細說明圖像穩(wěn)定透鏡校正計算器107的內(nèi)部。自轉角速度計算器301基于角速度傳感器輸出值來計算自轉角速度^^。角速度傳感器輸出值和自轉角速度通常成線性關系，因此可以通過將角速度傳感器輸出值乘以系數(shù)來獲得自轉角速度。高通濾波器303是用于使模糊校正所需的頻率成分通過的濾波器。公轉角速度計算器304可以通過將作為來自高通濾波器303的輸入值的公轉加速度分量jraxy 除以被攝體側焦距raxy來獲得公轉角加速度。此外，通過對該公轉角加速度進行時間積分來獲得控制所需的公轉角速度。自轉公轉差圖像穩(wěn)定量計算器305通過將所讀取的攝像倍率β、實際焦距值f、以及實時計算出的自轉角速度和公轉角速度代入以下的后面將說明的表達式(15)，計算攝像裝置203的攝像面的Y2方向上的圖像運動速度。V dcxy(02 -X2^) ~ _O" +Qcaxy_Oaxy 6 ^(15)
VJ所獲得的圖像運動速度成為目標驅動速度?？梢愿鶕?jù)后面將說明的表達式(16)同樣獲得攝像面的Z2方向上的圖像運動速度，但這里將省略該說明。理論公式選擇器306根據(jù)公轉角速度相對于自轉角速度的比率，選擇使用自轉角速度和公轉角速度之間的差的自轉公轉差運動校正的公式或者僅使用自轉角速度的自轉運動校正的公式作為校正計算所使用的公式。自轉公轉模糊公式〈表達式(15) >的含義和使用方法在實施例I中，通過自轉公轉運動公式來表示照相機抖動(縱搖角度運動和Y2方向上的平行運動)在XY平面內(nèi)的分量，并且通過作為自轉公轉運動公式的近似表達式的表達式(15)來獲得攝像面內(nèi)的Y2方向圖像運動(攝像面垂直方向圖像運動)速度。在本發(fā)明的說明中，將“矢量R”記述為“ ^ ”。 Vclcxy(02 -X2Y2 ) -{\ + β) Aecaxy-Oaxy \ej^(15)
VJ其中，-X2I72丨表不攝像面內(nèi)的圖像運動速度，^表不該照相機的拍攝鏡頭在圖像模糊校正時的攝像倍率[(無單位)]，f表示該照相機的拍攝鏡頭在圖像模糊校正時的實際焦距[mm], (l+β )f表示圖像側焦距[mm],乏―表示以主點A作為中心的自轉角度Θ caxy的時間微分值、即自轉角速度[rad/秒]，<表示以原點O作為中心的公轉角度Θ axy的時間微分值、即公轉角速度[rad/秒]，ejU/2)表示以下在極坐標系中，由于(π/2)次冪，因而圖像運動速度矢量表不相對于X2軸(光軸)轉動了 90度的方向。
后面將說明作為表達式(15)的XY平面內(nèi)的移動坐標系O2-X2Y2中的圖像運動速度^的近似理論公式的詳細推導過程，并且這里，將參考圖2來說明該公式的含義。圖2示出投影至XY平面上的照相機的狀態(tài)的示意圖。這里，示出了照相機的外形和鏡頭。在該照相機中，示出光學系統(tǒng)的主點Axy、加速度計Bxy和攝像裝置203的中心Cxy。坐標系O4-X4Y4的原點O4固定至光學系統(tǒng)的主點Axy。當主點Axy移動時，X4軸相對于X軸保持平行狀態(tài)，并且Y4軸相對于Y軸保持平行狀態(tài)。坐標系O2-X2Y2的原點O2固定至主點Axy,并且與照相機一體化地移動。在這種情況下，X2軸與該照相機的光軸總是一致。將X4軸和X2軸之間的以原點O2為中心的角度設置為自轉角度Θ _y。將X軸和標量raxy之間的以原點O為中心的角度設置為公轉角度0axy。標量!·— (l+β )f/^表示
被攝體側焦距。β表示攝像倍率。主點Axy處的重力加速度矢量g#具有通過正轉動(逆
時針)從X4軸至矢量之間繞主點Axy的角度Θ gxy。Θ gxy是恒定值。近似表達式表示可以通過_(圖像側焦距)X (通過從自轉角速度減去公轉角速度所獲得的值)來表示攝像面內(nèi)的Y2方向上的圖像運動速度。無近似的精確公式是表達式(12)。當進行精度較高的圖像模糊校正時，可以使用該精確公式〈表達式(12)>。這里，raxy ^ (l+β )f/^表示被攝體側焦距。
VdcxiO2-X2Y2) =fV-+
Kixy f \axy~ff^axy f
(12)與XY平面的情況相同，通過自轉公轉運動公式來表示照相機抖動在ZX平面上的橫擺角度運動以及Z2方向上的平行運動這兩個分量，并且通過近似表達式(16)獲得攝像裝置面內(nèi)的Z2方向圖像運動(攝像面的橫方向上的圖像運動)速度。這表示與表達式(15)相同的含義，因此這里將省略該說明。接著，將說明包括在加速度計121的輸出中的分量。后面將說明該公式的推導過程。這里，將說明圖像穩(wěn)定所需的項。通過表達式(27)來表示獲得公轉角速度所使用的Y2軸方向上的加速度計輸出 Accy2(0-X2Y2) οj^-Ccy2(O-X2Y2) ^ Jr axy Θ axy (弟二項公轉的加速度)+(第四項科氏力)+ j rbaxy O2caxy sin(6 ~ + 冗)(第五項自轉的向心力) +y>^^sin(^+^/)(第六項自轉的加速度)+ j G ^miegxy - π)(第七項重力加速度分量)
(27)表達式(27)中的第三項jraxy <是獲得實施例I期望獲得的公轉角速度<所需的分量，并且如果將第三項除以已知的raxy并進行積分，則獲得公轉角速度<。第四項、第五項、第六項和第七項是計算所不需要的項，并且如果不消除這些項，則這些項成為獲得公轉角速度時的誤差分量。第四項_/+2%^表示科氏力，并且如果照相機光軸方向上的運動小、光軸方向上的速度~=0，則第四項是可以忽略的項。后面還將說明表達式(27)。第五項和第六項是由于加速度計121無法配置在理想的主點位置A處而是配置在位置B處而包括在加速度計輸出Acxy2toI2y2)中的誤差分量。第五項jrbaxy0二 sin(0_ +;r)是由于加速度計121以主點A為中心轉動而產(chǎn)生的向心力。rbaxy和Θ baxy表示安裝有加速度計121的位置B的坐標，并且是已知的。是自轉角速度，并且是安裝至照相機的角速度傳感器130可以測量出的值。因此，可以計算出第五項的值。第六項+%)是加速度計121以主點A為中心轉動時的加速度分
量，并且rbaxy和Qbaxy表示安裝有加速度計121的位置B的坐標，并且是已知的?？梢酝ㄟ^對安裝至照相機的角速度傳感器130的值進行微分來計算是-。因此，可以計算出第六項的值。第七項jGsin( Θ gxy- ji )是重力加速度的影響，并且在該近似表達式中可被看作為常數(shù)，因此可以通過電路的濾波處理消除該第七項。通過表達式(26)來表示光軸方向運動校正所使用的作為光軸的X2軸方向上的加
速度計輸出 ACCX2 (0-X2Y2) °j^-CCX2(O-X2Y2) ~ ^axy (第一項光軸方向運動)- foxy O2axy (第二項公轉的向心力)+ rbcDcy O1caxy Cosipbaxy +^)(第五項自轉的向心力)+rbaxyOcaxyCO^baxy(第六項自轉的加速度)+Gco^Ogxy - π)(第七項重力加速度分量)(26)在表達式(26)中，光軸方向運動校正僅需要第一項(光軸方向上的加速度)。第二項、第五項、第六項和第七項是光軸方向運動校正所不需要的分量，并且如果不消除這些項，則這些項成為獲得作為光軸的X2軸方向上的加速度匕V時的誤差分量。可以利用與表達式(27)的情況相同的方法來刪除第二項、第五項、第六項和第七項。后面將說明表達式
(26)。如上所述，可以消除包括在加速度計121的輸出中的誤差分量，但如果進行校正計算，則模糊校正操作開始延遲了該計算時間，并且無法進行精確的模糊校正。因而，基于以下想法，將加速度計121放置于鏡筒102內(nèi)，由此可以使包括在加速度計121的輸出中的誤差分量最小。因此，不需要校正計算時間，由此可以進行精確的模糊校正。
圖3是鏡筒102的截面圖，并且用于說明拍攝光學系統(tǒng)105、加速度計121和角速度傳感器131的配置。在圖3中，拍攝光學系統(tǒng)105的主點位于光軸I上，并且根據(jù)用戶所設置的攝像倍率，該拍攝光學系統(tǒng)的主點在光軸I上在從等倍率拍攝時(最近拍攝時)的主點位置Al至無限拍攝時(β =0.0)的主點位置Α2的范圍內(nèi)移動。更具體地，在該拍攝光學系統(tǒng)中，主點在光軸I上在作為拍攝倍率β為I. O時的主點位置的點(第一點)與作為拍攝倍率β為O. O時的主點位置的第二點的范圍內(nèi)移動。將角速度傳感器131放置于鏡筒102的任意位置處，但將加速度計121放置于光軸I方向上的等倍率拍攝時的主點位置Al (第一點)和無限拍攝時的主點位置Α2(第二點)之間的位置處。例如，將加速度計121放置于光軸方向上的拍攝倍率β為O. 5的位置處。將加速度計121在光軸I方向上的位置設置為主點位置A3，將相對于等倍率拍攝時的主點位置Al的光軸I方向上的距離設置為Λ X，并且將與光軸I垂直的方向上的距離設置為ΛΥ。由此，在表達式(27)中，在等倍率拍攝的情況下，滿足rbaxy = AY/sin0baxyO即，滿足 tan Θ baxy = Δ Y/ Δ X。這里，如下將表達式(27)中的作為不需要項的第五項和第六項的總和表示為加速度計位置誤差函數(shù)g(9ba)。= FbaxyO1baxy sin((9— + π)+ jrbaJcaxy sin(0— +^)(%)如上所述，可以忽略表達式(27)中的第四項，并且通過電路的濾波處理還可以消除第七項。因此，該濾波處理后的加速度計121的輸出是第三項、第五項和第六項，因此當將包括在加速度計121的輸出中并由表達式(30)來表示的加速度計位置誤差函數(shù)g(e ba)的比率設置為誤差比率函數(shù)f( Θ J時，可以如下表示該誤差比率函數(shù)f( Θ ba)。
、 “二 Sin(6UM) + r^/Sin(6UV+X)池)=~^~—ΓΖ~^—tz-Γ/1
rOxydaxy + ^axyOcaxy Sin^ + π)+ rbaxyecaxy Sin^ +%j(3 j )以下假定加速度計121配置在拍攝倍率為β = O. 5的位置處。在表達式(31)所示出的參數(shù)中，raxy表示拍攝倍率β的函數(shù)，并且作為本申請人的認真研究的結果，已知<
與攝像倍率β成線性關系。因此，可以如下表示表達式(31)。
/、_hcjLcy Sinfe- +π)++
=(1 + 0-5)/^0,)^
^(￠.0.5) Χ β X ^ 、Χ ^caxy(fi=0.5) Χ (I +々)y ^ rbaxy合caxy ^^Pbaxy + haxy^caxy ^^baxy + /^) "—0.5β
(32)順便提及，作為本申請人的研究結果，已知即使拍攝姿勢和攝像倍率改變，乏-和是-也大致恒定。因此，當代入了乏-和的值時，表達式(32)所示出的誤差比率函數(shù)f(0ba)如下所示。
權利要求
1.一種圖像穩(wěn)定設備，包括 拍攝光學系統(tǒng)，用于拍攝被攝體，其中，在所述拍攝光學系統(tǒng)的光軸方向上，所述拍攝光學系統(tǒng)的主點從第一主點位置向第二主點位置移動；以及 加速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定設備的加速度并輸出該加速度，并且所述加速度檢測器在所述拍攝光學系統(tǒng)的光軸方向上被配置在所述第一主點位置和所述第二主點位置之間。
2.根據(jù)權利要求I所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于，還包括 倍率計算單元，用于計算所述拍攝光學系統(tǒng)的攝像倍率； 其中，所述加速度檢測器被配置在所述攝像倍率約為0. 5的位置處。
3.根據(jù)權利要求I所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于， 所述加速度檢測器被設置在保持構成所述拍攝光學系統(tǒng)的透鏡的框構件處、或者設置在配置于光學系統(tǒng)內(nèi)的光圈構件處。
4.根據(jù)權利要求I所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于，還包括 角速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定設備的角速度并輸出該角速度； 計算單元，用于計算所述拍攝光學系統(tǒng)內(nèi)的主點的位置；以及控制單元，用于基于所述角速度檢測器檢測到的角速度、所述加速度檢測器檢測到的加速度和所述計算單元計算出的主點的位置來進行圖像穩(wěn)定控制。
5.根據(jù)權利要求4所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于，還包括 第一角速度計算單元，用于基于所述角速度檢測器的輸出來計算以所述計算單元計算出的主點的位置為中心的第一角速度分量；以及 第二角速度計算單元，用于基于所述角速度檢測器的輸出和所述第一角速度計算單元的計算結果來計算以與所述被攝體有關的點為中心的第二角速度分量，并且基于計算出的主點的位置校正所述第二角速度分量， 其中，所述控制單元基于所述第一角速度分量和校正后的第二角速度分量之間的差來進行圖像穩(wěn)定控制。
6.一種攝像設備，其包括根據(jù)權利要求5所述的圖像穩(wěn)定設備。
7.一種圖像穩(wěn)定設備，包括 拍攝光學系統(tǒng)，用于拍攝被攝體； 角速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定設備的角速度并輸出該角速度； 加速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定設備的加速度并輸出該加速度，其中，所述加速度檢測器被配置在所述拍攝光學系統(tǒng)的最近拍攝時的主點位置和無限拍攝時的主點位置之間； 自轉角速度計算單元，用于基于所述角速度檢測器的輸出來計算以所述拍攝光學系統(tǒng)的主點為中心的自轉角速度分量； 公轉角速度計算單元，用于基于所述加速度檢測器的輸出和所述自轉角速度計算單元的計算結果來計算以所述被攝體為中心的公轉角速度分量；以及 控制單元，用于基于所述自轉角速度分量和所述公轉角速度分量之間的差來進行圖像穩(wěn)定控制。
8.根據(jù)權利要求7所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于，在將所述拍攝光學系統(tǒng)的最近拍攝時的主點位置和所述加速度檢測器之間在光軸方向上的距離設置為Xba、將所述拍攝光學系統(tǒng)的光軸和所述加速度檢測器之間在與光軸垂直的方向上的距離設置為Yba、設置了 tan( 0 ba) = Yba/Xba、并且將根據(jù)所述拍攝光學系統(tǒng)的攝像倍率而改變的所述加速度檢測器的輸出中包括的誤差分量定義為誤差比率函數(shù)f (Qba)的情況下， 當距離Yba恒定時，所述加速度檢測器被配置在所述拍攝光學系統(tǒng)的最近拍攝時的主點位置和無限拍攝時的主點位置之間的如下距離Xba的位置附近，其中，在該距離Xba處，所述誤差比率函數(shù)f (Qba)的積和最小。
9.根據(jù)權利要求7所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于， 利用具有所述拍攝光學系統(tǒng)的攝像設備的拍攝頻率對所述誤差比率函數(shù)f( 6 ba)進行加權，并且所述加速度檢測器被配置在所述拍攝光學系統(tǒng)的最近拍攝時的主點位置和無限拍攝時的主點位置之間的如下距離Xba的位置附近，其中，在該距離Xba處，加權后的誤差比率函數(shù)f ( Q ba)的積和最小。
10.根據(jù)權利要求8所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于， 利用所述圖像穩(wěn)定設備的平行運動的有效量對所述誤差比率函數(shù)f( 6 ba)進行加權，并且所述加速度檢測器被配置在所述拍攝光學系統(tǒng)的最近拍攝時的主點位置和無限拍攝時的主點位置之間的如下距離Xba的位置附近，其中，在該距離Xba處，加權后的誤差比率函數(shù)f ( 0 ba)的積和最小。
11.根據(jù)權利要求7所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于，還包括自轉公轉差計算單元，所述自轉公轉差計算單元用于基于所述自轉角速度分量和所述公轉角速度分量之間的差來計算自轉公轉差值， 其中，所述控制單元基于所述自轉公轉差值進行圖像穩(wěn)定控制。
12.根據(jù)權利要求7所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于，還包括自轉公轉角速度比率計算單元，所述自轉公轉角速度比率計算單元用于計算作為所述公轉角速度分量相對于所述自轉角速度分量的比率的自轉公轉角速度比率， 其中，所述公轉角速度計算單元利用實時計算出的自轉角速度分量與所述自轉公轉角速度比率計算單元計算出的自轉公轉角速度比率的乘積來計算所述公轉角速度分量的估計值。
13.根據(jù)權利要求12所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于， 當所述自轉公轉角速度比率超過預定值時，所述自轉公轉角速度比率計算單元將所述自轉公轉角速度比率設置為指定常數(shù)。
14.根據(jù)權利要求12所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于， 所述控制單元在所述自轉公轉角速度比率大于預定值時，基于所述自轉公轉差值進行圖像穩(wěn)定控制，并且在所述自轉公轉角速度比率等于或小于所述預定值時，基于所述自轉角速度分量進行圖像穩(wěn)定控制。
15.根據(jù)權利要求11所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于， 所述控制單元在所述拍攝光學系統(tǒng)的攝像倍率為預定值以上時，基于所述自轉公轉差值進行圖像穩(wěn)定控制，并且在所述拍攝光學系統(tǒng)的攝像倍率小于所述預定值時，基于所述自轉角速度分量進行圖像穩(wěn)定控制。
16.根據(jù)權利要求7所述的圖像穩(wěn)定設備，其特征在于，還包括 光軸方向加速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定設備的加速度的光軸方向分量；以及 光軸方向運動校正控制單元，用于校正由施加至所述圖像穩(wěn)定設備的運動的光軸方向分量所引起的圖像模糊， 其中，所述光軸方向運動校正控制單元基于所述加速度的光軸方向分量進行光軸方向運動校正控制。
17.一種攝像設備，其包括根據(jù)權利要求7所述的圖像穩(wěn)定設備。
全文摘要
一種圖像穩(wěn)定器，包括拍攝光學系統(tǒng)，用于拍攝被攝體，其中，所述拍攝光學系統(tǒng)的主點在光軸方向上在第一主點和第二主點之間移動；以及加速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定器的加速度，并且在所述光軸方向上配置在所述第一主點和所述第二主點之間。還包括角速度檢測器，用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定器的角速度；加速度檢測器，其配置在最近拍攝時的主點和無限拍攝時的主點之間，并用于檢測施加至所述圖像穩(wěn)定器的加速度；自轉角速度計算器，用于基于所述角速度檢測器計算以所述拍攝光學系統(tǒng)的主點為中心的自轉角速度分量；公轉角速度計算器，用于基于所述加速度檢測器和所述自轉角速度計算器來計算以所述被攝體為中心的公轉角速度分量；以及控制器，用于基于所述自轉角速度分量和所述公轉角速度分量之間的差進行圖像穩(wěn)定控制。
文檔編號G03B5/00GK102804053SQ20108002607
公開日2012年11月28日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2009年6月11日
發(fā)明者能登悟郎, 增田晉一 申請人:佳能株式會社