专利名称：图像稳定设备和摄像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像稳定设备和包括该图像稳定设备的摄像设备，其中，该图像稳定设备通过校正由于抖动所引起的图像模糊来防止所拍摄图像的劣化。
背景技术：
图23是示出传统照相机所包括的图像稳定设备的概要的图。该照相机所发生的抖动具有作为包括纵摇运动、横摆运动和侧倾(rolling)运动的三自由度的转动运动以及包括X轴方向上的运动、Y轴方向上的运动和Z轴方向上的运动的三自由度的平移运动的总共六自由度。现今商品化了的图像稳定设备通常对由于包括纵摇运动和横摆运动的两自由度的转动运动所引起的图像模糊进行校正。角速度传感器130监视照相机的运动。作为该角速度传感器，通常使用用于检测由于转动而产生的科氏力的压电振动式角速度传感器。角速度传感器130包含三个检测器，其中，这三个检测器进行图23中作为绕Z轴的转动的纵摇运动的检测、图23中作为绕Y轴的转动的横摆运动的检测和图23中作为绕X轴(光轴)的转动的侧倾运动的检测。当要校正由于抖动所引起的图像模糊时，将角速度传感器130的输出发送至镜头CPU 106，并且计算图像稳定用的校正透镜101的目标驱动位置。为了将校正透镜101驱动至目标驱动位置，向电压驱动器161X和161y发送指示信号，并且电压驱动器161x和161y依照这些指示信号并对透镜驱动器120x和120y进行驱动。校正透镜101的位置由透镜位置检测器I IOx和I IOy进行监视，并被反馈至镜头CPU 106。镜头CPU 106基于目标驱动位置和校正透镜101的位置来进行校正透镜101的位置控制。通过如此根据抖动来驱动校正透镜，可以对由抖动所引起的图像模糊进行校正。然而，在前述图像稳定设备中，仅角速度传感器130进行由于抖动所引起的照相机的运动的检测，因此可以监视角度运动(转动运动)，但无法监视使光轴垂直地或水平地平行运动的运动(以下称为平行运动)。因此，仅可以对包括纵摇运动和横摆运动的两自由度的运动进行图像稳定。这里，关于由平行运动所引起的图像模糊，将说明通过使用焦距为IOOmm的微透镜进行拍摄的情况作为例子。当通过使用该透镜拍摄无限远处的风景时，如果角速度传感器输出大致为O. 8deg/s，则根据该焦距，像面移动速度约为1.40mm/s( = 100XsinO. 8)。因此，由于在以曝光时间为1/15秒进行拍摄时的角度运动所引起的像面的运动宽度为93 μ m( = 1.40mm/15)。此外，如果除角度运动以外、整个照相机以I. Omm/s在垂直方向上平行移动，则由于在无限拍摄的情况下、拍摄倍率β大致为0，因此拍摄不受平行运动速度分量影响，并且不会发生由于平行运动所引起的图像模糊。然而，在为了拍摄花等进行特写拍摄时，拍摄倍率非常大，并且无法忽略平行运动的影响。例如，当拍摄倍率为等倍率(β = I)、并且垂直方向上的移动速度为lmm/s时，像面也以lmm/s的速度移动。在以曝光时间为1/15秒进行拍摄时的像面内的运动宽度为67 μ m,并且无法忽略由于平行运动所引起的图像模糊。
接着，将说明在物理学和工程学的领域内表示物体在空间内的运动的一般方法(模型和数学表达式)。这里，为了便于说明，关于表示物体在平面上的运动的模型，将说明普通物体。在这种情况下，如果定义了物体的三个自由度，则可以唯一定义该物体的运动和位置。第一个模型是表示平行运动和转动运动的模型(参见图24A和24B)。在将横轴设置为X轴并且将纵轴设置为Y轴的平面内的固定坐标系O-XY中，如图24A所示,如果指定了 X轴方向上的位置X (t)、Y轴方向上的位置Y (t)和物体自身的转动角度Θ⑴的三自由度，则可以确定该物体的位置。如图24B所示，可以由设置在物体上的基准点(主点O2)的X轴方向平移速度Vx (t)和Y轴方向平移速度Vy (t)以及绕该物体上的基准点的转动角速度6的这三个分量来表示该物体的运动(速度矢量)。该模型最为常见。第二个模型是表示瞬时转动中心和转动半径的模型(参见图25)。在XY平面内的固定坐标系O-XY中，假定在特定时刻、物体正在围绕被设置为瞬时转动中心的特定点f (t)=(X(t)，Y(t))以转动半径R(t)、转动速度转动。如此，可以由瞬时转动中心的轨迹f(t)和该时刻的转动速度来表示该平面内的运动。在力学中的连杆机构的分析中经常使用该模型。近年来，日本特开平07-225405和日本特开2004-295027提出了配备有对平行运动进行校正的功能的照相机。在日本特开平07-225405中，可以说基于三个加速度计和三个角速度传感器的测量值，利用平移运动和转动运动来表示照相机在三维空间内的运动。此外，在日本特开2004-295027中，在照相机的包括角度运动和平行运动的运动中，如该专利文献的图2所示，计算转动中心相对于焦平面的距离η。在日本特开2004-295027的数学表达式I中，在前半部分中计算将焦平面设置为转动中心时发生的角度运动量，并且在后半部分中计算由于平移运动而发生的平行运动量。后半部分的平行运动量是利用相对于焦平面远离了距离η的位置的转动进行替换来考虑的校正项。作为表示空间内的运动的模型，日本特开2004-295027的图3中的用于获得转动中心的位置η的方法使用力学中频繁使用的瞬时中心的概念。这就是可以通过连续的转动运动来表示空间内的运动的理念，也就是说，空间内的运动在某一瞬时是以特定点作为中心的特定半径的转动运动，并且在下一瞬时是以下一特定点作为中心的特定半径的转动运动。因此，在日本特开2004-295027中，可以说将由于抖动所引起的照相机的运动建模为具有瞬时中心的连续转动运动。然而，日本特开平07-225405所述的方法存在如下问题用于获得像面内的模糊量的计算量极大，并且计算算法非常复杂。此外，并未提及针对光轴方向模糊(失焦)的校正计算。此外，可以说在日本特开2004-295027中，如上所述将照相机的运动建模为具有瞬时转动中心的连续转动运动，并且模型和数学表达式的问题是如日本特开2004-295027的第
段自身所述，在Fl F2(施加至两个加速度计的力)的情况下，转动中心位置η为①，并且无法进行计算。此外，转动中心位置η为的事实表示不存在由于在纵摇方向或横摆方向的角度而产生的运动，并且角速度传感器无法检测到该运动。可以通过使用两个加速度传感器的输出来计算校正量，但精度低并且计算量极大。此外，利用这种情况下的数学表达式，无法对光轴方向上的运动进行校正计算。此外，随着拍摄光学系统的主点位置的变化，从加速度传感器(加速度计)输出后面将说明的校正误差分量，但日本特开平07-225405和日本特开2004-295027均无相应的技术公开。
发明内容
考虑到前述问题而作出本发明，并且本发明的目的在于提供如下一种图像稳定设备和摄像设备在角度运动和平行运动共存的所有状态下，该图像稳定设备和该摄像设备都使得能够在不发生控制失败的情况下进行精确的图像稳定，减少计算量，并且可以使伴随着拍摄光学系统的主点位置的变化的误差量最小。为了实现前述目的，根据本发明实施例的一种图像稳定设备采用具有如下特征的结构，其中，所述图像稳定设备包括拍摄光学系统，用于拍摄被摄体，其中，在所述拍摄光学系统的光轴方向上，所述拍摄光学系统的主点从第一主点位置向第二主点位置移动；以及加速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定设备的加速度并输出该加速度，并且在所述拍摄光学系统的光轴方向上配置在所述第一主点位置和所述第二主点位置之间。通过以下说明和附图，本发明的其它目的和特征将变得明显。
图I是示出作为根据本发明的实施例I的摄像设备的主要部分的框图。图2是实施例I中的投影至XY平面的照相机状态的简化图。图3是示出实施例I中的主点位置和加速度计的位置的图。图4A和4B是示出在图3的状态下的加速度计输出的误差比率函数的图。图5是示出无限位置处的加速度计输出的误差比率函数的图。图6是示出在图3的状态下的加速度计输出的误差比率变得最小的位置的图。包括图7A和7B的图7是示出实施例I的操作的流程图。图8A是示出固定至照相机上的坐标系的图。图8B是示出照相机的俯视图。图8C是示出照相机的正视图。图8D是示出照相机的侧视图。图9是在三维空间内仅表不照相机的光学系统的图。图IOA和IOB是示出主点A的极坐标系和正交坐标系的图。图11是投影至X9Y9平面和Z9X9平面时的坐标映射。图12是示出投影至X9Y9平面的照相机状态的图。图13是示出投影至Z9X9平面的照相机状态的图。图14是初始时刻t = O时的照相机初始状态的图。图15是O-XYZ坐标系中的照相机初始状态的图。图16是极坐标系的基本说明图。图17是示出投影至二维XY坐标系的照相机状态的图。图18是示出投影至二维ZX坐标系的照相机状态的图。图19A和19B是示出根据实施例2的加速度计输出的误差比率函数等的图。图20是示出根据实施例2的误差比率变得最小的位置的图。
图21是示出根据实施例2的变形例的误差比率变得最小的位置的图。包括图22A和22B的图22是示出实施例3的操作的流程图。图23是示出传统例子的照相机的图像稳定设备的图。图24A和24B是示出一般的二维坐标系中的物体位置和物体速度的定义的图。图25是示出瞬时转动中心的一般轨迹的定义的图。
具体实施例方式用于执行本发明的模式如以下的实施例I 3所示。实施例I在以下实施例中，由“自转公转运动表达式”来表示人手把持的照相机的抖动运动和作为照相机的抖动运动的结果在像面上发生的图像运动，其中，在该“自转公转运动表达式”中，将由自转运动和公转运动所表示的运动模型与几何光学表达式相结合。本实施例是如下的图像稳定设备，其中，该图像稳定设备根据加速度计和角速度传感器的测量值以及自转公转运动表达式来计算照相机运动，并且还计算图像运动。通过基于该图像运动的计算值对拍摄镜头的一部分或全部或者摄像装置的一部分或全部进行驱动控制，对图像模糊进行校正。可选地，本发明提供如下的图像稳定设备，其中，该图像稳定设备基于根据自转公转运动表达式所获得的图像运动的计算值，通过对所拍摄图像进行图像处理来对图像模糊进行校正。图I是示出根据本发明的实施例I的包括图像稳定设备的摄像设备(照相机系统)的主要部分的框图。对进行与现有技术相同的功能的部分分配相同的附图标记和字符，并且将适当省略冗余的说明。根据实施例I的图像稳定设备设置在相对于照相机本体201可安装且可拆卸的镜筒102内，并且针对纵摇(绕Z2轴的转动)、横摆(绕Y2轴的转动)、Y2轴方向、Z2轴方向和父2轴(光轴)方向这五个自由度方向进行模糊校正。然而，在图I及以下说明中，示出了纵摇转动和Y2轴方向上的图像稳定系统以及X2轴(光轴)方向上的光轴方向图像稳定系统，并且横摆转动和Z2轴方向上的图像稳定系统与纵摇转动和￥2轴方向上的图像稳定系统相同。角速度传感器130是如下的角速度检测器，其中，该角速度检测器相对于镜筒102被浮动地支撑并且检测照相机本体201 (镜筒102)所发生的运动的角速度。根据实施例I的角速度传感器130是用于检测由于转动而产生的科氏力的压电振动式角速度传感器。角速度传感器130是内部具有针对纵摇、横摆和侧倾的三轴转动的灵敏度轴的角速度传感器。浮动地支撑角速度传感器130的原因是尽可能消除伴随着照相机的机构操作的机械振动的影响。角速度传感器130将与检测到的角速度相对应的角速度信号输出至滤波器160co加速度计121是用于检测照相机本体201 (镜筒102)所发生的运动的加速度的加速度检测器。根据实施例I的加速度计121是具有相对于X轴、Y轴和Z轴这三个方向的三个灵敏度轴的三轴加速度计，并且由镜筒102浮动地支撑。由于与角速度传感器130的情况相同的原因而浮动地支撑加速度计121。此外，在本实施例中，加速度计121是三轴加速度传感器(使用铅锤体的加速度传感器)，并且两个轴的频率特性同样高，但其余一个轴的特性低。因此，为了检测在与光轴正交的Y2轴方向和Z2轴方向上的加速度，使用灵敏度高的两个轴，并且使特性低的一个轴与X2轴(光轴方向)对准。这是为了精确地检测对图像模糊校正的影响大的Y2轴方向和Z2轴方向上的加速度。加速度计121的输出在通过诸如滤波器160a等的低通滤波器(LPF)之后经过A/D转换，并被输入至镜头CPU 106内的IS(图像稳定)透镜校正计算器107。加速度计121可以安装至在变焦等期间在光轴方向上移动的可移动镜框、保持其它光学系统的框或者光学系统内的诸如光圈等的单元，但在这种情况下，需要使得能够检测加速度计121相对于变焦后的主点位置的位置。此外，角速度传感器130是如上所述的振动陀螺仪型，并且以26KHz振动。因此，如果将这些传感器安装在同一基板上，则加速度计121有可能拾取到振动噪声，因此将加速度计121和角速度传感器130安装在独立基板上。图像稳定透镜驱动器120是如下的驱动器(致动器)，其中，该驱动器生成在与光轴I垂直的平面内(Y2Z2平面内)驱动图像模糊校正用的校正透镜101所使用的驱动力。在利用电压驱动器161所输出的驱动电流使未示出的线圈进入通电状态时，图像稳定透镜驱动器120生成Y2轴方向上的驱动力并驱动校正透镜101。透镜位置检测器110是用于检测校正透镜101在与光轴I正交的平面内的位置的光学位置检测器。透镜位置检测器110监视校正透镜101的当前位置，并将与校正透镜101的当前位置有关的信息经由A/D转换器反馈至图像稳定控制器108。镜头CPU 106是用于进行镜筒102侧的各种控制的中央处理器。镜头CPU 106基于焦距检测器163所输出的脉冲信号计算焦距，并基于被摄体距离检测器164所输出的脉冲信号计算被摄体距离。此外，在镜头CPU 106中，设置有图像稳定透镜校正计算器107、图像稳定控制器108和自动调焦透镜控制器401。镜头CPU 106可以经由设置在镜筒102和照相机本体201之间的镜头接点190与本体CPU 109进行通信。与释放开关191的半按下接通(ON)同步地从本体CPU 109发送图像模糊校正开始命令，并且与半按下断开(OFF)同步地将图像模糊校正停止命令发送至CPU 106。此外，镜头CPU 106监视设置在镜筒102内的模糊校正开关(SW) 103的状态。如果模糊校正开关103接通，则镜头CPU 106进行图像模糊校正控制，并且如果模糊校正开关103断开，则镜头CPU 106忽略来自本体CPU 109的图像模糊校正开始命令并且不进行模糊校正。图像稳定透镜校正计算器107是用于将滤波器160a和160c的输出信号转换成将镜筒102驱动至目标位置所使用的目标速度信息的部分。图像稳定控制器108、滤波器160a和160c、EEPROM 162、焦距检测器163以及被摄体距离检测器164连接至图像稳定透镜校正计算器107。自动调焦透镜控制器401具有光轴方向运动速度计算器402，其中，光轴方向运动速度计算器402通过使用来自图像稳定透镜校正计算器107的加速度计输出值来进行为了执行光轴方向运动校正的计算，并且自动调焦透镜控制器401将该计算结果输出至自动调焦透镜电压驱动器172。自动调焦透镜140可以由使用超声波马达或步进马达作为驱动源的自动调焦透镜驱动器141在光轴方向上进行驱动。自动调焦透镜电压驱动器172生成对自动调焦透镜驱动器141进行驱动控制用的电压。
图像稳定透镜校正计算器107通过利用A/D转换对从角速度传感器130和加速度计121经由滤波器160a和160c输出的输出信号(模拟信号)进行量化来取入这些信号。基于从焦距检测器163获得的焦距信息、从被摄体距离检测器164获得的被摄体距离信息和写入EEPROM 162的镜头特有信息，图像稳定透镜校正计算器107将这些信号转换成校正透镜101的目标驱动速度。后面将详细说明图像稳定透镜校正计算器107所进行的向目标驱动位置的转换方法(计算方法)。将作为图像稳定透镜校正计算器107计算出的目标驱动速度的信息的目标速度信号输出至图像稳定控制器108。图像稳定控制器108是如下的部分，其中，该部分经由电压驱动器161控制图像稳定透镜驱动器120，并进行跟踪控制以使得根据目标驱动速度的信息来驱动校正透镜101。图像稳定控制器108将透镜位置检测器110所输出的位置检测信号(模拟信号)转换成数字信号并取入该数字信号。图像稳定控制器108的一个输入部用于作为图像稳定透镜校正计算器107的输出的、转换成校正透镜101的目标驱动速度的目标速度信号，并且图像稳定控制器108的另一输入部用于透镜位置检测器110所获得的校正透镜101的位置信息。作为图像稳定控制器108中的控制，通过使用校正透镜101的目标驱动速度和实际速度信息之间的偏差来进行速度控制。图像稳定控制器108基于目标驱动速度和校正透镜101的速度信息等计算驱动信号，并将该数字驱动信号输出至电压驱动器161。可选地，作为图像稳定控制器108中的控制，可以使用已知的PID控制。通过使用目标位置信息和校正透镜101的透镜位置信息之间的偏差来进行PID控制。图像稳定控制器108基于目标位置信息和校正透镜101的位置信息等计算驱动信号。并将该数字驱动信号输出至电压驱动器161。滤波器160a和160c是如下的滤波器，其中，这些滤波器从角速度传感器130和加速度计121的输出信号去除预定频率成分，并且截除包括在高频波段中的噪声成分和DC成分。滤波器160a和160c对预定频率成分被去除之后的角速度信号进行A/D转换，之后将这些角速度信号输出至图像稳定透镜校正计算器107。电压驱动器161是根据所输入的驱动信号(驱动电压)向图像稳定透镜驱动器120供给电力的驱动器。电压驱动器161对该驱动信号进行切换，向图像稳定透镜驱动器120施加电压以驱动图像稳定透镜驱动器120。EEPROM 162是如下的非易失性存储器，其中，该非易失性存储器存储作为与镜筒102有关的各种特有信息的镜头数据、以及用于将被摄体距离检测器164所输出的脉冲信号转换成物理量的系数。焦距检测器163是用于检测焦距的变焦编码器。焦距检测器163将与焦距值相对应的脉冲信号输出至图像稳定透镜校正计算器107。被摄体距离检测器164是用于检测到被摄体的距离的调焦编码器。被摄体距离检测器164检测拍摄光学系统105 (自动调焦透镜140)的位置，并将与该位置相对应的脉冲信号输出至图像稳定透镜校正计算器107。根据焦距检测器163和被摄体距离检测器164的检测结果，如后面所述来计算拍摄光学系统105的主点A的位置。可选地，读取存储在EEPROM 162中的拍摄光学系统105的主点A的位置信息，并进行后面将说明的控制。本体CPU 109是用于进行整体照相机系统的各种控制的中央处理器。本体CPU109基于释放开关191的接通操作将模糊校正开始命令发送至镜头CPU 106。可选地，本体CPU 109基于释放开关191的断开操作将模糊校正停止命令输出至镜头CPU106。可选地，进行除以上处理以外的各种处理。将与释放开关191有关的信息输入至本体CPU 109，并且释放开关191可以检测未示出的释放按钮的半按下或全按下操作。释放开关191是如下的开关，其中，该开关检测未示出的释放按钮的半按下操作并开始一系列的拍摄准备操作，检测该释放按钮的全按下操作并且开始拍摄操作。接着，将详细说明图像稳定透镜校正计算器107的内部。自转角速度计算器301基于角速度传感器输出值来计算自转角速度^^。角速度传感器输出值和自转角速度通常成线性关系，因此可以通过将角速度传感器输出值乘以系数来获得自转角速度。高通滤波器303是用于使模糊校正所需的频率成分通过的滤波器。公转角速度计算器304可以通过将作为来自高通滤波器303的输入值的公转加速度分量jraxy 除以被摄体侧焦距raxy来获得公转角加速度。此外，通过对该公转角加速度进行时间积分来获得控制所需的公转角速度。自转公转差图像稳定量计算器305通过将所读取的摄像倍率β、实际焦距值f、以及实时计算出的自转角速度和公转角速度代入以下的后面将说明的表达式(15)，计算摄像装置203的摄像面的Y2方向上的图像运动速度。V dcxy(02 -X2^) ~ _O" +Qcaxy_Oaxy 6 ^(15)
VJ所获得的图像运动速度成为目标驱动速度。可以根据后面将说明的表达式(16)同样获得摄像面的Z2方向上的图像运动速度，但这里将省略该说明。理论公式选择器306根据公转角速度相对于自转角速度的比率，选择使用自转角速度和公转角速度之间的差的自转公转差运动校正的公式或者仅使用自转角速度的自转运动校正的公式作为校正计算所使用的公式。自转公转模糊公式〈表达式(15) >的含义和使用方法在实施例I中，通过自转公转运动公式来表示照相机抖动(纵摇角度运动和Y2方向上的平行运动)在XY平面内的分量，并且通过作为自转公转运动公式的近似表达式的表达式(15)来获得摄像面内的Y2方向图像运动(摄像面垂直方向图像运动)速度。在本发明的说明中，将“矢量R”记述为“ ^ ”。 Vclcxy(02 -X2Y2 ) -{\ + β) Aecaxy-Oaxy \ej^(15)
VJ其中，-X2I72丨表不摄像面内的图像运动速度，^表不该照相机的拍摄镜头在图像模糊校正时的摄像倍率[(无单位)]，f表示该照相机的拍摄镜头在图像模糊校正时的实际焦距[mm], (l+β )f表示图像侧焦距[mm],乏―表示以主点A作为中心的自转角度Θ caxy的时间微分值、即自转角速度[rad/秒]，<表示以原点O作为中心的公转角度Θ axy的时间微分值、即公转角速度[rad/秒]，ejU/2)表示以下在极坐标系中，由于(π/2)次幂，因而图像运动速度矢量表不相对于X2轴(光轴)转动了 90度的方向。
后面将说明作为表达式(15)的XY平面内的移动坐标系O2-X2Y2中的图像运动速度^的近似理论公式的详细推导过程，并且这里，将参考图2来说明该公式的含义。图2示出投影至XY平面上的照相机的状态的示意图。这里，示出了照相机的外形和镜头。在该照相机中，示出光学系统的主点Axy、加速度计Bxy和摄像装置203的中心Cxy。坐标系O4-X4Y4的原点O4固定至光学系统的主点Axy。当主点Axy移动时，X4轴相对于X轴保持平行状态，并且Y4轴相对于Y轴保持平行状态。坐标系O2-X2Y2的原点O2固定至主点Axy,并且与照相机一体化地移动。在这种情况下，X2轴与该照相机的光轴总是一致。将X4轴和X2轴之间的以原点O2为中心的角度设置为自转角度Θ _y。将X轴和标量raxy之间的以原点O为中心的角度设置为公转角度0axy。标量!·— (l+β )f/^表示
被摄体侧焦距。β表示摄像倍率。主点Axy处的重力加速度矢量g#具有通过正转动(逆
时针)从X4轴至矢量之间绕主点Axy的角度Θ gxy。Θ gxy是恒定值。近似表达式表示可以通过_(图像侧焦距)X (通过从自转角速度减去公转角速度所获得的值)来表示摄像面内的Y2方向上的图像运动速度。无近似的精确公式是表达式(12)。当进行精度较高的图像模糊校正时，可以使用该精确公式〈表达式(12)>。这里，raxy ^ (l+β )f/^表示被摄体侧焦距。
VdcxiO2-X2Y2) =fV-+
Kixy f \axy~ff^axy f
(12)与XY平面的情况相同，通过自转公转运动公式来表示照相机抖动在ZX平面上的横摆角度运动以及Z2方向上的平行运动这两个分量，并且通过近似表达式(16)获得摄像装置面内的Z2方向图像运动(摄像面的横方向上的图像运动)速度。这表示与表达式(15)相同的含义，因此这里将省略该说明。接着，将说明包括在加速度计121的输出中的分量。后面将说明该公式的推导过程。这里，将说明图像稳定所需的项。通过表达式(27)来表示获得公转角速度所使用的Y2轴方向上的加速度计输出 Accy2(0-X2Y2) οj^-Ccy2(O-X2Y2) ^ Jr axy Θ axy (弟二项公转的加速度)+(第四项科氏力)+ j rbaxy O2caxy sin(6 ~ + 冗)(第五项自转的向心力) +y>^^sin(^+^/)(第六项自转的加速度)+ j G ^miegxy - π)(第七项重力加速度分量)
(27)表达式(27)中的第三项jraxy <是获得实施例I期望获得的公转角速度<所需的分量，并且如果将第三项除以已知的raxy并进行积分，则获得公转角速度<。第四项、第五项、第六项和第七项是计算所不需要的项，并且如果不消除这些项，则这些项成为获得公转角速度时的误差分量。第四项_/+2%^表示科氏力，并且如果照相机光轴方向上的运动小、光轴方向上的速度~=0，则第四项是可以忽略的项。后面还将说明表达式(27)。第五项和第六项是由于加速度计121无法配置在理想的主点位置A处而是配置在位置B处而包括在加速度计输出Acxy2toI2y2)中的误差分量。第五项jrbaxy0二 sin(0_ +;r)是由于加速度计121以主点A为中心转动而产生的向心力。rbaxy和Θ baxy表示安装有加速度计121的位置B的坐标，并且是已知的。是自转角速度，并且是安装至照相机的角速度传感器130可以测量出的值。因此，可以计算出第五项的值。第六项+%)是加速度计121以主点A为中心转动时的加速度分
量，并且rbaxy和Qbaxy表示安装有加速度计121的位置B的坐标，并且是已知的。可以通过对安装至照相机的角速度传感器130的值进行微分来计算是-。因此，可以计算出第六项的值。第七项jGsin( Θ gxy- ji )是重力加速度的影响，并且在该近似表达式中可被看作为常数，因此可以通过电路的滤波处理消除该第七项。通过表达式(26)来表示光轴方向运动校正所使用的作为光轴的X2轴方向上的加
速度计输出 ACCX2 (0-X2Y2) °j^-CCX2(O-X2Y2) ~ ^axy (第一项光轴方向运动)- foxy O2axy (第二项公转的向心力)+ rbcDcy O1caxy Cosipbaxy +^)(第五项自转的向心力)+rbaxyOcaxyCO^baxy(第六项自转的加速度)+Gco^Ogxy - π)(第七项重力加速度分量)(26)在表达式(26)中，光轴方向运动校正仅需要第一项(光轴方向上的加速度)。第二项、第五项、第六项和第七项是光轴方向运动校正所不需要的分量，并且如果不消除这些项，则这些项成为获得作为光轴的X2轴方向上的加速度匕V时的误差分量。可以利用与表达式(27)的情况相同的方法来删除第二项、第五项、第六项和第七项。后面将说明表达式
(26)。如上所述，可以消除包括在加速度计121的输出中的误差分量，但如果进行校正计算，则模糊校正操作开始延迟了该计算时间，并且无法进行精确的模糊校正。因而，基于以下想法，将加速度计121放置于镜筒102内，由此可以使包括在加速度计121的输出中的误差分量最小。因此，不需要校正计算时间，由此可以进行精确的模糊校正。
图3是镜筒102的截面图，并且用于说明拍摄光学系统105、加速度计121和角速度传感器131的配置。在图3中，拍摄光学系统105的主点位于光轴I上，并且根据用户所设置的摄像倍率，该拍摄光学系统的主点在光轴I上在从等倍率拍摄时(最近拍摄时)的主点位置Al至无限拍摄时(β =0.0)的主点位置Α2的范围内移动。更具体地，在该拍摄光学系统中，主点在光轴I上在作为拍摄倍率β为I. O时的主点位置的点(第一点)与作为拍摄倍率β为O. O时的主点位置的第二点的范围内移动。将角速度传感器131放置于镜筒102的任意位置处，但将加速度计121放置于光轴I方向上的等倍率拍摄时的主点位置Al (第一点)和无限拍摄时的主点位置Α2(第二点)之间的位置处。例如，将加速度计121放置于光轴方向上的拍摄倍率β为O. 5的位置处。将加速度计121在光轴I方向上的位置设置为主点位置A3，将相对于等倍率拍摄时的主点位置Al的光轴I方向上的距离设置为Λ X，并且将与光轴I垂直的方向上的距离设置为ΛΥ。由此，在表达式(27)中，在等倍率拍摄的情况下，满足rbaxy = AY/sin0baxyO即，满足 tan Θ baxy = Δ Y/ Δ X。这里，如下将表达式(27)中的作为不需要项的第五项和第六项的总和表示为加速度计位置误差函数g(9ba)。= FbaxyO1baxy sin((9— + π)+ jrbaJcaxy sin(0— +^)(%)如上所述，可以忽略表达式(27)中的第四项，并且通过电路的滤波处理还可以消除第七项。因此，该滤波处理后的加速度计121的输出是第三项、第五项和第六项，因此当将包括在加速度计121的输出中并由表达式(30)来表示的加速度计位置误差函数g(e ba)的比率设置为误差比率函数f( Θ J时，可以如下表示该误差比率函数f( Θ ba)。
、 “二 Sin(6UM) + r^/Sin(6UV+X)池)=~^~—ΓΖ~^—tz-Γ/1
rOxydaxy + ^axyOcaxy Sin^ + π)+ rbaxyecaxy Sin^ +%j(3 j )以下假定加速度计121配置在拍摄倍率为β = O. 5的位置处。在表达式(31)所示出的参数中，raxy表示拍摄倍率β的函数，并且作为本申请人的认真研究的结果，已知<
与摄像倍率β成线性关系。因此，可以如下表示表达式(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)顺便提及，作为本申请人的研究结果，已知即使拍摄姿势和摄像倍率改变，乏-和是-也大致恒定。因此，当代入了乏-和的值时，表达式(32)所示出的误差比率函数f(0ba)如下所示。
权利要求
1.一种图像稳定设备，包括 拍摄光学系统，用于拍摄被摄体，其中，在所述拍摄光学系统的光轴方向上，所述拍摄光学系统的主点从第一主点位置向第二主点位置移动；以及 加速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定设备的加速度并输出该加速度，并且所述加速度检测器在所述拍摄光学系统的光轴方向上被配置在所述第一主点位置和所述第二主点位置之间。
2.根据权利要求I所述的图像稳定设备，其特征在于，还包括 倍率计算单元，用于计算所述拍摄光学系统的摄像倍率； 其中，所述加速度检测器被配置在所述摄像倍率约为0. 5的位置处。
3.根据权利要求I所述的图像稳定设备，其特征在于， 所述加速度检测器被设置在保持构成所述拍摄光学系统的透镜的框构件处、或者设置在配置于光学系统内的光圈构件处。
4.根据权利要求I所述的图像稳定设备，其特征在于，还包括 角速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定设备的角速度并输出该角速度； 计算单元，用于计算所述拍摄光学系统内的主点的位置；以及控制单元，用于基于所述角速度检测器检测到的角速度、所述加速度检测器检测到的加速度和所述计算单元计算出的主点的位置来进行图像稳定控制。
5.根据权利要求4所述的图像稳定设备，其特征在于，还包括 第一角速度计算单元，用于基于所述角速度检测器的输出来计算以所述计算单元计算出的主点的位置为中心的第一角速度分量；以及 第二角速度计算单元，用于基于所述角速度检测器的输出和所述第一角速度计算单元的计算结果来计算以与所述被摄体有关的点为中心的第二角速度分量，并且基于计算出的主点的位置校正所述第二角速度分量， 其中，所述控制单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间的差来进行图像稳定控制。
6.一种摄像设备，其包括根据权利要求5所述的图像稳定设备。
7.一种图像稳定设备，包括 拍摄光学系统，用于拍摄被摄体； 角速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定设备的角速度并输出该角速度； 加速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定设备的加速度并输出该加速度，其中，所述加速度检测器被配置在所述拍摄光学系统的最近拍摄时的主点位置和无限拍摄时的主点位置之间； 自转角速度计算单元，用于基于所述角速度检测器的输出来计算以所述拍摄光学系统的主点为中心的自转角速度分量； 公转角速度计算单元，用于基于所述加速度检测器的输出和所述自转角速度计算单元的计算结果来计算以所述被摄体为中心的公转角速度分量；以及 控制单元，用于基于所述自转角速度分量和所述公转角速度分量之间的差来进行图像稳定控制。
8.根据权利要求7所述的图像稳定设备，其特征在于，在将所述拍摄光学系统的最近拍摄时的主点位置和所述加速度检测器之间在光轴方向上的距离设置为Xba、将所述拍摄光学系统的光轴和所述加速度检测器之间在与光轴垂直的方向上的距离设置为Yba、设置了 tan( 0 ba) = Yba/Xba、并且将根据所述拍摄光学系统的摄像倍率而改变的所述加速度检测器的输出中包括的误差分量定义为误差比率函数f (Qba)的情况下， 当距离Yba恒定时，所述加速度检测器被配置在所述拍摄光学系统的最近拍摄时的主点位置和无限拍摄时的主点位置之间的如下距离Xba的位置附近，其中，在该距离Xba处，所述误差比率函数f (Qba)的积和最小。
9.根据权利要求7所述的图像稳定设备，其特征在于， 利用具有所述拍摄光学系统的摄像设备的拍摄频率对所述误差比率函数f( 6 ba)进行加权，并且所述加速度检测器被配置在所述拍摄光学系统的最近拍摄时的主点位置和无限拍摄时的主点位置之间的如下距离Xba的位置附近，其中，在该距离Xba处，加权后的误差比率函数f ( Q ba)的积和最小。
10.根据权利要求8所述的图像稳定设备，其特征在于， 利用所述图像稳定设备的平行运动的有效量对所述误差比率函数f( 6 ba)进行加权，并且所述加速度检测器被配置在所述拍摄光学系统的最近拍摄时的主点位置和无限拍摄时的主点位置之间的如下距离Xba的位置附近，其中，在该距离Xba处，加权后的误差比率函数f ( 0 ba)的积和最小。
11.根据权利要求7所述的图像稳定设备，其特征在于，还包括自转公转差计算单元，所述自转公转差计算单元用于基于所述自转角速度分量和所述公转角速度分量之间的差来计算自转公转差值， 其中，所述控制单元基于所述自转公转差值进行图像稳定控制。
12.根据权利要求7所述的图像稳定设备，其特征在于，还包括自转公转角速度比率计算单元，所述自转公转角速度比率计算单元用于计算作为所述公转角速度分量相对于所述自转角速度分量的比率的自转公转角速度比率， 其中，所述公转角速度计算单元利用实时计算出的自转角速度分量与所述自转公转角速度比率计算单元计算出的自转公转角速度比率的乘积来计算所述公转角速度分量的估计值。
13.根据权利要求12所述的图像稳定设备，其特征在于， 当所述自转公转角速度比率超过预定值时，所述自转公转角速度比率计算单元将所述自转公转角速度比率设置为指定常数。
14.根据权利要求12所述的图像稳定设备，其特征在于， 所述控制单元在所述自转公转角速度比率大于预定值时，基于所述自转公转差值进行图像稳定控制，并且在所述自转公转角速度比率等于或小于所述预定值时，基于所述自转角速度分量进行图像稳定控制。
15.根据权利要求11所述的图像稳定设备，其特征在于， 所述控制单元在所述拍摄光学系统的摄像倍率为预定值以上时，基于所述自转公转差值进行图像稳定控制，并且在所述拍摄光学系统的摄像倍率小于所述预定值时，基于所述自转角速度分量进行图像稳定控制。
16.根据权利要求7所述的图像稳定设备，其特征在于，还包括 光轴方向加速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定设备的加速度的光轴方向分量；以及 光轴方向运动校正控制单元，用于校正由施加至所述图像稳定设备的运动的光轴方向分量所引起的图像模糊， 其中，所述光轴方向运动校正控制单元基于所述加速度的光轴方向分量进行光轴方向运动校正控制。
17.一种摄像设备，其包括根据权利要求7所述的图像稳定设备。
全文摘要
一种图像稳定器，包括拍摄光学系统，用于拍摄被摄体，其中，所述拍摄光学系统的主点在光轴方向上在第一主点和第二主点之间移动；以及加速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定器的加速度，并且在所述光轴方向上配置在所述第一主点和所述第二主点之间。还包括角速度检测器，用于检测施加至所述图像稳定器的角速度；加速度检测器，其配置在最近拍摄时的主点和无限拍摄时的主点之间，并用于检测施加至所述图像稳定器的加速度；自转角速度计算器，用于基于所述角速度检测器计算以所述拍摄光学系统的主点为中心的自转角速度分量；公转角速度计算器，用于基于所述加速度检测器和所述自转角速度计算器来计算以所述被摄体为中心的公转角速度分量；以及控制器，用于基于所述自转角速度分量和所述公转角速度分量之间的差进行图像稳定控制。
文档编号G03B5/00GK102804053SQ20108002607
公开日2012年11月28日 申请日期2010年4月23日 优先权日2009年6月11日
发明者能登悟郎, 增田晋一 申请人:佳能株式会社