(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交３軸地磁気センサを有し該センサから得られる各軸の３つの出力値のうち２つを選択して使用する３軸電子コンパスと、この３軸電子コンパスの傾斜を検出する傾斜センサとを用いて、３軸電子コンパスに対する特定方向の方位を測定する方位測定方法であって、
上記特定方向と水平面の成す仰角を上記傾斜センサから取得して、取得した仰角に応じて、上記３軸電子コンパスから得られる３つの出力値のうち、選択する２つの出力値を切り換える段階と、
上記切り換えられた２つの出力値により地磁気の方位を取得する段階と、
上記傾斜センサから上記特定方向回りの回転角を取得する段階と、
上記取得した仰角、地磁気の方位、及び回転角に基づいて、上記切り換えによって発生する上記特定方向の方位のずれ角を算出する段階と、
上記算出したずれ角により上記特定方向の方位を補正する段階と、
を有することを特徴とする３軸電子コンパスを用いた方位測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定方法において、取得した仰角が、３０°から６０°の範囲又は−３０°から−６０°の範囲にある所定の境界値を超えたときに、上記選択する２つの出力値を切り換える３軸電子コンパスを用いた方位測定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定方法において、上記ずれ角を算出する段階は、上記仰角をh、上記回転角をθ、上記ずれ角をΔηとしたとき、ずれ角Δηを下記式３によって算出する段階を含む３軸電子コンパスを用いた方位測定方法。
Δη=ArcTan(Tan(θ)/sin(h))    ・・・式３
【請求項４】
請求項３記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定方法において、上記特定方向の方位を補正する段階では、上記切り換え後の３軸電子コンパスから取得した方位をA、上記切り換え後の特定方向の実際の方位をA′としたとき、実際の方位A′を下記式４によって算出する段階を含む３軸電子コンパスを用いた方位測定方法。
A′=A + Δη    ・・・式４
【請求項５】
直交３軸地磁気センサを有し該センサから得られる各軸の３つの出力値のうち２つを選択して使用する３軸電子コンパスと、この３軸電子コンパスの傾斜を検出する傾斜センサとを有し、３軸電子コンパスに対する特定方向の方位を測定する方位測定装置であって、
上記特定方向と水平面の成す仰角を上記傾斜センサから取得して、取得した仰角に応じて、上記３軸電子コンパスから得られる３つの出力値のうち、選択する２つの出力値を切り換える切換手段と、
上記切り換えられた２つの出力値により地磁気の方位を取得する方位取得手段と、
上記傾斜センサから上記特定方向回りの回転角を取得する回転角取得手段と、
上記取得した仰角、地磁気の方位、及び回転角に基づいて、上記切換手段による切り換えによって発生する上記特定方向の方位のずれ角を算出するずれ角算出手段と、
上記ずれ角算出手段が算出したずれ角により上記特定方向の方位を補正する補正手段と、
を特徴とする３軸電子コンパスを用いた方位測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置において、上記切換手段は、取得した仰角が、３０°から６０°の範囲又は−３０°から−６０°の範囲にある所定の境界値を超えたときに、上記選択する２つの出力値を切り換える３軸電子コンパスを用いた方位測定装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置において、上記ずれ角算出手段は、上記仰角をh、上記回転角をθ、上記ずれ角をΔηとしたとき、ずれ角Δηを下記式３によって算出する３軸電子コンパスを用いた方位測定装置。
Δη=ArcTan(Tan(θ)/sin(h))    ・・・式３
【請求項８】
請求項７記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置において、上記補正手段は、上記切り換え後の３軸電子コンパスから取得した方位をA、上記切り換え後の特定方向の実際の方位をA′としたとき、実際の方位A′を下記式４によって算出する３軸電子コンパスを用いた方位測定装置。
A′=A + Δη    ・・・式４
【請求項９】
請求項５ないし８のいずれか１項記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置において、該方位測定装置はデジタルカメラに搭載されており、上記特定方向は搭載されたデジタルカメラの撮影レンズの撮影光軸と平行に設定されている３軸電子コンパスを用いた方位測定装置。
【請求項１０】
請求項９記載の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置において、該方位測定装置は、測定した上記撮影レンズの撮影光軸の方位を表示する表示手段を備えている３軸電子コンパスを用いた方位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搭載された撮影装置（デジタルカメラ）の姿勢にかかわらず、常に撮影装置の特定方向の方位（例えば撮影装置の撮影光学系の撮影光軸の方位）を正確に測定できる３軸電子コンパスを用いた方位測定方法および方位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子コンパスを搭載した双眼鏡等の機器が知られている。例えば、特許文献１には、視野内に電子コンパスを表示できる双眼鏡が開示されており、特許文献２には、観察されている目標物の方位を視野内に表示する双眼鏡が開示されている。しかし、特許文献１、２にあっては、対物光学系光軸や視線が水平に対して大きく傾いた状態、例えば空、天頂を見上げた状態において、方位を正しく検出することができない。
【０００３】
また近年、互いに直交する３軸の地磁気センサを備えた３軸電子コンパスが開発されている。この種の３軸電子コンパスが搭載された携帯電話などの機器は、互いに直交する３軸の地磁気センサが地磁気を検出し、さらに重力方向（機器の前後方向の傾き）を検出して、携帯電話のユーザーが向いている方位を求めている（特許文献３）。
【０００４】
さらに、地球の自転により撮影装置に対して相対的に移動（日周運動）する天体を撮影するために、撮影装置を固定したままで、撮影装置の撮像素子を駆動（移動）させながら撮影する天体自動追尾撮影が提案されている（特許文献４、５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３４２０号公報
【特許文献２】特開平７−４３１６２号公報
【特許文献３】特開２００７−４０９８２号公報
【特許文献４】特開２００８−２８９０５２号公報
【特許文献５】特開２０１０−１２２６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような天体自動追尾撮影では、より精度の高い天体追尾を行うために、撮影装置の撮影光学系が向いている撮影方位を正確に測定する必要がある。
【０００７】
しかしながら、特許文献３のような従来の３軸電子コンパスを特許文献４、５のような天体自動追尾撮影に適用して、撮影装置を天頂方向（またはそれに近い方向）に向けた状態で、撮影装置の撮影光学系が向いている撮影方位を測定しようとすると、全く異なる方位が撮影装置の撮影光学系が向いている方位として測定される場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような問題意識に基づき、３軸電子コンパスとこれを搭載した撮影装置の姿勢にかかわらず、撮影装置の特定方向の方位（例えば撮影装置の撮影光学系の撮影光軸の方位）を正確に測定できる３軸電子コンパスを用いた方位測定方法および方位測定装置を得ることを目的とする。
【０００９】
本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定方法は、直交３軸地磁気センサを有し該センサから得られる各軸の３つの出力値のうち２つを選択して使用する３軸電子コンパスと、この３軸電子コンパスの傾斜を検出する傾斜センサとを用いて、３軸電子コンパスに対する特定方向の方位を測定する方位測定方法であって、上記特定方向と水平面の成す仰角を上記傾斜センサから取得して、取得した仰角に応じて、上記３軸電子コンパスから得られる３つの出力値のうち、選択する２つの出力値を切り換える段階と、上記切り換えられた２つの出力値により地磁気の方位を取得する段階と、上記傾斜センサから上記特定方向回りの回転角を取得する段階と、上記取得した仰角、地磁気の方位、及び回転角に基づいて、上記切り換えによって発生する上記特定方向の方位のずれ角を算出する段階と、上記算出したずれ角により上記特定方向の方位を補正する段階と、を有することを特徴としている。
【００１０】
本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定方法は、取得した仰角が、３０°から６０°の範囲又は−３０°から−６０°の範囲にある所定の境界値を超えたときに、上記選択する２つの出力値を切り換えることが好ましい。
【００１１】
上記ずれ角を算出する段階は、上記仰角をh、上記回転角をθ、上記ずれ角をΔηとしたとき、ずれ角Δηを下記式３によって算出する段階を含むことができる。
Δη=ArcTan(Tan(θ)/sin(h))    ・・・式３
【００１２】
上記特定方向の方位を補正する段階では、上記切り換え後の３軸電子コンパスから取得した方位をA、上記切り換え後の特定方向の実際の方位をA′としたとき、実際の方位A′を下記式４によって算出する段階を含むことができる。
A′=A + Δη    ・・・式４
【００１３】
本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置は、直交３軸地磁気センサを有し該センサから得られる各軸の３つの出力値のうち２つを選択して使用する３軸電子コンパスと、この３軸電子コンパスの傾斜を検出する傾斜センサとを有し、３軸電子コンパスに対する特定方向の方位を測定する方位測定装置であって、上記特定方向と水平面の成す仰角を上記傾斜センサから取得して、取得した仰角に応じて、上記３軸電子コンパスから得られる３つの出力値のうち、選択する２つの出力値を切り換える切換手段と、上記切り換えられた２つの出力値により地磁気の方位を取得する方位取得手段と、上記傾斜センサから上記特定方向回りの回転角を取得する回転角取得手段と、上記取得した仰角、地磁気の方位、及び回転角に基づいて、上記切換手段による切り換えによって発生する上記特定方向の方位のずれ角を算出するずれ角算出手段と、上記ずれ角算出手段が算出したずれ角により上記特定方向の方位を補正する補正手段と、を特徴としている。
【００１４】
上記切換手段は、取得した仰角が、３０°から６０°の範囲又は−３０°から−６０°の範囲にある所定の境界値を超えたときに、上記選択する２つの出力値を切り換えることが好ましい。
【００１５】
上記ずれ角算出手段は、上記仰角をh、上記回転角をθ、上記ずれ角をΔηとしたとき、ずれ角Δηを下記式３によって算出することができる。
Δη=ArcTan(Tan(θ)/sin(h))    ・・・式３
【００１６】
上記補正手段は、上記切り換え後の３軸電子コンパスから取得した方位をA、上記切り換え後の特定方向の実際の方位をA′としたとき、実際の方位A′を下記式４によって算出することができる。
A′=A + Δη    ・・・式４
【００１７】
本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置は、例えばデジタルカメラに搭載することができ、上記特定方向は搭載されたデジタルカメラの撮影レンズの撮影光軸と平行に設定することができる。
【００１８】
本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置は、測定した上記撮影レンズの撮影光軸の方位を表示する表示手段を備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、３軸電子コンパスとこれを搭載した撮影装置の姿勢にかかわらず、撮影装置の特定方向の方位（例えば撮影装置の撮影光学系の撮影光軸の方位）を正確に測定できる３軸電子コンパスを用いた方位測定方法および方位測定装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】３軸電子コンパスを搭載したカメラの姿勢と３軸電子コンパスの３軸との関係を示した斜視図である。
【図２】同カメラを水平に構えた場合の、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。
【図３】同カメラを上方に向けた場合の側面図である。
【図４】同カメラを上方に向けた場合の（Ａ）は平面図、（Ｂ）は同カメラを撮影光軸回りに回転させた平面図である。
【図５】３軸電子コンパスを回転させて測定した地磁気ベクトルの様子を示したグラフである。
【図６】３軸電子コンパスを回転させて測定した地磁気ベクトルの様子を成分分解して示したグラフである。
【図７】本発明の３軸電子コンパスを備えた方位測定装置を適用したデジタルカメラの実施形態の主要構成要素をブロックで示した図である。
【図８】３軸電子コンパスを用いた方位測定方法および方位測定装置により撮影光軸の向いている方位を算出する動作をフローチャートで示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、直交３軸の３軸電子コンパス１１０を搭載したカメラ１０の姿勢と、３軸電子コンパス１１０の３軸（各地磁気センサの最大感度方向軸）との関係を示した斜視図である。この３軸電子コンパス１１０は、各地磁気センサによって検出される３つの出力値（電圧値など）のうちの２つの出力値を選択して演算し、地磁気（地磁気線）の方位を検出する構成である。３軸電子コンパス１１０の３軸は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸で定義される。図１では、３軸電子コンパス１１０の３軸地磁気センサの一つが、カメラ１０の撮影レンズ１０１の撮影光軸ＬＯと平行に設定されたＹ軸と一致している。他の２軸地磁気センサは、カメラ１０の底面と平行に設定されたＸ軸、及びカメラ１０の上下方向に設定されたＺ軸と一致している。
【００２２】
地球上での地磁気（磁力線）は、水平方向を向いていると想定される。地磁気は方向と大きさを有するベクトル（以下「地磁気ベクトル」という）なので、地球上でカメラ１０を水平に構えた場合、３軸電子コンパス１１０のＸ−Ｙ軸が水平になるように設定されている。地磁気ベクトルとカメラ１０及び３軸電子コンパス１１０の３軸との関係は図２（Ａ）、（Ｂ）のようになる。なお、カメラ１０を水平に構えた場合とは、撮影光軸ＬＯが水平（水平面と平行）であり、かつカメラ１０の底面、あるいはカメラの撮像面の長辺が水平（水平面と平行）な状態をいう。このようにカメラ１０を水平に構えた場合、Ｘ−Ｙ軸が水平になり、Ｚ軸が鉛直になる。このカメラ１０の姿勢が基準位置である。図２ないし図４において、符号Ｓは地磁気のＳ極（磁北）方向を、符号Ｎは地磁気のＮ極方向を意味している。
【００２３】
撮影レンズ１０１の向きを水平面上で変える（パーンする）と、３軸電子コンパス１１０のＸ軸、Ｙ軸と地磁気ベクトルの成す角度が変化して、Ｘ軸、Ｙ軸方向の地磁気センサの出力が変動するので、Ｘ軸、Ｙ軸方向の地磁気センサの出力を合成して、Ｘ軸及びＹ軸により規定される２軸平面（以下、「Ｘ−Ｙ平面」という）内における地磁気ベクトルの方向（磁北）を算出できる。
【００２４】
地磁気は大きさと方向を持つベクトルなので、Ｘ−Ｙ平面に投影される地磁気ベクトルの大きさが大きいほど、つまりＸ−Ｙ平面と水平面の成す角度（絶対値）が０°に近いほど、地磁気ベクトルの方向（磁北（Ｓ極）方向、方位）を精度良く正確に算出可能である。一方、カメラ１０を上向きもしくは下向きに傾けると（チルトさせると）、Ｘ−Ｙ平面と地磁気の成す角度（絶対値）が大きくなって、Ｘ−Ｙ平面に投影される地磁気ベクトルが小さくなって精度が下がり、最大角９０°では投影した地磁気ベクトルの大きさが０となるため、３軸電子コンパス１１０の精度、正確さが極端に下がってしまう。そのため、カメラ１０をＸ−Ｙ平面と地磁気の成す角度４５°より上向きもしくは下向きに傾けた場合は、Ｘ−Ｙ平面ではなく、Ｘ−Ｚ平面で地磁気を測定した方が精度が良い。そこで、本実施形態では、カメラ１０に加速度センサ（３軸加速度センサ、傾斜センサ）１２０（図７）を搭載し、加速度センサ１２０によりカメラ姿勢、例えば撮影レンズ１０１の撮影光軸ＬＯと水平面が成す仰角（仰角及び俯角を含む）hを測定して、仰角hの絶対値４５°を境に、３軸地磁気センサが出力する３つの出力値のうちの２つの出力値の選択を切り換える。つまり、地磁気ベクトルが水平の場合、仰角hの絶対値が４５°未満になるＸ−Ｙ平面またはＸ−Ｚ平面を構成する地磁気センサの出力値に切り換える。以下、特定の２軸の出力値を切り換えることを「２軸地磁気センサに切り換える」、特定の２軸の出力値を使って演算することを「２軸地磁気センサで測定する」と言う。
【００２５】
しかし、Ｘ−Ｚ平面を構成する２軸地磁気センサで地磁気を測定するように２軸地磁気センサを切り換えると、２軸地磁気センサはＸ−Ｚ平面内における地磁気ベクトルを測定することになる。図１に示したカメラ１０の場合、例えば３軸電子コンパス１１０で使用する２軸地磁気センサをＸ−Ｚ平面に対応する２軸地磁気センサに切り換えると、カメラ１０の底部と上部が向いているＺ軸方向、またはカメラ１０の側面が向いているＸ軸方向の方位を測定することになる。
【００２６】
カメラ１０で、上述の特許文献４、５のような天体自動追尾撮影をするための追尾データを算出する場合、撮影レンズ１０１が向いている方位情報が高精度で要求される。しかし、仰角hが４５°を超えた状態、つまり３軸電子コンパス１１０がＸ−Ｚ平面を構成する２軸地磁気センサに切り換えられた状態でカメラ１０を撮影光軸ＬＯ回りに回転させるようにカメラ姿勢を変化させた場合、例えば、カメラ１０を上方に向けた図３、図４（Ａ）のカメラ姿勢から図４（Ｂ）のカメラ姿勢までカメラ１０を撮影光軸ＬＯ回りに回転させた場合は、撮影レンズ１０１の向いている方位は変化していないにも関わらず、Ｘ−Ｚ平面に対する地磁気ベクトルの向きが変化してしまうため、３軸電子コンパス１１０は撮影レンズ１０１の向いている方位とは異なる方位を測定してしまう。
【００２７】
そこで、Ｘ−Ｚ平面を構成する２軸地磁気センサに切り換えられた３軸電子コンパス１１０から測定データ（地磁気線の方向、磁北方向のデータ）を得た際に、カメラ１０の姿勢を測定する加速度センサ（３軸加速度センサ）１２０（図７）から、仰角h（撮影光軸ＬＯと水平面の成す角度）と撮影光軸ＬＯ回りの回転角θを得て、３軸電子コンパス１１０の測定データを撮影光軸ＬＯが向いている方位に補正する。加速度センサ１２０は、仰角hと撮影光軸ＬＯ回りの回転角θを検出する傾斜センサとして機能する。
【００２８】
より具体的には、例えばカメラ１０を水平に構えた状態（撮影光軸ＬＯ及びカメラ１０の底面が水平面と平行な状態）を回転角θが０°の状態とし、Ｘ−Ｙ平面を構成する２軸地磁気センサによって、撮影光軸ＬＯの方位が「北」（Ｎ）と検出されているとする。そしてカメラ１０をそのまま撮影光軸ＬＯ回りに回転させずに仰角hを変化させた場合に、３軸電子コンパス１１０の地磁気センサがＸ−Ｚ平面を構成する地磁気センサに切り換わっても、３軸電子コンパス１１０が測定する撮影光軸ＬＯの方位は「北」のまま変動しないように設定（プログラム）しているとする。さてカメラ１０を水平に構えた状態で撮影光軸ＬＯ回りに回転角θ＝９０°回転させてカメラ１０を縦撮りの姿勢とした場合は、この時、既にＹ−Ｚ平面を構成する２軸地磁気センサに切り換わっているので、カメラ１０をこの縦撮り姿勢から、撮影光軸ＬＯ回りに回転させずに仰角hを変化させると、Ｘ−Ｚ平面を構成する地磁気センサに切り換わった時点で、３軸電子コンパス１０の指す撮影光軸ＬＯの方位は、先の場合の方位（「北」）に対して９０°（または−９０°）ずれてしまい、「西」（または「東」）が検出されてしまうので、縦撮りの姿勢（θ＝９０°）が検出された場合には検出値（方位）を−９０°（または＋９０°）して補正すれば良い。しかし、回転角θが、０°と９０°の途中の角度（０°＜θ＜９０°）の場合には、３軸電子コンパス１１０の検出値（方位）から、回転角と同じ値のθを差し引いただけでは正確な方位が求められない。
【００２９】
カメラ１０が仰角h傾いて３軸電子コンパス１１０の２軸地磁気センサが切り換わった状態で撮影光軸ＬＯの正確な方位角を測定する方法を一般化するには、仰角h（４５°＜h＜９０°）に応じて傾いたＸ−Ｚ平面が、地磁気を検出していることを考慮する。すなわち、仰角hが４５°の場合と９０°の場合において３軸電子コンパス１１０が同じ方位０°を指し示していても、仰角hが４５°の場合と９０°の場合ではＸ−Ｚ平面上に投影された地磁気ベクトルの大きさが異なる。この地磁気ベクトルの大きさの変化は、水平に構えた円を仰角方向に傾けたときに、上から見た様子は楕円となる様子で説明できる。２軸地磁気センサを水平面で回転させたときに地磁気ベクトルによって得られる点を２軸平面上にプロットしていくと円（以下「磁気円」と呼ぶ）を描く（図５、図６参照）。
【００３０】
図５で具体的に説明すると、カメラ１０を水平線に向けた初期状態から撮影光軸ＬＯ回りに回転させず（θ＝０°）に仰角hが９０°になるまで上向きに傾けて撮影光軸ＬＯが天頂を向いた状態で、カメラ１０を撮影光軸ＬＯ回りに回転させると、（Ｘ−Ｚ平面は水平面と平行なので）Ｘ−Ｚ平面に描かれる磁気円（地磁気ベクトルの軌跡）は円軌道となり、Ｘ−Ｚ平面は地磁気ベクトルに対して、撮影光軸ＬＯ回りに回転させた角度（回転角θ）だけ回転する。この磁気円を単位円として描いたのが図５の軌跡(2)の円弧であり、カメラ１０を撮影光軸ＬＯ回りに４５°回転させた場合（θ＝４５°）の磁気ベクトルがＺ軸の方位を表す方位線(4)となる。縦軸は、初期状態では撮影光軸ＬＯ（Ｙ軸）方向であり、撮影光軸ＬＯが天頂を向いた状態ではＺ軸の方向である。Ｚ軸の方位線(4)は、撮影光軸ＬＯの初期方向から４５°ずれている（回転している）のがわかる。
【００３１】
一方、カメラ１０を初期状態から、撮影光軸ＬＯ回りに回転させずに仰角hが４５°になるまでチルトさせると（撮影光軸ＬＯの仰角hを４５°にすると）、Ｘ−Ｚ平面は水平面に対して４５°を成すので、Ｘ−Ｚ平面に投影される磁気円が軌跡(1)のように楕円となる。この状態でカメラ１０を撮影光軸ＬＯ回りに４５°回転させると、Ｚ軸の方位は方位線(3)のように撮影光軸ＬＯからもＺ軸の方位線(4)のデータからもずれた方位を指すことが分かる。これは、図６の軌跡(2)の撮影光軸ＬＯ側の円の直径だけが軌跡(1)のように縮小した形となり、撮影光軸ＬＯと垂直の方向では軌跡(2)も(1)も直径は等しいことに原因がある。つまり、図６に示したように、Ｚ軸の方位線(3)と(4)を直交方向のベクトルα、βとベクトルβ、γに成分分解すると、仰角９０°と４５°の場合において、ベクトルγの大きさは同一であるが、ベクトルαに対してベクトルβが縮小するため、合成するとＺ軸の方位線(3)と(4)のようなずれが生じる。そこで本カメラ１０は、このように仰角hの変化により生じる撮影光軸ＬＯの方位と３軸電子コンパス１１０が測定した方位とのずれを、以下の通り補正する。
【００３２】
撮影光軸ＬＯとＺ軸の方位線(3)の成す角をΔηとすると、
Δη= ArcTan(ベクトルαの大きさ/ベクトルγの大きさ)    ・・・式１
となる。
ベクトルγの大きさは、撮影光軸ＬＯ回りの回転角をθとして  cos(θ)となる。
ベクトルαの大きさは、楕円の式
(X2)/(a2)+(Y2)/(b2)=1    ・・・式２
において変数Yをベクトルαの大きさと考えると、仰角をhとして、a = 1とおくと、X = cos(θ)、b = sin(h)となるので、ずれ角Δηは、
Δη= ArcTan(((1−(cos(θ)2/a2)1/2)×sin(h))/cos(θ))
=ArcTan(Tan(θ)/sin(h))    ・・・式３
により算出できる。
よって、３軸電子コンパス１１０から得られている方位Aとずれ角Δηから、２軸地磁気センサの切り換えをおこなった場合の撮影光軸ＬＯの実際の方位A′は、
A′=A + Δη    ・・・式４
により算出できる。
【００３３】
本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置をデジタルカメラに搭載した実施形態について、図７を参照して説明する。本実施形態のカメラ１０は、カメラボディ１１と撮影レンズ１０１（撮影光学系Ｌ）を備えている。カメラボディ１１内には、撮影光学系Ｌの後方に撮像手段として撮像センサ１３が配設されている。撮影光学系Ｌの撮影光軸ＬＯと撮像センサ１３の撮像面１４とは直交している。この撮像センサ１３は、撮像センサ駆動ユニット（移動手段）１５に搭載されている。撮像センサ駆動ユニット１５は、固定ステージと、この固定ステージに対して可動な可動ステージと、該固定ステージに対して可動ステージを移動させる電磁回路とを有しており、可動ステージに撮像センサ１３が保持されている。撮像センサ１３（可動ステージ）は、撮影光軸ＬＯと直交する所望の方向に所望の移動速度で平行移動制御され、さらに撮影光軸ＬＯと平行な軸（光軸と直交する面内の何処かに位置する瞬間中心）を中心として所望の回転速度で回転制御される。このような撮像センサ駆動ユニット１５はカメラの像ブレ補正装置の防振ユニットとして公知である。
【００３４】
カメラボディ１１には、カメラ全体の機能を制御するＣＰＵ（切換手段、方位取得手段、回転角取得手段、ずれ角算出手段、補正手段、演算制御手段）２１が搭載されている。ＣＰＵ２１は、撮像センサ１３を駆動制御し、撮像センサ１３が撮影した画像信号を処理してＬＣＤモニタ２３に表示するとともに、メモリーカード２５に書き込む。（ＣＰＵ２１には、撮像センサ駆動ユニット１５を防振ユニットとして用いる際にカメラに加わる振れを検出するために、Ｘ方向ジャイロセンサＧＳＸ、Ｙ方向ジャイロセンサＧＳＹ、及び回転検出ジャイロセンサＧＳＲが検出した信号が入力される。
【００３５】
カメラボディ１１は、スイッチ類として、電源スイッチ２７、レリーズスイッチ２８、設定スイッチ２９を備えている。ＣＰＵ２１は、これらのスイッチ２７、２８、２９のオン／オフ状態に応じた制御を実行する。例えば、電源スイッチ２７の操作を受けて、図示しないバッテリからの電力供給をオン／オフし、レリーズスイッチ２８の操作を受けて焦点調節処理、測光処理及び撮影処理を実行する。設定スイッチ２９は、撮影モードなどを選択し、設定するスイッチである。
【００３６】
カメラボディ１１内には、緯度情報入力手段としてのＧＰＳユニット１３０、方位情報入力手段としての３軸電子コンパス１１０、及び仰角、傾斜情報入力手段としての加速度センサ（３軸加速度センサ）１２０が内蔵されている。ＣＰＵ２１には、ＧＰＳユニット１３０から緯度及び経度情報、３軸電子コンパス１１０から方位A情報、及び加速度センサ１２０は、撮影光軸ＬＯ回りの回転角θ（カメラボディ１１の左右傾斜角）及び仰角h情報が入力される。
【００３７】
カメラ姿勢は、カメラボディ１１（撮像センサ１３）の基準位置からの撮影光軸ＬＯを中心とする回転角θに関する情報と、撮影レンズ１０１（撮影光軸ＬＯ）の仰角hに関する情報である。カメラボディ１１（撮像センサ１３）の基準位置は、例えば、撮影光軸ＬＯと平行な方向をＹ軸、矩形の撮像センサ１３の長辺方向と平行な方向（普通はカメラボディ１１の底面と平行な方向）で撮影光軸ＬＯと直交する方向をＸ軸としたときに、Ｙ−Ｘ平面が水平面となる位置である。そして、カメラボディ１１の撮影光軸ＬＯ回りの回転角θ（カメラボディ１１が基準位置から撮影光軸ＬＯ回りに回転したときの回転角）、カメラボディ１１が上方または下方に向けられたときに撮影光軸ＬＯ（Ｙ軸）と水平面の成す角度が仰角hである。なお、カメラボディ１１の基準位置では回転角（左右傾斜角）θは０°、仰角hは０°である。
【００３８】
３軸電子コンパス１１０は、Ｙ軸が撮影光軸ＬＯと平行、Ｘ軸がカメラボディ１１の撮像センサ１３の長手方向と平行、Ｚ軸がＸ軸及びＹ軸と直交する方向（撮像センサ１３の短手方向と平行）に設定されている。そしてＣＰＵ２１は３軸電子コンパス１１０を使って撮影光軸ＬＯの方位（撮影方位）を、カメラボディ１１の姿勢にかかわらず測定(算出）する。
【００３９】
以上のＧＰＳユニット１３０、３軸電子コンパス１１０及び加速度センサ１２０は、カメラボディ１１に内蔵する他、いずれか又は全てをカメラボディ１１に対する外付けタイプとしてもよい。具体的には、アクセサリーシュー、又は底板に装着されるブラケットにこれらセンサを装備し、アクセサリーシューの接点を介して、又はＵＳＢ等のコネクタを介してＣＰＵ２１に入力する構成とすることができる。
【００４０】
ＣＰＵ２１は、ＧＰＳユニット１３０から入力した緯度経度情報、３軸電子コンパス１１０から入力した方位A、加速度センサ１２０から入力した仰角h及び回転角（カメラ姿勢）θ、並びに前述の焦点距離検出装置１０５から入力した焦点距離情報ｆを、ＬＣＤモニタ２３に表示し、撮影情報またはログ情報としてメモリーカード２５に記録する。
【００４１】
カメラ１０による撮影光軸ＬＯの方位測定動作について、図８に示したフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに入ると、先ず、ＣＰＵ２１は、加速度センサ１２０から仰角hを取得する（Ｓ１１）。次に、ＣＰＵ２１は、取得した仰角hが４５°より大きいか−４５°より小さいかチェックする（Ｓ１３）。ＣＰＵ２１は、仰角hが４５°より大きくなく、かつ−４５°より小さくない場合（−４５°≦h≦４５°、Ｓ１３：ＮＯ）は、３軸電子コンパス１１０から方位Aを取得して（Ｓ１５）終了する。この場合、３軸電子コンパス１１０は、Ｘ−Ｙ軸平面を構成する２軸地磁気センサを使用しているので、３軸電子コンパス１１０から入力した方位Aが撮影光軸ＬＯの撮影方位と一致している。
【００４２】
仰角hが４５°より大きいか、−４５°より小さい場合（４５°＜h≦９０°または−９０°≦h＜−４５°、Ｓ１３：ＹＥＳ）は、ＣＰＵ２１は、３軸電子コンパス１１０に、Ｘ−Ｚ軸平面を構成する２軸地磁気センサに切り換える切り換え信号を送る。この切り換え信号を受けた３軸電子コンパス１１０は、Ｘ−Ｚ軸平面を構成する２軸地磁気センサに切り換えて（Ｓ１７）、切り換えた２軸地磁気センサにより地磁気を測定し、方位Aを出力する。ＣＰＵ２１は、３軸電子コンパス１１０からこの方位Aを取得する（Ｓ１９）。続いてＣＰＵ２１は、加速度センサ１２０から回転角θを取得する（Ｓ２１）。３軸電子コンパス１１０から方位Aを取得するステップ（Ｓ１９）と加速度センサ１２０から回転角θを取得するステップ（Ｓ２１）は、その順序を問わない。つまり、加速度センサ１２０から回転角θを取得した後に、３軸電子コンパス１１０から方位Aを取得してもよい。
【００４３】
次にＣＰＵ２１は、仰角hが９０°または−９０°かどうかを判断する（Ｓ２２）。仰角hが９０°または−９０°の場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）は、撮影光軸ＬＯは鉛直上向きまたは鉛直下向きであり、撮影光軸ＬＯの方位は定義できない。また回転角θは取得できない。そこで、方位AはＳ１９で取得した方位のままとし、θ＝０°を代入する（Ｓ２４）。このときＬＣＤモニタ２３には「鉛直」等と表示してもよい。仰角hが９０°または−９０°でない場合（４５°＜h＜９０°または−９０°＜h＜−４５°、Ｓ２２：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、取得した仰角h、回転角θを式３に代入して、ずれ角Δηを算出する（Ｓ２３）。さらにＣＰＵ２１は、取得した方位Aと算出したずれ角Δηを式４に代入して、撮影光軸ＬＯの撮影方位である方位A′を算出する（Ｓ２５）。
【００４４】
以上の処理によりＣＰＵ２１は、カメラボディ１１が天頂等を向いていても、撮影光軸ＬＯの正確な撮影方位である方位A′を算出できる。算出した方位A′は、ＬＣＤモニタ２３に表示され、また撮影データとしてメモリーカード２５に書き込まれる。
【００４５】
本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定装置を搭載したカメラ１０は、ＧＰＳユニット１３０も搭載しているので、撮影地点の位置情報（緯度、経度情報）とともに、撮影方位、撮影仰角も記録することができる。また以上で得られた情報を特許文献４、５のような天体自動追尾撮影に用いることで、カメラボディ１１の仰角によらず、カメラ（撮影装置）１０の撮影レンズ（撮影光学系）１０１が向いている撮影方位を正確に求めることができ、天体自動追尾撮影用の追尾データを正確に算出することができる。
【００４６】
以上の実施形態では、取得した撮影仰角が４５°または−４５°を超えたときに、２軸地磁気センサをＸ−Ｙ軸平面からＸ−Ｚ平面に切り換えている。しかし、２軸地磁気センサを切り換える仰角ｈの境界値は４５°または−４５°に限定されず、例えば、３０°から６０°の範囲内または−３０°から−６０°の範囲内で適宜設定することができる。
【００４７】
以上、本発明の３軸電子コンパスを用いた方位測定方法及び方位測定装置をカメラ１０に適用した実施形態について説明したが、本発明は他の機器、例えば、天体望遠鏡、望遠鏡、双眼鏡、カメラ付き携帯電話などの機器に適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  カメラ
１１  カメラボディ
１３  撮像センサ
１５  撮像センサ駆動ユニット
２１  ＣＰＵ（切換手段、方位取得手段、回転角取得手段、ずれ角算出手段、補正手段、演算制御手段）
２３  ＬＣＤモニタ（表示手段）
２５  メモリーカード
２８  レリーズスイッチ
２９  設定スイッチ
１０１  撮影レンズ（撮影光学系）
１１０  ３軸電子コンパス
１２０  加速度センサ（傾斜センサ）
１３０  ＧＰＳユニット（緯度経度情報入力手段）
ＧＳＸ  Ｘ方向ジャイロセンサ
ＧＳＹ  Ｙ方向ジャイロセンサ
ＧＳＲ  回転検出ジャイロセンサ
ＬＯ  撮影光軸（特定方向、Ｙ方向）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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