(57)【要約】【課題】  像ぶれ補正が可能な撮像光学系を有するにもかかわらず、可動部が少なく、構造が簡素でコンパクト撮像装置を提供する。【解決手段】  被写体の光学的な像を電気的な画像信号に変換して出力可能な撮像装置であって、被写体の光学的な像を形成する撮像光学系と、撮像光学系が形成した光学的な像を、電気的な画像信号に変換して出力する撮像素子と、撮像光学系に含まれ、入力される駆動信号に基づいて、その光軸を撮像光学系の光軸からシフトさせることが可能な可変レンズと、撮像装置の像ぶれ量を演算し、当該像ぶれ量から像ぶれを補正するための像ぶれ制御信号を生成して出力する像ぶれ制御部と、像ぶれ制御部からの像ぶれ制御信号に基づいて、可変レンズを駆動するための駆動信号を生成するレンズ駆動制御部とを備える。【選択図】  図１
2005345520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体の光学的な像を電気的な画像信号に変換して出力可能な撮像装置であって、
被写体の光学的な像を形成する撮像光学系と、
前記撮像光学系が形成した光学的な像を、電気的な画像信号に変換して出力する撮像素子と、
前記撮像光学系に含まれ、入力される駆動信号に基づいて、固定されたままの状態でその光軸を前記撮像光学系の光軸からシフトさせることが可能な可変レンズと、
前記撮像装置の像ぶれ量を演算し、当該像ぶれ量から像ぶれを補正するための像ぶれ制御信号を生成して出力する像ぶれ制御部と、
前記像ぶれ制御部からの像ぶれ制御信号に基づいて、前記可変レンズを駆動するための駆動信号を生成するレンズ駆動制御部とを備える、撮像装置。
【請求項２】
前記可変レンズは、光軸に関して回転対称な屈折率分布により、透過する光束を収束することが可能な屈折率分布レンズであって、外部から入力される制御信号に基づいて前記屈折率分布レンズの前記屈折率分布を変化させることにより、前記可変レンズ光軸をシフトさせる、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記可変レンズは、液晶を含む、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像装置の像ぶれを検出する像ぶれ検知手段を備え、
前記像ぶれ制御部は、前記像ぶれ検知手段の検知結果に基づいて前記撮像装置の像ぶれ量を演算する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記像ぶれ制御部は、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて、前記撮像装置の像ぶれ量を演算する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記可変レンズは、入力される駆動信号に基づいて、その焦点距離を変化させることが可能であり、
前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて、前記撮像光学系の合焦状態を演算し、演算結果に応じてフォーカスを調整するためのフォーカス制御信号を生成して出力するフォーカス制御部を備え、
さらに、前記レンズ駆動制御部は、前記フォーカス制御部からのフォーカス制御信号に基づいて、前記可変レンズを駆動するための駆動信号を生成する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記可変レンズは、入力される駆動信号に基づいて、その焦点距離を変化させることが可能であり、
前記撮像光学系の焦点距離を調整するためのズーム制御信号を生成して出力するズーム制御部を備え、
さらに、前記レンズ駆動制御部は、前記ズーム制御部からのズーム制御信号に基づいて、前記可変レンズを駆動するための駆動信号を生成する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記撮像装置の環境温度を検知する温度センサを備え、
前記レンズ駆動制御部は、前記温度センサが検知した環境温度に基づいて、前記可変レンズを駆動するための駆動信号を補正する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記レンズ駆動制御部は、所定の前記駆動信号に対応するデータを格納するメモリを含む、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像素子から出力される画像信号に、予め既知の収差特性を用いた収差補正、及び予め既知の光量分布特性を用いた周辺光量補正の内、少なくとも一方の補正を行う信号処理部を備える、請求項１に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像光学系と撮像素子とを有する撮像装置に関し、より特定的には、像ぶれ補正機能を備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｃｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの撮像素子及び信号処理回路の集積度が向上し、かつ安価に提供できるようになったため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ（以下、単にデジタルカメラという）が急速に普及している。
【０００３】
また、近年ではデジタルカメラを搭載した携帯電話端末や個人情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等が人気を博している。さらに、今後は、監視カメラや車載カメラ等の分野でも、デジタルカメラのさらなる普及が予想されている。このようなデジタルカメラは、撮像装置を備えている。一般に撮像装置は、撮像光学系と、撮像光学系を保持する鏡筒と、撮像素子とを含む。
【０００４】
近年のデジタルカメラは、電動によりズーミングやフォーカシングを行うものが主流である。電動によるズーミングやフォーカシングは、撮像光学系に含まれる所定のレンズ素子の保持機構をモータを用いて駆動し、レンズ素子を光軸に平行な方向に移動させることによって行われる。
【０００５】
また、撮像素子の高画素化により、像ぶれ補正機能の搭載が要望されるようになってきている。像ぶれ補正は、撮像光学系に含まれる所定のレンズ素子の保持機構をモータを用いて駆動し、レンズ素子を光軸に直交する方向に移動させることによって行われる。
【０００６】
図９は、従来の撮像装置の概略構成及びブロック図である。図９において、撮像装置は、鏡筒４６と、撮像装置制御ユニット５０とを中心に構成される。
【０００７】
鏡筒４６は、第１レンズ群４５と、第２レンズ群４７と、第３レンズ群４８とから構成される撮像光学系を保持する。撮像光学系は、被写体からの光束を透過させ、被写体の光学的な像を所定の像面位置に形成する。各レンズ群は、１枚あるいは複数のレンズ素子から構成され、鏡筒４６の内部を像面位置に対して直交する光軸方向にモータにより移動可能に保持されている。また、第２レンズ群４７は、光軸に直交する方向にもモータにより移動可能に保持されている。
【０００８】
撮像素子６は、撮像光学系の像面位置に配置されるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）であり、撮像光学系が形成した光学的な像を、電気的なアナログ画像信号に変換し出力する。
【０００９】
撮像装置制御ユニット５０は、システム制御部１７と接続される。システム制御部１７は、撮像装置制御ユニット１９の各部の初期設定、モード設定や状態遷移をコントロールする。また、撮像装置制御ユニット５０は、信号処理部７と、表示・記録部８と、ズーム制御部４２と、フォーカス制御部４３と、像ぶれ制御部４４と、フォーカスレンズ駆動部４０と、像ぶれ補正レンズ群駆動部４１と、ズームレンズ群駆動部４９と、角速度センサ（Ｘ）１３ａと、角速度センサ（Ｙ）１３ｂとを含む。
【００１０】
信号処理部７は、撮像素子６から画像信号を入力し、必要な処理を施して画像データを構築し、表示・記録部８へ出力する。また、信号処理部７は、画像データに基づき、フォーカス制御を行うためにコントラスト検出を行い、コントラスト情報に関する信号をフォーカス制御部４３へ出力する。
【００１１】
フォーカス制御部４３は、信号処理部７からコントラスト情報に関する信号を入力し、コントラスト情報に関する信号から撮像光学系のフォーカス状態を演算により求める。また、フォーカス制御部４３は、演算して得られたフォーカス状態から、フォーカス制御信号を生成し、フォーカスレンズ駆動部４０へ出力する。
【００１２】
フォーカスレンズ駆動部４０は、入力されたフォーカス制御信号に基づいて、第３レンズ群４８のフォーカス調整時の駆動信号を生成して出力し、第３レンズ群４８を光軸方向に駆動する。
【００１３】
像ぶれ制御部４４は、角速度センサ（Ｘ）１３ａ及び角速度センサ（Ｙ）１３ｂから得られた各方向の回転角速度から、鏡筒４６の露光タイミングにおける像ぶれ角度を演算により求める。また、像ぶれ制御部４４は、演算して得られた鏡筒４６の像ぶれ角度から、像ぶれを補正するための像ぶれ制御信号を生成し、像ぶれレンズ群駆動部４１へ出力する。
【００１４】
像ぶれレンズ群駆動部４１は、入力された像ぶれ制御信号に基づいて、第２レンズ群４７の像ぶれ補正時の駆動信号を生成して出力し、第２レンズ群４７を光軸に直交する方向に駆動する。
【００１５】
ズーム制御部４２は、ズームレンズ群駆動信号を生成し、ズームレンズ群駆動部４９へ出力する。ズームレンズ群駆動部４５は、ズーム制御部４２から入力されるズームレンズ群駆動信号に基づき、第１レンズ群４５と第２レンズ群４７とをそれぞれ独立に光軸方向に駆動する。
【００１６】
このように、従来の撮像装置は、像ぶれ補正と、フォーカス調整と、ズーミングとのそれぞれの機能ごとにレンズ群を駆動し、それぞれ独立に制御していた。
【００１７】
一方、特許文献１は、光路中に配置される素子内に液晶を封入し、液晶に印加する電圧を制御することにより、透過光束の結像位置を光軸に直交する平面内で移動させる技術を提案している。特許文献１は、電極に印加する電圧のバランスを変化させることにより、屈折率分布の中心位置を変化させることができ、透過光束の光軸に直交する方向の結像位置を変化させることができるとしている。
【特許文献１】特開平１１−１０９３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
前述のように従来の撮像装置は、特に像ぶれ補正に際して、レンズ群を光軸に直交する方向に駆動しなければならず、可動部分が多いという問題があった。特に、像ぶれ補正に際して移動するレンズ群がズームやフォーカス調整時にも移動するレンズ群である場合、光軸方向及び光軸に直交する二方向の三軸方向に移動させる機構が必要になり、構造の複雑化と大型化を招来していた。
【００１９】
特許文献１に記載された液晶レンズは、光通信分野において用いられる光結合器に用いられるレンズであるため、レーザ光学系が対象でありデジタルカメラのような広い波長域において用いることを議論していない。また、特許文献１に記載された液晶レンズは、光結合器に用いられるレンズであるため、デジタルカメラのように軸外光の結像が必要な光学系において用いることを議論していない。また、従来の液晶レンズには、液晶に回折パターンを表示するとともに、回折パターンを外部からの制御信号により可変とすることにより、焦点距離などを変化させる回折型液晶レンズも知られている。しかしながら、回折型液晶レンズは、波長による回折効率の問題から波長選択性が高く、デジタルカメラの撮像光学系のような広い波長域の光束に対して適用される光学系に適用することは困難であった。
【００２０】
本発明の目的は、像ぶれ補正が可能な撮像光学系を有するにもかかわらず、可動部が少なく、構造が簡素でコンパクト撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的は、以下の撮像装置により達成される。被写体の光学的な像を電気的な画像信号に変換して出力可能な撮像装置であって、被写体の光学的な像を形成する撮像光学系と、撮像光学系が形成した光学的な像を、電気的な画像信号に変換して出力する撮像素子と、撮像光学系に含まれ、入力される駆動信号に基づいて、固定されたままの状態でその光軸を撮像光学系の光軸からシフトさせることが可能な可変レンズと、撮像装置の像ぶれ量を演算し、当該像ぶれ量から像ぶれを補正するための像ぶれ制御信号を生成して出力する像ぶれ制御部と、像ぶれ制御部からの像ぶれ制御信号に基づいて、可変レンズを駆動するための駆動信号を生成するレンズ駆動制御部とを備える。本発明は、以上の構成を有しているので、機構的な可動部分を増加させることなく像ぶれ補正を行うことができる。
【００２２】
可変レンズは、光軸に関して回転対称な屈折率分布により、透過する光束を収束することが可能な屈折率分布レンズであって、外部から入力される制御信号に基づいて屈折率分布レンズの屈折率分布を変化させることにより、可変レンズ光軸をシフトさせる。本発明は、以上の構成を備えているので、可変レンズの波長選択制が小さく、広い波長域において良好に用いることができる。
【００２３】
好ましくは、可変レンズは、液晶を含むとよい。一例として、撮像装置は、撮像装置の像ぶれを検出する像ぶれ検知手段を備え、像ぶれ制御部は、像ぶれ検知手段の検知結果に基づいて撮像装置の像ぶれ量を演算するように構成するとよい。また、他の例として、撮像装置は、像ぶれ制御部は、撮像素子から出力される画像信号に基づいて、撮像装置の像ぶれ量を演算するように構成するとよい。
【００２４】
好ましくは、可変レンズは、入力される駆動信号に基づいて、その焦点距離を変化させることが可能であり、撮像素子から出力される画像信号に基づいて、撮像光学系の合焦状態を演算し、演算結果に応じてフォーカスを調整するためのフォーカス制御信号を生成して出力するフォーカス制御部を備え、さらに、レンズ駆動制御部は、フォーカス制御部からのフォーカス制御信号に基づいて、可変レンズを駆動するための駆動信号を生成する。本発明は、上記構成を備えているので、機構的な可動部分を増加させることなくフォーカス調整を行うことができる。
【００２５】
好ましくは、可変レンズは、入力される駆動信号に基づいて、その焦点距離を変化させることが可能であり、撮像光学系の焦点距離を調整するためのズーム制御信号を生成して出力するズーム制御部を備え、さらに、レンズ駆動制御部は、ズーム制御部からのズーム制御信号に基づいて、可変レンズを駆動するための駆動信号を生成する。本発明は、上記構成を備えているので、機構的な可動部分を増加させることなくズーミングを行うことができる。
【００２６】
好ましくは、撮像装置の環境温度を検知する温度センサを備え、レンズ駆動制御部は、温度センサが検知した環境温度に基づいて、可変レンズを駆動するための駆動信号を補正する。本発明は、上記構成を備えているので、可変レンズを含む撮像光学系において環境温度の変化による光学性能の劣化を補正することができる。
【００２７】
好ましくは、レンズ駆動制御部は、所定の駆動信号に対応するデータを格納するメモリを含む。本発明は、上記構成を有しているので、迅速かつ高精度に屈折率分布レンズの屈折率分布を制御することができる。特に、所定の駆動信号が屈折率分布の初期値である場合、電源投入の後迅速に使用可能状態にすることができるともに、量産時に発生する撮像装置の焦点距離や像点位置の固体差を初期値により補正することができる。また、所定の駆動信号が環境温度の変化に対応する補正値である場合、環境温度が変化しても良好な光学性能を達成することができる。また、片ボケを補正するための制御情報を記憶させておくことで、各レンズのあおりなどによる撮影画像の片ボケを補正することができる。さらに、ズーミング動作において撮影画像の中心位置がずれないようなズーム位置と屈折率分布の制御情報を記憶させておき、この記憶情報を基にズーム位置に応じて屈折率分布を制御することによって、ズーミング時に生じる各レンズのあおり変化などによる撮影画像の中心ずれを補正することができる。
【００２８】
好ましくは、撮像素子から出力される画像信号に、予め既知の収差特性を用いた収差補正、及び予め既知の光量分布特性を用いた周辺光量補正の内、少なくとも一方の補正を行う信号処理部を備える。本発明は、上記構成を備えているので、可変レンズを含む撮像光学系が補正しきれない収差を電気的に補正したり、可変レンズを含む撮像光学系において問題になりがちな光量分布を電気的に補正することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、像ぶれ補正が可能な撮像光学系を有するにもかかわらず、可動部が少なく、構造が簡素でコンパクト撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成及びブロック図である。図１において、実施の形態１に係る撮像装置は、鏡筒１６と、撮像装置制御ユニット１９とを中心に構成される。
【００３１】
鏡筒１６は、内部に液晶レンズ１と、ズームレンズ群１４と、撮像素子６とを保持する。ズームレンズ群１４と液晶レンズ１とは、撮像光学系を構成し、被写体からの光束を透過させ、被写体の光学的な像を所定の像面位置に形成する。ズームレンズ群１４は、１枚あるいは複数のレンズ素子から構成され、鏡筒１６の内部を像面位置に対して直交する光軸方向に移動可能に保持されている。液晶レンズ１は、後で詳述する構成により、液晶レンズ駆動制御部１１からの信号に基づき、焦点距離と光軸位置とが変更可能なレンズ素子である。撮像素子６は、撮像光学系の像面位置に配置されるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）であり、撮像光学系が形成した光学的な像を、電気的なアナログ画像信号に変換し出力する。
【００３２】
なお、以下の説明において、撮像光学系の光軸方向をｚ方向とし、ｚ方向に直交するｘ方向と、ｚ方向及びｘ方向に直交するｙ方向を定義する。これらの３方向は、３次元直交座標系をなす。
【００３３】
撮像装置制御ユニット１９は、システム制御部１７と接続される。システム制御部１７は、マイコンやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で構成され、撮像装置制御ユニット１９の各部の初期設定、モード設定や状態遷移をコントロールする。また、撮像装置制御ユニット１９は、信号処理部７と、表示・記録部８と、フォーカス制御部９と、像ぶれ制御部１０と、液晶レンズ駆動制御部１１と、ズーム制御部１２と、角速度センサ（Ｘ）１３ａと、角速度センサ（Ｙ）１３ｂと、ズームレンズ群駆動部１５と、温度センサ１８とを含む。
【００３４】
信号処理部７は、撮像素子６からアナログ画像信号を入力し、システム制御部１７からの命令に基づいて、このアナログ画像信号から表示及び記録を行うためのディジタル画像データを構築し、表示・記録部８へ出力する。また、信号処理部７は、アナログ画像信号から構築されたディジタル画像データに基づき、フォーカス制御を行うためにコントラスト検出を行い、コントラスト情報に関する信号をフォーカス制御部９へ出力する。
【００３５】
図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の信号処理部のブロック図である。信号処理部７は、ゲインコントロールアンプ部７１と、ＡＤ変換部７２と、画像処理部７３と、収差・光量補正部７４と、コントラスト検出部７５とを含む。
【００３６】
ゲインコントロールアンプ部７１は、撮像素子６から出力されるアナログ画像信号のゲインをコントロールして出力する。ＡＤ変換部７２は、ゲインコントロールアンプ部７１から出力されるアナログ画像信号を、ディジタル画像信号に変換して出力する。画像処理部７３は、ＡＤ変換部７２から出力されるディジタル画像信号に基づいてディジタル画像データを構築する。
【００３７】
コントラスト検出部７５は、画像処理部７３から出力されるディジタル画像データのコントラストを検出して、フォーカス制御部９へコントラストに関する信号を出力する。収差・光量補正部７４は、画像処理部７３から出力される画像データの歪曲収差および倍率色収差、周辺光量の補正を行う。収差・光量補正部７４は、補正後のディジタル画像データを表示・記録部８へ出力する。
【００３８】
表示・記録部８は、信号処理部７からディジタル画像データを入力し、システム制御部１７からの命令に基づいて、このディジタル画像データを、接続される液晶ディスプレイモニタに表示したり、内部の画像メモリや外部のリムーバブルメモリに格納させたりする。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の収差・光量補正部の動作説明図である。モニタ表示画面８０は、画像データを表示させた場合の液晶ディスプレイモニタなどの表示画面を表す。図中示された各座標（０，０）、（ｘ０，ｙ０）、（ｘ１，ｙ１）は、それぞれ画素の座標に対応する。また、点線Ｌ０は理想の被写体の像、実線Ｌ１は実際の被写体の像を表し、座標（ｘ０，ｙ０）の画素はＬ０の一部の画素、座標（ｘ１、ｙ１）の画素はＬ１の一部の画素を表す。
【００４０】
はじめに、収差・光量補正部７４を用いた歪曲収差の補正を説明する。歪曲収差は、光軸上原点に対して中心対称に発生するので、光軸上原点からの距離（像高）を画素ごとに補正することにより、画像処理により補正することができる。補正は、収差率Ｄ［％］を用いて行う。ただし、収差率Ｄ［％］＝（ｈ１−ｈ０）／ｈ０×１００とする。ここで、ｈ１は、座標（ｘ１，ｙ１）に対応する実際の被写体の像高、ｈ０は、座標（ｘ０，ｙ０）に対応する理想の被写体の像高である。
【００４１】
実際の補正手順を説明する。第１に、予め矩形被写体を撮影して被写体と像とを比較する、あるいはシミュレーションにより歪曲収差を求める等して、収差率Ｄを得ておく。第２に、画像処理部７３から出力されたディジタル画像データの実際の座標（ｘ１，ｙ１）を、補正式ｘ０＝ｘ１／（１＋Ｄ／１００），ｙ０＝ｙ１／（１＋Ｄ／１００）を用いて座標変換する。第３に、座標変換の結果得られた座標（ｘ０，ｙ０）をディジタル画像データとして再配置する。このようにして、歪曲収差を補正することが可能になる。
【００４２】
倍率色収差は、収差率を用いて色相毎に歪曲収差を補正した後に、色相間の倍率を合わせて補正することができる。また、周辺光量の低下は、収差率の換わりに、各像高に対する光量低下率を、同様にあらかじめ測定あるいは計算された情報に基づいて求めておくことで、画素毎に補正することができる。
【００４３】
以上のようにして、収差・光量補正部７４は、画像処理部７３から出力されるディジタル画像データの歪曲収差および倍率色収差、周辺光量の補正を行う。収差・光量補正部７４は、補正後のディジタル画像データを表示・記録部８へ出力する。
【００４４】
再び図１に戻って説明を行う。フォーカス制御部９は、信号処理部７からコントラスト情報に関する信号を入力し、システム制御部１７からの命令に基づいて、コントラスト情報に関する信号から撮像光学系のフォーカス状態を演算により求める。また、フォーカス制御部９は、演算して得られたフォーカス状態から、入力されたディジタル画像信号の合焦状態からのずれ量に関するフォーカス制御信号を生成し、液晶レンズ駆動制御部１１へ出力する。
【００４５】
像ぶれ制御部１０は、角速度センサ（Ｘ）１３ａと角速度センサ（Ｙ）１３ｂとに接続される。角速度センサ（Ｘ）１３ａと角速度センサ（Ｙ）１３ｂとは、公知のジャイロセンサであり、それぞれ光軸方向であるｚ方向に直交するｘ方向及びｙ方向の回転角速度を検出して像ぶれ制御部１０へ出力する。像ぶれ制御部１０は、角速度センサ（Ｘ）１３ａ及び角速度センサ（Ｙ）１３ｂから得られた各方向の回転角速度から、鏡筒１６の露光タイミングにおける像ぶれ角度を演算により求める。また、像ぶれ制御部１０は、演算して得られた鏡筒１６の像ぶれ角度から、像ぶれを補正するための像ぶれ制御信号を生成し、液晶レンズ駆動制御部１１へ出力する。
【００４６】
ズーム制御部１２は、システム制御部１７からの命令に基づき、撮像光学系の焦点距離を変化させるための制御信号を生成する。撮像光学系は、ズームレンズ群１４と液晶レンズ１とから構成されるので、両者の焦点距離を光学的に合成した値が撮像光学系全体の焦点距離に相当する。具体的には、ズーム制御部１２は、撮像光学系の所望の焦点距離に応じて、ズームレンズ群１４の光軸上の位置と、液晶レンズ１の焦点距離とを演算する。ズーム制御部１２は、演算結果から、ズームレンズ群駆動信号を生成し、ズームレンズ群駆動部１５へ出力する。一方、ズーム制御部１２は、演算結果から液晶レンズ１の焦点距離を変更するためのズーム制御信号を生成し、液晶レンズ駆動制御部１１へ出力する。
【００４７】
ズームレンズ群駆動部１５は、ズーム制御部１２から入力されるズームレンズ群駆動信号に基づき、ズームレンズ群１４を光軸方向に移動させるためのドライバとして機能する。例えば、ズームレンズ群１４が、鏡筒１６内でステッピングモータにより駆動される場合、ズームレンズ群駆動部１５は、ズームレンズ群駆動信号に基づき所定のステッピングモータの駆動パルスを出力する。また、ズームレンズ群１４が、鏡筒１６内で超音波モータにより駆動される場合、ズームレンズ群駆動部１５は、ズームレンズ群駆動信号に基づき所定の超音波モータの駆動パルスを出力する。
【００４８】
温度センサ１８は、撮像装置の環境温度を測定し、温度に関する制御信号を液晶レンズ駆動制御部１１へ出力する。
【００４９】
液晶レンズ駆動制御部１１は、フォーカス制御部９から出力されるフォーカス制御信号と、像ぶれ制御部１０から出力される像ぶれ制御信号と、ズーム制御部１２から出力されるズーム制御信号と、温度センサ１８から出力される温度に関する信号とに基づき、液晶レンズ１に印加すべき駆動電圧を制御する。これにより、液晶レンズや各レンズの屈折率などの光学特性の温特、鏡筒の光軸方向の温度変化に対する伸縮による焦点距離のばらつきを補正することができる。
【００５０】
図４は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の液晶レンズおよび液晶レンズ駆動制御部の概略図及びブロック図である。液晶レンズ１は、被写体側から順に、中央に円形開口４を持つ電極２と、中央に円形開口５を持つ電極３と、電極２と電極３との間に充填された液晶層２０とを含む。図４において、被写体側からの光束は、円形開口４から入射され、液晶層２０を透過して、円形開口５から射出されて、撮像素子６に至る。
【００５１】
電極２は、光軸方向に直交する平面内で光軸を中心に４等分に分割された４つの電極、電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとからなる。電極３も同様に、光軸方向に直交する平面内で光軸を中心に４等分に分割された４つの電極、電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとからなる。電極２ａ及び電極３ａ、電極２ｂ及び電極３ｂ、電極２ｃ及び電極３ｃ、電極２ｄ及び電極３ｄは、それぞれ光軸方向に対向して配置される。なお、電極２の被写体側と、電極３の像側には、図示しない透明保護部材が配置され、液晶層２０が外部に漏れないように封印する。
【００５２】
液晶層２０は、ネマチック液晶などの公知の液晶材料からなる。なお、図示しない透明保護部材、電極２及び３は、液晶層２０の液晶分子が、電極間に電圧が印加されない状態において、光軸に直交する方向に配列するようにラビング処理が施されている。
【００５３】
液晶レンズ駆動制御部１１は、Ｖ１電圧制御部１１１と、Ｖ２電圧制御部１１２と、Ｖ３電圧制御部１１３と、Ｖ４電圧制御部１１４と、駆動電圧演算部１１５と、不揮発性メモリ１１６とを含む。Ｖ１電圧制御部１１１は、電極２ａと電極３ａとの間に液晶駆動電圧Ｖ１を供給する。同様に、Ｖ２電圧制御部１１２は、電極２ｂと電極３ｂとの間に液晶駆動電圧Ｖ２を、Ｖ３電圧制御部１１３は、電極２ｃと電極３ｃとの間に液晶駆動電圧Ｖ３を、Ｖ４電圧制御部１１４は、電極２ｄと電極３ｄとの間に液晶駆動電圧Ｖ４をそれぞれ供給する。
【００５４】
駆動電圧演算部１１５は、フォーカス制御部９から出力されるフォーカス制御信号と、像ぶれ制御部１０から出力される像ぶれ制御信号と、ズーム制御部１２から出力されるズーム制御信号と、温度センサ１８から出力される温度に関する信号とがそれぞれ入力される。また、駆動電圧演算部１１５は、不揮発性メモリ１１６に格納されているデータを呼び出して入力することが可能である。駆動電圧演算部１１５は、これらの信号と不揮発性メモリ１１６に格納されているデータ基づいて、液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４を演算する。そして、駆動電圧演算部１１５は、演算結果に基づいて、Ｖ１電圧制御部１１１と、Ｖ２電圧制御部１１２と、Ｖ３電圧制御部１１３と、Ｖ４電圧制御部１１４とにそれぞれ、液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４に対応する制御信号を出力する。
【００５５】
不揮発性メモリ１１６は、電源投入時に供給すべき液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４の初期値と、撮像装置の環境温度が変化した場合の温度補正テーブルとを予め格納する。不揮発性メモリ１１６は、駆動電圧演算部１１５からの要求に応じて、格納されているデータを呼び出す。
【００５６】
次に、液晶レンズ１の原理を説明する。前述のように、液晶レンズ１は、液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４がすべてゼロである場合、光学的には一応な一定屈折率の平板と等価である。したがって、液晶レンズ１は、レンズ素子として機能しない。
【００５７】
この状態で、各電極に液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加すると、液晶層２０の液晶分子の配列方向が変化する。このとき、電極２と電極３との対向部分にある液晶分子は、液晶駆動電圧により配列方向が変化しｚ方向に配列する。一方、円形開口４及び円形開口５の中心付近にある液晶分子は、液晶駆動電圧の影響はうけず、配列方向は変化しない。これを全体としてみれば、液晶層２０の各電極に液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４が印加されると、電極２と電極３との対向部分から円形開口４及び円形開口５の中心に向かうにしたがって、液晶分子の配列方向はｚ方向に平行な状態からｚ方向に直交する状態へ連続的に変化する。
【００５８】
液晶分子の配列方向は、屈折率変化に対応する。すなわち、液晶分子がｚ方向に平行な状態は、液晶分子がｚ方向に直交する状態より屈折率が低い。したがって、液晶層２０の各電極に液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４が印加されると、液晶レンズ１は、液晶分子の配列方向に応じた屈折率分布型のレンズ素子となる。
【００５９】
図５は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の液晶レンズの印加電圧と光軸方向に直交する方向の屈折率分布図である。なお、図５の各図は、いずれも円形開口５の中心を座標原点とし、原点を含むｙｚ平面（すなわち、電極２ａと電極２ｂとの境界部，電極２ｃと電極２ｄとの境界部，電極３ａと電極３ｂとの境界部，電極３ｃと電極３ｄとの境界部を含む平面）における屈折率分布を示している。
【００６０】
図５（ａ）は、液晶駆動電圧Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４の場合における直径方向の屈折率分布を示す。前述のように、各電極に等しい液晶駆動電圧を印加した場合、液晶レンズ１は、円形開口４及び円形開口５の中心の屈折率が高く、中心から離れるに従って屈折率が低下する屈折率分布型のレンズ素子となる。このとき、円形開口４及び円形開口５の中心は、ズームレンズ群１４の光軸と一致するよう配置されているので、液晶レンズ１に入射した光束は、液晶層２０の屈折率分布により通常のレンズ素子を透過した場合と同様に撮像素子６上に被写体の光学的な像を形成する。
【００６１】
図５（ｂ）は、印加電圧Ｖ１＝Ｖ２＞Ｖ３＝Ｖ４の場合における直径方向の屈折率分布図を示す。液晶駆動電圧Ｖ１とＶ２とを等しくし、液晶駆動電圧Ｖ３とＶ４とを等しくし、液晶駆動電圧Ｖ２を液晶駆動電圧Ｖ３より大きくした場合、印加される液晶駆動電圧が高い方がより液晶分子の配列がそろい屈折率が低くなるため、屈折率の最大値をとる部分が、円形開口４及び円形開口５の中心から光軸に直交する方向にシフトする。この状態は、正のパワーを持つレンズ素子を、光軸と直交する方向にシフトしたことと等価であるから、屈折率分布のシフト量を像ぶれ補正値と対応させることにより、撮像光学系の像ぶれ補正を行うことができる。
【００６２】
図５（ｃ）は印加電圧Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４で、図５（ｃ）の場合より、各電圧を一様に上げた場合における直径方向の屈折率分布図を示す。各電圧の値を一様に大きくした場合、印加される液晶駆動電圧が円形開口の内部へより大きな影響を与えるようになる。このため、屈折率の絶対値は、図５（ｃ）の場合が、図５（ａ）の場合より小さくなる。この状態は、レンズ素子の焦点距離が変化することと等価であるから、屈折率分布の変化量をフォーカス調整と対応させることにより、撮像光学系のフォーカス調整を行うことができる。また、屈折率分布の変化量をズームによる焦点距離調整と対応させることにより、撮像光学系のズーミングを行うことができる。
【００６３】
以上の構成において、撮像装置の電源が投入されると、システム制御部１７からの命令により、液晶レンズ駆動制御部１１の駆動電圧演算部１１５は、不揮発性メモリ１１６に格納されている液晶駆動電圧の初期値を呼び出す。また、駆動電圧演算部１１５は、温度センサ１８から出力される環境温度に関する制御信号を参照して、不揮発性メモリ１１６に格納された温度補正テーブルから対応する環境温度の値を呼び出す。駆動電圧演算部１１５は、呼び出された初期値と温度補正テーブルから特定された液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４を各電極に印加する。印加された各液晶駆動電圧により、液晶レンズ１は所定の焦点距離を持つレンズ素子として機能し、ズームレンズ群１４と液晶レンズ１とから構成される撮像光学系は、撮像素子６上に被写体の光学的な像を形成する。
【００６４】
撮像素子６上に形成された光学的な像は、撮像素子６により電気的なアナログ画像信号に変換され、信号処理部７へ出力される。信号処理部７は、ゲイン調整やＡＤ変換など前述した信号処理を行い、アナログ画像信号からディジタル画像データを生成する。ディジタル画像データは、収差・光量補正されて接続される液晶ディスプレイモニタに表示され、内部の画像メモリに格納される。また、ディジタル画像データから検出されたコントラストに関する信号は、フォーカス制御部９へ出力される。
【００６５】
システム制御部１７からの命令により、フォーカス調整が指示されると、信号処理部７から出力されるコントラストに関する信号に基づいて、フォーカス制御部９は、撮像光学系のフォーカス状態を演算により求める。また、フォーカス制御部９は、演算して得られたフォーカス状態から、入力されたディジタル画像信号の合焦状態からのずれ量に関するフォーカス制御信号を生成し、液晶レンズ駆動制御部１１の駆動電圧演算部１１５へ出力する。駆動電圧演算部１１５は、温度センサ１８から出力される環境温度に関する制御信号を参照して、不揮発性メモリ１１６に格納された温度補正テーブルから対応する環境温度の値を呼び出す。駆動電圧演算部１１５は、フォーカス制御信号と温度補正テーブルから液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４を演算し、各電極に印加する。この結果、液晶レンズ１の焦点距離が変化し、フォーカス調整が行われる。なお、フォーカス調整の指示は、所定のタイミングごとに行われるコンティニュアスＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）モードであっても、撮影の直前だけ行われるワンショットＡＦモードであってもいずれでもよい。
【００６６】
システム制御部１７からの命令により、像ぶれ補正が指示されると、像ぶれ制御部１０は、角速度センサ（Ｘ）１３ａ及び角速度センサ（Ｙ）１３ｂから得られた各方向の回転角速度から、鏡筒１６の露光タイミングにおける像ぶれ角度を演算により求める。また、像ぶれ制御部１０は、演算して得られた鏡筒１６の像ぶれ角度から、像ぶれを補正するための像ぶれ制御信号を生成し、駆動電圧演算部１１５へ出力する。駆動電圧演算部１１５は、フォーカス制御の場合と同様に、像ぶれ制御信号と温度補正テーブルから液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４を演算し、各電極に印加する。この結果、液晶レンズ１の光軸位置がシフトし、像ぶれ補正が行われる。なお、像ぶれ補正の指示は、所定のタイミングごとに行われるコンティニュアスモードであっても、撮影の直前だけ行われるワンショットモードであってもいずれでもよい。
【００６７】
システム制御部１７からの命令により、焦点距離変更が指示されると、ズーム制御部１２は、撮像光学系の所望の焦点距離に応じて、ズームレンズ群１４の光軸上の位置と、液晶レンズ１の焦点距離とを演算する。ズーム制御部１２は、演算結果から、ズームレンズ群駆動信号を生成し、ズームレンズ群駆動部１５へ出力する。ズームレンズ群駆動部１５は、ズームレンズ群駆動信号に基づいてズームレンズ群１４を光軸方向の所定の位置に移動するように、ステッピングモータや超音波モータなどの駆動手段を駆動する。一方、ズーム制御部１２は、演算結果から液晶レンズ１の焦点距離を変更するためのズーム制御信号を生成し、駆動電圧演算部１１５へ出力する。駆動電圧演算部１１５は、フォーカス制御の場合と同様に、ズーム制御信号と温度補正テーブルから液晶駆動電圧Ｖ１〜Ｖ４を演算し、各電極に印加する。この結果、液晶レンズ１の焦点距離が変化し、焦点距離の変更が行われる。
【００６８】
以上説明したように、実施の形態１に係る撮像装置は、入力される駆動信号に基づいて、固定されたままの状態で光軸を撮像光学系の光軸からシフトさせることができる液晶レンズを備えるので、機構的な可動部分を増加させることなく像ぶれ補正を行うことができる。
【００６９】
また、実施の形態１に係る撮像装置は、液晶レンズの屈折率分布を用いて光束を収束させているので、回折パターンを変化させる液晶レンズなどと比較して波長選択制が小さく、広い波長域において良好に用いることができる。
【００７０】
また、実施の形態１に係る撮像装置は、液晶レンズが、入力される駆動信号に基づいて、その焦点距離を変化させることが可能であるので、機構的な可動部分を増加させることなくフォーカス調整を行うことができる。
【００７１】
また、実施の形態１に係る撮像装置は、液晶レンズが、入力される駆動信号に基づいて、その焦点距離を変化させることが可能であるので、機構的な可動部分を増加させることなくズーミングを行うことができる。
【００７２】
また、実施の形態１に係る撮像装置は、撮像装置の環境温度を検知する温度センサを備え、レンズ駆動制御部は、温度センサが検知した環境温度に基づいて、可変レンズを駆動するための駆動信号を補正するので、環境温度の変化による光学性能の劣化を補正することができる。
【００７３】
また、実施の形態１に係る撮像装置は、不揮発性メモリを備え、不揮発性メモリに屈折率分布の初期値が格納されているので、電源投入の後迅速に使用可能状態にすることができるともに、量産時に発生する撮像装置の焦点距離や像点位置の固体差を初期値により補正することができる。また、実施の形態１に係る撮像装置は、不揮発性メモリを備え、不揮発性メモリに環境温度の変化に対応する補正値が格納されているので、環境温度が変化しても良好な光学性能を達成することができる。
【００７４】
また、実施の形態１に係る撮像装置は、収差と周辺光量の補正を行う信号処理部を備えているので、液晶レンズを含む撮像光学系が補正しきれない収差を電気的に補正し、液晶レンズを含む撮像光学系において問題になる光量分布を補正することができる。
【００７５】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成及びブロック図である。また、図７は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の信号処理部のブロック図である。なお、実施の形態２に係る撮像装置は、概略構成を実施の形態１の撮像装置と同じくする。したがって、以下の説明では、実施の形態１の撮像装置との相違部分を中心に説明する。なお、図６及び図７において、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略している。
【００７６】
実施の形態２に係る撮像装置は、実施の形態１に係る撮像装置と、信号処理部２７が動きベクトル検出部７６を含む点と、像ぶれ制御部２１に角速度センサが接続されておらず、かわりに信号処理部２７からの信号が入力されている点で相違する。
【００７７】
図７に示した信号処理部２７において、動きベクトル検出部７６は、画像処理部７３から出力されたディジタル画像データから、露光時間あたりの被写体の動きベクトルをｘ方向及びｙ方向それぞれに検出する。動きベクトル検出部７６は、検出した動きベクトルを、像ぶれ制御部２１へ出力する。
【００７８】
像ぶれ制御部２１は、動きベクトルから鏡筒１６の露光タイミングにおける像ぶれ角度を演算により求める。また、像ぶれ制御部２１は、演算して得られた鏡筒１６の像ぶれ角度から、像ぶれを補正するための像ぶれ制御信号を生成し、液晶レンズ駆動制御部１１へ出力する。液晶レンズ駆動制御部１１以降の動作は、実施の形態１と全く同様である。
【００７９】
このように、実施の形態２に係る撮像装置においても、機構的な可動部分を増加させることなく像ぶれ補正を行うことができる。特に、実施の形態２に係る撮像装置は、角速度センサを備えておらず、すべて電気的な信号処理により像ぶれ補正を行うことができるため、撮像装置をさらに簡素化及び小型化することができる。
【００８０】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の概略構成及びブロック図である。なお、実施の形態３に係る撮像装置は、概略構成を実施の形態１の撮像装置と同じくする。したがって、以下の説明では、実施の形態１の撮像装置との相違部分を中心に説明する。なお、図８において、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略している。
【００８１】
実施の形態３に係る撮像装置は、実施の形態１に係る撮像装置と、ズームレンズ群１４が存在せず鏡筒３６に保持される撮像光学系は液晶レンズ１のみで構成されている点と、ズーム制御部３２からの信号は液晶レンズ駆動制御部１１のみに入力されている点で相違する。
【００８２】
ズーム制御部３２は、液晶レンズ１の焦点距離に対応するズーム制御信号を生成し、液晶レンズ駆動制御部１１へ出力する。液晶レンズ駆動制御部１１以降の動作は、実施の形態１と全く同様である。
【００８３】
このように、実施の形態３に係る撮像装置においても、機構的な可動部分を増加させることなく像ぶれ補正を行うことができる。特に、実施の形態３に係る撮像装置は、機構的に可動する構成を全く持たないため、撮像装置をさらに簡素化及び小型化することができる。
【００８４】
なお、以上説明した実施の形態１〜３の撮像装置は、適宜変更して実施することが可能である。例えば、実施の形態１〜３の撮像装置は、いずれもズーム機能とフォーカス機能との両方を有するものであったが、これに限られない。たとえば、本発明をパンフォーカスを採用し特定の物体距離に固定した撮像光学系に対して適用する場合、フォーカス制御に関する構成を省略することができる。また、本発明をズーミングを行わない単焦点レンズ系の撮像光学系に対して適用する場合、ズーム制御に関する構成を省略することができる。
【００８５】
また、ズームレンズ群や液晶レンズの位置は、任意である。適用される撮像光学系の構成に合わせて適用すればよい。例えば、ズームレンズ群が異なる動きをする２群以上で構成されていてもよいし、ズーミングに際して液晶レンズの焦点距離変化を用いない撮像光学系としてもよい。また、液晶レンズが最も被写体側に配置されてもよいし、撮像光学系の内部に配置されていてもよい。さらに、実施の形態１〜３の撮像装置は、いずれも液晶レンズを光軸上に固定する形態であったが、液晶レンズをズーミングやフォーカス調整に応じて光軸に平行な方向に移動させてもよい。
【００８６】
また、実施の形態１〜３の撮像装置は、いずれも液晶を用いて屈折率分布を変化させる例であったが、その他の電気光学効果を有するデバイスを用いて屈折率を変化させ可変レンズとしてもよい。また、実施の形態１〜３の撮像装置では、液晶レンズの電極を４対とした例で説明したが、さらに電極数を増やすことで屈折率分布の精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の撮像装置は、小型化と高機能化が要望されている、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ機能付きの携帯電話端末及びＰＤＡ等の機器に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成及びブロック図
【図２】本発明の実施の形態１に係る撮像装置の信号処理部のブロック図
【図３】本発明の実施の形態１に係る撮像装置の収差・光量補正部の動作説明図
【図４】本発明の実施の形態１に係る撮像装置の液晶レンズおよび液晶レンズ駆動制御部の概略図及びブロック図
【図５】本発明の実施の形態１に係る撮像装置の液晶レンズの印加電圧と光軸方向に直交する方向の屈折率分布図
【図６】本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成及びブロック図
【図７】本発明の実施の形態２に係る撮像装置の信号処理部のブロック図
【図８】本発明の実施の形態３に係る撮像装置の概略構成及びブロック図
【図９】従来の撮像装置の概略構成及びブロック図
【符号の説明】
【００８９】
１  液晶レンズ
２  電極
３  電極
４  円形開口
５  円形開口
６  撮像素子
７  信号処理部
８  表示・記録部
９  フォーカス制御部
１０  像ぶれ制御部
１１  液晶レンズ駆動制御部
１２  ズーム制御部
１３ａ  角速度センサ（Ｘ）
１３ｂ  角速度センサ（Ｙ）
１４  ズームレンズ群
１５  ズームレンズ群駆動部
１６  鏡筒
１７  システム制御部
１８  温度センサ
１９  撮像装置制御ユニット
２０  液晶層
２１  像ぶれ制御部
２７  信号処理部
３１  液晶レンズ駆動制御部
３２  ズーム制御部
３６  鏡筒
【図１】
2005345520.tif 000003
【図２】
2005345520.tif 000004
【図３】
2005345520.tif 000005
【図４】
2005345520.tif 000006
【図５】
2005345520.tif 000007
【図６】
2005345520.tif 000008
【図７】
2005345520.tif 000009
【図８】
2005345520.tif 000010
【図９】
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