キヤノン通信――81号 キヤノン的手ブレ補正技術開発の世界戦略────2種類の光学式手ブレ補正機構を実用化──1998.9（入稿原稿）
【キヤノン通信 81号 1998.9】
【特集】キヤノン的手ブレ補正技術開発の世界戦略────2種類の光学式手ブレ補正機構を実用化
●レンズシフト方式の防振技術がビデオカメラを変える？
6月10日付けのキヤノン株式会社のニュースリリースに次のようなタイトルのものがあった。
「キヤノンがビデオカメラ用としては初めてシフト式光学手ブレ補正機構付きレンズを開発」
キヤノンの手ブレ補正装置といえば、1992年にソニーCCD-TR900という8ミリビデオカメラに搭載されてデビューしたバップ（VAP=バリアングルプリズム）方式があったはずだ。
それなのになぜ、いまになって「ビデオカメラ用としては初めてシフト式光学手ブレ補正」なのか？
かくして取材班はキヤノンの手ブレ補正技術に対して大きなブレを感じつつ、下丸子へと出かけたのだった。
いつもながらキヤノンの組織名は複雑で分かりにくい。まとめ役として迎えてくれたのはカメラ事業本部／レンズ開発センター／レンズ技術開発部の当山正道部長。そしてレンズシフト方式についてはカメラ開発センター／カメラ先行開発部／カメラ技術企画室の大貫一朗主幹研究員、ビデオカメラへの組み込みに関してはレンズ開発センター／レンズ第二開発部／レンズ22設計室の金田直也室長――と、3人にじっくりと聞いた。
さらに私たちは、かつて中央研究所で形状の変わるレンズの研究にたずさわっていたという研究開発本部／研究開発推進センターの南節雄所長にも当時の話を聞くことができた。
当初想像もしていなかったのだが、防振技術としてのVAP方式とレンズシフト方式とは社内で競合する存在であり、それぞれが、光学的防振の正統的技術として育てられつつあるという。片や中央研究所の「形を自由に変えるレンズ」の研究からの副産物、片やレンズ設計の新技術である偏芯系レンズの実用化、だそうである。
その、VAP方式とレンズシフト方式のいかなるや、ということについてはあとでご紹介するとして、冒頭に掲げたビデオカメラ用の手ブレ補正レンズのニュースリリースのねらいはどこか？ である。
ご存じのように、ソニーはVAP方式の手ブレ補正をいち早く取り入れたものの、その後はいわゆる電子式防振になっている。電子式防振の本流は1988年に松下電器が出したビデオカメラ・ブレンビー（NV-S1）で、正式には「メモリー読み出しシフト方式」という。CCDの映像をいったんメモリーに読み込んで、次のCCD画像との比較から手ブレの要素を排除する。簡単にいうとCCD上の大きめの画像を上下左右にフレーミングしながら切り出すことで、手ブレから生じる画面のブレを打ち消すという方法である。
この電子式防振が家庭用ビデオカメラのほとんどで採用されていて、キヤノンは唯一光学系防振を推進するメーカーとなっている。少数派というより孤立状態なのである。
ところがここで、風向きが大きく変わってきた。風がキヤノンの方に向いてきたのである。
ご存じのデジカメ（デジタルカメラ）に電子防振が通用しないのである。電子防振は動画像の場合に、前後に並ぶ画像のフレーミングを調整して、見た目のブレを消しているだけだから、画像そのもののブレにはまったく関与しない。だからデジタルビデオの高画質画像を静止画として取り出す場合にも、電子防振では力不足になってくる。
キヤノンが光学メーカーとしての意地で追求してきた光学式防振が、電子防振の限界の先にスックと立ち上がったというわけである。
で、どうして評価の定まっているVAP方式ではなくてレンズシフト方式なのか、ということなのだが、これに関してはまず結論。「どちらも適材適所でいけるのです」とビデオカメラ用レンズユニットの開発担当者・金田さんはいう。
レンズシフト方式はレンズ構成中の補正光学系だけを上下左右方向にシフトさせるだけでいいので、レンズユニットとしての小型化を大胆に図れる。それに対してVAP方式では、レンズの前にバリアングルプリズムを取り付けるだけでいいので、レンズユニットが大きくなるという欠点はあるものの、既存のレンズに手ブレ補正機能を追加するという考え方ができる。しかも補正角度を大きくとって、余裕のある補正能力を発揮することができるのだ。
キヤノンでは手ブレ補正には通常の手ブレ幅と考えられている0.3度の倍の0.6度をカバーしているが、VAP方式ではさらに余裕のある1度までの振幅を吸収することができるという。
「放送用ビデオカメラのENG（ニュース取材用）レンズにはVAPアダプターを用意してあるので、手持ちで現場にどんどん入っていけるようになっています」
それがソニーのCCD-TR900に初めて搭載されたVAP方式のプロ用機材への進化例となっている。
じつは新しいレンズシフト方式が、小型化とともに圧倒的な低価格化を同時にねらったものにちがいないとひそかにねらいをつけていたのだが、そうではなかった。じつはその方式はAF一眼レフカメラEOSシリーズ用のIS（イメージスタビライザー）レンズですでに評価の定まっている方式をビデオカメラ用の小型ズームレンズに展開したものだったのだ。
――というわけで、頭打ちになってきたビデオカメラの電子防振方式に対して、キヤノンは圧倒的な性能を発揮する光学式防振技術を組み込んだレンズユニットによって大攻勢を仕掛ける、というのが6月10日付けのニュースリリースの本意なのだということがわかってきた。
「それだけじゃありません」
と金田さんはいう。
「電子式防振は画像枠の余白部分でフレーミング補正をするだけなので、望遠になるにしたがって、実質的な補正角度が小さくなっていくんです。レンズ倍率が10-12倍を越えると補正角度はプラスマイナス0.3度と実用性能ギリギリになってしまい、20倍になるともう補正能力の限界を超えています。そういう超望遠領域での手ブレ補正がきっちりできるという意味では、レンズ部分でブレ要素を排除してしまう光学式補正が圧倒的に有利なのです。電子的な処理で簡単にできる電子式防振の限界がはっきりと認識されるようになってきたといえます」
●レンズのところでブレを吸収する光学防振手法
「VAP方式とレンズシフト方式は社内競争でパラレルに開発されてきたんです。むずかしくいえばVAPは中央研究所での3次元制御光学系の理念指向の研究から、レンズシフト方式はレンズ設計上の偏芯光学系の研究から生まれてきたということになります」
当山部長はキヤノンの手ブレ補正技術に関しては、VAP方式とレンズシフト方式の交差点に立っている。全体を見渡せる立場にいるというわけだ。私たち取材班は軽いレクチャーを受けた。
光学機器の防振というのは、第一次大戦からはじまるという。たとえば偵察用カメラを車に積む、飛行機に積むというところから、防振は光学兵器にとって必要不可欠のものとなったのである。
どれがどういうふうに進展したかというと、第一次大戦では防振台。プラットホーム方式というべきものだが、光学機器そのものの姿勢制御をしてしまおうというわけで、悪路で揺れない車のサスペンションと似たようなことを考えた。これを当山さんは機械式防振と呼んでいる。
車のサスペンションのようにバネで振動を吸収しようとするのは慣性検知系のメカ結合で、たとえばヘリコプターからのテレビ取材に使われるカメラスタビライザーというスプリングつき一脚は重さが6kgある。
あるいはカメラにオートジャイロを取り付けて姿勢を変える動きに抵抗させるのがジャイロ検知系のメカ結合ということになる。高速回転するコマの慣性をブレ防止に利用しようという考え方である。
もうひとつ、カメラ部を振動センサーとサーボ機構によって積極的に揺動させる方式もある。パナソニック（松下寿電子）が1988年に米国で発売したVHS方式のビデオカメラがこの方式を採用しているのだが、レンズ→CCDのカメラ部を自由懸架（ジンバル支持）にしておいて、振動センサーに連動して揺動させて手ブレを補正させようとした。が、その方式は後続がなく、ご存じのようにパナソニック（松下電器）ではブレンビーの電子式防振が本流となる。
当山さんの分類では機械式防振のほかに電子式防振と光学式防振という3分類になるのだが、電気回路上でブレの吸収をしてしまう電子式防振で現在一般的なのは、ブレンビーにはじまるメモリー読み出しシフトと呼ばれる方式なのである。そのほかにCCDに投影される画像のブレを振動センサーで検知して切り出し枠を動かすCCD読み出しシフトという方式もある。
さてキヤノンが開発した2方式が分類されるのは光学式防振だが、そこではプリズム揺動、液体プリズム、レンズシフトという3方式が実用化されている。
プリズム揺動方式としては富士写真光機のフジノン・スタビスコープ1240（49万8000円）という双眼鏡があるが、ジャイロモーターをまわして手ブレに対してプリズムの光軸方向がブレないようにしている。あるいはツアイスの20×60 S双眼鏡（75万円）が、プリズムをジンバル支持して機械的にブレを吸収するような構造を作り上げている。
その防振双眼鏡はフジノンが1980年代、ツアイスが1992年ごろに登場してそれぞれ100万円前後の価格をつけていた。現在では価格は大幅に引き下げられているが、それはキヤノンが1995年に12×36 IS双眼鏡をVAP方式でなんと12万5000円という価格で発売したことと無縁ではない。キヤノンの防振双眼鏡はその後15×45 IS（16万5000円）と普及価格の10×36 IS（6万5000円）とラインナップを充実させてきている。
液体プリズムの動きを振動センサーとサーボ機構でコントロールするキヤノンのVAP方式は1992年にソニーの8ミリビデオカメラCCD-TR900に搭載されたのが最初だが、その後はキヤノン製の8ミリビデオカメラに搭載されたほか、レンズ交換式8ミリビデオシステムのCL10-1レンズにも搭載された。そして現在では放送用ビデオカメラのレンズのフロント部に防振アタッチメントとして取り付けられるようになっている。
じつは液体プリズムによる光学防振では1960年代に米国のダイナサイエンス社から発売されたダイナレンズが画期的なものだった。重さ2.5kgという巨大なものをレンズ先端に取り付けるのではあったが、レートジャイロというものを振動センサーにしてサーボ機構を働かせることによって、飛行機やヘリコプターからの風船旅行的映像を可能にした。個人的なことになるが、筆者が大学生のとき、アフリカ遠征に際してNHKから8ミリ撮影機と取材費を若干援助してもらったことから、カメラ部で撮影指導を受けたが、そのとき巨大なダイナレンズを見せてもらった。1960年代の末のことである。そのダイナレンズが、いまでは手のひらに載るキヤノンの放送用VAPアタッチメントにとって変わられたということになる。
光学式防振でもうひとつの主力がレンズシフト方式なのだが、これは1987年のキヤノン50周年技術展に参考出品されたEOS用のEF300mm F2.8L ISが最初といっていい。製品化にはしばらく時間が必要だったが、1995年にはEF75-300mm F4-5.6 IS USMが登場し、プロ仕様のEF300mm F4L IS USMやEF28-135mm F〓 ISと、新製品が続々と登場しつつある。そしてこのレンズシフト方式がいよいよビデオカメラ用レンズユニットとして生産されるというのである。
シリコン製のVAPをつけたり、レンズの一部をずらしたりして、画像が低下しているということはないのだろうか？
「基本性能の劣化はありません」
と当山部長は断言する。
「レンズ事業部の目的はいかにいい絵を取得するか、いかに画質をよくするか、ということですから、ブレ要素を排除することをアドオンするという考え方をとっています」
その品質保持がなかなか深い背景の中から立ち上がってきていることを、私たちは知ることになる。
●レンズ設計の残された課題が「偏芯光学系」
EOS用の防振レンズを開発してきた大貫さんによると、それはレンズ設計手法の非常識を突き詰める作業であった。
レンズの設計・製造で一番重要なのは収差を出さないことである。レンズを通った光が期待どおりに焦点面にきちんとした像を結ばない原因はいくつもある。単純なレンズほど像がゆがんだり、ボケたり、鮮明さやコントラストを低下させたり、色のにじみを生じたりするので、それらの収差を押さえ込んでいくようにガラスを選び、レンズの組み合わせを考え、精密に組み立てていくのだが、一方ではより明るいレンズ、より個性的なレンズ、ズームなら倍率の大きなレンズ、あるいはできるだけコンパクトで軽いレンズなどというユーザーニーズをかなえようとする。
そういう設計・製造技術の中で、レンズの偏芯は大きな収差を出してしまう、というより、レンズを不良品にしてしまうもっとも危険な要素であった。
「組み立てを1/100mmの精度で行うというのが基本的な精度になっていて、プラスマイナス0.1mmの偏芯があったらレンズとしては使いものにならないというのが常識なんです。ところがそれをプラスマイナス1mm以上動くようにしたのがレンズシフト方式」――なのだそうだ。
昨日までやってはいけないことを今日はやって、新しい能力を獲得するだけでなく、従来のレンズの画質性能を落とさないというのだから、とうぜんどこかに仕掛けがなければならない。
「いままではレンズ群相互に収差のバランスを整えるという考え方だったのを、各群ごとに発生する収差をそれぞれの群のなかで取り除いていって、お互いがもたれあわないように地道な性能向上を図っていったのです。偏芯しても収差が出ないレンズに作り替えていったわけです」
つまり、完全に売り物にならなくなるだけの偏芯を前提にして、それが画質の劣化を生じないように十分な下地を整えたというわけだ。
「レンズが一直線に並んでいなくてもいい、という考え方が偏芯光学系で、銀塩カメラのレンズではこれが主流になるということで、他社も活発な研究を始めています」
大貫さんたちは1983年ごろからメカとエレクトロニクスの合体であるメカトロレンズとして光軸を自由に動かせるレンズシフトの研究を始めていた。
それは、たとえば第二次大戦後、アメリカが独走したかに思えたズームレンズに対して、キヤノンが画期的な設計手法を確立してたちまち世界のトップメーカーに躍り出たというエピソードをほうふつとさせるに足る「次の設計テーマ」の模索でもあった。キヤノンが誇ったプロ用望遠レンズ300mm F2.8レンズ内にシフトする補正光学系を1群組み込んで、それで従来型のレンズと同じ画質を確保するところまではできたのだった。1987年のことである。
「しかし製品化はまだとてもむりでした」
――というのは、ICの演算スピードが遅くてレスポンスが悪かったのと、角加速度センサーがきわめて特殊なものになっていて、自社で開発するにしても大きくて高価になってしまうというようにハードルが高かった。それに手ブレ補正の範囲を標準的なデータであるプラスマイナス0.3度としたことから、少し条件が悪くなると補正が効きにくい印象になったのだった。
翌年、松下寿電子のNV-M900がきわめてコンパクトな振動センサーを採用してカメラ部揺動型の防振ビデオカメラを完成させるが、キヤノンのレンズシフト方式も同様の、圧電素子を使った振動センサーを積むことで製品化に近づいていった。
●屈折率が変化するパワー可変レンズの研究から
大貫さんがレンズシフト方式の防振レンズの開発に手を染め始めたころ、中央研究所ではイメージングオプティクス研究部が活動していた。光学設計、システム制御、材料の専門家が社内横断的に30人ほど集められて、結像レンズの設計・開発にかかわるすべての光学エレメントを洗い出していた。研究の歯止めは後に社長になる御手洗肇所長からの「1/10光学系」という目標だった。サイズでも価格でもとにかく「1/10」にこだわって考えて見るという、一種の仮想目標だった。
そのリーダーとなったのが現在研究開発センター所長の南さんだが、南さんはレンズ設計にコンピューターを導入する流れの中で、レンズの自動設計手法を確立してきた光学設計の専門家。レンズ設計の基本となる曲率（レンズの形）、間隔（レンズの厚さやレンズ配置）、屈折率（レンズ素材によって固有の屈折率）の3つの要素の組み合わせのなかで300種以上の関数を取り出して、多関数・多変数をあやつりながら目標値に収束させていく設計手法を確立していったのだった。
レンズの曲率は非球面レンズなどもふくめて自由にデザインできる領域であり、レンズ間隔はまさに何群何枚構成というような配列の選択である。そして屈折率は光学ガラスにおいて1.44あたりから1.8あたりまで、さまざまな種類のものが用意されてきた。
そこでの技術課題といえばひとつは分布屈折率レンズで、レンズの屈折率が中心から周辺に向かって変化するというもの。もうひとつはレンズの曲面が自由に変えられるパワー可変レンズだった。レンズ設計の現場で大貫さんたちが主にレンズ間隔についての新しい研究をしていたとき、南さんたちは屈折率や曲率に関する研究を視野に入れていたというわけである。
そして曲率を可変にするというためにシリコンゴムに着目した。もしレンズの曲率を自由に変えることができれば、ピント合わせも簡単にできるし、ズームレンズの構成もシンプルになる。しかしそのために、シリコンゴムレンズの形を自由に変えるにはどうしたらいいか、という点が基礎研究の主要なテーマであった。
結局、曲率は変えられるが、結像レンズとして使えるところまでのコントロールはできないというところで、研究は終わった。
しかし、シリコンレンズの研究が、シンプルなところで実を結んだのだった。液体シリコンを平面の光学ガラスの間にはさんで、蛇腹で密封し、上下左右どちらの方向にも厚みを変えることできるプリズム（もっともシンプルなレンズ素子）として利用し、光軸の移動を可能にするというものだった。角度可変プリズムとしてのVAPの誕生である。
余談になるが、その開発の過程でシリコンレンズの研究が進み、技術者の1人は米国スターサージカル社との合弁企業キヤノンスター社で眼内レンズを開発する。
曲率を変えるレンズは実用化を見いだせなかったが、光軸を自由に動かすという新しい能力を獲得することができたのだった。
●防振光学機器の中心にキヤノンが立っている？
キヤノンの技術開発力はアメリカでの特許出願数で超一級だそうだが、カメラの電子化でも、脱カメラ戦略からはじまった複写機開発でも、小型のレーザービームプリンターでも、バブルジェットと名づけられた独自のインクジェットプリンターでも、開発がはじまったら猪突猛進、一気に10年先までの市場支配を固めてしまうというような走り方をする。
手ブレ補正を主目的とする光学式防振技術も、お読みいただいたように、主流を2本、がっちりと押さえている。
ただ残念なことに、最初のVAPがソニーのビデオカメラに搭載されたように、自社の利用環境が整いきれないで無念の思いをかみしめた人がいる。少しずつ、手ブレ補正の重要度を社会的に認知させつつ、手ブレ防止が光学性能の実用的な向上に大きく寄与するというアピールをしていかなければならないのである。火がつきそうで、なかなかつかないキヤノンの次の世界戦略技術・手ブレ補正技術に、いま大きな胎動が感じられる。
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