JP5378807B2 - 防振制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に用いられる防振制御回路に関する。

近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置は、それに備わる撮像素子の画素数を増加させることによって高画質化を実現している。その一方で、撮像装置の高画質化を実現する他の方法として、撮像装置を把持する手のぶれなどの振動によって生じる被写体の画像のぶれを防止するために、撮像装置は手振れ補正機能を備えることが望まれている。

具体的には、撮像装置はジャイロセンサなどの振動検出素子を備え、撮像装置の振動によって生じる角速度成分に応じて、可動に構成された補正レンズや撮像素子などの部品を駆動して画像のぶれを防止する。これによって、撮像装置が振動しても、取得される映像信号に振動の成分が反映されることはなく、像ぶれのない高画質な映像信号を取得することができる。

図４に、手振れ補正機能を実現するために用いられる、従来の防振制御回路１００のブロック図を示す。防振制御回路１００は撮像装置に備えられ、撮像装置に備えられる主制御回路（図示せず）の制御に応じて動作する。防振制御回路１００は位置検出素子１０２、レンズ駆動素子１０４及び振動検出素子１０６に接続される。

位置検出素子１０２は、撮像装置の光学系の一部を構成する補正レンズ（レンズ１０８）の位置を検出する。位置検出素子１０２はホール素子とすることができ、レンズ１０８の絶対位置に応じた誘導電流を生じ、電圧信号を出力する。レンズ駆動素子１０４はボイスコイルモータとすることができる。防振制御回路１００は、レンズ駆動素子１０４に加える電圧値を調整することによってボイスコイルモータの可動コイルの位置、つまりレンズ１０８の位置を制御する。レンズ駆動素子１０４は、撮像装置の光軸に対して垂直な面（ＸＹ平面）内でレンズ１０８を駆動する。振動検出素子１０６は、撮像装置の振動を検出してその結果を防振制御回路１００に出力する。振動検出素子１０６はジャイロセンサとすることができる。振動検出素子１０６は、撮像装置に加えられた振動に応じた角速度信号を生成して、防振制御回路１００に出力する。

位置検出素子１０２、レンズ駆動素子１０４及び振動検出素子１０６はそれぞれ少なくとも２つの素子から構成されることが好適である。例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向それぞれに対応して複数の素子を設けて、レンズ１０８の位置検出、レンズ１０８の移動及び撮像装置の振動検出を行う。

次に、防振制御回路１００について詳細に説明する。防振制御回路１００は、サーボ回路１０、レンズドライバ１２、アナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）１４、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）１６及びデジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ）１８を含んで構成される。

サーボ回路１０は、位置検出素子１０２の出力する電圧信号に応じて、レンズ駆動素子１０４を制御するための信号を生成する。サーボ回路１０は、外付けの抵抗素子やコンデンサ等を含んだアナログのフィルタ回路を含んで構成され、撮像装置のレンズの光軸の傾斜によって生じる画像のずれを打ち消すようにレンズ駆動素子１０４を制御するための信号を生成する。レンズドライバ１２は、サーボ回路１０から出力された信号に基づいて、レンズ駆動素子１０４を駆動するためのレンズ駆動信号を生成する。

ＡＤＣ１４は、振動検出素子１０６が出力するアナログの角速度信号をデジタル信号に変換する。ＣＰＵ１６は、デジタルの角速度信号に基づいて、撮像装置の移動量を示す角度信号を生成する。ＣＰＵ１６は、メモリ（図示しない）に接続され、メモリに格納されたソフトウェアに基づいて角度信号の生成処理を行う。ＤＡＣ１８はＣＰＵ１６で生成されたデジタルの角度信号をアナログ信号に変換する。

ここで、サーボ回路１０は、ＤＡＣ１８が出力するアナログの角度信号と位置検出素子１０２の出力する電圧信号とを加算した信号に応じて、レンズ駆動素子１０４を駆動するためのレンズ駆動信号を生成する。つまり、手振れによる画像ぶれを防止するために、撮像装置の移動量を示す角度信号に基づいてレンズの位置を変更して、撮像素子上の被写体像のぶれを抑制する。これによって、手振れによる被写体像のぶれを抑制して高画質な映像信号を得ることができる。

特開平１０−２１３８３２号公報

ところで、防振制御回路の処理速度を向上させるためにサーボ回路、レンズドライバ、振動検出信号の処理回路をデジタル処理することができるロジック回路に置き換えることが望まれている。さらに、防振制御回路はデジタルカメラ等の撮像素子や撮像素子のレンズモジュールに組み込まれるので、ロジック回路化した場合においてもできるだけ小型化することが必要である。

また、レンズ等の可動部品の位置検出に用いられる位置検出素子の出力信号は基準位置からのずれ量に比例した強度を有する信号であることが望ましい。しかしながら、位置検出素子自体の特性や、位置検出素子の取り付けに関する誤差などに起因して、位置検出素子の出力信号は図５に示すように、基準位置からのずれ量に比例した強度とならないことがある。振動検出素子の出力信号に基づいて生成される目標位置に近づけるように可動部品を駆動する際に、例えば、位置検出素子の特性が線形であることを前提として駆動制御信号を生成すると、可動部品の変位が本来必要な値とならないという問題が生じる。

この問題に対しては、防振制御回路で位置検出素子の入出力特性の非線形性に関する補正処理が必要となるが、位置検出素子の個々の特性のばらつきによって補正回路を固定的なロジック回路として組み込むことは困難である。

本発明は、上記課題を解決した防振制御回路を提供することを目的とする。

本発明に係る防振制御回路は、振動検出素子と、可動部品を含んだ振動補償機構と、前記可動部品の駆動位置を検出する位置検出素子とを備えた撮像装置に用いられ、当該撮像装置の振動による撮像のずれの影響を前記可動部品の変位により低減させるものであって、前記位置検出素子の出力信号に基づいて、前記可動部品の現在位置を表す現在位置信号を生成する現在位置信号生成部と、前記振動検出素子の出力信号に基づいて、前記撮像装置の振れ量に応じた振れ量信号を生成する振れ量信号生成部と、前記振れ量信号を、予め設定された修正関数に基づいて修正して、前記可動部品の目標位置を表す目標位置信号を生成する目標位置信号生成部と、前記目標位置信号と前記現在位置信号とに基づいて、前記現在位置から前記目標位置への前記可動部品の変位を前記振動補償機構に指示する変位制御信号を生成する変位制御信号生成部と、を有し、前記目標位置信号生成部は、前記修正関数として、前記可動部品の前記駆動位置に対する前記現在位置信号の関係に基づいて設定された、当該振れ量信号に対する前記目標位置信号の対応関係を格納する記憶部と、前記修正関数に基づいて、前記振れ量信号から前記目標位置信号を算出するプロセッサと、を含む。

本発明によれば、位置検出素子の入出力特性の非線形性に応じた修正処理をプロセッサで行うので、メモリに格納するパラメータやプログラムを書き換えることで、位置検出素子の特性にばらつきが存在しても好適に当該修正処理を行うことができる。

また、手振れ補正システムでは、発振防止や補正性能向上のため、可動部品の位置のサンプリング周期は比較的短く設定する必要があるが、振動検出素子の出力信号に基づいて目標位置を求める周期はそれに比べて長く設定することができる。本発明によれば、位置検出素子の出力信号を修正するのではなく、振動検出素子の出力信号に基づいて得られる目標位置の方を、非線形となり得る位置検出素子の入出力特性に合わせて修正する。この構成では、修正処理の繰り返し周期を確保することが容易となり、プロセッサの処理負荷が軽減され、また、処理速度の低いプロセッサを採用できることによりコスト低減が図れる効果がある。

本発明の実施の形態における防振制御回路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における振動検出素子及び位置検出素子の相対的な配置を示す図である。 本発明の実施の形態における振動成分信号に対する修正処理を説明する図である。 従来の防振制御回路の構成を示す図である。 位置検出素子の出力信号を示す図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

本発明の実施形態における防振制御回路２００は、図１の機能ブロック図に示すように、ＡＤＣ２０、加算回路２２、サーボ回路２４、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２６、積分回路３２、センタリング処理回路３４、ＤＡＣ３６及びマイクロコンピュータ（マイコン）３８を含んで構成される。

防振制御回路２００は、位置検出素子１０２、レンズ駆動素子１０４、振動検出素子１０６に接続される。これらの素子は従来技術に記載のものと同様である。すなわち、位置検出素子１０２は、レンズ駆動素子１０４で駆動されるレンズ１０８の位置を少なくとも直交変換可能なように測定できるように少なくとも２軸以上に対して設けられる。また、振動検出素子１０６も、ヨー方向及びピッチ方向の２軸に沿って振動の成分を直交変換可能なように少なくとも２軸以上に対して設けられる。

本実施の形態では、撮像装置のヨー方向（Ｘ軸方向）及びピッチ方向（Ｙ軸方向）についてレンズ位置及び振動を検出できるように位置検出素子１０２及び振動検出素子１０６を設置するものとして説明を行う。以下の説明では、位置検出素子１０２及び振動検出素子１０６の出力信号はＸ軸成分同士、Ｙ軸成分同士で加算処理などされ、それぞれに基づいてヨー方向（Ｘ軸方向）及びピッチ方向（Ｙ軸方向）にレンズ位置が制御される。

なお、被写体の移動などに応じて撮像装置を水平方向（ヨー方向）に動かすことをパン動作といい、鉛直方向（ピッチ方向）に移動させることをチルト動作という。

ＡＤＣ２０は、位置検出素子１０２、例えばホール素子から出力されたアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。ホール素子は、レンズ１０８に固定された磁石による磁力に応じた誘導電流を生成する。つまり、ホール素子は、レンズ１０８との距離に応じてレンズ１０８の位置を示す電圧信号を出力し、ＡＤＣ２０はその電圧信号をデジタル信号に変換して位置信号として出力する。ＡＤＣ２０は、光学系全体の光軸及び撮像装置に備えられる撮像素子の中心に、レンズ１０８の光軸が一致する場合に、基準を示す信号、例えば、“０”を示すデジタル値を出力する構成とする。

また、ＡＤＣ２０は、振動検出素子１０６、例えばジャイロセンサから出力されたアナログの角速度信号をデジタル信号に変換する。すなわち、ＡＤＣ２０は、位置検出素子１０２及び振動検出素子１０６からの出力信号を時分割でデジタル化して出力する。

具体的には、図２に示すように、振動検出素子１０６で検出される振動のＸ軸成分の信号（Ｇｙｒｏ−Ｘ）、位置検出素子１０２で検出されるレンズ１０８の位置のＸ軸成分の信号（Ｈａｌｌ−Ｘ）、振動検出素子１０６で検出される振動のＹ軸成分の信号（Ｇｙｒｏ−Ｙ）、位置検出素子１０２で検出されるレンズ１０８の位置のＹ軸成分の信号（Ｈａｌｌ−Ｙ）の順に信号をデジタル化して出力する。

ＨＰＦ２６は、振動検出素子１０６から出力される角速度信号に含まれる直流成分を除去し、撮像装置の振動が反映された角速度信号の高周波成分を抽出する。

積分回路３２は、ＨＰＦ２６が出力する角速度信号を積分して、撮像装置の移動量を示す角度信号（振れ量信号）を生成する。積分回路３２は、図示しないデジタルフィルタを含んで構成することが好適であり、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数に応じたフィルタ処理を行うことによって角度信号、つまり撮像装置の移動量を求める。

センタリング処理回路３４は、積分回路３２から出力される角度信号に対して、所定の値を減算して、撮像装置の移動量を示す振動成分信号（ＳＶ−Ｘ，ＳＶ−Ｙ）を生成する。撮像装置において手振れ補正処理を行う場合、補正処理を継続して実行するうちにレンズの位置が基準位置から徐々に離れていき、レンズの可動範囲の限界点付近に達する場合がある。このとき、手振れ補正処理を継続すると、レンズはある一方の方向には移動できるが、他方には移動できなくなる。センタリング処理回路３４はこれを防止するために設けられるものであり、角度信号から所定の値を減算することによって、レンズの可動範囲の限界点に近づきにくいように制御する。

センタリング処理回路３４は、図示しないデジタルフィルタを含んで構成することが好適であり、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数に応じたフィルタ処理を行うことによって、角度信号から所定の値を減算する処理を行う。

マイコン３８は、プロセッサとメモリとを含んで構成される。マイコン３８は、センタリング処理回路３４から振動成分信号（ＳＶ−Ｘ，ＳＶ−Ｙ）を入力され、これら信号の修正処理を行う。マイコン３８の内蔵メモリには、振動成分信号（ＳＶ−Ｘ，ＳＶ−Ｙ）を、位置検出素子１０２の非線形の入出力特性に応じた特性に修正するための修正関数が予め格納されている。マイコン３８は、図３に示すように、入力されたＸ軸成分の振動成分信号（ＳＶ−Ｘ）及びＹ軸成分の振動成分信号（ＳＶ−Ｙ）の値を修正関数に代入することによってレンズ１０８の目標位置信号の値を求める。マイコン３８にて生成された目標位置信号は加算回路２２に入力される。

例えば、修正処理前においては図３（ａ）に示すように、振れ量信号に相当する振動成分信号（ＳＶ−Ｘ、ＳＶ−Ｙ）に対する撮像のぶれが補償されるレンズ１０８の所要変位量（目標位置）の関係は、実線の直線で表される線形の関係であり、撮像装置の振れ量に対してレンズ１０８の目標位置は比例して変化する。なお、図３（ａ）において、横軸は基準位置からの距離であり、レンズ１０８の目標位置に対応する。一方、縦軸は信号値であり、撮像装置の振れ量に対応する。特性５０との対比のために示した点線の曲線の特性５２は、位置検出素子１０２の入出力特性であり、レンズ１０８の位置（横軸）と位置検出信号（Ｈａｌｌ−Ｘ、Ｈａｌｌ−Ｙ）との関係を表す。

一方、修正処理後においては図３（ｂ）に示すように、振動成分信号（ＳＶ−Ｘ、ＳＶ−Ｙ）を修正処理した目標位置信号に対するレンズ１０８の目標位置の関係は、実線の曲線の特性５４で表される。ここで、目標位置βは撮像装置のずれに応じて変位されるレンズ１０８の位置を表す。レンズ１０８の位置αを変位させて位置βに一致した場合、すなわちレンズ１０８がβに変位した場合に、撮像装置のずれによる撮像のずれが補償される。

修正関数は、レンズ１０８の位置αに対する位置検出信号の値Ｄｐの関係に基づいて、振動成分信号の値Ｄｆに対する目標位置信号の値Ｄｔの対応関係を定義したものである。すなわち、特性５４は、位置検出信号の特性５２に一致する特性、又は特性５２を近似する特性となり、マイコン３８のメモリには、当該特性５４が修正関数として格納される。

修正処理では、レンズ１０８の目標位置βに対応する振動成分信号の値Ｄｆが、特性５４を表す修正関数を用いて目標位置信号の値Ｄｔに変換される。ここで、レンズ１０８の現在位置αに対応する位置検出信号の値をＤｐとすると、修正関数（特性５４）を特性５２に基本的に一致させるように設定したことにより、Ｄｐ＝Ｄｔならば、α＝βとなる。すなわち、修正関数による修正処理で生成された目標位置信号を用いて、ＤｐをＤｔに近づける制御により、レンズ１０８を好適に目標位置へ移動させることができる。

修正関数は、位置検出素子１０２の個々の特性に対応して設定される。本実施の形態では、レンズのＸ軸及びＹ軸の駆動方法に沿って位置検出素子１０２が設けられているので、Ｘ軸及びＹ軸の位置検出素子１０２のそれぞれに対して修正関数を設定する。

なお、修正関数は、予め位置検出素子１０２であるホール素子の入出力特性を測定し、その入出力特性に基づいて設定され、マイコン３８の内蔵メモリに格納される。修正関数は、演算式で定義することもできるし、入力値に対する出力値を格納したテーブルを用いて定義することもできる。また、特性５２を近似的に表現する方法として、例えば、折れ線近似を用いることができる。

加算回路２２は、位置検出信号とマイコン３８から出力される目標位置信号とをＸ軸、Ｙ軸各方向別に加算してサーボ回路２４へ出力する。

サーボ回路２４は、加算回路２２からの出力信号に応じて、レンズ駆動素子１０４の駆動を制御する補正信号（変位制御信号）ＳＲを生成する。サーボ回路２４は、レジスタとデジタルフィルタ回路を含んで構成され、レジスタに格納されるフィルタ係数を用いたフィルタ処理を行う。

ＤＡＣ３６はデジタルの補正信号ＳＲをアナログ信号に変換する。ＤＡＣ３６によってアナログ化された補正信号ＳＲに基づいて、レンズ駆動素子１０４によりＸ軸方向及びＹ軸方向についてそれぞれ撮像装置のレンズ１０８が駆動される。

なお、マイコン３８は、上記修正処理のためだけのものである必要はなく、他の処理との兼用であってもよく、例えば、撮像装置の各種制御を行うＣＰＵを用いて当該修正処理を行うことができる。

図１に記載の防振制御回路２００を用いた、手振れによる被写体の画像ぶれを補正するためのレンズの移動制御について説明する。撮像装置は例えば、目標位置信号の値Ｄｔが増加する方向の手振れに対して、位置検出信号の値Ｄｐが増加する方向にレンズ１０８を変位させることにより、当該手振れの影響を低減できる構成であるとする。この構成では、加算回路２２はその出力値ＤｓとしてＤｓ＝Ｄｔ−Ｄｐを求め、サーボ回路２４は加算回路２２の出力Ｄｓを０に近づけるようにレンズ駆動素子１０４への補正信号ＳＲを生成する。

例えば、レンズ１０８が基準位置にあれば、Ｄｐは０である。また、撮像装置の手振れがなければ、振動検出素子１０６の出力が０であるので振れ量も０であり、マイコン３８から出力される目標位置信号の値Ｄｔも０である。よって、レンズ１０８が基準位置にあり、かつ撮像装置の手振れがなければ、Ｄｐ＝Ｄｔ＝０である。その結果、加算回路２２の出力Ｄｓ＝０となり、サーボ回路２４は、現在のレンズ１０８の位置を維持するようにレンズ駆動素子１０４を制御する補正信号ＳＲを出力する。

また、レンズ１０８が基準位置からずれていて、かつ撮像装置の手振れはない場合は、Ｄｐ≠０かつＤｔ＝０である。この場合、サーボ回路２４は、Ｄｐが０となるように補正信号ＳＲを生成しレンズ駆動素子１０４へ出力する。位置検出の周期毎にこの動作を繰り返すことによって、レンズ１０８は基準位置へ移動される。

レンズ１０８が基準位置にあり、かつ撮像装置の手振れがある場合は、Ｄｐ＝０かつＤｔ≠０である。この場合、サーボ回路２４は、位置検出の周期毎にＤｐがＤｔに近づくように補正信号ＳＲを生成し、その結果、レンズ１０８は目標位置信号の値Ｄｔに対応する位置へ移動される。これは、レンズ１０８が基準位置からずれていても同じであり、Ｄｔ≠Ｄｐである場合は、サーボ回路２４は、位置検出の周期毎にＤｐがＤｔに近づくように補正信号ＳＲを生成する。

ちなみに、Ｄｐ，Ｄｔはそれぞれ、図３の特性５２，５４のように非線形特性に従うので、位置検出信号の値Ｄｐはレンズ１０８の現在位置には比例せず、また目標位置信号の値Ｄｔは目標位置に比例しない。しかし、既に述べたように、ＤｐをＤｔに近づける制御により、レンズ１０８を目標位置へ移動させることができ、特性５２，５４が非線形であることは、レンズ１０８を目標位置に到達させることに影響を与えない。

以上のように、本発明の実施形態では、位置検出素子１０２の入出力特性５２と振動成分信号の特性５４との差異に関して、マイコン３８を用いて振動成分信号を修正することによって、精度の高い防振制御を行うことができる。

位置検出素子１０２の特性は素子の種類毎や素子毎にばらつきがあるため、その特性に関する修正回路をロジック回路化することが難しく、マイコン３８に内蔵されるファームウェアによって対応することによって位置検出素子１０２の種類の変更や個々のばらつきに応じた補正をより適切に行うことができる。

また、位置検出素子１０２、振動検出素子１０６それぞれの出力信号はＡＤＣ２０にて比較的高い共通のサンプリングレートでデジタルデータに変換され得るが、振動検出素子１０６の出力信号に基づくデータは、振動成分信号を生成するデジタルフィルタ（ＨＰＦ２６〜センタリング処理回路３４）での処理でダウンサンプリングされる。よって、振動成分信号を表すデータを修正する処理は、データレートが低い分、位置検出信号を表すデータを修正するよりもマイコン３８の処理負荷が低い。

なお、本発明の実施形態では、位置検出素子１０２、レンズ駆動素子１０４、振動検出素子１０６はそれぞれ、ホール素子、ボイスコイルモータ、ジャイロセンサとしたが、本願はそれに限られるものではない。例えば、レンズ駆動素子１０４はピエゾ素子を用いることができる。また、振動検出素子１０６は、直線方向の加速度を検出するセンサを用いて、加速度信号に基づいて撮像装置の振動を検出する構成とすることができる。

また、本発明の実施形態では、レンズを駆動させて手振れ補正処理を行うレンズシフト方式としたが、本発明はこれに限られるものではない。たとえば、本発明は、撮像装置のぶれに応じてＣＣＤ素子などの撮像素子をシフトさせるＣＣＤシフト方式にも適用することができる。このとき、位置検出素子１０２は撮像素子の位置を検出し、レンズ駆動素子１０４は撮像素子を駆動する素子とすることができる。

１０ サーボ回路、１２ レンズドライバ、２０ アナログ−デジタル変換回路、２２ 加算回路、２４ サーボ回路、２６ ハイパスフィルタ、３２ 積分回路、３４ センタリング処理回路、３６ デジタル−アナログ変換回路、３８ マイコン、１００，２００ 防振制御回路、１０２ 位置検出素子、１０４ レンズ駆動素子、１０６ 振動検出素子、１０８ レンズ。

Claims (1)

1. 振動検出素子と、可動部品を含んだ振動補償機構と、前記可動部品の駆動位置を検出する位置検出素子とを備えた撮像装置に用いられ、当該撮像装置の振動による撮像のずれの影響を前記可動部品の変位により低減させる防振制御回路において、
   前記位置検出素子の出力信号に基づいて、前記可動部品の現在位置を表すデジタル信号である現在位置信号を生成する現在位置信号生成部と、
   前記振動検出素子の出力信号に基づいて、前記撮像装置の振れ量に応じたデジタル信号である振れ量信号を前記現在位置信号より長いサンプリング周期で生成する振れ量信号生成部と、
   前記振れ量信号を、予め設定された修正関数に基づいて修正して、前記可動部品の目標位置を表す目標位置信号を生成する目標位置信号生成部と、
   前記目標位置信号と前記現在位置信号とに基づいて、前記現在位置から前記目標位置への前記可動部品の変位を前記振動補償機構に指示する変位制御信号を生成する変位制御信号生成部と、
   を有し、
   前記目標位置信号生成部は、
   前記修正関数として、前記可動部品の前記駆動位置に対する前記現在位置信号の関係を表す前記位置検出素子の入出力特性に一致する特性又は当該入出力特性を近似する特性に設定された、当該振れ量信号に対する前記目標位置信号の対応関係を格納する記憶部と、
   前記修正関数に基づいて、前記振れ量信号から前記目標位置信号を算出するプロセッサと、
   を含むことを特徴とする防振制御回路。

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