La présente invention se rapporte à un dispositif de stabilisation d'image.
On sait qu'à partir d'un certain grossissement, il n'est plus possible d'obtenir une image nette pour un temps de pose donné avec un appareil portatif, si celui-ci n'est pas fixé à un pied. Or l'emploi du pied limite évidemment les conditions d'utilisation d'un appareil de photo, la visée et la prise de vue avec l'appareil porté à la main étant le plus souvent désirable.
Il existe déjà de nombreux dispositifs de stabilisation pour rendre un organe indépendant des mouvements d'un véhicule, en particulier dans des applications militaires. De tels dispositifs ne sont pas adaptables à la stabilisation d'une image sur le plan d'un film photographique.
Un dispositif mécanique apte à déplacer un élément optique d'un objectif photographique parallèlement au plan du film a été décrit dans le brevet suisse No 669 271. Ce mécanisme est basé sur un système optique de compensation à double parallèlogramme, déformable selon les 2 axes de compensation, chacun de ces parallélogrammes est pressé élastiquement contre une came entraînée par un moteur. Cette came est destinée a communiquer au parallélogramme déformable des déplacements dont la vitesse est comparable à la vitesse angulaire des tremblements communiques manuellement à l'appareil photographique.
Si la compensation n'intervient que pendant le temps d'exposition du film, typiquement 1/60 s, l'amplitude du mouvement de vibration durant 24 ms, si l'on englobe le temps total de déplacement du rideau, est relativement faible et peut être estimée, d'après des mesures effectuées avec un échantillon représentatif de personnes, à 0,5 mm.
Si on désire étendre cette compensation au temps de visée, c'est-à-dire sur plusieurs secondes, l'amplitude de ce mouvement est susceptible d'être très sensiblement supérieure à cette valeur. D'une part, une compensation d'une amplitude de plusieurs mm serait difficile à réaliser, d'autre part il est nécessaire que le photographe, pendant la visée, reste conscient de ses mouvements lents et de grande amplitude, tandis que seuls ses mouvements de tremblement involontaires, rapides et de faible amplitude sont compensés, dans la mesure où ce sont de tels mouvements qui troublent la netteté de l'image. L'amplitude maximum du mouvement de compensation est donnée par la came, ici une came en spirale, et est limitée par ses deux extrémités.
Dans ces conditions, il est nécessaire d'arrêter le mouvement de la came à chacune de ses extrémités indépendemment de l'amplitude du mouvement angulaire de l'appareil. Par cette limitation, il est alors possible d'étendre la compensation non seulement au temps d'exposition de la pellicule photographique, mais également au temps de visée.
A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de stabilisation d'image selon la revendication 1.
Les avantages de cette solution résident dans sa simplicité. Le système d'asservissement étant basé sur une mesure de position de laquelle est déduite la vitesse, la détermination de positions limites, correspondant aux deux extrémités de la came, est basée sur la même mesure que celle utilisée dans la boucle de compensation des vibrations. Cette solution permet donc de façon simple, d'adapter le système électromécanique de stabilisation non seulement à l'exposition du film, mais à la visée. Les différents tests effectués avec un appareil de photographie, équipé d'un dispositif de compensation du tremblement selon l'invention, ont permis de révéler que la stabilisation de l'image pendant la visée joue un rôle important sur le comportement du photographe.
Celui-ci en ne voyant pas le sujet trembler dans le viseur, n'a pas tendance à se crisper, ce qui contribue a diminuer le niveau de tremblement par rapport à un appareil sans stabilisation durant la visée. Ainsi la réduction du niveau de tremblement rend d'autant plus efficace la stabilisation durant l'exposition du film.
Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un circuit électronique d'asservissement du dispositif de stabilisation d'image objet de la présente invention.
La fig. 1 est une vue très schématique et unidimensionnelle montrant la conception du mécanisme à actionner.
Les fig. 2a et 2b illustrent un modèle analytique contenant les paramètres mécaniques et électriques intervenant dans le dispositif de compensation.
La fig. 3 est un schéma-bloc du circuit électrique de commande.
Les fig. 4a et 4b sont des diagrammes explicatifs.
La fig. 5 est un schéma électrique de réalisation du module de compensation C du schéma-bloc de la fig. 3.
La fig. 6 est un diagramme de la caractéristique du module de la fig. 5.
La fig. 7 est un schéma électrique du module PID utilisé dans le schéma-bloc de la fig. 3.
La fig.
8 est un diagramme illustrant le gain en fonction de la fréquence du module de la fig. 7.
La fig. 9 est un schéma électrique d'un module du schemabloc de la fig. 3.
La fig. 10 est un diagramme charactéristique du module de la fig. 9 illustrant la variation de tension du moteur d'entraînement de la came de commande en fonction de la position, durant la phase de centrage.
La fig. 11 est un schéma électrique du module de limitation d'amplitude VF de la fig. 3.
La fig. 12 est un diagramme donnant la relation entre le signal Vcontrol et la position mesurée Upos.
La fig. 13 est un diagramme du gain en fonction de la position mesurée.
Le dispositif de stabilisation d'image a été dimensionné sur la base de mesures de fréquence, d'amplitude et de vitesse angulaire des mouvements communiqués à un appareil photographique équipé d'un téléobjectif de 300mm f/2.8 pendant le temps d'exposition. Ces tests ont été réalisés sur un échantillon de personnes des deux sexes. L'analyse de ces résultats a montré que la largeur de bande de la fréquence des mouvements à stabiliser se situe entre 1 et 10 - 12Hz. L'amplitude moyenne de déplacement de l'image sur le plan du film pendant le temps d'exposition de 1/60s est de 60 à 80 mu m avec des pointes maximum de 200 à 260 mu m qui peuvent aller jusqu'à 300 mu m, si l'on tient compte du temps total de déplacement du rideau qui est de 24 ms. Pour que le processus de stabilisation soit efficace, il ne faut pas que les oscillations résiduelles dépassent 20 mu m pendant 1/60 s.
Les vitesses linéaires maximum à compenser ont été fixées à 20 mm/s, ce qui fixe le déplacement maximum de l'optique de compensation durant 1/60 s à moins de 0.5 mm.
La présente invention a pour objet un système d'asservissement d'un dispositif électromécanique du type de celui décrit dans le brevet suisse No 669 271 auquel on pourra se référer. La fig. 1 illustre très schématiquement le principe unidimensionnel de ce dispositif qui constitue un compensateur optique des déplacements angulaires imprimés à l'appareil photographique. Ce dispositif comporte un équipage mobile 1 portant un elément optique de compensation 2, guidé en translation par des organes de guidage 3 et actionné par une came 4 solidaire de l'arbre d'un moteur 5, un ressort de précontrainte 6 maintenant constamment l'équipage mobile 1 contre la came 4 par l'intermédiaire d'un galet 7. En fait, le mécanisme comporte un second degré de liberté orthogonal à celui illustré et comprenant les mêmes éléments afin de déplacer l'élément optique 2 selon deux axes orthogonaux.
Par souci de simplicité on ne se réfère ici qu'à un moteur et un équipage mobile, la commande du second équipage mobile étant, dans son principe, identique à celle du premier.
La fig. 2a représente le compensateur optique S illustré par la fig. 1, dont le premier elément, le moteur 5, reçoit une tension d'entrée Umot. L'élément optique 2 solidaire de l'équipage mobile 1, dont la position correspond à Ylens et la vitesse à Vlens, constitue le dernier élément de ce compensa teur.
Avant d'examiner l'ensemble du circuit de commande, nous allons procéder à une étude des caractérisques électro-mécaniques du compensateur optique, qui sera utile pour concevoir ce circuit de commande.
La fig. 2b représente symboliquement tous les paramètres électriques et mécaniques du dispositif illustré par la fig. 1. On analysera à partir de cette représentation symbolique la fonction de transfert du dispositif. Cette fig. 2b comporte quatre parties relatives au moteur 5, à la came 4, à l'équipage mobile 1 de l'élément optique 2 et à la force de précontrainte Fconst. La partie électrique du moteur à courant continu 5 comporte sa résistance R, son inductance L, sa tension contre électromotrice E et sa partie mécanique, son inertie I, son frottement rho . La came 4 est symbolisée par son facteur de transformation couple-force delta , l'équipage mobile 1 par sa masse m d'une part et par la raideur k, le frottement dynamique lambda du ressort, la force de précontrainte, Fconst du ressort et le poids de l'équipage mobile qui plaquent celui-ci contre la came d'autre part.
Par analyse de ces différents paramètres, on obtiendra la fonction de transfert S relative au déplacement du compensateur optique en fonction de la tension Umot appliquée au moteur 5 à courant continu et de la force Fconst.
Les fonctions de transfert du modèle symbolique de la fig. 2 sont pour la partie électrique du moteur:
M = psi .i
E = psi . omega
Umot-E = Ri + sLi
Umot = (R+sL ) i+ psi omega
et pour sa partie mécanique:
M = Mi+M rho +M delta
=sI omega + rho . omega + delta F delta
pour la liaison came-équipage mobile supposée rigide:
EMI6.1
pour l'équipage mobile
F delta = Fm + Fk + F lambda + Fconst.
=(s<2>m + s lambda + k)Vlens + Fconst
où Vlens correspond à la position de l'équipage mobile.
pour l'ensemble
EMI6.2
Itot = I + m delta <2
> rho tot = rho + lambda delta <2
>
Etant donné que le poids de l'équipage mobile et la force de précontrainte Fconst sont des valeurs constantes, on peut les neutraliser en appliquant au moteur 5 une tension fixe équivalente à Uconst:
EMI7.1
En plus de la neutralisation de Fconst, on peut simplifier les qualités dynamiques du compensateur optique dans le domaine des fréquences utiles à la fonction de transfert S (s) suivante:
EMI7.2
Le diagramme de la fig. 4a illustre les caractéristiques dynamiques du modèle simplifié, dont les paramètres Ps1, Ps2 et Sconst sont définis par:
EMI7.3
On voit donc qu'à basses fréquences une tension Umot appliquée au moteur 5 engendre essentiellement un déplacement et à hautes fréquences une accélération. Entre ces deux domaines de fréquences, il existe une zone de proportionalité dans le sens complexe entre tension et vitesse.
En élargissant cette zone à l'intervalle de fréquences de 1-10 (Hz) requis pour obtenir une stabilisation efficace comme proposé sur la fonction de transfert idéale (fig. 4b) du compensateur C, on peut réaliser un circuit d'asservissement en vitesse que l'on décrira maintenant plus en détail à l'aide du schéma-bloc de la fig. 3.
Ce circuit comporte un accéléromètre Acc formant à sa sortie un signal gamma proportionnel à l'accélération angulaire communiquée à l'appareil photographique pendant la visée et l'exposition du film. Ce signal gamma est intégré par un convertisseur accélération-vitesse a/v pour former à sa sortie un signal Uv caractéristique de la vitesse angulaire.
Le reste du circuit d'asservissement est constitué par une boucle fermée. Le signal de vitesse Uv issu du convertisseur a/v est envoyé dans un bloc de compensation électronique C qui filtre et élargit la gamme de fréquences pour laquelle la vitesse Vlens atteinte par le moteur sera proportionnelle à sa tension d'alimentation Umot. Les zéros de sa fonction de transfert doivent correspondre aux pôles Ps1 et Ps2 du système électromécanique S, comme illustré par le diagramme de la fig. 6. C'est ce bloc, dont le détail est illustré par le schéma électrique de la fig. 5 qui fournit la tension Umot introduite dans le moteur 5 du compensateur optique S. La position Vlens de l'équipage mobile 1 du compensateur optique S est détectée par le bloc M qui effectue une mesure différentielle de haute précision de cette position.
Cette mesure est différenciée pour engendrer un signal Umes proportionnel à la vitesse Vlens de cet équipage mobile.
Ce signal est envoyé dans un filtre PID (Proportionnel, Intégrateur, Différentiateur) qui extrait alors du signal d'erreur Udiff entre le signal de vitesse désirée Uv et le signal de vitesse mesurée Umes de l'équipage mobile 1, les termes qui vont être réinjectés dans la boucle d'asservissement sous forme du signal Ucomp.
Cette régulation sert à stabiliser optiquement les tremblements communiqués à l'appareil photographique. Elle a pour but de faire en sorte que l'erreur en position epsilon due à la différence entre la vitesse de tremblement OMEGA camera et la vitesse OMEGA lens de la lentille compensatrice 2, fixée à l'équipage mobile 1 soit minimum durant le temps d'exposition de la pellicule photographique.
La régulation proposée ici fonctionne en vitesse. Son but est de générer un signal de correction de vitesse jusqu'à ce que l'erreur de vitesse soit aussi petite que possible. Au lieu du filtre PID proposé ici, on pourrait utiliser un règleur à variables d'état, une solution digitale ou un asservissement en position.
La fig. 7 illustre le schéma électrique du filtre PID. La tension Udiff caractéristique de la différence entre la vitesse mesurée et la vitesse demandée est introduite dans le filtre qui produit à sa sortie une tension Ucorr qui est caractéristique de la correction à effectuer. Un interrupteur IN est relié à un signal logique "cent" d'une seconde boucle d'asservissement utilisée pour le centrage de la came 4 et dont on parlera par la suite. Cet interrupteur IN est maintenu ouvert, tant que l'opération de centrage n'est pas terminée.
Le diagramme de la fig. 8 illustre la caractéristique du circuit de la fig. 7 en fonction de la fréquence f.
On voit sur la fig. 3 qu'une seconde boucle fermée est formée dans laquelle un signal de tension Upos proportionnel à Vlens est envoyé dans un module de centrage CE dont le détail du circuit électrique est illustré par la fig. 9. Le signal Upos est amené à l'entrée d'un amplificateur différentiel A dont la sortie est connectée à l'entrée d'un échantillonneur-bloqueur S+H rendu actif par un signal logique "cent". Durant la phase active de ce signal logique, le module CE génère une tension Uconst fonction de la position Upos de l'équipage mobile 1, dont le but est de centrer l'élément optique de compensation 2 au milieu de sa zone de mouvement.
On voit sur la fig. 10 que tant que la position de la lentille est en dessous d'un certain seuil Uthres, on applique au moteur une tension Umax qui oblige l'élément optique à se mouvoir avec une vitesse constante en direction de son centre de positionnement. Une fois proche de ce point, on diminue la tension appliquée au moteur jusqu'au point d'équilibre Ubal correspondant au milieu de la zone de mouvement (Upos = 0). Cette tension Ubal est nécessaire pour que le moteur génère un couple apte à compenser la force Fconst causée par le poids de l'élément optique 2 et la force de précontrainte du ressort 6 qui tend constamment à ramener la came 4 en position de butée.
Une fois l'équipage mobile 1 centré, le signal logique "cent" passe au niveau bas, l'échantillonneur bloqueur S+H fixe Uconst à sa valeur Ubal, et l'asservissement en vitesse peut fonctionner puisque l'élément optique de compensation est libre de se mouvoir dans les deux directions.
En vue de permettre l'utilisation du dispositif de stabilisation aussi bien pendant la visée que pendant la prise de vue, il y a lieu de limiter la course de l'équipage mobile 1 afin de ne pas dépasser les deux extrémités de la came 4.
La mesure de position effectuée par le bloc de mesure M est envoyée, outre au bloc de centrage CE, à un bloc de limitation de course L. Comme on le voit, ce bloc de limitation de course comporte deux entrées l'une recevant un signal Upos caractéristique de la position de l'équipage mobile, l'autre un signal Uv caractéristique de la vitesse obtenue par l'intégration du signal d'accélération gamma et qui correspond à la vitesse qui devrait être communiquée à l'équipage mobile 1 pour obtenir une stabilisation parfaite. Ce bloc de limitation comporte deux éléments distincts, un atténuateur de signal VF qui reçoit les signaux Uv et Upos et un filtre PF qui reçoit le signal Upos. La sortie de ce filtre PF est reliée à la sortie du bloc de limitation par l'intermédiaire d'un interrupteur INT dont l'ouverture est commandée par le déclencheur SH de l'appareil photographique.
Le schéma électrique de la fig. 11 représente le concept de base de cet atténuateur VF. Le diagramme de la fig. 12 illustre le signal de commande de l'atténuateur Vcontrol en fonction de la position mesurée de l'équipage mobile Upos.
Le gain de l'amplificateur A, et par conséquent le signal de sortie Ulim sont fonction de la position de l'équipage mobile comme illustré par le diagramme de la fig. 13: un gain maximum correspond à une image stabilisée, un gain minimum à une image non stabilisée. La transition correspond à une zone de prise de conscience par le photographe de ses trop grands mouvements. Les caractéristiques de cet atténuateur peuvent etre modifiées en variant la transition gain maximum-gain minimum.
Le rôle du filtre PF est de recentrer continuellement mais lentement la came 4 afin d'éviter qu'elle ne reste bloquée en bout de course sous l'effet de l'atténuateur VF et qu'elle ne soit de ce fait plus opérationnelle. Ce recentrage continu permet d'effectuer des changements de direction pendant la phase de visée, tout en continuant de stabiliser l'image. Ce recentrage est déconnecté dès que l'on effectue la prise de vue afin d'assurer une stabilisation d'une précision maximale. A cet effet, le déclencheur de l'appareil ouvre alors l'interrupteur INT. Le filtre utilisé est un filtre passe-bas du 1<er> ordre. Sa constante de temps doit être choisie de manière à assurer un recentrage efficace lorsque la came est proche de ses limites. Par contre, ce filtre ne doit pas dégrader les performances de la stabilisation d'image lorsque la came est centrée.
La réalisation proposée ici n'est qu'une variante des multiples manières de recentrer lentement l'élément mobile 2, telles que:
- Filtres différents mais agissant toujours en continu.
- Filtres n'entrant en action que lorsque la came approche de ses limites.
- Filtres entrant en action périodiquement.
The present invention relates to an image stabilization device.
We know that from a certain magnification, it is no longer possible to obtain a clear image for a given exposure time with a portable device, if the latter is not fixed to a stand. However, the use of the foot obviously limits the conditions of use of a camera, aiming and shooting with the camera carried in the hand being most often desirable.
There are already many stabilization devices to make an organ independent of the movements of a vehicle, in particular in military applications. Such devices are not adaptable to the stabilization of an image on the plane of a photographic film.
A mechanical device capable of moving an optical element of a photographic objective parallel to the plane of the film has been described in Swiss patent No 669 271. This mechanism is based on an optical compensation system with double parallelogram, deformable along the 2 axes of compensation, each of these parallelograms is pressed elastically against a cam driven by a motor. This cam is intended to communicate displacements, the speed of which is comparable to the angular speed of tremors, to the deformable parallelogram, which are communicated manually to the camera.
If the compensation occurs only during the exposure time of the film, typically 1/60 s, the amplitude of the vibration movement during 24 ms, if the total time of movement of the curtain is included, is relatively small and can be estimated, from measurements made with a representative sample of people, at 0.5 mm.
If it is desired to extend this compensation to the aiming time, that is to say over several seconds, the amplitude of this movement is likely to be very significantly greater than this value. On the one hand, compensation of an amplitude of several mm would be difficult to achieve, on the other hand it is necessary that the photographer, during the aiming, remain aware of his slow movements and of great amplitude, while only his movements involuntary, rapid and small amplitude tremor are compensated for, since it is such movements that disturb the sharpness of the image. The maximum amplitude of the compensation movement is given by the cam, here a spiral cam, and is limited by its two ends.
Under these conditions, it is necessary to stop the movement of the cam at each of its ends independently of the amplitude of the angular movement of the device. By this limitation, it is then possible to extend the compensation not only to the exposure time of the photographic film, but also to the aiming time.
To this end, the present invention relates to an image stabilization device according to claim 1.
The advantages of this solution lie in its simplicity. The servo system being based on a position measurement from which the speed is deducted, the determination of limit positions, corresponding to the two ends of the cam, is based on the same measurement as that used in the vibration compensation loop. This solution therefore makes it possible, in a simple manner, to adapt the electromechanical stabilization system not only to the exposure of the film, but to the aiming. The various tests carried out with a camera, equipped with a tremor compensation device according to the invention, made it possible to reveal that the stabilization of the image during aiming plays an important role on the behavior of the photographer.
This one by not seeing the subject tremble in the viewfinder, does not tend to tense up, which contributes to decrease the level of tremor compared to a camera without stabilization during the aiming. Thus the reduction in the level of tremor makes stabilization all the more effective during the exposure of the film.
The appended drawing illustrates, schematically and by way of example, an embodiment of an electronic control circuit of the image stabilization device object of the present invention.
Fig. 1 is a very schematic and one-dimensional view showing the design of the mechanism to be actuated.
Figs. 2a and 2b illustrate an analytical model containing the mechanical and electrical parameters involved in the compensation device.
Fig. 3 is a block diagram of the electrical control circuit.
Figs. 4a and 4b are explanatory diagrams.
Fig. 5 is an electrical diagram of the compensation module C of the block diagram of FIG. 3.
Fig. 6 is a diagram of the characteristic of the module of FIG. 5.
Fig. 7 is an electrical diagram of the PID module used in the block diagram of FIG. 3.
Fig.
8 is a diagram illustrating the gain as a function of the frequency of the module of FIG. 7.
Fig. 9 is an electrical diagram of a module of the schemabloc of FIG. 3.
Fig. 10 is a characteristic diagram of the module of FIG. 9 illustrating the voltage variation of the drive motor of the control cam as a function of the position, during the centering phase.
Fig. 11 is an electrical diagram of the amplitude limiting module VF of FIG. 3.
Fig. 12 is a diagram giving the relationship between the signal Vcontrol and the measured position Upos.
Fig. 13 is a diagram of the gain as a function of the position measured.
The image stabilization device was dimensioned on the basis of measurements of frequency, amplitude and angular speed of the movements communicated to a camera equipped with a telephoto lens of 300mm f / 2.8 during the exposure time. These tests were carried out on a sample of people of both sexes. Analysis of these results has shown that the bandwidth of the frequency of the movements to be stabilized is between 1 and 10 - 12 Hz. The average amplitude of displacement of the image on the plane of the film during the exposure time of 1 / 60s is 60 to 80 mu m with peaks of 200 to 260 mu m which can go up to 300 mu m, if one takes into account the total displacement time of the curtain which is 24 ms. For the stabilization process to be effective, the residual oscillations must not exceed 20 mu m for 1/60 s.
The maximum linear speeds to be compensated have been set at 20 mm / s, which fixes the maximum displacement of the compensation optics for 1/60 s at less than 0.5 mm.
The present invention relates to a control system for an electromechanical device of the type described in Swiss patent No 669 271 to which reference may be made. Fig. 1 very schematically illustrates the one-dimensional principle of this device which constitutes an optical compensator for the angular displacements printed on the camera. This device comprises a movable assembly 1 carrying an optical compensation element 2, guided in translation by guide members 3 and actuated by a cam 4 secured to the shaft of a motor 5, a prestressing spring 6 constantly maintaining the moving element 1 against the cam 4 by means of a roller 7. In fact, the mechanism has a second degree of freedom orthogonal to that illustrated and comprising the same elements in order to move the optical element 2 along two orthogonal axes.
For the sake of simplicity, we are referring here only to an engine and a moving assembly, the control of the second moving assembly being, in principle, identical to that of the first.
Fig. 2a shows the optical compensator S illustrated in FIG. 1, the first element of which, the motor 5, receives an input voltage Umot. The optical element 2 integral with the mobile assembly 1, the position of which corresponds to Ylens and the speed to Vlens, constitutes the last element of this compensator.
Before examining the entire control circuit, we will proceed to a study of the electro-mechanical characteristics of the optical compensator, which will be useful for designing this control circuit.
Fig. 2b symbolically represents all the electrical and mechanical parameters of the device illustrated in FIG. 1. We will analyze from this symbolic representation the transfer function of the device. This fig. 2b has four parts relating to the motor 5, to the cam 4, to the mobile assembly 1 of the optical element 2 and to the prestressing force Fconst. The electrical part of the DC motor 5 comprises its resistance R, its inductance L, its voltage against electromotive E and its mechanical part, its inertia I, its friction rho. The cam 4 is symbolized by its delta torque-force transformation factor, the mobile assembly 1 by its mass m on the one hand and by the stiffness k, the dynamic lambda friction of the spring, the prestressing force, Fconst of the spring and the weight of the moving part which presses it against the cam on the other hand.
By analysis of these different parameters, we will obtain the transfer function S relating to the displacement of the optical compensator as a function of the voltage Umot applied to the DC motor 5 and of the force Fconst.
The transfer functions of the symbolic model of fig. 2 are for the electrical part of the engine:
M = psi .i
E = psi. omega
Umot-E = Ri + sLi
Umot = (R + sL) i + psi omega
and for its mechanical part:
M = Mi + M rho + M delta
= sI omega + rho. omega + delta F delta
for the cam-mobile linkage assumed to be rigid:
EMI6.1
for the mobile crew
F delta = Fm + Fk + F lambda + Fconst.
= (s <2> m + s lambda + k) Vlens + Fconst
where Vlens corresponds to the position of the moving assembly.
for the group
EMI6.2
Itot = I + m delta <2
> rho tot = rho + lambda delta <2
>
Since the weight of the moving part and the prestressing force Fconst are constant values, they can be neutralized by applying to motor 5 a fixed voltage equivalent to Uconst:
EMI7.1
In addition to the neutralization of Fconst, the dynamic qualities of the optical compensator can be simplified in the range of frequencies useful for the following transfer function S (s):
EMI7.2
The diagram in fig. 4a illustrates the dynamic characteristics of the simplified model, whose parameters Ps1, Ps2 and Sconst are defined by:
EMI7.3
It is therefore seen that at low frequencies a voltage Umot applied to the motor 5 essentially generates a displacement and at high frequencies an acceleration. Between these two frequency domains, there is a proportionality zone in the complex sense between voltage and speed.
By widening this zone to the frequency interval of 1-10 (Hz) required to obtain an effective stabilization as proposed on the ideal transfer function (fig. 4b) of the compensator C, we can create a speed control circuit which will now be described in more detail using the block diagram in FIG. 3.
This circuit comprises an accelerometer Acc forming at its output a gamma signal proportional to the angular acceleration communicated to the camera during the aiming and the exposure of the film. This gamma signal is integrated by an acceleration-speed a / v converter to form at its output a signal Uv characteristic of the angular speed.
The rest of the servo circuit consists of a closed loop. The speed signal Uv from the a / v converter is sent to an electronic compensation block C which filters and widens the frequency range for which the speed Vlens reached by the motor will be proportional to its supply voltage Umot. The zeros of its transfer function must correspond to the poles Ps1 and Ps2 of the electromechanical system S, as illustrated by the diagram in fig. 6. It is this block, the detail of which is illustrated by the electrical diagram in FIG. 5 which supplies the voltage Umot introduced into the motor 5 of the optical compensator S. The position Vlens of the moving element 1 of the optical compensator S is detected by the block M which performs a high precision differential measurement of this position.
This measurement is differentiated to generate a signal Umes proportional to the speed Vlens of this mobile equipment.
This signal is sent to a PID filter (Proportional, Integrator, Differentiator) which then extracts from the error signal Udiff between the desired speed signal Uv and the measured speed signal Umes from the moving equipment 1, the terms which will be fed back into the servo loop in the form of the Ucomp signal.
This regulation serves to optically stabilize the tremors communicated to the camera. Its purpose is to ensure that the error in the epsilon position due to the difference between the trembling speed OMEGA camera and the speed OMEGA lens of the compensating lens 2, fixed to the moving element 1, is minimum during the time d exposure of the photographic film.
The regulation proposed here operates in speed. Its purpose is to generate a speed correction signal until the speed error is as small as possible. Instead of the PID filter proposed here, we could use a state variable controller, a digital solution or a position control.
Fig. 7 illustrates the electrical diagram of the PID filter. The voltage Udiff characteristic of the difference between the measured speed and the requested speed is introduced into the filter which produces at its output a voltage Ucorr which is characteristic of the correction to be made. An IN switch is connected to a logic signal "cent" from a second control loop used for centering the cam 4 and which will be discussed later. This IN switch is kept open until the centering operation is completed.
The diagram in fig. 8 illustrates the characteristic of the circuit of FIG. 7 as a function of frequency f.
We see in fig. 3 that a second closed loop is formed in which a voltage signal Upos proportional to Vlens is sent to a centering module CE, the details of the electrical circuit of which are illustrated in FIG. 9. The signal Upos is brought to the input of a differential amplifier A, the output of which is connected to the input of a sampler-blocker S + H made active by a logic signal "cent". During the active phase of this logic signal, the CE module generates a voltage Uconst which is a function of the position Upos of the moving element 1, the aim of which is to center the optical compensation element 2 in the middle of its movement zone.
We see in fig. 10 that as long as the position of the lens is below a certain threshold Uthres, a voltage Umax is applied to the motor which forces the optical element to move with a constant speed in the direction of its center of positioning. Once close to this point, the voltage applied to the motor is reduced to the equilibrium point Ubal corresponding to the middle of the movement zone (Upos = 0). This voltage Ubal is necessary for the motor to generate a torque capable of compensating for the force Fconst caused by the weight of the optical element 2 and the prestressing force of the spring 6 which constantly tends to return the cam 4 to the stop position.
Once the moving equipment 1 is centered, the logic signal "cent" goes to the low level, the blocking sampler S + H sets Uconst at its value Ubal, and the speed control can operate since the optical compensation element is free to move in both directions.
In order to allow the use of the stabilization device both during the aiming and during the shooting, it is necessary to limit the travel of the mobile assembly 1 so as not to exceed the two ends of the cam 4.
The position measurement carried out by the measuring block M is sent, in addition to the centering block CE, to a stroke limitation block L. As can be seen, this stroke limitation block has two inputs, one receiving a signal Upos characteristic of the position of the moving part, the other a Uv signal characteristic of the speed obtained by the integration of the gamma acceleration signal and which corresponds to the speed which should be communicated to the moving part 1 to obtain perfect stabilization. This limitation block comprises two distinct elements, a signal attenuator VF which receives the signals Uv and Upos and a filter PF which receives the signal Upos. The output of this filter PF is connected to the output of the limitation block by means of an INT switch, the opening of which is controlled by the shutter release SH of the camera.
The electrical diagram in fig. 11 shows the basic concept of this VF attenuator. The diagram in fig. 12 illustrates the control signal of the attenuator Vcontrol as a function of the measured position of the moving part Upos.
The gain of amplifier A, and therefore the output signal Ulim are a function of the position of the moving element as illustrated by the diagram in FIG. 13: a maximum gain corresponds to a stabilized image, a minimum gain to an unstabilized image. The transition corresponds to an area where the photographer becomes aware of his excessive movements. The characteristics of this attenuator can be modified by varying the maximum gain-minimum gain transition.
The role of the filter PF is to continuously but slowly refocus the cam 4 in order to prevent it from remaining blocked at the end of travel under the effect of the attenuator VF and that it is therefore no longer operational. This continuous refocusing allows direction changes to be made during the aiming phase, while continuing to stabilize the image. This refocusing is disconnected as soon as the shot is taken to ensure maximum precision stabilization. For this purpose, the shutter release of the device then opens the INT switch. The filter used is a 1 <er> low pass filter. Its time constant must be chosen so as to ensure effective refocusing when the cam is close to its limits. On the other hand, this filter must not degrade the performance of image stabilization when the cam is centered.
The embodiment proposed here is only a variant of the multiple ways of slowly refocusing the mobile element 2, such as:
- Different filters but always acting continuously.
- Filters only come into action when the cam approaches its limits.
- Filters coming into action periodically.