CN100480932C - 成像设备和用于驱动光学系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于经由光学系统拾取对象的图像并且在记录介质中记录图像信息的成像设备，该光学系统的驱动系统根据操作单元的位置而进行控制，该成像设备包括：电机，驱动要由驱动系统控制的对象；驱动器，驱动该电机；绝对位置检测器，检测该操作单元的相对低分辨率的绝对位置；相对位置检测器，检测该操作单元的相对高分辨率的相对位置；位置发生器；以及控制器。位置发生器使用所检测的绝对位置和所检测的相对位置的组合，而生成与操作单元的限制移动范围中的位置对应的位置输出。控制器根据所生成的操作单元的位置输出，而经由驱动器控制电机以驱动要控制的对象。

Description

成像设备和用于驱动光学系统的方法

相关申请的交叉引用

本发明包含与在2004年8月30日向日本专利局提交的日本专利申请JP2004-250733相关的主题，其全部内容通过引用包含在此。

技术领域

本发明涉及一种其中在成像期间控制透镜驱动系统的成像设备，并涉及一种用于驱动光学系统的方法。

背景技术

近来，其中步进电机用作致动器的开环控制方法的摄像机驱动系统已经被广泛地使用。这样的控制机构提供了高的定位分辨率并且实现了数量级为几微米(μm)的高定位精度。

在一种已知的摄像机驱动系统中，当电机驱动透镜时，操作控制单元检测操作部件的状态并且依据检测的状态或者计算的量控制该电机。操作部件被实现为例如操作范围的中间是自然恢复点的杆/环(参见日本未经审查的专利申请公开第59-216111号)，或者旋转环(参见日本未经审查的专利申请公开第63-177118号)。由操作控制单元执行的这样的控制提高了控制透镜的定位精度，而且已经增加了对允许更高分辨率操作的环的需要。

在其中环和透镜机械连接而且透镜根据环的旋转量在透镜镜筒中向前或者向后移动的透镜机构(一般用于商业目的等)中，与透镜在透镜镜筒中的最大向前或者向后位置相关联地限制环的旋转角度。此外，环的旋转角和透镜位置是一一对应的。这样的透镜机构因此是直观的和易于操作的。

还存在对具有和操作环一样高的分辨率的透镜位置检测系统的需求。现有的透镜位置确定方法包括下列类型。

第一种类型是使用霍尔(hall)传感器、电位计等确定绝对位置的类型。

第二种类型是借助于用于检测参考位置的复位传感器以及用于计数来自参考位置的脉冲的频率发生器(FG)脉冲计数器、或者复位传感器和磁阻(MR)传感器等，使用复位传感器/编码器组合确定距离参考位置的相对位置的类型(参见如上所述的日文未经审查的专利申请公开第59-216111号)。

第三种类型是使用多个复位传感器，例如两个复位传感器、三个复位传感器等检测多个参考位置的类型。

发明内容

当上述其中环和透镜机械连接的透镜机构应用于内部聚焦透镜时，结构的复杂度增加了，而且难以提供在环的可移动范围和透镜的可移动范围之间的一一对应关系。因此难以直观地确定要被控制的对象(即，内部聚焦透镜)是否已经达到可移动的末端。

在第二种透镜位置确定方法中，相对位置传感器使用诸如二相脉冲编码器之类的位移传感器检测操作环的旋转量。这个相对位置传感器的问题在于，当操作环的旋转角受限时，难以就在摄像机被启动之后立即确定环的位置。为了克服这个问题，基于紧靠摄像机被启动之后的状态而确定相对移动量，而且该环允许无限旋转。因此，难以在环的可移动范围和透镜的可移动范围之间提供一一对应关系，因此难以直观地确定控制量。

在第一种透镜位置确定方法中，有可能使用诸如电位计之类的绝对位置传感器的输出确定操作环的旋转量。然而，由于它的诸如低分辨率和对噪声的高敏感度之类的典型限制，绝对位置传感器不适用于透镜的平稳或者精密移动。

使用多个复位传感器的第三种透镜位置确定方法由于诸如多个复位传感器的安装位置之类的机械约束，而具有低分辨率的缺点。

因此，期望提供一种容易地确定控制量并且执行控制以便平稳地驱动要控制的对象的成像设备，以及提供一种用于驱动光学系统的方法。

根据本发明实施例的成像设备包括下列元件。电机驱动要由驱动系统控制的对象。驱动器驱动该电机。绝对位置检测装置检测操作单元的相对低分辨率的绝对位置。相对位置检测装置检测操作单元的相对高分辨率的相对位置。位置生成装置使用由绝对位置检测装置检测的绝对位置和由相对位置检测装置检测的相对位置的组合，生成与操作单元的位置对应的位置输出。控制装置依据所生成的操作单元的位置输出，而经由驱动器控制电机以驱动要控制的对象。

因此，借助于具有低分辨率的绝对位置检测装置和具有高分辨率的相对位置检测装置，相对于物理限制其旋转角(可移动范围)的操作单元，可以实现绝对旋转角的检测以及旋转量的高分辨率检测。

位置生成装置可以基于由绝对位置检测装置检测的绝对位置，而初始化存储所生成的位置输出的存储区域中的值。在初始化之后，位置生成装置可以基于来自相对位置检测装置的信号而增加或者减少存储区域中的值。

还可以基于位置生成装置中的存储区域中的值，控制诸如成像设备的变焦透镜和聚焦透镜或者光圈之类的光学系统组件的位置。

根据本发明的实施例的驱动光学系统的方法，包括步骤：检测操作单元的相对低分辨率的绝对位置；检测操作单元的相对高分辨率的相对位置；使用在检测绝对位置的步骤中检测到的绝对位置和在检测相对位置的步骤中检测到的相对位置的组合，而生成与操作单元的位置对应的位置输出；根据所生产的操作单元的位置输出，而经由驱动器控制电机以驱动要由驱动系统控制的对象；以及使用电机驱动要由驱动系统控制的对象。

因此，利用使用检测相对低分辨率的绝对位置和检测相对高分辨率的相对位置这两个步骤的处理，相对于物理限制其旋转角(可移动范围)的操作单元，可以实现绝对旋转角的检测以及旋转量的高分辨率检测。

在生成位置输出的步骤中，可以基于在检测绝对位置的步骤中检测到的绝对位置，而初始化在存储所生成的位置输出的存储区域中的值，并且在初始化之后，可以基于在检测相对位置的步骤中输出的信号，而增加或者减少存储区域中的值。

在生成位置输出的步骤中，还可以基于存储区域中的值，控制诸如成像设备的变焦透镜和聚焦透镜或者光圈之类的光学系统组件的位置。

因此，依据本发明的实施例，可以使用用于检测绝对位置的传感器和用于检测相对移动量的传感器来确定其旋转角被物理限制的操作环的位置，以便实现绝对旋转角的确定以及环位置的高分辨率检测。

因此，相对于可以直观地确定其控制量的、其旋转角被限制的环，可以执行透镜等的精密和平稳的手动操作。此外，即使当没有施加电流时旋转该环，也可以在启动成像设备时检测环的旋转角。

附图说明

图1是依据本发明一个实施例的成像设备的方框图；

图2为示出环位置发生器的透镜驱动操作的透镜驱动系统的图；

图3为示出光圈驱动系统的图，以示出环位置发生器的光圈驱动操作；

图4为示出MR编码器输出的图；

图5为示出线性电位计输出的图；

图6为示出非线性电位计输出的图；

图7为示出脉冲编码器输出的图；

图8为示出绝对编码器输出的图；

图9为示出透镜驱动操作的PAD图；以及

图10A和10B分别为MR编码器和电位计的说明图。

具体实施方式

在下文中将参考附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1为示意地示出依据本发明实施例的成像设备的结构的方框图。

在图1中，成像透镜和光圈块1用作光学系统，并且包括可进行调节以相对于物镜控制光量的光圈12，以及透镜外壳，其以能够执行聚焦操作的方式容纳聚焦透镜13，而且以能够执行放大和缩小操作的方式容纳变焦透镜11。

成像元件2沿着成像透镜和光圈块1的光轴排列。成像元件2光电转换的图像信号由采样保持和模-数转换块3中的采样保持电路14以预定定时进行采样和保持，并然后由模-数转换电路15转换为数字图像数据。

由摄像机信号处理器块4中的放大电路16将该数字图像数据放大到能够进行信号处理的电平，并然后由亮度和色度信号处理电路17对该放大的数字图像数据进行亮度和色度信号处理。产生的数据被输出到视频输出单元8或者记录器9。

由放大电路16放大到能够进行信号处理的电平的数字图像数据还被提供给亮度信号检测电路18，以检测亮度信号电平和高频亮度信号分量。在摄像机控制块5中，自动曝光控制单元23′根据亮度信号电平而执行曝光控制，而自动聚焦控制单元23根据高频亮度信号分量而执行聚焦控制。

具体地说，基于来自自动曝光控制单元23′的曝光控制信号，控制通过光圈12的光量、来自定时生成电路7的用于成像元件2的光电转换定时、以及放大电路16的放大等级。

基于来自自动聚焦控制单元23的聚焦调整信号，透镜控制单元19和透镜驱动单元20控制聚焦透镜13的位置。

响应于通过操作环的用户操作对用户接口控制块6的输入，如下所述，位移检测器24和绝对位置检测器25分别检测相对位移量和绝对位置。从位移检测器24和绝对位置检测器25输出的相对位移量和绝对位置被提供给环位置发生器26。环位置发生器26通过组合相对位移量和绝对位置而生成环位置输出。

环位置输出被提供给摄像机控制块5中的透镜控制单元19，而且透镜控制单元19基于该环位置输出而生成透镜控制信号。透镜控制信号被提供给透镜驱动单元20，而且透镜驱动单元20基于该透镜控制信号而驱动聚焦透镜13和变焦透镜11。

图2是示出环旋转位置发生器的透镜驱动操作的使用操作环的透镜驱动系统的图。

在图2中，环27具有限制在从0度到大约90度的移动范围的旋转角。为了便于说明，环27的上端和下端分别为0°和90°。当通过用户操作旋转环27时，旋转MR编码器28和旋转电位计29经由在环27前面的齿轮而绕着旋转轴旋转。

在位移检测器24中处理MR编码器28的输出。MR编码器28的输出被表示为例如图4所示的90°异相两相正弦波41和42。位移检测器24基于每个相位的电压和相位关系，根据正弦波41和42相对于角度的一系列线性部分的电压输出而确定移动量和移动方向。即使环27的细微旋转也会使MR编码器28的输出发生大的改变。因此位移检测器24可以提供旋转量的高分辨率检测。

为了便于说明，MR编码器28具有0.001°的分辨率。如果用ΔR指示由位移检测器24所检测的MR编码器28的位移量，而且用Δθ指示环27的位移量，则由等式1确定在值ΔR和Δθ之间的关系：

Δθ＝ΔR×α        ...等式(1)

其中α表示常数。

值Δθ设置为位移检测器24的输出。

在绝对位置检测器25中处理电位计29的输出。例如，当电位计29的输出具有图5所示的线性特性51时，如果由V1指示相对于0°角度的电压而且由V2指示相对于90°角度的电压，则由等式(2)确定相对于输出电压V的环27的旋转角θ：

θ＝90×(V-V1)/(V2-V1)      ...等式(2)

当电位计29的输出具有图6所示的非线性特性61时，使用线性校正函数g(x)校正非线性输出61并由等式(3)确定旋转角θ：

θ＝90×(g(V)-g(V1))/(g(V2)-g(V1))    ...等式(3)

可使用表示为包括输出和旋转角之间的对应关系的多项式或者表格的函数来配置函数g(x)。确定的旋转角θ被设置为绝对位置检测器25的输出。

因为由于噪声等而导致的电位计29的电压改变量直接影响位置准确度，所以绝对位置检测器25使用电位计29的输出检测绝对位置的分辨率实质上不高。为了便于说明，电位计29的分辨率为0.5°。

在下文中将描述利用这个配置而执行的透镜驱动操作。

图9为示出由图1所示的用户接口控制块6和摄像机控制块5中的微型计算机执行的透镜驱动操作步骤的流程的PAD图。

在图9中，首先确定是否完成了初始化(步骤S1)。如果在步骤S1确定没有完成初始化，则把环位置设置为绝对位置检测器输出(步骤S2)，并且完成初始化(步骤S3)。具体地说，当环位置发生器26生成与环27的旋转角对应的值时，环位置发生器26具有存储区域32。因此，该存储区域32存储所述与环27的旋转角对应的值。如果没有定义存储区域32，则例如当启动成像设备时，环位置发生器26中的绝对值初始化单元30使用由绝对位置检测器25检测的旋转角而初始化存储区域32。

如果在步骤S1确定完成了初始化，则把位移检测器输出添加到环位置(步骤S4)。具体地说，例如，在步骤S2由绝对位置检测器25检测的旋转角为45°。当在步骤S3完成初始化时，使用位移检测器24的输出计算与45°偏离的环27的旋转量。例如，当环27旋转0.5°时，位移检测器24输出旋转量，即0.5°，而且环位置发生器26中的相对值添加单元31将0.5°添加到存储在存储区域32中的45°，并且生成45.5°的值。用这种方法，环位置发生器26中的相对值添加单元31将位移检测器24的输出添加到存储在存储区域32中的值，以生成环位置。

透镜控制单元19基于生成的环位置而输出控制值(步骤S5)，而且透镜驱动单元20经由透镜驱动电机33把透镜34移动到对应的位置(步骤S6)。为了便于说明，如果透镜34的一个可移动末端用值0指示而另一个可移动末端用值100指示，则由等式(4)给出相对于环位置θ(0≤θ≤90°)的透镜位置L(0≤L≤100)：

L＝θ_to_L(θ)＝(100-0)×θ/(90-0)        ...等式(4)

例如，透镜34可以是具有值0的“广角”末端以及具有值100的“远景”末端、或者具有值0的“远景”末端以及具有值100的“广角”末端的变焦透镜。透镜34可以是具有值0的“远”端以及具有值100的“近”端、或者具有值0的“近”端以及具有值100的“远”端的聚焦透镜。选择器允许依照用户的要求而改变环27的旋转方向和透镜34的移动方向之间的关系。

此外确定位移量是否是间断的以及是否出现值的跳跃(jump)(步骤S7)。具体地说，环位置发生器26监视位移检测器24的输出，并且当位移量变得间断时，确定出现了值跳跃。

如果在步骤S7确定位移量是间断的，则再次执行初始化处理(步骤S8)。具体地说，环位置发生器26把在步骤S2中由绝对位置检测器25检测的旋转角设置为初始位置，并且在步骤S3完成初始化。

如果在步骤S7确定位移量不是间断的，则连续地执行步骤S6的透镜驱动处理(步骤S9)。

依据当前实施例的环旋转位置发生器除了用于如上所述的透镜驱动控制操作之外，还可以用于如下所述的光圈驱动控制操作。

图3示出了环旋转位置发生器的光圈驱动操作。

除了用光圈控制单元21和光圈驱动单元22代替透镜控制单元19和透镜驱动单元20，以及用光圈驱动电机37和光圈38代替透镜驱动电机33和透镜34以外，图3所示的系统与图2所示的那个相同。

将再次参考图9描述图3所示的环旋转位置发生器的光圈驱动操作。

在图9中，首先确定是否完成了初始化(步骤S1)。如果在步骤S1确定没有完成初始化，则把环位置设置为绝对位置检测器输出(步骤S2)，并且完成初始化(步骤S3)。具体地说，当环位置发生器26生成与环27的旋转角对应的值时，环位置发生器26包括存储区域32。因此，存储区域32存储所述与环27的旋转角对应的值。如果没有定义存储区域32，例如当启动成像设备时，环位置发生器26中的绝对值初始化单元30使用由绝对位置检测器25检测的旋转角初始化存储区域32。

如果在步骤S1确定完成了初始化，则把位移检测器输出添加到环位置(步骤S4)。具体地说，例如，在步骤S2中由绝对位置检测器25检测的旋转角为45°。当在步骤S3完成初始化时，使用位移检测器24的输出计算与45°偏离的环27的旋转量。例如，当环27旋转0.5°时，位移检测器24输出该旋转量，即0.5°，而且环位置发生器26中的相对值添加单元31把0.5°添加到存储在存储区域32中的45°，并且生成值45.5。用这种方法，环位置发生器26中的相对值添加单元31把位移检测器24的输出添加到存储在存储区域32中的值，以生成环位置。

光圈控制单元21基于生成的环位置而输出控制值(步骤S5)，而且光圈驱动单元22经由光圈驱动电机37把光圈38移动到对应的打开/关闭位置(步骤S6)。为了便于说明，如果光圈38的一个可移动端的打开/关闭位置由值0指示，而另一个可移动端的打开/关闭位置由值100指示，则由上述的等式(4)给出相对于环位置θ(0≤θ≤90°)的光圈打开/关闭位置L(0≤L≤100)。除了要被控制的对象从透镜34改变为光圈38之外，在这种情况下的计算和控制方法和参考图2描述的那些相同。

此外还确定位移量是否是间断的以及是否出现值的跳跃(步骤S7)。具体地说，环位置发生器26监视位移检测器24的输出，并且当位移量变得间断时，确定出现了值跳跃。

如果在步骤S7确定位移量是间断的，则再次执行初始化处理(步骤S8)。具体地说，环位置发生器26把在步骤S2中由绝对位置检测器25检测的旋转角设置为初始位置，并且在步骤S3完成初始化。

如果在步骤S7确定位移量不是间断的，则连续地执行步骤S6的光圈驱动处理(步骤S9)。

图10A和10B分别为MR编码器28和电位计29的说明图。

当磁化的要检测的对象相对于MR检测器101移动时，MR编码器28基于由于磁阻效应引起的MR检测器101的阻抗改变，而检测位置改变。

当具有固定可移动端104的要检测的对象相对于由电压Vcc上拉的电阻103移动时，电位计29基于随着电阻103的阻抗改变的分压改变，而检测位置改变。

MR编码器28和电位计29仅仅是示例，而且可以使用其它的传感器。

作为代替MR编码器28的修改，例如提供图7所示的两相脉冲输出71和72的脉冲编码器可以用作位移传感器。

代替电位计29，提供图8所示的具有不同检测准确度的多个输出81、82、83和84的绝对编码器可以用作绝对位置传感器。图8示出了提供4位输出的绝对编码器。

虽然已经描述了用于透镜驱动系统和光圈驱动系统的控制机构，但是这个控制机构还可以应用于由电机驱动的要控制的其它对象。

这个控制机构还可以不仅应用于旋转驱动的操作单元，而且应用于由线性步进电机线性驱动的各种操作单元。在这种情况下，代替旋转编码器，可以通过把用于将环的旋转转换为线性移动的机构介入的方式来使用线性编码器。

除了利用齿轮或者连接机构介入的结构，例如，还可以考虑电阻沿着环的弧形排列并且在电阻中嵌入电位计功能。要驱动的对象除了透镜之外还可以包括光学组件。

本领域的技术人员应当理解：只要在所附权利要求或其等效的范围之内，可以根据设计要求及其他因素而发生各种修改、组合、子组合以及替换。

Claims (7)

1、一种用于经由光学系统拾取对象的图像并且在记录介质中记录图像信息的成像设备，该光学系统的驱动系统根据操作单元的位置而进行控制，该成像设备包括：

电机，驱动要由驱动系统控制的对象；

驱动器，驱动该电机；

绝对位置检测装置，用于检测该操作单元的相对低分辨率的绝对位置；

相对位置检测装置，用于检测该操作单元的相对高分辨率的相对位置；

位置生成装置，用于使用绝对位置检测装置所检测的绝对位置和相对位置检测装置所检测的相对位置的组合，而生成与操作单元的限制移动范围中的位置对应的位置输出；

其中，所述位置生成装置首先初始化在存储了基于由所述绝对位置检测装置所检测的绝对位置而输出的所生成的位置的存储区域中的值；

其中，所述位置生成装置在初始化之后，基于来自所述相对位置检测装置的信号，而增加或减少在所述存储区域中的值；

其中，如果确定未定义在所述存储区域中的值，在所述存储区域中的值被设置为从所述绝对位置检测装置输出的操作单元位置；以及

控制装置，用于依据所生成的操作单元的位置输出，经由驱动器控制电机以驱动要控制的对象。

2、如权利要求1所述的成像设备，其中，该位置生成装置包括使用绝对位置检测装置所检测的绝对位置作为初始值的绝对值初始化装置，以及用于把相对位置检测装置所检测的相对位置添加到该初始值的相对值添加装置。

3、如权利要求2所述的成像设备，其中，当由相对位置检测装置检测的相对位置变得间断时，位置生成装置再次使用绝对位置检测装置所检测的绝对位置作为初始值。

4、一种用于驱动成像设备中的光学系统的方法，该成像设备经由光学系统拾取对象的图像并且在记录介质中记录图像信息，该光学系统的驱动系统根据操作单元的位置而进行控制，该方法包含步骤：

检测操作单元的相对低分辨率的绝对位置；

检测操作单元的相对高分辨率的相对位置；

使用在检测绝对位置的步骤中检测到的绝对位置和在检测相对位置的步骤中检测到的相对位置的组合，而生成与操作单元的限制移动范围中的位置对应的位置输出；

首先初始化在存储了基于在检测绝对位置的步骤中检测到的绝对位置而输出的所生成的位置的存储区域中的值；

在初始化之后，基于在检测相对位置的步骤中输出的信号，而增加或减少在所述存储区域中的值；

如果确定未定义在所述存储区域中的值，在所述存储区域中的值被设置为在检测绝对位置的步骤中输出的操作单元位置；

根据所生成的操作单元的位置输出，而经由驱动器控制电机以驱动要由驱动系统控制的对象；以及

使用电机驱动要由驱动系统控制的对象。

5、如权利要求4所述的方法，其中，生成位置输出的步骤包括步骤：使用在检测绝对位置的步骤中检测到的绝对位置作为初始值，并把在检测相对位置的步骤中检测的相对位置添加到该初始值。

6、如权利要求5所述的方法，其中，当在检测相对位置的步骤中检测的相对位置变得间断时，生成位置输出的步骤再次使用在检测绝对位置的步骤中检测的绝对位置作为初始值。

7、一种用于经由光学系统拾取对象的图像并且在记录介质中记录图像信息的成像设备，该光学系统的驱动系统根据操作单元的位置而进行控制，该成像设备包括：

电机，驱动要由驱动系统控制的对象；

驱动器，驱动该电机；

绝对位置检测单元，检测该操作单元的相对低分辨率的绝对位置；

相对位置检测单元，检测该操作单元的相对高分辨率的相对位置；

位置生成单元，使用由绝对位置检测单元检测的绝对位置和由相对位置检测单元检测的相对位置的组合，生成与操作单元的限制移动范围中的位置对应的位置输出；

其中，所述位置生成单元首先初始化在存储了基于由所述绝对位置检测单元所检测的绝对位置而输出的所生成的位置的存储区域中的值；

其中，所述位置生成单元在初始化之后，基于来自所述相对位置检测单元的信号，而增加或减少在所述存储区域中的值；

其中，如果确定未定义在所述存储区域中的值，在所述存储区域中的值被设置为从所述绝对位置检测单元输出的操作单元位置；以及

控制单元，根据所生成的操作单元的位置输出，而经由驱动器控制电机以驱动要控制的对象。

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