CN100576125C - 图像捕获设备和光学系统的驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对应于操作单元的位置控制光学系统的驱动系统的图像捕获设备，包括：用于驱动该驱动系统的控制目标的电机；用于该电机的驱动器；用于检测操作单元位置的位置检测装置；位置生成装置，用于通过依据位置检测装置的输出配置初始值以及集成位移的最大和最小值，而生成对应于具有受限可移动范围的操作单元的位置的输出；以及控制装置，用于对应于操作单元的位置生成输出而经由驱动器控制电机，以便驱动控制目标。

Description

图像捕获设备和光学系统的驱动方法

相关申请的交叉引用

本发明包含与2004年8月30日向日本专利局提交的日本专利申请JP2004-250732相关的主题，其全部内容通过引用包含在此。

技术领域

本发明涉及一种在图像捕获期间控制透镜驱动系统的图像捕获设备，以及一种光学系统的驱动方法。

背景技术

近来，使用步进电机作为致动器的开环控制系统已经广泛地用于摄像机驱动系统。这样的控制机构具有增强的定位分辨率，实现了数量级为几个μm的位置准确度。

当利用电机在这个摄像机驱动系统中移动透镜时，已知一种方法，其中操作控制器检测操作部件的状态，并且对应于该状态以及该状态的集成值而控制电机。例如，已经提供了操作部件返回到中点的手柄环(lever ring)(参见日本未经审查的专利申请公开第59-216111号)以及旋转环操作部件(参见日本未经审查的专利申请公开第63-177118号)。为了具有透镜位置控制的高准确度以及操作的高分辨率，已经需要一种由这样的操作控制器控制的环。

另一方面，在其中环机械地连接到透镜而且透镜在透镜镜筒中前进或者后退的透镜机构(主要用于商业目的)中，对应于透镜的最大前进位置或者最大后退位置而限制环的旋转角，而且因为环的旋转角和透镜位置一一对应，所以容易直观地操作这个机构。

需要具有类似于操作环的高分辨率的位置检测的先前存在的透镜位置确定方法的示例包括下列方法：首先是一种用于使用霍尔(hall)传感器和电位计获得绝对位置的方法；其次是一种通过将复位传感器和使用该复位传感器用于检测参考位置的MR(磁阻效应)传感器以及FG(频率发生器)脉冲计数器进行组合来获得离参考位置的相对位置的方法(参见日本未经审查的专利申请公开第59-216111号)；第三种是使用两个或者三个复位传感器检测多个参考位置的方法。

发明内容

当其中环机械地连接到透镜的上述透镜机构应用于内部聚焦透镜时，因为复杂的配置，环可移动范围未必和透镜可移动范围一一对应，因此难以直观地理解当控制目标(内部聚焦透镜)到达可移动末端时的事实。

在如用于获得透镜位置的第二种方法中所示的利用诸如两相脉冲编码器之类的位移传感器检测操作环的旋转量的相对位置读出中，如果操作环的旋转角是受限的，则存在启动之后不能直接了解环位置的问题。因此，为了将紧靠启动之后的传感器状态用作参考来检测相对位移，环处于能够无限旋转的状态。因此，环可移动范围未必和透镜可移动范围一一对应，以致难以直观地理解当控制目标(例如，透镜)到达可移动末端时的事实。

如用于获得透镜位置的第一种方法所示，该配置可能根据诸如电位计之类的绝对位置传感器的输出，而检测操作环的旋转量；然而，绝对位置传感器通常具有诸如低分辨率以及对噪声敏感之类的限制，所以第一种方法已经不适于平稳或者精密地移动透镜。

在如用于获得透镜位置的第三种方法所示的使用多个复位传感器的情况下，由于诸如多个复位传感器的布置之类的机械限制，使得分辨率已经减少了。

期望提供一种图像捕获设备和光学系统的驱动方法，其能够通过容易地理解控制目标到达可移动末端来平稳地驱动该控制目标。

依据本发明的实施例，提供了一种图像捕获设备，其包括：用于驱动该驱动系统的控制目标的电机；用于该电机的驱动器；用于检测操作单元的位置的相对位置检测装置；位置生成装置，用于通过依据位置检测装置的输出配置初始值以及位移的最大集成值和最小集成值，而生成与具有受限可移动范围的操作单元的位置对应的输出；以及控制装置，用于对应于操作单元所生成的位置输出经由驱动器控制电机，以便驱动控制目标。

因此，在具有物理受限旋转角(可移动范围)的操作单元中，通过配置初始值以及位置检测装置的位移的最大集成值和最小集成值，允许操作单元的可移动末端与控制目标的可移动末端一致。

此处假定在位置生成装置中的存储位置生成输出的存储区域的值是来自位置检测装置的初始值，而且在初始化假定之后，基于来自位置检测装置的信号而对存储区域的值进行集成。

此外，基于在位置生成装置中的存储区域的值，当检测到该集成值小于或大于操作单元的受限可移动范围时，对应于该可移动范围而更新该集成输出的最小值或最大值。

因此，控制诸如变焦透镜、聚焦透镜、以及光圈之类的图像捕获设备中的光学系统的部件的位置。

依据本发明的实施例，提供了一种用于驱动光学系统的驱动方法，其包括步骤：检测操作单元的位置；通过依据检测位置步骤的输出配置初始值以及位移的最大集成值和最小集成值，而生成对应于具有受限可移动范围的操作单元的位置的输出；对应于操作单元的生成位置输出而经由驱动器控制电机，以便驱动控制目标；以及利用电机驱动该驱动系统的控制目标。

因此，在具有物理受限旋转角(可移动范围)的操作单元中，通过配置位置检测装置的初始值以及位移的最大集成值和最小集成值，允许操作单元的可移动末端与控制目标的可移动末端一致。

此处假定在位置生成步骤中存储位置生成输出的存储区域中的值是来自位置检测步骤的初始值，而且在初始化假定之后，基于来自位置检测步骤的信号而集成存储区域中的值。

此外，基于在位置生成步骤中存储区域中的值，当检测到集成值小于或者大于操作单元的受限可移动范围时，对应于该可移动范围更新该集成输出的最小值或者最大值。

因此，控制诸如变焦透镜、聚焦透镜、以及光圈之类的图像捕获设备中光学系统的部件的位置。

依据本实施例，在具有物理受限旋转角的操作环中，使用诸如MR编码器和脉冲编码器之类的用于检测相对位移的位移传感器，可以配置易于利用受限的旋转角直观地进行操作的环。当用户将该环旋转到可移动末端时，通过允许该环的可移动末端与控制目标的可移动末端一致而无需控制目标的间断操作，可能进行连续的控制。

因此，依据本实施例，利用具有因为受限的旋转角而易于直观识别的控制变量的环，可以精密和平稳地人工操作透镜。此外，即使当在图像捕获设备不带电期间旋转环时，一旦启动，也可以通过允许环的可移动末端与控制目标的可移动末端一致来检测环的旋转角。

附图说明

图1是依据一个实施例的图像捕获设备的方框图；

图2是由用于生成环旋转位置的单元驱动的透镜的图；

图3是MR编码器的输出的图；

图4是脉冲编码器的输出的图；

图5是示出透镜驱动操作的PAD(问题分析图)；

图6是初始状态的图；

图7是依据环的旋转移动透镜的状态的图；

图8是存储区域A的值变得超过90的状态的图；

图9是环的可移动末端与透镜的可移动末端一致的状态的图；以及

图10是MR编码器和电位计的图。

具体实施方式

下面将参考附图对本发明的实施例进行恰当地描述。

图1是依据一个实施例的图像捕获设备的方框图，其示出了该图像捕获设备的概要。

参见图1，图像捕获透镜/光圈块1允许光圈12暴露在物镜下，并且允许聚焦透镜13聚焦。图像捕获透镜/光圈块1还包括透镜盒，用于在其中容纳变焦透镜11。

沿着图像捕获透镜/光圈块1的光轴方向布置图像捕获元件2，而且由图像捕获元件2光电转换的图像信号在由S/H-A/D块3中的S/H电路14采样保持预定时间之后，由A/D转换器15转换为数字图像数据。

这个数字图像数据由摄像机信号处理块4中的放大器电路16放大到能够进行信号处理的电平。放大的数字图像数据由发光/色度信号处理电路17处理为发光和色度信号，以便在图像输出单元8或者视频记录单元9中输出。

发光信号检测器电路18从放大到能够进行信号处理的电平的数字图像数据中检测发光信号电平和发光信号的高频分量，并且摄像机控制块5中的自动曝光控制器23′依据这个发光信号电平执行曝光控制；自动聚焦控制器23依据发光信号的高频分量执行调焦控制。

也就是说，基于来自自动曝光控制器23′的曝光控制信号，而分别控制光圈12的曝光度调节、从定时生成电路7到图像捕获元件2的光电转换定时、以及放大器电路16的放大器级别。

基于来自自动聚焦控制器23的调焦控制信号，由透镜控制器19和透镜驱动单元20控制聚焦透镜13的位置。

当用户在用户接口控制块6中操作环时，如将在稍后描述的那样，从位移检测器21中检测预定的相对位移。从位移检测器21输出的相对位移被提供到环位置发生器22，其通过从该相对位移输出中配置初始值、所集成位移值的最大和最小值而产生环位置输出。

这个环位置输出被提供到摄像机控制块5中的透镜控制器19，其基于该环位置输出而产生透镜控制信号。这个透镜控制信号被馈送到透镜驱动单元20，其对应于该透镜控制信号而驱动聚焦透镜13和变焦透镜11。

图2是由环旋转位置生成单元驱动的透镜的图，其示出了具有操作环的透镜驱动系统。

参见图2，环10的旋转角被限制在大约0°到90°的可移动范围之内。

为了便于描述，环的上端被假定是0°且下端被假定是90°。当通过用户操作旋转环10时，经由在环10之后的齿轮而旋转该旋转MR编码器24的转轴。

在位移检测器21中处理MR编码器24的输出。因为MR编码器24的输出以两相正弦波31和32的形式产生，所以位移检测器21基于每个相位电压输出和相位关系，而从与角度相关的具有连续线性线段的电压输出中检测位移量和位移方向。因为即使环10的细微旋转也会增加MR编码器24的输出中的变化，所以位移检测器21可以高分辨率来检测旋转量。

如果由位移检测器21检测的编码器位移量由ΔR表示；而环位移量由Δθ表示，则由数值公式1给出这两个值之间的关系。

(数值公式1)

Δθ＝ΔR×α，

其中α是常数；Δθ是位移检测器21的输出。

下面将描述如上所述配置的透镜驱动器的操作。

图5为示出了用户接口控制块6和摄像机控制块5中的微型计算机的操作的透镜驱动器的操作的PAD(问题分析图)。

参见图5，首先确定是否完成了初始化(步骤S1)。当在步骤S1没有完成初始化时，通过把来自位移检测器21的预定输出(例如，45°)认为是初始值而对数字28表示的存储区域A进行初始化(步骤S2)；在由数字28表示的存储区域B中存储0°(步骤S3)；以及在由数字28表示的存储区域C中存储90°(步骤S4)以便完成初始化(步骤S1)。具体地说，当在环位置发生器22中生成与环10的旋转角对应的值时，在环位置发生器22中存在由数字28表示的存储区域A，以便存储与环10的旋转角对应的位移的集成值。在其中由数字28表示的存储区域A不固定的情况下，例如，就紧靠电源启动之后，环位置发生器22的初始化假定单元25把在位移检测器21中检测的预定值(例如，在0°和90°之间，45°)认为是初始值，以便用这个旋转角对由数字28表示的存储区域A进行初始化；在由数字28表示的存储区域B中存储0°；以及在由数字28表示的存储区域C中存储90°。

当在步骤S1完成初始化时，将位移检测器的输出添加到被认为是数字28所表示的存储区域A中的初始值的环位置(步骤S5)。具体地说，例如假定在步骤S2，被认为是环位置发生器22的初始化假定单元25中的初始值的旋转角为45°。因为在这时候不知道环的物理角度，所以存储区域A的值与环10的实际物理角度不一致。然而，由数字28表示的存储区域A中的位移被调整了上述α，以便该位移在两端都变为90°。当在步骤S1完成初始化时，使用位移检测器21的输出计算从这点开始的环10的旋转角。例如，当环10旋转0.5°时，位移检测器21产生0.5°的旋转角，以便环位置发生器22的集成值输出单元26把0.5°添加到由数字28表示的存储区域A的45°中，从而输出集成值45.5°。此后类似地，环位置发生器22的集成值输出单元26通过把位移检测器21的输出添加到由数字28表示的存储区域A的值，来生成环位置。

如上所述，因为环10的实际物理角度与由数字28表示的存储区域A的值不一致，所以由数字28表示的存储区域A可能具有在0°到90°范围之外的值。因此，使用在环位置发生器22中由数字28表示的存储区域B和C，执行以下的处理。

在步骤S3，在由数字28表示的存储区域B中存储上端角度；并且在步骤S4，在由数字28表示的存储区域C中存储下端角度。在初始状态，存储区域B＝0°；而存储区域C＝90°。

如果由数字28表示的存储区域A的值变得小于由数字28表示的存储区域B的值(步骤S6)，则认为由数字28表示的存储区域B的值＝由数字28表示的存储区域A的值(步骤S7)，以便通过认为由数字28表示的存储区域C的值＝由数字28表示的存储区域A的值+90°来更新值(步骤S8)。具体地说，当由数字28表示的存储区域A的值变得在0°到90°的范围之外小于0°时，环位置发生器22的集成值最大/最小更新单元27更新该值，以便分别认为0°是存储区域A的最小值而90°是其最大值。

如果由数字28表示的存储区域A的值变得大于由数字28表示的存储区域C的值(步骤S9)，则认为由数字28表示的存储区域C的值＝由数字28表示的存储区域A的值(步骤S10)，以便通过认为由数字28表示的存储区域B的值＝存储区域A的值-90°来更新值(步骤S11)。具体地说，当由数字28表示的存储区域A的值变得在0°到90°的范围之外大于90°时，环位置发生器22的集成值最大/最小更新单元27更新该值，以便分别认为90°是存储区域A的最大值以及认为0°是其最小值。

通过执行这个处理，当环10旋转到可移动末端时，环10可以与控制目标(透镜)的可移动末端一致。

图6是示出初始状态的附图。

在图6的初始状态中，对应于环物理位置61、在0°到90°范围之内的例如由数字62表示的存储区域A中的45°的值被认为是初始值，以便初始化存储区域A，以致在由数字63表示的存储区域B中存储0°；并且在由数字64表示的存储区域C中存储90°。在这时候，对应于在0°和90°之间的45°，透镜66的透镜位置65位于在光学广角端0和光学远景端100之间的中间位置50。

图7是示出依据环的旋转移动透镜的状态的图示。

参见图7，当旋转环时，对应于环物理位置71的值被添加到由数字72表示的存储区域A中的45°，以便存储值72.9°。在这时候，对应于在0°和90°之间的72.9°，透镜76的透镜位置75位于在光学广角端0和光学远景端100之间的中间位置81处。

图8是示出存储区域A的值变得超过90°的状态的图示。

参见图8，当环向下端旋转以致对应于环物理位置81的由数字82表示的存储区域A的值变为在0°到90°范围之外大于90°的值105.7°时，对应于在0°到90°范围之外大于90°的105.7°，透镜86的透镜位置85位于光学远景端100。在这时候，更新该值以便分别把90°认为是存储区域A的最大值，以及把0°认为是其最小值。

虽然没有示出，但是当存储区域A的值减少到小于0°时，因为状态变得与图8的那些相反，所以更新该值以便使其与图8相反。

用这样的方式，通过重复存储区域A的最大和最小值的更新，环的物理角度与存储区域A的值一致，以便环的可移动末端与透镜的可移动末端一致。

图9是环的可移动末端与透镜的可移动末端一致的状态的图示。

参见图9，当环旋转到最下端，而且对应于环物理位置91的由数字92表示的存储区域A的值变为在0°到90°的范围之外大于90°的最大值121.3°时，对应于在0°到90°的范围之外大于90°的121.3°，透镜96的透镜位置95位于光学远景端100处。在这时候，更新该值以便分别把90°认为是存储区域A的最大值以及把0°认为是其最小值。

透镜控制器19基于环位置发生器22中的存储区域A、B、和C的值而产生控制值(步骤S12)；透镜驱动单元20把透镜移动到对应的位置(步骤S13)。为了便于描述，当透镜可移动端的一个位置对应于值0而另一个位置对应于值100时，由数值公式2给出透镜位置L(0≤L≤100)。

(数值公式2)

L＝(100-0)×(存储区域A的值-存储区域B的值)/(存储区域C的值-存储区域B的值)

在变焦透镜中，例如，假定广角端对应于值0且远景端对应于值100，可替换地，广角端对应于值100且远景端对应于值0。在聚焦透镜中，假定远端对应于值0且近端对应于值100，可替换地，远端对应于值100且近端对应于值0。提供了用于选择这些替换对应关系的选择单元，以允许依据用户的偏爱而选择在环10的旋转方向和透镜30的移动方向之间的关系。

此外，环位置发生器22可以监控位移检测器21的输出，以便检测位移量的值是否间断地跳跃，而且当位移量变得间断时可以确定该值发生了跳跃。

当位移量变得间断时，再次执行初始化处理，并且通过把由位移检测器21在步骤S2检测的旋转角配置为初始位置，环位置发生器22在步骤S1完成初始化。

此外，如果位移量没有变得间断，则继续进行步骤S13的透镜驱动。

依据本实施例的环位置发生器不局限于如上所述的透镜驱动控制；可替换地，它可以应用于将在稍后描述的光圈驱动的控制。

在这种情况下，仅仅图2所示的透镜控制器19和透镜驱动单元20被分别替换为光圈控制器和光圈驱动单元；透镜驱动电机29和透镜30也分别替换为光圈驱动电机和光圈，而其它的配置可以是相同的。然而，在图1所示的透镜中，从自动聚焦控制器23提供给透镜控制器19的控制信号替换为用于光圈驱动的从自动曝光控制器23′提供给光圈控制器19′的控制信号。

将描述上述的光圈驱动的操作。

光圈控制器基于从上述环位置发生器22′输出的环位置产生控制值；光圈驱动单元将光圈移动到对应的打开/关闭位置。为了便于描述，假定光圈可移动末端的一个打开/关闭位置对应于值0而另一个打开/关闭位置对应于值100，则由如上所述的数值公式2给出光圈打开/关闭位置L(0≤L≤100)。在这种情况下，仅仅是控制目标从透镜替换为光圈，而计算和控制方法与图2所示的那些相同。

图10是MR编码器的图示。

当极化(polarized)到MR检测元件101的检测主体移动时，图10所示的MR编码器依据由于MR检测元件101的磁阻效应引起的电阻变化，检测该检测主题位置的变化。

传感器不局限于上述MR编码器，而且还可以使用其它的传感器。

例如，作为修改，还可以使用具有图4所示的两相脉冲输出41和42的脉冲编码器，来代替MR传感器作为位移传感器。

上面已经描述了透镜驱动系统和光圈驱动系统的控制示例；然而控制不局限于那些系统，而且明显可以应用由电机驱动的其它控制目标。

控制可以不仅广泛地合并到旋转驱动而且还可合并到由线性步进电机线性驱动的其它操作。在这种情况下，通过合并用于把环的旋转转换为线性移动的机构，可以使用线性编码器来代替旋转编码器。

驱动目标可以应用于除了透镜之外的其它光学部件。

本领域的技术人员应当理解：在所附权利要求或其等效的范围之内，可根据设计需求及其他因素而进行各种修改、组合、子组合以及替换。

Claims (2)

1、一种图像捕获设备，用于当经由光学系统拾取对象图像并且在记录介质上记录图像信息时，对应于操作单元的位置而控制用于光学系统的驱动系统，该图像捕获设备包含：

用于驱动该驱动系统的控制目标的电机；

用于该电机的驱动器；

用于检测操作单元的位置的位置检测装置；

位置生成装置，用于通过依据位置检测装置的输出配置初始值以及位移的最大集成值和最小集成值，而生成对应于具有受限可移动范围的操作单元的位置的输出；以及

控制装置，用于对应于操作单元的位置生成输出而经由驱动器控制电机，以便驱动控制目标，

其中，该位置生成装置包括：

用于假定位置检测装置的输出为初始值的初始化假定装置；

用于在初始值的基础上集成位置检测装置的输出的集成装置；和

更新装置，用于当检测到集成装置的集成输出小于或者大于受限可移动范围时，更新对应于操作单元的受限可移动范围的集成装置的输出的最小值或者最大值。

2、一种用于在图像捕获设备中驱动光学系统的驱动方法，该图像捕获设备用于当经由光学系统拾取对象图像并且在记录介质上记录图像信息时，对应于操作单元的位置控制用于光学系统的驱动系统，该驱动方法包括步骤：

检测操作单元的位置；

通过依据检测位置步骤的输出配置初始值以及位移的最大集成值和最小集成值，而生成对应于具有受限可移动范围的操作单元的位置的输出；

对应于操作单元的位置生成输出而经由驱动器控制电机，以便驱动控制目标；以及

利用电机驱动该驱动系统的控制目标。

其中，所述生成位置输出的步骤包括：

假定位置检测步骤的输出为初始值；

在初始值的基础上集成位置检测步骤的输出；和

当检测到集成步骤的集成输出小于或者大于受限可移动范围时，更新对应于操作单元的受限可移动范围的集成步骤的输出的最小值或最大值。

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