CN101902574B - 复合低频截止滤波器和使用了该滤波器的图像拍摄装置 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是在具有手抖动补偿光学系统的图像拍摄装置中，排除因低频截止滤波器进行的手抖动补偿频带的低频侧的相位超前造成的影响，提高手抖动角的检测精度，且提高防手抖功能的精度。在图像拍摄装置中，具有：复合低频截止滤波器(104)、第一低频截止滤波器(104a)、第二低频截止滤波器(104b)、和加减法运算器(120)。第二低频截止滤波器(104b)输入第一低频截止滤波器(104a)的输出。加减法运算器(120)从复合低频截止滤波器(104)的输入中减去第二低频截止滤波器(104b)的输出，并将该减法运算结果输出到第一低频截止滤波器(104a)。将第一低频截止滤波器(104a)的输出作为复合低频截止滤波器(104)的输出来输出。

Description

复合低频截止滤波器和使用了该滤波器的图像拍摄装置

技术领域

本发明涉及用于数字照相机和数字摄像机等图像拍摄装置中的手抖动补偿的低频截止滤波器。

背景技术

在数字照相机和数字摄像机等图像拍摄装置中，有时具有防手抖功能。这种图像拍摄装置具有手抖动补偿系统，由此，对由角速度传感器检测出的角速度进行积分运算而算出手抖动角度，并根据该手抖动角度，来驱动补偿透镜或图像拍摄元件，从而消除手抖动(例如参考专利文献1)。角速度传感器的检测输出除了想要检测出的手抖动角速度的成分之外，还包含极低频的改变成分。因此，在手抖动补偿系统中，在进行积分运算处理的前级设置了对直流成分进行截止用的低频截止滤波器。

并且，在手抖动补偿系统中，为了将角速度传感器检测出的角速度转换为角度，需要设置积分器。积分器理想上最好在作为执行防手抖功能的频率区域的手抖动补偿频带(大概1～20Hz)中具有完全积分的特性。但是，若将完全积分的特性保持到极低频，则放大到了角速度传感器的极低频的改变成分为止，不能得到良好的手抖动补偿性能。因此，积分器具有在极低频中限制频带以使增益不增加的1次延迟系统的特性，并在手抖动补偿频带的下限1Hz中具有相位超前量。

另一方面，现有技术中开发了各种进行相位补偿的滤波器的技术(例如参考专利文献2)。根据专利文献2，公开了通过基本滤波器部和二次以上的滤波器，使得通带的相位特性最佳的手段。

【专利文献1】JP特开2007-324929号公报

【专利文献2】JP特开2006-340190号公报

如前所述，现有的图像拍摄装置中，为了减少角速度传感器的输出信号中含有的角速度之外的极低频的改变成分，在积分器的积分频带上设置有限制，进一步设置了低频截止滤波器。这些积分器的积分频带限制和低频截止滤波器在手抖动补偿频带的低频侧使相位超前了，因此，实际的手抖动角度和补偿角度的相位不一致，所以有补偿残差大，不能确保充分的抑制效果的问题。

还另外存在增加滤波次数而使相位一致的方法，但是有因滤波次数增加而运算算法变复杂、和在由硬件构成的情况下电路变复杂等的问题。

发明内容

本发明为解决这些问题而作出，其目的是提供一种能够通过容易的运算算法使通带中的相位特性最佳的低频截止滤波器。此外，本发明目的是提供一种能够在手抖动补偿频带的低频侧中得到良好的手抖动补偿性能的图像拍摄装置。

本发明的第一方式中，提供了一种具有第一低频截止滤波器、第二低频截止滤波器、和加减法运算器的复合低频截止滤波器。在复合低频截止滤波器中，第二低频截止滤波器输入第一低频截止滤波器的输出。加减法运算器从复合低频截止滤波器的输入中减去第二低频截止滤波器的输出，并将该减法运算结果输出到第一低频截止滤波器。将第一低频截止滤波器的输出作为复合低频截止滤波器的输出来输出。

本发明的第二方式中，提供一种具有防手抖功能的图像拍摄装置。该图像拍摄装置具有：光学系统；手抖动补偿部件，其为了进行手抖动补偿而能够在与光学系统的光轴垂直的面内移动；运动检测单元，其检测图像拍摄装置的运动；复合低频截止滤波器，其输入运动检测单元的输出；控制单元，其基于复合低频截止滤波器的输出，来驱动手抖动补偿部件。复合低频截止滤波器具有：第一低频截止滤波器、第二低频截止滤波器、和加减法运算器。第二低频截止滤波器输入第一低频截止滤波器的输出。加减法运算器从复合低频截止滤波器的输入中减去第二低频截止滤波器的输出，并将该减法运算结果输出到第一低频截止滤波器。将第一低频截止滤波器的输出作为复合低频截止滤波器的输出来输出。

根据本发明，通过组合多个低频截止滤波器来构成低频截止滤波器，可以实现能够通过容易的运算算法在通带中使相位特性最佳的低频截止滤波器。此外，根据本发明的图像拍摄装置，由于在手抖动补偿频带的低频侧中可以使手抖动补偿系统的相位改变为零，所以实际的手抖动和手抖动补偿透镜的运动没有相位差，可以得到良好的手抖动补偿性能。

附图说明

图1是本发明的实施方式的具有手抖动补偿光学系统的图像拍摄装置的示意结构图；

图2是与本发明的实施方式的手抖动补偿系统的信号处理有关的框图；

图3是说明本发明的实施方式的低频截止滤波器的结构例的图；

图4是说明积分器的频率特性的图；

图5是说明现有的低频截止滤波器的结构例的图；

图6是说明现有的低频截止滤波器的频率特性的图；

图7是说明本发明的实施方式中的低频截止滤波器的频率特性的图；

图8是说明现有的手抖动补偿系统的频率特性的图；

图9是说明本发明的实施方式的手抖动补偿系统的频率特性的图；

图10是求出手抖动补偿残差用的框图；

图11是说明现有的手抖动角度和手抖动补偿残差的频率特性的图；

图12是说明本发明的实施方式中的手抖动角度和手抖动补偿残差的频率特性的图；

图13是说明使低频截止滤波器的参数发生变化的情况下的频率特性的图。

符号说明：

100手抖动补偿系统

104低频截止滤波器(传送特性)

104a第一1次低频截止滤波器

104b第二1次低频截止滤波器

105积分器(传送特性)

200图像拍摄装置

201光学系统

205手抖动补偿透镜

207CCD

210角度度传感器

213微型计算机

具体实施方式

下面，参考附图来说明本发明的实施方式。

图1是本发明的实施方式的具有手抖动补偿光学系统的图像拍摄装置的示意结构图。图像拍摄装置200包括光学系统201。光学系统201包括：物镜202、变焦透镜203、光圈204、手抖动补偿透镜205、和聚焦透镜206。

图像拍摄装置200进一步包括：根据经由光学系统201入射的光学信号生成图像数据的CCD(电荷耦合元件)207、图像检测部208、和驱动CCD207的CCD驱动控制部209。

图像拍摄装置200进一步包括：角速度传感器210、放大角速度传感器210的输出信号用的放大电路211、将作为模拟信号的放大电路211输出信号转换为数字信号的A/D转换器212、和基于由A/D转换器212转换后的数字数据来生成驱动手抖动补偿透镜205用的控制信号的微型计算机213。

图像拍摄装置200进一步包括：将微型计算机213的数字输出转换为模拟信号的D/A转换器214、使手抖动补偿透镜205移动用的驱动控制部215、和检测手抖动补偿透镜205的位置的位置检测部216。

图像拍摄装置200的手抖动角速度由角速度传感器210加以检测，并经过放大电路211、A/D转换器212而被输入到微型计算机213。微型计算机213进行对角速度传感器210的输出中含有的不必要的直流成分进行截止的低频截止处理、和将角速度转换为角度用的积分处理等，从而生成手抖动补偿透镜205的位置指令信号。因此，微型计算机213具有低频截止滤波器和积分器(后面描述这些的细节)。位置指令信号通过D/A转换器214转换为模拟信号后，输入到驱动控制部215。驱动控制部215和位置检测部216构成位置反馈系统，并基于位置指令信号来进行手抖动补偿透镜205的定位。

图2是与图像拍摄装置200的手抖动补偿系统的信号处理有关的框图。手抖动补偿系统100由以下来表现：角速度转换块101、角速度转换系数102、放大电路211的放大率103、低频截止滤波器104的传送特性、积分器105的传送特性、增益调整系数106、驱动电路系数107、激励器转换系数108、和角度转换系数109。

角速度转换块101和角速度转换系数102由图1所示的角速度传感器210来实现。低频截止滤波器104、积分器105和增益调整106的运算通过图1所示的微型计算机213来进行。激励器108由图1中说明的驱动控制部215和位置检测部216所构成的位置反馈系统构成，根据输入信号使手抖动补偿透镜205的位置发生变化。由于光学上决定手抖动补偿透镜205的位置和消除手抖动角度用的补偿角度，所以在框图上配置角度转换系数109。

图3表示本实施方式的图像拍摄装置的微型计算机213中包括的低频截止滤波器104的具体结构例。低频截止滤波器104是由多个1次低频截止滤波器构成的复合低频截止滤波器。具体地，低频截止滤波器104包括：第一1次低频截止滤波器104a、第二1次低频截止滤波器104b、和1个加减法运算器120。相对第一1次低频截止滤波器104a，成为第二1次低频截止滤波器104b的输出被负反馈(feedback negatively)的结构。图3中，fhd是第一1次低频截止滤波器104a的截止频率，fhb是第二1次低频截止滤波器104b的截止频率。低频截止滤波器104的传送特性如式(1)。

【数1】

$G=\frac{s\·(s+2\mathrm{\πfhb})}{s^2+\mathrm{\π}(\mathrm{fhd}+\mathrm{fhb})\·s+2{\mathrm{\π}}^2\·\mathrm{fhd}\·\mathrm{fhb}}---\left(1\right)$

若进一步一般化，则得到式(2)。

【数2】

$G=K\·\frac{s\·(s+{\mathrm{\ω}}_0)}{s^2+2\·\mathrm{\ζ}\·{\mathrm{\ω}}_n\·s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---\left(2\right)$

G是低频截止滤波器104的传送特性，K是比例增益，s是拉普拉斯算子，ξ是自流(dumping)系数，ω_n是第一角频率，ω₀是第二角频率。

图4是表示了积分器105的频率特性的仿真结果的图。由于将角速度传感器102检测出的角速度转换为角度，所以最好在手抖动补偿频带中具有完全积分的特性。但是，若使完全积分的特性保持到极低频为止，则放大到了角度传感器210的极低频的改变成分为止，不能得到良好的手抖动补偿性能。因此，积分器105具有在极低频中限制频带以使增益不增加的1次延迟系统的特性，并将该截止频率fic选择为手抖动补偿频带的下限1Hz的1/20。1Hz的相位(at1Hz)如(式3)。

【数3】

由此，以-90deg为基准的相位超前量(at1Hz)为2.86deg。该相位超前引起了实际的手抖动角度和补偿角度的不一致，引起了手抖动抑制效果的降低。

因此，本实施方式中，如图3所示，使用2个1次低频截止滤波器104a、104b，使一个1次低频截止滤波器104b的输出负反馈到另一个1次低频截止滤波器104a而构成复合低频截止滤波器104。由此，如后所述，可以在一部分频带中使相位延迟，可消除后级积分器105的相位超前。

下面，与现有的情形相比较来说明本实施方式的图像拍摄装置的低频截止滤波器104和手抖动补偿系统100的特性。用于现有的图像拍摄装置的低频截止滤波器的结构是如图5所示这种1次低频截止滤波器。这里，设在3mHz的频率中必要的降低率是1/10，现有的低频截止滤波器1041的截止频率fh是30mHz。

(1)低频截止滤波器的频率特性

图6是表示了对现有的低频截止滤波器1041的频率特性进行仿真后的结果的图。3mHz中，确保了必要降低率为1/10(-20dB)。手抖动补偿频带的下限1Hz中的相位(at1Hz)如式(4)。

【数4】

在手抖动补偿频带的下限1Hz中有1.72deg的相位超前量。这样，在现有的低频截止滤波器1041中，在手抖动补偿频带的下限附近区域产生了相位超前。

图7是表示第一1次低频截止滤波器104a的截止频率fhd为60mHz，第二1次低频截止滤波器104b的截止频率fhb为270mHz的情况下的本实施方式的低频截止滤波器104的频率特性的图。与图6所示的现有低频截止滤波器1041的不同在于，在0.15Hz～10Hz的频带中，相位为负的值，产生了相位延迟。为了可消除积分器105在1Hz下的相位2.86deg，设计为1Hz的相位为-2.86deg。另外，在角速度传感器210的输出中含有的手抖动角速度之外的极低频的改变成分在频率3mHz中，与现有的低频截止滤波器相同，确保了1/10的降低率。

这样，在手抖动补偿频带的低频侧，通过使低频截止滤波器104具有相位延迟量，可消除后级的积分器105中的相位超前量。

(2)手抖动补偿系统的频率特性

图8表示将现有的低频截止滤波器1041应用于图2所示的手抖动补偿系统100的结构的情况下(即，在图2的结构中用低频截止滤波器1041替换低频截止滤波器104后的结构)的频率特性的仿真结果。图9表示本实施方式中的包括低频截止滤波器104的手抖动补偿系统100的频率特性的仿真结果。

一般在手抖动补偿频带中，最好增益为0dB，相位为0deg。在使用了现有的低频截止滤波器1041的情况下，如图8所示，在手抖动补偿频带中增益大致为0dB，但是由于低频截止滤波器1041引起的相位超前量和积分器105的频带限制引起的相位超前量的影响，1Hz附近的相位不是0deg。即，1Hz的相位超前量为作为和的总和值的4.58deg。

与此相对，在使用了本实施方式的低频截止滤波器104的手抖动补偿系统100的情况下，如图9所示，1Hz附近的相位大致为0deg。即，在1Hz的情况下，积分器105引起的相位超前量和低频截止滤波器104引起的相位相抵消，变为0deg。

(3)手抖动补偿残差的频率特性

图10是求出手抖动补偿残差用的框图。从实际的手抖动角度R中减去由手抖动补偿系统100得到的补偿角度X后的值是手抖动补偿残差E。手抖动补偿性能可以由手抖动补偿频带(大致1～20Hz)中的手抖动补偿残差来加以评价。即，可以将手抖动补偿残差小的情形评价为性能高。

图11表示使用了现有的低频截止滤波器1041的情况下的手抖动角度和手抖动补偿残差的频率特性的仿真结果。另外，增益0dB意味着手抖动角度R和手抖动补偿残差E相等，手抖动补偿系统100进行的手抖动抑制效果完全没有。不言而喻，手抖动补偿频带中，最好该增益小(对于抑制率，由于是增益的倒数，所以最好大)。图11中，在作为手抖动补偿频带的下限的1Hz中，抑制率最低(增益高)，且有频率越高，抑制率越高(增益越低)的倾向。起因于由图8中说明的相位超前，1Hz的抑制率为18dB。

这里，简单描述必要抑制率。若CCD207的像素间距为1.5μm，手抖动引起的像素抖动允许3个像素，则在CCD207的像面位置换算中允许抖动4.5μm。手抖动角度θ和CCD207的像面位置x的关系如式(5)。

【数5】

x＝f·tanθ    (5)

f是焦点距离。若设f＝15mm，则手抖动补偿残差为0.0172deg。若设产生了0.3deg左右的手抖动，则由于需要将其抑制为0.0172deg，所以必要抑制率为约25dB。因此，通过图11所示的18dB的值不能得到充分的手抖动抑制效果。

图12表示使用了本实施方式的低频截止滤波器104的情况下的手抖动角度和手抖动补偿残差的频率特性的仿真结果。手抖动补偿系统100中包括的低频截止滤波器104具有图3所示的结构。图12中，在手抖动补偿频带中，作为其下限的1Hz中抑制率最低(增益高)，频率越高，抑制率越高的倾向与图11所示的现有情形相同。但是，1Hz的抑制率为32dB，与现有的情况下的18dB相比，得到了充分的手抖动抑制效果。

(4)使截止频率发生变化的情况下的频率特性

图13是表示了使第二1次低频截止滤波器104b的截止频率fhb发生变化的情况下的低频截止滤波器104的频率特性的仿真结果的图。另外，图13中，为了加以比较，还表示了现有的低频截止滤波器1041的特性。相位特性、增益特性最平缓的特性A是现有的低频截止滤波器1041的特性。

图13中，从0.1Hz到1Hz的频带中，是相位最偏向负方向(相位延迟的方向)，且峰值增益最高的特性B是截止频率fhb为270mHz的情况下的特性。若使截止频率fhb更小，则增益的峰值更低，相位不会偏向负方向，即，相位不会延迟。

另外，若将低频截止滤波器104的第一1次低频截止滤波器104a的截止频率fhd和第二1次低频截止滤波器104b的截止频率fhb同设置为60mHz，则相位不会偏向负方向。在fhb＝fhd的情况下，由于相位不偏向负方向(相位延迟的方向)，所以不能消除由积分器105的频带限制引起的相位超前。由此，为了消除相位超前，为使相位偏向负方向(相位延迟的方向)，需要fhb＞fhd。

角速度传感器210的输出中含有的手抖动角速度成分之外的极低频的改变成分如前所述，由角速度传感器210的性能引起，但是若将来改善了性能，而减小极低频的改变成分，则还可减小积分器105的截止频率。该情况下，也可通过控制本实施方式的低频截止滤波器104的第二1次低频截止滤波器104b的截止频率fhb，从而在特定频率下将相位设计为0deg。

以上说明的例子是一个实施方式。对于积分器105和低频截止滤波器104，除了通过软件运算之外，还可通过运算放大器等的硬件来加以实施。

此外，由于通过变焦透镜203的移动而使光学系统201的焦点距离发生变化，所以最好焦点距离越长，就将第二1次低频截止滤波器104b的截止频率fhb设置为越高，焦点距离越短，就将第二1次低频截止滤波器104b的截止频率fhb设置为越低。在焦点距离短的情况下，手抖动补偿角变小。若手抖动补偿角小，则容易受到激励器的摩擦等的影响，而相位延迟。这时，若降低第二1次低频截止滤波器104b的截止频率fhb，则相位超前，所以可以消除相位延迟。

此外，本实施方式中，示例了具有使手抖动补偿透镜205移动的所谓透镜平移(lens shift)方式的手抖动补偿系统的图像拍摄装置，但是即使是具有使CCD207移动的所谓的CCD(图像拍摄元件)平移方式的手抖动补偿系统的图像拍摄装置，也可适用本实施方式的思想。除此之外，对于具有使用了将高折射率液体密封到蛇纹管部的可变顶角棱镜的手抖动补偿系统的图像拍摄装置，也可适用本实施方式的思想。

此外，本实施方式中所示的低频截止滤波器104还可适用于手抖动补偿的检测之外，例如，还可适用于使用了加速度传感器输出的冲击检测技术。

工业利用性

根据本发明，由于不会有手抖动补偿透镜的运动的相位差，可以得到良好的手抖动补偿性能，所以可以适用于数字相机和数字摄像机等的图像拍摄装置。另外，本发明的复合低频截止滤波器还可广泛应用于在截止低频成分的同时还难以允许相位偏差的用途中。

Claims (13)

1.一种复合低频截止滤波器，具有：第一低频截止滤波器、第二低频截止滤波器、和加减法运算器，

所述第二低频截止滤波器输入所述第一低频截止滤波器的输出，

所述加减法运算器从所述复合低频截止滤波器的输入中减去所述第二低频截止滤波器的输出，并将该减法运算结果输出到所述第一低频截止滤波器，

将所述第一低频截止滤波器的输出作为所述复合低频截止滤波器的输出来输出。

2.根据权利要求1所述的复合低频截止滤波器，其特征在于，

所述第二低频截止滤波器的截止频率比所述第一低频截止滤波器的截止频率高。

3.一种图像拍摄装置，具有防手抖功能，包括：

光学系统；

手抖动补偿部件，其为了进行手抖动补偿而能够在与所述光学系统的光轴垂直的面内移动；

运动检测单元，其检测所述图像拍摄装置的运动；

复合低频截止滤波器，其输入所述运动检测单元的输出；以及

控制单元，其基于所述复合低频截止滤波器的输出，来驱动所述手抖动补偿部件，

所述复合低频截止滤波器具有：第一低频截止滤波器、第二低频截止滤波器、和加减法运算器，

所述第二低频截止滤波器输入所述第一低频截止滤波器的输出，

所述加减法运算器从所述复合低频截止滤波器的输入中减去所述第二低频截止滤波器的输出，并将该减法运算结果输出到所述第一低频截止滤波器，

将所述第一低频截止滤波器的输出作为所述复合低频截止滤波器的输出来输出。

4.根据权利要求3所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述第二低频截止滤波器的截止频率比所述第一低频截止滤波器的截止频率高。

5.根据权利要求3所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述手抖动补偿部件是透镜。

6.根据权利要求3所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述手抖动补偿部件是根据光学信号生成图像数据的图像拍摄元件。

7.根据权利要求4所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述光学系统具有放大率可变功能，

所述光学系统的焦点距离越长，则所述控制单元将所述第二低频截止滤波器的截止频率设定得越高。

8.根据权利要求3～7中任一项所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述控制单元包括积分单元，该积分单元对所述复合低频截止滤波器的输出进行积分。

9.根据权利要求3～7中任一项所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述运动检测单元是检测图像拍摄装置的角速度的角速度传感器。

10.根据权利要求3～7中任一项所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述控制单元是通过规定的程序来执行功能的微型计算机。

11.根据权利要求3所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述控制单元包括积分器，该积分器对所述复合低频截止滤波器的输出进行积分，

所述复合低频截止滤波器和所述积分器，在手抖动补偿频带中的工作时，增益实际上成为0dB，相位实际上成为0度。

12.根据权利要求11所述的图像拍摄装置，其特征在于，

在手抖动补偿频带中的工作时，根据所述复合低频截止滤波器的超前相位，由所述积分器生成的相位超前按照相位实际上成为0度的方式被消除。

13.根据权利要求11所述的图像拍摄装置，其特征在于，

所述手抖动补偿频带是1Hz至20Hz的范围。