CN1162753A - 用于光学系统位置控制的控制装置 - Google Patents

Abstract

一种不受摄象机姿态影响而迅速正确地控制变焦透镜组和聚焦透镜组位置的控制装置。该控制装置包括：一变焦透镜组，一聚焦透镜组，机构驱动变焦透镜组与聚焦透镜组的致动器，驱动致动器的电路，检测变焦与聚焦透镜组各当前位置的位置监测器，计算其目标位置的目标位置计算器，将透镜组定位在其目标位置的定位器，评估上述定位结果的评估器，根据定位器和评估器的输出值而输出校正值，以消除由于重力影响而带来的误差的校正器。

Description

用于光学系统位置控制 的控制装置

本发明涉及一种用于控制有变焦透镜组和聚焦透镜组的光学系统的控制装置，更为明确地讲，涉及一种对光学系统进行位置控制的控制装置，它能稳定地防止光学系统状态的改变，并迅速准确地响应操作指令。

过去通常都采用步进电机作为控制光学系统的驱动装置，诸如视频摄象机中的步进电机。

近年来，由于控制视频摄象机光学系统需要有准确而迅速的响应，因此对光学系统的控制装置有了改进。如，为了制造出小型轻便的摄象机采用了音圈电机来驱动光学系统。

图1是一个解释现有技术中控制光学系统的普通控制装置的透视图。

参见图1，其中说明了现有技术中使用音圈电机的普通控制装置，例如它包括：透镜组31、支承透镜组31的支承架32，缠绕在支承架32周围的驱动线圈33，使支承架32能够滑动的导杆34，磁轭36，装有磁铁35和磁轭36，及用于检测支承架32位置的位置监测器38的机壳37。

支承架32由一对互相平行的导杆34支承，且可以在其上沿透镜组31光轴方向滑动。支承架32和透镜组31通过将电流施加到驱动线圈33上而在光轴方向上受到驱动。

作为位置监测器，可以采用接触型的诸如一个线性滑动可变电阻，或非接触型传感器，诸如磁铁与磁阻元件的组合或发光元件与光学传感器的组合。

图2是现有技术中用于控制光学系统的控制装置的框图。

参见图2，该控制装置包括一个调节光学系统放大率的变焦透镜组4，一个对光学系统进行调焦的聚焦透镜组6，分别驱动变焦透镜组4和聚焦透镜组6的致动器7和9，分别驱动致动器7和9的驱动电路10和12，监测变焦透镜组4和聚焦透镜组6位置的透镜位置监测器件1和3，光阑5，光阑致动器8，用于驱动光阑致动器8的光阑驱动电路11，和用于监测光阑5孔径的孔径监测器件2。成象器件13放置在变焦透镜组4和聚焦透镜组6及光阑5的公共光轴上。图象信号处理电路14输出图象信号。

来自图象信号处理电路14的图象信号，来自透镜位置监测器件1和3的位置信号，及来自孔径监测器件2的孔径信号都被送到控制信号产生电路15，在其中，目标位置计算器16用图象信号处理电路14所得的图象信息计算出变焦透镜组4和聚焦透镜组6的目标位置，或从变焦透镜组4和/或聚焦透镜组6的人为操作结果而产生的焦距信息中计算出目标位置。位置控制器17根据目标位置计算器16算出的位置数据定位各透镜组4和6。

图3表示了一个透镜位置控制网络的实例，它包括控制信号产生电路15，驱动电路10、12，致动器7和9，及用于将透镜组4和6定位于各自目标位置的透镜位置监测器1、3。该控制信号产生电路15包括一个减法器39和一个相位补偿器40。减法器39从目标位置计算器16得出的透镜组4和6的目标位置与各透镜位置监测器1和3所测出的透镜组4和6现行位置之间的差值中，通过计算并产生出位置误差信号51。然后，位置误差信号51的相位由相位补偿器40补偿，并作为驱动信号52输出。驱动信号52分别通过驱动电路10和12驱动致动器7和9，并确定透镜组4和6的位置。

如日本专利公开6-201974/94所述，其中涉及一种用于控制光学系统的驱动装置，该驱动装置有预置的一组补偿器或一组补偿器系数，并响应于透镜位置误差信号有选择地接通这些补偿器或补偿器系数，以借助于接通这些补偿器或补偿器系数来快速控制光学系统，并提高系统的稳定性，防止干扰，如振动或加到系统上的其它影响因素。

当使用音圈电机来定位透镜系统时，它需要一直受到驱动，以保持包含其支承架在内的受重力作用的光学系统的位置。重力影响的程度取决于视频摄象机的姿态。

由于这种重力影响，将出现透镜系统的实际位置偏离其目标位置所导致图象离焦的问题。为了补偿这种位置偏离，日本专利公开6-201975/1994公开了一种重力影响变化，即视频摄象机姿态变化，作为含在其致动器控制电流中直流成分的变化而被检测的方法。根据检测结果变换相位补偿值，或者选择相位补偿系统的一个系数来补偿透镜系统位移。

用音圈电动机作为确定透镜组位置之驱动机构的控制装置，不能保证永远准确地定位这些透镜，因为音圈电动机的负载特性通常不是线性的，且用音圈电机所做的透镜定位操作容易受因视频摄象机姿态改变而对透镜组及支承架产生的应力影响。由于透镜组目标位置与其实际位置之间不同，将会导致该光学系统产生象质差的图象。

本发明旨在解决上述问题和缺陷，且本发明的目的是提供一种用于快速稳定精确地控制光学系统位置的控制装置。

本发明的控制装置包括，一个用于变倍的变焦透镜组，一个用于聚焦的聚焦透镜组，用于驱动这些透镜组的驱动机构，用于检测变焦透镜组和聚焦透镜组位置的透镜位置监测器，用于计算变焦透镜组和聚焦透镜组位置的目标位置计算器，用于使变焦透镜和聚焦透镜组正确定位的位置控制器，用于评估上述定位结果的评估器，以及用于根据由位置控制器值及评估器值所得的变焦透镜组和聚焦透镜组现行位置输出校正值的校正器。

当由于摄像机斜置而使透镜组上所加负载发生改变时，这些功能单元能响应透镜组各个位置的评估值使变焦透镜组和聚焦透镜组迅速地移位。

而且，本发明的控制装置有一个存储校正器输出值的存储器。根据存储的值，评估值得到校正，而且即使在透镜负载随摄象机的姿态而改变时，透镜组也能被精确定位。

图1是表示现有用于控制光学系统的控制装置的分解透视图。

图2是表示现有技术用于控制光学系统的控制装置的框图。

图3是表示现有技术透镜位置控制网络的框图。

图4是表示本发明用于控制光学系统位置的控制装置第一实施例的框图。

图5是表示本发明用于控制光学系统位置的控制装置第二实施例的框图。

图6表示音圈电机的动态模型。

图7表示影响受音圈电机驱动的透镜组及其支承架的重力，其正弦分量的情况。

图8表示控制光学系统的一个示例。

图9表示PID(比例，积分加微商)控制系统的框图。

图10表示根据透镜组位置而定的音圈电机驱动力的示例。

图11表示随透镜组位置而变的校正值举例。

图12表示利用校正值所描出的校正曲线图。

图13表示一个软件的流程图，它可以用于本发明控制光学系统位置的控制装置第一实施例中。

图14表示一个可以用于本发明控制光学系统位置的控制装置第二实施例中的软件流程图。

下文将参考附图详细描述本发明，其中相同的符号和数字用于表示相似或等同于前述现有技术中的元件，并且为了简单起见，略去对这类元件的详细解释。第一实施例

图4表示了本发明的第一实施例。

参见图4，数字4表示一组可以调节物体放大率的变焦透镜组，6表示一组聚焦图象的聚焦透镜组，7表示移动变焦透镜组4的第一致动器，9表示移动聚焦透镜组6的第二致动器，10表示驱动第一致动器7的第一驱动电路，12表示驱动第二致动器9的第二驱动电路，1表示检测变焦透镜组4位置的第一透镜位置监测器，3表示检测聚焦透镜组6位置的第二透镜位置监测器，5表示一光阑，8表示控制光阑5的第三致动器，11表示驱动第三致动器8的第三驱动电路，2表示检测光阑5孔径的位置监测器，13表示位于透镜组4，6及光阑5公共光轴上的图象形成器件，14表示输出图象信号的图象信号处理电路。

利用图象信号处理电路14输出的图象信号，或者利用人为操作变焦透镜组4和/或聚焦透镜组6所产生的聚焦距离信息，目标位置计算器16计算出变焦透镜组4和聚焦透镜组6的目标位置。由位置控制器17和评估器18所核准的工作状态，确定变焦透镜组4和聚焦透镜组7的位置。根据摄象机的姿态(未图示)，校正器件19输出一个校正值到位置控制器17，以补偿摄象机姿态的影响，且从其中输出校正结果。

图6表示可以用于第一和第二致动器7或9的音圈电机的动态模型。字母m表示透镜组4或6可移动的质量，B表示其粘滞度，K表示其弹性比率，X(t)表示其位移，F表示音圈电动机的驱动力。

图7表示对音圈电机的负载有影响的重力正弦分量，即：附加在透镜组4或6质量上的。这个运动模型的公式由等式(1)给出。 $m\frac{d^{2}x\left(t\right)}{d{t}^2}+B\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{kx}\left(t\right)+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}=\mathrm{Kti}\left(t\right)=F....\left(1\right)$

由等式(1)可知，删除FG＝mgsinθ这个重力因子，可以无重力影响地驱动透镜组4和6以及支承架32。Kt是把驱动电流i(t)转换为驱动力的转换因子。

等式(2)表示，有这种特性的音圈电机可以受到控制而与光学系统，即摄象机的姿态无关。 $m\frac{d^{2}x\left(t\right)}{d{t}^2}+B\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{kx}\left(t\right)=F-\mathrm{Fg}....\left(2\right)$

下文将说明消除重力影响和其他干扰的方法。

在图8中，表示出透镜组4和6驱动操作的实例。在各种摄象场合中，位置控制器17输出指出目标位置的信号到致动器7或9。然后，透镜组4或6移动到所指定的目标位置处并固定下来。透镜组4和6必须在短时间内到达其目标位置。透镜组4或6到达目标位置之后，透镜组4或6还必须跟踪它的指定的位置，而不考虑诸如摄象机振动和随摄象机姿态而变的重力影响等所造成的干扰。于是，位置控制器17需要有两个相反的特性，即快速和稳定。用两种控制系统来满足位置控制器17的上述需求。

上述系统被用来消除位置的剩余偏差，即透镜的定位误差，它可以体现为其目标位置与其实际位置之间的距离。大量的比例增益能够减少这种偏差。在具有等式(1)所表示的阶跃响应的音圈电动机控制系统中，积分控制被认为能够理论上消除偏差。

图9表示PID(比例，积分和微商)控制网络的框图，它有一个消除上述剩余偏差的积分控制功能。图9的网络如下所述与图3和4的图示在操作过程中相互对应。方框GP(z)是包含驱动电路10(12)、致动器7(9)及透镜位置监测器1(3)在内的音圈电机系统的传递函数，方框Kp是比例控制函数，而方框Kd(1-z^-1)是微商控制函数，后两个函数的组合称为PD控制系统。积分补偿函数Kiz/z-1和PD控制系统对应于图3中相位补偿器40。Ki是积分补偿器的增益，Kp是比例控制部分的增益，Kd是微商控制部分的增益，u(k)是音圈电机的驱动信号，X(k)是透镜组的位移，而r(k)是透镜组的目标位置。尽管前述的是离散系统，连续系统也将有相同的结果。当透镜组位于目标位置时，比例和微商控制的输出很小。然后，利用积分补偿函数Kiz/z-1(见图9)补偿重力的影响。下文将说明该补偿器的实现方法。

由于控制系统需要很快地移动透镜，并由于控制之初出现的大量错误信号积累而可能引起的不稳定操作，所以当每个透镜组移向其目标位置时，在控制系统中包括的积分控制动作是不同的。另一方面，如果比例和微分控制在透镜移向其目标位置时作为控制系统应用，则该控制系统不能消除重力的影响，而要承受摄象机等姿态的变化。

本发明要利用摄象机原有的透镜跟踪操作而使透镜组移向其各自目标位置时，即如图8所示对每个要摄取的场景进行跟踪，把透镜组移到并固定在其目标位置的同时，消除重力对音圈电机负载的影响。

如图8所示，在每个预定场景时间内，即摄象机视频信号的场景-1期间，透镜组有一移动阶段(过渡期)和一个跟踪阶段。利用积分补偿器的输出补偿重力的影响，且这种补偿表示为等式(2)。更为准确地讲，重力影响是由积分补偿器在以前场景基础上添加该输出而补偿的。而且，在前的场景需要是稳定的。如果在前场景的输出不稳定，则积分补偿器的这个输出不能作为下面随之而来场景的控制信号。即，透镜组4和6在前一场景期间其跟踪状态中需固定在其各自目标位置上。为了监视它们，需要用评估器18。评估器18评价每一透镜组4和6是否在其跟踪状态下，以及其剩余偏差是否在预定值范围内。

上面是关于积分、比例和微商控制网络的描述，其他控制系统可以是利用系统直流输出的稳定控制，该直流输出值是每个透镜组移动之前刚被输出的。

上述控制系统可以利用带软件的计算机来完成，由该计算机构成了如下操纵的控制信号产生电路15。

现参考图13说明软件的流程。

在步骤1001，控制信号产生电路15接收来自图象信号处理电路14的图象信号。

在步骤1002，由控制信号产生电路15计算并确定出变焦透镜组4和聚焦透镜组6各自的目标位置。

在步骤1003，第一透镜位置监测器1检测变焦透镜组4的位置，而第二透镜位置监测器3检测聚焦透镜组6的位置。

在步骤1004，控制信号产生电路15通过从各目标位置值中减去检测结果，分别计算出变焦透镜组4和聚焦透镜组6的位置误差值。

在步骤1005，控制信号产生电路15根据位置误差的大小选控制操作，如比例加微商(PD)控制操作，用于大的误差值，比例加积分加微商(PID)控制操作，用于小的位置误差。

在步骤1006，控制信号产生电路15核对步骤1005做出修改之前使透镜位置受控的控制条件。

在步骤1007，控制信号产生电路15计算出校正值，以补偿摄象机姿态的影响。

根据前面步骤1005，1006和1007中所做的运算，分别进行下列步骤。

在步骤1010，控制信号产生电路15计算并输出驱动信号到驱动电路10和12。

在步骤1011，控制信号产生电路15计算并输出驱动信号到驱动电路10和12。

在步骤1008，控制信号产生电路15计算并输出驱动信号到驱动电路10和12。

在步骤1009，用控制信号产生电路15输出的信号分别驱动透镜组4，6。第二实施例

图5表示了本发明第二实施例的框图。

在图5中，4表示变焦透镜组，6表示聚焦透镜组，7和9分别表示移动透镜组4和6的第一和第二致动器，10和12表示分别驱动第一和第二致动器7和9的第一和第二驱动电路，1和3表示检测透镜组4和6各自位置的第一和第二透镜位置监测器，5表示光阑，8表示驱动光阑5的第三致动器，11表示驱动第三致动器8的第三驱动电路，2表示检测光阑5孔径的位置监测器，13表示位于透镜组4和6及光阑5公共光轴上的图象形成器件，及14表示输出图象信号的图象信号处理电路。数字21表示用于修正校正器19所输出的补偿值的姿态变化补偿器。

目标位置计算器16，利用图象信号处理电路14输出的图象信号，或利用人为操作变焦透镜组4和/或聚焦透镜组6所产生的焦距信息，计算出变焦透镜组4和聚焦透镜组6的目标位置。变焦透镜组4和聚焦透镜组6的位置由位置控制器17，及评估器18所核准的位置控制器17的工作状态而确定。根据摄象机的姿态，校正器19输出一个校正值到位置控制器17，以补偿摄象机姿态的影响，且校正的结果从其中输出。存储器20保存用于校正第一和第二致动器7和9各自输出变化的校正值。响应第一和第二透镜位置监测器1和3的输出，姿态变化补偿器21依据第一和第二透镜位置监测器1和3的输出值从存储器20中读出校正值，并根据读出的校正值补偿校正器19的输出。

音圈电机的驱动力一般在其驱动范围内是不均匀的，如图10所示。这种驱动力的不均匀性是由音圈电机的机械尺寸和结构限制所引起的。

在图10中，表示了音圈电机驱动力不均匀特性的示例。字母F表示音圈电机驱动力与透镜组位置的关系。在这种不均匀性较大的情况下，当校正器19输出预定量校正信号时，由于给出的校正信号量可能太大或太小，同时与给出校正信号量相对应的实际驱动力又随透镜组当前位置而变，因此对透镜组的控制作用将变得不稳定。

上述缺陷可以通过引入一个校正因子H到控制系统中加以解决，如图11所示。通过用校正因子H增加提供给音圈电机的校正量，可以得到均匀的驱动力，以使实际产生的最终驱动力成为恒定值，而与透镜组当前位置无关。

这个校正因子可以作为一个把透镜组移动范围分成多个校正区的表格，存储在一个存储器中。

图12表示了如何补偿随透镜组位置而变的驱动力变化。当透镜组从A点移到B点时，包含校正因子H的等式(3)或等式(4)如前所述被确定。

在等式(3)和等式(4)中，Fa表示在A位置的驱动力，Ha表示在A位置的校正因子，Fb表示在B位置的驱动力，Hb表示在B位置的校正因子。

从等式(3)或等式(4)可见，Fb应该是Hb/Ha倍的Fa。通过加入这样一个补偿，透镜组的驱动力保持恒定，从而对透镜组有了一个稳定的控制。

上述控制系统，可以通过含软件的计算机来实现，该计算机构成了如下工作的控制信号产生电路15。

现参考图14解释软件的流程。

在步骤1101，控制信号产生电路15从图象信号处理电路14接收图象信号。

在步骤1102，控制信号产生电路15计算并确定出变焦透镜组4和聚焦透镜组6各自的目标位置。

在步骤1103，第一透镜位置监测器1检测变焦透镜组4的位置，第二透镜位置监测器3检测聚焦透镜组6的位置。

在步骤1104，控制信号产生电路15通过从各目标位置值中减去检测结果，分别计算出变焦透镜组4和聚焦透镜组6的位置误差值。

在步骤1105，控制信号产生电路15根据位置误差的大小选择控制操作，比如，比例加微商(PD)控制操作，用于大的误差值，比例加积分加微商(PID)控制操作，用于小的误差值。

在步骤1106，控制信号产生电路15核对步骤1105做出修改之前使透镜位置受控的控制条件。

在步骤1107，控制信号产生电路15计算出用于补偿摄象机姿态影响的校正值。

在步骤1108，控制信号产生电路15的存储器20输出与步骤1107所得校正值有关的一个校正因子。

在步骤1109，控制信号产生电路15提供一个改变的透镜位置。

根据前面步骤1105至1109所做的运算，分别进行下列步骤。

在步骤1112，控制信号产生电路15计算并输出驱动信号到驱动电路10和12。

在步骤1113，控制信号产生电路15计算并输出驱动信号到驱动电路10和12。

在步骤1110，控制信号产生电路15计算并输出驱动信号到驱动电路10和12。

在步骤1111，透镜组4和6分别由控制信号产生电路15输出的信号驱动。

根据本发明的实施例可以看出，本发明用于控制光学系统的控制装置，通过在移动透镜组的驱动力中加入一校正因子，具有在任何摄象机姿态的情况下稳定控制透镜的优点。

Claims (12)

1.一种用于控制光学系统的控制装置，包括：

一组对物体变倍用的变焦透镜组，

一组对物体聚焦用的聚焦透镜组，

用于分别检测所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组当前位置的位置监测器，

用于分别计算所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组目标位置的目标位置计算器，

用于分别将所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组定位在所述目标位置上的驱动与定位器，

用于评估所述定位情况，如所述变焦和聚焦透镜组在受到所述驱动与定位器跟踪的状态时的定位情况，并评估出离所述目标位置的剩余偏差是否分别在预定值范围内的评估器，以及

用于通过参考所述位置控制器输出和所述评估器输出，计算出要被输出到所述驱动和定位器中的校正值的校正器。

2.根据权利要求1的控制装置，其特征在于进一步包括：

用于存储校正因子的存储器，该因子被加到所述校正器中，以消除所述驱动定位器为所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组定位时出现的不均匀性，以及

用于通过使用所述校正因子，改变所述校正器输出的修改器。

3.根据权利要求1的控制装置，其特征在于所述驱动定位器包括一个有微商和积分控制函数的控制网络，该控制网络有选择地工作，如在所述定位操作时，所述微商和比例函数的输出结果被加到所述积分补偿函数的另一输出结果上，所述另一输出结果是在所述的变焦透镜组和所述聚焦透镜组开始移向目标位置之前刚刚产生的。

4.根据权利要求2的控制装置，其特征在于所述驱动定位器包括一个有微商和积分控制函数的控制网络，该控制网络有选择地工作，如在所述定位操作时，所述微商和比例函数的输出结果被加到所述积分补偿函数的另一输出结果上，所述另一输出结果是在所述的变焦透镜组和所述聚焦透镜组开始移向目标位置之前刚刚产生的。

5.根据权利要求1的控制装置，其特征在于用于使所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组定位的驱动定位器是音圈电机。

6.根据权利要求2的控制装置，其特征在于用于使所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组定位的所述驱动定位器是音圈电机。

7.根据权利要求3的控制装置，其特征在于用于使所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组定位的所述驱动定位器是音圈电机。

8.根据权利要求4的控制装置，其特征在于用于使所述变焦透镜组和所述聚焦透镜组定位的所述驱动定位器是音圈电机。

9.根据权利要求1的控制装置，其特征在于用于使所述聚焦透镜组定位的所述驱动定位器是音圈电机。

10.根据权利要求2的控制装置，其特征在于用于使所述聚焦透镜组定位的所述驱动定位器是音圈电机。

11.根据权利要求3的控制装置，其特征在于用于使所述聚焦透镜组定位的所述驱动定位器是音圈电机。

12.根据权利要求4的控制装置，其特征在于用于使所述聚焦透镜组定位的所述驱动定位器是音圈电机。

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