CN1983009A - 可补偿负载力变动的自动对焦系统装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过对一个能够补偿负载变动的自动对焦系统给予补偿控制，以达到快速精确地自动对焦的功效。本发明的线性致动器，除了本身具有体积小和构造简单的优点外，可对除重力外如晃动进行补偿控制，本发明利用速度变化量与外力负载成线性的特性，而针对速度变化量的差异以产生新的控制电压以补偿负载力的变动，且因而达到快速精确对焦的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学摄影器材的自动对焦系统装置及其方法，且特别涉及一种能对外部负载力及晃动可提供补偿控制的光学摄影器材的自动对焦系统装置及其方法。
背景技术
传统的自动对焦系统采用步进马达作为自动对焦致动器，但其具有下列缺点：
1.对焦速度不够快，无法应用于高质量的移动摄影装置；
2.在慢速的自动对焦过程中，系统较耗时且耗能；
3.自动对焦过程中的机械杂音较大；
4.自动对焦过程中，因为外加负载变动而导致失步，需靠数字信号处理过后的回授参数作为补偿。
而在以线性磁性致动器为自动对焦系统的致动器时，则线性磁性致动器易受负载变动的影响而造成无法正确地到达期望的对焦位置。而自动对焦系统的致动器(或称马达)的主要负载变动来源为重力及晃动。例如当自动对焦系统的致动器水平操作时，其致动器的出力变化势必与自动对焦系统的致动器垂直操作不同。因此若用相同的控制力在水平方向与垂直方向不同负载力情况下去控制线性马达的位移量时，将可预期无法达到正确对焦位置。为解决上述因重力产生水平与垂直不同负载力的问题，公知的解决的技术有如下数者：
美国专利号第5,838,374号(申请人Sanyo)披露一种可对线性马达的外力负载变化量提供补偿的自动对焦摄影机。但Sanyo对负载的补偿是依据牛顿力学定理。故当相机在不同的姿态角下，控制自动对焦的线性马达会因为重力的分力有不同的影响，而造成移动的结果非为预期所设定的命令。而Sanyo的摄影机是经过预先计算及实验结果，事先预知所设计线性马达在水平状态下，输出固定的电压及持续时间，而让该马达移动一固定距离，且输出方电压值与位移量呈线性关系。因此，通过位置回授信号及牛顿力学计算，利用位移的误差量来决定负载力的大小进而增减驱动马达的电压偏压值。故Sanyo可对马达的外加重力负载变动产生补偿。
另一美国专利号第5,057,859号(申请人Olympus)，其马达位置检测是利用脉冲产生器当作编码器产生脉冲信号，通过计数的脉冲数值转换成实际的位移量。但Olympus却无法对负载力变动时提供补偿机制。
还有另一美国专利号第5,325,145号(申请人Canon)，其对焦过程，是通过三片镜片来达成对焦动作。通过图像分析结果，判断整体对焦的完成程度，进而三种不同速度(即高速，中速及低速)来动三组对焦马达，使每一镜片能移动至正确的对焦位置上。然而，Canon如同Olympus一般无法对负载力变动时提供补偿机制。
虽然前述Sanyo可对马达的外加重力负载变动产生补偿，但对于晃动(stagger)所导致的负载力变动，却也无法提供补偿机制。甚而，Sanyo的实现的前提要件是马达的移动位移量，速度及驱动电压关系皆十分线性。但现实上，在能到此要求的元件的设计和制作皆很困难。因而为解决上述因晃动所导致的负载力变动且进而影响对焦的问题是业界目前面临最严重的课题。甚而，在不增加硬件成本的考虑下，如何使用线性致动器及搭配负载变动补偿控制法以实现快速对焦且能有效地补偿负载变动也是业界目前面临最严重的课题。因此，有必要提供一种可补偿负载变动而达到快速及精确对焦的自动对焦系统装置。
发明内容
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
本发明的主要目的是提供一种可补偿负载变动而达到快速及精确对焦的自动对焦系统装置。其利用线性致动器及搭配负载变动补偿控制法，并通过监控该致动器的速度与位置变化量，来达到补偿负载力变动的位置控制。
本发明的进一步的目的是提供一种可针对晃动的负载力变动提供补偿控制的自动对焦系统装置。本发明利用负载变动补偿控制法来控制聚焦镜片，且使用线性致动器作为载具而达成快速对焦的目的。减化过后的负载变动补偿控制程序码可被写入到系统中央处理单元内的只读存储器，而在其负载变动补偿控制中所使用到的参考模型(reference model)，由于是属于复杂的s领域(s-domain)的计算。因此，先通过实验的过程，将输入，输出结果予以建表在该系统的中央处理单元内的只读存储器内，通过查表的方式，有效减低运算量而达到良好的控制补偿效果。
本发明的更进一步的目的是提供一种自动对焦的方法，其包括：
使用磁阻传感器以感应出线性致动器移动时所产生在线性磁条的磁场变化，且该磁场变化随后通过中央处理器的位置计算法产生相对应该线性致动器的位置信号；使用图像数字信号处理器，用以产生对应该线性致动器的位置的位置命令；使用位置控制器，用以接收该位置命令并据以决定该线性致动器的水平姿态的原始控制电压；使用位置微分器，其用以将该位置信号转换成该线性致动器的实际速度信号；使用参考模型转换器，并通过利用已内建在只读存储器内的线性致动器的参考模型特性，将输入线性致动器的控制电压转换成对应的可使该移动式镜片载具移动的速度；使用速度比较器，将该参考模型转换器所输出的速度信号与位置微分器所产生的真实速度信号做比较，产生一个速度差异信号；及使用负载变动补偿器，用以将依据该速度比较器所输出的速度差异值，决定出补偿控制电压，该补偿控制电压与位置控制器所产生的原始控制电压共同输入加法器作加成，进而传输至该线性致动器的驱动器以调整该线性致动器的速度。
此外，本发明所用的负载变动补偿控制方式，是通过速度变化量的差异以产生可补偿负载力变动的控制电压。因此，本发明不仅可补偿重力的影响，且可补偿除重力外的负载力变动，而达到快速精确对焦的目的。
本发明的更进一步的目的是提供一种负载变动补偿控制法，其所利用的原则是该线性致动器的速度变化量与外在的负载变动呈线性关系，故可通过该速度变化量而明确得知外在负载的变动量，并进而依据该线性致动器的速度变化量来补偿外在负载的变动。
附图说明
图1为根据本发明较佳实施例的自动对焦系统装置的硬件架构图。
图2为根据本发明较佳实施例的自动对焦系统装置的架构方框图。
图3为依本发明的较佳实施例的输入控制电压命令转换成脉冲宽度调变控制所需的驱动电压命令及适当的脉冲宽度责任周期命令的算法所根据的特性曲线。
图4的上图为依本发明的一较佳实施例的补偿控制电压与时间轴的关系。
图4的下图为依本发明的一较佳实施例的外在负载力变动与时间轴的关系。
主要元件标记说明
1.移动式镜片载具
2.套筒
3.导杆
5.轭铁
6.磁条
7.磁阻式传感器
8.软排线
9.线性致动器
10.主动式低通滤波器
11.具有串行传输接口的可程序马达驱动器
12.信号放大器
13.两个模拟/数字转换器
14.中央处理单元
15.只读式存储器
16.随机存取存储器
17.图像数字信号处理器
具体实施方式
依据牛顿力学定律，可知当线性致动器受外负载FLOAD影响下，假设线性致动器的出力为F且摩擦力为零，则线性致动器的净输出力为：
F-FLOAD＝Ma＝MΔv/Δt (1)
F＝KtV (2)
其中M代表线性致动器的重量；a代表线性致动器的加速；Δv为Δt时间的速度变化量；V代表线性致动器的操作电压。则方程式(1)可改为：
FΔt-FLOADΔt＝MΔv→Δv＝FΔt/M-FLOADΔt/M (3)
在方程式(3)中，M，F，Δt皆为固定值，故Δv与FLOAD呈线性关系。因此，本发明依据该线性致动器的速度变化量来补偿外在负载的变动。
请参照图1，其为本发明的硬件架构图。本发明包括中央处理单元(CPU)(14)，两个以上的模拟/数字转换器(13)，60KBytes只读式存储器(15)及1 Kbytes随机存取存储器(16)。其中线性致动器的驱动器(11)通过串行传输接口(serial peripheral interface)，一方面能接收来自中央处理单元(14)所输出的数字数据及控制命令，另一方面则会根据所收到的数据及控制命令产生不同的驱动电压给线性致动器(9)。当该线性致动器(9)移动时，磁阻式编码器是利用磁阻式传感器(MR sensor)(7)来感应线性磁条(6)的磁场变化，进而产生两组相位差为90度的磁弦波信号(即sin和cos)，通过软排线(FPC)(8)送至主动式低通滤波器(10)以过滤信号的噪声，再通过信号放大器(12)将电压位准调整到后续的该模拟/数字转换器(13)可接受的范围。最后，所得的无噪声信号再被该模拟/数字转换器(13)输出至该中央处理单元(14)，通过其内的快速位置算法而精准算出该线性致动器(9)所在的位置。
同时请参照图2的本发明的架构方框图。当图像数字信号处理器(17)的位置命令d*送达至位置控制器(20)，该位置控制器(20)则通过该中央处理单元(14)(如图1所示)内会先经二阶式比例积分算法，以决定出该致动器在水平时的原始控制电压命令V。假若此时没有外加负载力于该线性致动器(9)或移动式镜片载具(1)上，则不会有回授补偿电压Ve来补偿原始控制电压命令V，因此输入控制电压命令V*等于原始控制电压命令V。接着，通过脉冲宽度调变信号转换器(22)，将该输入控制电压命令V*转换成适当的脉冲宽度调变控制所需的驱动电压命令VCOM及适当的脉冲宽度责任周期命令DTCOM，该两命令再送至线性致动器(9)的可程序马达驱动器(11)；最后产生脉冲宽度调变PWM的控制电压至该线性致动器(9)。因而，如图1所示的该线性致动器(9)连同该移动式镜片载具(1)沿着导杆(3)在轭铁(5)中做直线移动。
本发明利用负载变动补偿作为理论基础；即事先通过计算机模拟与实验，将线性致动器参考模型的响应特性(即输入原始控制电压命令V与速度变化量Δve呈正比关系)予以建表在运算控制芯片内的只读式存储器(15)，以构成参考模型转换器(28)。此外，该线性致动器(9)的实际速度
是在位置微分器(25)内通过该磁阻式传感器(MR sensor)(7)不断地作位置回授d，并根据取样时间CDATA做差分计算而输出实际磁性致动器(9)的速度
。此实施速度
会与内建线性致动器参考模型的速度响应特性的该参考模型转换器(28)所输出的依据原始控制电压命令V查询出相对应的速度变化量Δve积分所得的ve，在比较器(26)内通过该中央处理单元(14)的减法计算。事实上，该比较器(26)实质上为减法器。假若线性致动器(9)连同该移动式镜片载具(1)有外在负载Text(t)的变动时，此减法计算后的差异值
将会是定值，因此通过负载变动补偿器(27)的转换，依据
差异值的大小产生不同位阶的补偿控制电压命令Ve，再通过Ve与原信号V相加(21)，产生一组具补偿特性的输入控制电压命令V*来动态补偿外在负载Text(t)时所造成的速度差异。
为了提高电能使用效率，该输入控制电压命令V*将通过脉冲寛度调变信号转换器(22)在该中央处理单元(14)内部作决速运算以决定出适当的脉冲宽度调变控制所需的驱动电压命令VCOM及适当的脉冲宽度责任周期命令DTCOM，该两命令送至接收串行数字数据输入的该线性致动器(9)的可程序马达驱动器(11)。因此，本发明的补偿控制机制不仅可以用来调变重力负载变动所造成的影响，且可补偿外部的扰动(或晃动)输入。
请参照图3，其为该输入控制电压命令V*转换成脉冲宽度调变控制所需的驱动电压命令VCOM及适当的脉冲宽度责任周期命令DTCOM的算法所根据的特性曲线。其中，实线(电压V1)代表原始控制电压，而虚线(电压V2)代表补偿控制电压命令。又根据所述理论实验，先将整个实验平台放置水平，且在时间轴为70毫秒时，有一外加瞬间扰动(或晃动)负载施加于线性致动器(9)上，如图4的下图所示； 意即，在时间轴低于70毫秒时，外在负载力Text(t)并未变动而是为重力T(t)，故Text(t)-T(t)＝0；但时间轴为70毫秒时，显示除了重力外已加入瞬间扰动。再如图4的上图所示，在时间轴为70毫秒时，本发明的实施例(如图1及2)将会产生补偿控制电压来补偿线性致动器(9)上的外部扰动(或晃动)输入。
综上所述，本发明的自对焦系统与公知技术相比具有下列优点：
1.本发明可提供一种可针对晃动的负载力变动提供补偿控制的自动对焦系统装置，其不仅具有对因重力产生的负载变动提供补偿，且对因外部扰动(或晃动)产生的负载变动提供补偿，故与公知技术仅具有补偿因重力产生的负载变动相比，还具有补偿因外部扰动(或晃动)产生的负载变动。故本发明相比公知技术显然具有增进的功效。
2.本发明的自动对焦系统装置摒除了公知步进马达的缺点，且提高致动器的效率，缩短自动对焦时间，也减少电池的电能消耗，故本发明的电池比公知技术的增长使用寿命。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (9)
1.一种自动对焦系统装置，其特征是包括：
线性致动器，其用以驱动固持镜片的移动式镜片载具；
图像数字信号处理器，其用以产生对应该线性致动器的位置的位置命令；
位置控制器，其接收该位置命令并据以决定该线性致动器的水平姿态的原始控制电压；
位置微分器，其包括磁阻编码器且该位置微分器可将该磁阻编码器所产生的位置信号转换成该线性致动器的实际速度信号；
参考模型转换器，其通过用已内建在只读存储器内的线性致动器的参考模型特性，将输入线性致动器的控制电压转换成对应的可使该移动式镜片载具移动的速度；
速度比较器，将该参考模型转换器所输出的速度信号与位置微分器所产生的真实速度信号做比较，产生一个速度差异信号；及
负载变动补偿器，其依据该速度比较器所输出的速度差异值，决定出补偿控制电压，该补偿控制电压与位置控制器所产生的原始控制电压共同输入加法器作加成，进而传输至该线性致动器的驱动器以调整该线性致动器的速度。
2.根据权利要求1所述的自动对焦系统装置，其特征是其还包括脉冲宽度调变信号转换器，其用以将合成后的补偿控制电压与原始控制电压转换成脉冲宽度调变控制信号所需的驱动电压命令及适当的脉冲宽度责任周期命令，且该两命令随后输入该线性致动器的驱动器。
3.根据权利要求1所述的自动对焦系统装置，其特征是其还包括用以感应该线性致动器移动所产生在线性磁条的磁场变化的磁阻传感器，且该磁阻编码器可通过中央处理器的位置计算法产生相对应该线性致动器的位置信号。
4.根据权利要求1所述的自动对焦系统装置，其特征是该速度比较器实质上为减法器。
5.根据权利要求1所述的自动对焦系统装置，其特征是该位置控制器包含二阶比例积分算法，其用以将所接收的该位置命令计算出该线性致动器的水平姿态时的原始控制电压。
6.一种自动对焦的方法，其特征是包括：
使用磁阻传感器以感应出线性致动器移动所产生在线性磁条的磁场变化，且该磁场变化随后通过中央处理器的位置计算法产生相对应该线性致动器的位置信号；
使用图像数字信号处理器，用以产生对应该线性致动器的位置的位置命令；
使用位置控制器，用以接收该位置命令并据以决定该线性致动器的水平姿态的原始控制电压；
使用位置微分器，其用以将该位置信号转换成该线性致动器的实际速度信号；
使用参考模型转换器，并通过用已内建在只读存储器内的线性致动器的参考模型特性，将输入线性致动器的控制电压转换成对应的可使该移动式镜片载具移动的速度；
使用速度比较器，将该参考模型转换器所输出的速度信号与位置微分器所产生的真实速度信号做比较，产生一个速度差异信号；及
使用负载变动补偿器，用以将依据该速度比较器所输出的速度差异值，决定出补偿控制电压，该补偿控制电压与位置控制器所产生的原始控制电压共同输入加法器作加成，进而传输至该线性致动器的驱动器以调整该线性致动器的速度。
7.根据权利要求6所述的自动对焦的方法，其特征是其还包括使用脉冲宽度调变信号转换器的步骤，其用以将合成后的补偿控制电压与原始控制电压转换成脉冲宽度调变控制信号所需的驱动电压命令及适当的脉冲宽度责任周期命令，且该两命令随后输入该线性致动器的驱动器。
8.根据权利要求6所述的自动对焦的方法，其特征是该使用速度比较器的步骤中，该速度比较器实质上为减法器。
9.根据权利要求6所述的自动对焦的方法，其特征是该使用位置控制器的步骤中，该位置控制器包含二阶比例积分算法，用以将所接收的该位置命令计算出该线性致动器的水平姿态时的原始控制电压。
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