JP2007156402A

JP2007156402A - 負荷力変動を補償可能なオートフォーカスシステム装置およびその方法

Info

Publication number: JP2007156402A
Application number: JP2006146049A
Authority: JP
Inventors: Li-Te Kuo; 利徳郭; Kosei Yo; 興政余; Sogen Ri; 宗原李; Seiketsu O; 世杰王
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: TWI297417B; TW200722890A; JP4500287B2

Abstract

【課題】負荷変動を補償し、高速かつ精確なフォーカスができるオートフォーカスシステム装置を提供する。
【解決手段】レンズを支持する移動式レンズキャリアを駆動するために用いられる線形アクチュエーターを使用し負荷変動補償制御法を組み合わせるとともに、該アクチュエーターの速度および位置変化量を監視制御することによって負荷力変動を補償する位置制御を達成する。また、負荷変動補償制御法を利用してレンズフォーカスを制御し、かつ線形アクチュエーターをキャリアとして使用して高速フォーカスを達成する更に、システムの中央処理ユニット内のリードオンリーメモリーに入力、出力結果を表作成しておき、表検索の方式を介して有効に演算量を低減させて良好な補償制御効果を達成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、光学撮影機材のオートフォーカスシステム装置とその方法に関し、特に、外部負荷力、および揺動やぶれ（stagger）に対して補償制御を提供することができる光学撮影機材のオートフォーカスシステム装置とその方法に関する。

従来のオートフォーカスシステムは、ステップモーターをオートフォーカス・アクチュエーターとして採用しているが、下記するような欠点がある。
１．フォーカス時間が十分に速くなく、高品質の移動撮影装置に応用できない。
２．低速のオートフォーカス過程では、システムが時間を必要とし、エネルギーを消耗する。
３．オートフォーカス過程の機械ノイズが比較的大きい。
４．オートフォーカス過程において、外部からの負荷変動により同期外れを起こし、デジタル信号処理後のフィードバックパラメーターによる補償を必要とする。

線形磁性アクチュエーターをオートフォーカスシステムのアクチュエーターとする時、線形磁性アクチュエーターが負荷変動の影響を受けやすく、希望するファーカス位置を正確に達成することができない。オートフォーカスシステムのアクチュエーター（あるいはモーター）の主要な負荷変動は、重力および揺動（スタガー stagger）である。例えば、オートフォーカスシステムのアクチュエーターの水平操作時、そのアクチュエーターの出力変化は、オートフォーカスシステムのアクチュエーターの垂直操作時とは必然的に異なる。従って、同一の制御力が水平方向および垂直方向の異なる負荷状況において線形モーターの位置移動量制御に用いられる場合、正確なフォーカス位置に到達することはできない。上記した重力により発生する水平および垂直での異なる負荷力の問題を解決するために、従来の解決技術には、以下のようなものがある。

米国特許番号第5,838,374号（出願人Sanyo）は、線形モーターの外力負荷変化量に対して補償を提供するオートフォーカス撮影機を開示している。しかし、Sanyoの負荷に対する補償は、ニュートン力学法則に基づいている。従って、カメラが異なる姿勢角度にある時、オートフォーカスを制御する線形モーターが重力の分力により異なる影響を受けるため、移動の結果が希望する設定命令とはならない。また、Sanyoの撮影機は、事前の計算および実験結果を経て、事前に設計する線形モーターの水平状態を予知して、モーターを所定距離だけ移動させ、かつ出力される電圧値および位置移動量が線形関係を呈するものとなる。従って、位置フィードバック信号およびニュートン力学の計算を介し、位置移動の誤差量を利用して負荷力の大きさを決定し、モーターを駆動する電圧バイアス値を増減させるものである、それ故に、Sanyoは、モーターの外部重力負荷変動に対して補償を行うことができる。

また、米国特許番号第5,057,859号（出願人:Olympus）は、そのモーター位置検出がパルス発生器をエンコーダーとして利用してパルス信号を生成し、カウントするパルス数値を実際の位置移動量に変換する。しかし、Olympusは、負荷力変動時に補償メカニズムを提供することができない。

さらに、米国特許番号第5,325,145号（出願人:Canon）は、そのフォーカス過程が３枚のレンズを介してフォーカス動作を達成するものである。画像分析の結果によって、全体のフォーカス完成程度を判断して、３種類の異なる速度（即ち高速・中速および低速）により３つのフォーカスモーターを動かし、各レンズが正確な焦点位置へ移動できるようにするものである。しかし、Canonは、Olympusと同様に負荷力変動時に補償メカニズムを提供することができない。

上記したSanyoは、モーターの外部負荷力変動に対する補償を行うことができるものの、揺動（stagger スタガー）による負荷力変動に対しては、補償メカニズムを提供することができない。しかも、Sanyoが実現する前提条件は、モーター移動の位置移動量であり、速度および駆動電圧の関係は、いずれも十分に線形である。しかし、実際には、このような要求を達成できる素子の設計ならびに製作は、いずれも困難である。そこで、上記した揺動（stagger スタガー）による負荷力変動がフォーカスに与える影響の問題を解決することは、産業界が現在直面している最も重大な課題である。しかも、ハードウェアのコストを増大させることなく、いかに線形アクチュエーターを使用し負荷変動補償制御法を組み合わせて、高速フォーカスであり、しかも有効に負荷変動を補償することができるかがやはり産業界が現在直面している最も重大な課題である。従って、負荷変動を補償することができ、高速かつ精確にフォーカスできるオートフォーカスシステム装置を提供する必要がある。

そこで、この発明の主要な目的は、負荷変動を補償し、高速かつ精確なフォーカスができるオートフォーカスシステム装置を提供することにある。このオートフォーカスシステム装置は、線形アクチュエーターを使用し負荷変動補償制御法を組み合わせるとともに、アクチュエーターの速度および位置変化量を監視制御することによって、負荷力変動を補償する位置制御を達成する。

この発明の他の目的は、揺動（stagger スタガー）の負荷力変動に対して補償制御を提供するオートフォーカスシステム装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、この発明の一実施例によれば、負荷変動補償制御法を利用してレンズフォーカスを制御し、かつ線形アクチュエーターをキャリアとして使用して高速フォーカスを達成するものである。後続の負荷変動補償制プログラムコードを減少させて、システムの中央処理ユニット内のリードオンリーメモリーに書き込むことができ、その負荷変動補償制御中に使用する参照モデル（reference model）が複雑なs領域（s-domain）の計算に属するものであるので、先に実験の過程を経て、入力・出力結果を予めシステムの中央処理ユニット内のリードオンリーメモリーに表作成しておき、表検索の方式を介して有効に演算量を低減させて良好な補償制御効果を達成することができる。

この発明の更なる目的は、高速かつ精確なオートフォーカス方法を提供することにある。
この目的を達成するため、本発明の一実施例によれば、磁気抵抗センサーを使用して線形アクチュエーターの生成する線形マグネットバーの磁場変化を検出し、かつ前記磁場変化がその後に中央処理ユニットの位置計算法によって前記線形アクチュエーターに対応する位置信号を生成することと；画像デジタル信号処理器を使用して、前記線形アクチュエーターの位置に対応する位置命令を生成することと；位置制御器を使用して、前記位置命令を受信するために用いられるとともに、それに基づいて前記線形アクチュエーターの水平姿勢の原始制御電圧を決定することと；位置微分器を使用して、それが前記位置信号を前記線形アクチュエーターの実際速度信号に変換するために用いられることと；参照モデル変換器を使用するとともに、既にリードオンリーメモリー内部にビルトインされた線形アクチュエーターの参照モデル特性によって、入力される線形アクチュエーターの制御電圧を対応する前記移動式レンズキャリアを移動させることのできる速度に変換するために用いることと；速度比較器を使用して、前記参照モデル変換器の出力する速度信号と位置微分器の生成する実際速度信号とを比較し、１つの速度差異信号を生成することと；負荷変動補償器を使用して、前記速度比較器の出力する速度差異値に基づき、補償制御電圧を決定するために用いられ、前記補償制御電圧および位置制御器の生成する原始制御電圧が一緒に加算器に入力されて加算され、前記線形アクチュエーターの駆動器に伝送されて前記線形アクチュエーターの速度を調整することとを含む。

また、この発明の用いる負荷変動補償制御方式は、速度変化量の差異によって負荷力変動を補正できる制御電圧を生成する。従って、この発明は、重力の影響を補償できるだけでなく、重力以外の負荷力変動を補償することができると共に、高速かつ精確にフォーカスすることができる。

この発明の更に他の目的は、負荷変動補償制御法を提供することにあり、それが利用する原則は、線形アクチュエーターの速度変化量が外部にある負荷変動と線形関係を呈するということであり、その速度変化量によって外部負荷の変動量を精確に知ることができるとともに、線形アクチュエーターの速度変化量に基づいて外部負荷の変動を補償するものである。

この発明のオートフォーカスシステム装置および方法は、従来技術と比較して以下の利点を有する。
１．この発明は、揺動（stagger スタガー）の負荷力変動に対して補償制御を提供するオートフォーカスシステム装置を提供することができ、それが重力により発生する負荷変動に補償を提供できるだけでなく、かつ外部の摂動（perturbation）または揺動（stagger スタガー）により発生する負荷変動に対して補償を提供する故に、従来技術と比較して重力により発生する負荷変動に補償を提供するだけでなく、外部の摂動（または揺動）により発生する負荷変動を補償するので、従来技術と比較して効果を顕著に増進させることができる。
２．この発明のオートフォーカスシステム装置は、公知のステップモーターの欠点を取り除くだけでなく、アクチュエーターの効率を向上させて、オートフォーカス時間を短縮し、電池の電気エネルギー消耗を減少させる故に、この発明の電池は、従来技術と比較して使用寿命を増大させることができる。
この発明は、負荷変動を補償できるオートフォーカスシステムに対して補償制御を行い、高速かつ正確なオートフォーカス効果を達成するものであって、この発明の線形アクチュエーターは、それ自体が体積が小さく構造が簡単であるという利点を備える外にも、重力以外の例えば揺動に対する補償制御を行うことができ、また、速度変化量および外部負荷が線形特性を備えることを利用して、速度変化量の差異に対して新しい制御電圧を生成して負荷力変動を補償して、高速かつ正確なフォーカスを達成することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
ニュートン力学の法則に基づいて、線形アクチュエーターが外部負荷F_LOADの影響のもと、仮に線形アクチュエーターの出力をFとし、かつ摩擦力をゼロ（０）とすれば、線形アクチュエーターの正味出力は,下記の数式(1)および数式(2)によって表わされる。

式中、Mは、線形アクチュエーターの重量を表し、aは、線形アクチュエーターの加速を表し、△νは、△ｔ時間の速度変化量を表し、Vは、線形アクチュエーターの操作電圧を表すが、数式(1)を下記の数式(3)のように改めることができる。

数式(3)中、M, F, △ｔは、いずれも固定値であるため、△νおよびF_LOAD△が線形関係を示す。従って、この発明は、その線形アクチュエーターの速度変化量に基づいて外部負荷の変動を補償するものである。

図１は、この発明に係るオートフォーカスシステム装置のハードウェア構成図を示す。
図１において、オートフォーカスシステム装置は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）(14)と、２つ以上のアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）(13)と、例えば、60KBytesの容量を有するリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）(15)と、例えば、１KBytesの容量を有するランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）(16)とを含んでいる。線形アクチュエーター(9)の駆動器(11)が直列伝送インターフェース（serial transmission interface）を介して、一方では中央処理ユニット（ＣＰＵ）(14)から出力されるデジタルデータおよび制御命令を受信することができ、他方では受信したデータおよび制御命令に基づいて異なる駆動電圧を生成し、これを線形アクチュエーター(9)に供給する。
線形アクチュエーター(9)が移動する時、磁気抵抗式エンコーダーが磁気抵抗式センサー（MR sensor）(7)を利用して線形マグネットバー(6)の磁場変化を検出して、２組の位相差が９０度の正余弦磁気信号（即ち、サイン（sin）およびコサイン（cos））を生成し、フレキシブル印刷回路（ＦＰＣ）(8)を介して能動式低域通過フィルター(10)へ送って信号ノイズを濾過してから、信号増幅器(12)を介して電圧レベルを、後続のアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）(13)が受信できる範囲に調整する。最後に、得られたノイズレス信号が再びアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）(13)により中央処理ユニット（ＣＰＵ）(14)へ出力され、その内部の高速位置演算法によって線形アクチュエーター(9)の位置を正確に算出することができる。

この発明にかかる構成ブロック図を示す図２を同時に参照されたい。画像デジタル信号処理器(17)の位置命令d^*が位置制御器(20)へ送られ、当該位置制御器(20)が中央処理ユニット（ＣＰＵ）(14)（図１に示す通り）内部で先に２段階比例積分演算法を経て当該アクチュエーターが水平時の原始制御電圧命令Ｖを決定する。この時、外部負荷が当該線形アクチュエーター(9)上あるいは移動式レンズキャリア(1)上になければ、フィードバック補償電圧Ｖ_ｅにより原始制御電圧命令Ｖを補正することはないので、入力制御電圧命令Ｖ^＊が原始制御電圧命令Ｖに等しいものとなる。
次に、パルス幅変調信号変換器(22)により、入力制御電圧命令Ｖ^＊を適切なパルス幅変調制御に必要な駆動電圧命令Ｖ_ＣＯＭおよび適切なパルス幅デューティサイクル命令ＤＴ_ＣＯＭに変換して、これら２命令を再び線形アクチュエーター(9)のプログラム可能モーター駆動器(11)へ送り、最後にパルス幅変調ＰＷＭの制御電圧を生成して線形アクチュエーター(9)に提供する。従って、図１に示した線形アクチュエーター(9)が移動式レンズキャリア(1)とともにガイドロッド(3)に沿ってヨーク(5)中で直線移動する。

この発明は、負荷変動補償を理論基礎として利用する。即ち、事前にコンピューターシミュレーションおよび実験を介して、線形アクチュエーターの参照モデルの応答特性（即ち入力される原始制御電圧命令Ｖと速度変化量△νeとが正比例関係を呈する）を演算制御チップ内部のリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）(15)に表を作成して、参照モデル変換器(28)を構成する。
また、線形アクチュエーター(9)の実際速度νは、位置微分器(25)内部で磁気抵抗式センサー（MR sensor）(7)を介して絶えず位置フィードバックｄを行うとともに、サンプリング時間Ｃ_ＤＡＴＡに基づいて差分計算し実際の線形アクチュエーター(9)の実際速度νを出力する。
この実際速度νは、ビルトインされた線形アクチュエーター参照モデルの速度応答特性の参照モデル変換器(28)が出力する原始制御電圧命令Ｖに基づいた対応する速度変化量△νeと照会し積分して得られたものνeと比較したものであり、比較器(26)内部で中央処理ユニット（ＣＰＵ）(14)によって減算計算される。実際上、この比較器(26)は、実質的に減算器である。線形アクチュエーター(9)が移動式レンズキャリア(1)と共に外部負荷Ｔ_ext(t)の変動があった時、この減算計算後の差異値e_ｖが一定値となるから、負荷変動補償器(27)の変換を介して、差異値e_ｖの大きさに基づき異なるレベルの補償制御命令Ｖ_ｅを生成してから、補償制御命令Ｖ_ｅおよび原始制御電圧命令Ｖを加算すること(21)によって、１組の補償特性を備える入力制御電圧命令Ｖ^＊を生成して外部負荷Ｔ_ext(t)時にもたらされる速度差異を動態補償する。

電気エネルギー使用効率を向上させるために、入力制御電圧命令Ｖ^＊がパルス幅変調信号変換器(22)を介して中央処理ユニット（ＣＰＵ）(14)内部で高速演算を行って適切なパルス幅変調制御に必要な駆動電圧命令Ｖ_ＣＯＭおよび適切なパルス幅デューティサイクル命令ＤＴ_ＣＯＭを決定し、これら２つの命令を、直列デジタルデータ入力を受信する線形アクチュエーター(9)のプログラム可能モーター駆動器(11)へ送る。従って、この発明の補償制御メカニズムは、重力負荷変動によりもたらされる影響を変調できるだけでなく、外部の摂動（または揺動）入力を補償することができる。

図３において、入力制御電圧命令Ｖ^＊がパルス幅変調制御に必要な駆動電圧命令Ｖ_ＣＯＭおよび適切なパルス幅デューティサイクル命令ＤＴ_ＣＯＭに変換される演算法の根拠とする特性曲線を示すと、そのうち、実線（電圧Ｖ_１）が原始制御電圧を表し、点線（電圧Ｖ_２）が補償制御電圧命令を表す。
また、上記した理論実験に基づいて、先に実験プラットホーム全体を水平にし、かつ時間軸が７０ミリ秒である時、図４Ａに示すように、外部瞬間摂動（または揺動）負荷が線形アクチュエーター(9)上に加えられる。つまり、時間軸が７０ミリ秒より低い時、外部負荷Ｔ_ext(t)が未変動で重力Ｔ(t)である故に、Ｔ_ext(t)-Ｔ(t)＝０であるが、時間軸が７０ミリ秒である時、重力以外に既に瞬間摂動が加わっている。再び図４Ａに示すように、時間軸が７０ミリ秒である時、この発明の実施形態（図１および図２参照）では、補償制御電圧を生成して線形アクチュエーター(9)上の外部摂動（または揺動）入力を補償する。尚、図４Ｂは、この発明の実施形態にかかる外部負荷変動と時間軸との関係を示す。

以上の如く、この発明の好適な実施例を開示してきたが、これら実施例は、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、これら実施例に適当な変更ならびに修正が当然なされ得るものであるから、その特許保護の範囲は、特許請求の範囲およびそれと均等な範囲を基準として定めるべきである。

この発明の実施形態にかかるオートフォーカスシステム装置を示すハードウェア構成図。この発明の実施形態にかかるオートフォーカスシステム装置を示す構成ブロック図。入力制御電圧がパルス幅変調制御に必要な駆動電圧命令および適切なパルス幅デューティサイクル命令に変換される演算方法が根拠とする特性曲線を示す説明図。この発明の実施形態にかかる補償制御電圧と時間軸との関係を示す説明図。この発明の実施形態にかかる外部負荷変動と時間軸との関係を示す説明図。

符号の説明

１移動式レンズキャリア
２スリーブ
３ガイドロッド
５ヨーク
６マグネットバー
７磁気抵抗式センサー
８フレキシブル印刷回路
９線形アクチュエーター
１０能動式低域通過フィルター
１２信号増幅器
１３２つ以上のアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
１４中央処理ユニット（ＣＰＵ）
１５リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）
１６ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）
１７画像デジタル信号処理器

Claims

レンズを固定支持する移動式レンズキャリアを駆動するために用いられる線形アクチュエーターと；
前記線形アクチュエーターの位置に対応する位置命令を生成するために用いられる画像デジタル信号処理器と；
前記位置命令を受信するとともに、該位置命令に基づいて前記線形アクチュエーターの水平姿勢の原始制御電圧を決定する位置制御器と；
磁気抵抗エンコーダーを含み、該磁気抵抗エンコーダーの生成する位置信号を前記線形アクチュエーターの実際速度信号に変換する位置微分器と；
ビルトインされたリードオンリーメモリー内部の線形アクチュエーターの参照モデル特性によって、入力される線形アクチュエーターの制御電圧を、対応する前記移動式レンズキャリアを移動させることのできる速度に変換する参照モデル変換器と；
前記参照モデル変換器の出力する速度信号と前記位置微分器の生成する実際速度信号とを比較して、１つの速度差異信号を生成する速度比較器と；
前記速度比較器の出力する速度差異値に基づいて補償制御電圧を決定し、該補償制御電圧と位置制御器の生成する原始制御電圧とを共に加算器に入力して加算し、前記線形アクチュエーターの駆動器へ伝送して前記線形アクチュエーターの速度を調整する負荷変動補償器と、
を含むオートフォーカスシステム装置。
更にパルス幅変調信号変換器を含み、該パルス幅変調信号変換器が合成後の補償制御電圧と原始制御電圧とをパルス幅変調信号の必要とする駆動電圧命令および適切なパルス幅デューティサイクル命令に変換するために用いられ、かつ前記２つの命令をその後に前記線形アクチュエーターの駆動器に入力する請求項１に記載のオートフォーカスシステム装置。
更に前記線形アクチュエーターの移動により生成される線形マグネットバーの磁場変化を感知するために用いられる磁気抵抗センサーを含み、かつ前記磁気抵抗エンコーダーが中央処理ユニットの位置計算法によって前記線形アクチュエーターに対応する位置信号を生成する請求項１に記載のオートフォーカスシステム装置。
前記速度比較器が実質的に減算器である請求項１に記載のオートフォーカスシステム装置。
前記位置制御器が２重比例積分演算法を含み、且つ受信した前記位置命令を前記線形アクチュエーターの水平姿勢時の原始制御電圧として算出するために用いられる請求項１に記載のオートフォーカスシステム装置。
磁気抵抗センサーを使用して線形アクチュエーターの生成する線形マグネットバーの磁場変化を検出し、かつ前記磁場変化がその後に中央処理ユニットの位置計算法によって前記線形アクチュエーターに対応する位置信号を生成し；
画像デジタル信号処理器を使用して、前記線形アクチュエーターの位置に対応する位置命令を生成し；
位置制御器を使用して、前記位置命令を受信するために用いられるとともに、それに基づいて前記線形アクチュエーターの水平姿勢の原始制御電圧を決定し；
位置微分器を使用して前記位置信号を前記線形アクチュエーターの実際速度信号に変換し；
参照モデル変換器を使用し既にリードオンリーメモリー内部にビルトインされた線形アクチュエーターの参照モデル特性によって、入力される線形アクチュエーターの制御電圧を、対応する前記移動式レンズキャリアを移動させることのできる速度に変換し；
速度比較器を使用して、前記参照モデル変換器の出力する速度信号と位置微分器の生成する実際速度信号とを比較し、１つの速度差異信号を生成し；
負荷変動補償器を使用して、前記速度比較器の出力する速度差異値に基づき、補償制御電圧を決定し、前記補償制御電圧および位置制御器の生成する原始制御電圧を共に加算器に入力して加算し、前記線形アクチュエーターの駆動器に伝送されて前記線形アクチュエーターの速度を調整することを含むオートフォーカス方法。
更にパルス幅変調信号変換器を使用するステップを含み、該ステップによって合成後の補償制御電圧と原始制御電圧とをパルス幅変調信号の必要とする駆動電圧命令および適切なパルス幅デューティサイクル命令に変換し、かつ前記２つの命令をその後に前記線形アクチュエーターの駆動器に入力する請求項６に記載のオートフォーカス方法。
前記速度比較器を使用するステップ中で、前記速度比較器が実質的には減算器である請求項６に記載のオートフォーカス方法。
前記位置制御器を使用するステップ中で、前記位置制御器が受信した前記位置命令を前記線形アクチュエーターの水平姿勢時の原始制御電圧として算出するために用いられる請求項６に記載のオートフォーカス方法。