JP2009156911A - 振動補償制御回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】撮像装置の振動補償制御回路にて、振動に応じて検出される角速度信号を積分してレンズの所要変位量を求める処理において、ジャイロセンサの出力信号が高周波数領域で生じる位相遅れの影響を受け、当該高周波数領域で過剰位相遅れが生じ、正確な積分信号が得られず振動補償の精度が低下する。
【解決手段】ジャイロイコライザ24は、ジャイロセンサ12からの角速度信号を積分回路46で積分し角度信号に変換し、センタリング処理回路48(HPF)で角度信号の直流成分を除去する。積分回路46をローブーストフィルタ(LBF)で構成し、目的補償帯域での位相遅れを積分処理に応じた値とする。さらにLBFが高周波数側にて位相遅れを減少させる特性を利用し、ジャイロセンサ12の位相特性に起因する高周波数領域での角度信号の過剰位相遅れを補償し、高周波数領域での位相遅れを90度に近づける。
【選択図】図1

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に手振れ等の振動を補償するために設けられた振動補償機構を駆動する振動補償制御回路に関する。
近年の撮像装置には、手振れによる画質の低下を抑制するために手振れ補正機能を搭載するものが多くなっている。手振れ補正の方式にはいくつかの種類が存在するが、その1つとして、振動検知素子で撮像装置の振動を検知し、その検知信号に基づいて補正レンズ等の光学部品やCCDイメージセンサ等の撮像素子をアクチュエータで変位させるものがある。振動検知素子にはジャイロセンサが用いられ、光軸の向きの変化に応じた角速度を検知する。一方、アクチュエータの駆動制御には、レンズ等の変位量が用いられる。そのため、アクチュエータの駆動信号を生成する振動補償制御回路は、振動検知素子から得られる角速度等の変位速度を積分して変位量に変換する処理を伴う。
具体的には、当該変位量を求める処理は、ジャイロセンサから出力された角速度信号に対して、手振れの振動周波数の帯域より低い周波数成分を除去する手振れ成分抽出処理を行った後、積分処理を行って角速度から角度に応じた変位量への変換を行う。また、当該変位量を求める処理では、積分処理の出力信号を減衰等させることにより、レンズ等が可動限界に到達しにくくなるように変位量を定めるセンタリング処理も行われる。ここでは、ジャイロセンサ出力信号に基づいて変位量に応じた振動補償信号を生成する処理部をジャイロイコライザと呼ぶことにする。
特開平10−213832号公報
従来、ジャイロイコライザはマイクロプロセッサを用いたソフトウェアによって実現されている。ここで、振動補償制御回路には速い処理速度が求められ、マイクロプロセッサは高速クロックで動作可能なものとする必要がある。例えば、撮像装置が1秒間に30フレームの画像を撮影して動画を得る場合、レンズの位置は1/30秒より速い速度で振動に追随させる必要がある。
高速クロックを用いてマイクロプロセッサを駆動する場合、振動補償制御回路における消費電力が増大するという問題がある。振動補償制御回路が搭載される撮像装置は、リチウムイオン電池等の2次電池を電源として駆動される。そのため、振動補償制御回路の消費電力が増大すると2次電池の消耗が早くなり、撮像装置の駆動時間が短くなる。すなわち、動画の撮影時間が短くなると共に、静止画の撮影枚数が減少するという問題が生じる。撮像装置の手振れ補正機能は、動画や静止画の撮影中だけでなく、撮影の準備中であるプレビュー時にも実行されることが多いため、手振れ補正機能に関する消費電力の低減が望まれる。
ここで、ジャイロイコライザをフィルタ回路で実現することで、マイクロプロセッサの使用を回避し消費電力の低減を図ることができる。具体的には、手振れ成分抽出処理は、高域通過フィルタ(High Pass Filter:HPF)を用いて構成することができる。積分処理は、低域通過フィルタ(Low Pass Filter:LPF)を用いて実現可能である。また、HPFを用いて積分処理の出力信号の直流成分を除去することで、センタリング処理を行うことが可能である。
これらフィルタ回路を用いてジャイロイコライザを構成する場合、当該ジャイロイコライザの出力信号の位相は、ジャイロイコライザの入力信号に対して90度遅れとなることが望ましい。換言すれば、位相遅れが90度からずれるほど積分信号の精度が低下し、ひいては変位量の精度が低下して振動が精度良く補償されなくなる。
この点、ジャイロセンサの出力は高周波数領域にて位相遅れを生じる。この位相遅れがジャイロイコライザでの積分処理の精度低下をもたらすという問題があった。図4は、この問題を説明する模式的な位相特性であり、ジャイロイコライザ自体の位相特性(位相曲線70)、ジャイロセンサの出力信号の位相特性(位相曲線72)、及びジャイロセンサ出力信号の位相特性を反映したジャイロイコライザの出力信号の位相特性(位相曲線74)を示している。横軸が周波数fに対応し、縦軸が入力信号に対する出力信号の位相φに対応する。図4において、周波数fは目的補償帯域BCMPの下限、周波数fは上限である。同図は、高周波数領域にて、ジャイロイコライザ自体の位相特性(位相曲線70)が90度遅れであったとしても、その出力信号の位相(位相特性74)はジャイロセンサ出力信号の位相遅れ(位相曲線72)の影響を受けて90度よりさらに遅れる様子を示している。
手振れ等により生じる振動においては、ジャイロイコライザの出力信号の強度は高周波数領域では比較的微弱となり得るが、周波数が高くなるほどジャイロセンサの位相遅れ量が大きくなるため、その微弱な信号がジャイロイコライザの出力に与える影響を無視できない場合もあり得る。特に、補償しようとする振動成分の存在が想定される目的補償帯域BCMP内に、ジャイロセンサの位相遅れを生じる周波数領域が及ぶ場合はその影響が大きくなり得る。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ジャイロセンサなどの振動検知素子の出力信号に基づいて生成される振動補償信号の精度低下を抑制し、振動を好適に補償し得る振動補償制御回路を提供することを目的とする。
本発明に係る振動補償制御回路は、撮像装置に備えられた振動検知素子から当該撮像装置の移動速度に応じた振動検知信号を得て、前記撮像装置の振動補償機構を駆動するものであって、前記振動検知信号に対して積分処理を行って、前記撮像装置の変位量に応じた振動補償信号を生成する振動補償信号生成回路と、前記振動補償信号に基づいて、前記振動補償機構を駆動する駆動信号を生成するサーボ回路と、を有し、前記振動補償信号生成回路が、前記振動検知信号から低周波成分を減衰し、目的補償帯域の振動成分を通過するハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタを通過した前記振動検知信号に対して前記積分処理を行う積分回路と、を有し、前記積分回路が、前記目的補償帯域内にて位相遅れ補償を行う位相遅れ補償回路を用い、当該位相遅れ補償回路の高周波数帯域での位相遅れの減少と、前記振動検知素子の特性により前記高周波数帯域にて増加する前記振動検知信号の位相遅れとを相殺させ、前記目的補償帯域及び前記高周波数帯域での位相特性を調整する。
本発明によれば、積分回路はLPFに代えて位相遅れ補償回路を用いて構成される。位相遅れ補償回路は、低周波数成分を高周波数成分に対して相対的に強めるゲイン特性を有し、また、最大90度の位相遅れを生じ、最大位相遅れとなる周波数から低周波数側、高周波数側に向かって位相遅れが0に漸近する位相特性を有する。位相遅れ補償回路の位相遅れを生じる周波数帯域を目的補償帯域に設定することで、振動検知素子が検知する角速度を変位量へ変換する積分処理を当該目的補償帯域にて可能とする。また、位相遅れ補償回路の高周波数領域での位相遅れの減少と、振動検知素子の高周波数領域での位相遅れとを相殺させることにより、当該高周波数領域の信号成分に対しても、ジャイロイコライザの出力での位相遅れを積分処理に応じたものとする。これにより、振動検知素子が検知する角速度から変位量への変換が精度良く行われ、撮像装置の変位量に応じた振動補償信号の精度が向上する。その結果、撮像装置の振動に対して好適な補償が可能となる。
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。本実施形態はカメラに関するものであり、本発明に係る振動補償制御回路は当該カメラの手振れ補正機能に用いられる。
図1は、実施形態に係るカメラの手振れ補正システムの概略のブロック構成図である。本手振れ補正システムは、センサ部2、回路部4、及び駆動部6を含んで構成される。手振れ補正システムにはいくつかの方式があるが、例えば、本システムは、撮像素子(図示せず)の受光面に光学像を形成する光学系に設けられた補正レンズ(レンズ8)の位置を制御する方式とすることができる。
センサ部2は、ホール素子10とジャイロセンサ12とからなる。ホール素子10は、レンズ8の位置を検出するために設けられたセンサであり、レンズ8に固定された磁石の磁場に基づいて、磁力レンズ8との距離に応じた電圧信号Vを発生して回路部4へ出力する。光軸に垂直な平面(x−y平面)内でのレンズ8の2次元的な位置(P,P)を検出するために、ホール素子10はx方向、y方向それぞれに対応して設けられ、x方向、y方向それぞれについて信号Vが得られる。
ジャイロセンサ12は、カメラの振動を検出するために設けられたセンサ(振動検知素子)であり、カメラの変位速度に応じた振動検知信号として、角速度ωに応じた電気信号Vωを回路部4へ出力する。ジャイロセンサ12も2つ設けられ、x軸の回りでの角速度成分及びy軸の回りでの角速度成分それぞれについて信号Vωが得られる。
変位可能なレンズ8と当該レンズ8を変位させる駆動部6とは振動補償機構を構成し、駆動部6の駆動力源は例えば、ボイスコイルモータ(Voice Coil Motor:VCM)14で構成される。VCM14は、回路部4が生成する駆動信号の電圧に応じて、当該VCMを構成する可動コイルの位置を直線変位させ、レンズ8の位置を制御する。x−y平面内での2次元変位を実現するために、VCM14は一対設けられ、x方向、y方向それぞれの変位を可能とする。
回路部4は、A/D変換器(ADC:Analog-to-Digital Converter)20、ホールイコライザ22、ジャイロイコライザ24、及びD/A変換器(DAC:Digital-to-Analog Converter)26を含んで構成される。回路部4は、ロジック回路で構成され、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)として構成される。
ADC20には、ホール素子10、ジャイロセンサ12の出力信号がそれぞれ入力される。ADC20は、2つのホール素子10がそれぞれ出力する電圧信号Vと、2つのジャイロセンサ12がそれぞれ出力する電圧信号Vωとを時分割でデジタルデータに変換する。各信号のA/D変換は、サーボ制御周期毎に周期的に行われる。
ホール素子10の出力に基づいて生成された位置データDは、ホールイコライザ22に入力される。一方、ジャイロセンサ12の出力に基づいて生成された角速度データDωは、ジャイロイコライザ24に入力される。
ジャイロイコライザ24は、カメラの変位量に応じた振動補償信号を生成する回路であり、サーボ制御周期毎に所定のサンプリング期間にわたり入力される角速度Dωを積分処理して、x軸、y軸それぞれの回りでのカメラの揺動角度θに応じたデータDθを生成する。ジャイロイコライザ24は、データDθに基づいて、x方向、y方向それぞれに対する手振れ量に応じた振動補償データDを生成し出力する。ジャイロイコライザ24の構成についてはさらに後述する。
ホールイコライザ22は、加算器32及びサーボ回路34を有する。加算器32は、ADC20から入力される位置データDと、ジャイロイコライザ24からの振動補償データDとをx、y各方向別に加算する。サーボ回路34は、加算器32の出力データから、x軸方向、y軸方向それぞれについてのレンズ8の所要変位量に相当するサーボデータDSVを算出する。
DAC26は、ホールイコライザ22から出力されるサーボデータDSVをアナログ電圧信号に変換する。DAC26が出力する電圧信号は所定の増幅処理を施してVCM14に印加される。VCM14は、DSVの絶対値が減少する方向に駆動され、これにより、本システムを搭載したカメラは、撮像期間にて、手振れに応じてレンズ8を移動させ、当該手振れによる撮像素子上での被写体像の変位を補償し、高画質な画像信号を得ることができる。
次にジャイロイコライザ24の構成を説明する。ジャイロイコライザ24は、手振れ成分抽出回路40、積分回路46及びセンタリング処理回路48を含んで構成される。
手振れ成分抽出回路40はHPFであり、ADC20から時系列の角速度データDωからなる角速度信号を入力され、当該角速度信号に含まれる直流成分を減衰し、カメラの振動が反映された角速度信号の高周波成分を抽出する。手振れ成分抽出回路40はデジタルフィルタで構成される。
積分回路46は、手振れ成分抽出回路40が出力する角速度信号を積分して、撮像装置の変位量を表す角度信号を生成する。積分回路46は位相遅れ補償回路を用いて構成される。このこの構成については後述する。
積分回路46にて得られる角度信号はセンタリング処理回路48に入力される。センタリング処理回路48は、レンズ8が補償制御機構による可動限界に到達しにくくなるように変位量を修正する処理を行う。センタリング処理の手法の1つは、積分処理により得られる角度信号から、目的補償帯域BCMPの下限fより低い周波数を有し直流と見なせる成分を減衰するという方法である。この場合、センタリング処理回路48はHPFを用いて構成することができる。当該HPFはデジタルフィルタにより構成され、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数によりフィルタ特性を設定される。基本的に、センタリング処理回路48を構成するHPFのカットオフ周波数fは目的補償帯域BCMPの下限fより低く設定される。また、低周波数側で生じるHPFの位相進みが、帯域BCMP内に及ばないように位相特性を設定することが望ましい。
本発明では、ジャイロセンサ12の出力信号の位相が高周波数領域にて遅れ、当該遅れは周波数の増加と共に増加するという上述の問題に対応して、積分回路46を上述のように位相遅れ補償回路で構成する。この位相遅れ補償回路はデジタルフィルタで構成することができ、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数によりフィルタ特性を設定される。基本的に、積分回路46を構成する位相遅れ補償回路の位相特性は、手振れ補正を行う目的補償帯域BCMPにて、積分処理における90度の位相遅れが実現されるように設定することが望ましい。
図2は一般的な位相遅れ補償要素の模式的なボード線図であり、図2(a)はゲイン特性を示し、図2(b)は位相特性を示す。このような位相進み補償要素は例えば、以下の双一次形式の伝達関数G(s)で与えられる。
G(s)=K(s+αω)/{s+(1/α)ω
ここで、sはラプラス演算子である。また、K,α,ωはパラメータであり、ω>0,α>1である。この伝達関数で与えられる位相遅れ補償要素のゲイン特性は、説明が簡単なK=1の場合、入力信号の角周波数ω=ωでα(20log10α[dB])となり、低周波数領域にてα(40log10α[dB])に漸近し、高周波数領域にて1(0[dB])に漸近する。位相はω=ωで最大位相遅れ角φとなり、ωがωから低周波数側、高周波数側へそれぞれ離れるに従って0に漸近する。φは次式で与えられ、その絶対値は90度以下となる。αの増加に伴い、φの絶対値は増加し、また位相遅れ補償の効果もより広い周波数範囲に及ぶ。
φ=tan−1{(1/α−α)/2}
図2に示す位相遅れ補償特性を有するフィルタは、ローブーストフィルタ(Low-Boost Filter:LBF)と呼ばれる。また、そのゲイン特性の形状が、低域に棚状の利得をかけるものであることから、ローシェルフフィルタ(low-shelf filter, low-shelving filter)とも呼ばれる。
積分回路46はLBFを用いて構成され、その位相遅れ補償の範囲及び程度はω及びαを調整することにより、目的補償帯域BCMP内にて位相遅れ補償を行うと共に、ωより高周波数側での位相遅れの減少と、図4の位相曲線72に示すような高周波数領域でのジャイロセンサ12の出力信号の位相遅れとを相殺させるように設定される。積分回路46は、目的補償帯域BCMP内での位相遅れ補償により、ジャイロイコライザ24から出力される補償制御信号の位相特性を、入力される角速度信号に対して90度位相遅れに合わせる。また、高周波数側でのジャイロセンサの特性の相殺により、当該90度位相遅れに応じた補償制御信号の位相特性を目的補償帯域BCMPからできるだけ高周波数領域へ拡張させて、ジャイロイコライザ24から出力される補償制御信号の精度向上を図る。
図3は、ジャイロイコライザ24の位相特性を模式的に示すグラフである。同図には、積分回路46の位相特性(位相曲線60)、ジャイロセンサ12の出力の位相特性(位相曲線62)、及びジャイロイコライザ24の位相特性(位相曲線64)が示されている。
この図が示すように、積分回路46をLBFで構成することにより、高周波数側でのジャイロセンサ12の位相遅れによる過剰位相遅れを補償して、目的補償帯域BCMPとこれに近接する高周波数領域にて90度位相遅れの実現を図ることができる。
このように位相特性を、目的補償帯域BCMPを含む広い帯域にて90度遅れに近づけることにより、ジャイロイコライザ24からは、角速度ωを好適に積分した角度θに応じた補償制御信号が得られる。
なお、ジャイロセンサ12による過剰位相遅れの補償と、目的補償帯域BCMP内の低周波数側の領域での位相遅れを90度に近づけることとを、単一のLBFで好適に実現できない場合もあり得る。具体的には、ジャイロセンサ12による過剰位相遅れの補償に適合したLBFを用いた場合、図3にも表されているように目的補償帯域BCMP内の低周波数側にて位相遅れ不足が生じ得る。この場合には、さらに別のLBFを設けることで位相遅れ不足の周波数範囲に対し選択的に位相遅れ補償を追加して、目的補償帯域BCMP内の低周波数領域の位相特性を90度遅れに近づけることができる。
ちなみに、或る周波数範囲にて選択的に位相遅れを生じる要素は、ボードの定理から理解できるように、基本的に、当該周波数範囲にてゲインの遷移を生じるローシェルフフィルタとなる。ローシェルフフィルタは上述の双一次形式の他、双二次形式の伝達関数のものも存在する。積分回路46は上述の双一次形式の伝達関数以外の伝達関数を有する位相遅れ補償要素となるデジタルフィルタで構成することもできる。
ジャイロイコライザ24では、角速度信号から補償制御信号を生成する処理をデジタルフィルタで行う構成としている。これによって、補償制御信号の生成のためにマイクロプロセッサ等を用いる必要がなくなり、回路部4での消費電力を低減することができる。さらに、ジャイロイコライザ24の処理をデジタルフィルタで行う構成は、マイクロプロセッサ等を設ける構成に比べて回路面積を縮小することが可能となる。これによって、回路部4が形成される半導体チップのコストを低減することが可能となる。さらに、ジャイロイコライザ24をデジタルフィルタで構成することにより、フィルタ係数などの調整データを容易に変更することができる。これによって、撮像装置の設計に応じた調整データの設定を容易に変更することができる。
本発明の実施形態では、レンズ8の位置検知、及びレンズ8の駆動をそれぞれホール素子10、VCM14で行う構成としたが、本願はそれに限られるものではない。例えば、レンズ8を駆動する素子は、ステッピングモータやピエゾ素子を用いることができる。また、振動検知素子がジャイロセンサと同様に高周波数領域にて位相遅れを生じるものであれば、それを用いた撮像装置の振動制御回路にも本発明を適用することができる。
また、本発明の実施形態では、レンズを駆動させて手振れ補正を行うレンズシフト方式としたが、本発明はこれに限られるものではない。たとえば、本発明は、撮像装置のぶれに応じてCCDイメージセンサなどの撮像素子をシフトさせるイメージセンサシフト方式にも適用することができる。この場合には、撮像素子の位置をセンサで検出し、当該撮像素子をアクチュエータで変位させる。
本発明の実施形態に係るカメラの手振れ補正システムの概略のブロック構成図である。 一般的な位相遅れ補償要素の模式的なボード線図である。 ジャイロイコライザの位相特性を模式的に示すグラフである。 従来のジャイロイコライザの出力信号に生じる問題点を説明する模式的な位相特性である。
符号の説明
2 センサ部、4 回路部、6 駆動部、8 レンズ、10 ホール素子、12 ジャイロセンサ、14 ボイスコイルモータ(VCM)、20 A/D変換器(ADC)、22 ホールイコライザ、24 ジャイロイコライザ、26 D/A変換器(DAC)、32 加算器、34 サーボ回路、40 手振れ成分抽出回路、46 積分回路、48 センタリング処理回路。

Claims (6)

  1. 撮像装置に備えられた振動検知素子から当該撮像装置の移動速度に応じた振動検知信号を得て、前記撮像装置の振動補償機構を駆動する振動補償制御回路であって、
    前記振動検知信号に対して積分処理を行って、前記撮像装置の変位量に応じた振動補償信号を生成する振動補償信号生成回路と、
    前記振動補償信号に基づいて、前記振動補償機構を駆動する駆動信号を生成するサーボ回路と、
    を有し、
    前記振動補償信号生成回路は、
    前記振動検知信号から低周波成分を減衰し、目的補償帯域の振動成分を通過するハイパスフィルタと、
    前記ハイパスフィルタを通過した前記振動検知信号に対して前記積分処理を行う積分回路と、
    を有し、
    前記積分回路は、
    前記目的補償帯域内にて位相遅れ補償を行う位相遅れ補償回路を用い、当該位相遅れ補償回路の高周波数帯域での位相遅れの減少と、前記振動検知素子の特性により前記高周波数帯域にて増加する前記振動検知信号の位相遅れとを相殺させ、前記目的補償帯域及び前記高周波数帯域での位相特性を調整すること、
    を特徴とする振動補償制御回路。
  2. 請求項1に記載の振動補償制御回路において、
    前記積分回路を構成する前記位相遅れ補償回路は、ローブーストフィルタであること、を特徴とする振動補償制御回路。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の振動補償制御回路において、
    前記サーボ回路は、前記撮像装置に備えられた駆動量検知素子から得られる前記振動補償機構の駆動量に応じた信号と、前記振動補償機構から出力される前記振動補償信号とを加算した信号に基づいて前記駆動信号を生成すること、を特徴とする振動補償制御回路。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の振動補償制御回路において、
    前記振動補償信号生成回路は、前記積分回路の出力信号から直流成分を減衰するセンタリング用ハイパスフィルタを有すること、を特徴とする振動補償制御回路。
  5. 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の振動補償制御回路において、
    前記ハイパスフィルタ及び前記積分回路は、デジタルフィルタ回路とレジスタとを含んで構成され、
    前記デジタルフィルタ回路は、前記レジスタに格納されたフィルタ係数に基づいてフィルタ処理を行うこと、
    を特徴とする振動補償制御回路。
  6. 請求項4に記載の振動補償制御回路において、
    前記ハイパスフィルタ、前記積分回路、及び前記センタリング用ハイパスフィルタは、デジタルフィルタ回路とレジスタとを含んで構成され、
    前記デジタルフィルタ回路は、前記レジスタに格納されたフィルタ係数に基づいてフィルタ処理を行うこと、
    を特徴とする振動補償制御回路。
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