JP2011039494A

JP2011039494A - フォーカス制御回路

Info

Publication number: JP2011039494A
Application number: JP2010127583A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Nagai; 宏樹永井; Takeshi Kura; 武蔵; Tomoyoshi Kamiya; 知慶神谷
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2011-02-24

Abstract

【課題】実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するオートフォーカス制御において、合焦精度を向上させる。
【解決手段】フォーカス制御回路１００は、レンズ１０と、当該レンズ１０の位置を調整するための駆動素子１２と、当該レンズ１０の位置を検出するための位置検出素子１４と、を備える撮像装置５００に搭載される。フォーカス制御回路１００のイコライザ３０は、位置検出素子１４の出力信号により特定されるレンズ１０の位置と、外部から設定されるレンズ１０の目標位置との差分を示す偏差信号をもとに、レンズ１０の位置を目標位置に合わせるための駆動信号を生成し、駆動素子１２を制御する。追従判定回路３５は、偏差信号を監視することにより、レンズ１０が目標位置に収束したか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するフォーカス制御回路に関する。

一般のデジタルカメラ、および携帯電話機に搭載されているカメラモジュールの多くには、オートフォーカス機能が搭載されている。このようなコンパクトなカメラに搭載されるオートフォーカス機能には、コントラスト検出方式が採用されることが多い。コントラスト検出方式は、実際にレンズを移動させて、撮像画像内の被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を検出し、その位置にレンズを移動させる方式である（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−１６６４０３号公報

コントラスト検出方式は、被写体に赤外線や超音波を照射して、その反射波から被写体までの距離を測定するアクティブ方式と比較し、低コストで実現することができる。ただし、被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を探索するまでに時間がかかるという問題がある。デジタルカメラの場合は、ユーザがシャッターボタンを半押しした後、被写体にフォーカスを合わせるまでの処理が、１秒以内に完了することが望まれる。

ところで、一般のデジタルカメラ、および携帯電話機に搭載されているカメラモジュールの画素数は年々増加しており、これらコンパクトなカメラでも、高精細な画像が撮影可能になってきている。高精細な画像では、ピントずれが目立ちやすく、より高精度なオートフォーカス制御が求められる。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するオートフォーカス制御において、合焦精度を向上させる技術を提供することにある。

本発明のある態様のフォーカス制御回路は、レンズと、当該レンズの位置を調整するための駆動素子と、当該レンズの位置を検出するための位置検出素子と、を備える撮像装置に搭載されるフォーカス制御回路であって、位置検出素子の出力信号により特定されるレンズの位置と、外部から設定されるレンズの目標位置との差分を示す偏差信号をもとに、レンズの位置を目標位置に合わせるための駆動信号を生成し、駆動素子を制御するイコライザと、偏差信号を監視することにより、レンズが目標位置に収束したか否かを判定する追従判定部と、を備える。

本発明の別の態様は、撮像装置である。この装置は、レンズと、レンズを透過した光を電気信号に変換する撮像素子と、レンズの位置を調整するための駆動素子と、レンズの位置を検出するための位置検出素子と、上述したフォーカス制御回路と、を備える。

本発明によれば、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するオートフォーカス制御において、合焦精度を向上させることができる。

実施の形態に係るフォーカス制御回路を搭載した撮像装置の構成を示す図である。画像信号処理部による、レンズの合焦位置の決定処理について説明するための図である。サーボ制御を解除することなく、偏差信号が収束した例を示すタイミングチャートである。サーボ制御を一旦解除し、再開後に偏差信号が収束した例を示すタイミングチャートである。

図１は、実施の形態に係るフォーカス制御回路１００を搭載した撮像装置５００の構成を示す図である。撮像装置５００は、レンズ１０、駆動素子１２、位置検出素子１４、撮像素子１６、画像信号処理部（ＩＳＰ；Image Signal Processor）５０およびフォーカス制御回路１００を備える。ここでは、画像符号化エンジンや記録媒体など、オートフォーカス制御に関連しない構成要素は省略して描いている。

撮像素子１６は、光学部品であるレンズ１０を透過した光信号を電気信号に変換し、画像信号処理部５０に出力する。撮像素子１６には、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサを採用することができる。

駆動素子１２は、レンズ１０の位置を調整する素子であり、フォーカス制御回路１００から供給される駆動信号に応じて、レンズ１０を光軸方向に移動させる。これにより、レンズ１０と撮像素子１６の焦点距離が調整される。駆動素子１２には、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）を採用することができる。

位置検出素子１４は、レンズ１０の位置を検出するための素子である。位置検出素子１４には、ホール素子を採用することができる。以下、駆動素子１２および位置検出素子１４は、ボイスコイルモータとホール素子を含むアクチュエータで構成される例を説明する。

画像信号処理部５０は、撮像素子１６から出力される画像信号を処理する。本実施の形態では、主に、撮像素子１６から出力される画像信号をもとに、レンズ１０の合焦位置を決定する。

図２は、画像信号処理部５０による、レンズ１０の合焦位置の決定処理について説明するための図である。シャッターボタンが半押しされるなど、オートフォーカス機能が有効化されると、画像信号処理部５０は、レンズ１０を所定のステップ幅で移動させるための制御信号をフォーカス制御回路１００に送信する。その際、画像信号処理部５０は、レンズ１０の各目標位置において撮像された各画像信号のシャープネスを算出する。たとえば、シャープネスは各画像信号にハイパスフィルタをかけて、各画像信号のエッジ成分を抽出し、各画像信号のエッジ成分を積算することにより、求めることができる。画像信号処理部５０は、シャープネスが最大値となるレンズ１０の位置を、合焦位置と決定する。

図１に戻り、フォーカス制御回路１００は、差動増幅回路２０、ローパスフィルタ２２、アナログ／デジタル変換回路（ＡＤＣ）２４、イコライザ３０、追従判定回路３５、スイッチ３６、ＰＷＭ変調回路４０およびＨブリッジドライバ４２を備える。なお、フォーカス制御回路１００がワンチップＬＳＩで構成される場合、ローパスフィルタ２２はチップ外に設けられてもよい。

差動増幅回路２０は、位置検出素子１４（ここでは、ホール素子）の出力端子間の電位差を増幅し、位置信号として出力する。当該ホール素子はフォーカス制御機構を構成する筐体に固定され、レンズ１０に固定されたマグネットにより作られる磁界の磁束密度に応じた電圧を出力する。レンズ１０の移動により磁束密度が変化すると、当該ホール素子の出力電圧もその変化に比例して変化する。したがって、当該ホール素子の出力電圧から、レンズ１０の位置を推測することができる。なお、位置検出素子１４をレンズ１０に固定し、マグネットを筐体に固定する構成としても、ホール素子の出力電圧から、レンズ１０の位置を推測することができる。

ローパスフィルタ２２は、差動増幅回路２０から出力される位置信号の高周波数成分を除去する。アナログ／デジタル変換回路２４は、ローパスフィルタ２２から出力される位置信号を、アナログ値からデジタル値に変換する。

イコライザ３０は、位置検出素子１４の出力信号により特定されるレンズ１０の位置と、外部から設定されるレンズ１０の目標位置との差分を示す偏差信号をもとに、レンズ１０の位置を目標位置に合わせるための駆動信号を生成し、駆動素子１２を制御する。

以下、より具体的に説明する。イコライザ３０は、減算回路３１およびサーボ回路３２を含む。減算回路３１は、位置検出素子１４から出力される位置信号と、画像信号処理部５０から入力される目標位置信号との差分を算出して、偏差信号としてサーボ回路３２および追従判定回路３５に出力する。レンズ１０の位置が目標位置に存在する場合、この偏差信号はゼロとなる。サーボ回路３２は、減算回路３１から入力される偏差信号を打ち消すための信号を生成して、ＰＷＭ変調回路４０に出力する。

オートフォーカス機能が有効化されているとき、画像信号処理部５０は、レンズ１０の位置を順次、変化させるための目標位置信号を、Ｉ２Ｃインターフェースなどのインターフェースを経由して減算回路３１に出力する。この目標位置信号は、所定のステップ幅で漸次的に値が増加または減少する信号である。

ＰＷＭ変調回路４０は、イコライザ３０から入力される信号を、そのデジタル値に応じたデューティ比を持つパルス信号に変換する。Ｈブリッジドライバ４２は、少なくとも四つのトランジスタを含み、対角線上の二つのトランジスタがオンすることにより、上記ボイスコイルモータに電流を流すことができる。また、別の対角線上の別の二つのトランジスタがオンすることにより、上記ボイスコイルモータに流す電流の向きを逆にすることができる。

Ｈブリッジドライバ４２は、ＰＷＭ変調回路４０から入力されるパルス信号に応じた、電流の向きおよび電流量で上記ボイスコイルモータに電流を流して、上記ボイスコイルモータを、所定の方向へ所定の距離、移動させる。これにより、レンズ１０を目標位置へ移動および収束させることができる。

追従判定回路３５は、上記偏差信号を監視することにより、レンズ１０が当該目標位置に収束したか否かを判定する。より具体的には、レンズ１０の目標位置が変更されるときの、当該偏差信号の上記目標位置信号への追従性を判定する。

レンズ１０は、その移動先によって、指定された目標位置に収束せずに変位を続けてしまう場合がある。また、指定された目標位置に収束するまでに長時間を要する場合もある。その要因として、レンズ１０と、レンズ１０を収納している筒状部材の接触面のバラツキなどがある。たとえば、当該筒状部材の内表面の上側と下側とで摩擦力がアンバランスな領域では、レンズ１０が傾きやすくなり、実際に傾いてしまうと、指定された目標位置に収束できなくなるときがある。

追従判定回路３５は、レンズ１０の目標位置が変更された後、第１設定期間内に上記偏差信号が収束するか否か判定する。たとえば、当該第１設定期間内に、当該偏差信号が設定レンジ内に第３設定時間滞在した場合、当該偏差信号が収束したと判定し、滞在しない場合、当該偏差信号が収束していないと判定する。

追従判定回路３５は、当該偏差信号が収束していないとき、イコライザ３０による駆動素子１２のサーボ制御を解除させることができる。ここでは、追従判定回路３５は、スイッチ３６の接続先を切り替えて、サーボ回路３２とＰＷＭ変調回路４０とを遮断し、ＰＷＭ変調回路４０にリセット値が入力されるよう制御する。当該サーボ制御が解除され、当該リセット値が入力されると、駆動素子１２はレンズ１０を初期状態に戻し、レンズ１０を制御しやすい状態にする。

追従判定回路３５は、当該サーボ制御を解除した後、第２設定時間が経過すると、当該サーボ制御を再開させる。ここでは、追従判定回路３５は、スイッチ３６の接続先を切り替えて、サーボ回路３２とＰＷＭ変調回路４０とを再接続する。

また、追従判定回路３５は、当該偏差信号が収束しないとき、当該サーボ制御を解除せずに収束するまで監視を続けることもできる。画像信号処理部５０は、当該偏差信号が収束しないときに、当該サーボ制御を解除するモードと、監視を継続するモードのいずれを選択することもできる。

当該第１設定期間を経過しても当該偏差信号が収束しないとき、追従判定回路３５は、画像信号処理部５０にその旨を通知する。画像信号処理部５０は、その通知を受けると、レンズ１０の現在位置で撮像された画像信号のシャープネス算出を延期するとともに、つぎの目標位置信号のイコライザ３０への設定を延期する。当該偏差信号が収束すると、追従判定回路３５は、画像信号処理部５０にその旨を通知する。画像信号処理部５０は、その通知を受けると、レンズ１０の現在位置で撮像された画像信号のシャープネス算出を実行し、つぎの目標位置信号のイコライザ３０への設定を再開する。

図３は、サーボ制御を解除することなく、偏差信号が収束した例を示すタイミングチャートである。偏差信号は、位置信号と目標値との差で表される。イネーブル信号は、目標値追従判定機能を有効にするとき有意（ここではハイレベル）となり、当該機能を無効にするとき非有意（ここではローレベル）となる信号である。当該イネーブル信号は、画像信号処理部５０から追従判定回路３５に設定される。当該イネーブル信号が非有意から有意に遷移すると、追従判定回路３５による当該目標値追従判定処理が開始する。また、追従判定回路３５により当該偏差信号が収束したと判定されると、当該目標値追従判定処理が終了するため、当該イネーブル信号は有意から非有意に遷移する。

ステータス信号は、目標値追従判定処理期間中に有意（ここではハイレベル）となり、当該処理期間外に非有意（ここではローレベル）となる信号である。当該ステータス信号は、追従判定回路３５により生成される。追従判定回路３５は、当該ステータス信号を画像信号処理部５０に通知することができる。

当該目標値追従判定処理は、上記目標位置信号の値（以下、目標値と表記する）の変化により開始されるため、当該目標値が変化すると、当該ステータス信号は非有意から有意に遷移する。また、追従判定回路３５により当該偏差信号が収束したと判定されると、当該目標値追従判定処理が終了するため、当該ステータス信号は有意から非有意に遷移する。

画像信号処理部５０は、上記目標値、収束判定時間Ｓ３（上記第３設定時間に対応）、および収束判定レンジＲ（上記設定レンジに対応）を追従判定回路３５に設定する。収束判定レンジＲは当該目標値を中心値となる信号レンジである。上記偏差信号が収束判定レンジＲに収まってから収束判定時間Ｓ３が経過するまで、上記偏差信号が収束判定レンジＲに収まり続けていれば、追従判定回路３５は、上記偏差信号の収束成功と判定する。

図３では、時刻ｔ０に上記目標値が変化し、上記目標値追従判定処理が開始する。その後、収束判定時間Ｓ３が経過する前に、上記偏差信号が収束判定レンジＲの上限を超えてしまうため、収束判定時間Ｓ３のカウントがリセットされる。時刻ｔ１に当該偏差信号が収束判定レンジＲに復帰し、当該偏差信号は収束判定レンジＲに収まり続ける。時刻ｔ２で時刻ｔ１から収束判定時間Ｓ３が経過するため、時刻ｔ２で、追従判定回路３５は当該記偏差信号の収束成功と判定する。

図４は、サーボ制御を一旦解除し、再開後に偏差信号が収束した例を示すタイミングチャートである。当該サーボ制御が解除されている期間、上記目標値追従判定処理も中断するため、上記ステータス信号は、当該サーボ制御が解除されると有意から非有意に遷移し、当該サーボ制御が再開されると非有意から有意に遷移する。

画像信号処理部５０は、上記目標値、収束判定時間Ｓ３（上記第３設定時間に対応）、収束判定レンジＲ（上記設定レンジに対応）に加えて、サーボ制御解除判定時間Ｓ１（上記第１設定時間に対応）およびサーボ制御中断時間Ｓ２（上記第２設定時間に対応）を追従判定回路３５に設定する。

追従判定回路３５は、上記目標値追従判定処理を開始してからサーボ制御解除判定時間Ｓ１が経過しても、上記偏差信号が収束しない場合、上記サーボ制御を一旦解除する。追従判定回路３５は、上記サーボ制御を解除した後、サーボ制御中断時間Ｓ２が経過すると、当該サーボ制御を再開する。

図４では、時刻ｔ１０に上記目標値が変化し、上記目標値追従判定処理が開始する。その後、上記偏差信号が収束判定レンジＲを出入りする。時刻ｔ１１でサーボ制御解除判定時間Ｓ１に到達する。その間、上記偏差信号が収束判定レンジＲに収まっている期間が５回（期間ａ１、期間ａ２、期間ａ３、期間ａ４、期間ａ５）発生するが、いずれも収束判定時間Ｓ３に満たず、収束成功と判定されない。

時刻ｔ１２でサーボ制御中断時間Ｓ２に到達する。追従判定回路３５は、上記サーボ制御を再開する。上記サーボ制御が再開された後、当該偏差信号は収束判定レンジＲに収まり続ける。時刻ｔ１３で時刻ｔ１２から収束判定時間Ｓ３が経過するため、時刻ｔ１３で、追従判定回路３５は当該偏差信号の収束成功と判定する。

上述した、収束判定時間Ｓ３、収束判定レンジＲ、サーボ制御解除判定時間Ｓ１およびサーボ制御中断時間Ｓ２は、オートフォーカス機能の要求精度および要求処理時間に応じて、設計者が決定することができる。その際、設計者は、実験結果やシミュレーション結果に基づいて、そららの値を決定することができる。

以上説明したように実施の形態によれば、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するオートフォーカス制御において、合焦精度を向上させることができる。すなわち、レンズの目標位置が変更される際、新目標位置にレンズが収束するまでシャープネス算出を延期し、収束した状態でシャープネスを算出することにより、精度の高いシャープネスを算出することができる。精度の高いシャープネスを基礎に上記焦点位置を決定することにより、合焦精度を向上させることができる。

また、所定時間が経過しても、新目標位置にレンズが収束しない場合、サーボ制御を一旦解除して、レンズを初期状態に戻すことにより、レンズを制御しやすい状態に戻すことができる。たとえば、レンズがサーボ制御中に傾いてしまい、収束しにくい状態に陥った場合でも、レンズを初期状態に戻すことにより、収束しやすい状態に戻すことができる。また、所定時間が経過しても、新目標位置にレンズが収束しない場合、一旦、レンズを初期状態に戻して処理を再開するほうが、初期状態に戻さずに処理を継続するより、早くレンズが収束する場合が多い。したがって、サーボ制御を一旦解除して、レンズを初期状態に戻す制御は、収束時間の短縮にもつながる。

以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

以上の実施の形態では、駆動素子１２はボイスコイルモータとしたが、ピエゾ素子やステッピングモータなどを用いてもよい。また、位置検出素子１４はホール素子としたが、ＭＲ素子またはフォトスクリーンダイオードなどを用いてもよい。また、駆動素子１２を駆動するための駆動回路として、ＰＷＭ変調回路４０およびＨブリッジドライバ４２を用いたが、パルス信号ではなく、アナログ信号で駆動される駆動素子が採用される場合、その駆動回路として、デジタル／アナログ変換回路および増幅回路が用いられる。

１０レンズ、１２駆動素子、１４位置検出素子、１６撮像素子、２０差動増幅回路、２２ローパスフィルタ、２４アナログ／デジタル変換回路、３０イコライザ、３１減算回路、３２サーボ回路、３５追従判定回路、３６スイッチ、４０ＰＷＭ変調回路、４２Ｈブリッジドライバ、５０画像信号処理部、１００フォーカス制御回路、５００撮像装置。

Claims

レンズと、当該レンズの位置を調整するための駆動素子と、当該レンズの位置を検出するための位置検出素子と、を備える撮像装置に搭載されるフォーカス制御回路であって、
前記位置検出素子の出力信号により特定される前記レンズの位置と、外部から設定される前記レンズの目標位置との差分を示す偏差信号をもとに、前記レンズの位置を前記目標位置に合わせるための駆動信号を生成し、前記駆動素子を制御するイコライザと、
前記偏差信号を監視することにより、前記レンズが前記目標位置に収束したか否かを判定する追従判定部と、
を備えることを特徴とするフォーカス制御回路。
前記追従判定部は、前記レンズの目標位置が変更された後、第１設定時間内に前記偏差信号が収束するか否か判定し、前記偏差信号が収束しないとき、前記イコライザによる前記駆動素子のサーボ制御を解除させることを特徴とする請求項１に記載のフォーカス制御回路。
前記追従判定部は、前記サーボ制御を解除した後、第２設定時間が経過すると、前記サーボ制御を再開させることを特徴とする請求項２に記載のフォーカス制御回路。