JP4933061B2 - 光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、対象物を駆動してその位置を制御する位置制御装置、特に光学素子の位置を制御する光学機器に関するものである。

対象物の位置を目標位置に追従させる位置サーボ制御では、目標位置と対象物の検出位置との差が所定範囲内にあるときは、該対象物を駆動せずに対象物の位置が目標位置に一致しているとみなすように制御する、つまりは制御上の不感帯を設けることが一般的である。

図６には、不感帯を持つ位置制御装置のブロック図を示す。目標位置設定部６０１の設定した目標位置信号と、位置信号変換器６０６の出力である検出位置信号とが減算器６０８に入力される。減算器６０８により得た偏差信号（目標位置信号と検出位置信号との差）は、不感帯付加部６０２に入力される。不感帯付加部６０２では、減算器６０８により得た偏差信号が、所定の不感帯内の場合には、偏差信号を０にする。これにより、サーボ制御が行われない非制御状態になる。

図７には不感帯付加部６０２の入出力関係を示す。偏差信号（位置偏差）の入力に対して、偏差＜不感帯となるときは、出力が０となる。不感帯より大きい位置偏差に対しては、該位置偏差に比例した出力が発生する。

図８には、不感帯を持つ位置制御装置の目標位置信号と検出位置信号との関係を示す。不感帯外では、通常の位置制御（駆動）が行われ、検出位置信号は目標位置信号に追従する。しかし、不感帯内では、偏差信号を強制的に０とするため、位置制御が行われず、それまで位置制御が行われていた位置を保持する。但し、被制御物６０９の慣性により、オーバーシュートが発生する場合もある。

不感帯付加部６０２を介した偏差信号は、ゲイン・位相補償器６０３に入力される。ゲイン・位相補償器６０３では偏差信号に対し、ゲイン、位相補償を行って、アクチュエータを駆動するための駆動信号を生成する。生成された駆動信号は駆動回路６０４を介してリニアアクチュエータ６０５に入力される。これにより、リニアアクチュエータ６０５が駆動されて、被制御物６０９が目標位置に移動する。被制御物６０９の位置は位置検出器６０７により検出される。位置検出器６０７の出力は、位置信号変換器６０６で目標位置信号と同次元の信号に変換され、減算器６０８にフィードバックされる。

このような不感帯を設けた制御は、制御にビジー感が生じたり、頻繁な対象物の駆動によって異音が発生したり、早期に制御性能が劣化したりすることを回避する目的がある。
その一方、光学機器等の精密機器の分野では、きわめて高精度な位置制御が要求されることが多い。
このため、特許文献１では、目標位置からある程度離れている状態では位置制御に対して不感帯を付加し、目標位置近くにおいては該不感帯を除去して高精度な位置制御が行えるようにする技術が提案されている。
特開平１−１６２２７９号公報(第２頁右下欄、図１等)

しかしなから、特許文献１にて提案の技術でも、目標位置近くにおいては不感帯がなくなるため、この目標位置近くでは、前述したようなビジー感や異音が発生したり、制御性能が劣化したりするという問題が残っている。このため、高精度な位置制御が必要ない場合でも、目標位置の近くで上記のような問題が発生する。

本発明では、対象物に対して行われる制御の内容（制御モード）に応じて適切な不感帯を設けることで、要求される位置制御の精度を達成しながら不感帯がない場合の不都合を回避できるようにした光学機器を提供することを目的の１つとている。

本発明の一側面としての光学機器は、フォーカスレンズの目標位置を設定する目標位置設定手段と、前記フォーカスレンズの位置を検出する位置検出手段と、前記目標位置と前記フォーカスレンズの検出位置の差である位置偏差を算出する減算手段と、前記位置偏差に基づいて前記フォーカスレンズの駆動をフィードバック制御し、前記位置検出手段により検出された前記フォーカスレンズの位置を前記目標位置に近づける制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記位置偏差が所定範囲内である場合は前記フォーカスレンズを駆動しない制御を行い、前記位置偏差が前記所定範囲外である場合は前記フォーカスレンズを前記目標位置に近づける制御を行い、前記制御手段は、前記フォーカスレンズの駆動に関する制御モードに応じて前記所定範囲を変更し、前記制御モードは、マニュアルフォーカスモードとオートフォーカスモードとを含み、前記オートフォーカスモードは、合焦方向判定モード、合焦位置探索モードおよび合焦位置判定モードを含み、前記制御手段は、前記合焦位置判定モード、前記合焦方向判定モード、前記合焦位置探索モード、前記マニュアルフォーカスモードの順で前記所定範囲を大きく設定することを特徴とする。

本発明によれば、要求される位置精度や駆動条件等が異なる制御モードに応じて、上記所定範囲（いわば不感帯）を適切な範囲に設定することができる。したがって、要求される位置制御の精度を達成しながら、不感帯がない場合の不都合を回避することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である位置制御装置の構成を示している。この位置制御装置は、対象物を駆動するアクチュエータを制御して、該対象物を目標位置に近づくように（好ましくは目標位置に一致するように）移動させるサーボ制御を行う。

位置制御装置において、目標位置設定部１０１は、位置制御の対象物の目標位置を示す信号（目標位置信号）を生成する。位置信号変換器１０６は、位置信号検出器１０７からの出力信号を位置信号（検出位置信号）に変換する。これらの目標位置信号と検出位置信号は減算器１０８に入力される。

減算器１０８は、目標位置信号と検出位置信号との差を示す偏差信号を生成し、不感帯付加部１０２に入力する。

不感帯付加部１０２では、減算器１０８から入力された偏差信号の値、つまりは目標位置信号と検出位置信号との差が所定の不感帯内(所定範囲内)である場合には、出力する偏差信号を０に設定する。これにより、リニアアクチュエータ１０５のサーボ制御（つまりは対象物の駆動）が行われない非制御状態になる（言い換えれば、対象物を駆動しない制御を行う状態になる）。

つまり、ここにいう「不感帯」とは、入力（減算器１０８から入力された偏差信号）に対して出力（リニアアクチュエータ１０５および対象物の駆動）が行われない、該入力の値の範囲をいう。一般には、制御上の不感帯とも称される。

不感帯付加部１０２において設定される不感帯の大きさ（不感帯量）は、不感帯制御部２０２により決定される。不感帯制御部２０２では、対象物の駆動に関する制御モード、言い換えれば位置制御装置の動作モードを判別する動作モード判別部２０３による判別結果に基づいて、不感帯付加部１０２で付加する不感帯量を決定する。

ここでの動作モード（制御モード）とは、要求される検出位置と目標位置との一致精度（すなわち対象物の位置精度）が異なる複数の動作モードを含む。例えば、位置精度を優先すべき動作モードや、位置精度よりもノイズおよび誤動作に対する安定性を優先すべき動作モードを含む。そして、位置精度を優先すべき動作モードで設定される不感帯量は、安定性を優先すべきモードで設定される不感帯量よりも小さい。

また、不感帯付加部１０２は、減算器１０８から入力された偏差信号の値が所定の不感帯外（不感帯より大きい）である場合には、そのままの値の偏差信号を出力する。これにより、アクチュエータのサーボ制御が行われる制御状態になる。

不感帯付加部１０２から出力された偏差信号は、ゲイン・位相補償器１０３に入力される。偏差信号が０でない場合は、ゲイン・位相補償器１０３では、外偏差信号に対してゲインおよび位相補償を行い、アクチュエータを駆動するための駆動信号を生成する。

生成された駆動信号は、駆動回路１０４を介してリニアアクチュエータ１０５に入力される。これにより、リニアアクチュエータ１０５自体若しくはリニアアクチュエータ１０５と一体的に設けられた対象物としての被制御物１０９が目標位置に向かって移動される。

被制御物１０９の位置は、位置検出器１０７によって検出される。位置検出器１０７は、被制御物１０９の位置変化に応じて、所定間隔でパルス信号を出力したり、該位置変化に比例して増減するアナログ信号を出力したりする。位置信号変換器１０６は、位置検出器１０７からの信号をカウント加算したりデジタル変換したりして、目標位置信号と同次元の検出位置信号を生成する。この検出位置信号は、減算器１０８にフィードバックされる。

そして、減算器１０８で生成された偏差信号が、不感帯付加部１０２において０の偏差信号となるまで、被制御物１０９（アクチュエータ１０５）の目標位置に向かう方向への駆動が継続される。そして、減算器１０８で生成された偏差信号が不感帯付加部１０２において０の偏差信号となると、被制御物１０９が目標位置に到達したものとみなされてその駆動が停止される。

なお、図１では、不感帯制御部２０２を含む一連の位置制御を行うための構成要素群を、制御手段としての位置制御部２０１として示している。

本実施例によれば、上記制御モード（動作モード）に応じて不感帯付加部１０２で付加される不感帯量を変更することができるので、動作中に設定されている制御モードに適切な不感帯量を設定することができる。

なお、本実施例の位置制御装置によって位置制御される対象物（被制御物）については何ら限定がなく、本実施例の位置制御装置は、多種多様な物体の位置制御に利用することができる。

また、本実施例では、対象物を駆動するアクチュエータとして、リニアアクチュエータを用いる場合について説明したが、ＤＣモータや振動型モータ等、他のアクチュエータを用いることもできる。

上記実施例１で説明した位置制御装置を、ビデオカメラ（光学機器）のフォーカスレンズ(光学素子)の位置制御に適用した場合について、図２を用いて説明する。

図２において、被写体側（図の左側）から順に、１は固定の前玉レンズユニット、２は光軸方向に移動して変倍を行うズームレンズユニット、３は光量調整を行う絞り、４は固定レンズユニット、５は光軸方向に移動してフォーカシングおよび変倍に伴う像面変動を補正するフォーカスレンズユニットを示している。これらレンズユニット１，２，４，５および絞り３によって撮影光学系が構成される。

被写体からの光は、撮影光学系を通過して、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどにより構成される撮像素子６で受光される。撮像素子６は、受光面に形成された被写体像を電気信号に変換し、その出力は増幅器１０を介して映像信号処理回路７に送られる。

映像信号処理回路７では撮像素子６の出力に対して、ホワイトバランス補正やガンマ補正などを施し、映像信号を生成する。また、映像信号処理回路７は、映像信号の高周波成分を抽出し、コントラスト検出方式でのオートフォーカスに利用するＡＦ評価値信号を生成する。

オートフォーカスでは、このＡＦ評価値が最大となるようにフォーカスレンズユニット５を駆動してピント合わせを行う。

ＣＰＵ８は、該ビデオカメラ全体の制御を行う。ＡＦ／ＭＦスイッチ９は、使用者がマニュアル操作によるフォーカス制御を行うマニュアルフォーカスモードかオートフォーカスによるフォーカス制御を行うオートフォーカスモードかを選択するためのスイッチである。

マニュアルフォーカスモードの場合は、ＭＦ操作部１３を使用者が操作すると、該ＭＦ操作部１３の操作方向と操作量を表すマニュアル信号がＣＰＵ８に入力される。ＣＰＵ８は、マニュアル信号に基づいてフォーカスレンズユニット５を駆動する目標位置を算出する。一方、オートフォーカスモードの場合は、ＣＰＵ８は、映像信号処理回路７から得られたＡＦ評価値信号に基づいてフォーカスレンズユニット５を駆動する目標位置を算出する。これらの目標位置を示す信号（目標位置信号）は、位置制御部２０１に入力される。また、ＣＰＵ８は、ＡＦ／ＭＦスイッチ９により選択されたフォーカスモードの情報（動作モード判別結果）を位置制御部２０１に入力する。

制御手段としての位置制御部２０１は、実施例１にて説明した不感帯制御部を含み、ＣＰＵ８から得たフォーカスモードの情報および後述するオートフォーカスモードにおける制御モード（動作モード）に応じて、フォーカス制御上の不感帯量を設定する。この不感帯量の設定動作の詳細については後述する。

位置制御部２０１では、位置センサ１４からフォーカスレンズユニット５の位置（又は位置変化）に応じた信号を受け取り、フォーカスレンズユニット５の現在の位置を示す検出位置信号を生成する。そして、検出位置信号と目標位置信号との差を示す偏差信号を生成する。そして、この偏差信号の値が小さくなる方向（検出位置が目標位置に近づく方向）にリニアアクチュエータ１２のサーボ制御を行う。

ここで、オートフォーカスモードでのＣＰＵ８の動作例を、図３のフローチャートを用いて説明する。使用者によるＡＦ／ＭＦスイッチ９の操作やビデオカメラの電源投入をトリガにしてＣＰＵ８の動作が開始され、ＡＦ／ＭＦスイッチ９によりオートフォーカスモードが選択されている場合には、本フローチャートに従った動作がスタートする（Ｓ３０１）。

Ｓ３０２では、ＣＰＵ８は、映像信号処理回路７から得られたＡＦ評価値を用い、合焦位置が現在のフォーカスレンズ位置よりも無限側にあるのか至近側にあるのかを判定するためのウォブリング動作を行う。ウォブリング動作は、フォーカスレンズユニット５を所定の振幅で光軸方向に往復移動させ、ＡＦ評価値が増加する方向、すなわち合焦位置が存在する方向（合焦方向）を判別する動作である。この動作を行うための制御モードを合焦方向判定モードという。Ｓ３０３では、ＣＰＵ８は、ウォブリング動作において得られたＡＦ評価値から合焦方向の判定を行う。

Ｓ３０４では、ＣＰＵ８は、Ｓ３０３で判定された合焦方向に、ＡＦ評価値がピーク近くになるまでフォーカスレンズユニット５を所定量ずつ駆動する。この駆動を行うための制御モードを合焦位置探索モードという。Ｓ３０５では、ＡＦ評価値がピーク近く、すなわちフォーカスレンズ位置が合焦位置近くであるか否かの判定行うる。合焦位置近くと判断した場合には、次のステップＳ３０６に進む。

Ｓ３０６では、ＣＰＵ８は、合焦位置を特定するために、フォーカスレンズユニット５を所定の移動幅で往復駆動する。これにより、ＡＦ評価値がピークとなるフォーカスレンズユニット５の合焦位置を確定する。この動作を行うための制御モードを、合焦位置判定モードという。

次に、Ｓ３０７では、ＣＰＵ８は、合焦位置が検出されたか否かを判定し、合焦位置と判定できた場合には、Ｓ３０８でフォーカスレンズユニット５の駆動を停止する。さらに、被写体が移動したりシーンが変化したりした場合など、合焦位置がずれた場合には、Ｓ３０９において非合焦と判定し、Ｓ３０２に戻って、オートフォーカス制御を繰り返す。

このように、オートフォーカスモードには、合焦方向判定モード（以下、ウォブリングモードという）、合焦位置探索モード（以下、サーチモードという）および合焦位置判定モード（以下、合焦ピーク検出モードという）がある。オートフォーカスモードにおいて現在のモードを示す情報がＣＰＵ８から位置制御部２０１に送られる。

次に、不感帯制御部２０２での不感帯量の設定手順について、図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、Ｓ４０２では、不感帯制御部２０２は、マニュアルフォーカスモードであるか否か（オートフォーカスモードであるか）を判定し、マニュアルフォーカスモードである場合には、Ｓ４０６に進み、不感帯量をＮ１に設定する。また、オートフォーカスモードである場合には、Ｓ４０３に進む。

Ｓ４０３では、ＣＰＵ８から得られたモード情報が、オートフォーカスモードにおけるサーチモードか否かを判定し、サーチモードである場合には、Ｓ４０７に進んで、不感帯量をＮ２に設定する。そうでない場合にはＳ４０４に進む。

Ｓ４０４では、モード情報が、オートフォーカスモードのウォブリングモードか否かを判定し、ウォブリングモードである場合には、Ｓ４１０に進んで不感帯量をＮ４に設定する。そうでない場合にはＳ４０５に進む。

Ｓ４０５では、モード情報が、オートフォーカスモードの合焦ピーク検出モードか否かを判定し、合焦ピーク検出モードである場合には、Ｓ４０９に進んで、不感帯量をＮ５に設定する。そうでない場合には、Ｓ４０８に進んで、不感帯量をＮ３に設定する。

Ｓ４１１では、それぞれ設定された不感帯量と偏差信号との大小を比較し、偏差信号の値（偏差）＜不感帯となった場合には、Ｓ４１２で該偏差信号を強制的に０として処理を終了する。また、偏差≧不感帯となった場合には、そのまま処理を終了する。

図５には、上述した不感帯付加制御を行った場合の不感帯付加部の入出力関係の一例を示す。Ｎ１からＮ５の順に不感帯量が小さくなっている。これは、上述した動作モード（若しくは制御モード）において、位置精度を優先するか制御の安定性や操作性を優先するかによって決定される。

例えば、マニュアルフォーカスモードにおいて、使用者が誤ってＭＦ操作部１３を少し操作した場合に、フォーカスレンズが敏感に反応してしまうと、マニュアルフォーカスの操作性が低下する。このため、不感帯を最も大きなＮ１に設定することで、マニュアルフォーカスの操作性を良好なものとしている。

また、オートフォーカスにおいて、ウォブリングモードではウォブリング動作の範囲をできるだけ小さくして短時間での合焦方向判別を行う方がよいので、不感帯量を２番目に小さいＮ４に設定している。サーチモードでは、位置精度はあまり要求されないので、不感帯量を２番目に大きいＮ２に設定している。一方、合焦ピーク検出モードでは、最終的な合焦位置をできるだけ高精度に確定する必要があるので、不感帯量を最も小さいＮ５に設定している。なお、これら以外の場合は、標準的な不感帯量であるＮ３が設定される。

なお、不感帯量が大き過ぎると、マニュアルフォーカスでもオートフォーカスでも合焦が得られない可能性が生ずる。このため、最大の不感帯量は、Ｆδの値より小さくする必要がある。ここで、Ｆは絞りのＦナンバーであり、δは撮像素子の許容錯乱円径である。

以上説明したように、上記各実施例では、目標位置信号と検出位置信号との偏差信号に対して非制御領域となる不感帯を付加し、さらに不感帯量を被制御物の制御モードに応じて変更する。したがって、制御モードに応じて適切な不感帯量を設定することができ、良好な位置制御を実現することができる。

本発明の実施例１である位置制御装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施例２であるビデオカメラの構成を示すブロック図。 実施例２におけるオートフォーカス制御のフローチャート。 実施例２における不感帯設定動作のフローチャート。 実施例２における不感帯と偏差信号の出力との関係を示す図。 従来の位置制御装置の構成を示すブロック図。 従来において不感帯を付加した場合の位置偏差信号の出力特性を示す図。 従来において不感帯を付加した場合の位置信号の応答特性を示す図。

符号の説明

１，２，４，５ レンズユニット
３ 絞り
６ 撮像素子
７ 映像信号処理回路７
１０１ 目標位置設定部
１０２ 不感帯付加部
１０６ 位置信号変換器
１０７ 位置信号検出器
１０８ 減算器
２０１ 位置制御部
２０２ 不感帯制御部

Claims (2)

1. フォーカスレンズの目標位置を設定する目標位置設定手段と、
   前記フォーカスレンズの位置を検出する位置検出手段と、
   前記目標位置と前記フォーカスレンズの検出位置の差である位置偏差を算出する減算手段と、
   前記位置偏差に基づいて前記フォーカスレンズの駆動をフィードバック制御し、前記位置検出手段により検出された前記フォーカスレンズの位置を前記目標位置に近づける制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記位置偏差が所定範囲内である場合は前記フォーカスレンズを駆動しない制御を行い、前記位置偏差が前記所定範囲外である場合は前記フォーカスレンズを前記目標位置に近づける制御を行い、
   前記制御手段は、前記フォーカスレンズの駆動に関する制御モードに応じて前記所定範囲を変更し、
   前記制御モードは、マニュアルフォーカスモードとオートフォーカスモードとを含み、
   前記オートフォーカスモードは、合焦方向判定モード、合焦位置探索モードおよび合焦位置判定モードを含み、
   前記制御手段は、前記合焦位置判定モード、前記合焦方向判定モード、前記合焦位置探索モード、前記マニュアルフォーカスモードの順で前記所定範囲を大きく設定することを特徴とする光学機器。
2. 絞りと撮像素子とを含み、
   前記絞りのＦナンバーをＦ、前記撮像素子の許容錯乱円径をδとしたとき、前記所定範囲の最大値はＦδよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学機器。