JP5237620B2 - 撮像装置の防振制御回路 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像装置に組み込まれる防振制御回路に関する。
近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置は、それに備わる撮像素子の画素数を増加させることによって高画質化を実現している。その一方で、撮像装置の高画質化を実現する他の方法として、撮像装置を持つ手のぶれによって生じる被写体のぶれを防止するために、撮像装置は手振れ補正機能を備えることが望まれている。
具体的には、撮像装置はジャイロセンサなどの検出素子を備え、撮像装置の振動によって生じる角速度成分に応じてレンズや撮像素子などの光学部品を駆動して被写体のぶれを防止する。これによって、撮像装置が振動しても、取得される映像信号に振動の成分が反映されることはなく、像ぶれのない高画質な映像信号を取得することができる。
図3に、手振れ補正機能を実現するために用いられる、従来の防振制御回路100のブロック図を示す。防振制御回路100は撮像装置に備えられ、撮像装置に備えられる主制御回路(図示せず)の制御に応じて動作する。防振制御回路100は位置検出素子102、レンズ駆動素子104及び振動検出素子106に接続される。
位置検出素子102は、撮像装置に用いられるレンズの位置を検出する。位置検出素子102はホール素子とすることができ、レンズの絶対位置に応じた誘導電流を生じ、電圧信号を出力する。レンズ駆動素子104はボイスコイルモータとすることができる。防振制御回路100は、レンズ駆動素子104に加える電圧値を調整することによってボイスコイルモータの可動コイルの位置、つまりレンズの位置を制御する。レンズ駆動素子104は、撮像装置の光軸に対して垂直な面内でレンズを駆動する。振動検出素子106は、撮像装置の振動を検出してその結果を防振制御回路100に出力する。振動検出素子106はジャイロセンサとすることができる。撮像装置に加えられた振動に応じた角速度信号を生成して、防振制御回路100に出力する。
位置検出素子102、レンズ駆動素子104及び振動検出素子106はそれぞれ少なくとも2つの素子から構成されることが好適である。例えば、撮像装置の光軸に垂直な面において水平成分と垂直成分に対応した複数の素子を設けて、レンズの位置検出、レンズの移動及び撮像装置の振動検出を行う。
次に、防振制御回路100について詳細に説明する。防振制御回路100は、サーボ回路10、レンズドライバ12、アナログ−デジタル変換回路(ADC)14、CPU16及びデジタル−アナログ変換回路(DAC)18を含んで構成される。
サーボ回路10は、位置検出素子102の出力する電圧信号に応じて、レンズ駆動素子104を制御するための信号を生成する。サーボ回路10は、外付けの抵抗素子やコンデンサ等を含んだアナログのフィルタ回路を含んで構成され、レンズの光軸と撮像装置に備えられる撮像素子の中心とが一致するように、レンズ駆動素子104を制御するための信号を生成する。レンズドライバ12は、サーボ回路10から出力された信号に基づいて、レンズ駆動素子104を駆動するためのレンズ駆動信号を生成する。
ADC14は、振動検出素子106が出力するアナログの角速度信号をデジタル信号に変換する。CPU16は、デジタルの角速度信号に基づいて、撮像装置の移動量を示す角度信号を生成する。CPU16は、メモリ(図示しない)に接続され、メモリに格納されたソフトウェアに基づいて角度信号の生成処理を行う。DAC18はCPU16で生成されたデジタルの角度信号をアナログ信号に変換する。
ここで、サーボ回路10は、DAC18が出力するアナログの角度信号と位置検出素子102の出力する電圧信号とを加算した信号に応じて、レンズ駆動素子104を駆動するためのレンズ駆動信号を生成する。つまり、手振れによる被写体ぶれを防止するために、撮像装置の移動量を示す角度信号に基づいてレンズの位置を変更して、撮像素子上の被写体像のぶれを抑制する。これによって、手振れによる被写体像のぶれを抑制して高画質な映像信号を得ることができる。
特開平10−213832号公報
ところで、防振制御回路の処理速度を向上させるためにサーボ回路、レンズドライバ、振動検出信号の処理回路をデジタル処理することができるロジック回路に置き換えることが望まれている。さらに、防振制御回路はデジタルカメラ等の撮像素子や撮像素子のレンズモジュールに組み込まれるので、ロジック回路化した場合においてもできるだけ小型化することが必要である。
また、一般的に、ロジック化された防振制御回路は単独でレンズ等の位置制御を行って防振制御を行う構成となっている。その一方で、デジタルカメラ等の撮像装置には装置全体を制御したり、画像処理を行ったりするための主制御素子(メインCPU)が組み込まれている場合が多く、防振制御回路のロジック回路を外部の主制御素子から直接制御できることが必要とされることもある。
本発明は、上記課題を解決した防振制御回路を提供することを目的とする。
本発明の1つの態様は、振動に応じて撮像装置の光学部品を駆動して、振動による撮像への影響を低減させる防振制御回路であって、撮像装置の振動を検出する振動検出素子の出力信号を処理して、撮像装置の振動に基づいて撮像装置の移動量を示す振動信号を生成する振動制御用イコライザと、振動信号に基づいて前記光学部品の駆動量を決定するための位置信号を算出する位置制御用イコライザと、前記振動制御用イコライザと前記位置制御用イコライザとの動作を制御する内蔵CPUと、前記振動制御用イコライザ及び前記位置制御用イコライザの制御を前記内蔵CPUと撮像装置の外部制御回路とで切り替える制御切替スイッチ部と、を備えることを特徴とする。
より具体的には、例えば、前記制御切替スイッチ部は、外部制御端子に印加される信号によって前記振動制御用イコライザ及び前記位置制御用イコライザの制御を前記内蔵CPUと前記外部制御回路とで切り替えるスイッチング素子を備えることが好適である。また、前記外部制御端子は、前記外部制御回路により制御される構成としてもよい。
本発明によれば、ロジック回路化された防振制御回路を外部から制御することができる。
本発明の実施形態における防振制御回路200は、図1の機能ブロック図に示すように、アナログ/デジタル変換回路(ADC)20、加算回路22、サーボ回路24、ハイパスフィルタ(HPF)26、パン・チルト判定回路28、ゲイン調整回路30、積分回路32、センタリング処理回路34、デジタル/アナログ変換回路(DAC)36、内蔵CPU38及び制御切替スイッチ部40を含んで構成される。
加算回路22及びサーボ回路24は位置制御用イコライザ200aを構成する。また、HPF26、パン・チルト判定回路28、ゲイン調整回路30、積分回路32及びセンタリング処理回路34は振動制御用イコライザ200bを構成する。
防振制御回路200は、位置検出素子102、レンズ駆動素子104、振動検出素子106に接続される。これらの素子は従来技術に記載のものと同様である。すなわち、位置検出素子102は、レンズ駆動素子104で駆動されるレンズの位置を少なくとも直交変換可能なように測定できるように少なくとも2軸以上に対して設けられる。また、振動検出素子106も、ヨー方向及びピッチ方向の2軸に沿って振動の成分を直交変換可能なように少なくとも2軸以上に対して設けられる。
本実施の形態では、撮像装置のヨー方向(X軸方向)及びピッチ方向(Y軸方向)についてレンズ位置及び振動を検出できるように位置検出素子102及び振動検出素子106を設置するものとして説明を行う。以下の説明では、位置検出素子102及び振動検出素子106の出力信号はX軸成分同士、Y軸成分同士で加算処理などされ、それぞれに基づいてヨー方向(X軸方向)及びピッチ方向(Y軸方向)にレンズ位置が制御される。
なお、被写体の移動などに応じて撮像装置を水平方向(ヨー方向)に動かすことをパン動作といい、鉛直方向(ピッチ方向)に移動させることをチルト動作という。
ADC20は、位置検出素子102、例えばホール素子から出力されたアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。ホール素子は、レンズに固定された磁石による磁力に応じた誘導電流を生成する。つまり、ホール素子は、レンズとの距離に応じてレンズの位置を示す電圧信号を出力し、ADC20はその電圧信号をデジタル信号に変換して位置信号として出力する。ADC20は、レンズの光軸と撮像装置に備えられる撮像素子の中心とが一致する場合に、基準を示す信号、例えば、“0”を示すデジタル値を出力する構成とする。
また、ADC20は、振動検出素子106、例えばジャイロセンサから出力されたアナログの角速度信号をデジタル信号に変換する。すなわち、ADC20は、位置検出素子102及び振動検出素子106からの出力信号を時分割でデジタル化して出力する。
具体的には、図2に示すように、振動検出素子106で検出される振動のX軸成分の信号(Gyro−X)、振動のY軸成分の信号(Gyro−Y)、位置検出素子102で検出されるレンズの位置のX軸成分の信号(Hole−X)、位置のY軸成分の信号(Hole−Y)の順に信号をデジタル化して出力する。ADC20は、信号(Gyro−X,Gyro−Y)はHPF26へ出力し、信号(Hole−X,Hole−Y)は加算回路22へ出力する。
HPF26は、振動検出素子106から出力される角速度信号に含まれる直流成分を除去し、撮像装置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。
パン・チルト判定回路28は、HPF26の出力する角速度信号に基づいて、撮像装置のパン動作、チルト動作を検出する。被写体の移動などに応じて撮像装置を移動させる場合、振動検出素子106はその移動に応じた角速度信号を出力する。しかし、パン動作またはチルト動作による角速度信号の変動は、手振れによるものではないため、レンズなどの光学系を補正する必要がない場合がある。パン・チルト判定回路28は上記のような制御を実現するために設けられる。具体的には、パン・チルト判定回路28は、一定期間角速度信号が所定値以上となることを検出したときに、パン動作またはチルト動作中であると判定する。
ゲイン調整回路30は、パン・チルト判定回路28の判定結果に応じて、HPF26から出力される角速度信号の増幅率を変更する。例えば、パン動作またはチルト動作中でない場合には、ゲイン調整回路30はHPF26が出力する角速度信号の強度を維持するようなゲイン調整を行う。また、パン動作またはチルト動作中の場合には、ゲイン調整回路30はHPF26が出力する角速度信号の強度を減衰して出力が0となるようなゲイン調整を行う。
積分回路32は、ゲイン調整回路30が出力する角速度信号を積分して、撮像装置の移動量を示す角度信号を生成する。積分回路32は、図示しないデジタルフィルタを含んで構成することが好適であり、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数に応じたフィルタ処理を行うことによって角度信号、つまり撮像装置の移動量を求める。
センタリング処理回路34は、積分回路32から出力される角度信号に対して、所定の値を減算して、撮像装置の移動量を示す振動成分信号(SV−X,SV−Y)を生成する。撮像装置において手振れ補正処理を行う場合、補正処理を継続して実行するうちにレンズの位置が基準位置から徐々に離れていき、レンズの可動範囲の限界点付近に達する場合がある。このとき、手振れ補正処理を継続すると、レンズはある一方の方向には移動できるが、他方には移動できなくなる。センタリング処理回路34はこれを防止するために設けられるものであり、角度信号から所定の値を減算することによって、レンズの可動範囲の限界点に近づきにくいように制御する。
センタリング処理回路34は、図示しないデジタルフィルタを含んで構成することが好適であり、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数に応じたフィルタ処理を行うことによって、角度信号から所定の値を減算する処理を行う。
加算回路22は、ADC20の出力する位置信号(Hole−X)とセンタリング処理回路34で生成されたX軸成分の振動成分信号(SV−X)を加算し、また、ADC20の出力する位置信号(Hole−Y)とセンタリング処理回路34で生成されたY軸成分の振動成分信号(SV−Y)を加算してサーボ回路24へ出力する。
サーボ回路24は、加算回路22からの出力信号に応じて、レンズ駆動素子104の駆動を制御する補正信号SRを生成する。サーボ回路24は、レジスタとデジタルフィルタ回路を含んで構成され、レジスタに格納されるフィルタ係数を用いたフィルタ処理を行う。
DAC36はデジタルの補正信号SRをアナログ信号に変換する。DAC36によってアナログ化された補正信号SRに基づいて、レンズ駆動素子104によりX軸方向及びY軸方向についてそれぞれ撮像装置のレンズが駆動される。
防振制御回路200には内蔵CPU38が実装されている。内蔵CPU38は、防振制御回路200に含まれる各種フィルタの係数やサーボ回路24の制御パラメータを設定するため等に用いられるものである。また、内蔵CPU38によって、防振制御回路200で必要とされる付加的な処理を行うものとしてもよい。
また、本実施の形態における防振制御回路200は、内蔵CPU38と外部の制御回路(制御素子)202とを切り替えて制御を行う制御切替スイッチ部40を有している。外部の制御回路としては、デジタルカメラ等の撮像装置全体を制御したり、画像処理を行ったりするための主制御素子(メインCPU)等が挙げられる。
具体的には、制御切替スイッチ部40は、図1に示すように、電界効果トランジスタを含んで構成することができる。本実施の形態では、外部の制御回路202と内蔵CPU38とはpチャネルMOSFET40aのドレイン−ソースにより接続され、外部の制御回路202と位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bとはnチャネルMOSFET40bのドレイン−ソースにより接続される。また、pチャネルMOSFET40a及びnチャネルMOSFET40bのゲートは共通の外部制御端子INCPUに接続される。
なお、図を簡潔に表現するために、外部の制御回路202と内蔵CPU38との接続、又は、外部の制御回路202と位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bとの接続をそれぞれ単数の配線で接続する構成で示しているが、複数の配線で接続される場合にはそれぞれ同様にpチャネルMOSFET40a又はnチャネルMOSFET40bで接続すればよい。
外部制御端子INCPUをローレベルに設定すると、pチャネルMOSFET40aのドレイン−ソース間は導通状態となり、nチャネルMOSFET40bのドレイン−ソース間は遮断状態となる。これにより、外部の制御回路202と内蔵CPU38とが接続され、外部の制御回路202と位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bは遮断される。この状態では、位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bは直接的には内蔵CPU38が制御することになる。
この状態では、内蔵CPU38により位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bに含まれる各種フィルタの係数やサーボ回路24の制御パラメータを設定することができる。この場合、外部の制御回路202には防振制御回路200を制御するためのファームウェアを準備する必要はなく、防振制御回路200のチップ単独で振動防止制御処理を実現することができる。もちろん、内蔵CPU38を介して、外部の制御回路202から位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bを間接的に制御することも可能である。
一方、外部制御端子INCPUをハイレベルに設定すると、pチャネルMOSFET40aのドレイン−ソース間は遮断状態となり、nチャネルMOSFET40bのドレイン−ソース間は導通状態となる。これにより、外部の制御回路202と内蔵CPU38とは遮断され、外部の制御回路202と位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bが接続される。この状態では、位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bは直接的には外部の制御回路202が制御することになる。
この状態では、外部の制御回路202により位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bに含まれる各種フィルタの係数やサーボ回路24の制御パラメータを直接設定することができる。この場合、外部の制御回路202には防振制御回路200を制御するためのファームウェアを準備する必要があるが、他の画像処理と組み合わせた振動防止制御処理等、撮像装置全体として統合的な処理を実現することができる。
なお、外部制御端子INCPUは外部の制御回路によって制御するものとしてもよい。
図1に記載の防振制御回路200を用いた、手振れによる被写体のぶれを補正するためのレンズの移動制御について説明する。
まず、手振れによる被写体のぶれのない場合について説明する。レンズ駆動素子104によって駆動されるレンズの位置は、その光軸と撮像装置に備えられる撮像素子の中心が一致するため、ADC20は“0”を示すデジタルの位置信号(Hole−X,Hole−Y)を出力する。サーボ回路24は、位置信号(Hole−X,Hole−Y)の値が“0”のとき、現在のレンズの位置を維持するようにレンズ駆動素子104を制御する補正信号SRを出力する。
また、レンズの位置と撮像素子の中心が一致しない場合、ADC20は“0”と異なる値を示すデジタルの位置信号(Hole−X,Hole−Y)を出力する。サーボ回路24は、ADC20の出力する値に応じて、位置信号(Hole−X,Hole−Y)の値が“0”となるようにレンズ駆動素子104を制御する補正信号SRを出力する。上記の動作を繰り返すことによって、レンズの位置と撮像素子の中心が一致するように、レンズの位置を制御する。
次に、手振れによって被写体のぶれが生じた場合について説明する。レンズ駆動素子104によって駆動されるレンズの位置は、その光軸と撮像装置に備えられる撮像素子の中心が一致するため、ADC20は“0”を示すデジタルの位置信号(Hole−X,Hole−Y)を出力する。一方、手振れによって撮像装置が移動するため、積分回路32及びセンタリング処理回路34は撮像装置の移動量を示す振動成分信号(SV−X,SV−Y)を出力する。
サーボ回路24は、ADC20が出力する“0”を示す位置信号(Hole−X)とセンタリング処理回路34が出力する振動成分信号(SV−X)とを加算した信号に応じて補正信号SRを生成する。このとき、位置信号(Hole−X)は“0”であるにも関わらず、“0”でない振動成分信号(SV−X)が加算されているため、サーボ回路24はレンズを移動させる補正信号SRを生成する。この補正信号SRに応じてX軸のレンズ駆動素子104を制御する。同様に、ADC20が出力する“0”を示す位置信号(Hole−Y)とセンタリング処理回路34が出力する振動成分信号(SV−Y)とを加算した信号に応じて、補正信号SRを生成する。このとき、位置信号(Hole−Y)は“0”であるにも関わらず、“0”でない振動成分信号(SV−Y)が加算されているため、サーボ回路24はレンズを移動させる補正信号SRを生成する。この補正信号SRに応じてY軸のレンズ駆動素子104を制御する。サーボ回路24が出力する補正信号SRに基づいて、レンズ駆動素子104はレンズを移動させるため、撮像装置に備えられた撮像素子は手振れによる被写体のぶれを抑制した信号を得ることができる。このような制御を繰り返すことによって、防振制御回路200は手振れ補正制御を実現している。
また、本発明の実施形態では、防振制御回路200はHPF26、積分回路32及びセンタリング処理回路34を設ける構成としたことによって、内蔵CPU38によって上記処理を行う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、防振制御回路200が搭載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、制御切替スイッチ部40を備えることによって、防振制御回路200の制御を内蔵CPU38又は外部の制御回路202のいずれかに切り替えて行うことができる。このように、外部の制御回路202での制御が可能となった一因として、防振制御回路200の処理の大部分を位置制御用イコライザ200a及び振動制御用イコライザ200bのロジック回路として組み込んだことが挙げられる。すなわち、ロジック化により防振制御回路200の制御の負担を低減することができ、他の処理も負担する外部の制御回路202から防振制御回路200の制御を行う際の負担を軽減することができたからである。
なお、本発明の実施形態では、位置検出素子102、レンズ駆動素子104、振動検出素子106はそれぞれ、ホール素子、ボイスコイルモータ、ジャイロセンサとしたが、本願はそれに限られるものではない。例えば、レンズ駆動素子104はピエゾ素子を用いることができる。また、振動検出素子106は、直線方向の加速度を検出するセンサを用いて、加速度信号に基づいて撮像装置の振動を検出する構成とすることができる。
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処理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素子などの撮像素子をシフトさせるCCDシフト方式にも適用することができる。このとき、位置検出素子102は撮像素子の位置を検出し、レンズ駆動素子104は撮像素子を駆動する素子とすることができる。
本発明の実施の形態における防振制御回路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における振動検出素子及び位置検出素子の相対的な配置を示す図である。 従来の防振制御回路の構成を示す図である。
符号の説明
10 サーボ回路、12 レンズドライバ、20 アナログ/デジタル変換回路、22 加算回路、24 サーボ回路、26 ハイパスフィルタ、28 パン・チルト判定回路、30 ゲイン調整回路、32 積分回路、34 センタリング処理回路、36 デジタル/アナログ変換回路、38 内蔵CPU、40 制御切替スイッチ部、100,200 防振制御回路、102 位置検出素子、104 レンズ駆動素子、106 振動検出素子、200a 位置制御用イコライザ、200b 振動制御用イコライザ、202 外部制御回路。

Claims (3)

  1. 振動に応じて撮像装置の光学部品を駆動して、振動による撮像への影響を低減させる防振制御回路であって、
    撮像装置の振動を検出する振動検出素子の出力信号を処理して、撮像装置の振動に基づいて撮像装置の移動量を示す振動信号を生成する振動制御用イコライザと、
    前記振動信号に基づいて前記光学部品の駆動量を決定するための位置信号を算出する位置制御用イコライザと、
    前記振動制御用イコライザと前記位置制御用イコライザとの動作を制御する内蔵CPUと、
    前記振動制御用イコライザ及び前記位置制御用イコライザの直接的な制御を前記内蔵CPUと撮像装置の外部制御回路とで切り替えると共に、前記振動制御用イコライザ及び前記位置制御用イコライザが前記内蔵CPUによって直接的に制御されるときに前記内蔵CPUと前記外部制御回路とを接続して前記振動制御用イコライザ及び前記位置制御用イコライザを前記外部制御回路によって間接的に制御可能とする制御切替スイッチ部と、
    を備え、
    前記制御切替スイッチ部は、外部制御端子に印加される信号によって前記振動制御用イコライザ及び前記位置制御用イコライザの制御を前記内蔵CPUと前記外部制御回路とで切り替えるスイッチング素子であって、当該スイッチング素子を介して選択された前記内蔵CPU又は前記外部制御回路から前記振動制御用イコライザ及び前記位置制御用イコライザに含まれる各種フィルタの係数やサーボ回路の制御パラメータの設定を行うことを可能とするスイッチング素子を備えることを特徴とする防振制御回路。
  2. 請求項に記載の防振制御回路であって、
    前記外部制御端子は、前記外部制御回路により制御されることを特徴とする防振制御回路。
  3. 請求項1に記載の防振制御回路であって、
    前記位置制御用イコライザは、前記光学部品の位置を検出する位置検出素子の出力信号を処理して、前記振動信号及び前記光学部品の位置に基づいて前記光学部品の駆動量を決定するための位置信号を算出することを特徴とする防振制御回路。
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