JP5298269B2 - 振動補償制御回路 - Google Patents

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位相特性が、少なくとも振動を補償しようとする目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰにて、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、例えば、積分を行うＬＰＦは、カットオフ周波数ｆ_Ｃが位置する遷移領域を挟んで高周波数側にて９０度遅れ、低周波数側にて０度となる位相特性を有し、センタリング用ＨＰＦは、遷移領域を挟んで高周波数側にて０度、低周波数側にて９０度進みとなる位相特性を有する。そのため、フィルタ回路を用いたジャイロイコライザは低周波数側にて位相遅れ量が９０度より低下する。この位相遅れ量の低下は、上述のようにＬＰＦ，ＨＰＦの位相特性がカットオフ周波数ｆ_Ｃ近傍の遷移領域を有することや、目的補償帯域の下限が例えば数Ｈｚといった低い周波数に設定されることなどから、目的補償帯域内の低周波数側の領域にまで及び得る。図４は、この様子を模式的に示すジャイロイコライザの位相特性であり、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_Ｌは目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの下限、周波数ｆ_Ｈは上限である。

下限ｆ_Ｌより低周波数で変動する角速度成分はジャイロイコライザの入力側に設けられるＨＰＦによって除去されるので、ｆ_Ｌより低い周波数領域での位相遅れの９０度からの減少がジャイロイコライザにて求められる変位量の精度に与える影響は限定的となり得る。これに対して、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内での位相特性が９０度位相遅れからずれることは、変位量に応じた振動補償信号の精度低下に与える影響が大きく、好適に振動補償がなされないという問題を生じる。

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、変位速度に応じた振動検知信号から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変位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、位相遅れ補償を行い、前記目的補償帯域内での当該振動補償信号生成回路の位相特性を調整する位相遅れ補償回路と、を有する。

本発明によれば、振動補償信号生成回路の位相特性が目的補償帯域内の特定の周波数領域にて位相進みを生じる場合に、位相遅れ補償回路を用いて当該位相進み分を補償する。これにより、目的補償帯域内にて変位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_Ｐ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_Ｘ，Ｐ_Ｙ）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_Ｐ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Ｖ_ω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Ｖ_ω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_Ｐ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Ｖ_ω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_Ｐ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Ｄ_ω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Ｄ_ω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Ｄ_θを生成する。ジャイロイコライザ２４は、データＤ_θ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_Ｓ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_Ｐと、ジャイロイコライザ２４からの振動補償データＤ_Ｓ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Ｄ_ＳＶ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Ｄ_ＳＶ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、Ｄ_ＳＶ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、位相遅れ補償回路４８、及びセンタリング処理回路５０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Ｄ_ω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ＬＰＦを用いて構成される。当該ＬＰＦ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、積分回路４６を構成するＬＰＦの位相特性は、手振れ補正を行う目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰにて、入力される角速度信号に対して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。

積分回路４６にて得られる角度信号は、位相遅れ補償回路４８を経由してセンタリング処理回路５０に入力される。センタリング処理回路５０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Ｂ_ＣＭＰの下限ｆ_Ｌ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５０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５０を構成するＨＰＦのカットオフ周波数ｆ_Ｃは目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの下限ｆ_Ｌ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Ｂ_ＣＭＰ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。

ジャイロイコライザ２４から出力される補償制御信号が目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰにて角速度の好適な積分結果に応じた信号となるように、上述の積分回路４６やセンタリング処理回路５０の周波数特性には配慮がなされるが、これを実現することは容易ではなく、図４を用いて説明した従来技術と同様の問題が生じ得る。本発明では、これを解決するために、ジャイロイコライザ２４は位相遅れ補償回路４８を備える。位相遅れ補償回路４８はデジタルフィルタで構成することができる。

位相遅れ補償回路４８は、積分回路４６から入力された積分信号に対し、特定の周波数帯域にて位相遅れを与えてセンタリング処理回路５０へ出力する。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。このような位相遅れ補償要素は例えば、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_０)/｛ｓ＋(１/α)ω_０｝

ここで、ｓはラプラス演算子である。また、Ｋ，α，ω_０はパラメータであり、ω_０＞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_Ｓ＝ω_０でα（20log_１０α［dB］）となり、低周波数領域にてα^２（40log_１０α［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_Ｓ＝ω_０で最大位相遅れ角φ_Ｍとなり、ω_Ｓがω_０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_Ｍ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_Ｍ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_Ｍ＝tan^−１｛(１/α−α)/2｝

ちなみに、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。

位相遅れ補償回路４８はＬＢＦを用いて構成される。その位相遅れ補償の範囲及び程度はω_０及びαを調整することにより、図４に示すような目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの低周波数領域での位相遅れの９０度からの減少、すなわち位相遅れ不足を補償するように設定される。ちなみに、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの低周波数領域での位相遅れ不足を補償する場合、最大位相遅れを生じる周波数ω_０は、デシベルスケールでの目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの中央よりも低周波数側に設定され、これにより目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの高周波数側（例えば上限ｆ_Ｈ）より低周波数側（例えば下限ｆ_Ｌ）での位相遅れ補償回路４８の位相遅れ補償量を大きくすることができる。

図３は、位相遅れ補償回路４８を備えた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及びセンタリング処理回路５０の位相特性（位相曲線６０）と、これに対して設定される位相遅れ補償回路４８の位相特性（位相曲線６２）と、位相遅れ補償回路４８を設けたジャイロイコライザ２４の位相特性（位相曲線６４）とが示されている。この図が示すように、位相遅れ補償回路４８を設けることで位相遅れ不足の周波数範囲に対して選択的に位相遅れ補償を行って、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの全体にわたり位相特性を９０度遅れに近づけることができる。これにより、ジャイロイコライザ２４は目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰにて好適な積分処理を行って、角速度ωを積分した角度θに応じた補償制御信号を生成することができる。

なお、１つのＬＢＦだけでは目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内に位相遅れ不足の部分が残る場合には、さらにＬＢＦを追加して、当該部分に選択的に位相遅れ補償を行うように構成してもよい。

ちなみに、図２のよう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。位相遅れ補償回路４８は、上述の双一次形式の伝達関数以外の伝達関数のデジタルフィルタで構成することもできる。

また、上述の実施形態では、位相遅れ補償回路４８は、積分回路４６とセンタリング処理回路５０との間に配置したが、ジャイロイコライザ２４内にて、手振れ成分抽出回路４０以降の任意の位置に設けることが可能である。例えば、積分回路４６の前やセンタリング処理回路５０の後ろに配置することができる。

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、カメラの振動検知、レンズ８の位置検知、及びレンズ８の駆動をそれぞれ、ジャイロセンサ１２、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、振動検知には、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。 位相遅れ補償回路を備えた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。 従来の問題点を模式的に示すジャイロイコライザの位相特性である。

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 位相遅れ補償回路、５０ センタリング処理回路。

Claims (5)

1. 撮像装置に備えられた振動検知素子から変位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、
   位相遅れ補償を行い、前記目的補償帯域全体にわたって当該振動補償信号生成回路の位相特性を９０度遅れに向けて調整する位相遅れ補償回路と、
   を有し、
   前記位相遅れ補償回路は、前記目的補償帯域の高周波数側より低周波数側でのゲインが大きいローブーストフィルタからなり、
   前記ローブーストフィルタは、その最大位相遅れを生じる周波数をデシベルスケールでの前記目的補償帯域の中央よりも低周波数側に設定され、前記目的補償帯域の低周波数領域での位相遅れの９０度からの減少を補償すること、
   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。
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。
4. 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、
   前記ハイパスフィルタ、前記積分回路、及び前記位相遅れ補償回路は、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。
5. 請求項３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、前記位相遅れ補償回路、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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