JP5767786B2 - フォーカス制御回路 - Google Patents

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。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フィードバックイコライザを備える。

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、撮像素子の出力信号をもとに、レンズの目標位置を決定する画像信号処理部と、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、画像信号処理部から設定されるレンズの目標位置との差分をもとに、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フィードバックイコライザを含む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１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、レンズの目標位置の決定処理について説明するための図である。 実施の形態２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。 位置検出素子、差動増幅回路、ローパスフィルタおよび調整回路の構成例を示す図である。

図１は、実施の形態１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の目標位置を決定する。

図２は、画像信号処理部５０による、レンズ１０の目標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、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、フィードフォワードイコライザ３１およびフィードバックイコライザ３５を含む。フィードフォワードイコライザ３１は、画像信号処理部５０から設定されるレンズ１０の目標位置が変更されると、旧目標位置から新目標位置へレンズ１０を移動させるための、ハイパスフィルタ特性を持つ駆動信号を生成し、駆動素子１２を制御する。

以下、より具体的に説明する。フィードフォワードイコライザ３１は、ハイパスフィルタ３２を含む。ハイパスフィルタ３２には、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、画像信号処理部５０から目標位置信号が設定される。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フィードフォワードイコライザ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。ハイパスフィルタ３２は、この目標位置信号の値の変化分をＰＷＭ変調回路４０に出力する。

このハイパスフィルタ３２の出力信号は、上記ボイスコイルモータの移動量を示す信号である。当該ハイパスフィルタ３２の出力信号は、微分特性を持つため、急峻な立ち上がりを持つ信号であり、レンズ１０を現在位置から新たな目標位置へ高速に移動させることができる。

フィードバックイコライザ３５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、画像信号処理部５０から設定されるレンズ１０の目標位置との差分をもとに、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。上述したように、フィードバックイコライザ３５には、ローパスフィルタ２２およびアナログ／デジタル変換回路２４を経た後の、位置検出素子１４から出力される位置信号が入力される。また、フィードバックイコライザ３５には、画像信号処理部５０からレンズ１０の目標位置信号が入力される。

以下、より具体的に説明する。フィードバックイコライザ３５は、減算回路３６およびサーボ回路３７を含む。減算回路３６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、誤差信号として出力する。レンズ１０の位置が目標位置に存在する場合、この差分はゼロとなる。サーボ回路３７は、減算回路３６から出力される誤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。

ＰＷＭ変調回路４０は、フィードフォワードイコライザ３１およびフィードバックイコライザ３５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。

以上説明したように実施の形態１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、位置検出素子１４を設け、レンズ１０の現在位置を検出して、フィードバック制御することにより、レンズ１０を目標位置に高精度に収束させることができる。また、このフィードバック制御を専用のハードウェアで実現した場合、画像信号処理部５０のファームウェアで実現する場合より、高速処理が可能であり、目標位置への収束時間を短縮させることができる。また、画像信号処理部５０の負荷増大を抑制することができる。

また、フィードバック制御系と別に、フィードフォワード制御系を設けることにより、レンズ１０を目標位置に高速に収束させることができる。フィードバック制御系の駆動信号は、ローパスフィルタ特性を持つため、駆動素子１２の動きがより安定したものとなるが、フィードフォワード制御系と比較し、駆動素子１２の動きは遅くなる。一方、フィードフォワード制御系の駆動信号は、ハイパスフィルタ特性を持つため、駆動素子１２の動きが急峻であるが、フィードバック制御系と比較し、精度が低くなる。このように、フィードバック制御系とフィードフォワード制御系を併用することにより、両者の弱点を補い合うことにより、レンズ１０を目標位置に高精度かつ高速に収束させることができる。

また、駆動素子１２としてボイスコイルモータを用いた場合、レンズの目標位置を保持する時には電流を流す必要がなく、移動時のみに電流を流せばよいことから、消費電力を低減することができる。この点、バネ式のアクチュエータを用いた場合、バネの付勢力に逆らって目標位置を保持する時にも電流を流す必要がある。

また、画像信号処理部５０は、フィードバック制御およびフィードフォワード制御について関知する必要なく、レンズ１０の目標位置をフォーカス制御回路１００に出力するだけでよい。したがって、画像信号処理部５０の負荷を増大させずに、すなわち、画像信号処理部５０の消費電力を増大させずに、レンズ１０を目標位置に高精度かつ高速に収束させることができる。

図３は、実施の形態２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。実施の形態２に係るフォーカス制御回路１００は、実施の形態１に係るフォーカス制御回路１００に、調整回路６０が追加された構成である。調整回路６０は、位置検出素子１４のゲインおよびオフセットの少なくとも一方を調整する。より具体的には、調整回路６０は、位置検出素子１４の出力信号の電圧範囲を、アナログ／デジタル変換回路２４の入力許容電圧範囲に収めるよう、位置検出素子１４のゲインおよびオフセットの少なくとも一方を調整する。

図４は、位置検出素子１４、差動増幅回路２０、ローパスフィルタ２２および調整回路６０の構成例を示す図である。図４では、位置検出素子１４としてホール素子１４ａが採用される。調整回路６０は、デジタル／アナログ変換回路（ＤＡＣ）６１、差動増幅回路６２、バッファ６３を含む。

ホール素子１４ａの第１入力端子は、差動増幅回路６２を構成するオペアンプの出力端子と接続され、ホール素子１４ａの第２入力端子は、第１抵抗Ｒ１を介して接地される。ホール素子１４ａの第１出力端子は、第２ａ抵抗Ｒ２ａを介して差動増幅回路２０を構成するオペアンプ２０ａの非反転入力端子に接続され、ホール素子１４ａの第２出力端子は、第２ｂ抵抗Ｒ２ｂを介して当該オペアンプ２０ａの反転入力端子に接続される。

ホール素子１４ａの出力電圧Ｖは、下記式１により定義される。
Ｖ＝α・Ｉ・Ｂ ・・・（式１）
αは素子パラメータ、Ｉはバイアス電流、およびＢは磁束密度をそれぞれ表す。

本実施の形態では、ホール素子１４ａは定電流駆動される。すなわち、差動増幅回路６２を構成するオペアンプは、ホール素子１４ａの入力端子間にかける電圧を一定に保つことにより、ホール素子１４ａに定電流のバイアス電流が流れるよう制御する。

差動増幅回路６２を構成するオペアンプの非反転入力端子は、デジタル／アナログ変換回路６１に接続され、当該オペアンプの反転入力端子は、ホール素子１４ａの第２入力端子に接続される。当該オペアンプの出力端子は、ホール素子１４ａの第１入力端子に接続される。当該オペアンプの非反転入力端子は、デジタル／アナログ変換回路６１からゲイン調整値を受ける。当該オペアンプは、当該ゲイン調整値とホール素子１４ａの第２入力端子の電圧値を差動増幅して、ホール素子１４ａの第１入力端子に供給する。

バッファ６３を構成するオペアンプの非反転入力端子は、デジタル／アナログ変換回路６１に接続され、当該オペアンプの出力端子は、第４抵抗Ｒ４を介して差動増幅回路２０を構成するオペアンプ２０ａの非反転入力端子に接続される。バッファ６３を構成するオペアンプの出力端子とその反転入力端子は接続される。当該オペアンプの非反転入力端子は、デジタル／アナログ変換回路６１からオフセット調整値を受け、当該オペアンプは、そのオフセット調整値をホール素子１４ａの出力値に加算する。

差動増幅回路２０を構成するオペアンプ２０ａの非反転入力端子は、第２ａ抵抗Ｒ２ａを介してホール素子１４ａの第１出力端子と、第４抵抗Ｒ４を介してバッファ６３を構成するオペアンプの出力端子と接続される。差動増幅回路２０を構成するオペアンプ２０ａの反転入力端子は、第２ｂ抵抗Ｒ２ｂを介してホール素子１４ａの第２出力端子と接続される。当該オペアンプ２０ａの出力端子は、ローパスフィルタ２２を構成する第５抵抗を介してアナログ／デジタル変換回路２４に接続される。当該オペアンプ２０ａの出力端子と、その反転入力端子は第３抵抗Ｒ３を介して接続される。

当該オペアンプ２０ａは、ホール素子１４ａの出力端子間の電位差を増幅して、アナログ／デジタル変換回路２４に出力する。その際、当該オペアンプ２０ａは、アナログ／デジタル変換回路２４に出力する出力電圧に上記オフセット調整値を加算する。

ローパスフィルタ２２は、第５抵抗Ｒ５と容量Ｃ１で構成され、差動増幅回路２０を構成するオペアンプ２０ａの出力電圧を積分して、アナログ／デジタル変換回路２４に出力する。

画像信号処理部５０は、デジタル／アナログ変換回路６１に、ホール素子１４ａのゲイン調整値およびオフセット調整値を供給する。デジタル／アナログ変換回路６１は、画像信号処理部５０から供給されたゲイン調整値を、デジタル値からアナログ値に変換して、差動増幅回路６２に供給する。また、デジタル／アナログ変換回路６１は、画像信号処理部５０から供給されたオフセット調整値を、デジタル値からアナログ値に変換して、バッファ６３に供給する。

ここで、ホール素子１４ａのオフセットとは、無磁界の時に出力端子間に生じる電圧をいい、不平衡電圧とも呼ばれる。ホール素子には、製造バラツキや温度特性によりその感度にバラツキが発生する。そのバラツキは、アナログ／デジタル変換回路２４におけるビット誤りの原因となり、フィードバック制御の精度を低下させる原因となる。

そこで、本実施の形態では、調整回路６０がホール素子１４ａのゲインおよびオフセットを調整することにより、ホール素子１４ａの出力電圧範囲を、アナログ／デジタル変換回路２４の入力許容電圧範囲に合わせるようにキャリブレーションする。調整回路６０は、ホール素子１４ａに流すバイアス電流を調整することにより、ホール素子１４ａの出力電圧範囲を調整する。より具体的には、当該バイアス電流を増大させることにより、当該出力電圧範囲を広くすることができ、当該バイアス電流を減少させることにより、当該出力電圧範囲を狭くすることができる。

また、調整回路６０は、差動増幅回路２０の一方の入力端子に入力される電圧値を調整することにより、ホール素子１４ａのオフセットを調整する。より具体的には、第４抵抗Ｒ４に流す電流を増大させることにより、ホール素子１４ａの出力電圧範囲を高電位側にシフトさせることができ、当該電流を減少させることにより、当該出力電圧範囲を低電位側にシフトさせることができる。

上記ゲイン調整値および上記オフセット調整値は、出荷時に算出することができる。より具体的には、出荷時に、レンズ１０が撮像素子１６に最も近いときのホール素子１４ａの出力値と、最も遠いときの出力値とをもとに、ホール素子１４ａの出力電圧範囲を検査する。

そして、ホール素子１４ａの出力電圧範囲の幅を、アナログ／デジタル変換回路２４の入力許容電圧範囲の幅に対応させるためのゲイン調整値を算出する。なお、ホール素子１４ａの出力電圧範囲の幅が、アナログ／デジタル変換回路２４の入力許容電圧範囲の幅に収まっていれば、誤動作の可能性は小さくなるが、アナログ／デジタル変換回路２４の有効活用という観点からは、実質的に一致させることが好ましい。また、検査されたホール素子１４ａのオフセットの位置と、アナログ／デジタル変換回路２４のオフセットの位置を実質的に一致させるためのオフセット調整値を算出する。

このように算出したゲイン調整値およびオフセット調整値は、画像信号処理部５０に保持され、フォーカス制御回路１００が起動されるたびに、画像信号処理部５０から調整回路６０に設定される。なお、フォーカス制御回路１００に不揮発メモリが搭載されていれば、当該ゲイン調整値および当該オフセット調整値はその不揮発メモリに保持されてもよい。また、フォーカス制御回路１００が起動されるたびに、上述した手法を用いて、当該ゲイン調整値および当該オフセット調整値を算出し、調整回路６０に設定してもよい。

以上説明したように本実施の形態によれば、位置検出素子１４のゲインおよびオフセットの少なくとも一方を調整することにより、位置検出素子１４の出力信号の精度を向上させることができ、上記フィードバック制御の精度を向上させることができる。よって、上記オートフォーカス制御における合焦精度を向上させることができる。

また、調整回路６０をハードウェアで実現することにより、位置検出素子１４のキャリブレーションを高速に行うことができる。また、フォーカス制御回路１００が起動されるたびに、当該ゲイン調整値および当該オフセット調整値を算出する場合、感度バラツキに加えて、温度や湿度などの環境特性もキャリブレーションすることができる。

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、 ２２ ローパスフィルタ、 ３０ イコライザ、 ３１ フィードフォワードイコライザ、 ３２ ハイパスフィルタ、 ３５ フィードバックイコライザ、 ５０ 画像信号処理部、 １００ フォーカス制御回路、 ５００ 撮像装置。

Claims (2)

1. レンズと、当該レンズを透過した光信号を電気信号に変換する撮像素子と、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、前記撮像素子から出力される画像信号を処理する画像信号処理部から設定される前記レンズの目標位置との差分をもとに、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フィードバックイコライザと、
   前記フィードバックイコライザと併用して前記駆動素子を制御するフィードフォワードイコライザであって、前記画像信号処理部から設定される前記レンズの目標位置が変更されると、旧目標位置から新目標位置へ前記レンズを移動させるための、ハイパスフィルタ特性を持つ駆動信号を生成し、前記駆動素子を制御するフィードフォワードイコライザと、を備え、
   前記画像信号処理部は、前記レンズの各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して、シャープネスが最大値となる前記レンズの位置を合焦位置と決定し、
   前記画像信号処理部は、前記レンズの位置を順次変化させるための信号であり、所定のステップ幅で漸次的に値が増加または減少する目標位置信号を前記フィードフォワードイコライザ及び前記フィードバックイコライザに並列に出力し、
   前記フィードフォワードイコライザは、前記目標位置信号の値の変化分を前記ハイパスフィルタ特性を持つ駆動信号として生成することを特徴とするフォーカス制御回路。
2. 前記フィードバックイコライザには、ローパスフィルタを経た後の、前記位置検出素子の出力信号が入力され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。

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