KR100819301B1

KR100819301B1 - 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100819301B1
Application number: KR1020060130934A
Authority: KR
Inventors: 구준모; 최진영; 강병권; 장동훈; 김표재; 송동성; 장형진
Original assignee: 삼성전자주식회사; 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-04-03
Also published as: US8009971B2; EP1936956A2; US20080152332A1; CN101236307A; EP1936956B1; EP1936956A3; CN101236307B

Abstract

본 발명은 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법 및 장치에 있어서, 카메라의 손떨림 움직임의 각속도를 감지하는 각속도센서와, 이미지센서의 현재 위치를 포착하는 위치검출센서와, 이미지센서를 구동하는 구동부를 포함하는 카메라부와, 손떨림 움직임을 보정하기 위해 이미지센서가 움직여야 하는 제어 기준값(Reference)을 따라 기준값이 갱신되는 기본 주기 동안 종래의 PID 제어에 비해 상대적으로 작은 제어 주기를 사용하여 다수회 제어하는 멀티레이트(Multi-rate) PID 제어 방식을 사용하여 구동부를 제어하는 OIS(Optical Image Stabilizer) 회로부를 포함한다.

손떨림, PID제어, 자이로센서, 홀센서, VCM, 카메라

Description

모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR OPTICAL IMAGE STABILIZER ON MOBILE CAMERA MODULE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 블록 구성도

도 2는 이동평균법(Moving Average Method)을 적용한 자이로 각속도의 일 예시 파형도

도 3은 일반적인 PID 제어의 제어 주기와 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레이트 PID(Multi-rate Proportional Integrate Derivative) 제어의 제어 주기를 비교하여 보여주는 제어 신호 파형도

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 손떨림 보정 제어 신호를 보여주는 파형도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 한 제어 주기의 제어 동작 흐름도

본 발명은 모바일 기기용 카메라 모듈에 관한 것으로서, 특히 카메라 모듈로 촬영하는 중에 손떨림이 발생하여 영상이 흔들리는 것을 보정하는 손떨림 보정 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반 카메라의 경우 통상 셔터 스피드가 1/125초 이상 되면 영상 촬영시에 사용자의 손이 어느 정도 떨리더라도 흔들림 없는 안정된 해상도의 사진을 얻을 수 있다. 그러나 모바일 기기에 장착된 카메라는 일반 카메라에 비해 렌즈 구경이 작기 때문에 영상 촬영시 일반 카메라보다 광량이 부족하다. 그래서 모바일 기기에 장착된 카메라는 부족한 광량을 보상하기 위해 상대적으로 느린 셔터 스피드를 사용하게 되며, 정지영상을 촬영할 경우 느린 셔터 스피드에 의해 미세한 손떨림에도 화상의 흔들림이 발생하여 선명한 사진을 얻기 어렵다. 특히 손떨림으로 인한 화상의 흔들림은 광량이 부족한 실내나 야간, 흐린 날에는 더욱 심해진다. 또한 줌(Zoom)을 사용하여 초점거리가 길어질 경우에도 손떨림으로 인한 화상의 흔들림은 심각한 문제가 된다. 정지영상 뿐만 아니라 동영상 촬영시에도 보행중이나 움직이는 차안에서의 촬영자의 손떨림으로 인한 카메라의 흔들림은 영상의 흐려짐을 야기한다.

이러한 손떨림이나 기기의 흔들림에 의해 발생되는 영상의 불안정함을 해소하기 위해서 손떨림을 보정하는 기술이 요구되었으며, 이에 따라 다양한 손떨림 보정 방안이 개발 되었다. 이런 손떨림 보정을 위한 장치는 통상적으로 크게 움직임 검출부와 움직임 보정부로 나누어진다. 움직임 검출부는 자이로센서(Gyro sensor) 등을 사용하여 기기의 움직임량을 측정하는 기술과 영상신호처리에 의해 영상의 움직임을 벡터 성분으로 검출하는 기술이 제안되고 있다. 움직임 검출부에서 검출된 움직임 정보를 이용하여 움직임 보정부는 광학식 또는 전자식으로 영상을 보정한다. 광학식으로 보정하는 방식으로는, 각도의 조절이 가능한 렌즈(Active prism)를 사용하여 입사광을 임의의 방향으로 굴절시키는 기술이나 압전소자(Piezo-electric device) 또는 VCM(Voice Coil Motor)을 이용하여 렌즈 또는 CCD(Charge Coupled Devide)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)같은 이미지센서를 상하좌우로 이동시켜 광축으로부터 벗어난 영상을 원래 위치로 복귀시키는 기술 등이 알려져 있다. 전자식으로 보정하는 방식은 주로 센서의 입력위치를 제어하는 기술과 일단 메모리에 저장한 후 읽어내는 번지를 제어하는 기술 등이 있다. 일반적으로 전자식으로 보정하는 방식은 동영상 보정에 적합하므로 저가 캠코더에 주로 사용되며, 광학식으로 보정하는 방식은 동영상과 정지 영상 보정이 모두 가능하므로 고급 캠코더와 카메라에 많이 채택된다.

VCM을 이용하여 렌즈 또는 CCD나 CMOS 이미지센서를 이동시키는 방법은 일본 공개 특허 제1999-007051호(명칭: 렌즈시프트 장치, 출원번호: 1997-172760, 출원인: CANON INC, 출원일: 1997.06.16, 발명자: Toyoda Yasuhiro)에 개시된 바를 예로 들 수 있다.

휴대용 모바일 기기용 카메라 모듈을 구성함에 있어서 중요한 고려 사안은 크기, 무게, 전력 소모량이다. 따라서 손떨림 보정 장치를 고안함에 있어서도 그러한 고려가 필요하다. 손떨림 보정 장치의 핵심부인 렌즈 또는 이미지센서를 포함하는 구동부의 크기와 무게에 비례하여 구동부를 동작하는 데 필요한 전력 소모량도 증가하게 된다는 것을 감안할 때, 렌즈 또는 이미지센서를 포함하는 종래 기술보다 더욱 소형화된 구동부 및 제어기를 확보하는 것이 중요하다. 그래서 손떨림 보정 장치는 각종 센서와 기타 장치를 구성함에 있어 최소한의 부피를 가지는 모듈화된 형태를 취하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 고려사항들은 핸드폰, MP3(MPEG Audio Layer-3), PMP(Portable Multimedia Player), 디지털 카메라 등이 여러 가지 기능을 갖춘 하나의 제품(All-in-one)으로 출시되는 현대 모바일 기기의 발전 방향과 연관하여 반드시 고려해야 할 문제라고 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 휴대용 모바일 기기용 카메라 모듈로 영상을 촬영할 때 촬영시에 발생하는 손떨림을 보정할 수 있는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 본 발명은 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치에 있어서, 카메라의 손떨림 움직임의 각속도를 감지하는 각속도센서와, 이미지센서의 현재 위치를 포착하는 위치검출센서와, 상기 이미지센서를 구동하는 구동부를 포함하는 카메라부와, 손떨림 움직임을 보정하기 위해 상기 이미지센서가 움직여야 하는 제어 기준값(Reference)을 따라 기준값이 갱신되는 기본 주기 동안 종래의 PID 제어에 비해 상대적으로 작은 제어 주기를 사용하여 다수회 제어하는 멀티레이트(Multi-rate) PID 제어 방식을 사용하여 상기 구동부를 제어하는 OIS(Optical Image Stabilizer) 회로부를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 본 발명은 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법에 있어서, 카메라에서 발생한 손떨림 움직임의 각속도량을 검출하고, 이미지센서의 위치를 파악하는 과정과, 상기 측정한 각속도 신호와 이미지센서 위치 신호를 처리하는 과정과, 손떨림 각속도 신호를 적분하여 손떨림량을 계산하는 과정과, 상기 손떨림량과 상기 이미지센서 위치 신호를 바탕으로 손떨림 움직임을 보상하기 위하여 상기 이미지센서가 움직여야 하는 제어 기준값(Reference)을 따라 기준값이 갱신되는 기본 주기 동안 종래의 PID 제어에 비해 상대적으로 작은 제어 주기를 사용하여 다수회 제어하는 멀티레이트 PID 제어 방식을 사용하여 상기 이미지센서를 제어하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

종래의 손떨림 보정 장치들은 실제 모바일 기기용으로 소형화하여 구현할 때 다음 문제점들이 발생한다. 첫째, 자이로센서로 측정된 신호로부터 손떨림량을 측정하는 기능을 구현함에 있어서 옵셋(offset), 편류(drift), 위상 지연에 의해서 실제 신호값과 처리값 간의 오차가 누적되는 현상이 발생한다. 둘째, VCM(Voice Coil Motor) 구동부는 비선형 특성과, 시간에 따라 동특성이 변화하는 시변성, 히스테리시스(Hysteresis) 등의 특성을 가지고 있어서 일반적으로 사용되는 제어기로는 최적 제어성능을 기대하기 어렵다. 렌즈 또는 이미지센서를 포함하는 구동부는 구동시에 접하는 면 사이에서 발생하는 마찰에 의해서 반복적인 동작명령을 내렸음에도 불구하고 점점 구동범위가 감소하는 구동오차가 발생한다. 따라서 최적의 제어를 위해 제어기를 구성하는 데 있어 광범위하게 이용되어 온 기존의 PID(Proportional Integrate Derivative) 제어기보다 개선된 형태의 제어기를 필요로 한다. 또한 제안한 제어기의 성능이 우수하더라도 과다한 연산량이 발생할 경우, 소형화 기기 제어에 범용으로 적용하는 8비트 프로세서와 같은 장치로는 구현이 용이하지 않은 점을 고려해야 한다. 셋째, 사용자와 사용되는 주변 상황에 따라 보정 패턴은 가변적이므로 보정을 위한 제어값을 미리 예측할 수 없기 때문에 모든 연산은 실시간으로 매우 빠른 시간 안에 이뤄져야 한다.

이에 본 발명에서는 상기의 점을 개선하기 위한 좀더 효율적인 손떨림 보정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

일반적으로 손떨림 보정을 위한 제어기의 회로 구현은, 아날로그 회로를 사용하여 제어기를 구성하는 기술과 마이크로컨트롤러(MCU: Micro Controller Unit)를 사용하여 이산화된 제어기를 구성하는 기술을 고려할 수 있다. 아날로그 제어기 는 이산화 제어기와 비교할 때, 이산화로 발생하는 신호 손실로 인한 제어 안정성의 손실을 감수하지 않아도 되는 강점을 지니고 있다. 그러나 본 발명에서는 회로의 소형화를 통한 장치의 소형화와 향후 기술 보완의 용이성을 염두에 두어 제어기를 소형화된 마이크로컨트롤러 안에 알고리즘화하여 구현하는 이산화 제어기를 사용하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 블록 구성도이다. 도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치는 크게 카메라의 손떨림 움직임을 포착하고, 손떨림을 보정하기 위해 이미지센서를 움직이는 카메라부(100)와, 상기 카메라부에서 포착한 손떨림 움직임에 대한 신호들을 처리하고, 손떨림을 보정하기 위해 움직여야할 값을 계산하는 OIS(Optical Image Stabilizer) 회로부(200)와, 모니터링동작을 수행하는 PC(400)와, 상기 OIS 회로부(200)로 손떨림 보정을 위한 제어값을 전송하는 카메라 제어부(500)를 포함한다.

상기 설명한 카메라부(100)의 구성요소에 대하여 좀더 상세히 설명하면, 상기 카메라부(100)는 요축과 피치축의 카메라의 손떨림 움직임의 각속도를 감지하는 자이로센서(Gyro sensor)(110)와, CCD나 CMOS같은 이미지센서 또는 렌즈(위치를 포착하는 방법은 동일하므로 이하 이미지센서로 통일하여 표기함)의 요축과 피치축의 현재 위치를 포착하는 홀센서(Hall sensor)(120)와, VCM으로 구성되어 제어기의 제어에 따라 이미지센서를 움직이는 구동부(130)를 포함한다. 상기 자이로센서(110)는 이미지센서의 상하 및 좌우에 대한 손떨림을 보상하기 위하여 요(Yaw)축과 피치(Pitch)축 두 방향의 움직임의 각속도를 포착할 수 있도록 부착하여 구성된다.

상기 OIS 회로부(200)는 저역 통과 필터(LPF: Low Pass Filter)로 구성되어 상기 자이로센서(110)로부터 포착된 카메라부의 움직임 신호에서 높은 주파수의 노이즈 성분을 제거하여 원하는 대역만 추출하는 자이로신호 아날로그 필터부(210)와,상기 홀센서(120)로부터 포착된 이미지센서의 위치에 대한 신호를 처리하는 홀신호 아날로그 필터부(220)와, 상기 자이로신호 및 홀신호 아날로그 필터부들(210, 220)에서 처리한 신호를 사용하여 손떨림량을 계산하고 그 손떨림량을 보상하기 위해 이미지센서가 움직여야하는 값을 계산하는 마이크로프로세서(300)와, 상기 마이크로프로세서(300)에서 전송한 이미지센서 제어 값을 처리하여 상기 구동부(130)의 VCM을 제어하는 모터 드라이브부(230)를 포함한다.

상기 PC(400)는 모니터링 프로그램을 구비하여 시리얼 통신방식을 사용하여 상기 마이크로프로세서(300)로부터 모니터링 데이터를 수신하고 적절한 튜닝변수 값을 조정하여 상기 마이크로프로세서(300)로 전송한다.

상기 PC(400)와, PC(400)의 모니터링 프로그램과 마이크로프로세서(300)간의 송수신을 위한 제어 동작 등은 본 발명의 개발 단계에서 발명의 좀 더 좋은 효과를 위해서 손떨림 보정 장치의 성능 측정과 특성 파악을 위하여 부가적으로 구비한 부분으로서 해당 손떨림 보정 장치의 실제 사용자 환경에서는 필요치 않는 구성이다.

상기 카메라 제어부(500)는 I2C(I-square-C) 통신 방식을 사용하여 I2C 통신 모듈을 통해 상기 마이크로프로세서(300)에 렌즈의 배율값이나, 상기 OIS 회로부(200)의 켜짐과 꺼짐을 제어하는 제어 신호를 전송한다.

상기 OIS 회로부(200)내에 구성된 상기 마이크로프로세서(300)에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다. 상기 마이크로프로세서(300)는 고역 통과 필터(HPF: High Pass Filter)를 사용하여 상기 자이로센서(110)를 통해 포착된 손떨림 움직임의 각속도 신호중에 직류(DC) 성분을 제거하여 손떨림이라고 생각되는 관심부분의 신호 성분만을 추출하는 자이로신호 디지털 필터부(350)와, 상기 자이로신호 디지털 필터부(350)를 거친 손떨림 움직임 각속도 신호를 적분하여 상기 카메라부(100)의 손떨림 움직임량을 계산하는 손떨림량 연산기(310)와, 상기 홀센서(120)를 통해 포착한 이미지센서의 위치 정보와 상기 손떨림량 연산기(310)를 통해 계산한 상기 카메라부(100)의 손떨림량을 사용하여 손떨림을 보정하기 위해 이미지센서가 움직여야할 이미지센서의 위치 제어 값을 계산하고, 그 제어 값을 사용하여 상기 모터 드라이브부(230)를 제어하는 이미지센서 위치 제어기(320)와, 상기 카메라 제어부(500)와 통신하여 상기 신호들의 신호 처리에 필요한 계수들을 얻기 위한 I2C 통신 모듈(340)과, 상기 PC(400)와 통신하여 모니터링 프로그램을 위한 모니터링 데이터를 송수신하는 시리얼 통신모듈(330)을 포함한다.

그럼 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 전체적인 동작 흐름을 도 1을 참조하여 살펴보기로 한다. 먼저 카메라부에서 손떨림 움직임이 발생하면 상기 자이로센서(110)에서 손떨림 움직임의 각속도량을 측정하여 상기 자이로신호 아날로그 필터부(210)로 전송하고, 상기 홀센서(120)는 이미지센서의 위치 정보를 측정하여 홀신호 아날로그 필터부(220)로 전송한다. 각 필터부들을 거친 손떨림 신호는 각각 디지털 신호로 변환된다. 디지털 신호로 변환된 자이로 신호는 자이로신호 디지털 필터부(350)를 거쳐서 필요성분만 추출하고, 상기 손떨림량 연산기(310) 에서 적분을 통하여 손떨림량으로 계산된다. 상기 계산된 손떨림량과 디지털 신호로 변환된 홀신호의 이미지센서 위치정보는 이미지센서 위치 제어기(320)로 전송된다. 이미지센서 위치 제어기(320)에서는 손떨림량과 이미지센서의 위치 정보를 사용하여 손떨림 보정을 위해 움직여야하는 제어 값을 계산한다. 상기 이미지센서 위치 제어기(320)에서 계산된 제어 값은 아날로그 신호로 변환되어 모터 드라이브부(230)로 전송된다. 상기 모터 드라이브부(230)는 구동부(130)의 VCM을 제어하여 손떨림 보정을 위해 이미지센서를 움직이게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치는 이와 같은 동작흐름을 따라서 전체적인 동작을 수행하게 된다.

상기 자이로센서(110)로 손떨림 움직임을 측정할 시에는 상기 자이로센서(110)가 가진 고유한 특성 때문에 외부의 충격이나 전압 불안정에 의한 신호의 편류 또는 옵셋이 발생한다. 이러한 편류 또는 옵셋은 손떨림 움직임과는 무관한 값이므로 제거하여야 한다. 본 발명은 이러한 편류 또는 옵셋을 제거하기 위하여 이동평균법(Moving Average Method)을 적용한다.

도 2는 이동평균법(Moving Average Method)을 적용한 자이로 각속도의 일 예시 파형도이다. 도 2 (a)는 자이로 각속도의 이동평균을 보여주는 자이로 각속도의 일 예시 파형도이다. 도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명에 적용하는 이동평균법은 현재 시점으로부터 일정 샘플링 주기 이내의 자이로 각속도 신호들의 평균값을 계산하여 이를 현재 자이로 신호의 중심값으로 치환시켜줌으로써 손떨림 각도변위의 중심을 항상 영점에 위치하도록 한다. 이렇게 이동평균법을 사용하여 보상할 필요가 없는 자이로센서가 가진 고유특성에 의한 옵셋을 방지할 수 있다. 도 2 (b)와 도 2 (c)는 이동평균법을 적용한 자이로 각속도의 변화를 보여주는 일 예시 파형도이다. 도 2 (b)는 이동평균법을 사용하기 전의 자이로 각속도를 보여준다. 도 2 (b)에서 보는바와 같이 자이로센서가 가진 고유특성으로 인하여 옵셋이 발생된 예를 보여준다. 도 2 (c)는 도 2 (b)의 자이로 각속도에서 이동평균을 고려하여 이동평균법을 적용한 자이로 각속도의 파형도이다. 이처럼 이동평균법을 적용하여 일정 샘플링 주기 이내의 자이로 각속도의 평균값을 현재 자이로 신호의 중심값으로 치환시켜줌으로써 더 좋은 성능을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 이동평균법을 적용하여 계산된 손떨림에 의한 각도 변화량은 카메라 줌 배율을 고려하여 손떨림을 보정하기 위해 이미지센서가 움직여야 하는 위치 변위량으로 환산된다.

상기 이미지센서 위치 제어기(320)는 상기 손떨림량 연산기(310)에서 계산된 손떨림량을 보상하기 위해 이미지센서를 이동시키는 모터를 제어하는 부분이다. 모터를 제어하는 제어기는 기본적으로 PID(Proportional Integrate Derivative)제어 방법을 기반으로 하고 있으며 목표성능을 달성하기 위하여 여러 가지 부가적인 방법들을 결합하여 제어기를 구성한다.

VCM(Voice Coil Motor)으로 움직여지는 상기 구동부(130)는 비선형성이 매우 크고, 전자석을 이용하여 움직이기 때문에 약간의 히스테리시스가 존재하며 상기 구동부(130)마다 생산 편차가 존재한다. 따라서 상기 구동부(130)의 동작 특성과 PID 계수 튜닝만을 통하여 획득된 제어기의 성능은 한계가 발생하게 된다. 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 최대한의 제어 분해능(Resolution)을 갖게 되는 PID 계수를 이용하며, 상기 이미지센서가 움직여야 하는 제어 기준 값(Reference)을 따라 기준값이 갱신되는 기본 샘플링 주기 동안 종래의 PID 제어에 비해 상대적으로 작은 제어 주기를 사용하여 여러번 제어를 하여 원하는 기준값에 도달하도록 하는 멀티레이트(Multi-rate) PID 제어기를 사용한다.

도 3은 일반적인 PID 제어의 제어 주기와 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레이트 PID 제어의 제어 주기를 비교하여 보여주는 파형도이다.

도 3을 참조하면, f _ctrl 은 PID 제어 주기를 나타내고 f _s 는 외부 샘플링 주기를 나타낸다. 도 3 (a)에 나타난 일반적인 PID 제어의 제어 주기는 구동부의 선형 동작 특성을 고려한 PID 계수를 이용하여, 한번의 제어 신호를 통해 원하는 기준값까지 도달하는 것으로 샘플링 주기(f _s )와 제어 주기(f _ctrl )의 값이 같다. 그에 반해, 도 3 (b)의 멀티레이트 PID 제어기는 최대의 분해능을 갖는 PID 계수를 이용하여, 기준값이 갱신되는 기본 주기(f _s ) 동안 최대한 작은 제어 주기(f _ctrl )로 현재 기본 주기의 기준값을 향해 여러 번 제어함으로써 구동부의 동작 특성이나 구동부별 성능 편차에 강인한 제어가 가능하도록 하는 방법이다. 따라서 손떨림량을 계산하기 위한 자이로센서 신호 샘플링 주기와 이미지센서 위치 제어를 위한 홀센서 신호 되먹임 샘플링 주기가 서로 다른 멀티레이트 PID 제어기가 구성된다.

VCM을 사용하는 구동부(130)는 접촉면의 마찰력으로 인해 시간이 경과함에 따라 움직임이 둔화되는 현상이 발생할 수 있다. 구동부의 정지 마찰력과 운동 마찰력은 큰 차이가 있으므로 정지 상태에 있는 구동부를 순간순간 제어하는 방식으로는 일정한 제어 성능을 얻을 수 없다. 본 발명의 특징에 따라 이와 같은 문제를 해결하고 외부의 강한 충격에 대한 강인한 제어기 성능을 보장하기 위하여, 구동부를 제어하는 제어 신호의 정해진 구간동안 가진 신호를 출력하여 지속적으로 상기 구동부를 동작시켜 일정한 운동 마찰력 내에서 상기 구동부를 제어하도록, 상기 멀티레이트 PID 제어기에 가진 방식을 추가한 제어기를 구성한다. 추가된 가진 신호로 인한 이미지센서 구동부의 움직임은 이미지센서 구동부가 한쪽 방향으로 치우쳐 움직임이 둔화되는 현상을 방지할 수 있으며, 제어기가 외부의 강한 충격으로부터 회복되는 성능을 높여준다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 손떨림 보정 제어 신호를 보여주는 파형도이다. 도 4의 변위값(reference)은 카메라의 손떨림 움직임을 보상하기 위하여 구동부로 이미지센서를 움직여야하는 기준값이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치는 상기 변위값을 따라 멀티레이트 PID 제어를 수행하여 손떨림 보정을 위한 제어를 한다. 여기서 구동부가 움직여야 할 상기 변위값은 요축과 피치축에 대하여 각각 존재하고, 손떨림 보정을 위한 제어 동작시 두 축 방향에 대하여 동시에 제어를 수행한다.

본 발명에서는 카메라 모듈 소형화에 기여할 수 있도록 수동 소자의 개수를 최소화하기 위해 마이크로프로세서를 통해 가진 신호를 주면서, 마이크로프로세서의 성능을 최적 활용하기 위해 시분할 방식을 사용하는 제어기를 사용한다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 특징에 따라 손떨림 보정을 위한 제어 신호에 일정한 주기로 인터럽트를 발생시키면서 4개의 인터럽트 구간에 각각 하는 역할을 다르게 하여, 4개의 인터럽트를 하나의 기준값을 따라가는 하나의 구간으로 사용한다. 이러한 제 어기를 통하여 본 발명은 제어에 필요한 계산량을 분산시키며 가진과 시분할 방식을 사용한 멀티레이트 PID제어를 혼합하여 최적의 제어 성능을 낼 수 있다.

상기에서 기술한 시분할 방식을 도 5를 참조하여 좀더 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 한 제어 주기의 제어 동작 흐름도이다. 도 5를 참조하여, 각 인터럽트구간별로 수행하는 제어를 상세히 살펴보면, 402단계(첫 번째 인터럽트)에서는 외부의 강한 충격에도 제어기의 성능을 보장하기 위해 보통의 PID 제어값보다 충분히 큰 값으로 위쪽 가진 신호를 출력한 후, 요축의 자이로신호를 이용하여 요축 제어값을 계산하고, 모니터링 프로그램으로 신호를 전송한다. 404단계(두 번째 인터럽트)에서는 요축과 피치축을 동시에 멀티레이트 PID제어기를 통해 제어를 수행한다. 여기서 요축의 경우 상기 402단계에서 계산된 값을 이용하여 제어를 수행하고, 피치축의 경우는 전 구간의 406단계에서 계산된 값을 이용하여 제어를 수행한다. 406단계(세 번째 인터럽트)에서는 상기 402단계에서처럼 보통의 PID 제어값보다 충분히 큰 값으로 아래쪽 가진 신호를 출력한 후, 피치축의 자이로신호를 이용하여 피치축의 제어값을 계산하고, 모니터링 프로그램으로 신호를 전송한다. 408단계(네 번째 인터럽트)에서는 다시 요축과 피치축을 동시에 멀티레이트 PID제어기를 통해 제어를 수행한다. 요축의 경우는 상기 402단계에서 계산된 값을 그대로 사용하여 제어를 수행하고, 피치축의 경우는 상기 406단계에서 계산된 값을 사용하여 제어를 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 손떨림 보정 장치의 제어 방식은 멀티레이트 PID제어에 가진과 시분할 방식을 혼합한 제어 방식으로서 상기의 402단계부터 408단계까지의 4가지 단계를 하나의 기준 으로서 반복하여 실행하여 손떨림을 보정을 위한 동작을 수행한다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법 및 장치의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법 및 장치는 카메라 모듈을 통해 영상을 촬영할 때 손떨림의 양과 방향에 따라 이미지센서의 위치를 제어함으로써 이미지센서의 동일한 위치에 상이 맺힐 수 있도록 하여, 양질의 영상을 촬영할 수 있도록 하고, 이로 인해 제품에 대한 사용자의 만족도를 높일 수 있다. 또한 기존의 유사한 장치에 비해 소형화, 모듈화하여 소형 모바일 기기에 적용이 더욱 용이하도록 할 수 있다.

Claims

모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치에 있어서,

카메라의 손떨림 움직임의 각속도를 감지하는 각속도센서와, 이미지센서의 현재 위치를 포착하는 위치검출센서와, 상기 이미지센서를 구동하는 구동부를 포함하는 카메라부와,

손떨림 움직임을 보정하기 위해 상기 이미지센서가 움직여야 하는 제어 기준값(Reference)을 따라 기준값이 갱신되는 기본 주기 동안 종래의 PID 제어에 비해 상대적으로 작은 제어 주기를 사용하여 다수회 제어하는 멀티레이트(Multi-rate) PID 제어 방식을 사용하여 상기 구동부를 제어하는 OIS(Optical Image Stabilizer) 회로부를 포함함을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치.
제1항에 있어서, 상기 각속도센서는 상기 이미지센서의 상하 및 좌우에 대한 손떨림을 보상하기 위하여 요(Yaw)축과 피치(Pitch)축 두 방향의 움직임의 각속도를 포착할 수 있도록 부착하여 구성하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치.
제1항에 있어서, 상기 각속도센서로 자이로센서(Gyro sensor)를 사용하는 것 을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치.
제1항에 있어서, 상기 위치검출센서로 홀센서(Hall sensor)를 사용하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치.
제1항에 있어서, 상기 구동부에서 이미지센서를 이동시키는데 VCM(Voice Coil Motor)을 사용하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치.
제1항에 있어서, 상기 OIS 회로부는, 저역 통과 필터(LPF: Low Pass Filter)로 구성되어 손떨림 움직임 신호에서 높은 주파수의 노이즈 성분을 제거하여 원하는 대역만 추출하는 자이로신호 아날로그 필터부와,

상기 홀센서로부터 포착된 상기 이미지센서의 위치에 대한 신호를 처리하는 홀신호 아날로그 필터부와,

상기 구동부의 모터를 제어하는 모터 드라이브부와,

손떨림을 보상하기 위해 상기 이미지센서가 움직여야할 제어 값을 계산하고, 상기 모터 드라이브부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함함을 특징으로 하는 모 바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치.
제6항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 고역 통과 필터(HPF: High Pass Filter)를 사용하여 손떨림 움직임의 각속도 신호 중에서 직류(DC) 성분을 제거하는 자이로신호 디지털 필터부와,

손떨림 움직임 각속도 신호를 적분하여 상기 카메라부의 손떨림량을 계산하는 손떨림량 연산기와,

손떨림 움직임을 보상하기 위해 상기 이미지센서가 움직여야할 제어 값을 계산하고, 그 제어 값을 사용하여 상기 모터 드라이브부를 제어하는 이미지센서 위치 제어기를 더 포함함을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 장치.
모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법에 있어서,

카메라에서 발생한 손떨림 움직임의 각속도량을 검출하고, 상기 이미지센서의 위치를 파악하는 과정과,

상기 측정한 각속도 신호와 상기 이미지센서 위치 신호를 처리하는 과정과,

손떨림 각속도 신호를 적분하여 손떨림량을 계산하는 과정과,

상기 손떨림량과 상기 이미지센서 위치 신호를 바탕으로 손떨림 움직임을 보 상하기 위하여 상기 이미지센서가 움직여야 하는 제어 기준값(Reference)을 따라 기준값이 갱신되는 기본 주기 동안 종래의 PID 제어에 비해 상대적으로 작은 제어 주기를 사용하여 다수회 제어하는 멀티레이트 PID 제어 방식을 사용하여 상기 이미지센서를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법.
제8항에 있어서, 자이로 각속도 신호로부터 손떨림량을 계산하는 과정에서, 현재 시점으로부터 일정 샘플링 주기 이내의 자이로 각속도 신호들의 평균값을 계산하여 이를 현재 자이로 신호의 중심값으로 치환시켜줌으로써 손떨림 각도변위의 중심을 영점에 위치하도록 하는 이동평균법(Moving Average Method)을 적용하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법.
제8항에 있어서, 손떨림 움직임을 보상하기 위해 상기 이미지 센서를 제어하는 제어 방식에, 제어 신호의 정해진 구간동안 상기 구동부로 가진 신호를 출력하여 지속적으로 상기 구동부를 동작시켜 일정한 운동 마찰력 내에서 제어하는 가진 방식을 추가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법.
제10항에 있어서, 손떨림 움직임을 보상하기 위해 상기 이미지 센서를 제어하는 제어 방식에 있어서, 제어 신호에서 일정한 주기로 인터럽트를 발생시키면서 정해진 다수의 인터럽트 구간에 각각 동작을 다르게 하여, 다수의 인터럽트를 하나의 구간으로 사용하는 시분할 방식을 추가하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법.
제11항에 있어서, 4개로 미리 설정된 인터럽트 구간중에 첫 번째 인터럽트 구간에서는 가진 신호를 출력하고, 요축에 대한 자이로 신호를 계산하고 모니터링 프로그램으로 신호를 전송하며, 두 번째 인터럽트 구간에서는 요축과 피치축 두방향으로 동시에 멀티레이트 PID 제어를 하고, 세 번째 인터럽트 구간에서는 가진 신호를 출력하고 피치축의 자이로 신호를 계산하고 모니터링 프로그램으로 신호를 전송하며, 네 번째 인터럽트 구간에는 요축과 피치축 두방향으로 동시에 멀티레이트 PID 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 모바일 기기용 카메라 모듈의 손떨림 보정 방법.