TW201711445A - 解決組裝誤差之光學影像穩定裝置及鏡頭調整方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種解決組裝誤差之光學影像穩定裝置及鏡頭調整方法。該種鏡頭調整方法用於補償完成組裝之一相機模組的組裝誤差，包含：利用該相機模組擷取一參考物影像；分析該參考物影像以產生一分析結果；依據該分析結果產生據以調整該相機模組之一調整量；以及記錄該調整量。

Description

解決組裝誤差之光學影像穩定裝置及鏡頭調整方法

本發明是關於光學影像穩定，尤其是關於解決組裝誤差之光學影像穩定裝置及鏡頭調整方法。

除了數位相機之外，現今愈來愈多手持電子裝置也內建相機功能，例如手機、平板電腦（tablet）等。然而手機及平板電腦的相機模組的進光量及感光元件的尺寸都不如數位相機，所以必須搭配更佳的防手震機制來得到更好的照片及/或影片品質。再者，相機模組於組裝後常常會遇到組裝誤差的問題，嚴重影響照片及/或影片的品質。

本發明之一目的在於提供一種解決組裝誤差之光學影像穩定裝置及鏡頭調整方法，係利用易於實作之電路來解決相機模組之鏡頭在組裝完成後所產生的組裝誤差。

一種光學影像穩定裝置，應用於一相機模組，該相機模組之一鏡頭由一馬達驅動，該相機模組包含用於感應該馬達對該鏡頭之一驅動量之一驅動感應器、用於偵測該相機模組之震動程度之一震動感應器，以及用於感應產生一參考物之影像之一影像感應器，該光學影像穩定裝置包含：一濾波器，利用一第一加法器計算該驅動感應器之一驅動感應訊號於時間上的變化量，以濾波該驅動感應訊號；一映射電路，用來儲存該驅動感應訊號對應一第一角度偏移量之一映射表；一轉換單元，耦接該映射電路，用來依據該映射表將該驅動感應訊號轉換為該第一角度偏移量；一積分器，用來對該震動感應器之一震動感應訊號積分，以產生一第二角度偏移量；一第二加法器，耦接該積分器及該轉換單元，用來計算該第一角度偏移量及該第二角度偏移量之一差值；一處理單元，耦接該影像感應器，用來分析該參考物之影像以產生用以補償該相機模組之組裝誤差的一調整量；一記憶體，耦接該處理單元，用來儲存該調整量；以及一馬達驅動電路，耦接該第二加法器及該記憶體，用來依據對應該差值之一控制變數及該調整量控制該馬達對該鏡頭之該驅動量。

本發明另揭露一種鏡頭調整方法，用於補償完成組裝之一相機模組的組裝誤差，包含：利用該相機模組擷取一參考物影像；分析該參考物影像以產生一分析結果；依據該分析結果產生據以調整該相機模組之一調整量；以及記錄該調整量。

本發明之解決組裝誤差之光學影像穩定裝置及鏡頭調整方法以易於實作之電路來達到光學影像穩定之效果，以解決相機模組之鏡頭在組裝完成後所產生的組裝誤差。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明之揭露內容包含光學影像穩定裝置及基於該光學影像穩定裝置之鏡頭調整方法。由於本發明之光學影像穩定裝置所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外，本發明之基於該光學影像穩定裝置之鏡頭調整方法可以是軟體及/或韌體之形式，在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下方法發明之說明將著重於步驟內容而非硬體。

圖1係本發明光學防手震電路之一實施例的功能方塊圖。光學影像穩定裝置10（或稱為光學防手震電路）的功能之一在於依據震動感應器30所產生的震動感應訊號（反應相機模組的震動程度），來控制音圈馬達40相對應地調整鏡頭的位置，以補償因相機模組震動所造成的鏡頭偏移。震動感應器30可以例如是陀螺儀，其感測相機模組的震動而產生角速度訊號。積分器130對數位化（由ADC 120轉換）後的角速度訊號進行積分運算，得到對應相機模組震動程度的角度偏移量 _gyro ；另一方面，驅動感應器50（例如一霍爾感應器）感應音圈馬達40所產生的磁場變化（反應音圈馬達40對鏡頭的驅動量，亦即反應鏡頭的位移量）而產生驅動感應訊號S’，此驅動感應訊號S’經由ADC 190轉換為數位格式後（驅動感應訊號S），經由濾波器180濾除雜訊，再由轉換單元160參考映射電路170之一映射表轉換為對應鏡頭位移量的角度偏移量 _hall 。加法器135計算出角度偏移量 _gyro 及角度偏移量 _hall 的差值，比例積分微分（proportional integral and differential, PID）控制器140再依據此差值控制馬達驅動電路150驅動音圈馬達40時的驅動訊號V的大小（例如電流大小），使音圈馬達40以漸進的方式將鏡頭移動至目標位置，以避免鏡頭在一次到位的大幅度移動中產生明顯的晃動（damping）。請注意，由於差值或角度偏移量 _gyro 係依據震動感應器30的震動感應訊號而產生，所以可視為光學影像穩定裝置10中的震動補償訊號；再者，在某些情況下，如果鏡頭在移動的過程中所產生的晃動不明顯，則光學影像穩定裝置10可省略比例積分微分控制器140，在此情況下馬達驅動電路150直接耦接加法器135，並直接依據差值來驅動音圈馬達40。

驅動感應器50容易受到溫度等操作環境的影響而使得驅動感應訊號S帶有較大的雜訊，濾波器180的目的之一即是濾除此類的雜訊。圖2為本發明的濾波器之一實施例的局部電路圖，此電路的目的在於濾除連續訊號中因雜訊所造成的訊號劇烈變動。三個延遲單元181、182及183各自將訊號延遲一個系統的時脈週期T，加法器184耦接三個延遲單元，計算訊號S[k-1]與訊號S[k-2]的差值以及訊號S[k]與S[k-1]的差值（k為整數，代表時間指標）：(1)(2) 之後比較器185將與的絕對差值與一臨界值做比較，如果與的絕對差值大於臨界值，則表示訊號S[k-1]的值與訊號S[k]的值及訊號S[k-2] 的值差距過大（亦即訊號S[k-1]可能為雜訊），此時比較器185輸出控制訊號，令多工器186選擇訊號S[k-2]輸出，以濾除雜訊訊號S[k-1]；而如果與的絕對差值不大於臨界值，則比較器185輸出控制訊號，令多工器186選擇訊號S[k-1]輸出。因此，濾波器180對驅動感應器50經類比數位轉換後的連續三個訊號作比較，其中只需要用到加法器184作加減運算以及使用比較器185進行比較，而不需要用到乘法器等占用電路面積及運算耗時的電路，因此可以減少濾波器180的成本以及增加效率。

驅動感應器50的驅動感應訊號S經濾波後成為濾波訊號S_F，此濾波訊號S_F再由轉換單元160參考映射電路170的映射表將其轉換為角度偏移量 _hall 。驅動感應器50的驅動感應訊號S與角度偏移量 _hall 的對應關係預先量測並儲存在映射電路170的映射表中，轉換單元160參考映射表並使用內插法及/或外插法，將驅動感應訊號S轉換為對應的角度偏移量 _hall 。舉例來說，轉換單元160先判斷濾波訊號S_F位於映射電路170的區間[S_map , S_map+1 ]，其中S_map 及S_map­+1 分別對應角度偏移量 _map 及 _map+1 ，且此區間的斜率為ratio_map ；則角度偏移量。

然而，有時驅動感應器50的輸出受溫度等環境因素的影響過大，而造成其驅動感應訊號S中有大範圍的不合理輸出值，此時濾波器180可以參考馬達驅動電路150的驅動訊號V所對應的角度偏移量，來濾除此大範圍的不合理輸出值。當光學影像穩定裝置10讀取驅動感應器50的驅動感應訊號S時，多工器165及175依據控制訊號Ctrl（由處理單元110發出）選取濾波訊號S_F及對應的映射表使轉換單元160據以轉換得到角度偏移量 _hall ，接著比例積分微分控制器140可依上述的機制控制馬達驅動電路150；另一方面，當馬達驅動電路150驅動音圈馬達40時，多工器165及175依據控制訊號Ctrl選取驅動訊號V及對應的映射表使轉換單元160據以轉換得到訊號v2h，此時濾波器180參考此訊號v2h來濾除訊號S之大範圍的不合理輸出值。也就是說光學影像穩定裝置10可以使用同一個轉換單元160來轉換驅動感應器50的驅動感應訊號S及馬達驅動電路150的驅動訊號V。

圖3為本發明的濾波器之一實施例的局部電路圖，此電路的目的在於濾除驅動感應器50的驅動感應訊號S中的大範圍的不合理的輸出值。訊號v2h[k]為驅動訊號V經轉換單元160轉換後的訊號。經過延遲的訊號S[K]與訊號v2h[k]同時輸入加法器188，加法器188計算得到其絕對差值為。比較器189再將此絕對差值與預設值做比較，如果絕對差值大於預設值，代表此時的驅動感應訊號S出現不合理的輸出值，則濾波器180略過此段不合理的輸出；相反的，如果絕對差值不大於預設值，代表此時的驅動感應訊號S為合理的輸出值，則濾波器180可以進一步對驅動感應訊號S進行濾波（使用圖2所示的濾波電路）。

比例積分微分控制器140的細部電路圖如圖4所示。誤差量e（即前述的角度偏移量的差值）經過三個延遲單元141、142及143的延遲後，由乘法器145將延遲後的誤差量e乘上PID係數（儲存於暫存器147中），加法器146再將乘法器145的輸出與前一次的控制變數u[k-1]相加，最後可得當次的控制變數u[k]如下：(3) 馬達驅動電路150依據控制變數u調整其驅動訊號V的大小（即驅動力），其中PID係數k1、k2及k3與原始的PID係數（k_{p ,} k_i , k_d ）具有如下的轉換關係：(4) 上述的轉換關係可由原始的PID公式推導出來，PID最基本的原理公式表示如下：(5) 將方程式(5)轉換為離散時間模式後，可得：(6) 將方程式(6)調整如下：(7) 將方程式(4)的轉換關係套用至方程式(7)再整理後即可得方程式(3)。利用轉換後的PID係數k1、k2及k3做運算，使得本發明的比例積分微分控制器140能用圖4所示的簡單電路完成，可以免除複雜的積分與微分運算。

綜上所述，本發明的光學影像穩定裝置10具有電路簡單的特點，並且透過適當的時序設計，加法器135、184、188以及146可以共用同一個加法電路，比較器185及189也可共用同一個比較電路。在其中一個實施例中，加法電路、比較電路以及乘法器145所使用的乘法電路可以是各為16位元的數位電路，即可完成光學影像穩定裝置10所需的功能，而且以圖2及圖3完成的濾波器180雖然使用簡單的電路及元件，但仍具有極佳的效果。因此本發明的光學影像穩定裝置10具有低成本及高效能的優點。

圖7為本發明之加法電路、乘法電路及比較電路由光學防手震電路的各個元件所使用之時序圖，圖中的縱軸代表時間，每一個時間單位為系統的一個時脈週期。在時間T1時轉換單元160（使用加法電路及乘法電路）依據映射電路170中相對應的映射表將驅動訊號V轉換為訊號v2h；在時間T2時濾波器180（使用加法電路及比較電路）對驅動感應訊號S進行濾波，得到濾波訊號S_F；在時間T3時轉換單元160（使用加法電路及乘法電路）依據映射電路170中相對應的映射表將濾波訊號S_F轉換為角度偏移量 _hall ；在時間T4時加法器135（使用加法電路）計算出角度偏移量 _gyro 及角度偏移量 _hall 的差值；在時間T5時PID控制器140（使用加法電路及乘法電路）依據此差值控制馬達驅動電路150驅動音圈馬達40時的驅動訊號V的大小；以及在時間T6時轉換單元160（使用加法電路及乘法電路）再次依據映射電路170中相對應的映射表將驅動訊號V轉換為訊號v2h，以作為濾波器180下一回濾波程序的參考。光學防手震電路在時間T1~T6對x軸進行偵測及補償，而且在接下來的時間T7~T12以及時間T13~T18分別對y軸及z軸進行偵測及補償，其細節可參考上述對時間T1~T6的描述。時間T19及T20為等待音圈馬達40反應的時間，待音圈馬達40動作完畢，接下來的時間T21中濾波器180可依據時間T6時所得到的訊號v2h再次對驅動感應訊號S進行濾波，之後反覆進行上述的步驟。

光學影像穩定裝置10的另一功能在於藉由分析影像感應器20的輸出影像，可以得知相機模組之鏡頭在組裝完成後所產生的組裝誤差，此類的組裝誤差會造成影像偏移或模糊。該組裝誤差可以被預先得知並儲存，之後拍照時可藉由控制鏡頭的位移以抵消該組裝誤差，因此即便鏡頭的組裝不完美，該相機模組仍可拍出清晰的影像。圖5為本發明之光學影像穩定裝置10偵測並記錄相機模組之組裝誤差之一實施例的流程圖。流程剛開始時（例如相機模組剛完成組裝），因為尚無分析結果，所以略過步驟S510直接進行步驟S520。在步驟S520中，像機模組先透過鏡頭及影像感應器20擷取參考物的影像。參考物上具有定位標記，因此接下來處理單元110可以分析參考物上定位標記的位置及清晰度，來產生分析結果（步驟S530），並且依據分析結果（例如影像是否夠清晰、影像的位置是否正確等等）來決定是否需調整鏡頭的位置（步驟S540）。如果分析結果指示鏡頭的位置還沒調至最佳的位置（步驟S540判斷為是），則處理單元110依據分析結果控制馬達驅動電路150，以驅動音圈馬達40調整鏡頭（步驟S510）。如此反覆進行步驟S510~S540，最後當參考物的影像夠清晰時（步驟S540判斷為否），可得到鏡頭在步驟S510~S540的調整過程中在各軸向上的調整量（例如x、y、z方向上的調整量分別為、、，其中x、y、z方向的其中之一為焦距方向），然後處理單元110再將所獲得的調整量儲存於記憶體115中（步驟S550）。記憶體115可以是非揮發性的記憶體元件，例如快閃記憶體，則該些調整量不會因為光學影像穩定裝置10斷電而遺失。之後當相機模組擷取影像時，馬達驅動電路150除了參考比例積分微分控制器140的控制變數u之外，更參考記憶體115中的鏡頭調整量來驅動音圈馬達40，亦即馬達驅動電路150更依據鏡頭調整量來調整音圈馬達40對鏡頭的驅動量（步驟S560）。如此一來，鏡頭可以移動至較佳的拍攝位置以克服鏡頭的組裝誤差，而且同時達到光學防手震的效果。

然而相機模組在拍攝時有許多因素會造成影像模糊，其中一個原因是因為正在被拍攝的目標物正在移動。因此光學影像穩定裝置10的另一功能在於藉由分析影像感應器20的輸出影像，以得知目標物的移動狀態，並依據目標物的移動狀態作相對應的補償。圖6為本發明依據目標物的位移資訊來對鏡頭進行偏移補償之一實施例的流程圖。如圖所示，當相機模組即將拍攝目標物時，此時鏡頭已對準目標物而且影像感應器20已產生目標物的影像（步驟S610）。之後處理單元110分析目標物的影像並且產生對應目標物位移的角速度資訊（亦即將目標物的位移程度轉換為相機模組的震動程度）（步驟S620），此角速度資訊即代表目標物於拍攝過程中的移動狀態。接著，積分器130對此角速度資訊積分，而得到對應目標物位移的角度偏移量，並且比例積分微分控制器140依據此角度偏移量與驅動感應器50之角度偏移量的差值來決定鏡頭偏移補償量（步驟S630）。然後馬達驅動電路150再依據鏡頭偏移補償量驅動音圈馬達40以調整鏡頭，亦即馬達驅動電路150更依據鏡頭偏移補償量來調整音圈馬達40對鏡頭的驅動量（步驟S640），使鏡頭的偏移趨勢與目標物的位移趨勢一致，以得到更清晰的目標物影像。圖6的流程可與光學影像穩定裝置10之前述的光學防手震機制同時執行，以得到更佳的影像品質。

上述的光學影像穩定裝置10係應用於相機模組，相機模組包含影像感應器20、震動感應器30、音圈馬達40、驅動感應器50。光學影像穩定裝置10可以是相機模組的一部分，或獨立於相機模組之外。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。再者，前揭實施例雖以手持裝置之相機模組為例，然此並非對本發明之限制，本技術領域人士可依本發明之揭露適當地將本發明應用於其它類型的影像擷取裝置。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧光學影像穩定裝置
20‧‧‧影像感應器
30‧‧‧震動感應器
40‧‧‧音圈馬達
50‧‧‧驅動感應器
110‧‧‧處理單元
115‧‧‧記憶體
120、190‧‧‧類比數位轉換器
130‧‧‧積分器
135、184、188、146‧‧‧加法器
140‧‧‧比例積分微分控制器
150‧‧‧馬達驅動電路
160‧‧‧轉換單元
165、175、186‧‧‧多工器
170‧‧‧映射電路
180‧‧‧濾波器
141、142、143、144、181、182、183、187‧‧‧延遲單元
185、189‧‧‧比較器
145‧‧‧乘法器
147‧‧‧暫存器
S510～S560、S610～S640‧‧‧步驟

［圖1］為本發明光學防手震電路之一實施例的功能方塊圖； ［圖2］為本發明的濾波器之一實施例的局部電路圖； ［圖3］為本發明的濾波器之一實施例的局部電路圖； ［圖4］為本發明比例積分微分控制器140的細部電路圖； ［圖5］為本發明之光學影像穩定裝置10偵測並記錄相機模組之組裝誤差之一實施例的流程圖； ［圖6］為本發明依據目標物的位移資訊來對鏡頭進行偏移補償之一實施例的流程圖；以及 ［圖7］為本發明之加法電路、乘法電路及比較電路由光學防手震電路的各個元件所使用之時序圖。

10‧‧‧光學影像穩定裝置

20‧‧‧影像感應器

30‧‧‧震動感應器

40‧‧‧音圈馬達

50‧‧‧驅動感應器

110‧‧‧處理單元

115‧‧‧記憶體

120、190‧‧‧類比數位轉換器

130‧‧‧積分器

135‧‧‧加法器

140‧‧‧比例積分微分控制器

150‧‧‧馬達驅動電路

160‧‧‧轉換單元

165、175‧‧‧多工器

170‧‧‧映射電路

180‧‧‧濾波器

Claims (8)

1. 一種光學影像穩定裝置，應用於一相機模組，該相機模組之一鏡頭由一馬達驅動，該相機模組包含用於感應該馬達對該鏡頭之一驅動量之一驅動感應器、用於偵測該相機模組之震動程度之一震動感應器，以及用於感應產生一參考物之影像之一影像感應器，該光學影像穩定裝置包含： 一濾波器，利用一第一加法器計算該驅動感應器之一驅動感應訊號於時間上的變化量，以濾波該驅動感應訊號； 一映射電路，用來儲存該驅動感應訊號對應一第一角度偏移量之一映射表； 一轉換單元，耦接該映射電路，用來依據該映射表將該驅動感應訊號轉換為該第一角度偏移量； 一積分器，用來對該震動感應器之一震動感應訊號積分，以產生一第二角度偏移量； 一第二加法器，耦接該積分器及該轉換單元，用來計算該第一角度偏移量及該第二角度偏移量之一差值； 一處理單元，耦接該影像感應器，用來分析該參考物之影像以產生用以補償該相機模組之組裝誤差的一調整量； 一記憶體，耦接該處理單元，用來儲存該調整量；以及 一馬達驅動電路，耦接該第二加法器及該記憶體，用來依據對應該差值之一控制變數及該調整量控制該馬達對該鏡頭之該驅動量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學影像穩定裝置，更包含： 一比例積分微分控制器，耦接該第二加法器及該馬達驅動電路，用來依據該差值產生該控制變數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學影像穩定裝置，其中該轉換單元更耦接該馬達驅動電路，用來將該馬達驅動電路之一驅動訊號轉換為一參考訊號，該濾波器更利用一第三加法器計算該驅動感應訊號與該參考訊號之差值，以濾波該驅動感應訊號，該第三加法器係與該第一加法器及該第二加法器共用該加法電路。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學影像穩定裝置，其中該濾波器更包含： 一第一比較器，耦接該第三加法器，用來將該驅動感應訊號與該參考訊號之差值的絕對值與一第一預設值做比較；以及 一第二比較器，耦接該第一加法器，用來將該驅動感應訊號於時間上的變化量的絕對差值與一第二預設值做比較； 該第一比較器及該第二比較器係共用一比較電路。
5. 一種鏡頭調整方法，用於補償完成組裝之一相機模組的組裝誤差，包含： 利用該相機模組擷取一參考物影像； 分析該參考物影像以產生一分析結果； 依據該分析結果產生據以調整該相機模組之一調整量；以及 記錄該調整量。
6. 如申請專利範圍第5項所述之鏡頭調整方法，更包含： 於該相機模組擷取待攝之一目標物之影像時，依據該調整量調整該相機模組。
7. 如申請專利範圍第6項所述之鏡頭調整方法，更包含： 感應該相機模組之一震動以產生一震動補償訊號； 其中於該相機模組擷取待攝之該目標物之影像時，更同時依據該震動補償訊號調整該相機模組。
8. 如申請專利範圍第5項所述之鏡頭調整方法，該參考物影像包含一定位標記，該分析該參考物影像以產生該分析結果之步驟方法包含： 依據該定位標記於該參考物影像中之位置產生該分析結果。