TWI297417B - An auto-focus apparatus and method capable of compensating for the load variation - Google Patents

Description

f.doc/g 12974 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種光學 π 置及其方法’且特別是有關L自動對焦系統裝 可提供補償控制之光學攝麥哭！此對外部負载力及晃動 方法。 W材之自動野焦系統裝置及其 【先前技術】 傳統之自動對焦系統係 動器，但其具有下列缺點：用乂進馬達作為自動對焦致 1. :焦速度不夠快，無法應用於高品 . 2. 2速的自動對焦過程中，系統較耗:攝衫衣置， 3. 自動對焦過程中的機械雜音較大； 耗月b， 4·自動對焦過程中，因為外 " 數位替為卜負載雙動而導致失步，需靠 歎位Λ錢理過後之回授參數做為補償。 則線性生^生致動裔為自動對焦系統之致動器時， 達期望的二f 1易受負载變動的影響而造無法正確地到 /王、:了位置。而自動對焦系統之致動器（或稱馬達） 要負载受動來源係重力及晃動。例如當自動對焦系統 之致動器水平操作時，其致動器之出力變化勢必與自動對 焦系統之致動器垂直操作不同。因此若用相同的控制力在 水平方，與垂直方向之不同負載力情況下去控制線性馬達 的位移量時，將可預期無法達到正確對焦位置。為解決上 、、口重力產生水平與垂直之不同負載力之問題，習知之 解決之技術有如下數者·· 129741 S〇9twf.d〇c/g 對線一種可 機。但Sany〇針㈣=产二之自動對焦攝影 機在不同的f載的仙疋依據牛頓力學定理。故當相 力的分力有，控制自動對焦的線性馬達會因為重 定的^ ’喊__結果非為預期所設 果，事先預知所是經過預先計算及實驗結 及持二士^ 達在水平狀態下，輸出固定的 電壓值與位移量呈線性關係，輸出方 牛頓力聲斗瞀… 透過位置回授訊號及 而辦減_=用位移的誤差量來決定負載力的大小進 曰達之電廢偏紐。故sanyo可對馬達 直力負载受動產生補償。 U=ί國專利號第5，G57,859號(申請人Q1ym_，其 …、置偵測係利用脈衝產生器當作編碼器產生财衛; 數_換成實際的位移^ 01y^s 部無法對負載力變動時提供補償機制。 ㈣尚1一美國專利號第5,325，145號(中請人Canon)，其 批I, ’係透過三片鏡片來達成對焦動作。藉由影像分 果，判斷整體對焦的完成程度，進而三種不同速度(即 =速’中速及低速)來動三組對焦馬達，使每一鏡片能移動 正確的對焦位置上。然而，⑸⑽如同吻呵仍一般盔 法對負載力變動時提供補償機制。 、、雖;、、;、觔述之Sanyo可對馬達之外加重力負載變動產生 補償’但對於晃動(stagger)所導致之負載力變動，卻也無 12974IS 〇9twf.doc/g 法提供補償機制。甚而，Sany〇之實現之前提要件係馬達 之移動位移量，速度及驅動電壓關係皆十分線性。但現實 上’在能到此要求的元件之設計和製作皆报困難。因而為 解决上述之因晃動所導致之負載力變動且進而影響對焦之 問題乃係業界目前面臨最嚴重之課題。甚而，在不增加硬 ，成本之考量下，如何使用線性致動器及搭配負載變動補 k控制法以實現快速對焦且能有效地補償負載變動也是業 界目W面臨最嚴重之課題。因此，有必要提供一種可補償 負載變動而達到快速及精確對焦之自動對焦系統裝置。 【發明内容】 λ為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易 懂’下文特舉較佳實闕，並配合賴@式，作詳細說明如下。 本电月之主要目的係提供一種可補償負載變動而達 到，速，精確對焦之自動對録統裝置。其係利用線性致 動器及搭配貞龍動漏㈣法，並藉由監控該致動器之 速度與位置、化來達到補償負載力變動的位置控制。 ^本叙月之進而目的係提供一種可針對晃動之負載力 變動提供補償控制之自動對焦系統裝置。本發明係利用負 載變動補·餘來㈣聚线片，且使祕性致動器作 為載具，成快速聽之目的。減化過 皮寫入到系統中央處理單元内的唯讀記： 體’而在其貞載變動補償控射所使㈣的參考模型 (reference m〇del) , s 4^(s.d〇main)^ 計舁。因此’先透過實驗的過程，將輸人，輸出結果予以 oc/g 12974 L^twf.d 建表在該祕之巾央處理單元_唯讀記憶如，透過杳 表的方式’有效減低運算量而達到良好的控制補償效果了 本發明之更進而目的係提供一種自動對焦之方法，其包 括： 八 使用一磁阻感測器以感應出-線性致動器移動時所產生 在一線性磁條的磁場變化，且該磁場變化隨後藉一中央處理器 之-位置計算法產生相職該線性致動㉟植置峨;使用一 影像數位訊號處理器，用以產生一對應該線性致動器之位置的 ，置命令；使用-位置控制器，用以接收該位置命令並據以決 疋忒線性致動裔之一水平姿態之原始控制電壓；使用一位置微 分器，其用⑽該位置訊賴換成該線性絲^的實際速度訊 號；使用-參考模型轉換器，並藉用—已内建在—唯讀記憶體 内之線性致動裔的參考模型特性，將一輸入線性致動器之一控 制電壓轉換成對應之可使該移動式鏡片載具移動之速度；使用 一速度比較器，將該參考模型轉換器所輸出的速度訊號與位置 微分器所產生的真實速度訊號做比較，產生一個速度差異訊 諕，及使用一負載變動補償器，用以將依據該速度比較器 所輸出的速度差異值，決定出一補償控制電壓，該補償控 制電壓與一位置控制器所產生之原始控制電壓共同輸入一 加法器作加成，進而傳輸至該線性致動器之驅動器以調整 该線性致動器之速度。 此外’本發明所用之負載變動補償控制方式，係藉由 速度變化量之差異以產生可補償負載力變動之控制電壓。 因此’本發明不僅可補償重力的影響，且可補償除重力外 8 .12974 L^twf.doc/g 之負載气*動’而達到快速精確對焦之目的。 法，更，—目的係提供—種負載變動補償控制 在的負'載變動呈該線性致動器之速度變化量係與外 ^从 線性關係，故可藉由該速度變化量而明確 ===量，並進而~^^ 又1匕里木補仏外在負載之變動。 【實施方式】 ^據牛頓力學定律，可知當線性致動器受外負載 F:影響下，假設線性致動器之出力為F麟擦力為零， 則線性致動器之淨輪出力為： F _ Fload = Ma = ΜΔν/At ⑴ F = KtV (2) 八中Μ係代表線性致動器之重量；a係代表線性致動器之 力速，Αν為時間之速度變化量；v係代表線性致動器 之操作電壓。則方程式（1)可改為： FAt - FL〇ADAt = ΜΔν Δν = FAt / Μ - FLOADAt /Μ (3) 在方程式(3)中，μ，F，Μ皆為固定值，故AV與Fl〇ad 王線性關係。因此，本發明係依據該線性致動器之速度變 化量來補償外在負載之變動。 請參考圖1，其係本發明之硬體架構圖。本發明包括 一中央處理單元(CPU) (14)，兩個以上的類比/數位轉換 為U3) ’ 一 60KBytes唯讀式記憶體(15)及1 Kbytes隨機存 取記憶體（16)。其中一線性致動器之驅動器（11)係透過串 列傳輸介面(serial peripheral interface)，一方面能接收來自 丄/ 1 JI8i09twf.doc/g 中央處理單元(14)所輸出的數位資料及控制命令，另一方 _ 面則會根據所收到之資料及控制命令產生不同的驅動電壓 • 給一線性致動器(9)。當該線性致動器（9)移動時，磁阻式編 碼器是利用磁阻式感測器(MR sens〇r)(7)來感應線性磁條 _ (6)的磁場變化，進而產生兩組相位差為90度之磁弦波訊 號（即sin和cos)，透過軟排線(FPC)⑻送至一主動式低通 濾波器（10)以過濾訊號之雜訊，再透過一信號 ，壓位，整到後續之該類比/數位轉換器^；^ 之範圍隶後，所付之無雜訊訊號再被該類比/數位轉換 :(13)輸出至戎中央處理單元(14)，藉由其内之快速位置演 算法而精準算出該線性致動器(9)所在的位置。 八 同％•睛參考圖2之本發明之架構方塊圖。當影像數位 訊號處理器（17)的位置命令d*送達至一位置控制器(2〇)，該 位置控制器(20)則藉由該一中央處理單元（14)(如圖1所示) 内=先經二階式比例積分演算法，以決定出該致動器在水 平日守之原始控制電壓命令V。假若此時沒有外加負載力於 • 該線性致動器（9)或移動式鏡片載具(1)上，則不會有回授 補償電壓#ve來補償原始控制電壓命令V，因此輸入控制電 壓〒令V等於原始控制電壓命令V。接著，藉一脈衝寬度 凋、交汛號轉換器(22)，將該輸入控制電壓命令V*轉換成適 §的脈衝寬度調變控制所需之驅動電壓命令VCOM及適當 的脈衝寬度責任週期命令DTc〇M，該兩命令再送至線性 致動器（9)之可程式馬達驅動器（11);最後產生脈衝寬度調 變PWM之控制電壓至該線性致動器(9)。因而，如圖 129741¾ 9twf.doc/g 示之該線性致動器（9)連同該移動式鏡片載具(1)沿著一導 桿(3)在一軛鐵(5)中做直線移動。

本發明係利用負載變動補償作為理論基礎；即事先透 過電腦模擬與實驗，將線性致動器參考模型之響應特性 (即輸入原始控制電壓命令V與速度變化量AVe呈正比關係） 予以建表在運算控制晶片内之唯讀式記憶體（15)，以構成 參考模型轉換器(28)。此外，該線性致動器（9)之實際速 度v，是在一位置微分器（25)内透過該磁阻式感測器(MR ❿ sensory)不斷地做位置回授^農柢佩取银吋间 差分計算而輸出一實際磁性致動器(9)之速度；；。此實施速 度v會與一内建線性致動器參考模型之速度響應特性之該 芩考模型轉換器(28)所輸出的依據原始控制電壓命令v查 詢出相對應之速度變化量積分所得的Ve，在一比較器 (26)内藉由該中央處理單元(14)之減法計算。事實上，該 比較器（26)實質上為—減法||。假若線性致動器(9)連同該 f動式鏡片載具⑴有外在貞載Text(t)的變動時，此減法計 异後之差異U會是-定值，因此透過—負載變動補償 器⑼的轉換’依據[差異值的大小產生不同位階之補償 控制電壓命令Ve，再藉由％與原訊號v相加(21)，產生 -組具補償雜之輸人控制電壓命令V*來動態補償外在 負載Text⑴時所造成的速度差異。 為了提升電能使用效率’該輪人控制電壓命令 過-脈衝寬度調變訊號轉換器(22)在該中央處理單 内部做決速運算以決定出適#的_寬度機控制所需之 ^wf.doc/g 驅動電壓命令vC0M及適當的脈衝寬度責任週期命令 dtcom，该兩命令送至接收串列數位資料輸入之該線性致 動器（9)的可程式馬達驅動器（11)。因此，本發明之補償控 制機制不僅可以用來調變重力負載變動所造成的影響，且 可補償外部的擾動（或晃動)輸入。 ^明參考圓3，其為該輸入控制電壓命令v*轉換成脈衝 寬度調變控制所需之驅動電壓命令Vc〇m&適當的脈衝寬 度貝任週期命令dtcom的演算法所根據之特性曲線。其 中，實線(電壓V!)係代表原始控制電壓，而虛線(電壓v2) 係代表補償控制電壓命令。又根據述理論實驗，先將整個 實驗平台放置水平，且在時間轴為70亳秒時，有一外加瞬 間擾動（或晃動）負載施加於線性致動器（9)上，如圖4之下 圖所不；意、即，在時間軸低於7G毫秒時，外在負載力丁加⑴ 並未變動而是為重力T⑴，故Text(t) _ T(t) = 〇 ;但時間軸 為70毫秒時，顯示除了重力外已加入瞬間擾動。再如圖4 之上圖所示，在B寺間軸為70毫秒時，本發明之實施例(如 圖1及2)將會產生-補償控制電壓來補償線性致動器⑼ 上之外部擾動（或晃動)輸入。 綜上所述，本發明之自對焦系統較習知者具有下列優 黑占： 1.本發明可提供-種可針對絲之貞載力魏提供補償 控制之自動對焦系統裝置，其不僅具有對因重力產生之 負載變動提供補償’ 對因外部擾動(或晃動)產生之負 載變動提供補償，故較習知者僅具有補償因重力產生之 12 12974 l8^9twf.doc/g 負載變動，更具有補償因外部擾動(或晃動)產生之 變動。故本發明顯較習知者具有增進之功效。 .本發明之自動對焦系統裝置屏除了習知步進馬達之缺 .=，且提幵致動器的效率’縮短自動對焦時間，也減少 ，池的電能消耗’故本發明之電池較習知者增長使用於 命。 可 喂定月已以祕貫施例揭露如上’然其並非用以 ‘ίΓ二任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 51 A ’ S可作些許之更動制飾，因此本發明之保1 ^視_之中請專· _界定者為準。4 [圖式簡單說明】+ 之 圖1為根據本發明較佳實補之自域焦 硬體架構圖。 圖2 ί ^據本發明較佳實施例之自動對焦系統震置之 木構方塊圖。 Ά依柄明之錄實關的輸人控制電屢命令轉 當驅動電壓命令及適 性I線 貝任週期命令的演算法所根據之特 W4變之動下與圖時 ⑧ 13 129741¾ twf.doc/g 【主要元件符號說明】 1. 移動式鏡片載具 2. 套筒 3. 導桿 5. 輊鐵 6. 磁條 7. 磁阻式感測器 8. 軟排線 9. 線性致動器 10. 主動式低通濾波器 11. 具有串列傳輸介面之可程式馬達驅動器 12. 信號放大器 13. 兩個類/數位轉換器 14. 中央處理單元 15. 唯讀式記憶體 16. 隨機存取記憶體 17. 影像數位訊號處理器 14

Claims (1)

12974U 09twf.doc/g 十、申請專利範圍： 1· 一種自動對焦系統裝置，包括·· 一線性致動器，其用以驅動一固持一鏡片之移動式鏡片載 具； - 一影像數位訊號處理器，其用以產生一對應該線性致動器 之位置的位置命令； 一位置控制器，其接收該位置命令並據以決定該線性致 動器之一水平姿態之原始控制電壓； 參 一位置微分器，其包括一磁阻編碼器且該位置微分器可將 該磁阻編碼器所產生的位置訊號轉換成該線性致動器的 實際速度訊號； 一參考模型轉換器，其藉用一已内建在一唯讀記憶體内 之線性致動器的參考模型特性，將一輸入線性致動器之 一控制電壓轉換成對應之可使該移動式鏡片載具移動 之速度； 一速度比較器，將該參考模型轉換器所輸出的速度訊號 • 與位置微分器所產生的真實速度訊號做比較，產生一個 速度差異訊號；及 一負載變動補償器，其依據該速度比較器所輸出的速度 差異值，決定出一補償控制電壓，該補償控制電壓與一 位置控制器所產生之原始控制電壓共同輸入一加法器 作加成，進而傳輸至該線性致動器之驅動器以調整該線 性致動器之速度。 2·如申凊專利範圍第1項所述之自動對焦系統裝置，其更包 15 09twf.doc/g 括-脈衝寬度調變城轉鮮，其侧崎合成後 控制電壓與原始控制電壓轉換成一脈衝寬度調變控^ 讯號所需之驅動電壓命令及適當的脈衝寬度責任週期 〒令，且该兩命令隨後輸入該線性致動器之驅動器。 3. 如申請專利範圍第1項所述之自動對焦系統裝置，其更包 括一用以感應該線性致動器移動所產生在一線性磁條的磁 場變化之磁阻感測器，且該磁阻編碼器可藉一中央處理器 之一位置計算法產生相對應該線性致動器之位置訊號。 4. 如申請專利範圍第1項所述之自動對焦系統裝置，其中該 速度比較器實質上為一減法器。 5·如申請專利範圍第！項所述之自動對焦系統裝置，其中該 位置控制器係包含一二階比例積分演#法，#用以將所 接收之該位置命令計算出該線性致動器之水平姿態時的原 始控制電壓。 6· —種自動對焦之方法，包括： 使用一磁阻感測器以感應出一線性致動器移動所產生在一 • 線性磁條的磁場變化，且該磁場變化隨後藉一中央處理器 之一位置計算法產生相對應該線性致動器之位置訊號； 使用一影像數位訊號處理器，用以產生一對應該線性致動 器之位置的位置命令； 使用一位置控制器，用以接收該位置命令並據以決定該線 性致動器之一水平姿態之原始控制電壓； 使用一位置微分器，其用以將該位置訊號轉換成該線性致 動器的實際速度訊號； twf.doc/g 12974 1b7〇9 使用-參考模型轉換器，並翻—已内建在—唯讀記憶 f内之線性致動器的參考模型特性，將一輸入線性致動 益之一控制電壓轉換成對應之可使該移動式鏡片載具 移動之速度； 使用一速度比較器，將該參考模型轉換器所輸出的速度 Λ號與位置彳政分為所產生的真實速度訊號做比較，產生 一個速度差異訊號；及 使用-負賴動補償H，用以將依據該速度味器所輸 出的速度差異值，決定出-補償控制電壓，該補償控制 電壓與—位置控制！I所產生之原始控制電壓共同輸入 一加法裔作加成，進而傳輸至該線性致動器之驅動器以 調整該線性致動器之速度。 7·如申請專利範圍帛6項所述之自動對焦之方法，其更包括 一使用一脈衝寬度調變訊號轉換器之步驟，其係用以將合 成後之補償控制電壓與原始控制電壓轉換成一脈衝寬^ 調變控制訊號所需之驅動電壓命令及適當的脈衝寬度 責任週期命令，且該兩命令隨後輸人該祕致動器之驅 動器。 8.如申請專利範圍第6項所述之自動對焦之方法，其中該使 用-速度比較器之步驟中，該速度比較器實質上為 法器。 9·如申請專利範圍第6項所述之自動對焦之方法，其中該使 用一位置控制器之步驟中，該位置控制器係包含'一二階 比例積分演异法，用以將所接收之該位置命令計算出該 線性致動器之水平姿態時的原始控制電壓。

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