TWI413406B - 振動補償控制電路及攝像裝置 - Google Patents

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Description

振動補償控制電路及攝像裝置
本發明有關一種驅動在數位相機(digital still camera)等攝像裝置中為了補償手抖動等振動而設的振動補償機構的振動補償控制電路以及使用該振動補償控制電路的攝像裝置。
在近年來的攝像裝置中，為了控制由手抖動引起的畫質下降而搭載手抖動校正功能的裝置增多。手抖動校正的方式中存在若干個種類，作為其中一種，存在由振動檢測元件檢測攝像裝置的振動，並依據振動檢測元件的檢測信號由致動器(actuator)使校正透鏡等光學部件或者CCD(charge coupled device；電荷耦合元件)成像感測器(imaging sesor)等攝像元件變位的方式。振動檢測元件中使用迴轉儀感測器(gyrosensor)，檢測對應光軸朝向的變化的角速度。另一方面，致動器的驅動控制中，使用透鏡等變位量。因此，產生致動器的驅動信號的振動補償控制電路，還進行對由振動檢測元件得到的角速度等變位速度進行積分後轉換為變位量的處理。
具體而言，求出該變位量的處理係對迴轉儀感測器所輸出的角速度信號，進行去除比手抖動的振動頻率的頻帶低的頻率分量的手抖動分量提取處理後，進行積分處理從而進行由角速度到對應角度的變位量的轉換。另外，在求得該變位量的處理中，通過使積分處理的輸出信號衰減等，以透鏡等難以到達可動界限的方式，進行確定變位量的定中心(Centering)處理。在此，將依據迴轉儀感測器輸出信號而產生對應變位量的輸出的處理部稱為迴轉儀濾波器(gyrofilter)。
[專利文獻1]日本特開2002-246913號公報
以往，迴轉儀濾波器係藉由使用微處理器的軟體而實現。在此，存在為了提升振動補償的跟隨性時若提高微處理器的驅動時脈的頻率則消耗電力增大之類的問題。因此，如果由數位濾波器來構成迴轉儀濾波器，能夠回避微處理器的使用從而謀求消耗電力的降低。
迴轉儀感測器係輸出對應變位速度的類比信號，該類比信號由A/D轉換器(ADC：Analog-to-Digital Converter；類比數位轉換器)轉換為固定小數點形式的數位資料，並輸入至迴轉儀濾波器。另一方面，迴轉儀濾波器作為運算結果而輸出的振動補償資料，將用於致動器的驅動信號的產生。該驅動信號的產生中，例如使用有D/A轉換器(DAC：Digital-to-Analog Converter；數位類比轉換器)或脈衝寬度調變(PWM：Pulse Width Modulation)電路。由於DAC、PWM電路結構簡單等，所以使用輸入固定小數點形式的資料的結構。也就是說，迴轉儀濾波器係輸入固定小數點形式的變位速度資料，輸出固定小數點形式的振動補償資料。由此，迴轉儀濾波器內的運算也基本能夠以固定小數點形式進行。
但是，迴轉儀濾波器中的計算含有積分處理，以固定小數點形式的運算係有該積分處理中容易產生溢出之類的問題。對於該問題，若為了減小資料而由乘法器乘以增益值，或進行對資料進行間隔去除之類的處理，則產生迴轉儀濾波器的電路結構變得複雜的問題。另外，即使能夠防止由溢出引起的振動補償資料的精度下降，但乘以增益值或進行資料的間隔去除所引起的振動補償資料的精度會下降。
本發明是為了解決上述問題點而研創者，其目的是提供一種確保由變位速度資料求得振動補償資料的計算的精度，能夠恰當的補償振動之振動補償控制電路以及攝像裝置。
本發明中的振動補償控制電路以及本發明中的攝像裝置中使用的振動補償控制電路，是如下的電路，即：依據由攝像裝置中設置的振動檢測元件所檢測的該攝像裝置的變位速度，來驅動該攝像裝置的振動補償機構，該振動補償控制電路具有：振動補償資料產生電路，係依據對應前述變位速度的變位速度資料，產生對應前述攝像裝置的變位量的振動補償資料；以及驅動信號產生電路，係依據由前述振動補償資料產生電路輸出的前述振動補償資料，產生驅動前述振動補償機構的驅動信號；其中，前述振動補償資料產生電路，具有：輸入形式轉換電路，係將前述變位速度資料由固定小數點形式轉換至浮動小數點形式；屬於數位濾波器之高通濾波器，係對前述浮動小數點形式的前述變位速度資料，進行將低頻率分量進行衰減並使目的補償頻帶的振動分量通過的濾波處理；屬於數位濾波器之積分電路，係對前述高通濾波器的輸出資料進行積分處理，從而產生前述振動補償資料；以及輸出形式轉換電路，係將前述積分電路中得到前述振動補償資料由浮動小數點形式轉換至固定小數點形式，並從該振動補償資料產生電路輸出。
(發明之效果)
根據本發明，振動補償資料產生電路中，藉由以浮動小數點形式運算的數位濾波器進行從輸入的固定小數點形式的變位速度資料產生固定小數點形式的振動補償資料的處理。由此，由於防止振動補償資料產生電路內的溢出，另外小的資料也以高精度表示，因此確保振動補償資料的精度，恰當地進行振動補償。
下面，依據附圖對本發明的實施形態(以下稱為實施形態)進行說明。本實施形態是涉及照相機，本發明中的振動補償控制電路用於該照相機的手抖動校正功能。
第1圖是實施方式中的照相機的手抖動校正系統的概略的方塊構成圖。本手抖動校正系統係含有感測器部2、電路部4、以及驅動部6而構成。雖然手抖動校正系統存在若干的方式，但例如本系統中，可以選擇如下的方式，即：控制在攝像元件(未圖示)的受光面形成光學像的光學系統中設置的校正透鏡(透鏡8)的位置。
感測器部2係由霍爾元件10和迴轉儀感測器12構成。霍爾元件10是用以檢測透鏡8的位置而設置的感測器，依據固定於透鏡8的磁石的磁場，產生與透鏡8的距離對應的電壓信號VP 並輸出至電路部4。為了檢測垂直於光軸的平面(x-y平面)內的透鏡8的二維的位置(PX ，PY )，霍爾元件10分別對應x方向、y方向而設置，對x方向、y方向各自得到信號VP 。
迴轉儀感測器12是用以檢測照相機的振動而設置的感測器(振動檢測元件)，將對應角速度ω的電信號Vω 輸出至電路部4以作為對應照相機的變位速度的振動檢測信號。迴轉儀感測器12也設置2個，分別對繞x軸旋轉下的角速度分量以及繞y軸旋轉下的角速度分量得到信號Vω 。
可以變位的透鏡8和使該透鏡8變位的驅動部6係構成振動補償機構，驅動部6的驅動力源係例如由聲圈馬達(Voice Coil Motor：VCM)14構成。VCM 14係對應電路部4產生的驅動信號的電壓，使構成該VCM的可動線圈的位置直線變位，從而控制透鏡8的位置。為了實現x-y平面內的二維變位，VCM 14設置了一對，並分別能夠實現x方向、y方向的變位。
電路部4係具有ADC 20、霍爾濾波器22、迴轉儀濾波器24、DAC 26以及內部監視用電路28。電路部4由邏輯電路構成，例如，使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit；特定應用積體電路)來構成。
ADC 20中，分別輸入霍爾元件10、迴轉儀感測器12的輸出信號。ADC 20係將2個霍爾元件10各自輸出的電壓信號VP 、和2個迴轉儀感測器12各自輸出的電壓信號Vω 以時分割轉換為固定小數點形式的數位資料。各信號的A/D轉換在每個伺服控制周期周期性的進行。
依據霍爾元件10的輸出而產生的位置資料DP 係輸入至霍爾濾波器22。另一方面，依據迴轉儀感測器12的輸出而產生的角速度資料Dω 係輸入至迴轉儀濾波器24。
迴轉儀濾波器24是產生對應照相機的變位量的振動補償資料的電路，對每個伺服控制周期在預定的取樣期間所輸入的角速度Dω 進行積分處理，產生分別對應繞x軸、y軸的照相機的搖動角度θ的資料Dθ 。迴轉儀濾波器24係依據資料Dθ 產生並輸出對應分別對於x方向、y方向的手抖動量的振動補償資料DS 。對於迴轉儀濾波器24的結構在後面進一步敍述。
霍爾濾波器22具有加法器32以及伺服電路34。加法器32係將ADC 20所輸入的位置資料DP 與來自迴轉儀濾波器24的振動補償資料DS分別在x、y各方向進行相加。伺服電路34係由加法器32的輸出資料計算出相當於分別對應x軸方向、y軸方向的透鏡8的所需變位量的伺服資料DSV 。
DAC 26，將霍爾濾波器22所輸出的伺服資料DSV 轉換為類比電壓信號。DAC 26輸出的電壓信號係施行預定的放大處理後施加於VCM 14。VCM 14係在減少DSV 的絕對值方向進行驅動，由此，搭載有本系統的照相機係能在攝像期間對應手抖動使透鏡8移動，來補償由該手抖動引起的攝像元件上的拍攝對象影像的變位，並得到高畫質的影像信號。
內部監視用電路28是用於將迴轉儀濾波器24的內部運算資料從輸出端子NOUT 取出的電路。該電路，在從電路部4的外部監視迴轉儀濾波器24的動作狀態時使用。例如，在設定構成迴轉儀濾波器24的數位濾波器的特性時，和故障分析時使用。例如從輸出端子NOUT 輸出對應內部運算資料而變化的類比信號，將該信號輸入至示波器等信號監視裝置，可以將內部運算資料的時間變化作為波形進行觀察。對於內部監視用電路28的結構將在後面進行敍述。
接下來，說明迴轉儀濾波器24的結構。第2圖是表示迴轉儀濾波器24的概略構成的方塊圖。迴轉儀濾波器24具有輸入形式轉換電路40、手抖動分量提取電路42、積分電路44、定中心處理電路46以及輸出形式轉換電路48。
輸入形式轉換電路40係將ADC 20所輸入的角速度資料Dω 由固定小數點形式轉換至浮動小數點形式。例如，輸入形式轉換電路40係將16位元的固定小數點形式的資料轉換為32位元的浮動小數點形式的資料。
手抖動分量提取電路42是高通濾波器(High Pass Filter：HPF)，從輸入形式轉換電路40輸入由時間序列的角速度資料Dω 構成的角速度信號，進行衰減該角速度信號中含有的低頻率分量，和使目的補償頻帶的振動分量通過的濾波處理。目的補償頻帶係以含有由照相機的手抖動引起的振動的頻帶的方式而設定。例如，對應手抖動為含有2Hz至10Hz左右的低頻率的情況，手抖動分量提取電路42的HPF的截止頻率例如設定為未達到1Hz。也就是說，手抖動分量提取電路42對幾乎視為直流分量的低頻率分量進行衰減，另一方面，進行使幾Hz左右的分量通過的高通濾波處理，從輸入的角速度信號提取對應手抖動的頻率分量。手抖動分量提取電路42係由以浮動小數點形式進行運算的數位濾波器構成，藉由未圖示的暫存器中所設定的濾波器係數對濾波器特性進行設定。
積分器電路44係對由手抖動分量提取電路42輸出的浮動小數點形式的資料所構成的角速度信號進行積分，從而產生由表示攝像裝置的變位量的角度資料Dθ 構成的角度信號。積分電路44可以使用LPF(低通濾波器)來構成，該LPF由以浮動小數點形式進行運算的數位濾波器構成，藉由未圖示的暫存器中所設定的濾波器係數對濾波器特性進行設定。再者，雖然積分電路44中產生的角度資料Dθ 如上述表示攝像裝置的變位量，並可以將其作為輸入至霍爾濾波器22的振動補償資料DS 進行使用，但是，本系統中，將對積分電路44中得到角度資料Dθ 進一步進行定中心處理後的結果作為振動補償資料DS ，提供給霍爾濾波器22。
定中心處理電路46係以透鏡8難以到達由補償控制機構引起的可動界限的方式，進行校正變位量的處理。定中心處理的方法之一，是所謂的從由積分處理所得到的角度資料Dθ 中，對含有比目的補償頻帶的下限低的頻率並可視為直流的分量進行衰減的方法。該情況下，定中心處理電路46可以使用HPF來構成。該定中心用的HPF係由以浮動小數點進行運算的數位濾波器構成，由未圖示的暫存器中所設定的濾波器係數對濾波器特性進行設定。與構成上述的手抖動分量提取電路42的HPF相同，基本上構成定中心處理電路46的HPF的截止頻率設定得比目的補償頻帶的下限低。如上述，定中心處理電路46的處理結果作為振動補償資料DS 被使用。
輸出形式轉換電路48係將由定中心處理電路46輸入的振動補償資料DS 從浮動小數點形式轉換為固定小數點形式，並將以固定小數點形式所表示的振動補償資料DS 輸入至霍爾濾波器22的加法器32。
迴轉儀濾波器24的處理過程中，能夠產生以固定小數點不能表示的範圍的資料。例如，積分電路44中由於直流分量的累積，積分結果可以得到超過以16位元的固定小數點形式資料可以表示的上限的值。雖然該直流分量在定中心處理電路46中被去除，並且定中心處理電路46的處理結果可以為以固定小數點形式能夠表示的範圍，但是若在積分電路44中產生溢出，則由定中心處理電路46輸出的振動補償資料DS 的精度降低。但是，由於本系統的迴轉儀濾波器24係依據以浮動小數點形式表示的資料進行從角速度資料Dω 產生振動補償資料DS 的處理，因此能夠正確表示如固定小數點形式所不能表示的資料，並依據其正確值得到高精度的振動補償資料DS 。
另外，迴轉儀濾波器24是將從角速度資料Dω 產生振動補償資料DS 的處理由數位濾波器進行的結構。該結構，比起設有微處理器等的結構可以縮小電路面積。由此，可以降低形成電路部4的半導體晶片的成本。另外，由微處理器進行上述的浮動小數點形式下的運算的情況，比起進行固定小數點形式下的運算的情況，需要高性能的微處理器，成為成本增加的主要原因。對此，由於使用數位濾波器的結構比微處理器電路規模小，因此實現對應浮動小數點形式的結構時的成本增加，比使用微處理器時要少。再有，不需使用用以產生振動補償資料DS 之微處理器等，能夠減少電路部4中的消耗電力。另外，通過以數位濾波器構成迴轉儀濾波器24，能夠容易改變濾波器係數等調整資料。由此，能夠容易改變對應攝像裝置的設計的調整資料的設定。
第3圖是表示迴轉儀濾波器24中使用的數位濾波器的構成例，以及內部監視用電路28的結構的概略方塊圖。數位濾波器60是一次IIR(Infinite Impulse Response；無限脈衝響應)濾波器，由乘法器61、62、63、延遲電路64、65以及加法器66構成。乘法器61係將暫存器等中所設定的係數與浮動小數點形式的輸入資料相乘，將乘法運算結果輸入至加法器66。乘法器62係對由延遲電路64進行延遲的浮動小數點形式的輸入資料與暫存器等中所設定的係數進行相乘，並將乘法運算結果輸入至加法器66。乘法器63係對由延遲電路65將加法器66的輸出延遲後的浮動小數點形式的資料，與暫存器等中所設定的係數進行相乘，並將乘法運算結果輸入至加法器66。加法器66係對這些乘法器61至63的輸出進行相加並輸出。
能夠對數位濾波器60的運算範圍進行上限或者下限的設定。在手抖動控制中，數位濾波器60內的資料的絕對值，通常不會成為由浮動小數點形式可以表示的最大的數值。另外，例如，在積分電路44中計算結果為非常大的數值時，到收斂為至得到正常的振動補償資料的狀態的時間變長，從而手抖動控制的跟隨性下降。因此，本系統的數位濾波器60係運算資料的絕對值超過預定的臨限值時，將運算資料置換為預定的上限值。另外，運算資料的絕對值係例如為DAC 26等不能表示的小的值時，將運算資料置換為「0」。在這些處理中使用的臨限值和上限值係使用暫存器等中所設定的資料。
例如，上限值、下限值的置換係由加法器66來進行。加法器係在其運算結果的浮動小數點形式的資料的指數部分超過預定的臨限值時，將運算結果置換為上限值，另一方面，指數部分低於預定的臨限值時，將運算結果置換為「0」。
接下來，說明內部監視用電路28。數位濾波器60的延遲電路64、65是能夠將內部運算資料存儲相當於延遲量的時間的記憶手段，使用暫存器、記憶體等來構成。內部監視用電路28係例如具有存取延遲電路65並讀取存儲的資料的讀出電路70。讀出電路70能夠構成為可以切換將迴轉儀濾波器24內的複數個數位濾波器的任一個資料作為監視對象。再者，內部監視用電路28具有乘法器72、資料形式轉換電路74以及監視信號產生電路76。
乘法器72是將預先設定的增益值與由讀出電路70所取出的內部運算資料相乘，並調整該內部運算資料的時間變動的振幅的增益調整手段。例如，增益設定於暫存器中，使用者能夠經由與外部電路的介面改寫該暫存器的資料。
資料形式轉換電路74係將從乘法器72輸出的內部運算資料由浮動小數點形式轉換為固定小數點形式。
監視信號產生電路76係依據在資料形式轉換電路74中轉換為固定小數點形式的內部運算資料，產生將內部運算資料以類比量表示的內部監視信號。監視信號產生電路76例如為DAC，將具有對應固定小數點形式的資料的類比電壓的信號作為監視信號輸出。產生的監視信號係輸入至與輸出端子NOUT 連接的信號監視裝置。信號監視裝置係能夠將輸入的監視信號在顯示部進行波形顯示，使用者能夠依據波形顯示觀察數位濾波器60的內部狀態，掌握整體情況。
在此，信號監視裝置有時也對應PWM信號的監視。對應此種信號監視裝置，監視信號產生電路76也可以為PWM電路。該情況下，監視信號產生電路76係對應輸入的固定小數點形式的資料，將屬於類比量之脈衝寬度產生變化的PWM信號作為內部監視信號輸出。
因為DAC和PWM電路具有電路構成比較簡單這樣的理由，因此一般情況下係對應固定小數點形式的資料。但是，固定小數點形式的資料比起浮動小數點形式的資料能夠處理的數值範圍較小。因此，若將迴轉儀濾波器24內的浮動小數點形式的內部運算資料原封不動地轉換為固定小數點形式，則有可能產生溢出，而不能正確監視內部狀態。因此，本系統中，在資料形式轉換電路74之前設有乘法器72，可以實現增益調整。使用者能夠依據信號監視裝置的顯示來調整乘法器72的增益，並將對應內部運算資料的類比量收存於DAC或PWM電路的動態範圍(dynamic range)內。另外，能夠進行有效地利用信號監視裝置的動態範圍的觀察。
再者，作為資料形式轉換電路74，也可以使用迴轉儀濾波器24的輸出形式轉換電路48。另外，也可以使用DAC 26來構成監視信號產生電路76。
雖然本發明的實施方式中，由迴轉儀感測器12、霍爾元件10、VCM14分別進行照相機的振動檢測、透鏡8的位置檢測、以及透鏡8的驅動，但是本案並不限定於此。例如，驅動透鏡8的元件可以使用步進馬達或壓電(pizeo)元件。使用步進馬達的時候，霍爾濾波器22係使用振動補償資料DS 來計算伺服資料DSV ，而不使用依據霍爾元件10的位置資料DP 。另外，振動檢測中，能夠實現使用檢測直線方向的加速度的感測器，並依據加速度信號來檢測攝像裝置的振動。
例如，為了步進馬達等驅動控制而產生PWM信號的情況下，也可以將用於此的PWM電路作為監視信號產生電路76來兼用。
另外，雖然本發明的實施形態是作為驅動透鏡來進行手抖動校正的透鏡移動方式，但是本發明並不限定於此。例如，本發明也可以適用於對應攝像裝置的晃動而使CCD成像感測器等攝像元件移動的成像感測器移動方式。該情況下，由感測器檢測攝像元件的位置，由致動器來使該攝像元件變位。
2．．．感測器部
4．．．電路部
6．．．驅動部
8．．．透鏡
10．．．霍爾元件
12．．．迴轉儀感測器
14．．．聲圈馬達(VCM)
20．．．A/D轉換器(ADC)
22．．．霍爾濾波器
24．．．迴轉儀濾波器
26．．．D/A轉換器(DAC)
28．．．內部監視用電路
32．．．加法器
34．．．伺服電路
40．．．輸入形式轉換電路
42．．．手抖動分量提取電路
44．．．積分電路
46．．．定中心處理電路
48．．．輸出形式轉換電路
60．．．數位濾波器
61、62、63、72．．．乘法器
64、65．．．延遲電路
66．．．加法器
70．．．讀出電路
74．．．資料形式轉換電路
76．．．監視信號產生電路
第1圖是本發明的實施形態中的照相機的手抖動校正系統的概略方塊圖。
第2圖是表示本發明的實施形態中的迴轉儀濾波器的概略的構成的方塊圖。
第3圖是表示使用迴轉儀濾波器的數位濾波器的構成例、以及內部監視用電路的構成的概略的方塊圖。
24．．．迴轉儀濾波器
40．．．輸入形式轉換電路
42．．．手抖動分量提取電路
44．．．積分電路
46．．．定中心處理電路
48．．．輸出形式轉換電路

Claims (7)

  1. 一種振動補償控制電路，依據由攝像裝置中設置的振動檢測元件所檢測的該攝像裝置的變位速度，來驅動該攝像裝置的振動補償機構，係特徵在於，具有：振動補償資料產生電路，係依據對應前述變位速度的變位速度資料，產生對應前述攝像裝置的變位量的振動補償資料；以及驅動信號產生電路，係依據由前述振動補償資料產生電路輸出的前述振動補償資料，產生驅動前述振動補償機構的驅動信號；前述振動補償資料產生電路，具有：輸入形式轉換電路，係將前述變位速度資料由固定小數點形式轉換至浮動小數點形式；屬於數位濾波器之高通濾波器，係對前述浮動小數點形式的前述變位速度資料，進行將低頻率分量進行衰減並使目的補償頻帶的振動分量通過的濾波處理；屬於數位濾波器之積分電路，係對前述高通濾波器的輸出資料進行積分處理，從而產生前述振動補償資料；以及輸出形式轉換電路，係將前述積分電路中得到前述振動補償資料由浮動小數點形式轉換至固定小數點形式，並從該振動補償資料產生電路輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項之振動補償控制電路，其中，前述振動補償資料產生電路具有屬於數位濾波器之定中 心用高通濾波器，該定中心用高通濾波器是設置於前述積分電路與前述輸出形式轉換電路之間，對浮動小數點形式的前述振動補償資料進行將直流分量衰減的濾波處理。
  3. 如申請專利範圍第1項之振動補償控制電路，其中，前述振動補償資料產生電路在該電路內的浮動小數點形式的資料的絕對值為預定的臨限值以下時，將該資料置換為「0」。
  4. 如申請專利範圍第1項之振動補償控制電路，其中，前述振動補償資料產生電路在該電路內的浮動小數點形式的資料的絕對值為預定的臨限值以上時，將該資料置換為預定的上限值。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之振動補償控制電路，其中，具有：讀出手段，係將前述振動補償資料產生電路內的浮動小數點形式的內部運算資料讀出；增益調整手段，係將預先設定的增益值與讀出的前述內部運算資料相乘，來調整該內部運算資料的時間變動的振幅；資料形式轉換手段，係將振幅調整後的前述內部運算資料由浮動小數點形式轉換至固定小數點形式；監視信號產生部件，係依據轉換為固定小數點形式的前述內部運算資料，產生將該內部運算資料以類比量來表示的內部監視信號；以及 輸出端子，係將前述內部監視信號輸出至該振動補償控制電路的外部的電路。
  6. 如申請專利範圍第2項之振動補償控制電路，其中，前述驅動信號產生電路係依據表示前述振動補償機構的變位量的位置資料和前述振動補償資料產生前述驅動信號。
  7. 一種攝像裝置，具有：如申請專利範圍第1項中之振動補償控制電路；振動檢測元件，係檢測變位速度並輸入至前述振動補償控制電路；以及振動補償機構，係作為驅動對象含有可變位透鏡或者攝像元件，並由前述振動補償控制電路產生的前述驅動信號進行驅動。
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