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CN101470318A - 振动补偿控制电路 - Google Patents

振动补偿控制电路 Download PDF

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CN101470318A CNA2008101908225A CN200810190822A CN101470318A CN 101470318 A CN101470318 A CN 101470318A CN A2008101908225 A CNA2008101908225 A CN A2008101908225A CN 200810190822 A CN200810190822 A CN 200810190822A CN 101470318 A CN101470318 A CN 101470318A
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Abstract

在摄像装置的振动补偿控制电路中，对与振动相对应而检测出的角速度信号进行积分，求得透镜的所需位移量，在该处理中，陀螺传感器的输出信号受到在高频区产生的相位延迟的影响，在该高频区产生过剩相位延迟，不能得到正确的积分信号，振动补偿的精度很低。本发明提供一种振动补偿控制电路，陀螺均衡器(24)利用积分电路(46)对来自陀螺传感器(12)的角速度信号进行积分，转换成角度信号，定中心处理电路(48)(HPF)中除去角度信号的直流成分。采用低升压滤波器(LBF)构成积分电路(46)，将目的补偿频带的相位延迟作为与积分处理相对应的值。进一步，LBF在高频侧利用使相位延迟减少的特性，对由陀螺传感器(12)的相位特性引起的高频区的角度信号的过剩相位延迟进行补偿，将高频区的相位延迟接近90度。

Description

振动补偿控制电路
技术领域
本发明涉及驱动为了对数字静止照相机等摄像装置中的手抖动等振动进行补偿而设置的振动补偿机构的振动补偿控制电路。
背景技术
对于近些年的摄像装置而言，大多安装了用于抑制由于手抖动而导致的像质降低的防手抖功能。作为手抖动补偿方式来讲有很多种，其中就有这样的一种方式，即，振动检测元件检测摄像装置的振动，基于该检测信号，利用执行元件使补正透镜等光学部件及CCD图像传感器等摄像元件产生位移。振动检测元件采用陀螺传感器，以检测对应光轴方向变化的角速度。另一方面，对于执行元件的驱动控制而言，用的是透镜等的位移量。为此，生成执行元件的驱动信号的振动补偿控制电路对由振动检测元件得到的角速度等的位移速度进行积分并转换成位移量而进行转换处理。
具体的，在求得该位移量的处理中，对于由陀螺传感器输出的角速度信号，进行将比手抖动的振动频带低的频率成分除去的手抖动成分提取处理，之后，进行积分处理，将其由角速度转换成对应角度的位移量。另外，在求得该位移量的处理中，通过使积分处理的输出信号衰减等，从而进行确定位移量的定中心处理使得透镜等难以达到可动界限。其中，将基于陀螺传感器输出信号而生成对应位移量的振动补偿信号的处理部称之为陀螺均衡器(icolizer)。
[专利文献1]日本特开平10—213832号公报
现有技术中，陀螺均衡器通过使用微处理器的软件而实现。其中，对于振动补偿控制电路来讲追求的是高的处理速度，为实现以高速时钟运行则需要微处理器。例如，在摄像装置在1秒内摄取30帧图像以得到动画的场合中，透镜的位置需要以比1/30秒还快的速度跟随振动。
在采用高速时钟驱动微处理器时，存在振动补偿控制电路中的消耗电力增加这样的问题。安装有振动补偿控制电路的摄像装置将锂离子电池等的2次电池作为电源而驱动。为此，如果振动补偿控制电路的消耗电力增大则2次电池的消耗将加快，这将缩短摄像装置的驱动时间。即，不但动画的摄像时间缩短，而且静止图像的摄像张数也减少。摄像装置的防手抖功能不但在动画或静止画摄像中，而且多在摄像的准备中即予览时也可实施，所以能够希望其降低防手抖功能导致的消耗电力。
因此，通过利用滤波电路实现陀螺均衡器，从而能够避免使用微处理器而实现消耗电力的降低。具体的，手抖动成分提取处理可以使用高通滤波器(High Pass Filter：HPF)来构成。积分处理可以利用低通滤波器(LowPass Filter：LPF)实现。另外，还可以通过采用HPF除去积分处理的输出信号的直流成分而进行定中心处理。
在采用这些滤波电路构成陀螺均衡器的场合中，该陀螺均衡器的输出信号的相位优选相对陀螺均衡器的输入信号延迟90度。换言之，相位延迟越偏离90度，积分信号的精度越低，或者说位移量的精度降低而振动不能得到高精度补偿。
此时，陀螺传感器的输出在高频区产生相位延迟。该相位延迟将给陀螺均衡器的积分处理带来精度降低这样的问题。图4为说明该问题的示意性的相位特性图，示出了反映陀螺均衡器自身的相位特性(相位曲线70)、陀螺传感器的输出信号的相位特性(相位曲线72)、及陀螺传感器输出信号的相位特性的陀螺均衡器的输出信号的相位特性(相位曲线74)。横轴对应频率f，纵轴对应输出信号相对输入信号的相位
Figure A200810190822D0005095926QIETU
。在图4中，频率fL为目的补偿频带BCMP的下限、频率fH为上限。该图示出了高频区中陀螺均衡器自身的相位特性(相位曲线70)存在90度延迟时，其输出信号相位(相位特性74)受到陀螺传感器输出信号的相位延迟(相位曲线72)的影响而从90度进一步延迟的样子。
在由于手抖动等而产生的振动中，陀螺均衡器的输出信号的强度在高频区可能变得比较微弱，但是频率越高则陀螺传感器的相位延迟越大，所以，在该微弱的信号对于陀螺均衡器的输出所带来的影响不能忽略的情况下也能得到。尤其，在想要补偿而假定振动成分的存在的目的补偿频带BCMP内，陀螺传感器的产生相位延迟的频率区域涉及的场合其影响可能变大。
发明内容
本发明为解决上述问题而提出，目的在于提供一种抑制基于陀螺传感器等的振动检测元件的输出信号而生成的振动补偿信号的精度降低，能够很好地补偿振动的振动补偿控制电路。
本发明涉及的振动补偿控制电路，从摄像装置所具有的振动检测元件中得到与该摄像装置移动速度相对应的振动检测信号，来驱动上述摄像装置的振动补偿机构，具有：振动补偿信号生成电路，其对上述振动检测信号进行积分处理，生成与上述摄像装置的位移量相对应的振动补偿信号；和伺服电路，其基于上述振动补偿信号，生成驱动上述振动补偿机构的驱动信号，上述振动补偿信号生成电路具有：高通滤波器，其从上述振动检测信号中衰减低频成分，使目的补偿频带的振动成分通过；和积分电路，其对通过上述高通滤波器的上述振动检测信号进行上述积分处理，上述积分电路采用在上述目的补偿频带内进行相位延迟补偿的相位延迟补偿电路，使得该相位延迟补偿电路的高频频带的相位延迟的减少、和由于上述振动检测元件的特性而在上述高频频带中增加的上述振动检测信号的相位延迟相抵消，并调整上述目的补偿频带和上述高频频带的相位特性。
[发明效果]
根据本发明，积分电路构成为利用相位延迟补偿电路代替LPF。相位延迟补偿电路使得低频成分相对高频成分相对地具有加强的增益特性，另外，具有产生最大90度的相位延迟，从形成最大相位延迟的频率向低频率侧、高频率侧相位延迟渐进到0的相位特性。通过将产生相位延迟补偿电路的相位延迟的频率频带设定为目的补偿频带，从而可以在该目的补偿频带中完成将振动检测元件检测的角速度转换成位移量的积分处理。另外，通过将相位延迟补偿电路的高频区的相位延迟的减少和振动检测元件的高频区的相位延迟相抵消，从而对于该高频区域的信号成分，也使得陀螺均衡器的输出的相位延迟满足积分处理。这样，可以以高精度将振动检测元件检测的角速度转换成位移量，提高对应摄像装置位移量的振动补偿信号的精度。因此，能够对摄像装置的振动进行适合的补偿。
附图说明
图1为本发明实施方式相关的照相机手抖动补偿系统的概略方块结构图。
图2为普通相位延迟补偿要素的示意性波德图(Bode diagram)。
图3为示意性示出陀螺均衡器的相位特性的图表。
图4为用于说明现有技术的陀螺均衡器输出信号产生问题的示意性相位特性的图。
符号说明
2 传感器部  4 电路部  6 驱动部  8 透镜  10 霍尔元件  12 陀螺传感器  14 音圈马达(VCM，voice coil motor)  20 A/D转换器(ADC)、22 霍尔均衡器  24 陀螺均衡器  26 D/A转换器(DAC)  32 加法器  34 伺服电路  40 手抖动成分提取电路  46 积分电路  48 定中心处理电路
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施的方式(以下称为实施方式)进行说明。本实施方式涉及照相机，本发明相关的振动补偿控制电路在该照相机的防手抖功能中使用。
图1为实施方式涉及的照相机的手抖动补偿系统的概略方块结构图。本手抖动补偿系统含传感器部2、电路部4、及驱动部6。对于手抖动补偿系统存在几种方式，例如，本系统可以采用对在摄像元件(未图示)的感光面形成光学像的光学系统中设置的补正透镜(透镜8)的位置进行控制的方式。
传感器部2由霍尔元件10和陀螺传感器12构成。霍尔元件10为设置用于检测透镜8的位置的传感器，基于固定于透镜8的磁体的磁场，产生与磁透镜8之间的距离相对应的电压信号Vp并向电路部4输出。为了检测与光轴垂直的平面(x-y平面)内的透镜8的2维位置(PX，PY)，霍尔元件10分别对应x方向、y方向而设置，各自针对x方向、y方向得到信号Vp。
陀螺传感器12为设于用于检测照相机的振动的传感器(振动检测元件)，作为对应照相机位移速度的振动检测信号，将对应角速度ω的电信号Vω输出至电路部4。陀螺传感器12也设置2个，各自针对绕x轴转动的角速度成分和绕y轴转动的角速度成分得到信号Vω。
可移动透镜8和使该透镜8移动的驱动部6构成振动补偿机构，驱动部6的驱动力源例如由音圈马达(Voice Coil Motor：VCM)14构成。VCM14对应电路部4产生的驱动信号的电压，使构成该VCM的可动线圈的位置直线移动，控制透镜8的位置。为实现x-y平面内的2维位移，VCM14设置有一对，分别能够在x方向，y方向移动。
电路部4含A/D转换器(ADC：Analog—to—Digital Converter)20、霍尔均衡器22、陀螺均衡器24、及D/A转换器(DAC：Digital—to—AnalogConverter)26。电路部4由逻辑电路构成，例如构成为ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)。
ADC20中分别输入霍尔元件10、陀螺传感器12的输出信号。ADC20以分时的方式将2个霍尔元件10分别输出的电压信号Vp、和2个陀螺传感器12分别输出的电压信号Vω转换成数字数据。各信号的A/D转换在每个伺服控制周期中周期地进行。
基于霍尔元件10的输出生成的位置数据Dp输入霍尔均衡器22中。另一方面，基于陀螺传感器12的输出而生成的角速度数据Dω输入陀螺均衡器24中。
陀螺均衡器24为生成对应相机位移量的振动补偿信号的电路，对每个伺服控制周期中在贯穿规定取样周期中输入的角速度Dω进行积分处理，各自生成对应分别绕x轴、y轴转动的相机摆动角度θ的数据Dθ。基于数据Dθ，陀螺均衡器24生成分别对应x方向、y方向的手抖动量的振动补偿数据DS并输出。陀螺均衡器24的结构后面将进一步叙述。
霍尔均衡器22具有加法器32和伺服电路34。加法器32将ADC20输入的位置数据DP和来自陀螺均衡器24的振动补偿数据DS各自在x、y方向上进行加法运算。伺服电路34根据加法器32的输出数据计算出分别与x轴方向、y轴方向的透镜8的所需位移量相当的伺服数据DSV。
DAC26将霍尔均衡器22输出的伺服数据DSV转换成模拟电压信号。DAC26输出的电压信号进行规定的放大处理并施加于VCM14之上。VCM14在DSV的绝对值减少的方向上被驱动，这样，安装本系统的相机在摄像期间对应手抖动移动透镜8，对由于该手抖动而导致对摄像元件上的被摄体产生的位移进行补偿，得到高像质的图像信号。
下面对陀螺均衡器24的结构进行说明。陀螺均衡器24包括手抖动成分提取电路40、积分电路46、及定中心处理电路48。
手抖动成分提取电路40为HPF，从ADC20中输入由时间序列的角速度数据Dω形成的角速度信号，使在该角速度信号中包括的直流成分衰减，提取反映相机的振动的角速度信号的高频成分。手抖动成分提取电路40由数字滤波器构成。
积分电路46对手抖动成分提取电路40输出的角速度信号进行积分，生成表示摄像装置的位移量的角速度信号。积分电路46使用相位延迟补偿电路构成。诸如这样的结构将后述。
由积分电路46得到的角度信号被输入到定中心处理电路48中。定中心处理电路48进行修正位移量的处理以使透镜8难以达到补偿控制机构所确定的可动界限。定中心处理的手法之一例如是，根据积分处理所得到的角度信号中，使具有频率比目的补偿频带BCMP的下限fL更低且看作直流的成分衰减这样的方法。此时，定中心处理电路48可以使用HPF构成。该HPF由数字滤波器构成，通过在未图示的寄存器中设定的滤波系数来设定滤波特性。基本的，构成定中心处理电路48的HPF的截止频率fC设定得比目的补偿频带BCMP的下限fL还低。另外，低频侧生成的HPF相位超前优选设定成防止影响频带BCMP内的相位特性。
本发明中，陀螺传感器12的输出信号的相位在高频区域延迟，该延迟随着频率的增加而增加，为解决该问题，将积分电路46采用如上的相位延迟补偿电路构成。该相位延迟补偿电路可以采用数字滤波器构成，通过对未图示的寄存器设定的滤波系数而设定滤波特性。基本的，构成积分电路46的相位延迟补偿电路的相位特性优选设定成，在进行手抖动补偿的目的补偿频带BCMP中，实现积分处理中的90度的相位延迟。
图2为通常相位延迟补偿要素模式的波德图，图2(a)示出增益特性，图2(b)示出相位特性。这样的相位超前补偿要素例如由下面双线性形式的传递函数G(s)给出。
G(s)＝K(s+αω0)/{s+(1/α)ω0}
其中，s为拉普拉斯算子，另外，K，α，ω0为参数，ω0>0，α>1。由该传递函数给出的相位延迟补偿要素的增益特性简单地说在K＝1时，在输入信号的角频率ωS＝ω0，为α(20log10α[dB])，在低频区渐进于α2(40log10α[dB])，在高频区渐进于1(0[dB])。相位在ωS＝ω0时为最大相位延迟角
Figure A200810190822D0010100220QIETU
，ωS随着从ω0分别远离低频侧、高频侧而渐进于0。
Figure A200810190822D0010100220QIETU
由下式给出，其绝对值在90度以下。随着α的增加，
Figure A200810190822D0010100220QIETU
的绝对值增加，并且涉及相比相位延迟补偿的效果更加广的频率范围。
Figure A200810190822D00101
具有图2示出的相位延迟补偿特性的滤波器称之为低升压滤波器(Low-Boost Filter：LBF)。另外，其增益特性的形状由于低域中具有架状的增益，所以还称之为低架滤波器(low-shelf filter，low-shelving filter)。
积分电路46采用LBF结构，其相位延迟补偿的范围和程度通过调整ω0及α，从而设定成不但在目的补偿频带BCMP中进行相位延迟补偿，而且使得比ω0更高频率侧的相位延迟的减少、和图4所示的相位曲线72所示的那样的高频区的陀螺传感器12的输出信号的相位延迟相抵消。积分电路46通过在目的补偿频带BCMP中进行相位延迟补偿，从而将从陀螺均衡器24输出的补偿控制信号的相位特性相对所输入的角速度信号延迟90度相位延迟。另外，通过高频侧的陀螺传感器的特性的相抵消，将对应该90度相位延迟的补偿控制信号的相位特性从目的补偿频带BCMP尽量向高频区扩张，以实现从陀螺均衡器24输出的补偿控制信号的精度的提高。
图3为示意性示出陀螺均衡器24的相位特性的图表。该图中，示出了积分电路46的相位特性(相位曲线60)，陀螺传感器12的输出的相位特性(相位曲线62)及陀螺均衡器24的相位特性(相位曲线64)。
如该图所示，通过采用LBF构成积分电路46，对在高频侧的陀螺传感器12的相位延迟导致的过剩相位延迟进行补偿，在目的补偿频带BCMP和接近目的补偿频带BCMP的高频区实现90度相位延迟。
通过使得这样的相位特性呈90度延迟接近包括目的补偿频带BCMP的广阔频带，从而从陀螺均衡器24中得到对应对角速度ω进行合适积分的角度θ的补偿控制信号。
然而，也有下述情况，采用单一的LBF，不能很好的实现陀螺传感器12进行的过剩相位延迟补偿、以及目的补偿频带BCMP内的低频侧的区域的相位延迟接近90度。具体的，在采用适于进行陀螺传感器12的过剩相位延迟的补偿的LBF的场合中，还如图3中所表示的那样，在目的补偿频带BCMP内的低频侧可能形成相位延迟不足。此时，如果进一步设置其他的LBF的话，则对相位延迟不足的频率范围选择性地追加相位延迟补偿，可以使目的补偿频带BCMP的低频区的相位特性接近90度延迟。
顺便说一句，在某频率范围中选择性产生相位延迟的要素就如根据波德的定理理解的那样，基本上，在该频率范围成为产生增益迁移的低架滤波器。低架滤波器除了上述的双线性形式之外，也存在于双曲线(双二次)形式的传递函数的情况。积分电路46还可以由成为具有上述双线性传递函数之外的传递函数的相位延迟补偿要素的数字滤波器构成。
在陀螺均衡器24中，构成为采用数字滤波器进行根据角速度信号生成补偿控制信号的处理的结构。这样，为了生成补偿控制信号而无需使用微处理器等，可以降低电路部4中的消耗电力。进一步，将陀螺均衡器24的处理采用数字滤波器进行的结构相比设置微处理器等的结构还可以缩小电路面积。因此，电路部4形成的半导体芯片的成本可以降低。而且，通过采用数字滤波器构成陀螺均衡器24，从而能够很容易的改变滤波系数等调整数据。因此，能够很容易改变与摄像装置的设计相对应的调整数据的设定。
在本发明的实施方式中，尽管构成为透镜8的位置检测和透镜8的驱动分别采用霍尔元件10、VCM14进行，但是本申请并不限于此。例如，驱动透镜8的元件可以采用步进马达或压电元件。另外，振动检测元件如果采用和陀螺传感器同样的在高频区产生相位延迟的元件的话，采用该元件的摄像装置的振动控制电路中的也适用本发明。
另外，在本发明的实施方式中，尽管采用的是驱动透镜进行手抖动补偿的透镜移位方式，但是本发明并不限于此。例如，本发明还适用对应摄像装置的抖动而使CCD图像传感器等摄像元件移动的图像传感器移动方式。此时，利用传感器检测出摄像元件的位置，利用执行元件使该摄像元件移动。

Claims (6)

1.一种振动补偿控制电路，从摄像装置所具有的振动检测元件中得到与该摄像装置移动速度相对应的振动检测信号，来驱动上述摄像装置的振动补偿机构，其特征在于，
具有：振动补偿信号生成电路，其对上述振动检测信号进行积分处理，生成与上述摄像装置的位移量相对应的振动补偿信号；和
伺服电路，其基于上述振动补偿信号，生成驱动上述振动补偿机构的驱动信号，
上述振动补偿信号生成电路具有：
高通滤波器，其从上述振动检测信号中衰减低频成分，使目的补偿频带的振动成分通过；和
积分电路，其对通过上述高通滤波器的上述振动检测信号进行上述积分处理，
上述积分电路采用在上述目的补偿频带内进行相位延迟补偿的相位延迟补偿电路，使得该相位延迟补偿电路的高频频带的相位延迟的减少、和由于上述振动检测元件的特性而在上述高频频带中增加的上述振动检测信号的相位延迟相抵消，并调整上述目的补偿频带和上述高频频带的相位特性。
2.如权利要求1所述的振动补偿控制电路，其特征在于，
构成上述积分电路的上述相位延迟补偿电路为低升压滤波器。
3.如权利要求1或权利要求2所述的振动补偿控制电路，其特征在于，
上述伺服电路，基于将与从上述摄像装置所具有的驱动量检测元件所得到的上述振动补偿机构的驱动量相对应的信号，和从上述振动补偿机构所输出的上述振动补偿信号相加后的信号，生成上述驱动信号。
4.如权利要求1到权利要求3任一项所述的振动补偿控制电路，其特征在于，
上述振动补偿信号生成电路具有从上述积分电路的输出信号中使直流成分衰减的定中心用高通滤波器。
5.如权利要求1到权利要求3任一项所述的振动补偿控制电路，其特征在于，
上述高通滤波器和上述积分电路包括数字滤波电路和寄存器，
上述数字滤波电路基于存储于上述寄存器中的滤波系数来进行滤波处理。
6.如权利要求4所述的振动补偿控制电路，其特征在于，
上述高通滤波器、上述积分电路及上述定中心用高通滤波器包括数字滤波电路和寄存器，
上述数字滤波电路基于存储于上述寄存器的滤波系数来进行滤波处理。
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