CN101893807B

CN101893807B - 调焦透镜控制设备和摄像设备

Info

Publication number: CN101893807B
Application number: CN2010101796585A
Authority: CN
Inventors: 大屋贵弘
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: US20100296804A1; JP2010271359A; CN101893807A

Abstract

本发明涉及调焦透镜控制设备和摄像设备。该调焦透镜控制设备包括：评价信号获取单元，用于通过使致动器驱动调焦透镜，从所获取的图像的高频成分中获取表示对焦状态的评价信号；检测单元，用于检测所述致动器的驱动状态；以及驱动控制单元，用于基于所述评价信号进行所述调焦透镜的驱动，并且在根据所述评价信号计算出对焦位置之后，基于来自所述检测单元的输出，在闭环控制下进行所述调焦透镜的驱动。

Description

调焦透镜控制设备和摄像设备

技术领域

本发明涉及通过使致动器(actuator)驱动调焦透镜来进行对焦(in-focus)动作的调焦透镜控制设备和摄像设备。

背景技术

数字照相机等的传统摄像设备经常采用被称为“TV-AF(所谓的对比度检测)方法”的自动调焦(以下称之为“AF”)方法(例如，参见日本特开2004-102135号公报)。在该方法中，根据通过使调焦透镜扫描预定范围所获得的各点中的对比度方法AF评价信号的峰值位置来计算被摄体距离。然后，驱动调焦透镜，以根据所获得的被摄体距离来实现对焦状态，从而进行对焦动作。在这种情况下，如公知技术那样，AF评价信号的值越大表示被摄体的对焦越准确。

然而，在开环控制下驱动调焦透镜的上述传统示例中，存在以下参考图7、图8A和8B所述的问题。图7是示出峰值位置P、景深、以及调焦透镜停止位置之间的关系的图。图8A和8B是分别示出在利用1-2相励磁(1-2-phase excitation)对用于驱动调焦透镜的步进电动机(以下称之为“STM”)进行驱动时获得的驱动模式和电角度的图。图8A和8B示出在1相励磁位置存在齿槽(cogging)的情况。

基于1步驱动模式的STM的旋转量和与STM的输出轴一体设置的导螺杆(lead screw)的导程(lead)来确定调焦透镜的停止分辨率。因此，即使驱动STM想使调焦透镜停止在峰值位置P，然而实际上，调焦透镜会停止在最靠近峰值位置P的位置p(在这种情况下，如图7所示，就电角度而言为位置1)。另外，如图7所示，只要位置p落入景深内，则不会存在问题。

然而，近年来，摄像元件的像素数变得越来越高，相应地景深变得越来越窄。担心传统的停止分辨率不能使调焦透镜停止在景深内。

为了解决该问题，需要将停止分辨率设置得更精细。一种可能的方案是缩短导螺杆的导程。然而，在这种情况下，减少了调焦透镜的每一步的进给，因此可能降低了用于获取AF评价信号的粗调整(rough alignment)等的正常驱动下的驱动速度。另一种可能的方案是以微步相激励驱动STM以使STM更精确地停止，从而将调焦透镜驱动至存在于电角度1和电角度2之间的峰值位置P。然而，即使在这种情况下，由于随着照相机小型化的趋势，STM的直径越来越小，因此实际上，也不可能由于来自A+相的齿槽位置的吸引而以微步相停止。

发明内容

考虑到上述问题做出了本发明，并且本发明的目的是提供能够实现更高精度的自动调焦的自动调焦设备和摄像设备。

根据本发明一方面的调焦透镜控制设备，其包括：评价信号获取单元，用于通过使致动器驱动调焦透镜，从所获取的图像的高频成分中获取表示对焦状态的评价信号；检测单元，用于检测所述致动器的驱动状态；以及驱动控制单元，用于基于所述评价信号进行所述调焦透镜的驱动，并且在根据所述评价信号计算出对焦位置之后，基于来自所述检测单元的输出，在闭环控制下进行所述调焦透镜的驱动。

根据本发明另一方面的摄像设备，其包括上述调焦透镜控制设备。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的自动调焦设备的结构图。

图2是示出根据本实施例的在STM中观察到的转矩和旋转数之间的关系的图。

图3是示出根据本实施例的在STM中观察到的齿槽和电流比之间的关系的图。

图4是示出根据本实施例的动作的流程图。

图5是示出在粗调整下进行扫描(以下称之为“粗调整扫描”)时的AF评价信号和被摄体距离之间的关系的图。

图6是示出在粗调整下进行精细扫描(以下称之为“粗调整精细扫描”)时的AF评价信号和被摄体距离之间的关系的图。

图7是示出景深和调焦透镜停止位置之间的关系的图。

图8A和8B是分别示出在以1-2相励磁驱动STM时获得的驱动模式和电角度的图。

具体实施方式

以下，对用于实现本发明的典型实施例进行说明。

实施例

图1是示出根据本发明实施例的包括在摄像设备中的自动调焦设备的结构图。

在图1中，自动调焦设备包括调焦透镜112、透镜保持架121、以及与透镜保持架121一体地前进/后退的螺母构件122。步进电动机(STM)31用于驱动调焦透镜112，并且包括由A相定子31a和B相定子31b构成的2相励磁线圈、转子31c、以及与转子31c直接相连接且与转子31c一体地旋转的导螺杆32。编码器磁体33与导螺杆32一体地安装，并且对编码器磁体33进行极化以表现出多个磁极，从而检测STM 31的旋转相位。通过两个霍尔元件34a和34b检测该旋转相位。

驱动控制单元41进行控制以驱动STM 31，并且驱动控制单元41包括用于向A相定子31a通电的A相驱动器41a、用于向B相定子31b通电的B相驱动器41b、以及用于驱动这些驱动器的控制单元41c。控制单元41c从CPU 143接收调焦透镜的驱动量和驱动方向的输入，并从两个霍尔元件34a和34b接收与STM 31有关的旋转相位信息的输入，并基于输入信息进行A相驱动器41a和B相驱动器41b的控制。

如上所述，除从CPU 143输入的驱动信息以外，控制单元41c还不断接收由两个霍尔元件34a和34b检测到的与STM 31有关的旋转相位信息的输入。控制单元41c基于旋转相位信息控制A相驱动器41a和B相驱动器41b，以分别向A相定子31a和B相定子31b通电，从而驱动STM 31。

图2是表示在STM 31中观察到的转矩T(纵轴)和旋转数F(横轴)之间的通常关系的T-F曲线。

通常，如果在给定的旋转数下对STM施加等于或大于其自身能力的转矩负荷，则出现STM不能响应于输入而旋转的失步(synchronism loss)。因此，在开环控制下驱动STM的传统示例中，需要针对STM的特性以考虑到失步余量的范围内的旋转数f1来驱动STM。

另一方面，在本实施例中，可以基于由两个霍尔元件34a和34b检测到的与STM 31有关的旋转相位信息，以失步界限附近的旋转数f2来驱动STM。因此，可以以高于传统示例的速度来驱动STM 31，并且可以使STM 31以更高的精度停止。

图3是示出高精度驱动时观察到的齿槽和电流比之间的关系的图。

图3假定如下的情况：以Ia1∶Ib1的电流比对A相定子31a和B相定子31b提供电流，以使调焦透镜112停止在峰值位置P。在这种情况下，在传统示例中，由于A+相的齿槽转矩的吸引，而使峰值位置P向着电角度1旋转并停止在位置P’。

相反，在本实施例中，由霍尔元件34a和34b不断检测与STM31的输出轴有关的旋转相位信息。因此，可以改变要流入B相定子31b的电流，以校正根据从CPU 143输入的驱动信息作为目标位置的停止位置P和实际停止位置P’的输出信息之间的差异。由于要流入B相定子31b的电流由此增加，因而使峰值位置P向着电角度2旋转，因此A+相的齿槽转矩降低。然后，施加至B相定子31b的电流增加至如图3所示的Ib2，由此使调焦透镜112停止在作为目标位置的峰值位置P。

因此，即使景深随着近年来摄像元件的像素数的提高而变窄，换句话说，即使景深变得窄于STM 31移动一个电角度步长的量，也可以使调焦透镜112停止在景深内。另外，在这种高精度驱动控制下，可以与STM 31的齿槽位置无关地使调焦透镜112停止在任意位置。因此，具有较小直径的STM也可以以微步相来驱动，并且与1-2相驱动相比，还可以以微步相驱动使用该具有较小直径的STM以提高调焦透镜112的停止分辨率。

接着，参考图4的流程图来说明根据本实施例的对焦动作时的一系列处理。在步骤S01中，触摸照相机的释放开关，并且CPU 143检测到开关SW1接通。然后，CPU 143开始步骤S02及后续步骤的动作。首先，在步骤S02中，使调焦透镜112在高速驱动控制和闭环控制下以图2的旋转数f2(f1＜f2)移动至作为扫描开始位置的对焦于无限远距离的位置。在接下来的步骤S03中，在以图2所示的旋转数f2的高速控制和闭环控制下开始粗调整。在粗调整中，如图5所示，使调焦透镜112在从无限远端的对焦位置到近端的对焦位置的行程D或预定范围内移动(或扫描)，并且以黑点所示的预定间隔在行程D中获取AF评价信号。位置d1表示粗调整完成位置。

随后在步骤S04中，基于在步骤S03中获得的AF评价信号，判断是否存在峰值。基于AF评价信号是否等于或高于给定阈值或者在以被摄体距离作为横轴且以AF评价信号作为纵轴的情况下AF评价信号是否表现出山形，来判断是否存在峰值。图5示出在判断为存在峰值的情况下的AF评价信号和被摄体距离之间的关系。如果存在峰值，则处理进入稍后所述的步骤S08，而如果判断为不存在峰值，则处理进入步骤S05。

当处理进入步骤S05时，在高速驱动控制和闭环控制下进行粗调整精细扫描。图6示出在粗调整下判断为不存在峰值的情况下的AF评价信号和被摄体距离之间的关系。在图6中，从无限远距离到近端范围的由AF评价信号获得的山形是模糊的。在粗调整精细扫描中，将调焦透镜112驱动至在粗调整下被判断为山形的山峰附近的由虚线包围的区域N，并且在比粗调整时的范围窄的范围内再次获取AF评价信号。此时，与粗调整时的间隔相比，缩短了用于获取AF评价信号的预定间隔，从而提高了判断山峰时的精度。

随后在步骤S06中，基于在步骤S05中再次获得的AF评价信号，判断是否存在峰值。如果即使在粗调整精细扫描中仍判断为不存在峰值，则处理进入步骤S07，并且在高速驱动控制和闭环控制下将调焦透镜112驱动至预定点。该预定点表示超焦距等的预先设置的位置。

同时，如果在粗调整精细扫描中判断为存在峰值，则过程从步骤S06进入步骤S08，其中，在步骤S08中，计算峰值位置P。随后在步骤S09中，开始精细调整。具体地，在高速驱动控制和闭环控制下，在从图5的粗调整结束位置d 1到峰值位置P附近的位置d2(从图6的粗调整精细扫描结束位置d3到位置d2)的行程期间驱动调焦透镜112。高速驱动控制表示用于提高速度的闭环控制，其中在该高速驱动控制下，以高于考虑到失步余量的传统移动的速度f1的速度f2通过1-2相驱动(可以是2-2相驱动或微步驱动)使调焦透镜112移动。随后在步骤S10中，在高精度驱动控制和闭环控制下从一侧驱动调焦透镜112，从而使调焦透镜112移动至峰值位置P。在步骤S11中，完成了对焦动作。高精度驱动控制表示用于提高停止分辨率的闭环控制，其中在该高精度驱动控制下，使调焦透镜112停止在比1-2相驱动时更精细地确定出的位置处。

上述实施例被配置成通过编码器磁体33以及两个霍尔元件34a和34b检测STM 31的驱动状态，并且基于检测结果，在失步界限附近的高速驱动控制下，通过闭环进行对焦驱动。这使得能够更高速地进行AF。此外，在用于将调焦透镜驱动至基于评价信号计算出的对焦位置的精细调整时，进行闭环控制，以提高调焦透镜112的停止分辨率，从而在被称为“TV-AF方法”的自动调焦方法中实现更高精度的AF。

注意，可以如传统示例那样，在开环控制下进行用于获取AF评价信号的扫描动作。

本发明和典型实施例之间的对应关系

调焦透镜112对应于根据本发明的调焦透镜，并且STM 31对应于根据本发明的用于驱动调焦透镜112的致动器。此外，用于进行步骤S03～S06和S08的动作的CPU 143的一部分对应于根据本发明的评价信号获取单元，该评价信号获取单元用于通过使调焦透镜112扫描预定范围来获取表示对焦状态的评价信号。此外，编码器磁体33以及霍尔元件34a和34b对应于根据本发明的用于检测致动器的驱动状态的检测单元。此外，用于进行步骤S09和S10的动作的CPU 143的一部分对应于根据本发明的用于基于来自检测单元的输出在闭环控制下对调焦透镜112进行对焦驱动的驱动控制单元。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims

1.一种调焦透镜控制设备，包括：

评价信号获取单元，用于在开环控制下，通过使致动器驱动调焦透镜，从所获取的图像的高频成分中获取表示对焦状态的评价信号；

第一霍尔元件和第二霍尔元件，用于检测编码器磁体的旋转相位，其中，所述编码器磁体安装到所述致动器的输出轴，并且所述编码器磁体被极化以表现出多个磁极；以及

驱动控制单元，用于基于所述评价信号进行所述调焦透镜的驱动，并且在根据所述评价信号计算出对焦位置之后，基于来自所述第一霍尔元件、所述第二霍尔元件和所述编码器磁体的输出，在高速闭环控制下进行所述调焦透镜的驱动，之后基于来自所述第一霍尔元件、所述第二霍尔元件和所述编码器磁体的输出，在高精度闭环控制下进行所述调焦透镜的驱动。

2.根据权利要求1所述的调焦透镜控制设备，其特征在于，所述致动器包括步进电动机，并且通过不断检测所述步进电动机的驱动状态并使所述调焦透镜以小于一个电角度步长的间隔停止来提高所述调焦透镜的停止分辨率。

3.一种摄像设备，其包括根据权利要求1所述的调焦透镜控制设备。