JP5348881B2 - 振動補償制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に手振れ等の振動を補償するために設けられた振動補償機構を駆動する振動補償制御回路に関する。

近年の撮像装置には、手振れによる画質の低下を抑制するために手振れ補正機能を搭載するものが多くなっている。手振れ補正の方式にはいくつかの種類が存在するが、その１つとして、振動検知素子で撮像装置の振動を検知し、その検知信号に基づいて補正レンズ等の光学部品やＣＣＤイメージセンサ等の撮像素子をアクチュエータで変位させるものがある。振動検知素子にはジャイロセンサが用いられ、光軸の向きの変化に応じた角速度を検知する。一方、アクチュエータの駆動制御には、レンズ等の変位量が用いられる。そのため、アクチュエータの駆動信号を生成する振動補償制御回路は、振動検知素子から得られる角速度等の変位速度を積分して変位量に変換する処理を伴う。

具体的には、当該変位量を求める処理は、ジャイロセンサから出力された角速度信号に対して、手振れの振動周波数の帯域より低い周波数成分を除去する手振れ成分抽出処理を行った後、積分処理を行って角速度から角度に応じた変位量への変換を行う。また、当該変位量を求める処理では、積分処理の出力信号を減衰等させることにより、レンズ等が可動限界に到達しにくくなるように変位量を定めるセンタリング処理も行われる。ここでは、ジャイロセンサ出力信号に基づいて変位量に応じた振動補償信号を生成する処理部をジャイロイコライザと呼ぶことにする。
特開平１０−２１３８３２号公報

従来、ジャイロイコライザはマイクロプロセッサを用いたソフトウェアによって実現されている。ここで、振動補償制御回路には速い処理速度が求められ、マイクロプロセッサは高速クロックで動作可能なものとする必要がある。例えば、撮像装置が１秒間に３０フレームの画像を撮影して動画を得る場合、レンズの位置は１／３０秒より速い速度で振動に追随させる必要がある。

高速クロックを用いてマイクロプロセッサを駆動する場合、振動補償制御回路における消費電力が増大するという問題がある。振動補償制御回路が搭載される撮像装置は、リチウムイオン電池等の２次電池を電源として駆動される。そのため、振動補償制御回路の消費電力が増大すると２次電池の消耗が早くなり、撮像装置の駆動時間が短くなる。すなわち、動画の撮影時間が短くなると共に、静止画の撮影枚数が減少するという問題が生じる。撮像装置の手振れ補正機能は、動画や静止画の撮影中だけでなく、撮影の準備中であるプレビュー時にも実行されることが多いため、手振れ補正機能に関する消費電力の低減が望まれる。

ここで、ジャイロイコライザをフィルタ回路で実現することで、マイクロプロセッサの使用を回避し消費電力の低減を図ることができる。具体的には、手振れ成分抽出処理は、高域通過フィルタ（High Pass Filter：ＨＰＦ）を用いて構成することができる。積分処理は、低域通過フィルタ（Low Pass Filter：ＬＰＦ）を用いて実現可能である。また、ＨＰＦを用いて積分処理の出力信号の直流成分を除去することで、センタリング処理を行うことが可能である。

これらフィルタ回路を用いてジャイロイコライザを構成する場合、当該ジャイロイコライザの出力信号の位相は、ジャイロイコライザの入力信号に対して９０度遅れとなることが望ましい。換言すれば、位相遅れが９０度からずれるほど積分信号の精度が低下し、ひいては変位量の精度が低下して振動が精度良く補償されなくなる。

この点、ジャイロセンサの出力は高周波数領域にて位相遅れを生じる。この位相遅れがジャイロイコライザでの積分処理の精度低下をもたらすという問題があった。図４は、この問題を説明する模式的な位相特性であり、ジャイロイコライザ自体の位相特性（位相曲線７０）、ジャイロセンサの出力信号の位相特性（位相曲線７２）、及びジャイロセンサ出力信号の位相特性を反映したジャイロイコライザの出力信号の位相特性（位相曲線７４）を示している。横軸が周波数ｆに対応し、縦軸が入力信号に対する出力信号の位相φに対応する。図４において、周波数ｆ_Ｌは目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの下限、周波数ｆ_Ｈは上限である。同図は、高周波数領域にて、ジャイロイコライザ自体の位相特性（位相曲線７０）が９０度遅れであったとしても、その出力信号の位相（位相特性７４）はジャイロセンサ出力信号の位相遅れ（位相曲線７２）の影響を受けて９０度よりさらに遅れる様子を示している。

手振れ等により生じる振動においては、ジャイロイコライザの出力信号の強度は高周波数領域では比較的微弱となり得るが、周波数が高くなるほどジャイロセンサの位相遅れ量が大きくなるため、その微弱な信号がジャイロイコライザの出力に与える影響を無視できない場合もあり得る。特に、補償しようとする振動成分の存在が想定される目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内に、ジャイロセンサの位相遅れを生じる周波数領域が及ぶ場合はその影響が大きくなり得る。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ジャイロセンサなどの振動検知素子の出力信号に基づいて生成される振動補償信号の精度低下を抑制し、振動を好適に補償し得る振動補償制御回路を提供することを目的とする。

本発明に係る振動補償制御回路は、撮像装置に備えられた振動検知素子から当該撮像装置の移動速度に応じた振動検知信号を得て、前記撮像装置の振動補償機構を駆動するものであって、前記振動検知信号に対して積分処理を行って、前記撮像装置の変位量に応じた振動補償信号を生成する振動補償信号生成回路と、前記振動補償信号に基づいて、前記振動補償機構を駆動する駆動信号を生成するサーボ回路と、を有し、前記振動補償信号生成回路が、前記振動検知信号から低周波成分を減衰し、目的補償帯域の振動成分を通過するハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタを通過した前記振動検知信号に対して前記積分処理を行う積分回路と、を有し、前記積分回路が、前記目的補償帯域内にて位相遅れ補償を行う位相遅れ補償回路を用い、当該位相遅れ補償回路の高周波数帯域での位相遅れの減少と、前記振動検知素子の特性により前記高周波数帯域にて増加する前記振動検知信号の位相遅れとを相殺させ、前記目的補償帯域及び前記高周波数帯域での位相特性を調整する。

本発明によれば、積分回路はＬＰＦに代えて位相遅れ補償回路を用いて構成される。位相遅れ補償回路は、低周波数成分を高周波数成分に対して相対的に強めるゲイン特性を有し、また、最大９０度の位相遅れを生じ、最大位相遅れとなる周波数から低周波数側、高周波数側に向かって位相遅れが０に漸近する位相特性を有する。位相遅れ補償回路の位相遅れを生じる周波数帯域を目的補償帯域に設定することで、振動検知素子が検知する角速度を変位量へ変換する積分処理を当該目的補償帯域にて可能とする。また、位相遅れ補償回路の高周波数領域での位相遅れの減少と、振動検知素子の高周波数領域での位相遅れとを相殺させることにより、当該高周波数領域の信号成分に対しても、ジャイロイコライザの出力での位相遅れを積分処理に応じたものとする。これにより、振動検知素子が検知する角速度から変位量への変換が精度良く行われ、撮像装置の変位量に応じた振動補償信号の精度が向上する。その結果、撮像装置の振動に対して好適な補償が可能となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。本実施形態はカメラに関するものであり、本発明に係る振動補償制御回路は当該カメラの手振れ補正機能に用いられる。

図１は、実施形態に係るカメラの手振れ補正システムの概略のブロック構成図である。本手振れ補正システムは、センサ部２、回路部４、及び駆動部６を含んで構成される。手振れ補正システムにはいくつかの方式があるが、例えば、本システムは、撮像素子（図示せず）の受光面に光学像を形成する光学系に設けられた補正レンズ（レンズ８）の位置を制御する方式とすることができる。

センサ部２は、ホール素子１０とジャイロセンサ１２とからなる。ホール素子１０は、レンズ８の位置を検出するために設けられたセンサであり、レンズ８に固定された磁石の磁場に基づいて、磁力レンズ８との距離に応じた電圧信号Ｖ_Ｐを発生して回路部４へ出力する。光軸に垂直な平面（ｘ−ｙ平面）内でのレンズ８の２次元的な位置（Ｐ_Ｘ，Ｐ_Ｙ）を検出するために、ホール素子１０はｘ方向、ｙ方向それぞれに対応して設けられ、ｘ方向、ｙ方向それぞれについて信号Ｖ_Ｐが得られる。

ジャイロセンサ１２は、カメラの振動を検出するために設けられたセンサ（振動検知素子）であり、カメラの変位速度に応じた振動検知信号として、角速度ωに応じた電気信号Ｖ_ωを回路部４へ出力する。ジャイロセンサ１２も２つ設けられ、ｘ軸の回りでの角速度成分及びｙ軸の回りでの角速度成分それぞれについて信号Ｖ_ωが得られる。

変位可能なレンズ８と当該レンズ８を変位させる駆動部６とは振動補償機構を構成し、駆動部６の駆動力源は例えば、ボイスコイルモータ（Voice Coil Motor：ＶＣＭ）１４で構成される。ＶＣＭ１４は、回路部４が生成する駆動信号の電圧に応じて、当該ＶＣＭを構成する可動コイルの位置を直線変位させ、レンズ８の位置を制御する。ｘ−ｙ平面内での２次元変位を実現するために、ＶＣＭ１４は一対設けられ、ｘ方向、ｙ方向それぞれの変位を可能とする。

回路部４は、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ：Analog-to-Digital Converter）２０、ホールイコライザ２２、ジャイロイコライザ２４、及びＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ：Digital-to-Analog Converter）２６を含んで構成される。回路部４は、ロジック回路で構成され、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として構成される。

ＡＤＣ２０には、ホール素子１０、ジャイロセンサ１２の出力信号がそれぞれ入力される。ＡＤＣ２０は、２つのホール素子１０がそれぞれ出力する電圧信号Ｖ_Ｐと、２つのジャイロセンサ１２がそれぞれ出力する電圧信号Ｖ_ωとを時分割でデジタルデータに変換する。各信号のＡ／Ｄ変換は、サーボ制御周期毎に周期的に行われる。

ホール素子１０の出力に基づいて生成された位置データＤ_Ｐは、ホールイコライザ２２に入力される。一方、ジャイロセンサ１２の出力に基づいて生成された角速度データＤ_ωは、ジャイロイコライザ２４に入力される。

ジャイロイコライザ２４は、カメラの変位量に応じた振動補償信号を生成する回路であり、サーボ制御周期毎に所定のサンプリング期間にわたり入力される角速度Ｄ_ωを積分処理して、ｘ軸、ｙ軸それぞれの回りでのカメラの揺動角度θに応じたデータＤ_θを生成する。ジャイロイコライザ２４は、データＤ_θに基づいて、ｘ方向、ｙ方向それぞれに対する手振れ量に応じた振動補償データＤ_Ｓを生成し出力する。ジャイロイコライザ２４の構成についてはさらに後述する。

ホールイコライザ２２は、加算器３２及びサーボ回路３４を有する。加算器３２は、ＡＤＣ２０から入力される位置データＤ_Ｐと、ジャイロイコライザ２４からの振動補償データＤ_Ｓとをｘ、ｙ各方向別に加算する。サーボ回路３４は、加算器３２の出力データから、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれについてのレンズ８の所要変位量に相当するサーボデータＤ_ＳＶを算出する。

ＤＡＣ２６は、ホールイコライザ２２から出力されるサーボデータＤ_ＳＶをアナログ電圧信号に変換する。ＤＡＣ２６が出力する電圧信号は所定の増幅処理を施してＶＣＭ１４に印加される。ＶＣＭ１４は、Ｄ_ＳＶの絶対値が減少する方向に駆動され、これにより、本システムを搭載したカメラは、撮像期間にて、手振れに応じてレンズ８を移動させ、当該手振れによる撮像素子上での被写体像の変位を補償し、高画質な画像信号を得ることができる。

次にジャイロイコライザ２４の構成を説明する。ジャイロイコライザ２４は、手振れ成分抽出回路４０、積分回路４６及びセンタリング処理回路４８を含んで構成される。

手振れ成分抽出回路４０はＨＰＦであり、ＡＤＣ２０から時系列の角速度データＤ_ωからなる角速度信号を入力され、当該角速度信号に含まれる直流成分を減衰し、カメラの振動が反映された角速度信号の高周波成分を抽出する。手振れ成分抽出回路４０はデジタルフィルタで構成される。

積分回路４６は、手振れ成分抽出回路４０が出力する角速度信号を積分して、撮像装置の変位量を表す角度信号を生成する。積分回路４６は位相遅れ補償回路を用いて構成される。このこの構成については後述する。

積分回路４６にて得られる角度信号はセンタリング処理回路４８に入力される。センタリング処理回路４８は、レンズ８が補償制御機構による可動限界に到達しにくくなるように変位量を修正する処理を行う。センタリング処理の手法の１つは、積分処理により得られる角度信号から、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの下限ｆ_Ｌより低い周波数を有し直流と見なせる成分を減衰するという方法である。この場合、センタリング処理回路４８はＨＰＦを用いて構成することができる。当該ＨＰＦはデジタルフィルタにより構成され、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数によりフィルタ特性を設定される。基本的に、センタリング処理回路４８を構成するＨＰＦのカットオフ周波数ｆ_Ｃは目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰの下限ｆ_Ｌより低く設定される。また、低周波数側で生じるＨＰＦの位相進みが、帯域Ｂ_ＣＭＰ内に及ばないように位相特性を設定することが望ましい。

本発明では、ジャイロセンサ１２の出力信号の位相が高周波数領域にて遅れ、当該遅れは周波数の増加と共に増加するという上述の問題に対応して、積分回路４６を上述のように位相遅れ補償回路で構成する。この位相遅れ補償回路はデジタルフィルタで構成することができ、図示しないレジスタに設定されたフィルタ係数によりフィルタ特性を設定される。基本的に、積分回路４６を構成する位相遅れ補償回路の位相特性は、手振れ補正を行う目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰにて、積分処理における９０度の位相遅れが実現されるように設定することが望ましい。

図２は一般的な位相遅れ補償要素の模式的なボード線図であり、図２（ａ）はゲイン特性を示し、図２（ｂ）は位相特性を示す。このような位相進み補償要素は例えば、以下の双一次形式の伝達関数Ｇ(ｓ)で与えられる。
Ｇ(ｓ)＝Ｋ(ｓ＋αω_０)/｛ｓ＋(１/α)ω_０｝

ここで、ｓはラプラス演算子である。また、Ｋ，α，ω_０はパラメータであり、ω_０＞０，α＞１である。この伝達関数で与えられる位相遅れ補償要素のゲイン特性は、説明が簡単なＫ＝１の場合、入力信号の角周波数ω_Ｓ＝ω_０でα（20log_１０α［dB］）となり、低周波数領域にてα^２（40log_１０α［dB］）に漸近し、高周波数領域にて１（０［dB］）に漸近する。位相はω_Ｓ＝ω_０で最大位相遅れ角φ_Ｍとなり、ω_Ｓがω_０から低周波数側、高周波数側へそれぞれ離れるに従って０に漸近する。φ_Ｍは次式で与えられ、その絶対値は９０度以下となる。αの増加に伴い、φ_Ｍの絶対値は増加し、また位相遅れ補償の効果もより広い周波数範囲に及ぶ。
φ_Ｍ＝tan^−１｛(１/α−α)/2｝

図２に示す位相遅れ補償特性を有するフィルタは、ローブーストフィルタ（Low-Boost Filter：ＬＢＦ）と呼ばれる。また、そのゲイン特性の形状が、低域に棚状の利得をかけるものであることから、ローシェルフフィルタ（low-shelf filter, low-shelving filter）とも呼ばれる。

積分回路４６はＬＢＦを用いて構成され、その位相遅れ補償の範囲及び程度はω_０及びαを調整することにより、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内にて位相遅れ補償を行うと共に、ω_０より高周波数側での位相遅れの減少と、図４の位相曲線７２に示すような高周波数領域でのジャイロセンサ１２の出力信号の位相遅れとを相殺させるように設定される。積分回路４６は、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内での位相遅れ補償により、ジャイロイコライザ２４から出力される補償制御信号の位相特性を、入力される角速度信号に対して９０度位相遅れに合わせる。また、高周波数側でのジャイロセンサの特性の相殺により、当該９０度位相遅れに応じた補償制御信号の位相特性を目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰからできるだけ高周波数領域へ拡張させて、ジャイロイコライザ２４から出力される補償制御信号の精度向上を図る。

図３は、ジャイロイコライザ２４の位相特性を模式的に示すグラフである。同図には、積分回路４６の位相特性（位相曲線６０）、ジャイロセンサ１２の出力の位相特性（位相曲線６２）、及びジャイロイコライザ２４の位相特性（位相曲線６４）が示されている。

この図が示すように、積分回路４６をＬＢＦで構成することにより、高周波数側でのジャイロセンサ１２の位相遅れによる過剰位相遅れを補償して、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰとこれに近接する高周波数領域にて９０度位相遅れの実現を図ることができる。

このように位相特性を、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰを含む広い帯域にて９０度遅れに近づけることにより、ジャイロイコライザ２４からは、角速度ωを好適に積分した角度θに応じた補償制御信号が得られる。

なお、ジャイロセンサ１２による過剰位相遅れの補償と、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内の低周波数側の領域での位相遅れを９０度に近づけることとを、単一のＬＢＦで好適に実現できない場合もあり得る。具体的には、ジャイロセンサ１２による過剰位相遅れの補償に適合したＬＢＦを用いた場合、図３にも表されているように目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内の低周波数側にて位相遅れ不足が生じ得る。この場合には、さらに別のＬＢＦを設けることで位相遅れ不足の周波数範囲に対し選択的に位相遅れ補償を追加して、目的補償帯域Ｂ_ＣＭＰ内の低周波数領域の位相特性を９０度遅れに近づけることができる。

ちなみに、或る周波数範囲にて選択的に位相遅れを生じる要素は、ボードの定理から理解できるように、基本的に、当該周波数範囲にてゲインの遷移を生じるローシェルフフィルタとなる。ローシェルフフィルタは上述の双一次形式の他、双二次形式の伝達関数のものも存在する。積分回路４６は上述の双一次形式の伝達関数以外の伝達関数を有する位相遅れ補償要素となるデジタルフィルタで構成することもできる。

ジャイロイコライザ２４では、角速度信号から補償制御信号を生成する処理をデジタルフィルタで行う構成としている。これによって、補償制御信号の生成のためにマイクロプロセッサ等を用いる必要がなくなり、回路部４での消費電力を低減することができる。さらに、ジャイロイコライザ２４の処理をデジタルフィルタで行う構成は、マイクロプロセッサ等を設ける構成に比べて回路面積を縮小することが可能となる。これによって、回路部４が形成される半導体チップのコストを低減することが可能となる。さらに、ジャイロイコライザ２４をデジタルフィルタで構成することにより、フィルタ係数などの調整データを容易に変更することができる。これによって、撮像装置の設計に応じた調整データの設定を容易に変更することができる。

本発明の実施形態では、レンズ８の位置検知、及びレンズ８の駆動をそれぞれホール素子１０、ＶＣＭ１４で行う構成としたが、本願はそれに限られるものではない。例えば、レンズ８を駆動する素子は、ステッピングモータやピエゾ素子を用いることができる。また、振動検知素子がジャイロセンサと同様に高周波数領域にて位相遅れを生じるものであれば、それを用いた撮像装置の振動制御回路にも本発明を適用することができる。

また、本発明の実施形態では、レンズを駆動させて手振れ補正を行うレンズシフト方式としたが、本発明はこれに限られるものではない。たとえば、本発明は、撮像装置のぶれに応じてＣＣＤイメージセンサなどの撮像素子をシフトさせるイメージセンサシフト方式にも適用することができる。この場合には、撮像素子の位置をセンサで検出し、当該撮像素子をアクチュエータで変位させる。

本発明の実施形態に係るカメラの手振れ補正システムの概略のブロック構成図である。 一般的な位相遅れ補償要素の模式的なボード線図である。 ジャイロイコライザの位相特性を模式的に示すグラフである。 従来のジャイロイコライザの出力信号に生じる問題点を説明する模式的な位相特性である。

符号の説明

２ センサ部、４ 回路部、６ 駆動部、８ レンズ、１０ ホール素子、１２ ジャイロセンサ、１４ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、２０ Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、２２ ホールイコライザ、２４ ジャイロイコライザ、２６ Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）、３２ 加算器、３４ サーボ回路、４０ 手振れ成分抽出回路、４６ 積分回路、４８ センタリング処理回路。

Claims (5)

1. 撮像装置に備えられた振動検知素子から当該撮像装置の移動速度に応じた振動検知信号を得て、前記撮像装置の振動補償機構を駆動する振動補償制御回路であって、
   前記振動検知信号に対して積分処理を行って、前記撮像装置の変位量に応じた振動補償信号を生成する振動補償信号生成回路と、
   前記振動補償信号に基づいて、前記振動補償機構を駆動する駆動信号を生成するサーボ回路と、
   を有し、
   前記振動補償信号生成回路は、
   前記振動検知信号から低周波成分を減衰し、目的補償帯域の振動成分を通過するハイパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタを通過した前記振動検知信号に対して前記積分処理を行う積分回路と、
   を有し、
   前記積分回路は、
   前記目的補償帯域内にて位相遅れ補償を行う位相遅れ補償回路を用い、当該位相遅れ補償回路の高周波数帯域での位相遅れの減少と、前記振動検知素子の特性により前記高周波数帯域にて増加する前記振動検知信号の位相遅れとを相殺させ、前記目的補償帯域及び前記高周波数帯域での位相特性を調整し、
   前記積分回路を構成する前記位相遅れ補償回路は、最大位相遅れ角となる周波数が前記目的補償帯域内に存在するローブーストフィルタであること、
   を特徴とする振動補償制御回路。
2. 請求項１に記載の振動補償制御回路において、
   前記サーボ回路は、前記撮像装置に備えられた駆動量検知素子から得られる前記振動補償機構の駆動量に応じた信号と、前記振動補償機構から出力される前記振動補償信号とを加算した信号に基づいて前記駆動信号を生成すること、を特徴とする振動補償制御回路。
3. 請求項１又は請求項２に記載の振動補償制御回路において、
   前記振動補償信号生成回路は、前記積分回路の出力信号から直流成分を減衰するセンタリング用ハイパスフィルタを有すること、を特徴とする振動補償制御回路。
4. 請求項１又は請求項２に記載の振動補償制御回路において、
   前記ハイパスフィルタ及び前記積分回路は、デジタルフィルタ回路とレジスタとを含んで構成され、
   前記デジタルフィルタ回路は、前記レジスタに格納されたフィルタ係数に基づいてフィルタ処理を行うこと、
   を特徴とする振動補償制御回路。
5. 請求項３に記載の振動補償制御回路において、
   前記ハイパスフィルタ、前記積分回路、及び前記センタリング用ハイパスフィルタは、デジタルフィルタ回路とレジスタとを含んで構成され、
   前記デジタルフィルタ回路は、前記レジスタに格納されたフィルタ係数に基づいてフィルタ処理を行うこと、
   を特徴とする振動補償制御回路。

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