引言
您可能知道您的照相手機(jī)內(nèi)有照相模塊;但是它可能已經(jīng)過時(shí)或者它并不是很昂貴,但它能夠拍照。如果您拍攝某位正在犯罪的人,但最終獲得的是模糊的圖像——不論是由于分辨率不夠、聚焦差或者曝光過程中的抖動(dòng)——這種照片無法被法庭采用。但通常來說這種照相模塊的分辨率和性能改進(jìn)很快。在2000年三星公司發(fā)布了SCH-V200,這是一款30萬像素的照相手機(jī)。在2003年NTT DoCoMo公司發(fā)布了1.3-MP P505iS,這是首款自動(dòng)聚焦130萬像素照相手機(jī)。去年索尼愛立信公司發(fā)布了2-MP K750i,這是多數(shù)人認(rèn)可的首款自動(dòng)聚焦的200萬像素真正照相手機(jī)。在2006年三星公司發(fā)布了SCH-B600,這是一款1000萬像素的照相手機(jī)!
圖1. 到2008年照相手機(jī)和透鏡驅(qū)動(dòng)器市場預(yù)測
上述許多功能中的一個(gè)關(guān)鍵要素是能夠迅速地移動(dòng)透鏡以達(dá)到最佳聚焦。透鏡驅(qū)動(dòng)器能夠響應(yīng)數(shù)字控制信號(hào)提供適當(dāng)移動(dòng)透鏡的功率驅(qū)動(dòng)能力。下面我們將討論透鏡驅(qū)動(dòng)器的作用,介紹兩種有用的新產(chǎn)品,以及對(duì)市場中未來透鏡驅(qū)動(dòng)器的考慮。
圖2示出數(shù)碼相機(jī)(DSC)1的通用框圖或信號(hào)鏈。經(jīng)過透鏡投射到CMOS或CCD(電源耦合器件)傳感器的圖像經(jīng)過掃描并且施加到模擬前端(AFE)2處理器3,AFE放大和調(diào)理原始視頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。例如,AD98224是一款適合CCD圖像處理應(yīng)用的完整的14 bit模擬信號(hào)處理器,它的三通道體系結(jié)構(gòu)適合對(duì)彩色CCD陣列三路輸出進(jìn)行采樣和調(diào)理。一旦圖像被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式,就可對(duì)它編輯、下載或存儲(chǔ)和進(jìn)一步處理以便適合照相機(jī)操作,例如γ校正、對(duì)閃光燈的靈敏度調(diào)整以及用于聚焦的透鏡驅(qū)動(dòng)。除了這些基本的功能單元,其它的傳感器可測量透鏡位置、光強(qiáng)、溫度、加速度和角速度(這些最終會(huì)影響圖像的穩(wěn)定性)——并且電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠控制快門、中性濾光片(NDF)、光圈和透鏡蓋。
照相手機(jī)與DSC
照相手機(jī)是當(dāng)今世界增長最快的消費(fèi)類市場并且在今后幾年仍會(huì)持續(xù)增長。這些模塊的尺寸和成本非常重要,但此外,用戶對(duì)真正照相機(jī)的性能要求越來越嚴(yán)格。事實(shí)上,新的照相手機(jī)和DSC之間的性能會(huì)聚幾年前就已經(jīng)出現(xiàn)。
高分辨率DSC很容易以低成本提供,但是它的技術(shù)不能直接移植到手機(jī)上。為什么?它們的要求相當(dāng)不同。DSC的首要和最重要的功能是照相——而手機(jī)的主要功能是打電話。內(nèi)部包含的照相模塊是附加功能之一,但它不能大幅度地增加成本——或增大手機(jī)的體積。此外,對(duì)照相模塊有幾項(xiàng)功耗限制:大幅度減少通話時(shí)間的照相模塊從來都不會(huì)成功。
透鏡驅(qū)動(dòng)器
透鏡驅(qū)動(dòng)器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),它可前后移動(dòng)透鏡組以調(diào)整分辨率通常大于兩百萬象素的照相手機(jī)的聚焦和(或)放大倍率。
圖2. DSC信號(hào)鏈
較低分辨率的相機(jī)通常不需要自動(dòng)聚焦,因此它們不需要透鏡驅(qū)動(dòng)器。除了自動(dòng)聚焦外,一些較高分辨率的相機(jī)會(huì)使用透鏡驅(qū)動(dòng)器定位透鏡用于使圖像穩(wěn)定性。圖3示出透鏡驅(qū)動(dòng)器和其大部分可能的輸入和輸出。
圖3. 透鏡驅(qū)動(dòng)器大部分可能的輸入輸出
通常,DSC使用數(shù)字步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu);步進(jìn)電機(jī)具有魯棒性,容易驅(qū)動(dòng)的特性,所以可用來驅(qū)動(dòng)自動(dòng)聚焦(AF)和縮放透鏡執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在完成透鏡移動(dòng)之后便能達(dá)到所要求的聚焦或放大倍率,所以無需再提供功率保持透鏡位置。但是當(dāng)前DSC中采用的步進(jìn)電機(jī)體積較大,成本很高,機(jī)構(gòu)復(fù)雜,噪音大,速度慢以及功耗大,這些問題都趨向于使得當(dāng)前的一些步進(jìn)電機(jī)不適合用于手機(jī)中的照相模塊。此外,隨著照相手機(jī)增加的功能越來越多,要求高集成度的空間限制問題越來越明顯——這是當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)。
新興的執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)基于壓電材料,壓電材料種類繁多。壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單、它能夠使機(jī)構(gòu)快速移動(dòng)并且功耗很低。該機(jī)構(gòu)可用于AF和縮放應(yīng)用,并且不需要保持力在透鏡移動(dòng)完成后保持透鏡的位置。在完成透鏡移動(dòng)之后無需再提供功率保持透鏡位置。不幸的是,壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案非常復(fù)雜并且還處于不斷變化之中。另外,壓電材料具有一種很高的溫度系數(shù),從而對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位差和占空比的溫度補(bǔ)償要求很嚴(yán)格。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的第三種選擇方案是具有彈力恢復(fù)的音圈電機(jī)(VCM),它是用于當(dāng)今市場自動(dòng)聚焦的最小體積最低成本的解決方案,它也是最易于實(shí)現(xiàn)的解決方案。這些優(yōu)點(diǎn)很重要,因?yàn)閹ё詣?dòng)聚集的照相模塊通常是當(dāng)前市場銷量最大的產(chǎn)品。
使用VCM移動(dòng)可重復(fù)并且無齒輪,透鏡位置由平衡電機(jī)和彈力固定。彈力可將透鏡恢復(fù)到無限聚焦的位置,除非需要聚焦否則不消耗功耗。它具有機(jī)構(gòu)魯棒性、抗沖擊并且成本很低。這些電機(jī)無磁滯,因此具有一種直接的電流位置關(guān)系,所以通常不需要透鏡位置反饋。
圖4示出用于自動(dòng)聚焦的典型彈力預(yù)載線性電機(jī)的轉(zhuǎn)移曲線——這是專用于照相手機(jī)的典型VCM轉(zhuǎn)移圖。轉(zhuǎn)移函數(shù)表示位移或行程(透鏡移動(dòng)的實(shí)際距離)(mm)與通過電機(jī)的電流(mA)的關(guān)系。
圖4. 彈力預(yù)載音圈行程與灌電流之間的關(guān)系曲線
啟動(dòng)電流或閾值電流(為了產(chǎn)生彈力預(yù)載線性電機(jī)任何位移必須超過這個(gè)電流值)通常要求大于或等于20 mA。額定行程或位移通常是250 μm~400 μm。關(guān)系曲線的斜率是10 μm/mA。自動(dòng)聚焦的最大透鏡位移是300 μm~400 μm,因此VCM非常適合這種功能水平。然而與壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)不同,VCM在保持透鏡焦點(diǎn)位置時(shí)要消耗功率。
表I比較了可采用的幾種一流的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
表I. 幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較
電機(jī)類型 |
音圈電機(jī)(VCM) |
壓電電機(jī)(PEM) |
步進(jìn)電機(jī) |
尺寸 |
小 |
小 |
最大 |
成本 |
低 |
低 |
最高 |
速度(自動(dòng)聚焦) |
10 ms |
3 ms |
100 ms |
能量(mJ) |
2.4 |
0.7 |
21 |
雙向 |
是——利用彈力 |
是 |
是 |
指示或靜止位置 |
是 |
否 |
否 |
重復(fù)性 |
好 |
差 |
中 |
需要齒輪 |
否 |
否 |
是 |
聲學(xué)噪音 |
- |
- |
高 |
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 |
1 |
4 |
8 |
應(yīng)用 |
AF和開關(guān)功能 |
AF和縮放 |
AF和縮放 |
用于自動(dòng)聚焦的VCM驅(qū)動(dòng)器解決方案
ADI公司目前唯一提供完全集成產(chǎn)品制造商特別關(guān)注能使相機(jī)設(shè)計(jì)工程師充分利用的AF新興市場。AD53985是一款完整的VCM驅(qū)動(dòng)器解決方案,由于它包含一個(gè)120 mA輸出灌電流能力的10 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),所以適合用于驅(qū)動(dòng)音圈執(zhí)行機(jī)構(gòu),例如用作透鏡自動(dòng)聚焦和圖像穩(wěn)定性。AD5398使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C?兩線串行協(xié)議控制。第二款VCM驅(qū)動(dòng)器AD5821預(yù)計(jì)在2006年10月發(fā)布。AD5821具有與AD5398相同的功能設(shè)備,但它包含一個(gè)1.8 V兼容接口——并且硬件待機(jī)引腳XSHUTDOWN規(guī)定低電平有效(對(duì)于AD5398為高電平有效)。圖5示出AD5821的框圖。10 bit的電流輸出DAC連接負(fù)載電阻R后可產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓。反饋使得這個(gè)電壓出現(xiàn)在RSENSE兩端,從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)音圈所需要的灌電流。
圖5.示出音圈連接的AD5821框圖
電阻器R和RSENSE在片內(nèi)關(guān)聯(lián)并且匹配。因此它們的隨溫度變化的溫度系數(shù)和非線性誤差相匹配,從而使輸出溫度漂移最小。二極管D1提供輸出保護(hù),并且當(dāng)器件待機(jī)時(shí)消耗存儲(chǔ)在音圈中的能量。
未來透鏡驅(qū)動(dòng)器
今后要求步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠商減小尺寸并且降低成本。這就要求驅(qū)動(dòng)器提高集成度、提高透鏡位置反饋驅(qū)動(dòng)方案的效率、減小尺寸并且降低成本。許多照相模塊生產(chǎn)廠商正在試驗(yàn)壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu),其本身為透鏡驅(qū)動(dòng)器制造廠商提出了許多挑戰(zhàn)。電聚焦液體透鏡也將在不久面世。
圖6示出透鏡驅(qū)動(dòng)器的壓電解決方案原理性框圖。這種解決方案也能夠應(yīng)用到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器,但需要兩倍數(shù)量的驅(qū)動(dòng)器。
圖6. 可能的壓電解決方案框圖
壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一個(gè)包含模擬驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字靈活性、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及某些情況下還需要電源管理多種功能組合的驅(qū)動(dòng)器。ADI公司在所有這些方面都具有專家經(jīng)驗(yàn)。用于手機(jī)市場的照相模塊非常復(fù)雜并且是多層面;在生產(chǎn)圖像傳感器(生產(chǎn)光模塊機(jī)構(gòu))的公司、透鏡制造商和透鏡驅(qū)動(dòng)器制造商之間都具有相互依賴性。DSC證明雖然靠專用設(shè)計(jì)可以完成,但是減小尺寸,降低成本和功耗的主要挑戰(zhàn)之一是在透鏡驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)一步集成附加功能。隨著照相模塊的不斷發(fā)展,ADI公司將在開發(fā)新透鏡驅(qū)動(dòng)器和其它芯片方面繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。
評(píng)論
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