鏡頭驅(qū)動器專注于高分辨率攝像頭模塊的性能

作者：Mark Murphy, Mel Conway, and Gary Casey

您可能知道您的手機中有一個攝像頭模塊;但是，如果它已經(jīng)超過幾個月了，或者它不是非常昂貴，那么可以肯定的是，如果你拍攝某人犯罪，由此產(chǎn)生的模糊圖像 - 無論是由于分辨率不足，對焦不良還是曝光期間的移動 - 都不會在法庭上被接受。但攝像頭模塊的分辨率和總體性能正在迅速提高。2000年，三星發(fā)布了SCH-V200，一款0.3百萬像素（MP）的照相手機，2003年NTT DoCoMo推出了第一款自動對焦手機相機1.3-MP P505iS。去年，索尼愛立信推出了許多人認為是第一款真正的照相手機，具有自動對焦功能的2-MP K750i。2006 年 600 月，三星宣布推出 SCH-B10，一款 <> MP 照相手機！

現(xiàn)在所謂的“分辨率演變”正在推動相機模塊的發(fā)展。為了充分利用提高的分辨率，有效和快速的自動對焦（AF）必須伴隨著像素的增加。隨著自動對焦成為標(biāo)準(zhǔn)功能，分辨率的不斷提高將需要更多的相機功能，例如光學(xué)變焦、快門控制和圖像穩(wěn)定（圖1）。

圖1.到2008年的照相手機和鏡頭駕駛員預(yù)測。

許多功能的一個關(guān)鍵要素是能夠快速移動鏡頭以實現(xiàn)最佳對焦。鏡頭驅(qū)動器提供電源，根據(jù)數(shù)字控制信號適當(dāng)?shù)匾苿隅R頭。我們將討論鏡頭驅(qū)動器的作用，描述兩種有用的新產(chǎn)品，并考慮鏡頭驅(qū)動器在市場上的未來。

圖2是數(shù)碼相機的通用框圖或信號鏈。鏡頭投射到CMOS或CCD（電荷耦合器件）傳感器上的圖像被掃描并應(yīng)用于模擬前端處理器（AFE），該處理器放大和調(diào)節(jié)原始視頻信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。例如，AD9822是一款完整的14位模擬信號處理器，適用于CCD成像應(yīng)用，采用3通道架構(gòu)，設(shè)計用于對三線彩色CCD陣列的輸出進行采樣和調(diào)理。一旦圖像為數(shù)字形式，就可以對其進行編輯、下載或存儲，并進一步處理以進行相機操作，例如伽馬校正、閃光燈的感光度調(diào)整和用于對焦的鏡頭驅(qū)動。除了這些基本元件之外，其他傳感器還可以測量鏡頭位置、光線、溫度、加速度和角運動（這些用于圖像穩(wěn)定），電機/執(zhí)行器可以控制快門、中性密度濾鏡 （NDF）、光圈和鏡頭蓋。

圖2.數(shù)碼相機信號鏈。

手機相機與數(shù)碼相機

照相手機是當(dāng)今世界上增長最快的消費市場，并將在未來幾年繼續(xù)如此。這些模塊的尺寸和成本是最重要的，但除此之外，用戶對相機性能的要求也越來越高。事實上，新款照相手機與幾年前的數(shù)碼相機（DSC）之間的性能趨同已經(jīng)發(fā)生。

高分辨率數(shù)碼相機很容易以低成本獲得，但其技術(shù)不能立即轉(zhuǎn)移到手機上。為什么不呢？他們的要求相當(dāng)不同。DSC首先是攝像頭，而手機的主要功能是撥打電話并與某人交談。隨附的攝像頭模塊是有時可能會派上用場的有用附加功能之一，但它不會大大增加成本或使手機更笨重。此外，攝像頭模塊也有嚴(yán)格的功耗限制：一個占用通話時間的攝像頭模塊永遠不會成功。

鏡頭驅(qū)動器

鏡頭驅(qū)動器控制來回移動鏡頭組件的執(zhí)行器，以調(diào)整分辨率通常大于 3 萬像素的照相手機中的焦點和/或放大倍率。分辨率較低的相機通常不需要自動對焦，因此不需要鏡頭驅(qū)動器。除了對焦之外，一些更高分辨率的相機可能會使用鏡頭驅(qū)動器來定位鏡頭以實現(xiàn)圖像穩(wěn)定。圖<>顯示了一個鏡頭驅(qū)動器及其許多可能的輸入和輸出。

圖3.鏡頭驅(qū)動器有許多可能的輸入和輸出。

傳統(tǒng)上，DSC使用數(shù)字步進電機作為執(zhí)行器;步進器已被證明堅固耐用，易于驅(qū)動，可用于驅(qū)動自動對焦（AF）和變焦鏡頭執(zhí)行器。步進器的另一個優(yōu)點是，在鏡頭運動完成后，并達到所需的焦點或放大倍率，不需要保持力即可將鏡頭固定到位。但目前用于DSC的步進電機物理尺寸大、相對昂貴、機械復(fù)雜、嘈雜、緩慢且耗電。這些因素都傾向于使當(dāng)前的步進器不適合手機中的相機模塊。此外，隨著功能添加到照相手機中，很明顯，空間限制將需要非常高的集成度，這對于當(dāng)前的步進技術(shù)來說是一個嚴(yán)重的缺點。

一種新興的致動器技術(shù)基于壓電材料，其中有多種口味。壓電致動器機械簡單，可以快速運動，并且節(jié)能。它可用于自動對焦和變焦應(yīng)用，并且在鏡頭移動完成后無需保持力即可保持鏡頭位置。不幸的是，壓電元件的驅(qū)動方案很復(fù)雜，并且仍在不斷變化。此外，壓電材料具有高溫度系數(shù)，需要對驅(qū)動信號的頻率、相位差和占空比進行溫度補償。

執(zhí)行器技術(shù)中的第三個選擇，帶彈簧復(fù)位的音圈電機（VCM），是當(dāng)今市場上最小、成本最低的自動對焦解決方案;這也是最容易實現(xiàn)的。這些因素很重要，因為具有自動對焦功能的相機模塊是目前該市場上產(chǎn)量最高的產(chǎn)品。

使用VCM的運動是可重復(fù)和無齒輪的，鏡頭位置通過平衡電機和彈簧力來固定。彈簧將鏡頭返回到無限對焦位置，除非需要對焦，否則不會耗散任何功率。它具有機械堅固、抗沖擊和低成本的機械結(jié)構(gòu)。這些電機沒有遲滯，因此具有直流與位置的關(guān)系，因此通常不需要透鏡位置反饋。

圖4顯示了用于自動對焦的典型彈簧預(yù)加載直線電機的傳遞曲線，以及用于照相手機的典型VCM的尺寸。傳遞函數(shù)顯示位移或行程，即鏡頭移動的實際距離 （mm） 與通過電機的電流 （mA） 的關(guān)系。

圖4.彈簧預(yù)加載音圈行程與灌電流的關(guān)系。

啟動電流或彈簧預(yù)加載直線電機發(fā)生任何位移必須超過的閾值電流通常為 20 mA 或更大。額定行程或位移通常為250毫米至400毫米，傳遞曲線的斜率約為10毫米/毫安。自動對焦的最大鏡頭位移約為300毫米至400毫米，因此VCM非常適合這種級別的功能。然而，與壓電致動器和步進電機不同，VCM在保持鏡頭對焦時確實會消耗功率。

表I比較了可用的同類最佳執(zhí)行器技術(shù)。

表 I. 執(zhí)行器比較

驅(qū)動自動對焦的VCM

ADI公司目前生產(chǎn)唯一一款完全集成的產(chǎn)品，專門用于讓相機設(shè)計人員充分利用新興的自動對焦市場。AD5398是一款完整的VCM驅(qū)動器解決方案，內(nèi)置一個10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），具有120 mA輸出吸電流能力，用于驅(qū)動鏡頭自動對焦和圖像穩(wěn)定等應(yīng)用中的音圈執(zhí)行器。AD5398采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I進行控制2C 2 線串行協(xié)議。第二款VCM驅(qū)動器AD5821計劃于2006年5821月發(fā)布。AD5398具有與AD1相同的特性集，但包括一個8.5398 V兼容接口，其硬件關(guān)斷引腳XSHUTDOWN為低電平有效（在AD5上為高電平有效）。圖5821所示為AD10的框圖。一個由電阻R加載的<>位電流輸出DAC產(chǎn)生一個電壓，用于驅(qū)動運算放大器的同相輸入。反饋導(dǎo)致此電壓出現(xiàn)在?R意義，產(chǎn)生驅(qū)動音圈所需的灌電流。

圖5.AD5821框圖顯示了與音圈的連接。

電阻器 R 和 R意義片上交錯和匹配。因此，它們的溫度系數(shù)和溫度范圍內(nèi)的任何非線性度都是匹配的，從而最大限度地減少了輸出隨溫度的漂移。二極管D1提供輸出保護，并在器件斷電時耗散存儲在音圈中的能量。

未來

步進電機制造商將被迫減小尺寸和成本。這將要求驅(qū)動器具有更高的集成度、更高效的驅(qū)動方案、鏡頭位置反饋、更小的尺寸和更低的成本。許多相機模塊制造商正在試驗壓電致動器，這本身就給鏡頭驅(qū)動器制造商帶來了許多挑戰(zhàn)。同樣不遠處還有電聚焦液態(tài)鏡頭。

圖6顯示了用于透鏡驅(qū)動的壓電解決方案的概念框圖。這也適用于步進驅(qū)動器，只是所需的驅(qū)動器數(shù)量將增加一倍。

圖6.顯示可能的壓電解決方案的框圖。

壓電執(zhí)行器需要混合使用模擬驅(qū)動器、數(shù)字靈活性、信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換以及在某些情況下的電源管理的驅(qū)動器。ADI公司在所有這些領(lǐng)域都擁有專業(yè)知識。手機市場的攝像頭模塊是復(fù)雜和多層次的;制造圖像傳感器的公司、為光學(xué)模塊生產(chǎn)機械裝置的公司、鏡頭制造商和鏡頭驅(qū)動器制造商之間存在相互依存關(guān)系。數(shù)碼相機證明了專用設(shè)計可以實現(xiàn)的目標(biāo)，但減小尺寸、成本和功耗的主要挑戰(zhàn)之一是在鏡頭驅(qū)動器中進一步集成其他功能。隨著相機模塊的不斷發(fā)展，ADI將繼續(xù)引領(lǐng)新鏡頭驅(qū)動器和其他組件的開發(fā)。

審核編輯：郭婷