嵌入式自動(dòng)聚焦模組技術(shù)現(xiàn)狀及展望

李合銀，程雪岷，馬建設(shè)，姚永哲

(清華大學(xué) 深圳研究生院 光盤(pán)國(guó)家工程研究中心深圳分中心，廣東 深圳 518055)

隨著國(guó)際貿(mào)易的日益發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的巨大優(yōu)越性也逐步體現(xiàn)出來(lái)。在中國(guó)，物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，已列入國(guó)家的“十二五”發(fā)展規(guī)劃。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)可以分為標(biāo)識(shí)、感知、處理和信息傳送4個(gè)環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)跨越無(wú)線通訊、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、信息傳感、信息識(shí)別領(lǐng)域。二維條碼是信息識(shí)別領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，以移動(dòng)終端和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為二維條碼的存儲(chǔ)、解讀、處理和傳播，將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)形成的手機(jī)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，無(wú)疑具有廣闊的市場(chǎng)前景及應(yīng)用價(jià)值。

利用手機(jī)識(shí)別二維條碼，掃描攝像模組本身必須具備高分辨力、體積小、快速響應(yīng)、誤碼率低、近焦(掃描)和遠(yuǎn)焦(攝像)切換速度快的特點(diǎn)，普通的手機(jī)攝像頭很難滿(mǎn)足這些要求，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，手機(jī)的普遍智能化，二維碼信息傳遞的廣泛興起，具有自動(dòng)調(diào)焦(Auto－focus，AF)［1］功能的高速攝像頭就成為高端智能手機(jī)的必備技術(shù)。

1 AF模組工作原理介紹

嵌入式高速AF成像與掃描模組廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、二維條碼掃描儀、微型攝像及監(jiān)控等行業(yè)，是物聯(lián)網(wǎng)核心傳感器之一。AF模組由高分辨力鏡頭、圖像傳感器、高靈敏度致動(dòng)器及相應(yīng)軟件(圖像處理、伺服控制等)幾部分組成，其工作原理是致動(dòng)器在模組行腔內(nèi)帶動(dòng)鏡頭組件高速運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，圖像傳感器通過(guò)鏡頭獲取的圖像經(jīng)圖像處理軟件實(shí)時(shí)處理后與圖像清晰度評(píng)價(jià)軟件給出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得出偏差，伺服控制軟件根據(jù)偏差控制致動(dòng)器實(shí)時(shí)快速調(diào)整攝像頭組件的位置，實(shí)現(xiàn)快速聚焦。其中每一部分對(duì)模組的整體性能都有決定性影響。模組外形如圖1所示，其工作原理如圖2所示。

2 手機(jī)AF模組技術(shù)現(xiàn)狀

手機(jī)自動(dòng)聚焦模組主要由關(guān)鍵零部件鏡頭(Lens)、傳感器(Sensor)、致動(dòng)器(Actuator)所組成，決定一個(gè)模組好壞的最重要因素就是:鏡頭的性能和質(zhì)量、圖像傳感器的成像性能、致動(dòng)器的調(diào)焦性能，以及后端驅(qū)動(dòng)IC、AF控制算法的優(yōu)劣。

2.1 模組鏡頭及圖像傳感器

鏡頭是相機(jī)的靈魂，鏡頭是指由不同的透鏡片經(jīng)系統(tǒng)組合而成的整體，其中鏡片有玻璃鏡片和樹(shù)脂壓模的塑膠鏡片兩種。玻璃的價(jià)格比較貴，但是透光和成像效果要好很多，而塑膠的抗震性比較好。隨著鏡頭生產(chǎn)的成本下降，高像素的手機(jī)鏡頭已普遍采用玻璃鏡片。

鏡頭廠家主要集中在日本、韓國(guó)以及臺(tái)灣，鏡頭設(shè)計(jì)及制造具有非常高的技術(shù)門(mén)檻，技術(shù)壁壘導(dǎo)致很少有新的企業(yè)能夠進(jìn)入該領(lǐng)域，所以鏡頭的生產(chǎn)利潤(rùn)極高。而臺(tái)灣企業(yè)更是成本優(yōu)勢(shì)明顯，臺(tái)灣主要有4家公司生產(chǎn)手機(jī)相機(jī)的鏡頭，分別是玉晶光電股份有限公司、大立光電股份有限公司、亞洲光學(xué)股份有限公司、普立爾科技股份有限公司。

圖像傳感器是攝像頭的核心模塊，拍照手機(jī)的激增帶動(dòng)了圖像傳感器市場(chǎng)的飛漲。應(yīng)用中的圖像傳感器主要有CCD(電荷耦合器件)和CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)兩種［2］。與CCD技術(shù)相比，CMOS是后起之秀。憑借其成本低、體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前拍照手機(jī)模塊以CMOS傳感器為主導(dǎo)，并且CMOS易于實(shí)現(xiàn)集成。到目前，較高檔的CMOS sensor內(nèi)部都集成了AF算法，更有一些集成了AF的驅(qū)動(dòng)IC，這為手機(jī)制造商提供了很大的便利。

CCD傳感器由日本廠商主導(dǎo)，CMOS傳感器主要由美國(guó)、韓國(guó)廠商主導(dǎo)。全球CCD模組市場(chǎng)有超過(guò)90%的市場(chǎng)份額被日本廠商壟斷，而且多用于數(shù)碼相機(jī)和日本本土的相機(jī)手機(jī)，以索尼、夏普、松下為市場(chǎng)龍頭。CMOS傳感器模組由美商O(píng)mniVision、Micron(美光科技)、Agilent(安捷倫)為龍頭，韓國(guó)的三星、現(xiàn)代，臺(tái)灣原相、銳相為中堅(jiān)，主導(dǎo)著全球CMOS傳感器市場(chǎng)。

2.2 致動(dòng)器的研究現(xiàn)狀

在手機(jī)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦，其功能主要由一個(gè)電機(jī)來(lái)執(zhí)行。常見(jiàn)的執(zhí)行電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)(Stepper Motor，STM)，工作方式是利用步進(jìn)電機(jī)搭配減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鏡頭運(yùn)動(dòng)，目前已經(jīng)使用較少，主要原因是體積較大、有機(jī)械能損失，而且制造精度很難滿(mǎn)足;壓電陶瓷電機(jī)(Piezoelectronic Ceramic Motor，PIEZO)［3］，工作方式是利用壓電陶瓷給電變形驅(qū)動(dòng)控制鏡頭動(dòng)作，其定位精度很高，但是貨源受限、價(jià)格高，目前在手機(jī)中尚很少應(yīng)用;音圈電機(jī)(Voice Coil Motor，VCM)［4］，其工作方式是利用線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)與永久磁鐵產(chǎn)生相對(duì)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)鏡頭動(dòng)作，最初在韓國(guó)、日本出現(xiàn)，可與鏡頭組整合設(shè)計(jì)，小型化方便，成本較低，且精度高、速度快，但是對(duì)于國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，主要是設(shè)計(jì)、專(zhuān)利卡位，此外還有自動(dòng)聚焦驅(qū)動(dòng)諸如超聲波電機(jī)(Ultrasonic Motor，USM)［5］、液體透鏡 (Liquid Lens，LL)［6］、波前編碼(Wave Front Coding，WFC)［7］等正在進(jìn)入人們視線，當(dāng)然這些新型技術(shù)在成本以及性能上有待用戶(hù)市場(chǎng)確認(rèn)。

目前，在手機(jī)中實(shí)現(xiàn)AF功能，主要使用的是音圈電機(jī)(VCM)。在對(duì)手機(jī)自動(dòng)聚焦音圈電機(jī)的研究中，日韓一直處于領(lǐng)先地位，從發(fā)展至今，日韓都有研究的代表企業(yè)，其一是日本的思考公司，思考通過(guò)與惠普公司、索尼公司的合作訂單，研發(fā)了手機(jī)自動(dòng)聚焦音圈電機(jī)技術(shù)，并且在最初研發(fā)期就申請(qǐng)了二十幾項(xiàng)專(zhuān)利，基本上建立了進(jìn)入該行業(yè)的壁壘，思考目前在上海有幾家分公司;其二是韓國(guó)的HYSONIC公司，HYSONIC是取得了三星公司的技術(shù)合作需求，迅速進(jìn)入該行業(yè)，目前HYSONIC在上海和菲律賓都有生產(chǎn)工廠，也已經(jīng)擁有了十幾項(xiàng)專(zhuān)利。目前國(guó)內(nèi)也逐步有企業(yè)在進(jìn)入該行業(yè)，普遍采用與日韓廠家合作生產(chǎn)的方式。

2.3 手機(jī)中AF實(shí)現(xiàn)方法以及驅(qū)動(dòng)IC技術(shù)的發(fā)展

手機(jī)中AF功能的實(shí)現(xiàn)，前面說(shuō)到主要是依靠一個(gè)致動(dòng)器，目前使用最多的是音圈電機(jī)，而驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)進(jìn)行AF，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC，伴隨著手機(jī)零部件推出一代又一代新的產(chǎn)品，音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)IC也在不斷地更新?lián)Q代。值得一提的是，前期的驅(qū)動(dòng)IC主要是PWM(Pulse Wide Modulation)驅(qū)動(dòng)芯片，是模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)，PWM信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)IC，轉(zhuǎn)化為電流后控制音圈電機(jī)，典型代表有韓國(guó)廠家動(dòng)運(yùn)國(guó)際生產(chǎn)的ID9701驅(qū)動(dòng)IC、臺(tái)灣廠家點(diǎn)晶科技生產(chǎn)的11－MD115驅(qū)動(dòng)IC。此后，多家公司陸續(xù)推出I2C驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，I2C驅(qū)動(dòng)方式提供了全整合性能，典型的優(yōu)勢(shì)是便于手機(jī)廠商調(diào)試，避免了PWM方式容易產(chǎn)生噪音的問(wèn)題，并且減小了尺寸，降低了價(jià)格，典型代表有美國(guó)廠家ADI生產(chǎn)的AD5398，動(dòng)運(yùn)國(guó)際生產(chǎn)的DW9710等，多家廠商后來(lái)推出的驅(qū)動(dòng)IC都轉(zhuǎn)到了I2C驅(qū)動(dòng)，PWM驅(qū)動(dòng)方式目前已經(jīng)很少使用了。

對(duì)于手機(jī)中AF模組功能的實(shí)現(xiàn)，其整體驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)也經(jīng)歷了兩種控制模式，一種是內(nèi)部控制模式(見(jiàn)圖3)，一種是外部控制模式(見(jiàn)圖4)。

對(duì)于內(nèi)部控制模式，驅(qū)動(dòng)IC主要依賴(lài)于Sensor的支持，也就是說(shuō)Sensor內(nèi)部集成了AF算法，比如OV3640，mt9d111，這些Sensor內(nèi)部有支持多家驅(qū)動(dòng)IC的AF算法，但是這就需要Sensor廠家提供技術(shù)支持才可以實(shí)現(xiàn)，這樣對(duì)于手機(jī)廠家而言，應(yīng)用起來(lái)比較方便。

對(duì)于外部控制模式，主要是利用手機(jī)DSP/主板通過(guò)I2C驅(qū)動(dòng)控制IC芯片，這個(gè)需要在手機(jī)DSP/主板中寫(xiě)一個(gè)AF算法，自我實(shí)現(xiàn)的空間比較大，可以實(shí)現(xiàn)隨心所欲地控制，但是這樣增加了手機(jī)廠商技術(shù)開(kāi)發(fā)的難度。

目前，對(duì)于手機(jī)廠商而言，所采用的方式大部分是內(nèi)部控制模式，而對(duì)于模組廠商而言，所做的測(cè)試板大部分采用外部控制模式。

3 手機(jī)AF模組發(fā)展前景展望

迄今為止，各大手機(jī)廠商的攝像模塊通常是定制生產(chǎn)，由手機(jī)制造商挑選傳感器芯片及透鏡，并依照手機(jī)的不同機(jī)型分別定制攝像模組，而今后，手機(jī)制造商將更多地從通用攝像模塊產(chǎn)品中進(jìn)行選擇，這些通用產(chǎn)品是模塊生產(chǎn)商以大規(guī)模生產(chǎn)為前提條件而開(kāi)發(fā)的。隨著手機(jī)智能化這一普遍趨勢(shì)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力推進(jìn)，手機(jī)二維碼掃描的需求，AF攝像模組將不僅僅在高端手機(jī)中使用，中低端手機(jī)也將大量使用AF模組，而對(duì)于AF模組本身，其發(fā)展趨勢(shì)有有以下3個(gè)方面。

小型化:模塊體積將會(huì)越來(lái)越小，這是模組技術(shù)的趨勢(shì)，重量輕、尺寸小、體積薄將會(huì)作為模組的基本性能規(guī)格而落到實(shí)處，各大公司都在采用各自的技術(shù)來(lái)縮小模組的體積，比如意法半導(dǎo)體、東芝和Aptina Imaging公司為了縮小攝像模塊的封裝面積采用了貫通電極技術(shù)，取得較好的效果。

集成化:AF控制算法將會(huì)被主要的芯片集成，比如采用DSP的集成或是Sensor的SoC(片上系統(tǒng))［8］集成。

多樣化:AF功能將會(huì)是未來(lái)相機(jī)模塊中的基本功能，伴隨而來(lái)的將會(huì)是功能多樣化，如防手震、機(jī)械快門(mén)、液晶變焦等。

下面將對(duì)國(guó)外已經(jīng)在研究并逐步興起的一些手機(jī)AF技術(shù)做一些簡(jiǎn)要介紹。

3.1 液體透鏡技術(shù)的發(fā)展

從國(guó)外目前已經(jīng)在研究的技術(shù)來(lái)看，液體透鏡(Liquid Lens)可能將在國(guó)內(nèi)成為熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的鏡頭是通過(guò)機(jī)械裝置來(lái)移動(dòng)鏡頭相對(duì)于圖像傳感器的位置而完成對(duì)焦的，這對(duì)機(jī)械裝置的抗震要求非常高，而且響應(yīng)速度較慢。液體透鏡是由液體材料制作而成的，不需要機(jī)械裝置，通過(guò)控制外部形狀或內(nèi)部折射率的改變即可達(dá)到對(duì)焦目的［9］，其工作原理類(lèi)似于人眼的聚焦機(jī)理(人眼對(duì)不同距離的物體通過(guò)睫狀肌的收縮與松弛來(lái)完成聚焦［10］)，其顯著的優(yōu)勢(shì)是對(duì)焦過(guò)程不易受到外力的影響，且響應(yīng)速度快。根據(jù)其結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方式來(lái)歸類(lèi)，液體透鏡大致可以分為以下4類(lèi):1)通過(guò)機(jī)械力改變透鏡外形和體積，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的匯聚或發(fā)散，此種結(jié)構(gòu)是一個(gè)彈性薄膜、平板、環(huán)形密封圈，以及固定體積的液體組合而成的夾層結(jié)構(gòu)［6］;2)通過(guò)微型裝置往透鏡內(nèi)注入或抽吸液體從而改變透鏡體積達(dá)到變焦的目的［11］;3)通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)氣壓從而改變液體表面形狀以達(dá)到液體透鏡變焦的目的［12］;4)基于電潤(rùn)濕效應(yīng)(Electrowetting)的雙液體透鏡，在電場(chǎng)的作用下，小水滴與防水表面接觸會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象從而改變透鏡的焦距［13－15］。

目前，基于電潤(rùn)濕原理的雙液體透鏡是當(dāng)前液體透鏡發(fā)展的主流方向。主要代表有Varioptic公司和Philips公司的產(chǎn)品。法國(guó)Varioptic公司已于2006年推出2款液體透鏡Arctic314及Arctic416，外形如圖5所示，可應(yīng)用于手機(jī)、醫(yī)療以及數(shù)字?jǐn)z影市場(chǎng)，如同人的眼睛一樣，這種液體透鏡能夠自動(dòng)地適應(yīng)所瞄準(zhǔn)的對(duì)象，而不需要機(jī)械裝置的輔助，只需改變兩極電壓來(lái)修改2種液體的外形，就可達(dá)到聚焦和變焦的目的;Philips于2004年就發(fā)布了名稱(chēng)為FluidFocus的液體變焦鏡頭，它的原型為玻璃外殼，并且在外殼內(nèi)注入一種導(dǎo)電液體和一種不導(dǎo)電的絕緣液體，經(jīng)過(guò)通電加壓導(dǎo)致導(dǎo)電液體形變來(lái)達(dá)到變焦的效果，結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。液體透鏡有傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)焦方案不可達(dá)到的優(yōu)勢(shì)，但也存在目前無(wú)法解決的缺點(diǎn)，比如說(shuō)光軸位置容易飄移，制作液體透鏡的原材料受限導(dǎo)致沒(méi)有推廣應(yīng)用。

圖5 法國(guó)Varioptic公司推出的液體透鏡

3.2 液晶對(duì)焦的發(fā)展

圖6 Philips公司液體透鏡的結(jié)構(gòu)及原理

液晶對(duì)焦［16］其實(shí)也是液體透鏡的發(fā)展方向之一。目前各大知名高校都對(duì)此有研究，比如英國(guó)Durham大學(xué)、美國(guó)弗羅里達(dá)大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)。與其他液體透鏡所用的液體材料不同，液晶具有雙折射的光學(xué)特性。在研發(fā)應(yīng)用上，比較有代表性的公司是Lens Vector，于近幾年開(kāi)發(fā)了突破性自動(dòng)對(duì)焦模塊技術(shù)，通過(guò)液晶透鏡的光學(xué)技術(shù)，通過(guò)電場(chǎng)控制液晶排列和旋轉(zhuǎn)角度，改變透鏡的折射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)焦功能。Lens Vector通過(guò)使用液晶透鏡光學(xué)元件與傳統(tǒng)的音圈馬達(dá)等機(jī)械裝置調(diào)焦方案相比，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦后所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在體積減小、生產(chǎn)良率提高、功耗減少、抗震能力增強(qiáng)，但是美中不足的是液晶模塊會(huì)導(dǎo)致光衰減，變焦會(huì)造成周邊光損，周邊影像效果會(huì)變差，也許待技術(shù)進(jìn)一步成熟，解決上述問(wèn)題之后，液晶對(duì)焦技術(shù)大量使用于手機(jī)、平板電腦、微型監(jiān)控和其他消費(fèi)電子產(chǎn)品內(nèi)嵌的微型相機(jī)中，也就指日可待了。Lens Vector公司生產(chǎn)的液晶鏡頭如圖7所示。

圖7 Lens Vector公司生產(chǎn)的液晶鏡頭

3.3 MEMS技術(shù)介紹

MEMS在手機(jī)攝像模塊中的應(yīng)用，新興技術(shù)在未來(lái)幾年內(nèi)既是復(fù)雜的挑戰(zhàn)，又是巨大的機(jī)遇［17］。曾于2008年8月，光學(xué)微系統(tǒng)供應(yīng)商Siimpel公司的基于MEMS的硅相機(jī)技術(shù)產(chǎn)品SiimpelFocus SF9x，如圖8所示，被用于摩托羅拉推出的MING A1600手機(jī)，基于MEMS技術(shù)的攝像模塊實(shí)現(xiàn)了手機(jī)相機(jī)連續(xù)自動(dòng)聚焦、增強(qiáng)手機(jī)的GPS功能，這在移動(dòng)商務(wù)中有非常大的應(yīng)用功能，比如可以實(shí)現(xiàn)高清拍照、利用手機(jī)相機(jī)掃描圖片并完成文字等識(shí)別、通過(guò)拍攝景點(diǎn)圖片來(lái)實(shí)現(xiàn)地理位置標(biāo)記。MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦精度很高，達(dá)到微米量級(jí)。光學(xué)系統(tǒng)的性能很大程度依賴(lài)光學(xué)元件的對(duì)準(zhǔn)公差，如果尺寸減小，對(duì)準(zhǔn)公差也必須減小才能保證性能，目前的生產(chǎn)和對(duì)準(zhǔn)技術(shù)限制進(jìn)一步縮小手機(jī)用相機(jī)的尺寸。MEMS技術(shù)有望解決這一難題，但目前技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高。

圖8 Siimpel公司生產(chǎn)的基于MEMS的調(diào)焦鏡頭

4 總結(jié)

AF模組在手機(jī)中大量使用已經(jīng)成為趨勢(shì)，在不久的將來(lái)，手機(jī)AF的功能將促使二維碼推廣，將在大眾中實(shí)現(xiàn)一碼行通，比如二維碼名片的掃描、火車(chē)票信息讀取、超市商品防偽等方面，將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大有作為，因?yàn)槭謾C(jī)的AF成像與掃描功能，還將應(yīng)用到虹膜識(shí)別、指紋識(shí)別、面部識(shí)別等眾多領(lǐng)域。另外，隨著將來(lái)投影手機(jī)登場(chǎng)，AF模組用于投影手機(jī)將也是個(gè)重點(diǎn)的方向，隨著這些應(yīng)用的出現(xiàn)，AF模組的技術(shù)也將越來(lái)越成熟。

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