镜头驱动器专注于高分辨率摄像头模块的性能

作者：Mark Murphy, Mel Conway, and Gary Casey

您可能知道您的手机中有一个摄像头模块;但是，如果它已经超过几个月了，或者它不是非常昂贵，那么可以肯定的是，如果你拍摄某人犯罪，由此产生的模糊图像 - 无论是由于分辨率不足，对焦不良还是曝光期间的移动 - 都不会在法庭上被接受。但摄像头模块的分辨率和总体性能正在迅速提高。2000年，三星发布了SCH-V200，一款0.3百万像素（MP）的照相手机，2003年NTT DoCoMo推出了第一款自动对焦手机相机1.3-MP P505iS。去年，索尼爱立信推出了许多人认为是第一款真正的照相手机，具有自动对焦功能的2-MP K750i。2006 年 600 月，三星宣布推出 SCH-B10，一款 <> MP 照相手机！

现在所谓的“分辨率演变”正在推动相机模块的发展。为了充分利用提高的分辨率，有效和快速的自动对焦（AF）必须伴随着像素的增加。随着自动对焦成为标准功能，分辨率的不断提高将需要更多的相机功能，例如光学变焦、快门控制和图像稳定（图1）。

图1.到2008年的照相手机和镜头驾驶员预测。

许多功能的一个关键要素是能够快速移动镜头以实现最佳对焦。镜头驱动器提供电源，根据数字控制信号适当地移动镜头。我们将讨论镜头驱动器的作用，描述两种有用的新产品，并考虑镜头驱动器在市场上的未来。

图2是数码相机的通用框图或信号链。镜头投射到CMOS或CCD（电荷耦合器件）传感器上的图像被扫描并应用于模拟前端处理器（AFE），该处理器放大和调节原始视频信号，并将其转换为数字信号。例如，AD9822是一款完整的14位模拟信号处理器，适用于CCD成像应用，采用3通道架构，设计用于对三线彩色CCD阵列的输出进行采样和调理。一旦图像为数字形式，就可以对其进行编辑、下载或存储，并进一步处理以进行相机操作，例如伽马校正、闪光灯的感光度调整和用于对焦的镜头驱动。除了这些基本元件之外，其他传感器还可以测量镜头位置、光线、温度、加速度和角运动（这些用于图像稳定），电机/执行器可以控制快门、中性密度滤镜 （NDF）、光圈和镜头盖。

图2.数码相机信号链。

手机相机与数码相机

照相手机是当今世界上增长最快的消费市场，并将在未来几年继续如此。这些模块的尺寸和成本是最重要的，但除此之外，用户对相机性能的要求也越来越高。事实上，新款照相手机与几年前的数码相机（DSC）之间的性能趋同已经发生。

高分辨率数码相机很容易以低成本获得，但其技术不能立即转移到手机上。为什么不呢？他们的要求相当不同。DSC首先是摄像头，而手机的主要功能是拨打电话并与某人交谈。随附的摄像头模块是有时可能会派上用场的有用附加功能之一，但它不会大大增加成本或使手机更笨重。此外，摄像头模块也有严格的功耗限制：一个占用通话时间的摄像头模块永远不会成功。

镜头驱动器

镜头驱动器控制来回移动镜头组件的执行器，以调整分辨率通常大于 3 万像素的照相手机中的焦点和/或放大倍率。分辨率较低的相机通常不需要自动对焦，因此不需要镜头驱动器。除了对焦之外，一些更高分辨率的相机可能会使用镜头驱动器来定位镜头以实现图像稳定。图<>显示了一个镜头驱动器及其许多可能的输入和输出。

图3.镜头驱动器有许多可能的输入和输出。

传统上，DSC使用数字步进电机作为执行器;步进器已被证明坚固耐用，易于驱动，可用于驱动自动对焦（AF）和变焦镜头执行器。步进器的另一个优点是，在镜头运动完成后，并达到所需的焦点或放大倍率，不需要保持力即可将镜头固定到位。但目前用于DSC的步进电机物理尺寸大、相对昂贵、机械复杂、嘈杂、缓慢且耗电。这些因素都倾向于使当前的步进器不适合手机中的相机模块。此外，随着功能添加到照相手机中，很明显，空间限制将需要非常高的集成度，这对于当前的步进技术来说是一个严重的缺点。

一种新兴的致动器技术基于压电材料，其中有多种口味。压电致动器机械简单，可以快速运动，并且节能。它可用于自动对焦和变焦应用，并且在镜头移动完成后无需保持力即可保持镜头位置。不幸的是，压电元件的驱动方案很复杂，并且仍在不断变化。此外，压电材料具有高温度系数，需要对驱动信号的频率、相位差和占空比进行温度补偿。

执行器技术中的第三个选择，带弹簧复位的音圈电机（VCM），是当今市场上最小、成本最低的自动对焦解决方案;这也是最容易实现的。这些因素很重要，因为具有自动对焦功能的相机模块是目前该市场上产量最高的产品。

使用VCM的运动是可重复和无齿轮的，镜头位置通过平衡电机和弹簧力来固定。弹簧将镜头返回到无限对焦位置，除非需要对焦，否则不会耗散任何功率。它具有机械坚固、抗冲击和低成本的机械结构。这些电机没有迟滞，因此具有直流与位置的关系，因此通常不需要透镜位置反馈。

图4显示了用于自动对焦的典型弹簧预加载直线电机的传递曲线，以及用于照相手机的典型VCM的尺寸。传递函数显示位移或行程，即镜头移动的实际距离 （mm） 与通过电机的电流 （mA） 的关系。

图4.弹簧预加载音圈行程与灌电流的关系。

启动电流或弹簧预加载直线电机发生任何位移必须超过的阈值电流通常为 20 mA 或更大。额定行程或位移通常为250毫米至400毫米，传递曲线的斜率约为10毫米/毫安。自动对焦的最大镜头位移约为300毫米至400毫米，因此VCM非常适合这种级别的功能。然而，与压电致动器和步进电机不同，VCM在保持镜头对焦时确实会消耗功率。

表I比较了可用的同类最佳执行器技术。

表 I. 执行器比较

 

电机 类型	音圈电机	压电电机	步进电机
大小	小	小	最大
成本	最低	低	最高
速度（自动对焦）	10 毫秒	3 毫秒	100 毫秒
能量（兆焦）	2.4	0.7	21
双向	是的，带弹簧	是的	是的
索引/静止位置	是的	不	不
重复性	好	穷	中等
所需齿轮	不	不	是的
噪声	—	—	高
驱动电机的功率晶体管	1	4	8
应用	自动对焦和开/关功能	自动对焦和变焦	自动对焦和变焦

 

驱动自动对焦的VCM

ADI公司目前生产唯一一款完全集成的产品，专门用于让相机设计人员充分利用新兴的自动对焦市场。AD5398是一款完整的VCM驱动器解决方案，内置一个10位数模转换器（DAC），具有120 mA输出吸电流能力，用于驱动镜头自动对焦和图像稳定等应用中的音圈执行器。AD5398采用行业标准I进行控制2C 2 线串行协议。第二款VCM驱动器AD5821计划于2006年5821月发布。AD5398具有与AD1相同的特性集，但包括一个8.5398 V兼容接口，其硬件关断引脚XSHUTDOWN为低电平有效（在AD5上为高电平有效）。图5821所示为AD10的框图。一个由电阻R加载的<>位电流输出DAC产生一个电压，用于驱动运算放大器的同相输入。反馈导致此电压出现在®R意义，产生驱动音圈所需的灌电流。

图5.AD5821框图显示了与音圈的连接。

电阻器 R 和 R意义片上交错和匹配。因此，它们的温度系数和温度范围内的任何非线性度都是匹配的，从而最大限度地减少了输出随温度的漂移。二极管D1提供输出保护，并在器件断电时耗散存储在音圈中的能量。

未来

步进电机制造商将被迫减小尺寸和成本。这将要求驱动器具有更高的集成度、更高效的驱动方案、镜头位置反馈、更小的尺寸和更低的成本。许多相机模块制造商正在试验压电致动器，这本身就给镜头驱动器制造商带来了许多挑战。同样不远处还有电聚焦液态镜头。

图6显示了用于透镜驱动的压电解决方案的概念框图。这也适用于步进驱动器，只是所需的驱动器数量将增加一倍。

图6.显示可能的压电解决方案的框图。

压电执行器需要混合使用模拟驱动器、数字灵活性、信号调理和转换以及在某些情况下的电源管理的驱动器。ADI公司在所有这些领域都拥有专业知识。手机市场的摄像头模块是复杂和多层次的;制造图像传感器的公司、为光学模块生产机械装置的公司、镜头制造商和镜头驱动器制造商之间存在相互依存关系。数码相机证明了专用设计可以实现的目标，但减小尺寸、成本和功耗的主要挑战之一是在镜头驱动器中进一步集成其他功能。随着相机模块的不断发展，ADI将继续引领新镜头驱动器和其他组件的开发。

审核编辑：郭婷