嵌入式自動聚焦模組技術(shù)現(xiàn)狀及展望

李合銀，程雪岷，馬建設(shè)，姚永哲

(清華大學 深圳研究生院 光盤國家工程研究中心深圳分中心，廣東 深圳 518055)

隨著國際貿(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。在中國，物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，已列入國家的“十二五”發(fā)展規(guī)劃。物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)可以分為標識、感知、處理和信息傳送4個環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)跨越無線通訊、計算機技術(shù)、自動控制、信息傳感、信息識別領(lǐng)域。二維條碼是信息識別領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，以移動終端和移動互聯(lián)網(wǎng)作為二維條碼的存儲、解讀、處理和傳播，將移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)有機結(jié)合起來形成的手機移動物聯(lián)網(wǎng)，無疑具有廣闊的市場前景及應(yīng)用價值。

利用手機識別二維條碼，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)和遠焦(攝像)切換速度快的特點，普通的手機攝像頭很難滿足這些要求，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，手機的普遍智能化，二維碼信息傳遞的廣泛興起，具有自動調(diào)焦(Auto－focus，AF)［1］功能的高速攝像頭就成為高端智能手機的必備技術(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、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，其工作原理是致動器在模組行腔內(nèi)帶動鏡頭組件高速運動。同時，圖像傳感器通過鏡頭獲取的圖像經(jīng)圖像處理軟件實時處理后與圖像清晰度評價軟件給出標準數(shù)據(jù)進行對比得出偏差，伺服控制軟件根據(jù)偏差控制致動器實時快速調(diào)整攝像頭組件的位置，實現(xiàn)快速聚焦。其中每一部分對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AF模組技術(shù)現(xiàn)狀

手機自動聚焦模組主要由關(guān)鍵零部件鏡頭(Lens)、傳感器(Sensor)、致動器(Actuator)所組成，決定一個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、致動器的調(diào)焦性能，以及后端驅(qū)動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脂壓模的塑膠鏡片兩種。玻璃的價格比較貴，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，高像素的手機鏡頭已普遍采用玻璃鏡片。

鏡頭廠家主要集中在日本、韓國以及臺灣，鏡頭設(shè)計及制造具有非常高的技術(shù)門檻，技術(shù)壁壘導(dǎo)致很少有新的企業(yè)能夠進入該領(lǐng)域，所以鏡頭的生產(chǎn)利潤極高。而臺灣企業(yè)更是成本優(yōu)勢明顯，臺灣主要有4家公司生產(chǎn)手機相機的鏡頭，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，拍照手機的激增帶動了圖像傳感器市場的飛漲。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，當前拍照手機模塊以CMOS傳感器為主導(dǎo)，并且CMOS易于實現(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IC，這為手機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、韓國廠商主導(dǎo)。全球CCD模組市場有超過90%的市場份額被日本廠商壟斷，而且多用于數(shù)碼相機和日本本土的相機手機，以索尼、夏普、松下為市場龍頭。CMOS傳感器模組由美商OmniVision、Micron(美光科技)、Agilent(安捷倫)為龍頭，韓國的三星、現(xiàn)代，臺灣原相、銳相為中堅，主導(dǎo)著全球CMOS傳感器市場。

2.2 致動器的研究現(xiàn)狀

在手機中實現(xiàn)自動聚焦，其功能主要由一個電機來執(zhí)行。常見的執(zhí)行電機有步進電機(Stepper Motor，STM)，工作方式是利用步進電機搭配減速機構(gòu)驅(qū)動鏡頭運動，目前已經(jīng)使用較少，主要原因是體積較大、有機械能損失，而且制造精度很難滿足;壓電陶瓷電機(Piezoelectronic Ceramic Motor，PIEZO)［3］，工作方式是利用壓電陶瓷給電變形驅(qū)動控制鏡頭動作，其定位精度很高，但是貨源受限、價格高，目前在手機中尚很少應(yīng)用;音圈電機(Voice Coil Motor，VCM)［4］，其工作方式是利用線圈通電產(chǎn)生磁場與永久磁鐵產(chǎn)生相對動作驅(qū)動鏡頭動作，最初在韓國、日本出現(xiàn)，可與鏡頭組整合設(shè)計，小型化方便，成本較低，且精度高、速度快，但是對于國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)來說，主要是設(shè)計、專利卡位，此外還有自動聚焦驅(qū)動諸如超聲波電機(Ultrasonic Motor，USM)［5］、液體透鏡 (Liquid Lens，LL)［6］、波前編碼(Wave Front Coding，WFC)［7］等正在進入人們視線，當然這些新型技術(shù)在成本以及性能上有待用戶市場確認。

目前，在手機中實現(xiàn)AF功能，主要使用的是音圈電機(VCM)。在對手機自動聚焦音圈電機的研究中，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，思考通過與惠普公司、索尼公司的合作訂單，研發(fā)了手機自動聚焦音圈電機技術(shù)，并且在最初研發(fā)期就申請了二十幾項專利，基本上建立了進入該行業(yè)的壁壘，思考目前在上海有幾家分公司;其二是韓國的HYSONIC公司，HYSONIC是取得了三星公司的技術(shù)合作需求，迅速進入該行業(yè)，目前HYSONIC在上海和菲律賓都有生產(chǎn)工廠，也已經(jīng)擁有了十幾項專利。目前國內(nèi)也逐步有企業(yè)在進入該行業(yè)，普遍采用與日韓廠家合作生產(chǎn)的方式。

2.3 手機中AF實現(xiàn)方法以及驅(qū)動IC技術(shù)的發(fā)展

手機中AF功能的實現(xiàn)，前面說到主要是依靠一個致動器，目前使用最多的是音圈電機，而驅(qū)動音圈電機進行AF，需要一個驅(qū)動IC，伴隨著手機零部件推出一代又一代新的產(chǎn)品，音圈電機的驅(qū)動IC也在不斷地更新?lián)Q代。值得一提的是，前期的驅(qū)動IC主要是PWM(Pulse Wide Modulation)驅(qū)動芯片，是模擬信號驅(qū)動，PWM信號輸入驅(qū)動IC，轉(zhuǎn)化為電流后控制音圈電機，典型代表有韓國廠家動運國際生產(chǎn)的ID9701驅(qū)動IC、臺灣廠家點晶科技生產(chǎn)的11－MD115驅(qū)動IC。此后，多家公司陸續(xù)推出I2C驅(qū)動方式，實現(xiàn)數(shù)字信號驅(qū)動，I2C驅(qū)動方式提供了全整合性能，典型的優(yōu)勢是便于手機廠商調(diào)試，避免了PWM方式容易產(chǎn)生噪音的問題，并且減小了尺寸，降低了價格，典型代表有美國廠家ADI生產(chǎn)的AD5398，動運國際生產(chǎn)的DW9710等，多家廠商后來推出的驅(qū)動IC都轉(zhuǎn)到了I2C驅(qū)動，PWM驅(qū)動方式目前已經(jīng)很少使用了。

對于手機中AF模組功能的實現(xiàn)，其整體驅(qū)動控制實現(xiàn)也經(jīng)歷了兩種控制模式，一種是內(nèi)部控制模式(見圖3)，一種是外部控制模式(見圖4)。

對于內(nèi)部控制模式，驅(qū)動IC主要依賴于Sensor的支持，也就是說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)支持才可以實現(xiàn)，這樣對于手機廠家而言，應(yīng)用起來比較方便。

對于外部控制模式，主要是利用手機DSP/主板通過I2C驅(qū)動控制IC芯片，這個需要在手機DSP/主板中寫一個AF算法，自我實現(xiàn)的空間比較大，可以實現(xiàn)隨心所欲地控制，但是這樣增加了手機廠商技術(shù)開發(fā)的難度。

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

3 手機AF模組發(fā)展前景展望

迄今為止，各大手機廠商的攝像模塊通常是定制生產(chǎn)，由手機制造商挑選傳感器芯片及透鏡，并依照手機的不同機型分別定制攝像模組，而今后，手機制造商將更多地從通用攝像模塊產(chǎn)品中進行選擇，這些通用產(chǎn)品是模塊生產(chǎn)商以大規(guī)模生產(chǎn)為前提條件而開發(fā)的。隨著手機智能化這一普遍趨勢，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力推進，手機二維碼掃描的需求，AF攝像模組將不僅僅在高端手機中使用，中低端手機也將大量使用AF模組，而對于AF模組本身，其發(fā)展趨勢有有以下3個方面。

小型化:模塊體積將會越來越小，這是模組技術(shù)的趨勢，重量輕、尺寸小、體積薄將會作為模組的基本性能規(guī)格而落到實處，各大公司都在采用各自的技術(shù)來縮小模組的體積，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功能將會是未來相機模塊中的基本功能，伴隨而來的將會是功能多樣化，如防手震、機械快門、液晶變焦等。

下面將對國外已經(jīng)在研究并逐步興起的一些手機AF技術(shù)做一些簡要介紹。

3.1 液體透鏡技術(shù)的發(fā)展

從國外目前已經(jīng)在研究的技術(shù)來看，液體透鏡(Liquid Lens)可能將在國內(nèi)成為熱點，傳統(tǒng)的鏡頭是通過機械裝置來移動鏡頭相對于圖像傳感器的位置而完成對焦的，這對機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，不需要機械裝置，通過控制外部形狀或內(nèi)部折射率的改變即可達到對焦目的［9］，其工作原理類似于人眼的聚焦機理(人眼對不同距離的物體通過睫狀肌的收縮與松弛來完成聚焦［10］)，其顯著的優(yōu)勢是對焦過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)及實現(xiàn)方式來歸類，液體透鏡大致可以分為以下4類:1)通過機械力改變透鏡外形和體積，以實現(xiàn)對光線的匯聚或發(fā)散，此種結(jié)構(gòu)是一個彈性薄膜、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到變焦的目的［11］;3)通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)氣壓從而改變液體表面形狀以達到液體透鏡變焦的目的［12］;4)基于電潤濕效應(yīng)(Electrowetting)的雙液體透鏡，在電場的作用下，小水滴與防水表面接觸會發(fā)生擴散現(xiàn)象從而改變透鏡的焦距［13－15］。

目前，基于電潤濕原理的雙液體透鏡是當前液體透鏡發(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、醫(yī)療以及數(shù)字攝影市場，如同人的眼睛一樣，這種液體透鏡能夠自動地適應(yīng)所瞄準的對象，而不需要機械裝置的輔助，只需改變兩極電壓來修改2種液體的外形，就可達到聚焦和變焦的目的;Philips于2004年就發(fā)布了名稱為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)過通電加壓導(dǎo)致導(dǎo)電液體形變來達到變焦的效果，結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。液體透鏡有傳統(tǒng)機械調(diào)焦方案不可達到的優(yōu)勢，但也存在目前無法解決的缺點，比如說光軸位置容易飄移，制作液體透鏡的原材料受限導(dǎo)致沒有推廣應(yīng)用。

圖5 法國Varioptic公司推出的液體透鏡

3.2 液晶對焦的發(fā)展

圖6 Philips公司液體透鏡的結(jié)構(gòu)及原理

液晶對焦［16］其實也是液體透鏡的發(fā)展方向之一。目前各大知名高校都對此有研究，比如英國Durham大學、美國弗羅里達大學以及國內(nèi)的清華大學。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，于近幾年開發(fā)了突破性自動對焦模塊技術(shù)，通過液晶透鏡的光學技術(shù)，通過電場控制液晶排列和旋轉(zhuǎn)角度，改變透鏡的折射率，進而實現(xiàn)對焦功能。Lens Vector通過使用液晶透鏡光學元件與傳統(tǒng)的音圈馬達等機械裝置調(diào)焦方案相比，實現(xiàn)對焦后所帶來的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在體積減小、生產(chǎn)良率提高、功耗減少、抗震能力增強，但是美中不足的是液晶模塊會導(dǎo)致光衰減，變焦會造成周邊光損，周邊影像效果會變差，也許待技術(shù)進一步成熟，解決上述問題之后，液晶對焦技術(shù)大量使用于手機、平板電腦、微型監(jiān)控和其他消費電子產(chǎn)品內(nèi)嵌的微型相機中，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在手機攝像模塊中的應(yīng)用，新興技術(shù)在未來幾年內(nèi)既是復(fù)雜的挑戰(zhàn)，又是巨大的機遇［17］。曾于2008年8月，光學微系統(tǒng)供應(yīng)商Siimpel公司的基于MEMS的硅相機技術(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，基于MEMS技術(shù)的攝像模塊實現(xiàn)了手機相機連續(xù)自動聚焦、增強手機的GPS功能，這在移動商務(wù)中有非常大的應(yīng)用功能，比如可以實現(xiàn)高清拍照、利用手機相機掃描圖片并完成文字等識別、通過拍攝景點圖片來實現(xiàn)地理位置標記。MEMS技術(shù)實現(xiàn)自動聚焦精度很高，達到微米量級。光學系統(tǒng)的性能很大程度依賴光學元件的對準公差，如果尺寸減小，對準公差也必須減小才能保證性能，目前的生產(chǎn)和對準技術(shù)限制進一步縮小手機用相機的尺寸。MEMS技術(shù)有望解決這一難題，但目前技術(shù)實現(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模組在手機中大量使用已經(jīng)成為趨勢，在不久的將來，手機AF的功能將促使二維碼推廣，將在大眾中實現(xiàn)一碼行通，比如二維碼名片的掃描、火車票信息讀取、超市商品防偽等方面，將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大有作為，因為手機的AF成像與掃描功能，還將應(yīng)用到虹膜識別、指紋識別、面部識別等眾多領(lǐng)域。另外，隨著將來投影手機登場，AF模組用于投影手機將也是個重點的方向，隨著這些應(yīng)用的出現(xiàn)，AF模組的技術(shù)也將越來越成熟。

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