攝像模塊自動化調(diào)焦設(shè)備開發(fā)

田野 王小輝 曹后平 張傳鑫 劉志宇 羅鋒

（1.廣東光陣光電科技有限公司 2.廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院 3.上海微小衛(wèi)星工程中心）

0 引言

攝像模塊（compact camera module，CCM）是手機(jī)、計算機(jī)、游戲機(jī)、可視電話、汽車輔助駕駛、安全監(jiān)視等智能終端必備的功能部件。目前CCM生產(chǎn)過程除貼片以外，仍以手工組裝和人工測試為主，造成生產(chǎn)效率較低、產(chǎn)品合格率不高、品質(zhì)難以控制等問題。因此，攝像模塊自動化調(diào)焦設(shè)備的開發(fā)，可有效增強國內(nèi) CCM 制造企業(yè)的生產(chǎn)能力與市場競爭力。

1 攝像模塊的基本構(gòu)成

CCM 是用于新一代各種便攜式攝像設(shè)備的核心器件，與傳統(tǒng)攝像系統(tǒng)相比具有小型化、低功耗、低成本、影像品質(zhì)高的優(yōu)點。CCM模組基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CCM模組基本架構(gòu)圖

在國內(nèi)CCM生產(chǎn)領(lǐng)域，尚未發(fā)現(xiàn)有自動檢測設(shè)備研發(fā)的消息。由于國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在顯著差異，國外相關(guān)自動化設(shè)備無法適應(yīng)國內(nèi)的工藝路線，難以移植。

2 攝像模塊自動化調(diào)焦設(shè)備開發(fā)

本項目包括調(diào)焦自動設(shè)備和虛擬實距設(shè)備兩套系統(tǒng)。

2.1 調(diào)焦自動設(shè)備系統(tǒng)

2.1.1 調(diào)焦自動設(shè)備系統(tǒng)原理

調(diào)焦自動設(shè)備系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示，由自動調(diào)焦機(jī)單元、調(diào)焦機(jī)械手、四工位轉(zhuǎn)臺、數(shù)據(jù)采集部分、計算機(jī)等組成。

設(shè)備工作時，在工位1，將被測CCM安放在專用夾具上，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)90°，CCM轉(zhuǎn)到工位2，即調(diào)焦機(jī)械手位置。此時，CCM可接收到由DLP經(jīng)平行光管發(fā)出的圖像。調(diào)焦機(jī)械手調(diào)整CCM鏡頭的軸向位置，由圖像處理軟件判斷計算機(jī)所采集的圖像，直到清晰，調(diào)焦機(jī)械手停止動作，完成該CCM的調(diào)焦工作。工作臺再轉(zhuǎn)90°，CCM轉(zhuǎn)入工位3，進(jìn)行點膠固定，保持被調(diào)試好的狀態(tài)。然后CCM進(jìn)入工位4，進(jìn)行復(fù)檢并卸下，準(zhǔn)備進(jìn)入工位1，進(jìn)行下一個工作循環(huán)。以上調(diào)整過程中，CCM 調(diào)焦連續(xù)進(jìn)行，可有效提高生產(chǎn)效率。

設(shè)備工作中，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度由角度編碼器反饋，機(jī)械手調(diào)焦轉(zhuǎn)動角度由步進(jìn)電機(jī)控制，圖像評價軟件提供反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)控制，有效提高系統(tǒng)精度。

2.1.2 調(diào)焦自動設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)焦自動設(shè)備系統(tǒng)總體為鋁型材框架式結(jié)構(gòu)，底層框架是承載所有設(shè)備的底座，其下部安裝腳輪和支撐方便移動和調(diào)整。導(dǎo)電滑環(huán)、轉(zhuǎn)臺電機(jī)均安裝于底層座上，導(dǎo)電滑環(huán)在轉(zhuǎn)臺連續(xù)轉(zhuǎn)動的情況下，將固定在轉(zhuǎn)臺上的圖像采集板與圖像采集處理盒相連，傳輸圖像信號。轉(zhuǎn)臺電機(jī)可實現(xiàn)四工位分度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動定位精度小于1′，投影光學(xué)系統(tǒng)光軸與被測CCM光軸有較高同軸度。DLP、平行光管、光強調(diào)整鏡構(gòu)成調(diào)焦測試光學(xué)系統(tǒng)，均安裝在上層框架上，平行光管可通過調(diào)焦系統(tǒng)對其焦距進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)虛擬實距模擬；光強調(diào)整鏡由一對偏振片構(gòu)成，調(diào)整入射到被測CCM測光強。調(diào)焦機(jī)械手用來調(diào)整安裝在夾具內(nèi)的CCM組建的鏡頭，完成焦距的調(diào)整。

圖2 自動調(diào)焦設(shè)備系統(tǒng)原理框圖

2.2 虛擬實距設(shè)備系統(tǒng)

虛擬實距設(shè)備系統(tǒng)如圖3 所示，主要由計算機(jī)、距離顯示表、DLP、移動單元、光柵傳感器、平行光管等部分組成。

圖3 虛擬實距設(shè)備系統(tǒng)

工作時，從鍵盤輸入需要虛擬的距離值，計算機(jī)控制移動單元使平行光管鏡頭沿光軸方向移動，由距離顯示表顯示實際移動距離。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 CCM調(diào)焦測試光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)總體原理圖如圖4所示，由計算機(jī)生成的圖案顯示在DLP上，經(jīng)DLP投影在投影屏上，再經(jīng)準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直成視場角為 50°的準(zhǔn)直光成像在Sensor物鏡的像方焦平面上，其視頻信號經(jīng)圖像采集卡進(jìn)入計算機(jī)，由計算機(jī)相關(guān)程序判別Sensor光敏面是否與Sensor物鏡的焦平面重合。如果不重合，則調(diào)節(jié)螺紋使之重合。重合精度由計算機(jī)程序的評價函數(shù)判讀，可保持調(diào)焦的一致性。

2.3.1.1 DLP投影系統(tǒng)

DLP的尺寸為（20×20）mm2，分辨率為 1024×708，其功能是使影像信號自動校正，數(shù)碼梯形校正（10°）。當(dāng)投影屏尺寸為（200×200）mm2時，放大倍率為10=β。設(shè)DLP與投影物鏡的物距為

圖4 光學(xué)系統(tǒng)總體原理圖

2.3.1.2 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)

2.3.1.3 Sensor成像系統(tǒng)

Sensor物鏡的焦距一般為 mm 2 ，取為 mm 2 ，

2.3.2 虛擬實距測量光學(xué)系統(tǒng)

虛擬實距測量系統(tǒng)光學(xué)原理與調(diào)焦測試系統(tǒng)相似，考慮到結(jié)構(gòu)的簡便與虛擬實距的唯一性，采取沿軸向移動準(zhǔn)直物鏡的方案即可實現(xiàn)，其移動量是一個重要技術(shù)指標(biāo)，由決定。x x'中x為物距，x'為像距。在 Sensor物鏡的焦距較小時，可以近似認(rèn)為 x'即為虛擬實距，從表1可以看出當(dāng) x'為1米時，準(zhǔn)直物鏡移動量為44.1 mm，移動量不大，結(jié)構(gòu)可以滿足要求。

表1 虛擬實距與準(zhǔn)直物鏡移動量對比表

2.4 系統(tǒng)軟件及控制系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 系統(tǒng)軟件概述

使用環(huán)境：Windows XP、Windows 2000操作系統(tǒng)；開發(fā)環(huán)境：Microsoft Visual C++ 6.0；主要功能為通過調(diào)焦單元發(fā)生器模擬產(chǎn)生多種分劃圖像，并采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和自動控制技術(shù)實現(xiàn)攝像模塊的自動調(diào)焦。

2.4.2 功能模塊

CCM 自動調(diào)焦系統(tǒng)軟件主要由虛擬實距顯示和自動調(diào)焦控制2個程序組成，2個程序通過RS232串行口進(jìn)行通訊。系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)臺控制模塊、調(diào)焦控制模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、通訊控制模塊、虛擬實距控制模塊等組成，其組成框圖如圖5所示。

圖5 CCM自動調(diào)焦系統(tǒng)組成框圖

2.4.2.1 調(diào)焦控制模塊

調(diào)焦控制模塊選用32位PCI總線PCI1010步進(jìn)電機(jī)運動控制卡，它以高頻率脈沖串形式輸出，控制步進(jìn)電機(jī)的運動。該卡能精確地控制所發(fā)出的脈沖頻率（電機(jī)速度）、脈沖個數(shù)（電機(jī)轉(zhuǎn)角）及脈沖頻率變化率（電機(jī)加速度），并可對電機(jī)進(jìn)行位置控制、插補驅(qū)動、加速/減速等控制，具有圓弧、直線插補功能。

2.4.2.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊主要完成 CCM 攝像模塊的初始化、存儲空間的分配、采集參數(shù)的設(shè)置等功能，圖像采集工作流程如圖6所示。

圖6 圖像采集模塊流程圖

2.4.2.3 圖像處理模塊

圖像處理模塊主要完成圖像預(yù)處理、圖像清晰度評價、自動聚焦等功能。圖像預(yù)處理主要進(jìn)行噪聲去除操作；圖像清晰度評價選用灰度差分法?；叶炔罘址ɡ脠D像的邊緣增強處理，使清晰度評價函數(shù)的特征曲線更加陡峭，即聚焦圖像與離焦圖像的評價函數(shù)更加分明，提高了準(zhǔn)確聚焦的靈敏度。

其中， F（i）為圖像整體灰度差； gx為圖像X方向灰度差； gy為圖像Y方向灰度差；

當(dāng)圖像達(dá)到最清晰時 F （i）取最大值。

為提高聚焦的精度，必須區(qū)分完全聚焦的圖像和只有微小離焦的圖像。由于圖像存在邊緣，一幅圖像聚焦與否，與圖像邊緣信息的高頻成分有關(guān)。當(dāng)完全聚焦時，圖像清晰，包含邊緣信息的高頻分量最多，清晰度評價函數(shù)值最大；當(dāng)圖像離焦時，圖像模糊，圖像邊緣信息的高頻成分較少，清晰度評價函數(shù)值小。該清晰度評價函數(shù)具有以下幾個特性：1)無偏性，即只有物平面與焦平面重合時，評價函數(shù)才取極值；2)單峰性，即評價函數(shù)有且只有一個極值；3)較高的信噪比，即在一定噪聲干擾下，能夠保證系統(tǒng)正確地檢測到離焦信號；4)計算量小，這是快速聚焦的一個先決條件。5)靈敏度高，即能夠正確區(qū)分聚焦和輕微離焦，這是精確聚焦的內(nèi)在要求。

2.4.2.4 通訊控制模塊

通訊模塊主要負(fù)責(zé)程序中各線程、進(jìn)程、轉(zhuǎn)臺控制、虛擬實距控制等模塊之間指令傳送、數(shù)據(jù)交換等工作。主程序通過串行通訊RS232接口向轉(zhuǎn)臺控制、虛擬實距控制、虛擬實距顯示模塊發(fā)送控制命令碼，接收轉(zhuǎn)臺控制、虛擬實距控制發(fā)出的轉(zhuǎn)臺位置等信息。

接收轉(zhuǎn)臺控制、虛擬實距控制RS232通訊端口參數(shù)設(shè)置為：波特率57600 Baud，無奇偶校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

2.4.2.5 虛擬實距顯示模塊

實現(xiàn)光學(xué)圖標(biāo)的生成與顯示。程序可接收自動調(diào)焦系統(tǒng)通過串行口RS232發(fā)送來的命令碼，進(jìn)行圖標(biāo)的更換。

RS232通訊端口端口參數(shù)設(shè)置為：波特率 9600 Baud，無奇偶校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

3 結(jié)語

攝像模塊自動化調(diào)焦設(shè)備開發(fā)是以光機(jī)電算一體化技術(shù)和自動控制技術(shù)為核心，深入研究了 CCM自動化生產(chǎn)技術(shù)和測試工藝，開發(fā)了專門的光學(xué)和軟件系統(tǒng)。整個方案設(shè)計先進(jìn)，運行可靠，是符合我國攝像模塊產(chǎn)業(yè)實際的關(guān)鍵性自動化設(shè)備。為提高和增強國內(nèi)CCM生產(chǎn)制造企業(yè)的生產(chǎn)能力與市場競爭力做出了技術(shù)保證。

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