透镜驱动器AD9822用于改进高分辨率照相模块的性能

只看该作者 · 2018-4-4 14:59

透镜驱动器AD9822用于改进高分辨率照相模块的性能

引言

目前所谓的“分辨率演进”正在推动照相模块的发展。为了充分利用提高的分辨率，有效快速地自动聚焦（AF）必须适应像素的增加。随着自动聚焦逐渐成为一种标准功能，不断提高的分辨率将要求提高照相功能，例如光学缩放、快门控制和图像稳定性（见图1）。

图1. 到2008年照相手机和透镜驱动器市场预测

上述许多功能中的一个关键要素是能够迅速地移动透镜以达到最佳聚焦。透镜驱动器能够响应数字控制信号提供适当移动透镜的功率驱动能力。下面我们将讨论透镜驱动器的作用，介绍两种有用的新产品，以及对市场中未来透镜驱动器的考虑。

图2. DSC信号链

图2示出数码相机（DSC）1的通用框图或信号链。经过透镜投射到CMOS或CCD（电源耦合器件）传感器的图像经过扫描并且施加到模拟前端（AFE）2处理器3，AFE放大和调理原始视频信号并将其转换为数字信号。例如，AD98224是一款适合CCD图像处理应用的完整的14 bit模拟信号处理器，它的三通道体系结构适合对彩色CCD阵列三路输出进行采样和调理。一旦图像被转换为数字形式，就可对它编辑、下载或存储和进一步处理以便适合照相机操作，例如γ校正、对闪光灯的灵敏度调整以及用于聚焦的透镜驱动。除了这些基本的功能单元，其它的传感器可测量透镜位置、光强、温度、加速度和角速度（这些最终会影响图像的稳定性）——并且电机和执行机构能够控制快门、中性滤光片（NDF）、光圈和透镜盖。

照相手机与DSC

照相手机是当今世界增长最快的消费类市场并且在今后几年仍会持续增长。这些模块的尺寸和成本非常重要，但此外，用户对真正照相机的性能要求越来越严格。事实上，新的照相手机和DSC之间的性能会聚几年前就已经出现。

高分辨率DSC很容易以低成本提供，但是它的技术不能直接移植到手机上。为什么？它们的要求相当不同。DSC的首要和最重要的功能是照相——而手机的主要功能是打电话。内部包含的照相模块是附加功能之一，但它不能大幅度地增加成本——或增大手机的体积。此外，对照相模块有几项功耗限制：大幅度减少通话时间的照相模块从来都不会成功。

透镜驱动器
透镜驱动器控制执行机构，它可前后移动透镜组以调整分辨率通常大于两百万象素的照相手机的聚焦和（或）放大倍率。

较低分辨率的相机通常不需要自动聚焦，因此它们不需要透镜驱动器。除了自动聚焦外，一些较高分辨率的相机会使用透镜驱动器定位透镜用于使图像稳定性。图3示出透镜驱动器和其大部分可能的输入和输出。

图3. 透镜驱动器大部分可能的输入输出

通常，DSC使用数字步进电机作为执行机构；步进电机具有鲁棒性，容易驱动的特性，所以可用来驱动自动聚焦（AF）和缩放透镜执行机构。步进电机的另一个优点是在完成透镜移动之后便能达到所要求的聚焦或放大倍率，所以无需再提供功率保持透镜位置。但是当前DSC中采用的步进电机体积较大，成本很高，机构复杂，噪音大，速度慢以及功耗大，这些问题都趋向于使得当前的一些步进电机不适合用于手机中的照相模块。此外，随着照相手机增加的功能越来越多，要求高集成度的空间限制问题越来越明显——这是当前步进电机技术的一个严重缺点。

新兴的执行机构技术基于压电材料，压电材料种类繁多。压电执行机构的结构简单、它能够使机构快速移动并且功耗很低。该机构可用于AF和缩放应用，并且不需要保持力在透镜移动完成后保持透镜的位置。在完成透镜移动之后无需再提供功率保持透镜位置。不幸的是，压电执行机构的驱动方案非常复杂并且还处于不断变化之中。另外，压电材料具有一种很高的温度系数，从而对驱动信号的频率、相位差和占空比的温度补偿要求很严格。

执行机构技术的第三种选择方案是具有弹力恢复的音圈电机（VCM），它是用于当今市场自动聚焦的最小体积最低成本的解决方案，它也是最易于实现的解决方案。这些优点很重要，因为带自动聚集的照相模块通常是当前市场销量最大的产品。

使用VCM移动可重复并且无齿轮，透镜位置由平衡电机和弹力固定。弹力可将透镜恢复到无限聚焦的位置，除非需要聚焦否则不消耗功耗。它具有机构鲁棒性、抗冲击并且成本很低。这些电机无磁滞，因此具有一种直接的电流位置关系，所以通常不需要透镜位置反馈。

图4示出用于自动聚焦的典型弹力预载线性电机的转移曲线——这是专用于照相手机的典型VCM转移图。转移函数表示位移或行程（透镜移动的实际距离）（mm）与通过电机的电流（mA）的关系。

图4. 弹力预载音圈行程与灌电流之间的关系曲线

启动电流或阈值电流（为了产生弹力预载线性电机任何位移必须超过这个电流值）通常要求大于或等于20 mA。额定行程或位移通常是250 µm～400 µm。关系曲线的斜率是10 µm/mA。自动聚焦的最大透镜位移是300 μm～400 μm，因此VCM非常适合这种功能水平。然而与压电执行机构和步进电机不同，VCM在保持透镜焦点位置时要消耗功率。

表I比较了可采用的几种一流的执行机构。

表I. 几种执行机构比较

电机类型	音圈电机（VCM）	压电电机（PEM）	步进电机
尺寸	小	小	最大
成本	低	低	最高
速度（自动聚焦）	10 ms	3 ms	100 ms
能量（mJ）	2.4	0.7	21
双向	是——利用弹力	是	是
指示或静止位置	是	否	否
重复性	好	差	中
需要齿轮	否	否	是
声学噪音	－	－	高
驱动电机的功率晶体管数量	1	4	8
应用	AF和开关功能	AF和缩放	AF和缩放

用于自动聚焦的VCM驱动器解决方案

ADI公司目前唯一提供完全集成产品制造商特别关注能使相机设计工程师充分利用的AF新兴市场。AD53985是一款完整的VCM驱动器解决方案，由于它包含一个120 mA输出灌电流能力的10 bit数模转换器（DAC），所以适合用于驱动音圈执行机构，例如用作透镜自动聚焦和图像稳定性。AD5398使用工业标准I2C®两线串行协议控制。第二款VCM驱动器AD5821预计在2006年10月发布。AD5821具有与AD5398相同的功能设备，但它包含一个1.8 V兼容接口——并且硬件待机引脚XSHUTDOWN规定低电平有效（对于AD5398为高电平有效）。图5示出AD5821的框图。10 bit的电流输出DAC连接负载电阻R后可产生一个驱动运算放大器同相输入端的电压。反馈使得这个电压出现在RSENSE两端，从而产生驱动音圈所需要的灌电流。

图5.示出音圈连接的AD5821框图

电阻器R和RSENSE在片内关联并且匹配。因此它们的随温度变化的温度系数和非线性误差相匹配，从而使输出温度漂移最小。二极管D1提供输出保护，并且当器件待机时消耗存储在音圈中的能量。

未来透镜驱动器
今后要求步进电机生产厂商减小尺寸并且降低成本。这就要求驱动器提高集成度、提高透镜位置反馈驱动方案的效率、减小尺寸并且降低成本。许多照相模块生产厂商正在试验压电执行机构，其本身为透镜驱动器制造厂商提出了许多挑战。电聚焦液体透镜也将在不久面世。

图6示出透镜驱动器的压电解决方案原理性框图。这种解决方案也能够应用到步进驱动器，但需要两倍数量的驱动器。

图6. 可能的压电解决方案框图

压电执行机构需要一个包含模拟驱动器、数字灵活性、信号调理和数据转换器以及某些情况下还需要电源管理多种功能组合的驱动器。ADI公司在所有这些方面都具有专家经验。用于手机市场的照相模块非常复杂并且是多层面；在生产图像传感器（生产光模块机构）的公司、透镜制造商和透镜驱动器制造商之间都具有相互依赖性。DSC证明虽然靠专用设计可以完成，但是减小尺寸，降低成本和功耗的主要挑战之一是在透镜驱动器内部进一步集成附加功能。随着照相模块的不断发展，ADI公司将在开发新透镜驱动器和其它芯片方面继续保持领先地位。