解讀智能手機光學防抖技術(shù)以及鏡頭驅(qū)動方案
作者:劉洪
日前,全球知名半導體制造商ROHM在北京舉辦智能手機的光學防抖(OIS)技術(shù)以及鏡頭驅(qū)動方案發(fā)布會,ROHM株式會社LSI商品開發(fā)本部馬達控制LSI商品開發(fā)部控制開發(fā)科顧問關(guān)本芳宏先生、ROHM半導體(上海)有限公司設(shè)計中心副所長金東輝先生出席,介紹了ROHM擅長的應(yīng)用于攝像頭模塊的鏡頭驅(qū)動器反饋控制技術(shù),并承諾不斷研發(fā)推陳出新,共同為中國電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展做出貢獻。
防抖的策略有哪些
金東輝表示,以智能手機為首,攝像頭不斷向高精度化,市場需求也不斷提高,所以防抖技術(shù)今后也會繼續(xù)發(fā)展。他希望通過這樣的機會,能夠讓更多人知道ROHM的技術(shù)。
他首先介紹了智能手機的光學防抖(OIS)技術(shù)以及鏡頭驅(qū)動方案。常見防抖對策包括:大像素,會降低分辨率;大鏡頭,使光學結(jié)構(gòu)尺寸大;電子防抖,使像素減少,僅適用低頻抖動;光學防抖,適用范圍廣、實用。如圖1所示,相機抖動一個角度時,遠處的物體偏移的量非常大,所以扭動的動作對圖像造成的破壞較嚴重。如果物體稍微近一點,這個扭動就沒有那么嚴重了。如果抖動成分主要是平移的成分,反過來,物體距離越小,畫面影響就越嚴重,尤其是在拍微距的時候,屏動是不能忽略的。只要集中解決pitch為和Yaw,就解決了扭動的問題。
圖1:相機的抖動對畫面的影響
圖2是OIS的工作原理,即光軸補償。
圖2:OIS的工作原理
OIS的效果怎么評估呢?金東輝說,它有一個量化評價標準。假設(shè)沒有抖動,圖形是一個圓形;有抖動,沒有開補償時會晃動一個幅度,中間會糊掉;補償開了以后,這個畫面仍然不可能是完美的,但是抖動的幅度會有明顯的下降。把這兩個抖動的值做一個除法,經(jīng)過運算得到壓制比的一個參數(shù)。如果一般消費者看,有沒有光學防抖的效果,就是一個定性的評價,很多都是主觀評價。另外簡單比較表明,開OIS的效果就相當于快門速度提了三級,大概是8到10倍的樣子。比如開校正的時候,可以用1/15秒的曝光,就相當于光校正以后的125/1秒,這兩個圖像基本上是等價的,見圖3。
圖3:OIS的效果評估
還有一種電子防抖(EIS)的方法,見圖4,金東輝對兩者進行了比較,見圖5。
圖4:電子防抖(EIS)
圖5:光學防抖和電子防抖的區(qū)別
應(yīng)用于攝像頭模塊的鏡頭驅(qū)動器反饋控制技術(shù)
談到ROHM擅長的應(yīng)用于攝像頭模塊的鏡頭驅(qū)動器反饋控制技術(shù),金東輝先介紹了攝像頭結(jié)構(gòu)以及鏡頭驅(qū)動相關(guān)部件。如圖6,中間部分是攝像頭模組的主要部分,灰色的是外殼,下面是PCV以及傳感器,中間白色的部分是鏡頭組,鏡頭組需要上下延Z方向移動,即AF方向的移動,主要用途是聚焦,現(xiàn)在所有手機的前置攝像頭都帶AF。后置的也有人搭載AF。另外OIS必須讓馬達在XY平面移動,追蹤整個圖像。另外都要有一個馬達驅(qū)動,給它多少電流就移動多少位置。
圖6:攝像頭結(jié)構(gòu)以及鏡頭驅(qū)動相關(guān)部件
ROHM鏡頭驅(qū)動芯片產(chǎn)品系列很多,如圖7所示。
圖7:ROHM鏡頭驅(qū)動芯片產(chǎn)品系列
金東輝還對前饋型和反饋型AF/OIS進行了比較,并介紹了反饋性AF控制的優(yōu)勢,見圖8和圖9。他指出,前饋型是系統(tǒng)檢測到失焦信號,通過圖像的比較知道是否失焦,如失焦就直接讓VCM馬達推動鏡頭到一定的位置,這一輪的控制就結(jié)束了。反饋型不一樣,用Servo DSP控制,首先也是檢測抖動或失焦信號,經(jīng)過各種運算,把VCM推到一定的位置。這個位置迅速由hall檢測,反饋到DSP,知道鏡頭不是已經(jīng)推到了要的位置。如果有一定誤差,會迅速不停循環(huán),只要CPU給系統(tǒng)下了一個指令,把鏡頭推到某個位置后,就可以完全以4軸DSP來控制。
反饋型的優(yōu)勢有幾方面,一是抗沖擊。鏡頭一般用VCM驅(qū)動,有一個彈簧,外面如果有一個撞擊,鏡頭就會晃,偏離原來的位置,如果不加任何的控制的話,晃動慢慢衰減,時間很長,這段時間內(nèi)一直得不到清晰的圖像。如果加一個反饋控制,只要偏離一點位置,馬上就拉到中心位置,這樣可以使大部分時間內(nèi)得到清晰的圖像。第二是抗振動,原理跟抗沖擊差不多,比如把手機放在三腳架上,會有外部振動,這樣鏡頭會偏離該有的位置,這時候用close loop,也可以迅速拉回正常位置。close loop控制非常快,比如拍照的時候,好不容易找到一個物體,推拉對焦時間很長。別小看這個時間,看起來只有100毫秒,但迅速回到目標位置很重要。
圖8:前饋型和反饋型AF/OIS的比較
圖9:反饋性AF控制的優(yōu)勢
總之,ROHM鏡頭驅(qū)動的特點在于,它是一個高性能的伺服系統(tǒng)控制,是經(jīng)過嚴密的仿真和現(xiàn)場調(diào)試做出來的芯片,同時也加了新的PWM驅(qū)動馬達。PWM可以省掉很多功耗,推拉鏡頭都是耗電的工作,如果能夠在這里面省下20、30%的電,也是非常大的效果。另外就是ROHM整個開發(fā)和支持體系非常完整,包括對模組廠、手機廠的支持。到目前為止,ROHM公司OIS/AFDriver累計出貨量已突破100億個。
金東輝還向記者展示了ROHM OIS的優(yōu)異拍攝效果,見圖10。
圖10:ROHM OIS的優(yōu)異拍攝效果
關(guān)本芳宏在較后表示,近年來,智能手機攝像頭有了長足的進步,不用說自動對焦功能了、防抖功能,變焦功能也都陸續(xù)普及了,開始出現(xiàn)覆蓋小型數(shù)碼相機功能的趨勢。以前,手機帶有防抖功能可以說是身份的象征,現(xiàn)在漸漸發(fā)展到更加實用,為了在光線不能暗的地方,或者拍遠處的物體的時候也能拍的清楚,防抖作為照相機的功能也開始漸漸使用了。因此,人們對光學今后的期待也越來越高。ROHM是從2008年開始鏡頭驅(qū)動器,2012年與日本和歐洲和一些手機巨頭合作,第一次推出了搭載光學防抖功能的手機,這些手機上用的就是ROHM的鏡頭驅(qū)動器產(chǎn)品,從那以后,有更多的手機廠商搭載帶光學的防抖功能的鏡頭處理器。
ROHM充分利用光學防抖控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)——反饋控制技術(shù)。現(xiàn)在很多客戶都在采用ROHM的搭載自動對焦反饋控制功能的鏡頭驅(qū)動器。ROHM今后也會繼續(xù)面向中國市場,推廣鏡頭驅(qū)動器產(chǎn)品,為中國的手機,包括智能手機經(jīng)濟的發(fā)展做出貢獻。
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