致動器

參考: http://www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=0801150010 照相手機自動對焦功能漸興　鏡頭驅動器掀起高畫素革命

新通訊 2008 年 1 月號 83 期《 技術前瞻 》

文．Mark Murphy/Mel Conway/Gary Casey

照相手機的解析度與性能正在快速精進。如2000年時最頂級的解析度是三十萬畫素；而第一台自動對焦(AF)照相手機則是在2003年問世；很快地，2005年又有業者發表兩百萬畫素的自動對焦照相手機；在2006年更有一千萬畫素照相手機面世。

這種「解析度的革命」正帶動相機模組的發展。為了提升解析度，有效且快速的自動對焦必須能夠與畫素一併成長。未來隨著自動對焦逐漸成為標準之後，持續提升的解析度將會需要額外的照相機特點，如光學變焦、快門控制、以及影像的穩定化。  這些特點的關鍵要素就是可快速移動鏡頭，以便做出適當對焦的能力。鏡頭驅動器會對數位控制訊號做出回應，進而提供電力以移動鏡頭。圖1所示為數位相機的方塊圖。藉由鏡頭投影至CMOS或是CCD感測器上的影像會被掃描下來，並且轉換為數位資料，而假如是將CCD應用於類比前端的處理器上，它會將原始的視訊訊號予以放大和調整。舉例來說，目前已有業者推出適用於CCD影像處理應用裝置的10位元完全類比訊號處理器，可對常在低階數位照相機上所使用的彩色CCD陣列的輸出進行取樣以及調整。一旦影像被轉成數位格式後，就可被編輯、下載、儲存，或是其他針對相機操作方面的進一步處理，包括伽瑪校正(Gamma-correction)、對於閃光燈的光線敏感度調整，以及對焦用的鏡頭驅動。除這些基本要素外，額外的感測器還可量測出鏡頭的位置、光線、溫度、加速度，以及作為影像穩定的角運動(Angular Motion)。馬達/致動器則可以控制快門、中性密度濾鏡(Neutral Density Filter)、光圈以及鏡頭蓋。 圖1　數位相機的訊號鏈 成本/尺寸/功耗限制照相手機設計  照相手機是目前成長最快的消費性市場。雖然尺寸及成本向來是最主要的重點，但是使用者也會要求相機的性能。而儘管高解析度數位靜態照相機(DSC)已經能夠以低成本生產，但是其技術仍無法立即至轉換到照相手機上，這是因為兩者的需求有著顯著的差異性，DSC是照相機，而手機的主要功能則是打電話。儘管手機內建相機模組是一項很有用的特點，但卻不應增加實質成本，或使手機體積變大。此外，嚴格的電源消耗，也是一項關鍵因素。 壓電致動器有利照相手機發展 鏡頭驅動器可控制超過兩百萬畫素解析度照相手機中的致動器，此致動器可使鏡頭組合來回移動以進行對焦。具有較低解析度的照相機不需要自動對焦，因此也就不需要鏡頭驅動器。除對焦之外，某些較高解析度的照相機也會為了影像的穩定度而採用鏡頭驅動器來使鏡頭定位。圖2所示為鏡頭驅動器以及其部分的輸入與輸出。 圖2　鏡頭驅動器具有各種的輸入與輸出 DSC通常都會採用數位步進馬達來作為致動器；步進器具有耐用、易於驅動的特性，而且也可以用來驅動自動對焦以及變焦鏡頭的致動器。步進器的另一個優點則是當所需要的對焦或是變焦放大完成之後，就不再須要為了將鏡頭保持在該位置上而耗損電源。但是目前在DSC中所使用的步進器大多龐大、昂貴、複雜、吵雜、慢速且耗電量大。這些因素都使得步進器不適合使用於行動電話中的相機模組。此外，空間上的限制以及所需要的整合度都成為步進器的嚴重缺點。  近期出現的新興致動器技術，則是以壓電(Piezoelectric)材料為基礎，其機構相當簡單，能夠快速的移動，而且極具能源效益。壓電致動器可使用在自動對焦以及變焦的應用裝置上，而且在動作完成之後不須再耗損電力使鏡頭維持定位。 然而，不幸的是，使用壓電要素的驅動架構相當複雜，而且也還在改變當中。此外，壓電材料具有較高的溫度係數，需要頻率、相位差、以及工作週期(Duty-cycle)的溫度補償。 在致動器技術上的第三個選項則是具有彈簧回返裝置的音圈馬達(Voice Coil Motor, VCM)，其具有現今市場上自動對焦解決方案中最小的體積以及最低的成本；同時也是最易於實現的技術。這些因素很重要，因為具備有自動對焦功能的照相機模組是目前這個市場中產量最高的產品。 使用VCM所執行的移動都具有重複性，並且不須要齒輪傳動，鏡頭位置的固定是藉由平衡馬達以及彈簧的彈力來達成。彈簧會將鏡頭推回至無窮遠焦距的位置，而且不需要任何的電力，除非有需要對焦。其機構相當耐用、防震且低成本。這些馬達不會有磁滯性，也因而具有直接的電流與位置關係，所以不須鏡頭位置回授。 彈簧預載線性馬達的位移或是移動(Stroke)，會隨著通過線圈的電流而改變。起始電流或稱做臨界電流必須超過彈簧預載線性馬達所發生的任何位移，通常其值為20毫安培或者更高。經過計算的行程或是位移，通常應該是從250～400μm，而轉換曲線的斜率則大約是10μm/毫安培。自動對焦鏡頭位移的最大值是從300～400μm的階數，因此VCM適合使用在這種位準的功能上面。然而，不同於壓電致動器以及步進馬達，當VCM將鏡頭維持在對焦位置時會消耗電力。表1為目前可用的致動器技術比較。 表1　致動器的比較 項目 ／ 馬達類型 音圈馬達 壓電馬達 步進馬達 大小 小 小 最大 成本 最低 低 最高 速度 (自動對焦) 10ms 3ms 100ms 能量 (mJ) 2.4 0.7 21 雙向性 有一利用彈簧 有 有 索引/ 靜止位置 有 無 無 重複性 良好 差 中等 是否需要齒輪 否 否 是 噪音 - - 高 連結驅動馬達之功率電晶體 1 4 8 應用領域 自動對焦以及開關功能 自動對焦以及變焦 自動對焦以及變焦 儘管還有許多其他可以利用的馬達/致動器技術，但這些技術若不是不夠成熟就是擁有專利權，或是有著其他的爭議，而使其在這種需求嚴格但是又相當大量的應用領域中受到限制或是無法使用。因此，可預見的是，未來將持續有新興技術問世以滿足更多需求。 驅動VCM進行自動對焦 完整的VCM驅動器，其核心是一組具有120毫安培輸出電流汲入(Output-current-sink)能力的10位元數位類比轉換器(DAC)(圖3)。由電阻R所載入的DAC會產生可驅動運算放大器非反相輸入的電壓。回授會造成此電壓通過電阻RSENSE，其將會產生用以驅動音圈的汲入電流。電阻R以及RSENSE是晶片內建而且相互匹配，因此它們的溫度係數以及相對於溫度的非線性度也會相互匹配，這可使得因溫度而產生的輸出漂移最小化。二極體D1會提供輸出保護，而且當裝置的電源關閉或是每當音圈電流切換到較低值的時候，D1就會去消耗儲存於音圈當中的能源。 圖3　與音圈相連結的10位元DAC方塊圖 照相手機模組市場極為複雜，包括製作影像感測器的公司、生產光學模組所使用機構的公司、鏡頭的生產廠商及鏡頭驅動器製造商等都在其中運作，且彼此之間有著相互的依存性。但如何進一步將額外的功能整合至鏡頭驅動器內，以進一步縮小體積、降低成本與耗電將是未來主要挑戰，而新的鏡頭驅動器以及其他的元件則將推動照相手機模組的持續革命。