作者：Mark Murphy, Mel Conway, and Gary Casey

您可能知道您的手機中有一個攝像頭模塊;但是，如果它已經超過幾個月了，或者它不是非常昂貴，那么可以肯定的是，如果你拍攝某人犯罪，由此產生的模糊圖像 - 無論是由于分辨率不足，對焦不良還是曝光期間的移動 - 都不會在法庭上被接受。但攝像頭模塊的分辨率和總體性能正在迅速提高。2000年，三星發布了SCH-V200，一款0.3百萬像素（MP）的照相手機，2003年NTT DoCoMo推出了第一款自動對焦手機相機1.3-MP P505iS。去年，索尼愛立信推出了許多人認為是第一款真正的照相手機，具有自動對焦功能的2-MP K750i。2006 年 600 月，三星宣布推出 SCH-B10，一款 <> MP 照相手機！

現在所謂的“分辨率演變”正在推動相機模塊的發展。為了充分利用提高的分辨率，有效和快速的自動對焦（AF）必須伴隨著像素的增加。隨著自動對焦成為標準功能，分辨率的不斷提高將需要更多的相機功能，例如光學變焦、快門控制和圖像穩定（圖1）。

圖1.到2008年的照相手機和鏡頭駕駛員預測。

許多功能的一個關鍵要素是能夠快速移動鏡頭以實現最佳對焦。鏡頭驅動器提供電源，根據數字控制信號適當地移動鏡頭。我們將討論鏡頭驅動器的作用，描述兩種有用的新產品，并考慮鏡頭驅動器在市場上的未來。

圖2是數碼相機的通用框圖或信號鏈。鏡頭投射到CMOS或CCD（電荷耦合器件）傳感器上的圖像被掃描并應用于模擬前端處理器（AFE），該處理器放大和調節原始視頻信號，并將其轉換為數字信號。例如，AD9822是一款完整的14位模擬信號處理器，適用于CCD成像應用，采用3通道架構，設計用于對三線彩色CCD陣列的輸出進行采樣和調理。一旦圖像為數字形式，就可以對其進行編輯、下載或存儲，并進一步處理以進行相機操作，例如伽馬校正、閃光燈的感光度調整和用于對焦的鏡頭驅動。除了這些基本元件之外，其他傳感器還可以測量鏡頭位置、光線、溫度、加速度和角運動（這些用于圖像穩定），電機/執行器可以控制快門、中性密度濾鏡 （NDF）、光圈和鏡頭蓋。

圖2.數碼相機信號鏈。

手機相機與數碼相機

照相手機是當今世界上增長最快的消費市場，并將在未來幾年繼續如此。這些模塊的尺寸和成本是最重要的，但除此之外，用戶對相機性能的要求也越來越高。事實上，新款照相手機與幾年前的數碼相機（DSC）之間的性能趨同已經發生。

高分辨率數碼相機很容易以低成本獲得，但其技術不能立即轉移到手機上。為什么不呢？他們的要求相當不同。DSC首先是攝像頭，而手機的主要功能是撥打電話并與某人交談。隨附的攝像頭模塊是有時可能會派上用場的有用附加功能之一，但它不會大大增加成本或使手機更笨重。此外，攝像頭模塊也有嚴格的功耗限制：一個占用通話時間的攝像頭模塊永遠不會成功。

鏡頭驅動器

鏡頭驅動器控制來回移動鏡頭組件的執行器，以調整分辨率通常大于 3 萬像素的照相手機中的焦點和/或放大倍率。分辨率較低的相機通常不需要自動對焦，因此不需要鏡頭驅動器。除了對焦之外，一些更高分辨率的相機可能會使用鏡頭驅動器來定位鏡頭以實現圖像穩定。圖<>顯示了一個鏡頭驅動器及其許多可能的輸入和輸出。

圖3.鏡頭驅動器有許多可能的輸入和輸出。

傳統上，DSC使用數字步進電機作為執行器;步進器已被證明堅固耐用，易于驅動，可用于驅動自動對焦（AF）和變焦鏡頭執行器。步進器的另一個優點是，在鏡頭運動完成后，并達到所需的焦點或放大倍率，不需要保持力即可將鏡頭固定到位。但目前用于DSC的步進電機物理尺寸大、相對昂貴、機械復雜、嘈雜、緩慢且耗電。這些因素都傾向于使當前的步進器不適合手機中的相機模塊。此外，隨著功能添加到照相手機中，很明顯，空間限制將需要非常高的集成度，這對于當前的步進技術來說是一個嚴重的缺點。

一種新興的致動器技術基于壓電材料，其中有多種口味。壓電致動器機械簡單，可以快速運動，并且節能。它可用于自動對焦和變焦應用，并且在鏡頭移動完成后無需保持力即可保持鏡頭位置。不幸的是，壓電元件的驅動方案很復雜，并且仍在不斷變化。此外，壓電材料具有高溫度系數，需要對驅動信號的頻率、相位差和占空比進行溫度補償。

執行器技術中的第三個選擇，帶彈簧復位的音圈電機（VCM），是當今市場上最小、成本最低的自動對焦解決方案;這也是最容易實現的。這些因素很重要，因為具有自動對焦功能的相機模塊是目前該市場上產量最高的產品。

使用VCM的運動是可重復和無齒輪的，鏡頭位置通過平衡電機和彈簧力來固定。彈簧將鏡頭返回到無限對焦位置，除非需要對焦，否則不會耗散任何功率。它具有機械堅固、抗沖擊和低成本的機械結構。這些電機沒有遲滯，因此具有直流與位置的關系，因此通常不需要透鏡位置反饋。

圖4顯示了用于自動對焦的典型彈簧預加載直線電機的傳遞曲線，以及用于照相手機的典型VCM的尺寸。傳遞函數顯示位移或行程，即鏡頭移動的實際距離 （mm） 與通過電機的電流 （mA） 的關系。

圖4.彈簧預加載音圈行程與灌電流的關系。

啟動電流或彈簧預加載直線電機發生任何位移必須超過的閾值電流通常為 20 mA 或更大。額定行程或位移通常為250毫米至400毫米，傳遞曲線的斜率約為10毫米/毫安。自動對焦的最大鏡頭位移約為300毫米至400毫米，因此VCM非常適合這種級別的功能。然而，與壓電致動器和步進電機不同，VCM在保持鏡頭對焦時確實會消耗功率。

表I比較了可用的同類最佳執行器技術。

表 I. 執行器比較

驅動自動對焦的VCM

ADI公司目前生產唯一一款完全集成的產品，專門用于讓相機設計人員充分利用新興的自動對焦市場。AD5398是一款完整的VCM驅動器解決方案，內置一個10位數模轉換器（DAC），具有120 mA輸出吸電流能力，用于驅動鏡頭自動對焦和圖像穩定等應用中的音圈執行器。AD5398采用行業標準I進行控制2C 2 線串行協議。第二款VCM驅動器AD5821計劃于2006年5821月發布。AD5398具有與AD1相同的特性集，但包括一個8.5398 V兼容接口，其硬件關斷引腳XSHUTDOWN為低電平有效（在AD5上為高電平有效）。圖5821所示為AD10的框圖。一個由電阻R加載的<>位電流輸出DAC產生一個電壓，用于驅動運算放大器的同相輸入。反饋導致此電壓出現在?R意義，產生驅動音圈所需的灌電流。

圖5.AD5821框圖顯示了與音圈的連接。

電阻器 R 和 R意義片上交錯和匹配。因此，它們的溫度系數和溫度范圍內的任何非線性度都是匹配的，從而最大限度地減少了輸出隨溫度的漂移。二極管D1提供輸出保護，并在器件斷電時耗散存儲在音圈中的能量。

未來

步進電機制造商將被迫減小尺寸和成本。這將要求驅動器具有更高的集成度、更高效的驅動方案、鏡頭位置反饋、更小的尺寸和更低的成本。許多相機模塊制造商正在試驗壓電致動器，這本身就給鏡頭驅動器制造商帶來了許多挑戰。同樣不遠處還有電聚焦液態鏡頭。

圖6顯示了用于透鏡驅動的壓電解決方案的概念框圖。這也適用于步進驅動器，只是所需的驅動器數量將增加一倍。

圖6.顯示可能的壓電解決方案的框圖。

壓電執行器需要混合使用模擬驅動器、數字靈活性、信號調理和轉換以及在某些情況下的電源管理的驅動器。ADI公司在所有這些領域都擁有專業知識。手機市場的攝像頭模塊是復雜和多層次的;制造圖像傳感器的公司、為光學模塊生產機械裝置的公司、鏡頭制造商和鏡頭驅動器制造商之間存在相互依存關系。數碼相機證明了專用設計可以實現的目標，但減小尺寸、成本和功耗的主要挑戰之一是在鏡頭驅動器中進一步集成其他功能。隨著相機模塊的不斷發展，ADI將繼續引領新鏡頭驅動器和其他組件的開發。

審核編輯：郭婷