2012/03/28-顏雅娟  

您可能注意到手上的行動電話中內建了相機模組；但若不是很昂貴的機種，則通常是解析度不足、對焦不良、或是在曝光期間容易移動的。目前相機模組的解析度和性能都以很快的速度改進中。繼130萬、200萬畫素手機相繼問世後，2006年3月，Samsung發表了具有1,000萬畫素的照相手機SCH-B600。

今天，所謂的‘解析度演化論’(Evolution of Resolution)正在帶動相機模組的發展。為能善加利用不斷提升的解析度，有效且快速的自動對焦能力也就必須要能夠一併的提升。隨著自動對焦成為標準功能，持續成長的解析度將帶來更多的相機功能要求，如光學變焦、快門控制及影像穩定功能(圖1)。

要實現許多特點的一個共同關鍵要素，乃是在於快速移動鏡頭以獲得最適當對焦效果的能力。鏡頭驅動器具有能夠對應數位控制訊號做出回應，並讓鏡頭進行適當動作的能力。我們將會討論鏡頭驅動器的角色，同時也介紹兩個很實用的新產品，並探討鏡頭驅動器在市場的未來性。

圖2所示為數位相機的結構圖。藉由鏡頭投射到一組互補金屬氧化半導體(CMOS)或是電荷耦合元件(CCD)感測器上的影像，經過掃瞄之後被送到一組類比前端(AFE)處理器中，以便對此原始的視訊訊號加以放大和調節，並將其轉換成數位形式。舉例來說，AD9822是一顆應用於CCD影像應用裝置的全14位元類比訊號處理器，其三通道架構的特點，是特別設計用來對三次線性彩色CCD陣列的輸出進行取樣與調節。

當影像轉換成數位型態之後，他就可以被編輯、下載或是儲存，以及供相機做更進一步處理，像是迦瑪校正(gamma-correction)、閃光燈的光線敏感度調整、以及對焦用的鏡頭驅動等。除了這些基本要素，額外的感測器可用來量測鏡頭位置、光線、溫度、加速度、以及角運動，另外馬達/致動器則可以控制快門、中性濾鏡(NDF)、光圈以及鏡頭蓋。

圖1：照相手機以及鏡頭驅動器的2008年市場預測。

" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC_TWS1_F2.jpg">
圖2：數位相機中的各個主要功能與週邊結構圖。

照相手機vs.數位相機

照相手機是現今世界上成長最快速的消費性市場，而且在未來的數年中也仍將持續成長。這些模組的大小以及成本都是考量重點，但伴隨而來的則是使用者對於真正相機性能的要求。事實上，與過去一兩年的數位相機機種相比，新推出的照相手機已出現在性能上的融合趨勢。

高解析度數位相機已經可用低廉的成本取得，但它們的技術還無法馬上轉移到手機上。這是為什麼呢？因為它們的需求大不相同。首先且最重要的，數位相機是一台照相機，而手機的主要功能則是打電話與某人交談。內建的相機模組只是額外特性，但它不可以使成本大幅提昇，或加大手機體積。此外，在相機模組上還有很嚴格的功耗限制：會明顯消耗掉通話時間的相機模組，絕對不會是一件成功的產品。

鏡頭驅動器

一般而言，在解析度高於200萬畫素的照相手機中，會採用鏡頭驅動器來控制負責將鏡片組前後來回移動的致動器，以便調整焦距亦或是放大倍數。

具有低解析度的照相機一般大多不需要自動對焦，所以它們也不需要鏡頭驅動器。除了對焦能力，某些較高解析度的照相機還會為了影像穩定而使用鏡頭驅動器來對鏡頭作定位。圖3所示為一組鏡頭驅動器以及其多種可能的輸入與輸出。

" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC_TWS1_F3.jpg">
圖3：具有多種可能輸入與輸出的鏡頭驅動器。

傳統上，數位相機都是使用數位步進馬達作為致動器；步進馬達的耐用度已經過證實，而且也易於驅動，因此可用來驅動自動對焦以及變焦鏡頭的致動器。步進馬達的另一個優點是，當鏡頭的動作完成，且已到達所需的焦距或放大倍數時，就不再需要為了將鏡頭保持在定位而消耗任何電源。但目前用於數位相機上的步進器體積都很大，相對也較貴，且機構複雜、聲音吵雜、速度慢、耗電大。這些因素都使得現今的步進馬達不適合用在手機相機模組中。此外，隨著各種功能持續導入照相手機，在空間有限的情況下，對於高度整合性之需求會變得更為明顯，而這也正是目前步進馬達技術的嚴重缺點。

目前有一種正在興起的致動器技術，是以具有多樣優點的壓電材料(piezoelectric material)為基礎。壓電致動器具有簡單的機構，可實現快速移動，在耗電方面也極具效益。它可以使用在具有自動對焦以及變焦能力等的應用上，而且在鏡頭完成移動後，不需要為了將鏡頭維持在定位而耗電。不幸的是，壓電元件的驅動架構相當複雜，而且也在改變中。此外，壓電材料具有較高的溫度係數，必須要對驅動訊號的頻率、相位差異、以及工作週期作溫度補償。

在致動器技術上的第三個選項：具有彈簧回返裝置的音圈馬達(voice-coil motor，VCM)，這是現今市場上在自動對焦方面尺寸最小、成本最低的解決方案；它同時也是最易於實現的方案。由於具有自動對焦功能的相機模組是目前市場上最大量的產品，因此這些條件都很重要。

使用VCMs所完成的動作，是可重複且不須使用到齒輪的，它透過平衡馬達與彈簧兩者的力量以固定鏡頭位置。彈簧會將鏡頭推回到無限聚焦(infinite-focus)的位置上，不會浪費任何電源，除非有需要作對焦。它的機構相當的耐用、抗震、以及低成本。這些馬達沒有磁滯現象，具有很直接的電流vs.位置關係，也因此無需經常進行鏡頭位置回授。

圖4所示為一組應用於自動對焦上的典型彈簧預載線性馬達(spring-preloaded linear motor)的轉換曲線，以及要使用在照相手機上的典型VCM之尺寸。轉換函數顯示了位移或是行程(stroke)，亦即鏡頭移動的實際距離(mm)相對於流經馬達的電流(mA)。

" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC_TWS1_F4.jpg">
圖4：彈簧預載式音圈行程vs.汲入電流。

要讓彈簧預載式線性馬達產生任何的位移量，都必須要先有超過起始電流，或稱為閾值電流的電流，通常該值是設定為20mA或者更大。這類的額定行程或是位移通常是介於250um到400um之間，而轉換曲線的斜率則是在10mm/mA之譜。當鏡頭在做自動對焦時的最大位移是介於300um到400um之間，因此VCM相當適合於應用在這種等級的功能。然而，不同於壓電致動器以及步進馬達，VCM在將鏡頭維持於對焦位置時是需要消耗電力的。表1對於目前業界幾種致動器技術進行了比較。

" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC_TWS1_T1.jpg">
表1：目前市面上幾種主要的致動器性能比較表。

驅動VCM實現自動對焦

ADI目前生產的整合式產品是特別針對照相手機工程師所設計。AD5398是一個VCM驅動器解決方案，包含一個具有120毫安輸出電流汲入能力的10位元數位類比轉換器(DAC)，可驅動鏡頭自動對焦及影像穩定等功能應用上的音圈致動器。AD5398採用I2C 雙線串聯通訊協議進行控制。另一種VCM驅動器是AD5821，具有與AD5398相同的特點，但還包括了一個1.8V的相容介面，此外，其硬體關機接腳XSHUTDOWN設計為active low(AD5398接腳為active high)。圖5為AD5821結構圖，其中，以電阻R做為負載的10位元電流輸出DAC，會產生出用以驅動運算放大器的非反相輸入端之電壓。回授會使得該電壓通過RSENSE，進而產生驅動音圈馬達所需要的汲入電流。

" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC_TWS1_F5.jpg">
圖5：AD5821連結至音圈馬達示意圖。

電阻R和RSENSE是以交插並匹配的方式內建於晶片中，其溫度係數與任何溫度方面的非線性特性均能匹配，並使溫度上的輸出漂移得以最小化。二極體D1提供了輸出上的保護，當元件的電源關閉時，此二極體會去消耗儲存在音圈中的電能。

本文小結

步進馬達生產廠商將被迫縮小尺寸並降低成本，這將使驅動器需要具有更高度的整合性、更有效益的驅動架構、鏡頭位置回授、更小尺寸及更低的成本。許多相機模組生產廠商都在採用壓電致動器進行實驗，而這對於鏡頭驅動器的生產廠商而言帶來了許多的挑戰。同時在不遠的將來，還會有電子對焦液態鏡頭的出現。

圖6為使用壓電技術做為鏡頭驅動的解決方案。該圖也可以套用在步進馬達上，但所需的驅動器數量必須要增加一倍。

" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC_TWS1_F6.jpg">
圖6：可能採行的壓電解決方案結構圖。

壓電致動器所需的驅動器必須能結合類比驅動器、數位化彈性、訊號調節與轉換等特性，在某些情況下還需要電源管理。使用在手機上的相機模組市場是相當複雜的；在影像感測器供應商、光學模組機構生產商、鏡頭生產商及鏡頭驅動器業者間存在著一種相互依存的特性。數位相機是透過專屬化設計達到極佳成果的證明；但在減少尺寸、成本及耗電方面的最主要挑戰之一，則是要在鏡頭驅動器內進一步整合額外功能。

作者：Mark Murphy

mark.murphy@analog.com

Mel Conway

mel.conway@analog.com

Gary Casey

gary.casey@analog.com

ADI公司