嵌入式自动聚焦模组技术现状及展望

李合银，程雪岷，马建设，姚永哲

(清华大学 深圳研究生院 光盘国家工程研究中心深圳分中心，广东 深圳 518055)

随着国际贸易的日益发展，物联网的巨大优越性也逐步体现出来。在中国，物联网作为战略新兴产业之一，已列入国家的“十二五”发展规划。物联网实现可以分为标识、感知、处理和信息传送4个环节，关键技术跨越无线通讯、计算机技术、自动控制、信息传感、信息识别领域。二维条码是信息识别领域的关键技术之一，以移动终端和移动互联网作为二维条码的存储、解读、处理和传播，将移动互联网和物联网有机结合起来形成的手机移动物联网，无疑具有广阔的市场前景及应用价值。

利用手机识别二维条码，扫描摄像模组本身必须具备高分辨力、体积小、快速响应、误码率低、近焦(扫描)和远焦(摄像)切换速度快的特点，普通的手机摄像头很难满足这些要求，随着物联网的发展，手机的普遍智能化，二维码信息传递的广泛兴起，具有自动调焦(Auto－focus，AF)［1］功能的高速摄像头就成为高端智能手机的必备技术。

1 AF模组工作原理介绍

嵌入式高速AF成像与扫描模组广泛应用于智能手机、二维条码扫描仪、微型摄像及监控等行业，是物联网核心传感器之一。AF模组由高分辨力镜头、图像传感器、高灵敏度致动器及相应软件(图像处理、伺服控制等)几部分组成，其工作原理是致动器在模组行腔内带动镜头组件高速运动。同时，图像传感器通过镜头获取的图像经图像处理软件实时处理后与图像清晰度评价软件给出标准数据进行对比得出偏差，伺服控制软件根据偏差控制致动器实时快速调整摄像头组件的位置，实现快速聚焦。其中每一部分对模组的整体性能都有决定性影响。模组外形如图1所示，其工作原理如图2所示。

2 手机AF模组技术现状

手机自动聚焦模组主要由关键零部件镜头(Lens)、传感器(Sensor)、致动器(Actuator)所组成，决定一个模组好坏的最重要因素就是:镜头的性能和质量、图像传感器的成像性能、致动器的调焦性能，以及后端驱动IC、AF控制算法的优劣。

2.1 模组镜头及图像传感器

镜头是相机的灵魂，镜头是指由不同的透镜片经系统组合而成的整体，其中镜片有玻璃镜片和树脂压模的塑胶镜片两种。玻璃的价格比较贵，但是透光和成像效果要好很多，而塑胶的抗震性比较好。随着镜头生产的成本下降，高像素的手机镜头已普遍采用玻璃镜片。

镜头厂家主要集中在日本、韩国以及台湾，镜头设计及制造具有非常高的技术门槛，技术壁垒导致很少有新的企业能够进入该领域，所以镜头的生产利润极高。而台湾企业更是成本优势明显，台湾主要有4家公司生产手机相机的镜头，分别是玉晶光电股份有限公司、大立光电股份有限公司、亚洲光学股份有限公司、普立尔科技股份有限公司。

图像传感器是摄像头的核心模块，拍照手机的激增带动了图像传感器市场的飞涨。应用中的图像传感器主要有CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两种［2］。与CCD技术相比，CMOS是后起之秀。凭借其成本低、体积小、响应速度快等优势，当前拍照手机模块以CMOS传感器为主导，并且CMOS易于实现集成。到目前，较高档的CMOS sensor内部都集成了AF算法，更有一些集成了AF的驱动IC，这为手机制造商提供了很大的便利。

CCD传感器由日本厂商主导，CMOS传感器主要由美国、韩国厂商主导。全球CCD模组市场有超过90%的市场份额被日本厂商垄断，而且多用于数码相机和日本本土的相机手机，以索尼、夏普、松下为市场龙头。CMOS传感器模组由美商OmniVision、Micron(美光科技)、Agilent(安捷伦)为龙头，韩国的三星、现代，台湾原相、锐相为中坚，主导着全球CMOS传感器市场。

2.2 致动器的研究现状

在手机中实现自动聚焦，其功能主要由一个电机来执行。常见的执行电机有步进电机(Stepper Motor，STM)，工作方式是利用步进电机搭配减速机构驱动镜头运动，目前已经使用较少，主要原因是体积较大、有机械能损失，而且制造精度很难满足;压电陶瓷电机(Piezoelectronic Ceramic Motor，PIEZO)［3］，工作方式是利用压电陶瓷给电变形驱动控制镜头动作，其定位精度很高，但是货源受限、价格高，目前在手机中尚很少应用;音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)［4］，其工作方式是利用线圈通电产生磁场与永久磁铁产生相对动作驱动镜头动作，最初在韩国、日本出现，可与镜头组整合设计，小型化方便，成本较低，且精度高、速度快，但是对于国内的生产企业来说，主要是设计、专利卡位，此外还有自动聚焦驱动诸如超声波电机(Ultrasonic Motor，USM)［5］、液体透镜 (Liquid Lens，LL)［6］、波前编码(Wave Front Coding，WFC)［7］等正在进入人们视线，当然这些新型技术在成本以及性能上有待用户市场确认。

目前，在手机中实现AF功能，主要使用的是音圈电机(VCM)。在对手机自动聚焦音圈电机的研究中，日韩一直处于领先地位，从发展至今，日韩都有研究的代表企业，其一是日本的思考公司，思考通过与惠普公司、索尼公司的合作订单，研发了手机自动聚焦音圈电机技术，并且在最初研发期就申请了二十几项专利，基本上建立了进入该行业的壁垒，思考目前在上海有几家分公司;其二是韩国的HYSONIC公司，HYSONIC是取得了三星公司的技术合作需求，迅速进入该行业，目前HYSONIC在上海和菲律宾都有生产工厂，也已经拥有了十几项专利。目前国内也逐步有企业在进入该行业，普遍采用与日韩厂家合作生产的方式。

2.3 手机中AF实现方法以及驱动IC技术的发展

手机中AF功能的实现，前面说到主要是依靠一个致动器，目前使用最多的是音圈电机，而驱动音圈电机进行AF，需要一个驱动IC，伴随着手机零部件推出一代又一代新的产品，音圈电机的驱动IC也在不断地更新换代。值得一提的是，前期的驱动IC主要是PWM(Pulse Wide Modulation)驱动芯片，是模拟信号驱动，PWM信号输入驱动IC，转化为电流后控制音圈电机，典型代表有韩国厂家动运国际生产的ID9701驱动IC、台湾厂家点晶科技生产的11－MD115驱动IC。此后，多家公司陆续推出I2C驱动方式，实现数字信号驱动，I2C驱动方式提供了全整合性能，典型的优势是便于手机厂商调试，避免了PWM方式容易产生噪音的问题，并且减小了尺寸，降低了价格，典型代表有美国厂家ADI生产的AD5398，动运国际生产的DW9710等，多家厂商后来推出的驱动IC都转到了I2C驱动，PWM驱动方式目前已经很少使用了。

对于手机中AF模组功能的实现，其整体驱动控制实现也经历了两种控制模式，一种是内部控制模式(见图3)，一种是外部控制模式(见图4)。

对于内部控制模式，驱动IC主要依赖于Sensor的支持，也就是说Sensor内部集成了AF算法，比如OV3640，mt9d111，这些Sensor内部有支持多家驱动IC的AF算法，但是这就需要Sensor厂家提供技术支持才可以实现，这样对于手机厂家而言，应用起来比较方便。

对于外部控制模式，主要是利用手机DSP/主板通过I2C驱动控制IC芯片，这个需要在手机DSP/主板中写一个AF算法，自我实现的空间比较大，可以实现随心所欲地控制，但是这样增加了手机厂商技术开发的难度。

目前，对于手机厂商而言，所采用的方式大部分是内部控制模式，而对于模组厂商而言，所做的测试板大部分采用外部控制模式。

3 手机AF模组发展前景展望

迄今为止，各大手机厂商的摄像模块通常是定制生产，由手机制造商挑选传感器芯片及透镜，并依照手机的不同机型分别定制摄像模组，而今后，手机制造商将更多地从通用摄像模块产品中进行选择，这些通用产品是模块生产商以大规模生产为前提条件而开发的。随着手机智能化这一普遍趋势，物联网技术的大力推进，手机二维码扫描的需求，AF摄像模组将不仅仅在高端手机中使用，中低端手机也将大量使用AF模组，而对于AF模组本身，其发展趋势有有以下3个方面。

小型化:模块体积将会越来越小，这是模组技术的趋势，重量轻、尺寸小、体积薄将会作为模组的基本性能规格而落到实处，各大公司都在采用各自的技术来缩小模组的体积，比如意法半导体、东芝和Aptina Imaging公司为了缩小摄像模块的封装面积采用了贯通电极技术，取得较好的效果。

集成化:AF控制算法将会被主要的芯片集成，比如采用DSP的集成或是Sensor的SoC(片上系统)［8］集成。

多样化:AF功能将会是未来相机模块中的基本功能，伴随而来的将会是功能多样化，如防手震、机械快门、液晶变焦等。

下面将对国外已经在研究并逐步兴起的一些手机AF技术做一些简要介绍。

3.1 液体透镜技术的发展

从国外目前已经在研究的技术来看，液体透镜(Liquid Lens)可能将在国内成为热点，传统的镜头是通过机械装置来移动镜头相对于图像传感器的位置而完成对焦的，这对机械装置的抗震要求非常高，而且响应速度较慢。液体透镜是由液体材料制作而成的，不需要机械装置，通过控制外部形状或内部折射率的改变即可达到对焦目的［9］，其工作原理类似于人眼的聚焦机理(人眼对不同距离的物体通过睫状肌的收缩与松弛来完成聚焦［10］)，其显著的优势是对焦过程不易受到外力的影响，且响应速度快。根据其结构及实现方式来归类，液体透镜大致可以分为以下4类:1)通过机械力改变透镜外形和体积，以实现对光线的汇聚或发散，此种结构是一个弹性薄膜、平板、环形密封圈，以及固定体积的液体组合而成的夹层结构［6］;2)通过微型装置往透镜内注入或抽吸液体从而改变透镜体积达到变焦的目的［11］;3)通过调节腔内气压从而改变液体表面形状以达到液体透镜变焦的目的［12］;4)基于电润湿效应(Electrowetting)的双液体透镜，在电场的作用下，小水滴与防水表面接触会发生扩散现象从而改变透镜的焦距［13－15］。

目前，基于电润湿原理的双液体透镜是当前液体透镜发展的主流方向。主要代表有Varioptic公司和Philips公司的产品。法国Varioptic公司已于2006年推出2款液体透镜Arctic314及Arctic416，外形如图5所示，可应用于手机、医疗以及数字摄影市场，如同人的眼睛一样，这种液体透镜能够自动地适应所瞄准的对象，而不需要机械装置的辅助，只需改变两极电压来修改2种液体的外形，就可达到聚焦和变焦的目的;Philips于2004年就发布了名称为FluidFocus的液体变焦镜头，它的原型为玻璃外壳，并且在外壳内注入一种导电液体和一种不导电的绝缘液体，经过通电加压导致导电液体形变来达到变焦的效果，结构原理如图6所示。液体透镜有传统机械调焦方案不可达到的优势，但也存在目前无法解决的缺点，比如说光轴位置容易飘移，制作液体透镜的原材料受限导致没有推广应用。

图5 法国Varioptic公司推出的液体透镜

3.2 液晶对焦的发展

图6 Philips公司液体透镜的结构及原理

液晶对焦［16］其实也是液体透镜的发展方向之一。目前各大知名高校都对此有研究，比如英国Durham大学、美国弗罗里达大学以及国内的清华大学。与其他液体透镜所用的液体材料不同，液晶具有双折射的光学特性。在研发应用上，比较有代表性的公司是Lens Vector，于近几年开发了突破性自动对焦模块技术，通过液晶透镜的光学技术，通过电场控制液晶排列和旋转角度，改变透镜的折射率，进而实现对焦功能。Lens Vector通过使用液晶透镜光学元件与传统的音圈马达等机械装置调焦方案相比，实现对焦后所带来的优势主要体现在体积减小、生产良率提高、功耗减少、抗震能力增强，但是美中不足的是液晶模块会导致光衰减，变焦会造成周边光损，周边影像效果会变差，也许待技术进一步成熟，解决上述问题之后，液晶对焦技术大量使用于手机、平板电脑、微型监控和其他消费电子产品内嵌的微型相机中，也就指日可待了。Lens Vector公司生产的液晶镜头如图7所示。

图7 Lens Vector公司生产的液晶镜头

3.3 MEMS技术介绍

MEMS在手机摄像模块中的应用，新兴技术在未来几年内既是复杂的挑战，又是巨大的机遇［17］。曾于2008年8月，光学微系统供应商Siimpel公司的基于MEMS的硅相机技术产品SiimpelFocus SF9x，如图8所示，被用于摩托罗拉推出的MING A1600手机，基于MEMS技术的摄像模块实现了手机相机连续自动聚焦、增强手机的GPS功能，这在移动商务中有非常大的应用功能，比如可以实现高清拍照、利用手机相机扫描图片并完成文字等识别、通过拍摄景点图片来实现地理位置标记。MEMS技术实现自动聚焦精度很高，达到微米量级。光学系统的性能很大程度依赖光学元件的对准公差，如果尺寸减小，对准公差也必须减小才能保证性能，目前的生产和对准技术限制进一步缩小手机用相机的尺寸。MEMS技术有望解决这一难题，但目前技术实现复杂，成本较高。

图8 Siimpel公司生产的基于MEMS的调焦镜头

4 总结

AF模组在手机中大量使用已经成为趋势，在不久的将来，手机AF的功能将促使二维码推广，将在大众中实现一码行通，比如二维码名片的扫描、火车票信息读取、超市商品防伪等方面，将在物联网领域大有作为，因为手机的AF成像与扫描功能，还将应用到虹膜识别、指纹识别、面部识别等众多领域。另外，随着将来投影手机登场，AF模组用于投影手机将也是个重点的方向，随着这些应用的出现，AF模组的技术也将越来越成熟。

［1］董太和.相机的MF/AF机构及其精度相机机构专题讲座(1)［J］.照相机，2001(2):7－9.

［2］李春明，姜威，高超，等.CMOS图像传感器芯片OV9620/OV9120及其应用［J］. 电视技术，2003(12):66－67.

［3］KO H P，JEONG H，KOC B.Piezoelectric actuator for mobile auto focus camera applications［J］.Journal of Electroceramics，2009，23(2):530－535.

［4］SUZUKI K，TSUDA S，DEGUCHI T，et al.VCM design with round coil and axe－shaped magnet for hard disk drive actuator［J］.Microsystem Technologies，2007，13(8):1093－1101.

［5］LIM K J，KANG S H，LEE J S，et al.The design and characterization of ultrasonic motor for optical zooming of camera in mobile phones［J］.Ferroelectrics，2006，338(5):49－56.

［6］REN H，WUA S T.Variable－focus liquid lens by changing aperture［J］.Applied Physics Letters，2005，86(21):1071－1073.

［7］LEE S H，PARK N C，PARK K S，et al.Upscaling image resolution of compact imaging systems using wavefront coding and a property of the point－spread function［J］.Optical Society of America，2010，27(10):2304－2312.

［8］金湘亮，旷章曲，刘志碧，等.低功耗CMOS视觉传感器新结构及其 SOC 实现［J］.微电子学，2009(6):782－785.

［9］周慧源.液体透镜的现状及发展前景［J］.光机电信息，2008(5):23－28.

［10］DONG L，AGARWAL A K，BEEBE D J，et al.Adaptive liquid microlenses activated by stimuliresponsive hydrogels［J］.Nature，2006，442:551－554.

［11］ZHANG D Y，LIEN V，BERDICHEVSKY Y，et al.Fluidic adaptive lens with high focal length tunability［J］.Applied Physics Letters，2003，82(19):3171－3172.

［12］MORAN P M，DHARMATILLEKE S，KHAW A H，et al.Fluidic lenses with variable focal length［J］.Applied Physics Letters，2006，88(4):1120.

［13］KUIPER S，HENDRIKS B H W.Variable－focus liquid lens for miniature cameras［J］.Applied Physics Letters，2004，85(7):1128－1130.

［14］BERGE B，PESEUX J.Variable focal lens controlled by an external voltage:An application of electrowetting［J］.The European Physical Journal E:Soft Matter，2000，3(2):159－163.

［15］REN H，WU S T.Variable－focus liquid lens［J］.Optics Express，2007，15(10):5931－5936.

［16］YE M，WANG B，SATO S.Liquid－crystal lens with a focal length that is variable in a wide range［J］.Applied Optics，2004，43(35):6407－6412.

［17］KROGMANN F，MONCH W，ZAPPE H.A MEMS－based variable micro－lens system［J］.Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，2006，8(7):330－336.