引言
您可能知道您的照相手機(jī)內(nèi)有照相模塊；但是它可能已經(jīng)過(guò)時(shí)或者它并不是很昂貴，但它能夠拍照。如果您拍攝某位正在犯罪的人，但最終獲得的是模糊的圖像——不論是由于分辨率不夠、聚焦差或者曝光過(guò)程中的抖動(dòng)——這種照片無(wú)法被法庭采用。但通常來(lái)說(shuō)這種照相模塊的分辨率和性能改進(jìn)很快。在2000年三星公司發(fā)布了SCH-V200，這是一款30萬(wàn)像素的照相手機(jī)。在2003年NTT DoCoMo公司發(fā)布了1.3-MP P505iS，這是首款自動(dòng)聚焦130萬(wàn)像素照相手機(jī)。去年索尼愛(ài)立信公司發(fā)布了2-MP K750i，這是多數(shù)人認(rèn)可的首款自動(dòng)聚焦的200萬(wàn)像素真正照相手機(jī)。在2006年三星公司發(fā)布了SCH-B600，這是一款1000萬(wàn)像素的照相手機(jī)!

圖1. 到2008年照相手機(jī)和透鏡驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)預(yù)測(cè)

上述許多功能中的一個(gè)關(guān)鍵要素是能夠迅速地移動(dòng)透鏡以達(dá)到最佳聚焦。透鏡驅(qū)動(dòng)器能夠響應(yīng)數(shù)字控制信號(hào)提供適當(dāng)移動(dòng)透鏡的功率驅(qū)動(dòng)能力。下面我們將討論透鏡驅(qū)動(dòng)器的作用，介紹兩種有用的新產(chǎn)品，以及對(duì)市場(chǎng)中未來(lái)透鏡驅(qū)動(dòng)器的考慮。

圖2示出數(shù)碼相機(jī)（DSC）¹的通用框圖或信號(hào)鏈。經(jīng)過(guò)透鏡投射到CMOS或CCD（電源耦合器件）傳感器的圖像經(jīng)過(guò)掃描并且施加到模擬前端（AFE）²處理器³，AFE放大和調(diào)理原始視頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。例如，AD9822⁴是一款適合CCD圖像處理應(yīng)用的完整的14 bit模擬信號(hào)處理器，它的三通道體系結(jié)構(gòu)適合對(duì)彩色CCD陣列三路輸出進(jìn)行采樣和調(diào)理。一旦圖像被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，就可對(duì)它編輯、下載或存儲(chǔ)和進(jìn)一步處理以便適合照相機(jī)操作，例如γ校正、對(duì)閃光燈的靈敏度調(diào)整以及用于聚焦的透鏡驅(qū)動(dòng)。除了這些基本的功能單元，其它的傳感器可測(cè)量透鏡位置、光強(qiáng)、溫度、加速度和角速度（這些最終會(huì)影響圖像的穩(wěn)定性）——并且電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠控制快門、中性濾光片（NDF）、光圈和透鏡蓋。

照相手機(jī)與DSC
照相手機(jī)是當(dāng)今世界增長(zhǎng)最快的消費(fèi)類市場(chǎng)并且在今后幾年仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。這些模塊的尺寸和成本非常重要，但此外，用戶對(duì)真正照相機(jī)的性能要求越來(lái)越嚴(yán)格。事實(shí)上，新的照相手機(jī)和DSC之間的性能會(huì)聚幾年前就已經(jīng)出現(xiàn)。

高分辨率DSC很容易以低成本提供，但是它的技術(shù)不能直接移植到手機(jī)上。為什么？它們的要求相當(dāng)不同。DSC的首要和最重要的功能是照相——而手機(jī)的主要功能是打電話。內(nèi)部包含的照相模塊是附加功能之一，但它不能大幅度地增加成本——或增大手機(jī)的體積。此外，對(duì)照相模塊有幾項(xiàng)功耗限制：大幅度減少通話時(shí)間的照相模塊從來(lái)都不會(huì)成功。

透鏡驅(qū)動(dòng)器
透鏡驅(qū)動(dòng)器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可前后移動(dòng)透鏡組以調(diào)整分辨率通常大于兩百萬(wàn)象素的照相手機(jī)的聚焦和（或）放大倍率。

圖2. DSC信號(hào)鏈

較低分辨率的相機(jī)通常不需要自動(dòng)聚焦，因此它們不需要透鏡驅(qū)動(dòng)器。除了自動(dòng)聚焦外，一些較高分辨率的相機(jī)會(huì)使用透鏡驅(qū)動(dòng)器定位透鏡用于使圖像穩(wěn)定性。圖3示出透鏡驅(qū)動(dòng)器和其大部分可能的輸入和輸出。

圖3. 透鏡驅(qū)動(dòng)器大部分可能的輸入輸出

通常，DSC使用數(shù)字步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；步進(jìn)電機(jī)具有魯棒性，容易驅(qū)動(dòng)的特性，所以可用來(lái)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)聚焦（AF）和縮放透鏡執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在完成透鏡移動(dòng)之后便能達(dá)到所要求的聚焦或放大倍率，所以無(wú)需再提供功率保持透鏡位置。但是當(dāng)前DSC中采用的步進(jìn)電機(jī)體積較大，成本很高，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，噪音大，速度慢以及功耗大，這些問(wèn)題都趨向于使得當(dāng)前的一些步進(jìn)電機(jī)不適合用于手機(jī)中的照相模塊。此外，隨著照相手機(jī)增加的功能越來(lái)越多，要求高集成度的空間限制問(wèn)題越來(lái)越明顯——這是當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)。

新興的執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)基于壓電材料，壓電材料種類繁多。壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、它能夠使機(jī)構(gòu)快速移動(dòng)并且功耗很低。該機(jī)構(gòu)可用于AF和縮放應(yīng)用，并且不需要保持力在透鏡移動(dòng)完成后保持透鏡的位置。在完成透鏡移動(dòng)之后無(wú)需再提供功率保持透鏡位置。不幸的是，壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案非常復(fù)雜并且還處于不斷變化之中。另外，壓電材料具有一種很高的溫度系數(shù)，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位差和占空比的溫度補(bǔ)償要求很嚴(yán)格。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的第三種選擇方案是具有彈力恢復(fù)的音圈電機(jī)（VCM），它是用于當(dāng)今市場(chǎng)自動(dòng)聚焦的最小體積最低成本的解決方案，它也是最易于實(shí)現(xiàn)的解決方案。這些優(yōu)點(diǎn)很重要，因?yàn)閹ё詣?dòng)聚集的照相模塊通常是當(dāng)前市場(chǎng)銷量最大的產(chǎn)品。

使用VCM移動(dòng)可重復(fù)并且無(wú)齒輪，透鏡位置由平衡電機(jī)和彈力固定。彈力可將透鏡恢復(fù)到無(wú)限聚焦的位置，除非需要聚焦否則不消耗功耗。它具有機(jī)構(gòu)魯棒性、抗沖擊并且成本很低。這些電機(jī)無(wú)磁滯，因此具有一種直接的電流位置關(guān)系，所以通常不需要透鏡位置反饋。

圖4示出用于自動(dòng)聚焦的典型彈力預(yù)載線性電機(jī)的轉(zhuǎn)移曲線——這是專用于照相手機(jī)的典型VCM轉(zhuǎn)移圖。轉(zhuǎn)移函數(shù)表示位移或行程（透鏡移動(dòng)的實(shí)際距離）（mm）與通過(guò)電機(jī)的電流（mA）的關(guān)系。

圖4. 彈力預(yù)載音圈行程與灌電流之間的關(guān)系曲線

啟動(dòng)電流或閾值電流（為了產(chǎn)生彈力預(yù)載線性電機(jī)任何位移必須超過(guò)這個(gè)電流值）通常要求大于或等于20 mA。額定行程或位移通常是250 μm～400 μm。關(guān)系曲線的斜率是10 μm/mA。自動(dòng)聚焦的最大透鏡位移是300 μm～400 μm，因此VCM非常適合這種功能水平。然而與壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)不同，VCM在保持透鏡焦點(diǎn)位置時(shí)要消耗功率。

表I比較了可采用的幾種一流的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

表I. 幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較

用于自動(dòng)聚焦的VCM驅(qū)動(dòng)器解決方案
ADI公司目前唯一提供完全集成產(chǎn)品制造商特別關(guān)注能使相機(jī)設(shè)計(jì)工程師充分利用的AF新興市場(chǎng)。AD5398⁵是一款完整的VCM驅(qū)動(dòng)器解決方案，由于它包含一個(gè)120 mA輸出灌電流能力的10 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），所以適合用于驅(qū)動(dòng)音圈執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如用作透鏡自動(dòng)聚焦和圖像穩(wěn)定性。AD5398使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C?兩線串行協(xié)議控制。第二款VCM驅(qū)動(dòng)器AD5821預(yù)計(jì)在2006年10月發(fā)布。AD5821具有與AD5398相同的功能設(shè)備，但它包含一個(gè)1.8 V兼容接口——并且硬件待機(jī)引腳XSHUTDOWN規(guī)定低電平有效（對(duì)于AD5398為高電平有效）。圖5示出AD5821的框圖。10 bit的電流輸出DAC連接負(fù)載電阻R后可產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓。反饋使得這個(gè)電壓出現(xiàn)在R_SENSE兩端，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)音圈所需要的灌電流。

圖5.示出音圈連接的AD5821框圖

電阻器R和R_SENSE在片內(nèi)關(guān)聯(lián)并且匹配。因此它們的隨溫度變化的溫度系數(shù)和非線性誤差相匹配，從而使輸出溫度漂移最小。二極管D1提供輸出保護(hù)，并且當(dāng)器件待機(jī)時(shí)消耗存儲(chǔ)在音圈中的能量。

未來(lái)透鏡驅(qū)動(dòng)器
今后要求步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠商減小尺寸并且降低成本。這就要求驅(qū)動(dòng)器提高集成度、提高透鏡位置反饋驅(qū)動(dòng)方案的效率、減小尺寸并且降低成本。許多照相模塊生產(chǎn)廠商正在試驗(yàn)壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其本身為透鏡驅(qū)動(dòng)器制造廠商提出了許多挑戰(zhàn)。電聚焦液體透鏡也將在不久面世。

圖6示出透鏡驅(qū)動(dòng)器的壓電解決方案原理性框圖。這種解決方案也能夠應(yīng)用到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，但需要兩倍數(shù)量的驅(qū)動(dòng)器。

圖6. 可能的壓電解決方案框圖

壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一個(gè)包含模擬驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字靈活性、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及某些情況下還需要電源管理多種功能組合的驅(qū)動(dòng)器。ADI公司在所有這些方面都具有專家經(jīng)驗(yàn)。用于手機(jī)市場(chǎng)的照相模塊非常復(fù)雜并且是多層面；在生產(chǎn)圖像傳感器（生產(chǎn)光模塊機(jī)構(gòu)）的公司、透鏡制造商和透鏡驅(qū)動(dòng)器制造商之間都具有相互依賴性。DSC證明雖然靠專用設(shè)計(jì)可以完成，但是減小尺寸，降低成本和功耗的主要挑戰(zhàn)之一是在透鏡驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)一步集成附加功能。隨著照相模塊的不斷發(fā)展，ADI公司將在開發(fā)新透鏡驅(qū)動(dòng)器和其它芯片方面繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。