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微型相机模组概要
 

【作者: 蘇漢威】2009年03月04日 星期三

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手机相机抓住生活的每一瞬间

自夏普第一款手机相机J-SH04问世以来,其携带方便,随时即拍、纪录生活,抓住瞬间的功能,在短时间内形成一股潮流。手机具备相机功能已成为趋势,且不断地朝着DSC-like的方向前进,诸如自动对焦、光学变焦、抗手震、快门、闪光、色彩、资料处理等等,各方面皆逐年获得提升,使得现今的高阶手机相机具备中低阶数位相机的性能,逐渐摆脱当初问世时、被视为是玩具的范畴。


手机相机与数位相机相比,优点在于体积小、低耗电、低成本,加上现今具备强大的影像处理能力,所拍出来的图片品质已经能够与傻瓜型的数位相机相互媲美,能用来冲洗照片及海报的制作。尽管如此,目前还是未能对500万画素以上的数位相机造成威胁,但可预期地在未来的几年内,两者必能并驾齐驱。


主流方向与技术门槛--微型化与低耗能

现今市面上数位相机模组体积大,所以有足够的空间可以提供自动对焦、光学变焦甚至光学防手震功能。近年来薄型化手机因其自身厚度的限制,因此光学系统与整体结构尽可能简单、体积尽可能缩小,以适应此类装置低架构的发展趋势。



《图一 微型相机发展趋势 》
《图一 微型相机发展趋势 》注:SE为Sony Ericsson缩写;AF为Auto Focus缩写;OZ为Optical Zoom缩写;数据源:DIGITIMES整理,2007年12月

由图一的微型相机趋势来看,以高画素搭配自动对焦功能的薄型化手机在市面上占大多数,而舍弃高厚度的光学变焦机种,毕竟要将光学变焦模组微型化,具有一定的困难度。最主要的技术门槛在于光学成像镜头的微型化不易,假如光学成像镜头在不牺牲画质的情形下能再缩小,才有可能成为市场主流,也才能朝DSC-like目标前进。


手机的功能愈来愈齐全,除了正常的接收、拨打之外,MP3、蓝牙传输、游戏、记事簿…要处理的事情实在太多了,低耗能成了另一项手机相机的技术关键,其中当属光学变焦的致动器是降低耗能的研发重点。


市售的手机具光学变焦者,9成以上皆是以高耗能的步进马达为主,少数者如2006年上市的Nokia N93则以低耗能的压电致动器为驱动源,期望消费者在不失手机长时间待机正常功能外,能尽情地享受拍照的乐趣。另外光学防手震的机种尚未出现,主因还是基于在微型化与低耗能的条件下,无法将此功能置入手机相机模组,短期内此杀手级的机种可能还无法问世。


手机相机模组致动器种类

步进马达

由步进马达、减速齿轮与凸轮所组成,利用马达转动减速齿轮而驱动凸轮旋转,进而带动镜头群组依运动轨迹而进行光学变焦目的。纵观当中零组件又以凸轮这一细项最为关键。此组件最主要的功能为:确保镜头依变焦轨迹或自动对焦轨迹在光轴上移动而没有偏转。其中Sharp V602SH为早期代表性之一款步进马达式光学变焦手机。


压电式致动器

此款种类颇多,市面上有应用者为SIDM(Smooth Impact Drive Mechanism)架构,利用压电材料拉伸或压缩的体积变化产生微小位移,再利用位移叠加方式达到欲求之位移量,如果加上微型光编码器定位,可以达到连续变焦的功能。不过因为使用成本较高的压电致动器与光编码器,使其成本较高,适用于高阶手机,代表手机为Nokia N93。


液态透镜致动器

如图二所示为Varioptic公司研发的液态透镜,主要的优点为低耗电,其在两片玻璃之间涂布金属当电极,中间注入绝缘液体油和导电液体水。当在电极上施加电压之后,水分子会发生移动,而有表面张力产生,从而导致两种液体的表面曲率发生变化。由于它们的折射率不同,光线的方向就会改变,形成凹凸透镜效果。而驱动电压的高低,也决定曲率的幅度,从而改变成像焦距。另外,假如藉由坚强的光学设计将多片液态透镜组合在一起,也能达到光学变焦效果。


《图二 Varioptic液态透镜示意图》
《图二 Varioptic液态透镜示意图》

高阶手机未来趋势走向

潜望式镜头模组

另一光学变焦微型化的可行性方法是如图三的潜望式镜头模组。一般镜头无法缩小的原因在于第一群镜头为了要能收光,所以比较大。如今将此组镜头内镶于手机表面,内里装置一反射镜,如此能够大幅缩小整体的光学系统厚度。但是此潜望式镜头在组装所有镜头群组上有所困难,关键技术还是掌握在日本光学厂手中。


《图三 潜望式镜头模块》
《图三 潜望式镜头模块》

光学变焦模组结合防手震模组

目前市面上防手震模组的技术分为电子式防手震和机构式防手震二种。电子式防手震为透过连拍撷取其中较为清楚的影像画面,再利用特殊演算法修正,使得影像品质最好。优点是不需机构,成本较低,缺点是当像素越高时,所耗费处理时间需更长。


电子式防手震可分为三种方式:一为增加影像感测器之感光度及所谓ISO值或增大光圈,以提升快门速度减少手震问题;二为利用软体演算设法还原影像;三为利用连拍方式选择较清楚影像。不过以上三种方式都有其缺点,如增加感光度相对地亦增加杂讯,软体演算与第三种方式皆占用太大资源,降低拍照速度。


另一方面,机构式防手震一为采用两个浮动镜片与搭配位于镜头中两个的运动感应器,以补偿镜片应该移动的角度;二为根据运动感测器讯号,直接补偿影像感测器需移动的角度。机构式的优点是机构稳定无需影像处理时间,故不限高画素影响;而且在低光量拍摄时,可在慢速快门操作下,获得高品质影像。缺点是需机构防振,系统成本较高。


由于成本考量,目前手机相机防手震功能皆以电子式防手震为主,虽然减少光学防手震机构的成本,然而其防手震的效果仍不如光学式防手震,在使用单手拍照的手机相机,更显得防手震的重要性。


因此国内外已开始着手进行可应用于手机相机之微型化光学防手震设计,藉由机构的补偿,期望可提升安全快门两到三级的效果,真正达到消费型数位相机规格。根据一些研究报告指出,手机防手震需求依影像感测器画素的提升才逐渐有其价值,细致的影像才能显示出防手震效果,预估500万像素以上需求量才会上升。


三轴微型致动器之应用

微型致动器移动的三个方向为Z轴(光轴)θs、θp,将此致动器装置于变焦群组的镜头中,光学系统端决定置于那一群镜头组,就光轴方向,可直接作自动对焦、光学变焦(需搭配连动机构)、另外二个致动方向可作防手震。如此可将整个的微型相机模组体积大幅缩小,不过此应用技术程级颇高,目前尚在研发阶段中。


Wafer-Lever AF Camera

如图四所示,因应市场小型化、薄型化、低成本考量的需求,而衍生出来的前瞻性技术Wafer-Lever AF Camera,其核心在于薄型化致动器与晶圆级光学封装这二大类。薄型化致动器(polymer actuator)厚度约1mm,消耗功率仅0.03W,驱动电压3V~4V,重量0.015克。在晶圆级光学封装方面,由于是将三片晶圆堆叠而成,最上层为Polymer lens、中层为Polymer actuator、下层为CMOS image sensor,最后再切割成整个微型对焦模组,最大优点是可批次量生产。



《图四 Wafer-Lever AF Camera示意图》
《图四 Wafer-Lever AF Camera示意图》

工研院发展现况

工研院南分院微系统科技中心自投入微型相机模组发展迄今,已先后完成自动对焦模组(本文不撰述)、光学变焦模组、防手震模组之原型机开发。在光学变焦模组方面,其规格与各大厂的比较如表一所示。利用微小压电致动器产生hula-hoop运动做为推动镜头的动力,透过C型夹持致动器之机构与预压结构设计,并藉由高频电压讯号做为驱动源。因此针对致动器本身设计专属控制驱动电路,以符合低耗能特性,使致动器可以有最佳化的运动模态,已可以整合于手机相机之自动对焦与光学变焦模组,大幅缩小相机模组的体积。



《表一 工研院微型光学变焦模块与各厂牌比较表》
《表一 工研院微型光学变焦模块与各厂牌比较表》

另外,如图五所示,在防手震模组方面工研院南分院微系统科技中心采用创新压电结构设计,开发低噪音体波式致动器,驱动噪音仅40dB;并结合讯号分离演算法、低杂讯类比电路、手部颤抖演算法相关技术,能够产生稳定的驱动力达9g,驱动电压10V,震动补偿±0.4°,补偿频率20Hz(人手的晃动约10Hz),手震残余颤抖量仅20%,定位精度可达到小于3um的高性能模组,并且材料成本仅5元。


《图五 工研院微型防手震模块》
《图五 工研院微型防手震模块》

结语

未来要在微小的空间置入多项功能,决非易事。除了继续致力于本身的技术外,并希望能透过策略联盟的方式,整合封装厂商与光学系统厂商,同步开发进行以缩短开发时程,完成具备3X光学变焦与动态光学防手震的CCM模组。如此一来,不但可以提供台湾光学产业、封装产业及时的技术支援与布局,组成一完整的产业链,同时在消费性电子产品应用上,更具有低成本的竞争力。


(作者任职于工研院南分院微系统科技中心)


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