Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №3

Приводы для фокусировки объектива в камерных модулях высокого разрешения

Касей Гэри  
Конвей Мел  
Мэрфи Марк  

Перевод: Иоффе Дмитрий


Введение

Наверное, в вашем мобильном телефоне есть встроенная камера. Однако если вашей модели телефона уже больше года и она не была ужасно дорогой, то можно с уверенностью утверждать: фотографию какого-либо преступления, сделанную этим телефоном, нельзя будет представить в суде. Она окажется слишком размытой из-за недостаточного разрешения, плохой фокусировки или движения камеры во время съемки. Тем не менее, разрешение камер в мобильных телефонах и их общее качество быстро совершенствуются. В 2000 году фирма Samsung выпустила модель SCH-V200 с камерой в 0,3 мегапикселя, а в 2003-ем NTT DoCoMo начала производство первой камеры для мобильного телефона с автофокусировкой — 1,3-мегапиксельной P505iS. В 2005-м году фирма Sony Ericsson выпустила аппарат, которые многие рассматривали как первый телефон с настоящей камерой с автофокусом — 2-мегапиксельный K-750i. А в марте 2006 года Samsung анонсировала SCH-B600, телефон с 10-мегапиксельной камерой!

Развитие камер в мобильных телефонах движется по пути так называемой «эволюции разрешения» (Evolution of Resolution). Но для того, чтобы увеличение разрешения могло быть эффективно использовано, эта эволюция должна сопровождаться появлением эффективных и быстрых систем автоматической фокусировки. Когда автофокус становится стандартным свойством камеры, начинается развитие других свойств, таких как оптический трансфокатор (zoom), управление затвором и стабилизация изображения (рис. 1).

Прогноз развития телефонов с камерами и привода объективов

Ключевым моментом для большинства перечисленных свойств является возможность как можно быстрее перемещать объектив для получения наилучшей фокусировки. Привод объектива — это исполнительное устройство, которое перемещает объектив в соответствии с цифровыми управляющими сигналами. В этой статье мы обсудим роль привода объектива, два полезных новых изделия и рассмотрим будущее привода объектива на рынке.

На рис. 2 показана обобщенная блок-схема цифровой камеры и прохождение сигналов в ней. Изображение, спроецированное на датчик КМОП или ПЗС (прибор с зарядовой связью), сканируется и передается на процессор обработки сигнала (Analog Front End, AFE), который усиливает и обрабатывает исходный видеосигнал, а затем переводит его в цифровой вид. Например, микросхема AD9822 представляет собой полный 14-разрядный процессор аналогового сигнала для ПЗС-датчиков. Он имеет трехканальную архитектуру, предназначенную для захвата и обработки выходных сигналов цветных матриц ПЗС. Изображение, представленное в цифровом виде, можно редактировать, пересылать, сохранять и использовать в камере для различных операций, например, гамма-коррекции, настройки светочувствительности для работы со вспышкой или перемещения объектива для фокусировки. Помимо этих основных элементов, добавочные датчики могут применяться для измерения положения объектива, освещенности, температуры, ускорения и углового перемещения (последнее — для стабилизации изображения). И разнообразные двигатели могут управлять затвором, нейтральным светофильтром (Neutral Density Filter, NDF), диафрагмой и крышкой объектива.

Сигналы в цифровой камере

Сравнение мобильных камер и цифровых камер

Мобильные телефоны с камерами представляют собой очень быстро растущий сегмент современного потребительского рынка, и это положение сохранится в течение нескольких ближайших лет. Для них очень важны небольшие вес и стоимость, но, кроме того, пользователь хочет получить реальное качество изображения. Фактически, сближение качества между камерами мобильных телефонов и обычными цифровыми камерами (Digital Still Camera, DSC) уже произошло несколько лет назад.

Цифровые камеры высокого разрешения уже стали доступны по небольшим ценам, но их технологии невозможно непосредственно перенести на мобильные камеры. Почему? По целому ряду причин. Цифровые камеры — это фотокамеры, в то время как первая и основная функция мобильного телефона — это звонок и разговор с собеседником. Наличие модуля камеры — это одно из полезных дополнительных свойств, оно может быть доступным, но не должно значительно увеличивать цену или делать телефон громоздким. Кроме того, жесткие ограничения накладываются на потребляемую мощность модуля камеры.

Привод объектива

Привод объектива управляет двигателем, который перемещает линзы объектива вперед и назад для изменения фокусировки или увеличения. Он обычно используется в мобильных камерах с разрешением более двух мегапикселей. В камерах с меньшим разрешением автофокус обычно не требуется, поэтому не нужно и управление объективом. В дополнение к фокусировке, в камерах с высоким разрешением привод может перемещать объектив для получения стабилизации изображения. На рис. 3 показан привод объектива и большинство его возможных входов и выходов.

Роль привода объектива в камере

В цифровых камерах обычно используются шаговые двигатели. Они надежны, легко управляются и могут быть использованы как для автоматической фокусировки, так и для управления трансфокатором. У шаговых двигателей есть и еще одно преимущество: после окончания движения и установки требуемого фокуса и увеличения не требуется подавать на них питание для сохранения положения объектива. Но шаговые двигатели, используемые в настоящее время в цифровых камерах, имеют большие размеры и сложную конструкцию, относительно дороги, шумят, медленно работают и потребляют большую мощность. Поэтому в камерах для мобильных телефонов шаговые двигатели использовать невозможно. Кроме того, ограниченность пространства внутри телефона требует высокой степени интеграции применяемых компонентов, которая недостижима для современных шаговых двигателей.

Пьезоэлектрические двигатели оказались гораздо более удобными для применения в мобильных камерах. Они конструктивно просты, могут развивать большую скорость, имеют высокий КПД. И они также могут быть использованы как для фокусировки, так и для изменения увеличения, и тоже не требуют подачи питания для сохранения положения после окончания движения. К сожалению, схемы управления для пьезоэлектрических двигателей отличаются повышенной сложностью. Кроме того, свойства пьезоэлектрических материалов сильно зависят от температуры, поэтому требуется температурная компенсация частоты, фазового сдвига и скважности управляющих импульсов.

Третья разновидность двигателей — линейные двигатели (Voice-Coil Motor, VCM) с пружинным возвратом — на сегодняшний день является наиболее малогабаритным и недорогим решением для автоматической фокусировки. Такие двигатели имеют простую конструкцию. Эти факторы имеют очень большое значение, так как камерные модули с автоматической фокусировкой составляют большую часть рынка.

Перемещение при помощи линейного двигателя имеет высокую повторяемость и не требует применения редукторов. Положение объектива фиксируется в момент равновесия усилий двигателя и пружины. Пружина возвращает объектив в положение фокусировки на бесконечность, и, если не требуется фокусировка на другое расстояние, то не нужно и подавать питание на двигатель. Линейные двигатели имеют высокую механическую надежность, удароустойчивы, их механические детали недороги. У них отсутствует гистерезис, поэтому они имеют однозначную зависимость между током и положением, и благодаря этому обычно не требуется обратная связь по положению объектива.

На рис. 4 показана передаточная характеристика типичного, нагруженного пружиной линейного двигателя для автоматической фокусировки, а также размеры такого двигателя, предназначенного для использования в камере мобильного телефона. Эта передаточная функция показывает перемещение (ход) объектива в зависимости от тока, протекающего через двигатель (в миллиамперах).

Ход линейного двигателя, нагруженного пружиной, в зависимости от протекающего тока

Стартовый, или пороговый ток, который должен подаваться, чтобы нагруженный пружиной линейный двигатель пришел в движение, равен 20 мА или более. Расчетный ход обычно составляет от 250 до 400 мкм, а наклон передаточной характеристики — порядка 100 мм/мА. Максимальное перемещение объектива, необходимое для автоматической фокусировки, находится в пределах от 300 до 400 мкм, поэтому линейные двигатели очень хорошо подходят для этой задачи. Однако, в отличие от пьезоэлектрических ишаговых двигателей, линейные двигатели потребляют энергию при удержании объектива в заданном положении.

В таблице сравниваются лучшие из доступных технологий приводов.

Таблица. Сравнение двигателей
Сравнение двигателей

Управление линейным двигателем для автоматической фокусировки

В настоящее время фирма Analog Devices производит только полностью интегрированные изделия, позволяющие разработчикам быстро выйти на развивающийся рынок систем автоматической фокусировки. Микросхема AD5398 представляет собой законченное решение для построения линейного электропривода. Она содержит 10-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с током нагрузки до 120 мА и предназначена для управления линейными двигателями в таких применениях, как автоматическая фокусировка объектива и стабилизация изображения. AD5398 управляется через стандартный двухпроводный интерфейс I2C. Другой драйвер линейного двигателя, AD5821, имеет те же возможности, что и AD5398, но содержит интерфейс с уровнями сигналов 1,8 В, и его аппаратный сигнал выключения, XSHUTDOWN, имеет активный низкий уровень (у AD5398 — высокий). На рис. 5 показана блок-схема AD5821. 10-разрядный ЦАП с токовым выходом, нагруженный на резистор R, генерирует напряжение, которое подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Сигналом обратной связи является напряжение на резисторе RSENSE, которое пропорционально току, протекающему через обмотку двигателя.

Подключение AD5821 к обмотке двигателя

Резисторы R и RSENSE расположены на кристалле рядом и согласованы. Поэтому их температурные коэффициенты и любые нелинейности, возникающие при изменении температуры, также согласованы, в результате чего минимизирован температурный дрейф выходного сигнала. Диод D1 обеспечивает защиту выхода, а при выключении устройства рассеивает энергию, накопленную в обмотке двигателя.

Будущее

Производители шаговых двигателей будут прилагать усилия для уменьшения размеров и стоимости своих изделий. Для этого потребуются драйверы с более высокой степенью интеграции и более эффективными схемами управления, а также необходима обратная связь по положению объектива. Многие производители камерных модулей экспериментируют с пьезоэлектрическими двигателями. Кроме того, не за горами появление электрически фокусируемых жидкостных объективов.

На рис. 6 показана концептуальная блок-схема пьезоэлектрического привода объектива. Она также применима к шаговому приводу, если удвоить количество драйверов.

Возможная блок-схема пьезоэлектрического привода

Пьезоэлектрические приводы требуют одновременно аналоговых драйверов, цифровой гибкости, согласования и преобразования сигналов и, в некоторых случаях, управления питанием. Фирма Analog Devices проводит исследования во всех этих областях. Камерные модули для мобильных телефонов — изделия сложные и многоплановые. Их производство требует связей между компаниями—производителями датчиков изображения, механических деталей для оптических модулей, объективов и драйверов для них. Современные цифровые камеры свидетельствуют о больших достижениях в разработке специализированных узлов, но дальнейшей перспективой для уменьшения размеров, цены и потребляемой мощности служит интеграция добавочных возможностей в приводе объектива.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке