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【技术帖】艾为VCM马达驱动——精准快速对焦不是梦!

01/08 16:02
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高像素、大光圈、快速对焦、光学防抖,双摄乃至多摄已经成为手机摄像头的主流趋势。越来越多的手机用户对手机拍照功能提出了更多的要求:既要拍照好看,还要对焦速度快、对焦稳定、防抖效果好。如何满足用户的拍照需求呢?本篇,小为来为你解答!

手机模组成像原理

手机模组成像的原理是:景物通过镜头成像在CMOS图像传感器上,将光信号转换成电信号,经过模拟/数字转换后,送到图像信号处理器ISP)进行处理,再传到中央处理器中进行处理,最终通过手机显示屏就可以看到图像,示意图如下:

在整个成像的过程中,“对焦”非常重要。

清晰照片的关键——对焦

目前自动对焦的两大技术分别为:

1.  反差对焦 (Contrast Detection Focus)

对焦的过程是通过移动镜头来使对焦区域的图像达到最清晰的过程,在这个过程中,像素传感器将会对整个场景范围进行纵深方向上的全面检测,并持续记录对比度等反差数值,找出反差最大位置后,运动到顶部的镜片则会重新回到该位置,完成最终的对焦,所以在屏幕上会看到先模糊再清晰再模糊的过程。

2.  相位对焦 (Phase Detection Focus)

相位对焦则是直接将自动对焦传感器与像素传感器直接集成在一起,即从像素传感器上拿出左右相对的成对像素点,分别对场景中的物体进行光量等信息的检测,通过比对左右两侧的相关值情况,便会迅速找出准确的对焦点,之后马达便会一次性将镜片推动到相应的位置完成对焦,由于取消了之前的检测过程,并且镜间马达需要移动的距离更短,相比反差对焦,相位对焦速度明显更快,效果也会更佳自然。

对焦系统、反差对焦、相位对焦示意图

在上图可以得知,让VCM(Voice Coil Motor)快速到达指定的对焦位置是实现正确对焦的重要因素。但由于VCM是机械装置,如果直接施予控制信号而无补偿的机制的话,将会产生震荡现象(Ringing Effect),下图所示,因此便有许多控制算法去消除Ringing Effect。

其中闭环反馈PID控制算法是一种常见的闭环控制方法。

什么是闭环控制PID呢?

PID控制 (PID控制器(比例-积分-微分控制器),由比例单元(Proportional)、积分单元(Integral)和微分单元(Derivative)组成。可以透过调整这三个单元的增益Kp, Ki, Kd,和来调定其特性。

PID控制器方块图

这个控制器把收集到的数据(下一次输出位置)和一个参考值(预计对焦位置)进行比较,然后把这个差别用于计算新的输入值,这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值,使系统更加准确而稳定。

PID对应反应图

闭环控制是在驱动的同时引入了反馈量,控制器能够实时获取马达的实际位置,根据马达的实际位置调整输出,直到反馈值和目标值的误差为0,马达移动到我们设定的位置实现自动对焦。

闭环是持续实时控制,能够加快马达对焦速度,精确控制位移,并且能够有效抑制外界环境因素对马达产生的干扰。PID控制算法使用方便、适应性强、鲁棒性强,可以有效地减小超调,使马达能够快速达到指定位置,相比开环控制,闭环PID控制实现了马达对焦的快、稳、准。

从模组成本等方面考虑,反差对焦一般配合开环VCM驱动芯片使用。为了更高精度、更快捷地对焦,相位对焦通常要配合闭环VCM驱动芯片。

艾为芯:真“芯”对焦更清晰

无论是反差对焦,还是相位对焦,艾为芯都有相应的解决方案实现真“芯”对焦!

在艾为VCM Driver 系列产品中, AW8601CSR是一款开环中置驱动芯片,搭配艾为VRC(VCM Ring Control)对焦算法使用就可以实现理想的反差对焦。

而针对相位对焦,艾为专门设计了AW86020这款闭环中置驱动芯片
该芯片支持宽范围电压供电带载能力强支持大电流输出高精度数模模数转换单元,具有I²C通讯接口支持高频通讯内置霍尔传感器用于检测马达实时位置,节省用户成本与模组空间;具有大容量Flash存储单元,除此之外其最大的特点是内置PID控制器与数字滤波电路,可实现闭环控制,能够实现精准而快速的对焦

除快速对焦之外,防抖也同样是拍摄清晰照片必不可少的一环。

为何要防抖?

大家手持手机拍摄照片与视频时难免会有所晃动,其抖动频率在2~10Hz范围内,抖动幅度在1°以内。传感器成像需要曝光,曝光是不可能在一瞬间完成的,在曝光期间如果摄像机发生了抖动,进而导致传感器采集的光线糅合在一起,图像就会产生重影,变得模糊不清。尤其是在夜景拍摄和长焦拍摄远处时防抖尤为重要,因为夜拍模式下曝光时间会加长,而长焦在放大时,同样的抖动,图像模糊程度会更大。

防抖技术主要包括,大像素、大镜头、数字防抖(DIS)、电子防抖(EIS)以及光学防抖(OIS),目前最为火爆的当属OIS。OIS适用范围广泛,拍夜景、远景效果突出。

OIS工作原理:借助机械结构使镜头可以移动,在成像的过程中,如果手机发生了抖动,成像的位置发生偏移,模组内部的陀螺仪传感器将检测到的抖动信号传给微处理器,经过微处理器计算出需要补偿的位移量,驱动芯片控制镜头相应的移动而改变成像的光路,使成像的位置仍然保持在原来的位置,以便于有效的防止手机抖动引起的成像模糊。

艾为拥有高性能OIS光学防抖的VCM马达驱动芯片,该款芯片支持OIS光学防抖、自动对焦,内置CPU,集成DSP与浮点运算单元,高工作频率,多通道ADC、DAC转换单元,拥有多个串行外设接口,支持宽范围电压供电,超低关断电流。

AW86006CSR,搭配艾为防抖智能算法,可为你呈现清晰稳定的高品质画面。
艾为电子

艾为电子

上海艾为电子技术股份有限公司是一家芯片设计公司,创立于2008年6月,专注于高性能混合信号、电源管理、信号链等IC设计。2020年,艾为电子被认定为国家级专精特新“小巨人”企业。2021年 8 月, 艾为电子在上海证券交易所科创板成功上市,募集资金30.35亿人民币,股票代码为688798。

上海艾为电子技术股份有限公司是一家芯片设计公司,创立于2008年6月,专注于高性能混合信号、电源管理、信号链等IC设计。2020年,艾为电子被认定为国家级专精特新“小巨人”企业。2021年 8 月, 艾为电子在上海证券交易所科创板成功上市,募集资金30.35亿人民币,股票代码为688798。收起

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上海艾为电子技术股份有限公司创立于2008年6月,专注于高性能数模混合信号、电源管理、信号链等IC设计,于2021年8月, 在上海证券交易所科创板成功上市,股票代码为688798。艾为电子累计拥有42种产品子类、产品型号总计超1300余款,产品的性能和品质已达到业内领先水平。公司产品广泛应用于消费电子、工业互联、汽车等市场领域。

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