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未来自动对焦系统将更多倾向于微执行器技术

2014-03-26 sensor 944

近年来,越来越多的自动对焦系统采用MEMS微执行器技术。他们有一个共同的特点就是,只是改变一个镜片的位置或者形状来达到对焦的目的。这样能在很大程度上提高了对焦的准确性、减少震荡、降低功耗和降低工作温度。这些优点使得一些大的手机厂家和模组集成商在日益高质量图像和快速对焦的压力下,逐渐倾向于MEMS微执行器技术。

MEMS微执行器

MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域,相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米,其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术,可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,集成于大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向,可以预见MEMS会给人类社会带来另一次技术革命,它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响,是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。

制造商正在不断完善手持式装置,提供体积更小而功能更多的产品。但矛盾之处在于,随着技术的改进,价格往往也会出现飙升,所以这就导致一个难题,是制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本。

解决这一难题的方法之一是采用微机电系统,即MEMS微执行器系统,它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。MEMS对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸和重量的减小。事实上,大多数消费类电子产品所用MEMS元件的性能比已经出现的同类技术大有提高。

手持式设备制造商正在逐渐意识到MEMS的价值以及这种技术所带来的好处——大批量、低成本、小尺寸,而且开始转向成功的MEMS公司,其所实现的成本削减幅度之大,将影响整个消费类电子世界,而不仅是高端装置。MEMS在整个20世纪90年代都由汽车工业主导,在过去几年中,由于iPhone和Wii的出现,使全世界的工程师都看到运动传感器带来的创新,使MEMS在消费电子产业出现爆炸式的增长,成为改变终端产品用户体验以及实现产品差异化的核心要素。自动对焦可修正物距的偏差以及温度对透镜造成的偏差。由于物距的改变或者光学系统温度的改变,影像可能会变得模糊并失去锐利度。自动对焦可通过调整透镜的位置来恢复锐利度。

DigitalOpticsCorporation™(DOC)OptiML自动对焦(AF)执行装置使用MEMS微执行器技术精确定位并移动相机光学系统中的透镜以进行对焦。自动对焦执行装置使用静电力来移动透镜,以获得最佳的定位精确度和可重复性。自动对焦执行装置的机械接口使镜筒与移动中的透镜能精确对齐。而电子接口是简单的双引脚结构,从而能够使用不同方式以最适合的尺寸来支持触点。

手机市场中另一项小有成就的技术就是压电马达。实际例子包括Limited1与KonicaMinolta的压电制动器。Limited1制动器因为采用压电材料所制成的线圈,拥有放大机械动作效果的特点,但它同时也面临到因受周围环境影响而可能造成的可靠度问题。KonicaMinolta的压电马达可用来代表大多数的压电制动器,它是透过进行数以千计的微小步骤来达到大幅移动的效果。压电制动器的主要缺点是需要位置感测系统,因为它们的磁滞较显著,而且定位的重复性不佳,须要动用位置传感器,另加上压电材料的制动力不足,因此形成尺寸上的种种缺点。此外,一些压电制动器所产生的噪音,更会在拍摄影片时成为恼人的问题。

镜头变形式自动对焦,至今尚未成功打入手机相机市场。也许是因为受到其影像质量减损的限制,自动对焦虽然不是一个便宜的功能,但它只能被运用在投资成本较低的低端相机。例如Varioptic的液晶镜头,其连结两种不同折射率的液体,藉由改变表面曲率来调整光学属性。由于两种液体形成的光学表面为球面,相对于非球面,球面像差的问题会导致其应用范畴只能局限在三百万画素以下的相机。

MEMS微执行器示意

从上图中我们可以看出,MEMS在技术方面比VCM有无可替代的优势,我们将看到越来越多MEMS自动对焦技术运用在手机照相机上。

VCM由于具备高产量与低成本优势,因此是目前手机市场上自动对焦的主流解决方案。虽然VCM类似喇叭中的制动器,也采用磁铁与线圈来产生制动力,但相机对于移动控制的要求,远比喇叭来得严苛,若是使用的VCM不够精准则会降低影像质量。此外,VCM的高功耗问题在录制影像时会更加地被突显。手机相机的尺寸持续微型化,VCM的这些问题也更为显著。因此手机原始设备制造商(OEM)正在积极寻找VCM的替代方案。随着业界持续将自动对焦推入顶级的相机手机,MEMS微执行器技术将能满足顾客对于高影像质量、方便携带尺寸及价格低廉等需求。

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