深度了解摄像头闭环式马达

XJzy

[导读] 闭环式马达作为手机镜头中的新技术能够一定程度上提高手机镜头的对焦精度与速度，带来更好的拍照体验成像质量的影响因素较多，单纯提高对焦精度与速度一定程度上能减少相机拍摄过程中的抖动，但提升成像质量更多依赖于传感器等其他部件

闭环式马达作为手机镜头中的新技术能够一定程度上提高手机镜头的对焦精度与速度，带来更好的拍照体验成像质量的影响因素较多，单纯提高对焦精度与速度一定程度上能减少相机拍摄过程中的抖动，但提升成像质量更多依赖于传感器等其他部件

　 　这里的闭环应当是close（d） loop的意思，也就是close loop VCM，本身不算多新鲜的东西，很早在制造业就有应用。携带电话方面，最早应该是是三星电机的产品，在Galaxy S4之中应用。最近似乎又几家国产厂家在炒作，又突然出来了。关于装置了闭环式马达摄像头成像这个问题，理论上闭环的合焦精度更高，速度也更快，会有一定 的优势，但是一般来说镜头的素质由镜头本身决定，并不会有什么改变，只是出片率更高一些

般来说镜头马达使用的是步进马达，驱动步进马达时两端加的电压通常是这样。

　　

　　如果负载恒定，电流恒定情况下马达会按照下图方式转动

　　

　　但是由于各种原因影响（负载变化，电压变化，惯性原因，总之一般都会发生），电机转动的位置并不像上图这么理想化，我们把这种情况叫做失步

　　为了降低这种事件的发生我们检测电流，调整占空比/频率，为什么通过检测电流就可以保证基本准确呢？原因见下图（因为是收集到的图片，没改文字，请忽略下图中的所有文字）

　　但是由于各种原因影响（负载变化，电压变化，惯性原因，总之一般都会发生），电机转动的位置并不像上图这么理想化，我们把这种情况叫做失步

　　为了降低这种事件的发生我们检测电流，调整占空比/频率，为什么通过检测电流就可以保证基本准确呢？原因见下图（因为是收集到的图片，没改文字，请忽略下图中的所有文字）

　　

　　这样我们就可以较为精确的控制电机转动角度了

　　可以看到，如果镜头中使用这样的马达控制电路，对电机转动角度可以控制得更精确，从而可以实现更快的对焦，也就是说使用闭环马达控制可以提高对焦速度，对于成像有没有影响呢，有，但影响不大，原因为如果对焦速度慢的话，软件在一定时间内无法精确对焦时可能会牺牲对焦精度，告诉相机，己经对好焦了。

　　什么是闭环式马达镜头，有何特点，如何影响对焦速度和成像质量？

　　一般和音圈马达匹配的有一个驱动Driver IC，统称驱动IC。这里实际上讨论的是电机的**系统，所谓开环和闭环是自动控制中的两个相当基础的概念，闭环的意思简单说就是利用反馈控制。

　　音圈马达本身是不知道什么时候开始，而又运动到哪里结束的，需要驱动来处理和控制，所谓的开闭环实际上是针对驱动来说的，但因为驱动和马达不分家，所以通称也无所谓。

　　

　　音圈电机本质上说是一种直线电机，和其他电机相比有一些特点，原理之类的这里篇幅有限简单叙述一下，简单说就是马达所处的环境之中有一个小型强磁场，而马达内部有线圈，线圈通电之后亦会产生磁场，如此便可以运动，至于携带上的CCM，VCM AF的时候是把对焦镜组安置在线圈内部的。

　　然后传统AF的时候大致是这样的，驱动对对焦镜组的移动距离是不知道的，携带上的DSP或者ISP在不同的位置计算对焦评价值（如MTF、对比度等），等到这个评价值满足条件的时候记录下线圈内电流，整个行程结束后返回刚才记录下来刚才的电流，再次供给VCM线圈，就可以稳定合焦了。

　　闭环AF马达的基础和上述基本是一样的，不太相同的地方在于稳定速度更快。

　　这点要得益于现在的传感器，电机的控制或者伺服都离不开传感器，目前的闭环或者OIS VCM上是用的是霍尔（Hall）传感器，原理来自霍尔效应，这里就不叙述了，只要知道这个传感器可以测定磁场中的高斯值进而进一步测定物体的位置，有缺点也有优点比较可靠精度还行就可以了。

　　霍尔传感器是位置传感器，可以通过感应磁场强度得到到转子（一般是包围对焦镜组的线圈）的位置，也就是说利用位置传感器的音圈马达是知道线圈所处的位置的，而之前的时候我们能知道只是电流，等到再次输入电流的时候线圈是只管运动，运动的位置未必和上次评价值达标的时候一模一样。

　　有了霍尔传感器之后我们就可以考虑控制策略的问题，但抱歉这个是别人的事情，也没公开的必要，但希望诸君能注意到，即使同样是闭环策略，但不同的策略是会产生不同的影响的（比如双闭环就会比单闭环更精确但开销也更大）。大体上泛泛而言，是利用霍尔传感器感知刚才提到的0和max位置处的磁场强度，保存在驱动之中，对焦镜组运动中我们能继续测量到移动位置处的磁场强度，将这个强度返回给驱动，驱动根据返回值得到正负误差，之后我们再去利用正负误差控制线圈（实际上是对焦镜组）的移动方向和速度，就可以较为精确且快速的合焦。如果将对焦镜组放置在中间位置之间判断移动方向由于运动距离变短，也可以得到较高的效率。

　　霍尔传感器实际上也可以在支持OIS的CCM之中应用，但这里关系不大。

　　在CCM的AF问题上，大体是是开环VCM -》闭环VCM -》 MEMS这个路线下去，以前的开环AF问题是比较费时间，因为镜组在运动到位置的时候不会马上停止，会因为惯性等因素在预想位置上晃动，所以需要一个稳定时间之后才能维持（请回忆阻尼震荡曲线）；而理论上闭环VCM由于自带反馈控制，这个时间要短的多，而且停在预想位置领域上的概率要比开环高得多，也就是一般宣传的速度快、精度高（虽然大多数情况下他两是一对矛盾的存在）。

　　但有阳光的地方就一定会有阴影，这个技术的开销比较大，首先是需要一个可靠的位置传感器，其次是由于位置传感器的出现，需要和驱动有信息交流，传统的两个触点必然不够用，再次是驱动要具有一定的存储和即使数据处理能力，而且控制策略需要用软件实现，虽然编写不算很难，但好的策略和程序也有难度，何况 CCM是有体积限制的，需要微型化，这就导致闭环VCM目前只有一些厂家能生产，三星电机使用过WithusVision的驱动，其他厂家比如 Mitsumi和TDK也有能力生产闭环VCM，但这些厂家一般又不生产镜组，需要自己去联系镜组厂家（比如大立光、玉晶光、关东美辰等）。

　　闭环式马达引进了检测电流，相当于多了个负反馈的控制手段，使镜头内的透镜托架的每次移位更精准，那肯定能减少透镜来回移动的次数，也就提高对焦速度。

　　至于对焦速度能提高多少，很难说。毕竟没这种技术之前，很多高端相机合焦也挺快的，同样的机械架构下，在于成像设备本身的机加工精密度，这是主要因素。手机镜头，成本的原因，镜头托架等的精密度想必也就那么回事。

　　另外，成像质量这个说法很宽泛，如果改进后的步进电机使镜头内的透镜托架的每次移位更精准，那么合焦精准度也相应提高了，算是提高了成像质量吧。