編者注：愛佩儀光電技術(shù)有限公司（APPhotonics,Inc.）作為國內(nèi)重要的手機(jī)OIS產(chǎn)品提供商，這是其通過此微信公眾平臺獨家向業(yè)界介紹APP微型光學(xué)防抖攝像頭模組的自動化生產(chǎn)調(diào)試相關(guān)技術(shù)。

現(xiàn)今拍照手機(jī)相機(jī)模組像素越來越高，越來越多的旗艦級的手機(jī)機(jī)型配備有緊湊型光學(xué)圖像穩(wěn)定系統(tǒng)(ImageOpticalStabilization,OIS)與自動對焦(AutoFocus,AF)數(shù)碼相機(jī)模塊（CompactCameraModule,CCM），所以在手機(jī)上配置光學(xué)防抖攝像頭也已經(jīng)是大勢所趨。但是這些高分辨率且集成有光學(xué)防抖及自動對焦的攝像頭模塊的對眾攝像頭廠家在設(shè)計與制造方面提出了越來越高的難度。

為順應(yīng)這一趨勢及解答該難題，本文介紹了一套最新最先進(jìn)的由愛佩儀光電技術(shù)有限公司（APPhotonics,Inc.）研發(fā)生產(chǎn)的具有OIS和AF技術(shù)的結(jié)構(gòu)緊湊型高級手機(jī)攝像頭致動馬達(dá)模塊及光學(xué)防抖攝像頭的生產(chǎn)調(diào)試技術(shù)。該生產(chǎn)調(diào)試技術(shù)能讓普通的攝像頭生產(chǎn)廠家在現(xiàn)有的普通攝像頭模組的生產(chǎn)線上就能生產(chǎn)出具備有高性能光學(xué)防抖功能的微型手機(jī)攝像頭，大大降低光學(xué)防抖攝像頭模組的技術(shù)門檻和生產(chǎn)成本，及保障攝像頭模組生產(chǎn)廠家現(xiàn)有生產(chǎn)線的柔性兼容能力。

高像素手機(jī)攝像頭制程簡介

采用大鏡頭光圈（F/2.0或者以上）再搭配超過一千萬像素的圖像傳感器的手機(jī)攝像頭已經(jīng)十分普遍，在此光學(xué)配置之下，最大容許鏡頭傾斜角度則越來越小。如圖1所示，當(dāng)鏡頭傾斜角度超出最大允許鏡頭傾斜角度時，可能導(dǎo)致圖像邊緣過分模糊，因而圖像品質(zhì)下降，或整個模組不合格，從而造成浪費(fèi)。因此，通常對具有高分辨率圖像傳感器的普通自動對焦攝像頭或者鏡頭平移式的光學(xué)防抖攝像頭的制作過程中一定要采用光學(xué)主動對準(zhǔn)設(shè)備(Activealignmentmachine,AAMachine或簡稱AA機(jī))來調(diào)校鏡頭與圖像傳感器之間的姿態(tài)與相對位置等關(guān)系。

圖1鏡頭及圖像傳感器裝配誤差示意圖傾斜角度

自動對焦相機(jī)模組鏡頭傾斜角度，主要分成靜態(tài)及動態(tài)兩種。靜態(tài)鏡頭傾斜角度指的是在鏡頭致動器沒有作用時（例如：致動器沒有通電），鏡頭光軸和圖像傳感器表面法線軸之間的夾角。動態(tài)鏡頭傾斜角度指的是在鏡頭致動器有作用時（例如：致動器有通電），鏡頭光軸和沒有作用時的變化。

如圖2所示，傳統(tǒng)的攝像頭制程中僅只是利用機(jī)械裝配的精度來實現(xiàn)鏡頭大致正對圖像傳感器。在較低的圖像傳感器的時代，這樣的裝配制造方法能足夠滿足一般的攝像頭應(yīng)用需求。但是隨著圖像傳感器像素值的提高，為了獲得較高的成像品質(zhì)，必須采用主動光學(xué)對準(zhǔn)設(shè)備(AA機(jī))來進(jìn)行生產(chǎn)。采用AA機(jī)制程的設(shè)備在組裝每一個零配件時，設(shè)備將檢測被組裝的半成品，并根據(jù)被組裝半成品的實際情況主動對準(zhǔn)，然后將下一個零配件組裝到位。這種主動對準(zhǔn)技術(shù)可有效的減小整個模組的裝配公差，有效的提升攝像頭產(chǎn)品一致性，也為更高階的攝像頭產(chǎn)品封裝創(chuàng)造可能性。

光學(xué)主動對準(zhǔn)設(shè)備通常也分為三軸式AA機(jī)或者六軸式AA機(jī)兩種。其中三軸式AA機(jī)其設(shè)備成本較低，半自動化易操作，轉(zhuǎn)機(jī)時間短，校正較容易。雖然三軸式AA機(jī)已經(jīng)能有效的提高高像素攝像頭的成像品質(zhì)。但是，如圖2所示，三軸式AA機(jī)的加工工業(yè)針對鏡頭與鏡頭座或者圖像傳感器之間的光軸歪斜卻無法補(bǔ)正。而六軸式AA機(jī)可以針對鏡頭全部的六個自由度進(jìn)行調(diào)整，所得的影像品質(zhì)一定超越三軸調(diào)校，并且可以全自動完成對準(zhǔn)功能。有些高端的六軸AA機(jī)還能同時點亮圖像傳感器和鏡頭調(diào)焦馬達(dá)以折中改善鏡頭在調(diào)校運(yùn)動后的姿態(tài)及位置關(guān)系等如圖3所示。但是六軸式AA機(jī)的設(shè)備造價高昂，操作復(fù)雜，生產(chǎn)效率有限，使得高像素攝像頭制造成本高企，且需要特別的產(chǎn)線才能滿足鏡頭平移式光學(xué)防抖攝像頭制造的特殊需求。

總體說來，若果單靠生產(chǎn)品質(zhì)控制及機(jī)械設(shè)計去減少靜態(tài)及動態(tài)傾斜角度，是十分困難，可能導(dǎo)致良率過低及生產(chǎn)成本上升。使用專門主動光學(xué)校準(zhǔn)鏡頭裝置（AAMachine）則可以有效減少靜態(tài)鏡頭傾斜。但是，這方法有兩個問題：1）對動態(tài)鏡頭傾斜的補(bǔ)償有限，2）由于裝置所需精度及自由度高，所以裝置成本高企。

愛佩儀先進(jìn)的光學(xué)防抖攝像頭馬達(dá)自動調(diào)校技術(shù)

針對以上的技術(shù)難點，愛佩儀光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的混合鏡頭傾斜與平移式光學(xué)防抖馬達(dá)及其自動調(diào)校生產(chǎn)技術(shù)（以下簡稱AT系統(tǒng)），則不僅僅是為了順應(yīng)高像素高分辨率拍照手機(jī)所需要的自動對焦的趨勢，而是能使高像素拍照手機(jī)的圖像品質(zhì)更上一個新臺階，而同時大大降低生產(chǎn)成本的產(chǎn)品和技術(shù)。此模組生產(chǎn)校正技術(shù)已經(jīng)獲得很多國家的技術(shù)專利。

隨著拍照手機(jī)攝像頭模組的像素越來越高，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，特別是低光環(huán)境下的高品質(zhì)拍照需求使得光學(xué)防抖技術(shù)的需求也越來越迫切。通常的光學(xué)防抖攝像頭馬達(dá)分為混合鏡頭偏轉(zhuǎn)與平移式馬達(dá)和純鏡頭平移式馬達(dá)兩種。純鏡頭平移式馬達(dá)的生產(chǎn)工藝必須借助AA機(jī)才有可能進(jìn)行生產(chǎn)，而且即便是采用了AA機(jī)平移式光學(xué)防抖攝像頭的良率依然十分有限。

為了解決拍照手機(jī)光學(xué)防抖攝像頭的迫切需要及高昂的制造成本與復(fù)雜的制作工藝之間的矛盾，愛佩儀光電技術(shù)有限公司研發(fā)的AT系統(tǒng)能在普通自動對焦馬達(dá)的基礎(chǔ)上無需添加AA機(jī)等復(fù)雜工藝和設(shè)備就可以生產(chǎn)出高品質(zhì)高良率的光學(xué)防抖攝像頭。裝有愛佩儀光電技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)的混合鏡頭傾斜與平移式光學(xué)防抖馬達(dá)的拍照手機(jī)攝像頭模組在生產(chǎn)過程中，采用類似普通自動對焦馬達(dá)的生產(chǎn)工藝，只需要對該光學(xué)防抖馬達(dá)采用機(jī)械定位的方式進(jìn)行對準(zhǔn)安裝即可。然后，針對自動對焦所需要的靜態(tài)鏡頭傾斜補(bǔ)償補(bǔ)償，對焦過程中的動態(tài)鏡頭傾斜的補(bǔ)償以及光學(xué)防抖控制參數(shù)的校正等均可以在AT系統(tǒng)上解決。另外此AT系統(tǒng)最大的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高而系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)簡單，提供了一個低成本高效率的生產(chǎn)環(huán)境。

圖4光學(xué)防抖攝像頭模組的調(diào)試流程軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖4所示，為AT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。電腦或主控制器會按一定的規(guī)則向馬達(dá)致動控制器發(fā)送命令，安裝好鏡頭的馬達(dá)則會根據(jù)相應(yīng)的控制命令移動鏡頭。

如圖5所示，目標(biāo)模板的特定圖案(如圖6)將會經(jīng)過鏡頭而投射在圖像傳感器上。電腦或者主控制器會根據(jù)圖像傳感器獲得的影像分析各部分的清晰度，根據(jù)愛佩儀光電技術(shù)有限公司研發(fā)的特定的算法計算出需要偏斜補(bǔ)償?shù)慕嵌?，進(jìn)而將該角度分解到各個驅(qū)動器去校正執(zhí)行。然后根據(jù)校正執(zhí)行后的圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析是否校正到位。多次校正迭代后的一系列相關(guān)參數(shù)經(jīng)過驗證能達(dá)到馬達(dá)傾斜校正標(biāo)準(zhǔn)的情況下會被存儲到馬達(dá)控制器的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域供馬達(dá)在自動對焦等動作時進(jìn)行校正使用,整個算法流程框圖如圖7所示。該校正算法可以針對鏡頭在不同的對焦移動的位置時由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工或者安裝產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正保證在整個自動對焦行程范圍內(nèi)對光軸的偏斜的補(bǔ)償都是可以進(jìn)行的。同時，馬達(dá)安裝固定后仍然是可以進(jìn)行調(diào)校的。該自動調(diào)校過程針對靜態(tài)的光軸偏斜以及對焦運(yùn)動過程中的動態(tài)光軸偏斜都是可以進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹?/p>

該動靜態(tài)綜合補(bǔ)償?shù)乃惴肮δ苓h(yuǎn)優(yōu)于AA機(jī)制程僅只能對鏡頭初始位置或者馬達(dá)驅(qū)動到最大行程后的靜態(tài)位置的光軸偏斜進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓δ?如圖8所示的調(diào)試傳遞函數(shù)（MTF）解析度實驗中，當(dāng)中心點準(zhǔn)確對焦后其MTF解析清晰度在982左右.在自動對焦補(bǔ)償前，圖8（a）所示右下角邊緣處的MTF解析清晰度在343左右，而自動對焦補(bǔ)償后，圖8（b）所示右下角邊緣處同一位置的MTF解析清晰度為468。

愛佩儀光電技術(shù)有限公司研發(fā)的攝像頭自動對焦補(bǔ)償技術(shù)可以使得圖像邊緣MTF解析度上升36%。同時，將光軸自動校準(zhǔn)后的攝像頭模組在進(jìn)行光學(xué)防抖的過程中也能保證防抖補(bǔ)償控制的控制角度的準(zhǔn)確性與及時性，確保光學(xué)防抖的防抖效果。因此，AT系統(tǒng)能在普通的自動對焦攝像頭的制造工藝下充分保證光學(xué)防抖與自動對焦攝像頭的成像品質(zhì)與光學(xué)防抖效果，而無需AA機(jī)制造工藝的參與，極大的降低了光學(xué)防抖攝像頭的生產(chǎn)成本及研發(fā)難度。

圖5（“AT”）光學(xué)防抖攝像頭自動調(diào)校系統(tǒng)

圖6目標(biāo)模板

圖7自動調(diào)校流程圖

（a）自動對焦鏡頭傾斜補(bǔ)償前(MTF解析度為343)

（b）自動對焦傾斜鏡頭補(bǔ)償后(MTF解析度為468)

圖8.具有OIS及鏡頭傾斜補(bǔ)償?shù)?300萬像素攝像頭MTF解析度實驗

光學(xué)防抖角速率傳感器（GyroscopeSensor）自動校準(zhǔn)技術(shù)

光學(xué)防抖攝像頭模組的防抖效果除了取決于具有光學(xué)防抖馬達(dá)的性能，更與感知抖動運(yùn)動的角速率傳感器（GyroscopeSensor）分不開。這是因為防抖馬達(dá)驅(qū)動鏡頭來進(jìn)行光學(xué)防抖動工作的執(zhí)行動作要靠角角速率傳感器來進(jìn)行指導(dǎo)。原則上，各大廠家的角角速率傳感器的精度和一致性都已經(jīng)相當(dāng)高。但是作為一套完整的微型機(jī)電控制系統(tǒng)，角速率傳感器和其它部件的配合則需要進(jìn)行標(biāo)定以獲得最優(yōu)的效果。AT系統(tǒng)同時具備了能夠校正角速傳感器的能

力。如圖5所示，當(dāng)目標(biāo)模板固定下來，而連接攝像頭模組的調(diào)試平臺是可以在兩個方向模擬人手的振動。當(dāng)關(guān)停攝像頭模組的光學(xué)防抖功能時，攝像頭獲得的景物將會不斷抖動，于是，可以通過圖像分析技術(shù)獲取特定的目標(biāo)景物模板上的標(biāo)記的移動幅度（L0）。當(dāng)開啟光學(xué)防抖功能后，該目標(biāo)景物模板上的標(biāo)記的移動幅度會因為光學(xué)防抖的作用下減小為L1。然后不斷調(diào)整與角速率傳感器相關(guān)的參數(shù)使得補(bǔ)償系數(shù)（CompensationRatio，CR，CR=‐20Lg(L1/L0）為最大。通過這樣的整體的調(diào)校，則可以使得防抖效果進(jìn)一步提升。

小結(jié)

本文介紹了一套最新最先進(jìn)的由愛佩儀光電技術(shù)有限公司（APPhotonics,Inc.）研發(fā)生產(chǎn)的具有OIS和AF技術(shù)的結(jié)構(gòu)緊湊型高級手機(jī)攝像頭致動馬達(dá)模塊及光學(xué)防抖攝像頭的自動化生產(chǎn)調(diào)試技術(shù)。該自動化生產(chǎn)調(diào)試技術(shù)針對自動對焦所需要的靜態(tài)鏡頭傾斜補(bǔ)償補(bǔ)償，對焦過程中的動態(tài)鏡頭傾斜的補(bǔ)償以及光學(xué)防抖控制參數(shù)的校正等均可以全自動識別校正，該調(diào)試硬件設(shè)備上與普通自動對焦馬達(dá)所需的燈箱等工作環(huán)境基本一致。因此，愛佩儀光電技術(shù)有限公司的全套光學(xué)防抖制造調(diào)試方案能讓普通的攝像頭生產(chǎn)廠家在現(xiàn)有的普通攝像頭模組的生產(chǎn)線上就能生產(chǎn)出具備有高性能光學(xué)防抖功能的微型手機(jī)攝像頭，大大降低光學(xué)防抖攝像頭模組的技術(shù)門檻和生產(chǎn)成本，及保障攝像頭模組生產(chǎn)廠家現(xiàn)有生產(chǎn)線的柔性兼容能力。