深度了解攝像頭閉環(huán)式馬達

　　閉環(huán)式馬達作為手機鏡頭中的新技術(shù)能夠一定程度上提高手機鏡頭的對焦精度與速度，帶來(lái)更好的拍照體驗成像質(zhì)量的影響因素較多，單純提高對焦精度與速度一定程度上能減少相機拍攝過(guò)程中的抖動(dòng)，但提升成像質(zhì)量更多依賴(lài)于傳感器等其他部件

　 　這里的閉環(huán)應當是close（d） loop的意思，也就是close loop VCM，本身不算多新鮮的東西，很早在制造業(yè)就有應用。攜帶電話(huà)方面，最早應該是是三星電機的產(chǎn)品，在Galaxy S4之中應用。最近似乎又幾家國產(chǎn)廠(chǎng)家在炒作，又突然出來(lái)了。關(guān)于裝置了閉環(huán)式馬達攝像頭成像這個(gè)問(wèn)題，理論上閉環(huán)的合焦精度更高，速度也更快，會(huì )有一定 的優(yōu)勢，但是一般來(lái)說(shuō)鏡頭的素質(zhì)由鏡頭本身決定，并不會(huì )有什么改變，只是出片率更高一些。

　　一般來(lái)說(shuō)鏡頭馬達使用的是步進(jìn)馬達，驅動(dòng)步進(jìn)馬達時(shí)兩端加的電壓通常是這樣。

　　如果負載恒定，電流恒定情況下馬達會(huì )按照下圖方式轉動(dòng)

　　但是由于各種原因影響（負載變化，電壓變化，慣性原因，總之一般都會(huì )發(fā)生），電機轉動(dòng)的位置并不像上圖這么理想化，我們把這種情況叫做失步

　　為了降低這種事件的發(fā)生我們檢測電流，調整占空比/頻率，為什么通過(guò)檢測電流就可以保證基本準確呢？原因見(jiàn)下圖（因為是收集到的圖片，沒(méi)改文字，請忽略下圖中的所有文字）

　　但是由于各種原因影響（負載變化，電壓變化，慣性原因，總之一般都會(huì )發(fā)生），電機轉動(dòng)的位置并不像上圖這么理想化，我們把這種情況叫做失步

　　為了降低這種事件的發(fā)生我們檢測電流，調整占空比/頻率，為什么通過(guò)檢測電流就可以保證基本準確呢？原因見(jiàn)下圖（因為是收集到的圖片，沒(méi)改文字，請忽略下圖中的所有文字）

　　這樣我們就可以較為精確的控制電機轉動(dòng)角度了

　　可以看到，如果鏡頭中使用這樣的馬達控制電路，對電機轉動(dòng)角度可以控制得更精確，從而可以實(shí)現更快的對焦，也就是說(shuō)使用閉環(huán)馬達控制可以提高對焦速度，對于成像有沒(méi)有影響呢，有，但影響不大，原因為如果對焦速度慢的話(huà)，軟件在一定時(shí)間內無(wú)法精確對焦時(shí)可能會(huì )犧牲對焦精度，告訴相機，己經(jīng)對好焦了。

　　什么是閉環(huán)式馬達鏡頭，有何特點(diǎn)，如何影響對焦速度和成像質(zhì)量？

　　一般和音圈馬達匹配的有一個(gè)驅動(dòng)Driver IC，統稱(chēng)驅動(dòng)IC。這里實(shí)際上討論的是電機的私服系統，所謂開(kāi)環(huán)和閉環(huán)是自動(dòng)控制中的兩個(gè)相當基礎的概念，閉環(huán)的意思簡(jiǎn)單說(shuō)就是利用反饋控制。

　　音圈馬達本身是不知道什么時(shí)候開(kāi)始，而又運動(dòng)到哪里結束的，需要驅動(dòng)來(lái)處理和控制，所謂的開(kāi)閉環(huán)實(shí)際上是針對驅動(dòng)來(lái)說(shuō)的，但因為驅動(dòng)和馬達不分家，所以通稱(chēng)也無(wú)所謂。

　　音圈電機本質(zhì)上說(shuō)是一種直線(xiàn)電機，和其他電機相比有一些特點(diǎn)，原理之類(lèi)的這里篇幅有限簡(jiǎn)單敘述一下，簡(jiǎn)單說(shuō)就是馬達所處的環(huán)境之中有一個(gè)小型強磁場(chǎng)，而馬達內部有線(xiàn)圈，線(xiàn)圈通電之后亦會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，如此便可以運動(dòng)，至于攜帶上的CCM，VCM AF的時(shí)候是把對焦鏡組安置在線(xiàn)圈內部的。

　　然后傳統AF的時(shí)候大致是這樣的，驅動(dòng)對對焦鏡組的移動(dòng)距離是不知道的，攜帶上的DSP或者ISP在不同的位置計算對焦評價(jià)值（如MTF、對比度等），等到這個(gè)評價(jià)值滿(mǎn)足條件的時(shí)候記錄下線(xiàn)圈內電流，整個(gè)行程結束后返回剛才記錄下來(lái)剛才的電流，再次供給VCM線(xiàn)圈，就可以穩定合焦了。

　　閉環(huán)AF馬達的基礎和上述基本是一樣的，不太相同的地方在于穩定速度更快。

　　這點(diǎn)要得益于現在的傳感器，電機的控制或者伺服都離不開(kāi)傳感器，目前的閉環(huán)或者OIS VCM上是用的是霍爾（Hall）傳感器，原理來(lái)自霍爾效應，這里就不敘述了，只要知道這個(gè)傳感器可以測定磁場(chǎng)中的高斯值進(jìn)而進(jìn)一步測定物體的位置，有缺點(diǎn)也有優(yōu)點(diǎn)比較可靠精度還行就可以了。

　　霍爾傳感器是位置傳感器，可以通過(guò)感應磁場(chǎng)強度得到到轉子（一般是包圍對焦鏡組的線(xiàn)圈）的位置，也就是說(shuō)利用位置傳感器的音圈馬達是知道線(xiàn)圈所處的位置的，而之前的時(shí)候我們能知道只是電流，等到再次輸入電流的時(shí)候線(xiàn)圈是只管運動(dòng)，運動(dòng)的位置未必和上次評價(jià)值達標的時(shí)候一模一樣。

　　有了霍爾傳感器之后我們就可以考慮控制策略的問(wèn)題，但抱歉這個(gè)是別人的事情，也沒(méi)公開(kāi)的必要，但希望諸君能注意到，即使同樣是閉環(huán)策略，但不同的策略是會(huì )產(chǎn)生不同的影響的（比如雙閉環(huán)就會(huì )比單閉環(huán)更精確但開(kāi)銷(xiāo)也更大）。大體上泛泛而言，是利用霍爾傳感器感知剛才提到的0和max位置處的磁場(chǎng)強度，保存在驅動(dòng)之中，對焦鏡組運動(dòng)中我們能繼續測量到移動(dòng)位置處的磁場(chǎng)強度，將這個(gè)強度返回給驅動(dòng)，驅動(dòng)根據返回值得到正負誤差，之后我們再去利用正負誤差控制線(xiàn)圈（實(shí)際上是對焦鏡組）的移動(dòng)方向和速度，就可以較為精確且快速的合焦。如果將對焦鏡組放置在中間位置之間判斷移動(dòng)方向由于運動(dòng)距離變短，也可以得到較高的效率。

　　霍爾傳感器實(shí)際上也可以在支持OIS的CCM之中應用，但這里關(guān)系不大。

　　在CCM的AF問(wèn)題上，大體是是開(kāi)環(huán)VCM -》閉環(huán)VCM -》 MEMS這個(gè)路線(xiàn)下去，以前的開(kāi)環(huán)AF問(wèn)題是比較費時(shí)間，因為鏡組在運動(dòng)到位置的時(shí)候不會(huì )馬上停止，會(huì )因為慣性等因素在預想位置上晃動(dòng)，所以需要一個(gè)穩定時(shí)間之后才能維持（請回憶阻尼震蕩曲線(xiàn)）；而理論上閉環(huán)VCM由于自帶反饋控制，這個(gè)時(shí)間要短的多，而且停在預想位置領(lǐng)域上的概率要比開(kāi)環(huán)高得多，也就是一般宣傳的速度快、精度高（雖然大多數情況下他兩是一對矛盾的存在）。

　　但有陽(yáng)光的地方就一定會(huì )有陰影，這個(gè)技術(shù)的開(kāi)銷(xiāo)比較大，首先是需要一個(gè)可靠的位置傳感器，其次是由于位置傳感器的出現，需要和驅動(dòng)有信息交流，傳統的兩個(gè)觸點(diǎn)必然不夠用，再次是驅動(dòng)要具有一定的存儲和即使數據處理能力，而且控制策略需要用軟件實(shí)現，雖然編寫(xiě)不算很難，但好的策略和程序也有難度，何況 CCM是有體積限制的，需要微型化，這就導致閉環(huán)VCM目前只有一些廠(chǎng)家能生產(chǎn)，三星電機使用過(guò)WithusVision的驅動(dòng)，其他廠(chǎng)家比如 Mitsumi和TDK也有能力生產(chǎn)閉環(huán)VCM，但這些廠(chǎng)家一般又不生產(chǎn)鏡組，需要自己去聯(lián)系鏡組廠(chǎng)家（比如大立光、玉晶光、關(guān)東美辰等）。

　　閉環(huán)式馬達引進(jìn)了檢測電流，相當于多了個(gè)負反饋的控制手段，使鏡頭內的透鏡托架的每次移位更精準，那肯定能減少透鏡來(lái)回移動(dòng)的次數，也就提高對焦速度。

　　至于對焦速度能提高多少，很難說(shuō)。畢竟沒(méi)這種技術(shù)之前，很多高端相機合焦也挺快的，同樣的機械架構下，在于成像設備本身的機加工精密度，這是主要因素。手機鏡頭，成本的原因，鏡頭托架等的精密度想必也就那么回事。

　　另外，成像質(zhì)量這個(gè)說(shuō)法很寬泛，如果改進(jìn)后的步進(jìn)電機使鏡頭內的透鏡托架的每次移位更精準，那么合焦精準度也相應提高了，算是提高了成像質(zhì)量吧。