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微型光学防抖摄像头模组的自动化生产调试技术

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发表于 2020-10-5 14:08:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
   现今拍照手机相机模组像素越来越高,越来越多的旗舰级的手机机型配备有紧凑型光学图像稳定系统(Image Optical Stabilization, OIS)与自动在对焦(Auto Focus, AF)数码相机模块(Compact Camera Module, CCM),所以在手机上配置光学防抖摄像头也已经是大势所趋。但是这些高分辨率且集成有光学防抖及自动对焦的摄像头模块的对众摄像头厂家在设计与制造方面提出了越来越高的难度。
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   为顺应这一趋势及解答该难题,本文介绍了一套最新最先进的由爱佩仪光电技术有限公司(APP hotonics, Inc.)研发生产的具有OIS和AF技术的结构紧凑型高级手机摄像头致动马达模块及光学防抖摄像头的生产调试技术。该生产调试技术能让普通的摄像头生产厂家在现有的普通摄像头模组的生产线上就能生产出具备有高性能光学防抖功能的微型手机摄像头,大大降低光学防抖摄像头模组的技术门槛和生产成本,及保障摄像头模组生产厂家现有生产线的柔性兼容能力。
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高像素手机摄像头制程简介
采用大镜头光圈(F/2.0或者以上)再搭配超过一千万像素的图像传感器的手机摄像头已经十分普遍,在此光学配置之下,最大容许镜头倾斜角度则越来越小。如图1所示,当镜头倾斜角度超出最大允许镜头倾斜角度时,可能导致图像边缘过分模糊,因而图像品质下降,或整个模组不合格,从而造成浪费。因此,通常对具有高分辨率图像传感器的普通自动对焦摄像头或者镜头平移式的光学防抖摄像头的制作过程中一定要采用光学主动对准设备(Active alignment machine, AA Machine或简称AA机)来调校镜头与图像传感器之间的姿态与相对位置等关系。
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  自动对焦相机模组镜头倾斜角度,主要分成静态及动态两种。静态镜头倾斜角度指的是在镜头致动器没有作用时(例如:致动器没有通电),镜头光轴和图像传感器表面法线轴之间的夹角。动态镜头倾斜角度指的是在镜头致动器有作用时(例如:致动器有通电),镜头光轴和没有作用时的变化。
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  如图2所示,传统的摄像头制程中仅只是利用机械装配的精度来实现镜头大致正对图像传感器。在较低的图像传感器的时代,这样的装配制造方法能足够满足一般的摄像头应用需求。但是随着图像传感器像素值的提高,为了获得较高的成像品质,必须采用主动光学对准设备(AA机)来进行生产。采用AA机制程的设备在组装每一个零配件时,设备将检测被组装的半成品,并根据被组装半成品的实际情况主动对准,然后将下一个零配件组装到位。这种主动对准技术可有效的减小整个模组的装配公差,有效的提升摄像头产品一致性,也为更高阶的摄像头产品封装创造可能性。
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光学主动对准设备通常也分为三轴式AA机或者六轴式AA机两种。其中三轴式AA机其设备成本较低,半自动化易操作,转机时间短,校正较容易。虽然三轴式AA机已经能有效的提高高像素摄像头的成像品质。但是,如图2所示,三轴式AA机的加工工业针对镜头与镜头座或者图像传感器之间的光轴歪斜却无法补正。而六轴式AA机可以针对镜头全部的六个自由度进行调整,所得的影像品质一定超越三轴调校,并且可以全自动完成对准功能。有些高端的六轴AA机还能同时点亮图像传感器和镜头调焦马达以折中改善镜头在调校运动后的姿态及位置关系等如图3所示。但是六轴式AA机的设备造价高昂,操作复杂,生产效率有限,使得高像素摄像头制造成本高企,且需要特别的产线才能满足镜头平移式光学防抖摄像头制造的特殊需求。
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总体说来,若果单靠生产品质控制及机械设计去减少静态及动态倾斜角度,是十分困难,可能导致良率过低及生产成本上升。使用专门主动光学校准镜头装置(AA Machine)则可以有效减少静态镜头倾斜。但是,这方法有两个问题:1)对动态镜头倾斜的补偿有限,2)由于装置所需精度及自由度高,所以装置成本高企。

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  针对以上的技术难点,爱佩仪光电技术有限公司自主研发生产的混合镜头倾斜与平移式光学防抖马达及其自动调校生产技术(以下简称AT系统),则不仅仅是为了顺应高像素高分辨率拍照手机所需要的自动对焦的趋势,而是能使高像素拍照手机的图像品质更上一个新台阶,而同时大大降低生产成本的产品和技术。此模组生产校正技术已经获得很多国家的技术专利。

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随着拍照手机摄像头模组的像素越来越高,应用范围也越来越广泛,特别是低光环境下的高品质拍照需求使得光学防抖技术的需求也越来越迫切。通常的光学防抖摄像头马达分为混合镜头偏转与平移式马达和纯镜头平移式马达两种。纯镜头平移式马达的生产工艺必须借助AA机才有可能进行生产,而且即便是采用了AA机平移式光学防抖摄像头的良率依然十分有限。

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为了解决拍照手机光学防抖摄像头的迫切需要及高昂的制造成本与复杂的制作工艺之间的矛盾,爱佩仪光电技术有限公司研发的AT系统能在普通自动对焦马达的基础上无需添加AA机等复杂工艺和设备就可以生产出高品质高良率的光学防抖摄像头。装有爱佩仪光电技术有限公司研发生产的混合镜头倾斜与平移式光学防抖马达的拍照手机摄像头模组在生产过程中,采用类似普通自动对焦马达的生产工艺,只需要对该光学防抖马达采用机械定位的方式进行对准安装即可。然后,针对自动对焦所需要的静态镜头倾斜补偿补偿,对焦过程中的动态镜头倾斜的补偿以及光学防抖控制参数的校正等均可以在AT系统上解决。另外此AT系统最大的优点是生产效率高而系统本身结构简单,提供了一个低成本高效率的生产环境。
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如图4所示,为AT系统结构框图。电脑或主控制器会按一定的规则向马达致动控制器发送命令,安装好镜头的马达则会根据相应的控制命令移动镜头。
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  如图5所示,目标模板的特定图案(如图6)将会经过镜头而投射在图像传感器上。电脑或者主控制器会根据图像传感器获得的影像分析各部分的清晰度,根据爱佩仪光电技术有限公司研发的特定的算法计算出需要偏斜补偿的角度,进而将该角度分解到各个驱动器去校正执行。然后根据校正执行后的图像进行进一步分析是否校正到位。多次校正迭代后的一系列相关参数经过验证能达到马达倾斜校正标准的情况下会被存储到马达控制器的数据存储区域供马达在自动对焦等动作时进行校正使用,整个算法流程框图如图7所示。

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  该校正算法可以针对镜头在不同的对焦移动的位置时由于机械结构的加工或者安装产生的误差进行校正保证在整个自动对焦行程范围内对光轴的偏斜的补偿都是可以进行的。同时,马达安装固定后仍然是可以进行调校的。该自动调校过程针对静态的光轴偏斜以及对焦运动过程中的动态光轴偏斜都是可以进行补偿的。

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  该动静态综合补偿的算法及功能远优于AA机制程仅只能对镜头初始位置或者马达驱动到最大行程后的静态位置的光轴偏斜进行补偿的功能,如图8所示的调试传递函数(MTF)解析度实验中,当中心点准确对焦后其MTF解析清晰度在982左右.在自动对焦补偿前,图8(a)所示右下角边缘处的MTF解析清晰度在343左右,而自动对焦补偿后,图8(b)所示右下角边缘处同一位置的MTF解析清晰度为468。
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a)自动对焦镜头倾斜补偿前(MTF解析度为343)
b)自动对焦倾斜镜头补偿后(MTF解析度为468)
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8.具有OIS及镜头倾斜补偿的1300万像素摄像头MTF解析度实验
爱佩仪光电技术有限公司研发的摄像头自动对焦补偿技术可以使得图像边缘MTF解析度上升36%。同时,将光轴自动校准后的摄像头模组在进行光学防抖的过程中也能保证防抖补偿控制的控制角度的准确性与及时性,确保光学防抖的防抖效果。因此,AT系统能在普通的自动对焦摄像头的制造工艺下充分保证光学防抖与自动对焦摄像头的成像品质与光学防抖效果,而无需AA机制造工艺的参与,极大的降低了光学防抖摄像头的生产成本及研发难度。
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光学防抖角速率传感器(Gyroscope Sensor)自动校准技术
光学防抖摄像头模组的防抖效果除了取决于具有光学防抖马达的性能,更与感知抖动运动的角速率传感器(Gyroscope Sensor)分不开。这是因为防抖马达驱动镜头来进行光学防抖动工作的执行动作要靠角角速率传感器来进行指导。原则上,各大厂家的角角速率传感器的精度和一致性都已经相当高。但是作为一套完整的微型机电控制系统,角速率传感器和其它部件的配合则需要进行标定以获得最优的效果。AT系统同时具备了能够校正角速传感器的能力。
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如图5所示,当目标模板固定下来,而连接摄像头模组的调试平台是可以在两个方向模拟人手的振动。当关停摄像头模组的光学防抖功能时,摄像头获得的景物将会不断抖动,于是,可以通过图像分析技术获取特定的目标景物模板上的标记的移动幅度(L0)。当开启光学防抖功能后,该目标景物模板上的标记的移动幅度会因为光学防抖的作用下减小为L1。然后不断调整与角速率传感器相关的参数使得补偿系数(Compensation Ratio,CR,CR=‐20Lg(L1/L0)为最大。通过这样的整体的调校,则可以使得防抖效果进一步提升。
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小结
  本文介绍了一套最新最先进的由爱佩仪光电技术有限公司(APP hotonics, Inc.)研发生产的具有OIS和AF技术的结构紧凑型高级手机摄像头致动马达模块及光学防抖摄像头的自动化生产调试技术。该自动化生产调试技术针对自动对焦所需要的静态镜头倾斜补偿补偿,对焦过程中的动态镜头倾斜的补偿以及光学防抖控制参数的校正等均可以全自动识别校正,该调试硬件设备上与普通自动对焦马达所需的灯箱等工作环境基本一致。因此,爱佩仪光电技术有限公司的全套光学防抖制造调试方案能让普通的摄像头生产厂家在现有的普通摄像头模组的生产线上就能生产出具备有高性能光学防抖功能的微型手机摄像头,大大降低光学防抖摄像头模组的技术门槛和生产成本,及保障摄像头模组生产厂家现有生产线的柔性兼容能力。
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