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[通讯科技] 先拍照后对焦 浅析MEMS技术手机摄像头

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发表于 2013-10-15 09:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
链接http://news.mydrivers.com/1/278/278783.htm

敢于第一个吃螃蟹的人需要非凡勇气,在智能手机行业,包袱小担子轻的国内厂商往往更热衷于尝试最新的技术。DigitalOptics Corporation公司日前宣布,中国智能手机制造商OPPO与其签下了业界首笔MEMS摄像头量产订单。未来OPPO将成为全球首个引入MEMS相机模块的手机厂商。

对于大多数人来说,MEMS还是一个很新鲜的词汇,把它与手机摄像头扯到一起,就更让人摸不着头脑了。何谓MEMS?MEMS摄像头模组有何优势?OPPO敢为天下先的背后包含着哪些诱惑?

什么是MEMS?

要搞清楚MEMS摄像头,首先必须了解什么是MEMS。MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanicalSystem),你可以把它理解为利用传统的半导体工艺和材料,在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术。

一般来说,我们谈及CPU、内存颗粒之类的芯片,其内部集成的无非是电阻电容二极管三极管之类的半导体结构,但MEMS不同,它不但有晶体管,还要把机械部件集成进去。如果你有一支机器猫的放大手电筒,对着一块MEMS芯片照照,你会发现里面还有诸如轴承、弹簧之类的机械部件。国外甚至还有疯子做出了硅片上的内燃机,能以10万RPM的转速工作20分钟!

听起来很高深,但实际上MEMS已经深入到了你我的生活之中。手机是目前MEMS部件最集中的电子产品之一,其中的加速度传感器、麦克风(部分)和陀螺仪 都使用了MEMS技术。其他类似遥控直升机、笔记本电脑甚至鼠标,也使用了MEMS技术制造的芯片。可以说,MEMS已经无所不在,只是你并没有注意到它。

那么,MEMS摄像头是怎么回事呢?长话短说,MEMS摄像头就是用MEMS机构来驱动镜头组移动从而实现自动对焦功能的自动对焦摄像头。这么一看,这个神秘兮兮的东西好像也就没什么吓人的地方了,因为本质上它就是一个自动对焦摄像头,和普通摄像头唯一的区别就是驱动镜头组移动的动力来源。

把一个线圈放在磁场里通电,那么这个线圈就会受到力的驱动,正是靠这个原理,人们发明了扬声器。目前驱动镜头组的,也是这样一个放置在磁场中的线圈,靠加上不同大小的电流,将镜头“抬”到不同的高度,实现自动对焦。一般意义上的摄像头就是靠电磁力来实现镜头组运动的,因为它的工作方式和扬声器很像,因此这类机构被命名为音圈电机,简称VCM。这样一来,自动对焦摄像头就分成了两类——由VCM驱动的,和由MEMS驱动的。目前全世界接近于所有的自动对焦摄像头都是由VCM提供动力,这正是MEMS摄像头所要挑战的东西。

既然要挑战,自然就会有优缺点。作为挑战者,MEMS必然有着自己的独门绝技,我们先来看一下它到底有哪些武器。

MEMS的优势

MEMS的优势,首先是一个字:快。由于MEMS器件非常微小,因此主要靠静电力驱动的MEMS机械可以做到非常快的动作速度。同时由于器件本身的刚性非常大,导致整个系统的稳定性要比VCM高得多。MEMS推动镜头组运动80微米只需要不到300毫秒,但是传统的VCM耗时就可能要长得多。另外,当镜头组到位后,MEMS器件只需要不到10毫秒即可进入稳定状态,VCM则需要最多50毫秒,才可以吸收掉零件的震动。

按照DigitalOptics Corporation官方给出的数据,MEMS摄像头对焦速度要比普通的VCM摄像头快足足7倍,即使这里面有一定水分,也是一个非常惊人的数字。

其次是准。由于和电子系统紧密结合在一起,MEMS可以非常容易的实现超高精度的闭环控制,因此MEMS的准确性会明显高于VCM,不论是在分辨率还是重复定位上,MEMS都可以实现小于1微米的精度,而VCM则通常只能做到10~20微米。

除此以外,由于是使用半导体工艺制造的,MEMS机构本身的一致性也要远高于VCM,具体来说,镜头中心偏移量方面,VCM一般只能控制在50微米左右,MEMS却可以做到惊人的0.1微米;而对画质影响非常重大的镜头组光轴偏斜,VCM的平均误差是0.26度,MEMS则只有0.05度,这个优势可以极大的提升边缘成像效果。

最后是省。MEMS工作时的典型功耗只有VCM的1%左右,由此导致的低发热也可以让摄像头组件降温10度。由于硅机械对于空间利用率的进步,MEMS摄像头可以实现比传统VCM摄像头更薄的最终模组尺寸,差距可以到1毫米——这对于现代手机设计而言是非常重要的一个优势。

MEMS摄像头有缺点吗?

但是……没错,但是,有优点就必然有缺点。MEMS摄像头若是这么无懈可击,那么也不可能任由VCM统治微型摄像头自动对焦领域。而且放到MEMS的微型机械结构上,可以说它的每一个优点都伴随着缺点,这的确挺让人纠结的。

MEMS摄像头的第一个缺点是画质。这是一个比较复杂的问题,由于MEMS器件无法做到大幅度的位移,因此对于镜头组的设计有着特殊的要求。传统的VCM可以轻松做到500微米甚至1毫米级别的行程范围,而MEMS则只能实现80微米。这就意味着,传统摄像头可以把整个对焦范围安排在这1毫米的镜头行程中,MEMS却只能利用这小小的80微米。虽然MEMS的绝对精度远高于VCM,但是考虑到行程,相对精度方面VCM也并不落下风。

反过来,对于小行程下大对焦范围的需求,MEMS必须使用景深极浅的特殊镜头,这类镜头的偏光角度更大,画质也不如主流的VCM镜头,这导致MEMS摄像头目前在成像素质上达不到顶级VCM镜头的高度,这对于希望在旗舰级产品上引入MEMS摄像头的厂家而言并不算是一个好消息。

MEMS摄像头的第二个缺点是耐用性。硅是一种很脆的材料,因此由MEMS制造的机械本身也是比较脆弱的。虽然手机里的加速度计也是由MEMS弹簧提供支撑,但是其工作重量非常非常小,因此并不会在一般震动中损坏,但摄像头不一样。镜头是有重量的,而且镜头的重量还很不小,因此MEMS机构很容易在剧烈震动——比如跌落——中损坏。

目前的情况是,对于普通VCM镜头而言稀松平常的1.5米跌落测试,放在MEMS上就成了灭顶之灾,MEMS摄像头只能保证在1.2米以下的跌落高度上幸存——这意味着你假设不小心摔了一下手机,除了要换屏以外,很可能还得换摄像头,开销再增一笔。

最后的缺点可能不算大问题:MEMS摄像头的可选择性很少。不像成熟的VCM摄像头领域,从镜头到电机到封装到CMOS,每一个你都可以在至少几十种产品中挑选组合,MEMS摄像头目前仅DigitalOptics Corporation一家,别无分店。这意味着厂家对于产品的控制力会变弱,虽然这对于消费者而言并没有什么明显的影响,但是制造商们显然不会喜欢由单一供应商提供的技术,这也是MEMS摄像头普及的一个障碍。

MEMS器件的前景

综合下来,MEMS摄像头对于手机而言是一个新兴技术,但不一定有光明的前途。它最强的优势在快,但是对焦速度并不单纯取决于驱动机构的速度,VCM通过闭环控制,也可以做到0.3秒以下的动作速度,最终决定对焦速度的依然是整套系统:从硬件到软件,从驱动到控制,优化在这里面起到的作用要远高于硬件。

在DigitalOptics Corporation的宣传中MEMS摄像头更利于实现“先拍照后对焦”的光场摄影模式,也是基于其动作速度快。但是就像刚才所说,VCM也可以做快,MEMS也可能很慢,光场拍摄这个技术里,对焦速度并不影响功能的可实现性,更多的是影响到对于场景的限制高低:更快的对焦,意味着你可以拍摄运动速度更快的场景,反之则只能应用在静态摄影。这就意味着,MEMS对于光场摄影来说是一个潜在利好,但并不是决定性的,更不意味着是排他性的。至于其他方面,MEMS更多的是不足。即便有朝一日MEMS摄像头会成为自动对焦摄像头的主流实现模式,也需要经过大量的改进,远不是现在的MEMS摄像头所能做到的。对于现在的MEMS摄像头,我们需要给予的更多是一份期待。

最后,笔者想给MEMS摄像头的开发者DOC公司提个小小的建议,为什么不利用MEMS机构微型化的优势,去研发和目前产品尺寸接近的自动对焦前置摄像头呢?在目前普遍根本不具备自动对焦能力的前置摄像头上实现出自动对焦功能,这样产品的优势会远大于已然强大成熟的VCM主摄像头,相应的缺点也会少的多。避开敌人的主力,选择偷袭对方的薄弱环节,这样的策略应当有更高的成功可能,对此也许可以报以更高的期待。


mems|cam镜头组光学结构


发表于 2013-10-15 09:59 | 显示全部楼层
MEMS摄像头只能保证在1.2米以下的跌落高度上幸存——这意味着你假设不小心摔了一下手机,除了要换屏以外,很可能还得换摄像头,开销再增一笔。
[后悔]太脆弱~
发表于 2013-10-15 10:04 | 显示全部楼层
前置摄像头需要的是大像素,而不是什么鸡肋的自动对焦。

前置摄像头拍摄的对象,基本就处于40cm到80cm,难道会是你背后3米开外的女神?
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