對焦穩(wěn)定控制算法試驗平臺的搭建和研究測試

1 引言

如今市場對于手機(jī)拍照功能的需求可謂是日新月異，這對于手機(jī)攝像頭的數(shù)量及質(zhì)量都提出了更高、更復(fù)雜的要求。在攝像頭驅(qū)動領(lǐng)域，如何控制鏡頭實現(xiàn)快速而穩(wěn)定的對焦至關(guān)重要。手機(jī)中控制鏡頭對焦的器件為音圈電機(jī)（VCM）。

音圈電機(jī)（VCM）基于安培定理工作，即當(dāng)線圈導(dǎo)電，其中的電流產(chǎn)生的作用力推動固定在載體上的鏡頭移動，從而改變對焦距離?？梢钥吹?，VCM器件對于對焦距離的控制實際上是通過對線圈中電流的控制來實現(xiàn)的[2]。常見的 VCM 驅(qū)動電路。

VCM 驅(qū)動電路實際上是一個帶控制算法的 DAC電路。它可以將 I2C 總線上傳來的包含數(shù)字位置信息的 DAC code 轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的輸出電流（DAC code 對應(yīng)的輸出電流）；再通過 VCM 器件將輸出電流轉(zhuǎn)化為對焦距離[3]。不同的輸出電流經(jīng)過音圈電機(jī)形成回路，產(chǎn)生不同的安培力，該力推動音圈電機(jī)上面的 Lens 運動。音圈電機(jī)上 Lens 鏡頭的運動在停止前會產(chǎn)生阻尼振蕩，而阻尼震蕩的大小直接影響到 Lens 的穩(wěn)定性。阻尼震蕩越大，Lens 穩(wěn)定性越差，因此鏡頭在對焦過程中不易捕捉清晰點，容易產(chǎn)生失焦。反之，阻尼震蕩越小，Lens 的穩(wěn)定性越好，從而鏡頭在對焦過程中更加容易穩(wěn)定在焦點處。如果鏡頭是自由的阻尼振蕩，對焦的時間將相當(dāng)漫長。為了實現(xiàn)快速穩(wěn)定地對焦，需在 VCM 驅(qū)動電路數(shù)字系統(tǒng)中加入抑制阻尼震蕩的算法。這個算法對于手機(jī)攝像頭效果至關(guān)重要，只有使用最優(yōu)化的對焦快速穩(wěn)定控制算法，才能保證快速而精準(zhǔn)的手機(jī)拍照對焦。

2 對焦穩(wěn)定控制算法試驗平臺的搭建和配置

為驗證和試驗不同算法的效果，找出最優(yōu)算法，可搭建試驗驗證平臺。

在的測試平臺中，主要由應(yīng)用系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩部分組成。應(yīng)用系統(tǒng)中，用 VC 語言編程送出指令給 MCU 產(chǎn)生 I2C 信號；經(jīng) FPGA 后產(chǎn)生包含對焦穩(wěn)定控制算法的時間間隔可控的并行數(shù)字控制信號；再經(jīng)過 DAC 將這些并行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成不同時序的電壓；最后經(jīng)過 DRIVER 將不同時序的電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的不斷變化的驅(qū)動電流。由此來控制攝像頭模組中的 VCM 器件不斷地變化鏡頭位置以進(jìn)行對焦。

測試系統(tǒng)中，主要是利用帶電流探頭的多通道示波器，分別對 FPGA 輸出的數(shù)字指令，DAC 輸出的電壓以及驅(qū)動輸出的電流進(jìn)行監(jiān)測。最后通過激光測距儀來監(jiān)測鏡頭的位置移動情況。在對焦控制的研究中，通常采用激光測距儀來探查鏡頭位置的動態(tài)響應(yīng)和細(xì)微變化,激光測距儀可以將鏡頭的位移距離轉(zhuǎn)化為電壓值輸出。

在驗證系統(tǒng)的試驗平臺中，我們具體選擇的配置如下。

（1）MCU 單片機(jī)，32 位單片機(jī)。

（2）FPGA，可采用 XILINX Spartan-6 FPGA 核心板。

（3）DAC，選用 10-bit DAC 芯片。

（4）DRIVER：DRIVER 的設(shè)計可以采用一個放大器和一個功率 MOSFET 外加采樣電阻構(gòu)成。

（5）攝像頭模組，常見的攝像頭模組分為單端開環(huán)，雙端中置，近年來還有帶霍爾校準(zhǔn)和帶光學(xué)防抖的。本實驗平臺使用基礎(chǔ)的單端開環(huán)音圈電機(jī)，然而這些方法也可以擴(kuò)展到其他電機(jī)上。

（6）帶電流探頭的多通道示波器，需要四通道示波器，其中一個通道接電流探頭。

（7）激光測距儀，可采用基恩士激光測距儀，它的轉(zhuǎn)化倍率是 10 mV/μm。

這一算法試驗平臺的主體部分的具體硬件配置如圖 4 所示。

在試驗平臺的具體硬件實現(xiàn)時，首先 MCU 可以采用 32 位單片機(jī)，通過計算機(jī)對 32 位單片機(jī)使用 VC 語言進(jìn)行編程控制，產(chǎn)生符合格式要求的I2C 數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)要包括控制模式和十位位移數(shù)據(jù)。I2C 數(shù)據(jù)再通過 XILINX Spartan-6 FPGA 核芯處理后生成帶一定時序控制的并行的十位位移數(shù)據(jù)（D0-D9）。接著，通過一個 10-bit DAC 轉(zhuǎn)成帶有一定時序控制的控制電壓信號 VC。之后，通過運放驅(qū)動功率 MOSFET 產(chǎn)生帶一定時序控制的控制電流信號 IL。最后，IL 通過由 VCM 模組構(gòu)成的負(fù)載（VCM 模組的構(gòu)成如本文前述的圖 1 所示），負(fù)載將在控制電流信號 IL 的控制下按照既定的時序和安培力移動實現(xiàn)精確對焦。

3 對焦穩(wěn)定控制算法的研究與測試

搭建好上述對焦穩(wěn)定控制算法試驗平臺后，便可以對不同算法的對焦速度和精度進(jìn)行詳細(xì)的研究。在對焦穩(wěn)定時，如果能夠施加一定的對焦控制策略，在不同的時刻給予不同的電流，即給予不同的安培力，就可以有效地減小鏡頭穩(wěn)定所需的時間，使鏡頭位置快速落入焦點深度內(nèi)，從而實現(xiàn)手機(jī)鏡頭的快速精確對焦。接下來研究三種對焦穩(wěn)定控制模式。

3.1 直接對焦控制模式

如果沒有控制算法，直接送出目標(biāo)電流值，也就是常說的直接對焦模式，通過激光測距儀可以觀測到鏡頭的阻尼振蕩的測試波形如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，如果沒有控制算法，鏡頭的阻尼振蕩大概需要 20 個周期甚至更長才能落入焦點深度以內(nèi)[3,4]，實現(xiàn)清晰對焦。當(dāng)鏡頭目標(biāo)位移點為 100 μm 時，鏡頭對焦落入有效的焦點深度的時間往往需要 150 ms 以上。

3.2 線性對焦控制模式

線性對焦穩(wěn)定控制算法是一種比較常見的對焦控制算法。其做法是驅(qū)動電流線性增加，最終達(dá)到全目標(biāo)電流，從而實現(xiàn)快速穩(wěn)定對焦的目的。如圖 6 所示，經(jīng)過這一算法的控制后，過阻尼振蕩的幅度大幅衰減，有效提高了對焦速度[5]。但到達(dá)穩(wěn)定點后的幅度較大，對焦精度的控制有所欠缺。從圖 6 可以看出，在鏡頭目標(biāo)位移點為 50 μm 時，鏡頭對焦落入有效的焦點深度的時間大概需要 11.2 ms 以上。

3.3 雙階對焦控制模式

目前，業(yè)界最常用的優(yōu)化對焦控制算法為雙階對焦控制模式。它的做法是先給出一半目標(biāo)電流，當(dāng)線圈振蕩過目標(biāo)位移點，達(dá)到最大位移點時，此時，線圈的速度接近于 0。馬上切換成全目標(biāo)電流。線圈的力正好在這一點達(dá)到平衡，從而實現(xiàn)快速穩(wěn)定對焦的目的。這一對焦模式的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確控制電流的精度和切換的時間。保持和切換的時間要取決于線圈欠阻尼振蕩的周期[5]。從圖 7 中可以看出，在鏡頭目標(biāo)位移點為 50 μm 時，鏡頭對焦落入有效的焦點深度的時間只需要 5.4 ms。

4 結(jié)語

本文通過所搭建的對焦穩(wěn)定控制算法試驗平臺，分別對不同算法所產(chǎn)生的不同對焦模式進(jìn)行了詳細(xì)的研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，在目前業(yè)界通用的對焦穩(wěn)定控制算法中，使用雙階對焦穩(wěn)定控制算法可使鏡頭穩(wěn)定于焦深范圍內(nèi)所需的時間最短。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是最優(yōu)化的對焦模式。

近年來，人們研究了多種多階的對焦模式，但是這些研究主要集中于建模計算和仿真驗證中[4,6]，本文提供的對焦穩(wěn)定控制算法研究試驗平臺正好可以作為這些研究的試驗和驗證工具。借助這一工具，可以具體實際地看到各個對焦穩(wěn)定控制算法的優(yōu)缺點，為這一領(lǐng)域的研究提供了直觀便利的觀測平臺。

本文只是提供一種手機(jī)對焦快速穩(wěn)定算法研究與驗證的方法和示例，基于這一實驗平臺可以驗證更多的對焦穩(wěn)定控制算法。對焦算法的研究需要結(jié)合力學(xué)，電磁學(xué)和各種數(shù)字和模擬電路的知識才能實現(xiàn)，本文為這一研究提供了工具和實例以方便更多的人對此進(jìn)行探索，找到最優(yōu)化的手機(jī)對焦穩(wěn)定控制算法。