深度了解攝像頭閉環(huán)式馬達(dá)

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

　 　這里的閉環(huán)應(yīng)當(dāng)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(yīng)用。攜帶電話方面，最早應(yīng)該是是三星電機(jī)的產(chǎn)品，在Galaxy S4之中應(yīng)用。最近似乎又幾家國(guó)產(chǎn)廠家在炒作，又突然出來(lái)了。關(guān)于裝置了閉環(huán)式馬達(dá)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(shì)，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(dá)使用的是步進(jìn)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)時(shí)兩端加的電壓通常是這樣。

　　如果負(fù)載恒定，電流恒定情況下馬達(dá)會(huì)按照下圖方式轉(zhuǎn)動(dòng)

　　但是由于各種原因影響（負(fù)載變化，電壓變化，慣性原因，總之一般都會(huì)發(fā)生），電機(jī)轉(zhuǎn)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(cè)電流，調(diào)整占空比/頻率，為什么通過(guò)檢測(cè)電流就可以保證基本準(zhǔn)確呢？原因見下圖（因?yàn)槭鞘占降膱D片，沒(méi)改文字，請(qǐng)忽略下圖中的所有文字）

　　但是由于各種原因影響（負(fù)載變化，電壓變化，慣性原因，總之一般都會(huì)發(fā)生），電機(jī)轉(zhuǎn)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(cè)電流，調(diào)整占空比/頻率，為什么通過(guò)檢測(cè)電流就可以保證基本準(zhǔn)確呢？原因見下圖（因?yàn)槭鞘占降膱D片，沒(méi)改文字，請(qǐng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度了

　　可以看到，如果鏡頭中使用這樣的馬達(dá)控制電路，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以控制得更精確，從而可以實(shí)現(xiàn)更快的對(duì)焦，也就是說(shuō)使用閉環(huán)馬達(dá)控制可以提高對(duì)焦速度，對(duì)于成像有沒(méi)有影響呢，有，但影響不大，原因?yàn)槿绻麑?duì)焦速度慢的話，軟件在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)法精確對(duì)焦時(shí)可能會(huì)犧牲對(duì)焦精度，告訴相機(jī)，己經(jīng)對(duì)好焦了。

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

　　一般和音圈馬達(dá)匹配的有一個(gè)驅(qū)動(dòng)Driver IC，統(tǒng)稱驅(qū)動(dòng)IC。這里實(shí)際上討論的是電機(jī)的私服系統(tǒng)，所謂開環(huán)和閉環(huán)是自動(dòng)控制中的兩個(gè)相當(dāng)基礎(chǔ)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(dá)本身是不知道什么時(shí)候開始，而又運(yùn)動(dòng)到哪里結(jié)束的，需要驅(qū)動(dòng)來(lái)處理和控制，所謂的開閉環(huán)實(shí)際上是針對(duì)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)的，但因?yàn)轵?qū)動(dòng)和馬達(dá)不分家，所以通稱也無(wú)所謂。

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

　　然后傳統(tǒng)AF的時(shí)候大致是這樣的，驅(qū)動(dòng)對(duì)對(duì)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(jì)算對(duì)焦評(píng)價(jià)值（如MTF、對(duì)比度等），等到這個(gè)評(píng)價(jià)值滿足條件的時(shí)候記錄下線圈內(nèi)電流，整個(gè)行程結(jié)束后返回剛才記錄下來(lái)剛才的電流，再次供給VCM線圈，就可以穩(wěn)定合焦了。

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

　　這點(diǎn)要得益于現(xiàn)在的傳感器，電機(jī)的控制或者伺服都離不開傳感器，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(yīng)，這里就不敘述了，只要知道這個(gè)傳感器可以測(cè)定磁場(chǎng)中的高斯值進(jìn)而進(jìn)一步測(cè)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(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度得到到轉(zhuǎn)子（一般是包圍對(duì)焦鏡組的線圈）的位置，也就是說(shuō)利用位置傳感器的音圈馬達(dá)是知道線圈所處的位置的，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)候線圈是只管運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的位置未必和上次評(píng)價(jià)值達(dá)標(biāo)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)更精確但開銷也更大）。大體上泛泛而言，是利用霍爾傳感器感知?jiǎng)偛盘岬降?和max位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，保存在驅(qū)動(dòng)之中，對(duì)焦鏡組運(yùn)動(dòng)中我們能繼續(xù)測(cè)量到移動(dòng)位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，將這個(gè)強(qiáng)度返回給驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)根據(jù)返回值得到正負(fù)誤差，之后我們?cè)偃ダ谜?fù)誤差控制線圈（實(shí)際上是對(duì)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(duì)焦鏡組放置在中間位置之間判斷移動(dòng)方向由于運(yùn)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(yīng)用，但這里關(guān)系不大。

　　在CCM的AF問(wèn)題上，大體是是開環(huán)VCM -》閉環(huán)VCM -》 MEMS這個(gè)路線下去，以前的開環(huán)AF問(wèn)題是比較費(fèi)時(shí)間，因?yàn)殓R組在運(yùn)動(dòng)到位置的時(shí)候不會(huì)馬上停止，會(huì)因?yàn)閼T性等因素在預(yù)想位置上晃動(dòng)，所以需要一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間之后才能維持（請(qǐng)回憶阻尼震蕩曲線）；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(yù)想位置領(lǐng)域上的概率要比開環(huán)高得多，也就是一般宣傳的速度快、精度高（雖然大多數(shù)情況下他兩是一對(duì)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)的開銷比較大，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(xiàn)，需要和驅(qū)動(dòng)有信息交流，傳統(tǒng)的兩個(gè)觸點(diǎn)必然不夠用，再次是驅(qū)動(dòng)要具有一定的存儲(chǔ)和即使數(shù)據(jù)處理能力，而且控制策略需要用軟件實(shí)現(xiàn)，雖然編寫不算很難，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(dǎo)致閉環(huán)VCM目前只有一些廠家能生產(chǎn)，三星電機(jī)使用過(guò)WithusVision的驅(qū)動(dòng)，其他廠家比如 Mitsumi和TDK也有能力生產(chǎn)閉環(huán)VCM，但這些廠家一般又不生產(chǎn)鏡組，需要自己去聯(lián)系鏡組廠家（比如大立光、玉晶光、關(guān)東美辰等）。

　　閉環(huán)式馬達(dá)引進(jìn)了檢測(cè)電流，相當(dāng)于多了個(gè)負(fù)反饋的控制手段，使鏡頭內(nèi)的透鏡托架的每次移位更精準(zhǔn)，那肯定能減少透鏡來(lái)回移動(dòng)的次數(shù)，也就提高對(duì)焦速度。

　　至于對(duì)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(jī)合焦也挺快的，同樣的機(jī)械架構(gòu)下，在于成像設(shè)備本身的機(jī)加工精密度，這是主要因素。手機(jī)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(jī)使鏡頭內(nèi)的透鏡托架的每次移位更精準(zhǔn)，那么合焦精準(zhǔn)度也相應(yīng)提高了，算是提高了成像質(zhì)量吧。