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程中的抖動，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)該是是三星電機的產(chǎn)品，在Galaxy S4之中應(yīng)用。最近似乎又幾家國產(chǎn)廠家在炒作，又突然出來了。關(guān)于裝置了閉環(huán)式馬達攝像頭成像這個問題，理論上閉環(huán)的合焦精度更高，速度也更快，會有一定 的優(yōu)勢，但是一般來說鏡頭的素質(zhì)由鏡頭本身決定，并不會有什么改變，只是出片率更高一些。

　　一般來說鏡頭馬達使用的是步進馬達，驅(qū)動步進馬達時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按照下圖方式轉(zhuǎn)動

　　但是由于各種原因影響（負載變化，電壓變化，慣性原因，總之一般都會發(fā)生），電機轉(zhuǎn)動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(diào)整占空比/頻率，為什么通過檢測電流就可以保證基本準確呢？原因見下圖（因為是收集到的圖片，沒改文字，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，總之一般都會發(fā)生），電機轉(zhuǎn)動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(diào)整占空比/頻率，為什么通過檢測電流就可以保證基本準確呢？原因見下圖（因為是收集到的圖片，沒改文字，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(zhuǎn)動角度了

　　可以看到，如果鏡頭中使用這樣的馬達控制電路，對電機轉(zhuǎn)動角度可以控制得更精確，從而可以實現(xiàn)更快的對焦，也就是說使用閉環(huán)馬達控制可以提高對焦速度，對于成像有沒有影響呢，有，但影響不大，原因為如果對焦速度慢的話，軟件在一定時間內(nèi)無法精確對焦時可能會犧牲對焦精度，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，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驅(qū)動Driver IC，統(tǒng)稱驅(qū)動IC。這里實際上討論的是電機的私服系統(tǒng)，所謂開環(huán)和閉環(huán)是自動控制中的兩個相當基礎(chǔ)的概念，閉環(huán)的意思簡單說就是利用反饋控制。

　　音圈馬達本身是不知道什么時候開始，而又運動到哪里結(jié)束的，需要驅(qū)動來處理和控制，所謂的開閉環(huán)實際上是針對驅(qū)動來說的，但因為驅(qū)動和馬達不分家，所以通稱也無所謂。

　　音圈電機本質(zhì)上說是一種直線電機，和其他電機相比有一些特點，原理之類的這里篇幅有限簡單敘述一下，簡單說就是馬達所處的環(huán)境之中有一個小型強磁場，而馬達內(nèi)部有線圈，線圈通電之后亦會產(chǎn)生磁場，如此便可以運動，至于攜帶上的CCM，VCM AF的時候是把對焦鏡組安置在線圈內(nèi)部的。

　　然后傳統(tǒng)AF的時候大致是這樣的，驅(qū)動對對焦鏡組的移動距離是不知道的，攜帶上的DSP或者ISP在不同的位置計算對焦評價值（如MTF、對比度等），等到這個評價值滿足條件的時候記錄下線圈內(nèi)電流，整個行程結(jié)束后返回剛才記錄下來剛才的電流，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。

　　這點要得益于現(xiàn)在的傳感器，電機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，原理來自霍爾效應(yīng)，這里就不敘述了，只要知道這個傳感器可以測定磁場中的高斯值進而進一步測定物體的位置，有缺點也有優(yōu)點比較可靠精度還行就可以了。

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

　　有了霍爾傳感器之后我們就可以考慮控制策略的問題，但抱歉這個是別人的事情，也沒公開的必要，但希望諸君能注意到，即使同樣是閉環(huán)策略，但不同的策略是會產(chǎn)生不同的影響的（比如雙閉環(huán)就會比單閉環(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剛才提到的0和max位置處的磁場強度，保存在驅(qū)動之中，對焦鏡組運動中我們能繼續(xù)測量到移動位置處的磁場強度，將這個強度返回給驅(qū)動，驅(qū)動根據(jù)返回值得到正負誤差，之后我們再去利用正負誤差控制線圈（實際上是對焦鏡組）的移動方向和速度，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方向由于運動距離變短，也可以得到較高的效率。

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

　　在CCM的AF問題上，大體是是開環(huán)VCM -》閉環(huán)VCM -》 MEMS這個路線下去，以前的開環(huán)AF問題是比較費時間，因為鏡組在運動到位置的時候不會馬上停止，會因為慣性等因素在預(yù)想位置上晃動，所以需要一個穩(wěn)定時間之后才能維持（請回憶阻尼震蕩曲線）；而理論上閉環(huán)VCM由于自帶反饋控制，這個時間要短的多，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)情況下他兩是一對矛盾的存在）。

　　但有陽光的地方就一定會有陰影，這個技術(shù)的開銷比較大，首先是需要一個可靠的位置傳感器，其次是由于位置傳感器的出現(xiàn)，需要和驅(qū)動有信息交流，傳統(tǒng)的兩個觸點必然不夠用，再次是驅(qū)動要具有一定的存儲和即使數(shù)據(jù)處理能力，而且控制策略需要用軟件實現(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)，三星電機使用過WithusVision的驅(qū)動，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)式馬達引進了檢測電流，相當于多了個負反饋的控制手段，使鏡頭內(nèi)的透鏡托架的每次移位更精準，那肯定能減少透鏡來回移動的次數(shù)，也就提高對焦速度。

　　至于對焦速度能提高多少，很難說。畢竟沒這種技術(shù)之前，很多高端相機合焦也挺快的，同樣的機械架構(gòu)下，在于成像設(shè)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)量這個說法很寬泛，如果改進后的步進電機使鏡頭內(nèi)的透鏡托架的每次移位更精準，那么合焦精準度也相應(yīng)提高了，算是提高了成像質(zhì)量吧。