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OIS 光學防抖 VCM

文章出處:光學網 瀏覽次數: 發表時間:2018-08-03

     2014年是OIS攝像頭爆發式進入手機市場的元年,AppleIPhone6Plus,三星GalaxyNote4等旗艦機型,國內大廠VIVOXshot,NUBIAZ7,IUNIU3等機型,已經配備了OIS攝像頭並且成為主要賣點。

      OIS是光學圖像穩定係統的簡稱。它首先應包括一個可感測手抖的陀螺儀,該陀螺儀將手抖導致的相機傾斜角度測出,係統再根據該角度預測出傾斜導致的圖像偏移量,然後係統控製鏡頭相對於圖像傳感器平移而產生相同大小但方向相反的圖像偏移,由此將手抖造成的圖像偏移抵消掉,保證相機在手抖環境中依然可保持成像穩定。

  Apple的專利顯示申請顯示:“這一發明的一種具體應用是適用於攝像頭,尤其是小型攝像頭的執行器模組。這一執行器模組可以引入某種機製,提供自動對焦功能和光學防抖功能。將自動對焦機製和光學防抖機製同時應用於單一執行器模組意味著,這一執行器模組能從5個方向(或5個自由度)調整鏡片相對於圖像傳感器的位置。在典型情況下,鏡片能在至少3個不同方向上移動,並在至少兩個不同方向上旋轉。”

     手持智能手機拍照時,手的抖動會造成相機的輕微傾斜(一般在+/-0.5度以內),該傾斜引起了鏡頭觀察角度的變化,以鏡頭為參照物來說,相當於被拍攝的物體移動了,因此所成的像也會在圖像傳感器上相對於原位置發生偏移,結果造成圖像始終隨著手的抖動而處於不穩定狀態。

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       需注意的是,目前手機模組上的OIS技術隻補正相機傾斜引起的圖像偏移,而不處理相機上下左右平移抖動引起的圖像問題(這一點跟大眾的直覺有所不同,因此有必要澄清一下)。事實上,在拍攝遠處景物時,相機平移抖動所產生的圖像偏移可以認為不存在,無需OIS係統補償。圖像不穩定完全來自於相機的傾斜抖動。但在拍微距時,相機平移抖動的影響會漸漸顯露出來。當前的手機OIS攝像模組為了避免過於複雜的係統架構,選擇忽略平移抖動產生的微距拍攝問題。

    OIS在以下場景,效果出色

  1、弱光下拍照、夜拍。

  弱光下相機為了獲得可接受的成像質量,會自動延長曝光時間。因此,曝光時間內手抖造成的圖像移動會變得顯著得多。例如,夜拍照片中經常會出現遠處的燈光被拉成了一條不規則的曲線,這就是曝光時間內手抖導致的圖像移動軌跡。OIS技術可以非常有效的解決上述問題。

  2、數碼變焦或光學變焦應用時。

  數碼或光學變焦在將遠處景物放大、視角縮小的同時,也會將手抖的影響放大。比如,0.4度的傾斜抖動對於80度的廣角鏡頭來說,產生的圖像抖動量隻有整個畫幅的1/200,但對於視角隻有20度的長焦來說,圖像抖動可達畫幅的1/50。

  3、手持相機拍視頻時。

  手持相機拍攝的視頻在回放時,畫麵處於持續不穩定的抖動中,非常影響觀感。OIS技術可以非常有效的解決此問題。OIS拍攝的視頻畫麵非常流暢,令人想象不到是手持拍攝。

  4、行進、運動中拍攝,或是處於顛簸環境下拍攝時。

  以上三種情況討論的都是自然手抖,通常其幅度會在0.5度以內。然而在顛簸環境中,外界引起的手抖往往大大超過自然手抖的幅度,而且很難預測。依靠現有的手機攝像OIS技術很難完全補正上述大角度抖動,隻能一定程度上減小顛簸感。因此目前手機OIS技術主要針對於自然手抖帶來的圖像穩定問題。

OIS的技術路線:

  當前智能手機OIS攝像模組有兩個技術路線分別為基於平移式(Pureshift)OIS對焦馬達以及基於移軸式(Tilt-shift)對焦馬達。前者以Lumia920的攝像模組為代表;後者以NewHTCOne的攝像模組為代表。不論是平移式還是移軸式,其基本原理都是一樣的,即控製鏡頭相對於圖像傳感器平移而將手抖造成的圖像偏移抵消補償掉。但兩者的具體實現方式有很大差別:

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  平移式OIS對焦馬達

  平移式OIS對焦馬達是將一個獨立的AF自動對焦馬達固定在一個平移懸掛係統上(通常為4根等長的豎直向上的懸絲),該懸掛係統允許此AF馬達在平行於圖像傳感器的平麵上沿任意方向做微小平移(一般在正負100微米以內)。OIS馬達的自動對焦功能由那個獨立的AF馬達來實現,而OIS功能則由AF馬達連同鏡頭組成的鏡頭懸浮體相對於圖像傳感器平移而實現。由於鏡頭懸浮體的總重量較大,而懸掛係統的硬度又有限,因此,在不同的拍照姿態下(朝下、水平朝前、朝上等),鏡頭懸浮體會在自身重力的作用下相對於圖像傳感器產生平移,更嚴重的是,鏡頭懸浮體(相當於一個彈簧振子)會在外界擾動下產生平移振動,導致圖像模糊!為了解決上述問題,馬達內集成了兩個霍爾傳感元件,用於準確測出鏡頭懸浮體在兩個正交平移方向上的位置,利用該位置信息結合閉環(Close-loop)控製便可將鏡頭懸浮體的位置鎖定,令它隻按照實際OIS的要求平移,而不受自身重力和拍照姿態的影響,也免於外界的機械擾動。

  平移式糾偏大效果好、但結構複雜成本高

  平移式閉環OIS馬達的優點在於:理論上可補償較大的抖動,最大補償角度可達正負1.5度。其特殊的平移懸掛係統解決了鏡頭的三維平動問題,鏡頭在做平移時,仍可保證光軸垂直於圖像傳感器表麵。其缺點是:結構比傳統馬達複雜很多,物料成本高,製造工藝繁瑣,以及由此帶來的低良率、低產量和高價格,不利於OIS技術的大麵積推廣。兩個霍爾傳感器的存在使得馬達需要引出的引腳數高達十幾個。另外,平移式OIS馬達的體積較大,理論功耗較高,相應速度較慢。

  移軸式OIS馬達

  移軸式OIS馬達的結構相對簡單很多,非常接近普通AF馬達。所不同的是,普通AF馬達的彈簧懸掛係統隻允許鏡頭沿對焦方向移動,而移軸式OIS馬達的彈簧懸掛係統不但允許鏡頭沿對焦方向移動,還允許鏡頭相對於一個轉軸支點做任意方向的微小側傾(傾斜角度一般在正負1.5度以內)。由於轉軸位於靠近鏡頭底部的位置,因此當鏡頭左右傾斜時,鏡頭頂部實際上在相對於圖像傳感器左右平移。利用這個平移,便可補償手抖帶來的圖像抖動。由於一個固定的轉軸支點的存在,馬達運動部分的重量很大程度上被這個支點分擔了,鏡頭的傾斜角度受拍照姿態的影響小到可以忽略,鏡頭也不易受外界機械幹擾而擺動,鏡頭的傾斜角是穩定可預測的,完全受偏轉電流大小的控製。因此,鏡頭頂部的平移量也是與馬達所通的偏轉電流成正比。移軸式OIS馬達因此無需霍爾傳感元件做閉環控製。另外,支點的存在還有一大好處,即施加較小的力便可令鏡頭傾斜,實際就是杠杆的省力原理。而平移式OIS馬達需要克服整個鏡頭懸浮體的自身重量來實現鏡頭的平移,很費力。因此,移軸式OIS馬達具有更低的理論功耗和更快速的機械響應,能補償高達20Hz的快速抖動。

  移軸式軸式四角易像糊效果遜,但結構簡單易裝配

  移軸式OIS馬達的優點在於:結構與普通AF馬達接近,上述列出的平移式OIS馬達的缺點基本都是移軸式的優點。另外,移軸式OIS馬達還有一個獨有的優勢,即可在手機攝像模組中實現移軸攝影(Tilt-shiftPhotography)這項隻有發燒級單反相機才能實現的特效拍照功能,極大增加了手機拍照的可玩性。另外,對於模組生產廠家來說,由於移軸式馬達具有鏡頭光軸角度的調節功能,因此在模組裝配中不需要高像素模組裝配必備的光軸動態調節係統(AutoAlignmentSystem),這可為模組廠節省很大開支。

  移軸式OIS馬達的主要缺陷在於:在開啟OIS功能後,鏡頭在做平移時會不可避免的產生光軸的傾斜。當傾斜角度較大時,會導致圖像畫幅的邊角部分失焦模糊。因此,移軸式OIS馬達通常對最大補償角度作限定,一般不超過正負0.75度,這對於自然手抖的補償已經足夠。