基於鏡頭傾斜可控馬達和快速對焦傳感器的攝像模組的製作方法

2023-11-30 12:19:16

本實用新型涉及到微型攝像機模組技術領域，尤其是涉及到智慧型手機中使用的高像素高度集成的攝像模組的結構。

背景技術：

高像素高度集成的攝像頭在智慧型手機中的日益普及使得手機拍照的質素越來越接近甚至超越普通數位相機。對於普通數位相機，由於其體積尺寸空間較大可以允許較複雜的光路及傳感器與驅動機構，從而能夠設置光學防抖結構以及相位檢測傳感器以實現光學防抖以及相位檢測快速自動對焦的功能。但是高像素的手機攝像頭卻不含有普通數位相機的一些光學和機械部件。這種硬體上的缺失，無疑會讓拍照手機的拍照效果比數位相機差，同時對焦速度也不如普通數位相機快速。具體的說，目前的拍照手機大多只有一個自動對焦馬達來實現近焦遠焦轉換功能，對鏡頭的控制至多是單維度的令鏡頭靠近或遠離圖象傳感器。雖然現今自動對焦相機模組的技術已相當成熟並獲得廣泛應用。但是，現在的智慧型手機攝像頭的圖像傳感器的解析度越來越高，在一些高檔的手機中，超過一千萬像素的圖像傳感器已經十分普遍。當圖像傳感器的解析度越高時，由於人手等的抖動使得拍照圖像過分模糊而造成畫面品質下降，特別是低光等環境下人手的抖動影響更加明顯。

針對以上諸多問題，為了使拍照手機的攝像效果進一步向數位相機靠攏，不少國際知名的手機對焦馬達廠商都開始研發三軸光學防抖與自動對焦馬達，以及研發智慧型手機攝像頭模組中的相位檢測自動對焦技術。

智慧型手機攝像頭模組中的相位檢測自動對焦（Phase Detection Auto Focus，PDAF）是一種通過內嵌於圖像傳感器的檢測相位單元，快速準確確定鏡頭移動的方向和位置，從而沿鏡頭軸向方向移動鏡頭實現快速對焦的一種新技術(參看申請號 201280048151.3的發明專利申請)。智慧型手機攝像頭模組具有經特定的內嵌於圖像傳感器的檢測相位單元檢出相位信號由上位處理器計算處理後即可迅速找到合適的對焦點位置達到快速對焦的功能。相位檢測自動對焦(PDAF)作為一種智慧型手機攝像頭的新技術仍遲遲未能迅速佔領市場的原因在於， PDAF攝像頭在生產製造環節仍有不小的難關，一般的模組廠還是會遇到很大的生產良率、自動化後端設備和新的製程能力等問題。一方面，在智慧型手機攝像頭的裝配的製造過程中，對於圖像傳感器，對焦馬達及鏡頭等的平行度與中心同軸度等裝配參數要求極高。因此，PDAF攝像頭必定需要採用高精度的主動光學校準(Active Alignment, AA)設備來參與生產，而該設備價格昂貴也就意味著對模組廠家的自動化生產的設備要求極高，否則會極大的影響良率及生產效率。另外一方面，普通的AF馬達只有一個控制鏡頭沿光軸方向前後移動的對焦線圈，在過程中鏡頭會存有難以避免的寄生傾斜運動從而造成相位檢出單元的檢出信號紊亂而無法用於對焦計算，因而對AF馬達的質量與性能等各方面要求也極高。同時，作為快速對焦的攝像頭方案也需要AF馬達能夠快速響應。由此可見，應用在PDAF攝像頭模組上的驅動馬達非普通的對焦馬達就可以完成的。究其這幾方面的難關，在PDAF攝像頭的生產良率，生產自動化設備要求（也就是生產成本）及後端調試校正技術與手段（即新的製程能力與生產效率）等方面挑戰極高，使得很難普及應用。

由於鏡頭的偏轉等會影響相位檢測圖像傳感器的相位檢測信號，所以光學防抖也很難與相位檢測傳感器同時應用於智慧型手機攝像頭模組。

技術實現要素：

綜上所述，本實用新型的目的是為了解決：1、由於人手抖動引起的圖像質量模糊的問題；2、鏡頭初始安裝位置誤差或者由於自動對焦所需要的鏡頭移動過程中及移動完成後所產生的額外寄生偏轉帶來的圖像傳感器相位檢出單元的檢出信號紊亂的問題；3、自動對焦時鏡頭移動過程中或者鏡頭移動完成後產生額外的寄生偏轉而引起的圖像質量模糊的問題；4、生產工藝複雜良率低的問題，而提出一種基於鏡頭傾斜可控馬達和快速對焦傳感器的攝像模組。

為解決本實用新型所提出的技術問題，採用的技術方案為：

基於鏡頭傾斜可控馬達和快速對焦傳感器的攝像模組，包括有對焦馬達和設於對焦馬達底部的相位自動對焦圖像傳感器；所述的對焦馬達包括馬達定子和設於馬達定子中的馬達轉子，其特徵在於：所述的馬達轉子包括有鏡頭座，設於鏡頭座中鏡頭部件，鏡頭座外側壁與馬達定子內壁之間設有三組以上驅動鏡頭部件沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動和垂直於該軸線的X方向和Y方向的傾斜偏轉運動的電磁驅動器，鏡頭座可以進行相對於定子至少三個自由度的運動。

作為對本實用新型進一步限定的技術方案包括有：

所述的每個電磁驅動器包括有設於鏡頭座外側壁上的線圈和設於馬達定子內壁與線圈對應的一組磁鐵，所述磁鐵與線圈對應的側面包含極性相異上下分布的上磁極面和下磁極面。

所述的馬達定子上設有金屬端子，三組以上電磁驅動器馬的線圈通過柔性連接電路與馬達定子上的金屬端子電性連接。

每組磁鐵設於相鄰兩組線圈之間的位置，且四組電磁驅動器的四組磁鐵分別設於馬達定子的內壁四角位置。

所述的每組磁鐵為一塊包含單面雙極磁鐵。

或者，所述的每組磁鐵由兩塊磁鐵並排組合構成，兩塊磁鐵的磁極方向是相反的。

所述的鏡頭部件為單片鏡頭或鏡頭組；鏡頭座的上端和下端分別通過上彈片和下彈片與馬達定子彈性連接。

所述的馬達定子包括有底座、金屬罩和外罩；底座與金屬罩配合扣合，下彈片被夾持固定在底座與金屬罩之間，底座上固定有金屬端子，底座上端面設有電性連接四組電磁驅動器與金屬端子的柔性連接電路；金屬罩設於外罩內，上彈片被夾持固定在金屬罩頂端面與外罩頂部內壁之間。

所述的上彈片與金屬罩頂端面之間設有上墊片。

所述的攝像模組的控制方法，其特徵在於所述控制方法包括有：

對焦控制方法，通過控制各組電磁驅動器驅動鏡頭部件沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動實現；

光學防抖控制方法，通過控制各組電磁驅動器，使各組電磁驅動器固產生磁力差，從而驅動鏡頭部件沿垂直於所述軸線的X方向和\或Y方向的傾斜偏轉運動實現；

寄生偏轉控制方法，根據相位自動對焦圖像傳感器的相位檢出單元檢測出的相位信息，控制各組電磁驅動器，使各組電磁驅動器固產生對應的磁力差，從而驅動鏡頭部件沿垂直於所述軸線的X方向和\或Y方向的傾斜偏轉，來補償和消除初始安裝位置及對焦平移過程中和對焦平移後鏡頭的寄生偏轉運動，以保證相位自動對焦圖像傳感器的相位檢出單元檢測出的相位信息符合預設值；

防抖快速對焦控制方法，通過控制各組電磁驅動器，驅動鏡頭部件沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動及沿垂直於所述軸線的X方向和\或Y方向的傾斜偏轉運動，對相位自動對焦圖像傳感器檢出相位信息參數表來補償消除光學防抖對相位自動對焦圖像傳感器檢出相位信息的影響，從而實現光學防抖和快速對焦控制。

本實用新型的有益效果為：本實用新型為基於可控鏡頭傾斜式光學防抖馬達及相位檢測快速對焦圖像傳感器的微型攝像機模組，可配合陀螺儀運動傳感器及光學防抖馬達驅動器等部件使用，通過控制鏡頭座四個不同方向的外側壁與馬達定子內壁之間設有各組電磁驅動器，從而驅動鏡頭部件沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動和垂直於該軸線的X方向和Y方向的傾斜偏轉運動。可以降低PDAF攝像頭的生產自動化設備要求，簡化後端調試校正技術與工藝要求，從而提高生產良率及降低生產成本。本實用新型控制方法將可以實現PDAF與光學防抖功能兼容從而使得智慧型手機攝像模組同時擁有光學防抖與PDAF的功能，從而極大的提高拍照智慧型手機在快速對焦及防抖拍照等方面的用戶體驗。

附圖說明

圖1為本實用新型的立體結構示意圖；

圖2為本實用新型的分解結構示意圖；

圖3為本實用新型的對焦馬達的結構原理示意圖；

圖4為本實用新型的鏡頭部件初始位置狀態一；

圖5為本實用新型的鏡頭部件初始位置狀態二；

圖6為本實用新型的鏡頭部件自動對焦過程中或自動對焦完成後鏡頭出現寄生偏轉狀態時的示意圖；

圖7為本實用新型的鏡頭部件自動對焦過程中或自動對焦完成後受偏轉補償後的狀態示意圖；

圖8為本實用新型的四組電磁驅動器產生磁力差時的原理示意圖；

圖9為本實用新型應用於智慧型手機中的原理示意圖；

圖10為本實用新型鏡頭部件傾斜及對焦運動位移時的工作原理示意圖；

圖11為相位自動對焦圖像傳感器檢出相位信息參數表。

具體實施方式

以下結合附圖和本實用新型優選的具體實施例對本實用新型的結構和方法作進一步地說明。

參照圖1至圖8中所示，本實用新型基於鏡頭傾斜可控馬達和快速對焦傳感器的攝像模組，包括有對焦馬達1和設於對焦馬達1底部的相位自動對焦圖像傳感器2。為了說明方便，以垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線為Z軸，垂直於該軸線的X方向和Y方向則為X軸和Y軸，X軸與Y軸構成的平面平行於相位自動對焦圖像傳感器受光面。本實用新型的對焦馬達1用於驅動光學成像的鏡頭部件沿Z軸平行移動，或繞X軸傾斜偏軸，或繞Y軸傾斜偏軸，或這三種運動中的兩種或三種同時進行。相位自動對焦圖像傳感器2為現有的一種內嵌有檢測相位單元的圖像傳感器，能快速準確確定鏡頭部件移動的方向和位置，為對焦馬達的驅動控制提供信號依據。

對焦馬達1的具體結構包括馬達定子11和設於馬達定子11中的馬達轉子12。

馬達轉子12包括有鏡頭座121，設於鏡頭座121中鏡頭部件122，鏡頭部件122可以為單片鏡頭，也可以為多片鏡頭組成的鏡頭組；鏡頭座121的上端和下端分別通過上彈片123和下彈片124與馬達定子11彈性連接，鏡頭座121三個不同方向的外側壁與馬達定子11內壁之間設有三組驅動鏡頭部件122沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動和垂直於該軸線的X方向和Y方向的傾斜偏轉運動的電磁驅動器125；優選為鏡頭座121四個不同方向的外側壁與馬達定子11內壁之間設有三組驅動鏡頭部件122沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動和垂直於該軸線的X方向和Y方向的傾斜偏轉運動的電磁驅動器125。

每個電磁驅動器125包括有設於鏡頭座121外側壁上的線圈1251和設於馬達定子11內壁與線圈1251對應的一組磁鐵1252，所述磁鐵1252與線圈1251對應的側面包含極性相異上下分布的上磁極面和下磁極面，如圖3中所示。其中每組磁鐵1252可以是一塊包含單面雙極磁鐵；也可以是由兩塊磁鐵並排組合構成，兩塊磁鐵的磁極方向是相反的。為了節省本實用新型的整體體積，每組磁鐵1252設於相鄰兩組線圈1251之間的位置，且四組電磁驅動器的四組磁鐵1252分別設於馬達定子11的內壁四角位置。

為了便於為四個電磁驅動器125的線圈1251供電，同時不影響，馬達轉子12運動，可以通過上彈片123和下彈片124供電，也可以在馬達定子11上設有金屬端子110，四組電磁驅動器馬的線圈1251通過柔性連接電路126與馬達定子11上的金屬端子110電性連接。

馬達定子11的具體結構包括有底座111、金屬罩112和外罩113；底座111與金屬罩112配合扣合，下彈片124被夾持固定在底座111與金屬罩112之間，金屬端子110固定在底座111上，柔性連接電路126電性連接底座111上的金屬端子110和四組電磁驅動器；金屬罩112設於外罩113內，上彈片123被夾持固定在金屬罩112頂端面與外罩113頂部內壁之間。根據需要在上彈片123與金屬罩112頂端面之間設有上墊片114，實現電性隔離。

本實用新型上述攝像模組的控制方法，包括有：對焦控制方法、光學防抖控制方法、寄生偏轉控制方法和防抖快速對焦控制方法。

對焦控制方法，通過控制四組電磁驅動器驅動鏡頭部件122沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動實現；

光學防抖控制方法，通過控制四組電磁驅動器，使四組電磁驅動器固產生磁力差，從而驅動鏡頭部件沿垂直於所述軸線的X方向和\或Y方向的傾斜偏轉運動實現；

寄生偏轉控制方法，根據相位自動對焦圖像傳感器的相位檢出單元檢測出的相位信息，控制四組電磁驅動器，使四組電磁驅動器固產生對應的磁力差，從而驅動鏡頭部件沿垂直於所述軸線的X方向和\或Y方向的傾斜偏轉，來補償和消除初始安裝位置及對焦平移過程中和對焦平移後鏡頭的寄生偏轉運動，以保證相位自動對焦圖像傳感器的相位檢出單元檢測出的相位信息符合預設值；

防抖快速對焦控制方法，通過控制四組電磁驅動器，驅動鏡頭部件沿垂直於相位自動對焦圖像傳感器的軸線平行移動及沿垂直於所述軸線的X方向和\或Y方向的傾斜偏轉運動，對相位自動對焦圖像傳感器檢出相位信息參數表來補償消除光學防抖對相位自動對焦圖像傳感器檢出相位信息的影響，從而實現光學防抖和快速對焦控制。

也即是本實用新型基於一種可控鏡頭傾斜的光學防抖馬達，一種可檢測相位自動對焦圖像傳感器，利用四個線圈與四對磁鐵構成的四個電磁驅動器，配合上彈片、下彈片形成一個三維自由度微型攝像機鏡頭驅動馬達，通過分別控制四個電磁驅動器的電磁驅動力，實現鏡頭沿垂直於成像傳感器的軸線平行移動和垂直於該軸線兩個方向的傾斜偏轉運動。通過鏡頭部件的平行移動來實現自動對焦功能。通過鏡頭部件的偏轉來實現光學防抖動。通過鏡頭部件的偏轉來補償和消除初始安裝位置及對焦平移過程中和對焦平移後鏡頭的寄生偏轉運動，以及保證圖像傳感器相位檢出單元的檢出信號符合相位對焦圖像傳感器的應用要求。通過鏡頭偏轉及對焦運動對PDAF圖像傳感器檢出相位信息偏移的關係表格來補償消除光學防抖對PDAF圖像傳感器檢出相位信息的影響從而實現光學防抖與PDAF圖像傳感器快速相位對焦功能的兼容。

對焦馬達的自動化調試系統來解決生產工藝複雜良率低的問題，降低PDAF攝像頭的生產自動化設備要求，簡化後端調試校正技術與工藝要求，提高生產良率，降低生產成本。

通過光學防抖動的算法根據陀螺儀檢出運動信號相應的驅動鏡頭部件實現光學防抖動。

以往的技術在鏡頭在初始安裝位置的誤差的處理方面往往需要在普通的自動對焦模組的生產工藝流程的基礎上增加昂貴的光學自動校準設備(AA機)及其複雜的工藝流程，而在鏡頭移動過程中所難以避免的寄生傾斜偏轉運動則需要靠經過專門檢測篩選高精度的AF馬達來實現，這幾方面涉及到複雜的昂貴的設備及複雜的工藝流程使得PDAF智慧型手機攝像頭模組的生產成本高而且良率極低。同時，高像素的自動對焦智慧型手機攝像頭常常有因人手抖動而引起圖像模糊的問題。這幾方面的在PDAF攝像頭的生產自動化設備要求及後端調試校正技術與手段要求極高，導致其生產良率和效率都很低，使得PDAF智慧型手機攝像頭很難普及應用。相比之下，本實用新型攝像模組及控制方法能在普通自動對焦模組的生產工藝流程的基礎上無需增加特別的設備及工藝流程，僅只是通過現有的一套自動光學防抖校正系統軟體(Auto Turner, AT)就可以完成。

本實用新型能夠實現智慧型手機攝像頭模組的柔性兼容，無需特別的自動化設備的投入與增加複雜的工藝流程，能極大提高攝像頭的生產良率與效率，同時能具有結構簡單，集成度高，所選零件數量較少，價格經濟等特點，本實用新型的推出將能夠使得OIS+PDAF智慧型手機攝像頭能夠實現量產極具推廣應用價值。

參下參照圖4至圖11，對本實用新型的原理再作更進一步說明。

參照圖4和圖5，由於加工或者裝配誤差，在馬達轉子12在初始位置就可能會有相對於相位自動對焦圖像傳感器2存在傾斜角度，可能會使得目標景區因為與相位自動對焦圖像傳感器2的夾角而無法在相位自動對焦圖像傳感器2上清晰成像；同樣，如圖6所示，由於在馬達轉子12進行沿Z軸運動而實現自動對焦的過程中或者運動完成後，如果不經補償，由於機械系統的加工裝配誤差及機械零件的特性的誤差等很容易會使得馬達轉子12上的鏡頭部件122在沿Z軸移動對焦的過程中產生寄生傾斜運動，從而影響成像質量。如圖8所示，在本實用新型的例子中可以通過調節各個不同位置的電磁驅動器從而調節鏡頭部件122偏轉而使圖像清晰成像於相位自動對焦圖像傳感器2。

附圖9本實用新型應用於智慧型手機時，本實用新型的對焦馬達1和相位自動對焦圖像傳感器2配合單片機4和運動檢測的陀螺儀5來使用，通過手機連接器6連接手機主控電路。

附圖10表示一個基於可控鏡頭傾斜的光學防抖馬達與相位檢測圖像傳感器的實現光學防抖工作模式下鏡頭傾斜時相位信息移動的原理。相位檢測圖像傳感器2的工作原理是基於鏡頭沿光軸方向移動時檢出相位信息的變化來計算鏡頭在準確合焦的位置，然後驅動鏡頭迅速到達該點從而形成快速對焦。但是，當鏡頭偏轉時也會使得檢出的相位信息移動，例如，當鏡頭沿光軸的對焦運動移動位置為d，鏡頭傾斜的角度為θ時，相位的檢出位置會偏移出P（pL，pR）個像素位置，並由此編制相位變化信息對鏡頭傾斜角度及對焦移動位移的關係表。

附圖11表示，基於可控鏡頭傾斜的光學防抖馬達與相位檢測傳感器的實現光學防抖與自動對焦動作中鏡頭傾斜及對焦移動時相位變化信息對鏡頭傾斜角度及對焦移動位移的關係表格。按一定的規律在y方向重複附圖10的實驗，可以獲得y方向鏡頭偏轉與鏡頭光軸軸向移動時相位檢出信息的偏移像素距離表。同理，也可以獲得x方向鏡頭偏轉與鏡頭光軸軸向移動時相位檢出信息的偏移像素距離表。由於攝像頭鏡頭在相互垂直的x方向與y方向是軸旋轉對稱的結構，所以鏡頭在其他方向上的傾斜角對相位檢出信息的偏移像素距離值可以由相應的相互垂直的x方向與y方向的偏移像素距離表格中的值進行矢量合成獲得。用所獲得偏移像素距離補償消除在光學防抖過程鏡頭的傾斜對相位檢出信息的影響就可以獲得鏡頭在光軸軸向運動對相位檢出信息的影響。由該補償後的相位檢出信息就可以達到快速計算準確合焦時鏡頭所在位置同時驅動鏡頭到達該位置從而實現快速對焦及兼容鏡頭可控傾斜式光學防抖功能。

調試詳細流程和步驟可以更改，舉實例只說明在改變行程後根據當時的鏡頭光學防抖偏轉指令進行相位檢出信號補償從而提高相位檢測對焦準確度及對焦速度。