Как работает автофокус в телефоне

Еще несколько лет назад камеры на смартфонах были скромными по характеристикам и простые в устройстве. Сегодня флагманы рынка имеют в своем составе камеры с оптической стабилизацией изображения, высокой светочувствительностью, состоящие из большого количества линз. Рассмотрим работу автофокуса в телефоне.

Фокусировка методом катушек

Если смотреть на работу автофокуса со стороны механики, то рассмотрим пример.

Блок линз, представляет в сборке один модуль, свободно расположен в корпусе камеры. Для свободного передвижения (очень маленькие расстояния) блока линз используют пластиковые шарики, которые вмонтированы в этот внешний корпус камеры. По этим шарикам и перемещается блок линз.

По бокам блока линз в корпусе камеры расположены миниатюрные катушки из тонкого медного провода, такие катушки можно использовать как электромагниты.

В блоке линз вмонтированы несколько миниатюрных магнитов. Получается, что на катушки подается напряжение от системы автофокуса, создается магнитное поле, которое действует на магниты в блоке линз и модуль с линзами перемещается.

Это магнитное поле заставляет двигаться блок линз по шарикам в корпусе, о которых мы говорили выше. Возвратное движение обеспечивают пружины. Так достигается нужное положение линз в пространстве, чтобы объект оказался в фокусе на снимке или сработала стабилизация.

В положении покоя линзы размещены так, что фокус настроен на бесконечность.

При автофокусировке процессор вычисляет в фокусе ли объект по показаниям максимального контраста или фазовых датчиков или по лазерному дальномеру. И дает электронике указание подать на катушки электромагнита такое напряжение, чтобы сместить блок линз на нужное расстояние по отношению к матрице.

При использовании катушек (метод VCM) для создания магнитного поля есть свои недостатки:

• Электромагнитные материалы имеют такую характеристику, как гистерезис. Это физическое явление приводит к замедлению, неточности фокусировки, особенно на видео.
• Второй недостаток — это большая потребляемая мощность, обычно больше 100 мВт. Это разряжает батарею, выделяется тепло на катушках.
• И третий недостаток — это наклон и децентрирование линзы, который вносит погрешности в фокусировку.

И все эти недостатки усугубляются при увеличении количества пикселей, и уменьшении размеров камеры. Что и происходит сегодня.

MEMS в фокусировке камеры

Второй способ механической реализации фокусировки является использование MEMS приводов.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Технология в MEMS-камере обеспечивает ультрабыструю фокусировку: в 7 раз выше (обычно в 3–4 раза), чем обладают другие камеры на смартфонах.

При этом приводы автофокуса камеры MEMS потребляют менее, чем 1 мВт. Это способствует продлению службы срока аккумулятора и сокращает тепловую нагрузку на датчик изображения, на объектив и другие прилегающие компоненты.

Технология MEMS позволяет объединить все три части линейного привода в единый компонент. Это блок для обеспечения вертикального перемещения, пружина для обеспечения возвратной силы и электростатический гребенчатый привод для перемещения блока.

Гребенчатый привод представляет собой пару электропроводящих гребенок, расположенных таким образом, что встречные зубья никогда не соприкасаются. При подаче постоянного напряжения результирующий заряд развивает силу притяжения, которая заставляет гребни соединяться вместе. Прикрепив линзу в центре, можно создать кремниевый привод MEMS с автофокусировкой.

При таком методе, перемещается только первая линза, а остальные крепятся в модуле, который остается неподвижным.

Преимущества:

• Передвигается только одна линза весом 3,5 мг, тогда как электромагниты в первом способе перемещают блок линз весом 45 мг. Из-за этого повышается скорость работы.
• В методе с катушками (VCM) нужно передвигать весь модуль на расстояние 250 мкм, а в случае использования МЕМС только 80 мкм.
• У МЕМС намного меньше влияние гистерезиса. Если здесь погрешность <1 мкм, то в случае использования электромагнитных катушек погрешность 10–20 мкм. Это приводит к фокусировке в несколько этапов с использованием обратной связи. У МЕМС фокусировка в один этап, а это скорость.

Общий размер камеры MEMS получается меньше, а долговечность больше.