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OIS 光学防抖 VCM

文章出处:光学网 浏览次数: 发表时间:2018-08-03

     2014年是OIS摄像头爆发式进入手机市场的元年,AppleIPhone6Plus,三星GalaxyNote4等旗舰机型,国内大厂VIVOXshot,NUBIAZ7,IUNIU3等机型,已经配备了OIS摄像头并且成为主要卖点。

      OIS是光学图像稳定系统的简称。它首先应包括一个可感测手抖的陀螺仪,该陀螺仪将手抖导致的相机倾斜角度测出,系统再根据该角度预测出倾斜导致的图像偏移量,然后系统控制镜头相对于图像传感器平移而产生相同大小但方向相反的图像偏移,由此将手抖造成的图像偏移抵消掉,保证相机在手抖环境中依然可保持成像稳定。

  Apple的专利显示申请显示:“这一发明的一种具体应用是适用于摄像头,尤其是小型摄像头的执行器模组。这一执行器模组可以引入某种机制,提供自动对焦功能和光学防抖功能。将自动对焦机制和光学防抖机制同时应用于单一执行器模组意味着,这一执行器模组能从5个方向(或5个自由度)调整镜片相对于图像传感器的位置。在典型情况下,镜片能在至少3个不同方向上移动,并在至少两个不同方向上旋转。”

     手持智能手机拍照时,手的抖动会造成相机的轻微倾斜(一般在+/-0.5度以内),该倾斜引起了镜头观察角度的变化,以镜头为参照物来说,相当于被拍摄的物体移动了,因此所成的像也会在图像传感器上相对于原位置发生偏移,结果造成图像始终随着手的抖动而处于不稳定状态。

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       需注意的是,目前手机模组上的OIS技术只补正相机倾斜引起的图像偏移,而不处理相机上下左右平移抖动引起的图像问题(这一点跟大众的直觉有所不同,因此有必要澄清一下)。事实上,在拍摄远处景物时,相机平移抖动所产生的图像偏移可以认为不存在,无需OIS系统补偿。图像不稳定完全来自于相机的倾斜抖动。但在拍微距时,相机平移抖动的影响会渐渐显露出来。当前的手机OIS摄像模组为了避免过于复杂的系统架构,选择忽略平移抖动产生的微距拍摄问题。

    OIS在以下场景,效果出色

  1、弱光下拍照、夜拍。

  弱光下相机为了获得可接受的成像质量,会自动延长曝光时间。因此,曝光时间内手抖造成的图像移动会变得显著得多。例如,夜拍照片中经常会出现远处的灯光被拉成了一条不规则的曲线,这就是曝光时间内手抖导致的图像移动轨迹。OIS技术可以非常有效的解决上述问题。

  2、数码变焦或光学变焦应用时。

  数码或光学变焦在将远处景物放大、视角缩小的同时,也会将手抖的影响放大。比如,0.4度的倾斜抖动对于80度的广角镜头来说,产生的图像抖动量只有整个画幅的1/200,但对于视角只有20度的长焦来说,图像抖动可达画幅的1/50。

  3、手持相机拍视频时。

  手持相机拍摄的视频在回放时,画面处于持续不稳定的抖动中,非常影响观感。OIS技术可以非常有效的解决此问题。OIS拍摄的视频画面非常流畅,令人想象不到是手持拍摄。

  4、行进、运动中拍摄,或是处于颠簸环境下拍摄时。

  以上三种情况讨论的都是自然手抖,通常其幅度会在0.5度以内。然而在颠簸环境中,外界引起的手抖往往大大超过自然手抖的幅度,而且很难预测。依靠现有的手机摄像OIS技术很难完全补正上述大角度抖动,只能一定程度上减小颠簸感。因此目前手机OIS技术主要针对于自然手抖带来的图像稳定问题。

OIS的技术路线:

  当前智能手机OIS摄像模组有两个技术路线分别为基于平移式(Pureshift)OIS对焦马达以及基于移轴式(Tilt-shift)对焦马达。前者以Lumia920的摄像模组为代表;后者以NewHTCOne的摄像模组为代表。不论是平移式还是移轴式,其基本原理都是一样的,即控制镜头相对于图像传感器平移而将手抖造成的图像偏移抵消补偿掉。但两者的具体实现方式有很大差别:

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  平移式OIS对焦马达

  平移式OIS对焦马达是将一个独立的AF自动对焦马达固定在一个平移悬挂系统上(通常为4根等长的竖直向上的悬丝),该悬挂系统允许此AF马达在平行于图像传感器的平面上沿任意方向做微小平移(一般在正负100微米以内)。OIS马达的自动对焦功能由那个独立的AF马达来实现,而OIS功能则由AF马达连同镜头组成的镜头悬浮体相对于图像传感器平移而实现。由于镜头悬浮体的总重量较大,而悬挂系统的硬度又有限,因此,在不同的拍照姿态下(朝下、水平朝前、朝上等),镜头悬浮体会在自身重力的作用下相对于图像传感器产生平移,更严重的是,镜头悬浮体(相当于一个弹簧振子)会在外界扰动下产生平移振动,导致图像模糊!为了解决上述问题,马达内集成了两个霍尔传感元件,用于准确测出镜头悬浮体在两个正交平移方向上的位置,利用该位置信息结合闭环(Close-loop)控制便可将镜头悬浮体的位置锁定,令它只按照实际OIS的要求平移,而不受自身重力和拍照姿态的影响,也免于外界的机械扰动。

  平移式纠偏大效果好、但结构复杂成本高

  平移式闭环OIS马达的优点在于:理论上可补偿较大的抖动,最大补偿角度可达正负1.5度。其特殊的平移悬挂系统解决了镜头的三维平动问题,镜头在做平移时,仍可保证光轴垂直于图像传感器表面。其缺点是:结构比传统马达复杂很多,物料成本高,制造工艺繁琐,以及由此带来的低良率、低产量和高价格,不利于OIS技术的大面积推广。两个霍尔传感器的存在使得马达需要引出的引脚数高达十几个。另外,平移式OIS马达的体积较大,理论功耗较高,相应速度较慢。

  移轴式OIS马达

  移轴式OIS马达的结构相对简单很多,非常接近普通AF马达。所不同的是,普通AF马达的弹簧悬挂系统只允许镜头沿对焦方向移动,而移轴式OIS马达的弹簧悬挂系统不但允许镜头沿对焦方向移动,还允许镜头相对于一个转轴支点做任意方向的微小侧倾(倾斜角度一般在正负1.5度以内)。由于转轴位于靠近镜头底部的位置,因此当镜头左右倾斜时,镜头顶部实际上在相对于图像传感器左右平移。利用这个平移,便可补偿手抖带来的图像抖动。由于一个固定的转轴支点的存在,马达运动部分的重量很大程度上被这个支点分担了,镜头的倾斜角度受拍照姿态的影响小到可以忽略,镜头也不易受外界机械干扰而摆动,镜头的倾斜角是稳定可预测的,完全受偏转电流大小的控制。因此,镜头顶部的平移量也是与马达所通的偏转电流成正比。移轴式OIS马达因此无需霍尔传感元件做闭环控制。另外,支点的存在还有一大好处,即施加较小的力便可令镜头倾斜,实际就是杠杆的省力原理。而平移式OIS马达需要克服整个镜头悬浮体的自身重量来实现镜头的平移,很费力。因此,移轴式OIS马达具有更低的理论功耗和更快速的机械响应,能补偿高达20Hz的快速抖动。

  移轴式轴式四角易像糊效果逊,但结构简单易装配

  移轴式OIS马达的优点在于:结构与普通AF马达接近,上述列出的平移式OIS马达的缺点基本都是移轴式的优点。另外,移轴式OIS马达还有一个独有的优势,即可在手机摄像模组中实现移轴摄影(Tilt-shiftPhotography)这项只有发烧级单反相机才能实现的特效拍照功能,极大增加了手机拍照的可玩性。另外,对于模组生产厂家来说,由于移轴式马达具有镜头光轴角度的调节功能,因此在模组装配中不需要高像素模组装配必备的光轴动态调节系统(AutoAlignmentSystem),这可为模组厂节省很大开支。

  移轴式OIS马达的主要缺陷在于:在开启OIS功能后,镜头在做平移时会不可避免的产生光轴的倾斜。当倾斜角度较大时,会导致图像画幅的边角部分失焦模糊。因此,移轴式OIS马达通常对最大补偿角度作限定,一般不超过正负0.75度,这对于自然手抖的补偿已经足够。