用于调整相机系统中镜头位置的运动控制模块的制作方法

本技术涉及一种用于相机系统的运动控制模块，其用于使用该运动控制模块调整镜头模块的位置，涉及一种包括运动控制模块的相机系统，以及一种使用运动控制模块调整镜头模块的位置的方法。

背景技术：

1、移动消费设备(智能手机)中相机镜头的运动控制受到多种要求的影响，可以使用传感器、控制算法和致动器的不同组合满足这些要求。

2、在致动器侧，音圈电机(voice-coil motor，vcm)是一项相对成熟的技术，具有价格低、精度高、速度快、范围(行程)和力足够大以及行为相对一致的特点。vcm致动器由专用运动控制芯片驱动，并且其基于用户和更高级逻辑所要求的设定点移动单个镜头或镜头组。由于价格的限制以及因此相关的设备的高度可变性，一致的行为尤其具有挑战性。

3、在传感器侧，运动控制芯片可以使用根据vcm和镜头测量的不同信号，以在反馈中执行其操作。这些可以包括电压(voltage，v)、电流(current，i)、镜头位置(position，p)中的一些。

4、根据致动器操作中使用的信号，可以区分几种重要情况：

5、·开环(open-loop，ol)控制配置：作为一种极端情况，弹簧支撑的vcm可以在没有任何传感器(vip)反馈的情况下运行，这会降低设备的价格。

6、·闭环(closed-loop，cl)控制配置：为了在高端设备中获得更好的性能，使用例如专用霍尔传感器执行位置(p)反馈，这通常会导致产品的价格范围更高。

7、·自感测(self-sensing，ss)控制配置：一个更便宜的中间选择是使用更容易获得的信号，如vcm电压(v)和电流(i)。

8、在许多精密伺服控制系统中，驱动芯片(致动器)信号与镜头位置(p)之间的典型动态关系在基于弹簧的vcm的情况下也是有效的，可以表示为以下传递函数(transferfunction，tf)：

9、

10、其中，s为拉普拉斯变量，ω0＝2πf0，其中，f0为相机镜头模块的谐振频率，ζ＝1/(2*q)为阻尼，q为相机镜头模块的品质因数。

11、众所周知，具有上述定义的传递函数的基于弹簧的vcm具有自然定义的零位——这是当致动器输入为零时致动器所在的位置。

12、等式1中的主要不确定参数是f0和q(或者阻尼ζ)。众所周知的是用于确定这些参数值的方法，称为“系统辨识”方法。例如，l.ljung于1999年由prentice hall出版社出版的书籍《系统辨识--使用者的理论(system identification:theory for the user)》中描述了该方法。

13、图2a和图2b示出了根据描述不同器件行为的公式1的一系列可能的传递函数图的表示，其中，每个传递函数表示针对不同控制信号的镜头位置。图2a示出了与几个不同器件分别对应的几个vcm传递函数的波特幅度图。图2a的横轴示出了以赫兹(hz)为单位的频率，相应的纵轴示出了以分贝(db)为单位的传递函数的幅度。

14、图2b示出了相应的相位波特图，其中，横轴表示以赫兹(hz)为单位的频率，并且纵轴表示以度为单位的传递函数的相位角。

15、由于生产率高，器件的大规模制造对技术提出了要求，ol、cl、ss器件各有优缺点。

16、与此相关，可以区分设备所需的三种类型的适配和调谐。

17、镜头模块的第一种类型的适配和调谐是在生产线外进行表征时，通常是在具有代表性的大量vcm和镜头模块上进行。结果可以是确定vcm和镜头模块(的一些代表性测试集)的动态的统计数据。vcm和镜头模块统计行为的表征是在实验室中进行的，并且可以使用全范围的高级设备(如激光器、温度和压力室)进行相对较长时间的测量。然而，它的优点是不会减缓生产线的操作，因为它是在生产线之外进行的。使用该方法在频域中测量的典型行为范围可以如图2a和图2b所示。动态参数的所标识的值还可以取决于镜头的位置。这可以在图3a和图3b中看到。这种类型的适配和调谐的主要缺点是它会导致在所有可能的环境中对参数的估计范围很宽。这意味着在设备使用过程中对镜头模块位置的调整不会非常准确，从而导致图像质量较低。

18、镜头模块的第二种类型的适配和调谐称为生产校准，因为它是在每个产品项目的生产过程中执行的。这意味着它需要依赖一组更有限的测量，否则会过度延迟生产过程，增加成本。由于每个产品项目都需要时间，因此会影响生产率，从而影响单价。因此，对于大量制造的产品，花费时间进行生产校准是非常不可取的。

19、镜头模块的第三种类型的适配和调谐是在消费设备的正常操作期间使用普通手机的驱动芯片中可用的测量信号执行的。校准可以在手机启动期间进行，或者在手机应用程序启动之后进行。例如，该设备可以包括霍尔传感器数据，用于以相对有限的分辨率测量位置(p)和/或电压(v)和/或电流(i)。这种校准不会影响制造过程的生产率。但是需要快速执行，这样才不会影响用户体验，用户不会察觉。一种可能性是通过在vcm中注入一系列信号，利用在用户级相机应用的启动期间的可用时间，这将允许快速调整在表征期间获得的vcm的动态特性。

20、从上文可以清楚地看出，要避免执行生产校准的相机系统的第二种类型的适配和调谐，因为这会通过减缓制造过程直接影响生产的财务方面。在生产线外进行表征的第一种类型就没有这些缺点。然而，第一种类型仍然具有不便之处，即会导致在所有可能的环境中对参数的估计范围很宽。

21、在实际的产品vcm中根据等式1的参数值是不确定的，取决于单位间的差异、环境条件、产品老化以及其他因素。这种不确定性是消费级产品在现实户外环境中运行的主要挑战之一。

22、开环控制配置通常需要做出艰难的妥协——它们要么在不同的操作条件和设备寿命下提供有限和/或不可靠的性能，要么需要广泛而脆弱的表征和生产校准，这通常与所需的低单价相矛盾。

23、闭环控制配置的灵敏度较低，需要较短的表征和校准。在最好的情况下，目标是完全不进行生产校准。然而，它们需要用于位置感测的附加硬件，例如霍尔传感器。这增加了设备的价格。

24、在开环控制配置中，典型的方法涉及使驱动芯片生成具有鲁棒形状的运动控制信号，该信号对不同参数的变化不灵敏。这是众所周知的，通常称为“输入整形”方法。输入整形方法的示例可以在singh，t于2009由crc出版社出版的《动力系统的最佳参考整形：理论与应用(optimal reference shaping for dynamic systems:theory andapplications)》以及singhose,w在international journal of precision engineeringand manufacturing,153-168,2009上发表的文章“柔性系统的命令整形：前50年的回顾(command shapingforflexible systems：a review of the first 50 years)”。

25、在这种输入整形方法的示例中，参数f0和q可以由开环控制配置用于设计前馈信号。前馈信号将用于控制镜头模块到期望位置。这可以根据参数f0和q使用所谓的“输入整形”公式完成。图3a和图3b示出了在针对镜头模块的不同操作位置和不同环境条件的物理参数f0和q的表征过程中获得的值的示例。输入整形信号是时间为ti且幅度为ai的脉冲序列。例如，一种输入整形信号是所谓的“零振动整形器”，包括两个脉冲，定义如下：

26、

27、其中，

28、

29、包括n个样本的输入整形信号被称为n阶输入整形信号。这种方法的应用需要对所涉及的参数有很好的了解，如在开环控制配置中所讨论的。否则，会由于镜头模块的残余振动导致性能急剧恶化，如图4a和图4b所示，用于使用零振动整形器作为输入整形信号的开环控制配置。图4a和图4b分别示出了镜头位置和控制信号。图4a和图4b中，横轴表示以秒为单位的时间，纵轴表示各自表示的信号的振幅。从图4a和图4b可以看出，对于将镜头位置设置为具有小于2％的过冲误差和5％不确定的f0的方法所需的时间超过30毫秒，性能较差。图4a和4b中的实线示出了参数的精确值，虚线示出了参数不匹配时的系统行为，即，当在设计阶段假定的参数值与系统在使用时的实际参数值不匹配时。

30、这种行为可以通过引入具有更多脉冲的输入整形信号改善，例如所谓的“零振动和导数整形器”，包括三个脉冲，如等式3所示：

31、

32、在图5a和图5b中示出了以更长的瞬态时间为代价，通过将组合成具有更多阶的输入减少不确定性的影响，它们表示与图4a和图4b相同的信号，但这次输入整形信号包括三阶和二阶并且没有不匹配的参数。正如我们所看到的，三阶方法意味着比二阶方法更长的瞬态时间，但仍然比图4a和图4b所示的参数不匹配的二阶方法更短。

33、然而，根据现有技术，使vcm的输入信号对参数变化更具鲁棒性，会导致设备的消费者在实际操作期间的位置响应较慢，如图7和图5a和图5b所示，这可能会在某些情况下导致相机图像质量较低。因此，增加脉冲数量能会减缓瞬态，所以这不是一个可以一直使用的解决方案。仍然有强烈的动机更好地估计动态参数(f,q)，从而能够使用不那么保守的整形器。

34、基于位置反馈的闭环控制配置是众所周知的，其目标是降低系统对参数变化的灵敏性。然而，这些方法中有许多需要极其复杂的计算，在镜头驱动芯片的有限硬件上是不可能在线进行的。

35、“自适应控制”方法也是众所周知的，可以应用于闭环控制配置和自感测控制配置，但它们需要相对较长的时间来适应和收敛到参数变化。仅使用这些方法可能会导致相机操作质量降低数秒，可能是在用户启动相机后数十秒。

36、图1示出了相机系统的示例，其中，镜头驱动芯片生成控制信号以驱动致动器和镜头模块。图1中的控制信号是根据致动器和镜头模块的反馈测量生成的。图1中的反馈测量可以是位置信号反馈和/或电压和电流信号反馈。

37、美国专利号7489471探讨了可用的长期离线表征信息的使用，以及通过快速在线校准校正此类数据的可能性。

38、如前所述，所有已知方法要么使用昂贵的硬件进行位置感测，例如闭环控制配置，性能有限/不可靠，要么在生产阶段需要较长的校准时间，从而影响价格，要么在使用时对用户造成不便的延迟。

39、因此，需要一种新的方法改进镜头的调整而没有所列举的缺点。

技术实现思路

1、所提出的方法通过将表征中可用的测量与校准相结合，提供了将低成本硬件和快速生产率要求相结合的可能性。这使得可以保持校准阶段较短，并减少来自表征的参数的范围的估计。本技术将针对自感测控制配置进行解释，但本技术不限于这种配置，并且还可以例如与闭环控制配置一起使用。

2、现有解决方案没有校准步骤。他们使用配置选项，指定动态参数(如f0和q)的不确定性程度，可能基于离线表征测量并以保守鲁棒的方式相应地对控制信号进行整形，从而降低性能并增加在期望的镜头位置之间移动的时间。