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为什么智能手机相机能够消除机身抖动,清晰地拍摄满月?

最近上市的一些智能手机都配备了以优异放大能力为特色的变焦相机,用它们从地面拍摄满月,在得到的照片上,连环形山都很清晰。但是,在夜晚使用变焦功能拍摄时,照片为什么不会出现因机身抖动而导致的模糊呢?秘密就在于“光学图像稳定功能”(OIS, Optical Image Stabilization)*1 中采用的“相机模块用镜头致动器”(CMA, Camera Module Actuator)。

随着相机镜头的功能越来越强大,图像稳定也比以往更加重要

智能手机相机每年都在发展进化。有些型号拍摄出的照片甚至可以像使用单独的数码相机拍摄的照片一样清晰漂亮。

推动相机功能向前发展的因素之一是多镜头设置。越来越多的智能手机配备两个、三个,甚至四个镜头,它们分别被称为双摄、三摄或四摄相机。由于可以使用品质特征各不相同的镜头,因此使得摄影表达方式具备了更加宽广的范围。这些方式之一就是高品质变焦摄影。相机如果配备一个以上的镜头,并且这些镜头的焦距*2和视场各不相同,就可以拉近并放大被摄主体,而画质因此受到的影响则比较小。这是由于这样的相机使用光学变焦,而不是数码变焦,数码变焦只是放大所拍摄图像的局部。带有光学变焦功能的智能手机相机已经变得非常普及了。

智能手机相机市场展望

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拍照手机市场细分 - 2019 年下半年和 2020 年上半年预测 - TECHNO SYSTEMS RESEARCH CO.,LTD.

智能手机相机的市场正在继续朝着多镜头的方向发展。五摄相机是指相机配有五个镜头。

最近,越来越多的智能手机型号以拥有数十倍放大能力的高倍率变焦相机为特色,甚至可以从地面拍到月亮上环形山的清晰画面。但是,这类摄影容易出现因相机抖动而导致的画质模糊。变焦摄影(即,使用长焦距拍摄的照片)会将被摄主体放大,这样也就会放大机身抖动的效果。暗光环境(例如在晚上)拍摄通常要求快门速度较慢,这样也会发生机身抖动。更加不利的是,智能手机有结构性弱点,因为与常规数码相机相比,它们的外形更容易导致出现机身抖动。而且,由于较高的图像分辨率会让模糊的现象看上去更加明显,因此减少机身抖动已经成为了智能手机相机面临的一项重大挑战。

镜头致动器解决方案——基于在智能手机相机上加入可纠正机身抖动的 OIS 产品TDK Taiwan Corporation Division Director

工程博士 胡朝彰

解决这个问题的方案就是“光学图像稳定功能”(OIS) 中采用的“相机模块用镜头致动器”(CMA)。CMA 可通过致动器来纠正变焦摄影时的机身抖动,致动器会移动镜头位置来抵消抖动导致的意外移动。开发该产品的 TDK Taiwan Corporation 部门总监胡朝彰解释了这项技术。

“当图像传感器所识别出的光源位置在拍摄开始和拍摄结束之间如果出现了移动,就说明发生了机身抖动。OIS 会对这样的移动进行补偿。TDK 从智能手机相机的早期阶段开始就一直在研究 OIS。例如,使用悬线*3作为 OIS 的支持组件,是目前业界一种常见做法,但我们是率先在开发中采用这种方法的公司之一。采用这种方法后,操作更为顺畅,对 OIS 的控制效果也更好,进而导致图像稳定性得以提升。”

TDK 的 OIS 通过一套沿着三个(x-、y- 和 z-)轴驱动的系统实现了强大的图像稳定性,并且已被世界各地的智能手机采用。由于智能手机相机以不断提升的图像分辨率为特色,镜头光圈已经变得越来越大,因此需要有驱动力更强的 OIS 致动器。为了解决这个问题,TDK 已经采用了厚度低至 25μm*5 的形状记忆合金 (SMA*4),通过封装成小容器尺寸,让一批产品拥有了某种程度上堪称业界最强的驱动力。

OIS 的工作原理

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OIS(光学图像稳定功能)中采用的 CMA。通过沿着三个(x-、y-、和 z-)轴移动镜头的位置来纠正机身抖动。

TDK 也是全球率先开发 OIS 系统的厂商之一,该系统支持多至数十倍放大倍率的高倍率变焦相机。实现这种支持的方式是:将 OIS 产品组合起来,这些产品既移动棱镜*6,也移动镜头,从而达到纠正机身抖动的效果。棱镜致动器 OIS 和镜头致动器 OIS 装配在一个 12 毫米 x 17.6 毫米 x 5.6 毫米的小空间中。

“我们的设计技术综合利用了多年来积累的致动器方面专有的模拟和制造技术,凭借这些技术,我们已经成功地将棱镜致动器这样非常具有挑战性的产品以及组合产品变成了现实。我们之所以能够在开发这些技术方面保持领先,是因为智能手机厂商们认可 TDK 以往的业绩记录,并且很早就与我们合作开展变焦镜头 OIS 方面的研究。”胡这样说。

OIS 用于变焦镜头时的工作原理

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在以数十倍放大为特色的变焦相机中,棱镜致动器 OIS 与镜头致动器 OIS 结合使用,以纠正光路的偏差。

关于智能手机相机未来的前景,胡这样说,“我们期望看到连续变焦需求的增长,这种功能可以让你能够从广角过渡到远摄,就像使用数码相机一样。我们的目标是创造出可以在那种情况下纠正机身抖动的 OIS。另外,AR 功能预计会随着智能手机相机的发展进入实际使用阶段,我们也期望在这方面能够应用我们的自动对焦 CMA,在打造全新的、更加便利的世界的过程中,继续成为开拓者。”

基于“相机模块用镜头致动器”(CMA) 的用于远摄智能手机相机的 OIS

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基于“ 相机模块用镜头致动器”(CMA) 的用于远摄智能手机相机的 OIS,它将棱镜致动器 OIS 和镜头致动器 OIS 封装在 12 毫米 x 17.6 毫米 x 5.6 毫米的空间中

术语

  1. OIS:智能手机相机中常用于纠正机身抖动的技术包括 OIS(光学图像稳定功能)和 DIS(数码图像稳定功能)。

  2. 焦距:镜头的焦距是指从镜头中心到图像传感器的距离。通常用毫米 (mm) 表示;数字较小的镜头可提供较大的视场,被称为广角镜头;而数字较大的镜头能够聚焦于较远的目标,被称为远摄镜头。

  3. 悬线:主要为悬挂镜头而设计的金属丝弹簧,例如相机模块或光学摄像管。

  4. SMA:形状记忆合金:一种合金,可以发生形变,但在被加热到一定温度时会恢复到发生形变前的形状。

  5. μm(微米):1 μm 等于 1/1,000 毫米或 1/1,000,000 米。

  1. 棱镜:透明材料(如玻璃)制成的三角形柱状体,可使光线发生折射和散射。在智能手机相机中,用于弯曲光线等。



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