TWI396929B - 具有自動對焦功能之相機模組及其對焦方法 - Google Patents

Description

具有自動對焦功能之相機模組及其對焦方法

本發明涉及一種相機模組，尤其涉及一種具有自動對焦功能之相機模組。

隨著攝像技術之發展，相機模組於各種用途之攝像裝置中得到廣泛之應用，相機模組與各種可擕式電子裝置如手機、攝像機、電腦等之結合，更得到眾多消費者之青睞。

相機模組通常包括一驅動馬達、至少一由驅動馬達驅動之鏡頭模組及一與該鏡頭模組光學耦合之感光元件。鏡頭模組可包括一或複數鏡片，該鏡片與感光元件光學耦合，優選地，感光元件之中心點位於該一或複數鏡片之光軸線上。該驅動馬達驅動鏡頭模組相對於感光元件移動，尋找一具最佳解析度之成像位置，從而實現自動對焦。

然，由於驅動馬達往往佔用較大空間，利用驅動馬達驅動鏡頭模組會造成整個相機模組體積較大且結構複雜，無法滿足輕薄短小之需求。

為解決上述缺點，一種先前技術之鏡頭模組採用音圈磁體(Voice Coil Magnet，簡稱VCM)，以驅動鏡頭模組相對感光組件移動從而達到自動對焦之目的，如Acoustics,Speech and Signal Processing,2006.上發表之論文Fast Auto-Focus Control Algorithm Using the VCM Hvsteresis Compensation in the Mobile Phone Camera。另一種先 前技術提出，鏡頭模組之鏡片採用液體透鏡，利用電訊號來改變液體透鏡之形狀及焦距，從而實現自動對焦。然，採用VCM與液體透鏡實現自動對焦之功能，其需要電訊號進行驅動，而二者均相對於電訊號有較大滯後作用，電回應速度較慢，不利於實現快速對焦。

有鑒於此，有必要提供一種小型且快速自動對焦之相機模組。

一種相機模組，其包括一鏡座、一鏡筒及一影像感測器，該鏡座內容置該鏡筒與該影像感測器，該鏡筒內具有光學元件，其與該影像感測器光學耦合，該相機模組還包括至少一驅動片，該驅動片初始狀態為平直狀態，該驅動片包括一基體與一層形成於該基體上之形狀記憶合金薄膜。

該相機模組進一步包括一控制驅動電路，該控制驅動電路提供一驅動電流給該形狀記憶合金薄膜使其電阻式受熱，當溫度超過該形狀記憶合金薄膜之馬氏體逆轉變開始溫度，該形狀記憶合金薄膜由馬氏體相轉變到高溫母相，體積收縮，該形狀記憶合金薄膜產生回復應力，由於該基體體積不變，使得該驅動片發生彎曲，從而驅動該鏡筒沿光軸方向移動，進行對焦。當控制驅動電路停止提供該驅動電流，該形狀記憶合金薄膜快速冷卻，當溫度低於該形狀記憶合金馬氏體相變開始溫度，該形狀記憶合金薄膜由高溫母相轉變到該低溫馬氏體相，該回復應力消除，該驅動片回復至該初始平直狀態，該驅動片沿光軸方向拉回該鏡筒。

本發明還提供一種自動對焦方法，其包括以下步驟：(1)提供該相機模組，於初始狀態下，該驅動片為平直狀態，該影像感測器紀錄下此時該光學系統於初始位置第一次成像之清晰度值，並將其送至該控制驅動電路； (2)該控制驅動電路提供一驅動電流給該驅動片使其電阻式受熱發生彎曲，從而驅動該鏡筒沿光軸方向移動到一第二位置，該影像感測器記錄下此時該光學系統於該第二位置時第二次成像之清晰度值，並將其送至該控制驅動電路；(3)該控制驅動電路將該第一次成像之清晰度值與該第二次成像之清晰度值進行比較，如果後者大於前者，則該控制驅動電路繼續提供該驅動電流給該驅動片，該第二位置為最佳聚焦位置，進而完成對焦；(4)如果後者小於前者，則該控制驅動電路停止提供該驅動電流給該驅動片，該驅動片回復至該平直狀態，該初始位置為最佳聚焦位置，進而完成對焦。

本發明還提供一種相機模組，該驅動片包括N個基體與分別濺射於該基體上之N(N為大於1之整數)層形狀記憶合金薄膜，該N層形狀記憶合金薄膜為不同之形狀記憶合金材料，具有不同之馬氏體逆相變溫度。

該控制驅動電路提供一驅動電流給該驅動片使其電阻式受熱，該溫控電路控制該驅動片之溫度，以控制該N層形狀記憶合金薄膜依次發生馬氏體逆相變，從而使驅動片獲得N個對應之彎曲度，進而帶動該鏡筒沿光軸方向移動到N個對應之位置，進行對焦。

本發明還提供一種自動對焦方法，包括以下步驟：(1)提供該相機模組，該驅動片為初始狀態，該影像感測器紀錄下此時該光學系統於初始位置第一次成像之清晰度值與對應驅動片之初始溫度，並將其送至該控制驅動電路；(2)該控制驅動電路提供一驅動電流給該驅動片使其電阻式受熱，該溫控電路控制該驅動片之溫度，以控制該N層形狀記憶合金薄膜依次發生馬氏體逆 相變，從而使驅動片依次獲得N個對應彎曲度，進而帶動該鏡筒沿光軸方向移動到N個對應位置；(3)該影像感測器依次紀錄該鏡筒於N個對應位置時N個成像之清晰度值及其對應驅動片之溫度，並依次將其傳輸給該控制驅動電路；(4)該控制驅動電路依次比較N個成像之清晰度值，記錄下其中最大之清晰度值及其對應驅動片之溫度；(5)該溫控電路將溫度控制於該對應驅動片之溫度，使該驅動片處於該對應之彎曲度，此時該對應之位置為最佳聚焦位置，完成對焦。

本發明提供之相機模組，其該驅動片驅動該鏡筒實現自動對焦，該驅動片之基體與位於基體上之形狀記憶合金薄膜厚度相當，其尺寸可小到長幾個毫米、寬幾十個微米與厚幾十個微米，且該形狀記憶合金薄膜發生馬氏體逆相變時具有高達幾百Mpa之回復應力，能夠帶動該基體彎曲，進而驅動該鏡筒沿光軸方向移動進行對焦，其適於目前相機模組小型化趨勢，且該形狀記憶合金薄膜具有較大表面積與體積比，熱交換速率高，具有比VCM與液體透鏡更高之電回應速率，與控制驅動電路配合，實現快速對焦。

60‧‧‧光軸

130，230‧‧‧影像感測器

100，200‧‧‧相機模組

131‧‧‧感光元件

110‧‧‧鏡座

132，232‧‧‧訊號處理電路

112‧‧‧頂部容置腔

141，241‧‧‧驅動片

113‧‧‧底部容置腔

143‧‧‧基體

120，220‧‧‧鏡筒

144，244‧‧‧形狀記憶合金薄膜

121‧‧‧鏡片

142‧‧‧彈性片

143a，143b‧‧‧端部

150，250‧‧‧控制驅動電路

253‧‧‧溫控電路

153，252‧‧‧比較器

圖1係本發明第一實施例提供之相機模組示意圖。

圖2係本發明第一實施例進行自動對焦之訊號處理示意圖。

圖3係本發明第二實施例提供之相機模組示意圖。

圖4係本發明第二實施例進行自動對焦之訊號處理示意圖。

下面將結合圖式，對本發明作進一步之詳細說明。

請參閱圖1，為本發明第一實施例提供之一種相機模組100，其包括一鏡座110、一鏡筒120及一影像感測器130。該鏡座110具有一頂部容置腔112及一底部容置腔113分別用於容置鏡筒120及影像感測器130，且該鏡筒120內設有光學元件，與影像感測器130光學耦合，且該鏡筒120與影像感測器130之光學中心位於同一光軸60上。

該鏡筒120內設有光學元件，如按次序排列之各種鏡片121，該鏡筒120外徑與該頂部容置腔112直徑相等，從而使得該鏡筒120於光軸60方向移動且保證鏡筒120之中心軸不偏離光軸。

該影像感測器130包括一感光元件(Image Sensor)131與一影像訊號處理晶片(Image Signal Processing Chip，簡稱ISP Chip)132，該感光元件131為電荷耦合器件或互補式金屬氧化物半導體。優選地，該感光元件131與該影像訊號處理電路132集成於一體，該影像感測器130採用陶瓷引線晶片載體封裝(Ceramic Leaded Chip Carrier,CLCC)，塑膠引線晶片載體封裝(Plastic Leaded Chip Carrier,PLCC)或晶片尺寸封裝(Chip Scale Package,CSP)。

該相機模組100還包括至少一驅動片141與一控制驅動電路150。

該驅動片141包括一基體143與一層濺射於該基體上之形狀記憶合金薄膜144。優選地，該驅動片141之基體143上與該形狀記憶合金薄膜144相對之面兩端部143a與143b分別黏貼於該鏡座110內壁與鏡筒120外壁之凹臺上，該形狀記憶合金薄膜144受熱收縮，與該基體143之間產生收縮應力，帶動該基體143發生彎曲。

該驅動片141於初始狀態為平直狀態，優選地，該該驅動片141位於一垂直於光軸60之平面上。

當該控制驅動電路150提供一驅動電流給該形狀記憶合金薄膜144使其電阻式受熱，當溫度超過該形狀記憶合金薄膜144之馬氏體逆轉變開始溫度，該形狀記憶合金薄膜由馬氏體相轉變到其高溫母相，體積收縮，該形狀記憶合金薄膜144產生較大回復應力，由於該基體143體積不變，使得該驅動片141發生彎曲，從而驅動該鏡筒120沿光軸60方向移動，進行對焦。

當該控制驅動電路150停止提供該驅動電流，該形狀記憶合金薄膜144快速冷卻，當溫度低於該形狀記憶合金薄膜144之馬氏體相變開始溫度，該形狀記憶合金薄膜144由高溫母相轉變到該低溫馬氏體相，該回復應力消除，該驅動片141回至該初始平直狀態。

優選地，該形狀記憶合金薄膜144之材料為鎳鈦(NiTi)基合金、銅基合金、鐵基合金。具體地，該鎳鈦(NiTi)基合金為NiTi、NiTiAl、NiTiAlZn或者NiTiAlZnCu合金等，該銅基合金為CuZnAl、CuZnCa、CuAlNi、CuAlBe、CuZnSi、CuAlTi或者CuSrZn合金等，該鐵基合金為FePt、FePd、FeCrNi、FeNiC、FeMn、FeNiCoTi、FeMnSi或者FeCrNiMnSi合金等。

該驅動片141可採用濺射工藝於該基體143上濺射一層非晶態之該鎳鈦(NiTi)基合金、銅基合金或者鐵基合金薄膜，然後將其進行高溫晶化處理獲得該形狀記憶合金薄膜144。該晶化後之形狀記憶合金薄膜144具有形狀記憶特性。

優選地，該基體143為可撓之彈性層，能夠由該形狀記憶合金薄膜144帶動其彎曲，當該形狀記憶合金薄膜144快速冷卻至溫度低於該形狀記憶合金薄膜144之馬氏體相變開始溫度，該形狀記憶合金薄膜144由高溫母相轉變到該低溫馬氏體相，該回復應力消除，該基體143可將該形狀記憶合金薄膜144彈回至初始該平直狀態，實現雙程形狀記憶效應。該基體143可為單晶矽薄膜、多晶二氧化矽(SiO2)薄膜或者彈性聚醯亞胺薄膜。

具體地，該形狀記憶合金薄膜144相對於該基體143位於物側，則該驅動片141向物側彎曲進而帶動該鏡筒120沿光軸60向物側移動，如果該形狀記憶合金薄膜144相對於該基體143位於像側，則該驅動片141向像側彎曲進而帶動該鏡筒120沿光軸60向像側移動。

優選地，該相機模組100進一步包括至少一彈性片142，該彈性片一端嵌於該鏡座110內壁，另一端黏貼於該鏡筒120底部邊緣區域，該至少一彈性片142與該至少一驅動片141一一對應，該形狀記憶合金薄膜144由高溫母相轉變到該低溫馬氏體相，該回復應力消除，該彈性片142可將該形狀記憶合金薄膜144彈回至初始該平直狀態。

請參閱圖2，以下詳細說明本發明第一實施例之自動對焦方法，該控制驅動電路150具有一比較器153，該自動對焦方法包括以下步驟：(1)提供該相機模組100，於初始狀態下，該驅動片141為平直狀態，該影像感測器130之感光元件131接收此時第一次成像，並將其轉換成可處理之第一電訊號；(2)該影像訊號處理電路131接收該可處理之第一電訊號，獲得該與該第一次成像之清晰度值，並將其送至該比較器153；(3)該控制驅動電路150提供一驅動電流給該驅動片141使其電阻式受熱發生彎曲，從而驅動該鏡筒120沿光軸60方向移動到一第二位置，該影像感測器記錄下此時第二次成像之清晰度值，並將其送至該比較器153；(4)該比較器153將該第一次成像之清晰度值與該第二次成像之清晰度值進行比較，如果後者大於前者，則該控制驅動電路150繼續提供該驅動電流給該驅動片141，該第二位置為最佳聚焦位置，進而完成對焦；(5)如果後者小於前者，則該控制驅動電路150停止提供該驅動電流給該驅 動片141，該驅動片141回復至該平直狀態，該初始位置為最佳聚焦位置，進而完成對焦。

該清晰度值為解析度值、對比度值或者模量傳輸函數值(Modulation Transfer Function，簡稱MTF)，該模量傳輸函數值係對成像品質之綜合評價值，比單純解析度值或者對比度值能夠更好反映成像品質。

本發明第一實施例提供之相機模組100，其驅動片141驅動該鏡筒120實現兩段式自動對焦，且體積微小結構簡單，更加適於目前相機模組微型化之趨勢，且利用形狀記憶合金薄膜電回應速率快之優勢，從而實現快速對焦。

請參閱圖3，本發明提供之第二實施例之相機模組200之剖面示意圖，其與本發明提供之第一實施例之相機模組100之區別在於，該相機模組200之驅動片241包括N個基體243與該基體243上之N(N為大於1之整數)層形狀記憶合金薄膜244。

具體地，該N層形狀記憶合金薄膜採用不同之形狀記憶合金材料，或者採用相同成分不同含量之形狀記憶合金材料，分別具有不同之馬氏體逆相變溫度，該N層形狀記憶合金薄膜分別進行熱循環訓練，使其於馬氏體逆相變溫度以上具有不同之彎曲度。

優選地，該驅動片241製作方法為：分別於N片基體上濺射該N種不同之形狀記憶合金材料，進行高溫晶化處理與熱循環訓練，獲得N片形狀記憶合金薄膜片，其分別於各自馬氏體逆相變溫度以上具有不同之彎曲度，然後將該N片形狀記憶薄膜片依次黏結於一起，優選地，該基體243為單晶矽薄膜、多晶二氧化矽(SiO2)薄膜或者彈性聚醯亞胺薄膜等材料，其可防止形狀記憶合金薄膜層之間原子擴散造成其形狀記憶效應之衰減。

該基體243可撓，任意一片該形狀記憶片發生彎曲，帶動該驅動片241彎曲，進而帶動該鏡筒220沿光軸60移動。

該控制驅動電路250進一步具有一溫控電路253，該N片形狀記憶合金薄膜片於發生馬式體逆相變時其電阻率發生突變，該溫控電路253依此控制該N片形狀記憶合金薄膜片之溫度。

該控制驅動電路250提供一驅動電流給該驅動片241使其電阻式受熱，該溫控電路253控制該驅動片241之溫度，以控制該N層形狀記憶合金薄膜依次發生馬氏體逆相變，從而使驅動片241獲得N個對應之彎曲度，進而帶動該鏡筒220沿光軸60方向移動到N個對應之位置進行對焦。

請參閱圖4，本發明第二實施例之自動對焦方法，該控制驅動電路250具有一比較器252與一溫控電路253，該自動對焦方法包括以下步驟：(1)提供該相機模組200，於初始狀態下，該驅動片241為平直狀態，該鏡筒220處於初始位置，該影像感測器230之感光元件231接收此時光學系統第一次成像，並將其轉換成可處理之第一電訊號；(2)該影像訊號處理電路232接收該可處理之第一電訊號，獲得該與該第一次成像之清晰度值，並將其送至該比較器253；(3)該控制驅動電路250提供一驅動電流給該驅動片241使其電阻式受熱，該溫控電路253控制該驅動片241之溫度，以控制該N層形狀記憶合金薄膜依次發生馬氏體逆相變，從而使驅動片241依次獲得N個對應之彎曲度，進而帶動該鏡筒220沿光軸60方向移動到N個對應之位置；(4)該影像感測器230之感光元件231依次接收該鏡筒220沿光軸60方向移動到N個對應位置所進行之N次成像，並依次將其轉換成可處理之N個電訊號； (5)該影像訊號處理電路231依次接收該N個成像之清晰度值及其對應驅動片241之溫度，並依次將其傳輸給該比較器252；(6)該比較器252依次比較N個成像之清晰度值，記錄下其中最大之清晰度值及其對應驅動片241之溫度；該溫控電路將溫度控制於該對應驅動片之溫度，使該驅動片處於該對應之彎曲度，此時該對應之位置為最佳聚焦位置，完成對焦。

本發明第二實施例提供之該相機模組200，其驅動片241驅動該鏡筒220實現多段式自動對焦，且體積微小結構簡單，更加適於目前相機模組微型化與高像素之趨勢，且利用形狀記憶合金薄膜電回應速率快之優勢，從而實現快速準確對焦。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

60‧‧‧光軸

130‧‧‧影像感測器

100‧‧‧相機模組

131‧‧‧感光元件

110‧‧‧鏡座

132‧‧‧訊號處理電路

112‧‧‧頂部容置腔

141‧‧‧驅動片

113‧‧‧底部容置腔

143‧‧‧基體

120‧‧‧鏡筒

144‧‧‧形狀記憶合金薄膜

121‧‧‧鏡片

142‧‧‧彈性片

143a，143b‧‧‧端部

150‧‧‧控制驅動電路

Claims (10)

1. 一種相機模組，其包括一鏡座、一鏡筒及一影像感測器，該鏡座內容置該鏡筒與該影像感測器，該鏡筒內具有光學元件，其與該影像感測器光學耦合，其改良在於，該相機模組還包括：至少一驅動片，其包括一基體與形成於該基體上之形狀記憶合金薄膜，該驅動片分別與該鏡筒與鏡座連接，該驅動片的一端固定於該鏡座內壁上，另一端固定於該鏡筒外壁上；一控制驅動電路，其用以提供一驅動電流給該形狀記憶合金薄膜使其電阻式受熱收縮產生回復應力，使得該驅動片彎曲以驅動該鏡筒沿光軸方向移動，該控制驅動電路停止提供該驅動電流，使得該形狀記憶合金薄膜冷卻，以消除該回復應力以使該驅動片沿光軸方向拉回該鏡筒。
2. 如申請專利範圍第1項所述之相機模組，其中，該驅動片採用於該基體上濺射一層形狀記憶合金薄膜並高溫晶化處理而成，該形狀記憶合金薄膜為鎳鈦基形狀記憶合金薄膜、銅基形狀記憶合金薄膜或者鐵基形狀記憶合金薄膜，該基體為一層可撓之單晶矽薄膜或者一層彈性之聚醯亞胺薄膜。
3. 如申請專利範圍第1項所述之相機模組，其中，該驅動片初始狀態為平直狀態，其水平面與該光軸垂直。
4. 如申請專利範圍第1項所述之相機模組，其中，該相機模組進一步包括至少一彈性片，該至少一彈性片與該至少一驅動片一一對應，該彈性片兩端分別固定於該鏡座與鏡筒上，該控制驅動電路停止提供該驅動電流，使得該形狀記憶合金薄膜冷卻，該回復應力消除，該對應之彈性片用以沿光軸方向彈回該鏡筒。
5. 一種自動對焦方法，其包括以下步驟：(1)提供一相機模組，其包括一光學系統、一形狀記憶合金薄膜驅動片、一控制驅動電路與一影像感測器，該控制驅動電路具有一比較器，該影像感測器紀錄下此時該光學系統於初始位置第一次成像之清晰度值，並將其送至該比較器；(2)該控制驅動電路提供一驅動電流給該形狀記憶合金薄膜驅動片使其電阻式受熱發生形狀變化，以驅動該光學系統沿光軸方向移動到一第二位置，該影像感測器記錄下此時該光學系統於該第二位置時第二次成像之清晰度值，並將其送至該比較器；(3)該比較器將該第一次成像之清晰度值與該第二次成像之清晰度值進行比較，如果後者大於前者，則該控制驅動電路繼續提供該驅動電流給該形狀記憶合金薄膜驅動片，該第二位置為最佳聚焦位置，進而完成對焦；(4)如果後者小於前者，則該控制驅動電路停止提供該驅動電流給該形狀記憶合金薄膜驅動片，該驅動片回復至該平直狀態，該初始位置為最佳聚焦位置，進而完成對焦。
6. 如申請專利範圍第5項所述之自動對焦方法，該清晰度值為模量傳遞函數值。
7. 一種相機模組，其包括一鏡座、一鏡筒及一影像感測器，該鏡座內容置該鏡筒與該影像感測器，該鏡筒內具有光學元件，其與該影像感測器光學耦合，其改良在於，該相機模組還包括：至少一驅動片，其包括N個基體與依次位於該基體上之N層形狀記憶合金薄膜，N為大於1之整數，該至少一驅動片的一端固定於該鏡座內壁上，另一端固定於該鏡筒外壁上，該控制驅動電路具有一溫控電路，該控制驅動電路提供一驅動電流給該驅動片使其電阻式受熱，該溫控電路控制 該驅動片之溫度，以控制該N層形狀記憶合金薄膜依次發生馬氏體逆相變，從而使驅動片獲得N個對應之彎曲度，進而帶動該鏡筒沿光軸方向移動到N個對應之位置，進行對焦。
8. 如申請專利範圍第7項所述之相機模組，其中，該N層形狀記憶合金薄膜為N種不同之形狀記憶合金材料，具有N種不同之馬氏體逆相變溫度，該N層形狀記憶合金薄膜分別經過不同之熱循環訓練，於馬氏體逆相變溫度以上具有不同之彎曲度。
9. 一種自動對焦方法，包括以下步驟：(1)提供一相機模組，其包括一光學系統、一形狀記憶合金薄膜驅動片、一控制驅動電路與一影像感測器，該形狀記憶合金薄膜驅動器包括N層形狀記憶合金薄膜，N為大於1之整數，該控制驅動電路具有一比較器，該影像感測器紀錄下此時該光學系統於初始位置第一次成像之清晰度值，並將其送至該比較器；(2)該控制驅動電路提供一驅動電流給該驅動片使其電阻式受熱，該溫控電路控制該驅動片之溫度，以控制該N層形狀記憶合金薄膜依次發生馬氏體逆相變，從而使驅動片依次獲得N個對應之彎曲度，進而帶動該鏡筒沿光軸方向移動到N個對應之位置；(3)該影像感測器依次紀錄該鏡筒於N個對應之位置時N個成像之清晰度值及其對應驅動片之溫度，並依次將其傳輸給該控制驅動電路；(4)該控制驅動電路依次比較N個成像之清晰度值，記錄下其中最大之清晰度值及其對應驅動片之溫度；(5)該溫控電路將溫度控制於該對應驅動片之溫度，使該驅動片處於該對應之彎曲度，此時該對應之位置為最佳聚焦位置，完成對焦。
10. 如申請專利範圍第9項所述之自動對焦方法，該清晰度值為模量傳遞函數值。