摄像模块自动化调焦设备开发

田野 王小辉 曹后平 张传鑫 刘志宇 罗锋

（1.广东光阵光电科技有限公司 2.广州市光机电技术研究院 3.上海微小卫星工程中心）

0 引言

摄像模块（compact camera module，CCM）是手机、计算机、游戏机、可视电话、汽车辅助驾驶、安全监视等智能终端必备的功能部件。目前CCM生产过程除贴片以外，仍以手工组装和人工测试为主，造成生产效率较低、产品合格率不高、品质难以控制等问题。因此，摄像模块自动化调焦设备的开发，可有效增强国内 CCM 制造企业的生产能力与市场竞争力。

1 摄像模块的基本构成

CCM 是用于新一代各种便携式摄像设备的核心器件，与传统摄像系统相比具有小型化、低功耗、低成本、影像品质高的优点。CCM模组基本架构如图1所示。

图1 CCM模组基本架构图

在国内CCM生产领域，尚未发现有自动检测设备研发的消息。由于国内外产业结构存在显著差异，国外相关自动化设备无法适应国内的工艺路线，难以移植。

2 摄像模块自动化调焦设备开发

本项目包括调焦自动设备和虚拟实距设备两套系统。

2.1 调焦自动设备系统

2.1.1 调焦自动设备系统原理

调焦自动设备系统原理框图如图2 所示，由自动调焦机单元、调焦机械手、四工位转台、数据采集部分、计算机等组成。

设备工作时，在工位1，将被测CCM安放在专用夹具上，转台转90°，CCM转到工位2，即调焦机械手位置。此时，CCM可接收到由DLP经平行光管发出的图像。调焦机械手调整CCM镜头的轴向位置，由图像处理软件判断计算机所采集的图像，直到清晰，调焦机械手停止动作，完成该CCM的调焦工作。工作台再转90°，CCM转入工位3，进行点胶固定，保持被调试好的状态。然后CCM进入工位4，进行复检并卸下，准备进入工位1，进行下一个工作循环。以上调整过程中，CCM 调焦连续进行，可有效提高生产效率。

设备工作中，转台转动角度由角度编码器反馈，机械手调焦转动角度由步进电机控制，图像评价软件提供反馈信息，构成闭环控制，有效提高系统精度。

2.1.2 调焦自动设备系统设计

调焦自动设备系统总体为铝型材框架式结构，底层框架是承载所有设备的底座，其下部安装脚轮和支撑方便移动和调整。导电滑环、转台电机均安装于底层座上，导电滑环在转台连续转动的情况下，将固定在转台上的图像采集板与图像采集处理盒相连，传输图像信号。转台电机可实现四工位分度转动，转动定位精度小于1´，投影光学系统光轴与被测CCM光轴有较高同轴度。DLP、平行光管、光强调整镜构成调焦测试光学系统，均安装在上层框架上，平行光管可通过调焦系统对其焦距进行调整，从而实现虚拟实距模拟；光强调整镜由一对偏振片构成，调整入射到被测CCM测光强。调焦机械手用来调整安装在夹具内的CCM组建的镜头，完成焦距的调整。

图2 自动调焦设备系统原理框图

2.2 虚拟实距设备系统

虚拟实距设备系统如图3 所示，主要由计算机、距离显示表、DLP、移动单元、光栅传感器、平行光管等部分组成。

图3 虚拟实距设备系统

工作时，从键盘输入需要虚拟的距离值，计算机控制移动单元使平行光管镜头沿光轴方向移动，由距离显示表显示实际移动距离。

2.3 光学系统设计

2.3.1 CCM调焦测试光学系统

光学系统总体原理图如图4所示，由计算机生成的图案显示在DLP上，经DLP投影在投影屏上，再经准直物镜准直成视场角为 50°的准直光成像在Sensor物镜的像方焦平面上，其视频信号经图像采集卡进入计算机，由计算机相关程序判别Sensor光敏面是否与Sensor物镜的焦平面重合。如果不重合，则调节螺纹使之重合。重合精度由计算机程序的评价函数判读，可保持调焦的一致性。

2.3.1.1 DLP投影系统

DLP的尺寸为（20×20）mm2，分辨率为 1024×708，其功能是使影像信号自动校正，数码梯形校正（10°）。当投影屏尺寸为（200×200）mm2时，放大倍率为10=β。设DLP与投影物镜的物距为

图4 光学系统总体原理图

2.3.1.2 准直光学系统

2.3.1.3 Sensor成像系统

Sensor物镜的焦距一般为 mm 2 ，取为 mm 2 ，

2.3.2 虚拟实距测量光学系统

虚拟实距测量系统光学原理与调焦测试系统相似，考虑到结构的简便与虚拟实距的唯一性，采取沿轴向移动准直物镜的方案即可实现，其移动量是一个重要技术指标，由决定。x x'中x为物距，x'为像距。在 Sensor物镜的焦距较小时，可以近似认为 x'即为虚拟实距，从表1可以看出当 x'为1米时，准直物镜移动量为44.1 mm，移动量不大，结构可以满足要求。

表1 虚拟实距与准直物镜移动量对比表

2.4 系统软件及控制系统设计

2.4.1 系统软件概述

使用环境：Windows XP、Windows 2000操作系统；开发环境：Microsoft Visual C++ 6.0；主要功能为通过调焦单元发生器模拟产生多种分划图像，并采用数字图像处理技术和自动控制技术实现摄像模块的自动调焦。

2.4.2 功能模块

CCM 自动调焦系统软件主要由虚拟实距显示和自动调焦控制2个程序组成，2个程序通过RS232串行口进行通讯。系统主要由转台控制模块、调焦控制模块、图像采集模块、图像处理模块、通讯控制模块、虚拟实距控制模块等组成，其组成框图如图5所示。

图5 CCM自动调焦系统组成框图

2.4.2.1 调焦控制模块

调焦控制模块选用32位PCI总线PCI1010步进电机运动控制卡，它以高频率脉冲串形式输出，控制步进电机的运动。该卡能精确地控制所发出的脉冲频率（电机速度）、脉冲个数（电机转角）及脉冲频率变化率（电机加速度），并可对电机进行位置控制、插补驱动、加速/减速等控制，具有圆弧、直线插补功能。

2.4.2.2 图像采集模块

图像采集模块主要完成 CCM 摄像模块的初始化、存储空间的分配、采集参数的设置等功能，图像采集工作流程如图6所示。

图6 图像采集模块流程图

2.4.2.3 图像处理模块

图像处理模块主要完成图像预处理、图像清晰度评价、自动聚焦等功能。图像预处理主要进行噪声去除操作；图像清晰度评价选用灰度差分法。灰度差分法利用图像的边缘增强处理，使清晰度评价函数的特征曲线更加陡峭，即聚焦图像与离焦图像的评价函数更加分明，提高了准确聚焦的灵敏度。

其中， F（i）为图像整体灰度差； gx为图像X方向灰度差； gy为图像Y方向灰度差；

当图像达到最清晰时 F （i）取最大值。

为提高聚焦的精度，必须区分完全聚焦的图像和只有微小离焦的图像。由于图像存在边缘，一幅图像聚焦与否，与图像边缘信息的高频成分有关。当完全聚焦时，图像清晰，包含边缘信息的高频分量最多，清晰度评价函数值最大；当图像离焦时，图像模糊，图像边缘信息的高频成分较少，清晰度评价函数值小。该清晰度评价函数具有以下几个特性：1)无偏性，即只有物平面与焦平面重合时，评价函数才取极值；2)单峰性，即评价函数有且只有一个极值；3)较高的信噪比，即在一定噪声干扰下，能够保证系统正确地检测到离焦信号；4)计算量小，这是快速聚焦的一个先决条件。5)灵敏度高，即能够正确区分聚焦和轻微离焦，这是精确聚焦的内在要求。

2.4.2.4 通讯控制模块

通讯模块主要负责程序中各线程、进程、转台控制、虚拟实距控制等模块之间指令传送、数据交换等工作。主程序通过串行通讯RS232接口向转台控制、虚拟实距控制、虚拟实距显示模块发送控制命令码，接收转台控制、虚拟实距控制发出的转台位置等信息。

接收转台控制、虚拟实距控制RS232通讯端口参数设置为：波特率57600 Baud，无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位。

2.4.2.5 虚拟实距显示模块

实现光学图标的生成与显示。程序可接收自动调焦系统通过串行口RS232发送来的命令码，进行图标的更换。

RS232通讯端口端口参数设置为：波特率 9600 Baud，无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位。

3 结语

摄像模块自动化调焦设备开发是以光机电算一体化技术和自动控制技术为核心，深入研究了 CCM自动化生产技术和测试工艺，开发了专门的光学和软件系统。整个方案设计先进，运行可靠，是符合我国摄像模块产业实际的关键性自动化设备。为提高和增强国内CCM生产制造企业的生产能力与市场竞争力做出了技术保证。

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