手機相機抓住生活的每一瞬間

自夏普第一款手機相機J-SH04問世以來，其攜帶方便，隨時即拍、紀錄生活，抓住瞬間的功能，在短時間內形成一股潮流。手機具備相機功能已成為趨勢，且不斷地朝著DSC-like的方向前進，諸如自動對焦、光學變焦、抗手震、快門、閃光、色彩、資料處理等等，各方面皆逐年獲得提升，使得現今的高階手機相機具備中低階數位相機的性能，逐漸擺脫當初問世時、被視為是玩具的範疇。

手機相機與數位相機相比，優點在於體積小、低耗電、低成本，加上現今具備強大的影像處理能力，所拍出來的圖片品質已經能夠與傻瓜型的數位相機相互媲美，能用來沖洗照片及海報的製作。儘管如此，目前還是未能對500萬畫素以上的數位相機造成威脅，但可預期地在未來的幾年內，兩者必能並駕齊驅。

主流方向與技術門檻－－微型化與低耗能

現今市面上數位相機模組體積大，所以有足夠的空間可以提供自動對焦、光學變焦甚至光學防手震功能。近年來薄型化手機因其自身厚度的限制，因此光學系統與整體結構盡可能簡單、體積盡可能縮小，以適應此類裝置低架構的發展趨勢。

《圖一　微型相機發展趨勢 》 註：SE為Sony Ericsson縮寫；AF為Auto Focus縮寫；OZ為Optical Zoom縮寫；資料來源：DIGITIMES整理，2007年12月

由圖一的微型相機趨勢來看，以高畫素搭配自動對焦功能的薄型化手機在市面上佔大多數，而捨棄高厚度的光學變焦機種，畢竟要將光學變焦模組微型化，具有一定的困難度。最主要的技術門檻在於光學成像鏡頭的微型化不易，假如光學成像鏡頭在不犧牲畫質的情形下能再縮小，才有可能成為市場主流，也才能朝DSC-like目標前進。

手機的功能愈來愈齊全，除了正常的接收、撥打之外，MP3、藍牙傳輸、遊戲、記事簿…要處理的事情實在太多了，低耗能成了另一項手機相機的技術關鍵，其中當屬光學變焦的致動器是降低耗能的研發重點。

市售的手機具光學變焦者，9成以上皆是以高耗能的步進馬達為主，少數者如2006年上市的Nokia N93則以低耗能的壓電致動器為驅動源，期望消費者在不失手機長時間待機正常功能外，能盡情地享受拍照的樂趣。另外光學防手震的機種尚未出現，主因還是基於在微型化與低耗能的條件下，無法將此功能置入手機相機模組，短期內此殺手級的機種可能還無法問世。

手機相機模組致動器種類

步進馬達

由步進馬達、減速齒輪與凸輪所組成，利用馬達轉動減速齒輪而驅動凸輪旋轉，進而帶動鏡頭群組依運動軌跡而進行光學變焦目的。縱觀當中零組件又以凸輪這一細項最為關鍵。此組件最主要的功能為：確保鏡頭依變焦軌跡或自動對焦軌跡在光軸上移動而沒有偏轉。其中Sharp V602SH為早期代表性之一款步進馬達式光學變焦手機。

壓電式致動器

此款種類頗多，市面上有應用者為SIDM（Smooth Impact Drive Mechanism）架構，利用壓電材料拉伸或壓縮的體積變化產生微小位移，再利用位移疊加方式達到欲求之位移量，如果加上微型光編碼器定位，可以達到連續變焦的功能。不過因為使用成本較高的壓電致動器與光編碼器，使其成本較高，適用於高階手機，代表手機為Nokia N93。

液態透鏡致動器

如圖二所示為Varioptic公司研發的液態透鏡，主要的優點為低耗電，其在兩片玻璃之間塗佈金屬當電極，中間注入絕緣液體油和導電液體水。當在電極上施加電壓之後，水分子會發生移動，而有表面張力產生，從而導致兩種液體的表面曲率發生變化。由于它們的折射率不同，光線的方向就會改變，形成凹凸透鏡效果。而驅動電壓的高低，也決定曲率的幅度，從而改變成像焦距。另外，假如藉由堅強的光學設計將多片液態透鏡組合在一起，也能達到光學變焦效果。

《圖二　Varioptic液態透鏡示意圖》

高階手機未來趨勢走向

潛望式鏡頭模組

另一光學變焦微型化的可行性方法是如圖三的潛望式鏡頭模組。一般鏡頭無法縮小的原因在於第一群鏡頭為了要能收光，所以比較大。如今將此組鏡頭內鑲於手機表面，內裏裝置一反射鏡，如此能夠大幅縮小整體的光學系統厚度。但是此潛望式鏡頭在組裝所有鏡頭群組上有所困難，關鍵技術還是掌握在日本光學廠手中。

《圖三　潛望式鏡頭模組》

光學變焦模組結合防手震模組

目前市面上防手震模組的技術分為電子式防手震和機構式防手震二種。電子式防手震為透過連拍擷取其中較為清楚的影像畫面，再利用特殊演算法修正，使得影像品質最好。優點是不需機構，成本較低，缺點是當像素越高時，所耗費處理時間需更長。

電子式防手震可分為三種方式：一為增加影像感測器之感光度及所謂ISO值或增大光圈，以提升快門速度減少手震問題；二為利用軟體演算設法還原影像；三為利用連拍方式選擇較清楚影像。不過以上三種方式都有其缺點，如增加感光度相對地亦增加雜訊，軟體演算與第三種方式皆佔用太大資源，降低拍照速度。

另一方面，機構式防手震一為採用兩個浮動鏡片與搭配位於鏡頭中兩個的運動感應器，以補償鏡片應該移動的角度；二為根據運動感測器訊號，直接補償影像感測器需移動的角度。機構式的優點是機構穩定無需影像處理時間，故不限高畫素影響；而且在低光量拍攝時，可在慢速快門操作下，獲得高品質影像。缺點是需機構防振，系統成本較高。

由於成本考量，目前手機相機防手震功能皆以電子式防手震為主，雖然減少光學防手震機構的成本，然而其防手震的效果仍不如光學式防手震，在使用單手拍照的手機相機，更顯得防手震的重要性。

因此國內外已開始著手進行可應用於手機相機之微型化光學防手震設計，藉由機構的補償，期望可提升安全快門兩到三級的效果，真正達到消費型數位相機規格。根據一些研究報告指出，手機防手震需求依影像感測器畫素的提昇才逐漸有其價值，細緻的影像才能顯示出防手震效果，預估500萬像素以上需求量才會上升。

三軸微型致動器之應用

微型致動器移動的三個方向為Z軸（光軸）θs、θp，將此致動器裝置於變焦群組的鏡頭中，光學系統端決定置於那一群鏡頭組，就光軸方向，可直接作自動對焦、光學變焦（需搭配連動機構）、另外二個致動方向可作防手震。如此可將整個的微型相機模組體積大幅縮小，不過此應用技術程級頗高，目前尚在研發階段中。

Wafer-Lever AF Camera

如圖四所示，因應市場小型化、薄型化、低成本考量的需求，而衍生出來的前瞻性技術Wafer-Lever AF Camera，其核心在於薄型化致動器與晶圓級光學封裝這二大類。薄型化致動器（polymer actuator）厚度約1mm，消耗功率僅0.03W，驅動電壓3V～4V，重量0.015克。在晶圓級光學封裝方面，由於是將三片晶圓堆疊而成，最上層為Polymer lens、中層為Polymer actuator、下層為CMOS image sensor，最後再切割成整個微型對焦模組，最大優點是可批次量生產。

《圖四　Wafer-Lever AF Camera示意圖》

工研院發展現況

工研院南分院微系統科技中心自投入微型相機模組發展迄今，已先後完成自動對焦模組（本文不撰述）、光學變焦模組、防手震模組之原型機開發。在光學變焦模組方面，其規格與各大廠的比較如表一所示。利用微小壓電致動器產生hula-hoop運動做為推動鏡頭的動力，透過C型夾持致動器之機構與預壓結構設計，並藉由高頻電壓訊號做為驅動源。因此針對致動器本身設計專屬控制驅動電路，以符合低耗能特性，使致動器可以有最佳化的運動模態，已可以整合於手機相機之自動對焦與光學變焦模組，大幅縮小相機模組的體積。

《表一　工研院微型光學變焦模組與各廠牌比較表》

另外，如圖五所示，在防手震模組方面工研院南分院微系統科技中心採用創新壓電結構設計，開發低噪音體波式致動器，驅動噪音僅40dB；並結合訊號分離演算法、低雜訊類比電路、手部顫抖演算法相關技術，能夠產生穩定的驅動力達9g，驅動電壓10V，震動補償±0.4°，補償頻率20Hz（人手的晃動約10Hz），手震殘餘顫抖量僅20％，定位精度可達到小於3um的高性能模組，並且材料成本僅5元。

《圖五　工研院微型防手震模組》

結語

未來要在微小的空間置入多項功能，決非易事。除了繼續致力於本身的技術外，並希望能透過策略聯盟的方式，整合封裝廠商與光學系統廠商，同步開發進行以縮短開發時程，完成具備3X光學變焦與動態光學防手震的CCM模組。如此一來，不但可以提供台灣光學產業、封裝產業及時的技術支援與佈局，組成一完整的產業鏈，同時在消費性電子產品應用上，更具有低成本的競爭力。

（作者任職於工研院南分院微系統科技中心）