先拍照後對焦 淺析MEMS技術手機攝像頭

敢於第一個吃螃蟹的人需要非凡勇氣，在智能手機行業，包袱小擔子輕的國內廠商往往更熱衷於嘗試最新的技術。DigitalOptics Corporation公司日前宣佈，中國智能手機製造商OPPO與其簽下了業界首筆MEMS攝像頭量產訂單。未來OPPO將成為全球首個引入MEMS相 機模塊的手機廠商。

對於大多數人來說，MEMS還是一個很新鮮的詞彙，把它與手機攝像頭扯到一起，就更讓人摸不著頭腦了。何謂MEMS？MEMS攝像頭模組有何優勢？OPPO敢為天下先的背後包含著哪些誘惑？

什麼是MEMS？

要搞清楚MEMS攝像頭，首先必須瞭解什麼是MEMS。MEMS的全稱是微型電子機械系統（Micro-ElectroMechanicalSystem），你可以把它理解為利用傳統的半導體工藝和材料，在芯片上製造微型機械，並將其與對應電路集成為一個整體的技術。

一般來說，我們談及CPU、內存顆粒之類的芯片，其內部集成的無非是電阻電容二極管三極管之類的半導體結構，但MEMS不同，它不但有晶體管，還要 把機械部件集成進去。如果你有一支機器貓的放大手電筒，對著一塊MEMS芯片照照，你會發現裡面還有諸如軸承、彈簧之類的機械部件。國外甚至還有瘋子做出 了硅片上的內燃機，能以10萬RPM的轉速工作20分鐘！

聽起來很高深，但實際上MEMS已經深入到了你我的生活之中。手機是目前MEMS部件最集中的電子產品之一，其中的加速度傳感器、麥克風（部分）和 陀螺儀 都使用了MEMS技術。其他類似遙控直升機、筆記本電腦甚至鼠標，也使用了MEMS技術製造的芯片。可以說，MEMS已經無所不在，只是你並沒有注意到 它。

那麼，MEMS攝像頭是怎麼回事呢？長話短說，MEMS攝像頭就是用MEMS機構來驅動鏡頭組移動從而實現自動對焦功能的自動對焦攝像頭。這麼一 看，這個神秘兮兮的東西好像也就沒什麼嚇人的地方了，因為本質上它就是一個自動對焦攝像頭，和普通攝像頭唯一的區別就是驅動鏡頭組移動的動力來源。

把一個線圈放在磁場裡通電，那麼這個線圈就會受到力的驅動，正是靠這個原理，人們發明了揚聲器。目前驅動鏡頭組的，也是這樣一個放置在磁場中的線 圈，靠加上不同大小的電流，將鏡頭「抬」到不同的高度，實現自動對焦。一般意義上的攝像頭就是靠電磁力來實現鏡頭組運動的，因為它的工作方式和揚聲器很 像，因此這類機構被命名為音圈電機，簡稱VCM。這樣一來，自動對焦攝像頭就分成了兩類——由VCM驅動的，和由MEMS驅動的。目前全世界接近於所有的 自動對焦攝像頭都是由VCM提供動力，這正是MEMS攝像頭所要挑戰的東西。

既然要挑戰，自然就會有優缺點。作為挑戰者，MEMS必然有著自己的獨門絕技，我們先來看一下它到底有哪些武器。

MEMS的優勢

MEMS的優勢，首先是一個字：快。由於MEMS器件非常微小，因此主要靠靜電力驅動的MEMS機械可以做到非 常快的動作速度。同時由於器件本身的剛性非常大，導致整個系統的穩定性要比VCM高得多。MEMS推動鏡頭組運動80微米只需要不到300毫秒，但是傳統 的VCM耗時就可能要長得多。另外，當鏡頭組到位後，MEMS器件只需要不到10毫秒即可進入穩定狀態，VCM則需要最多50毫秒，才可以吸收掉零件的震 動。

按照DigitalOptics Corporation官方給出的數據，MEMS攝像頭對焦速度要比普通的VCM攝像頭快足足7倍，即使這裡面有一定水分，也是一個非常驚人的數字。

其次是准。由於和電子系統緊密結合在一起，MEMS可以非常容易的實現超高精度的閉環控制，因此MEMS的準確性會明顯高於VCM，不論是在分辨率還是重複定位上，MEMS都可以實現小於1微米的精度，而VCM則通常只能做到10～20微米。

除此以外，由於是使用半導體工藝製造的，MEMS機構本身的一致性也要遠高於VCM，具體來說，鏡頭中心偏移量方面，VCM一般只能控制在50微米 左右，MEMS卻可以做到驚人的0.1微米；而對畫質影響非常重大的鏡頭組光軸偏斜，VCM的平均誤差是0.26度，MEMS則只有0.05度，這個優勢 可以極大的提升邊緣成像效果。

最後是省。MEMS工作時的典型功耗只有VCM的1%左右，由此導致的低發熱也可以讓攝像頭組件降溫10度。由於硅機械對於空間利用率的進步，MEMS攝像頭可以實現比傳統VCM攝像頭更薄的最終模組尺寸，差距可以到1毫米——這對於現代手機設計而言是非常重要的一個優勢。

MEMS攝像頭有缺點嗎？

但是……沒錯，但是，有優點就必然有缺點。MEMS攝像頭若是這麼無懈可擊，那麼也不可能任由VCM統治微型攝像頭自動對焦領域。而且放到MEMS的微型機械結構上，可以說它的每一個優點都伴隨著缺點，這的確挺讓人糾結的。

MEMS攝像頭的第一個缺點是畫質。這是一個比較複雜的問題，由於MEMS器件無法做到大幅度的位移，因此對於鏡頭組的設計有著特殊的要求。傳統的 VCM可以輕鬆做到500微米甚至1毫米級別的行程範圍，而MEMS則只能實現80微米。這就意味著，傳統攝像頭可以把整個對焦範圍安排在這1毫米的鏡頭 行程中，MEMS卻只能利用這小小的80微米。雖然MEMS的絕對精度遠高於VCM，但是考慮到行程，相對精度方面VCM也並不落下風。

反過來，對於小行程下大對焦範圍的需求，MEMS必須使用景深極淺的特殊鏡頭，這類鏡頭的偏光角度更大，畫質也不如主流的VCM鏡頭，這導致 MEMS攝像頭目前在成像素質上達不到頂級VCM鏡頭的高度，這對於希望在旗艦級產品上引入MEMS攝像頭的廠家而言並不算是一個好消息。

MEMS攝像頭的第二個缺點是耐用性。硅是一種很脆的材料，因此由MEMS製造的機械本身也是比較脆弱的。雖然手機裡的加速度計也是由MEMS彈簧 提供支撐，但是其工作重量非常非常小，因此並不會在一般震動中損壞，但攝像頭不一樣。鏡頭是有重量的，而且鏡頭的重量還很不小，因此MEMS機構很容易在 劇烈震動——比如跌落——中損壞。

目前的情況是，對於普通VCM鏡頭而言稀鬆平常的1.5米跌落測試，放在MEMS上就成了滅頂之災，MEMS攝像頭只能保證在1.2米以下的跌落高度上倖存——這意味著你假設不小心摔了一下手機，除了要換屏以外，很可能還得換攝像頭，開銷再增一筆。

最後的缺點可能不算大問題：MEMS攝像頭的可選擇性很少。不像成熟的VCM攝像頭領域，從鏡頭到電機到封裝到CMOS，每一個你都可以在至少幾十 種產品中挑選組合，MEMS攝像頭目前僅DigitalOptics Corporation一家，別無分店。這意味著廠家對於產品的控制力會變弱，雖然這對於消費者而言並沒有什麼明顯的影響，但是製造商們顯然不會喜歡由單 一供應商提供的技術，這也是MEMS攝像頭普及的一個障礙。

MEMS器件的前景

綜合下來，MEMS攝像頭對於手機而言是一個新興技術，但不一定有光明的前途。它最強的優勢在快，但是對焦速度並不單純取決於驅動機構的速 度，VCM通過閉環控制，也可以做到0.3秒以下的動作速度，最終決定對焦速度的依然是整套系統：從硬件到軟件，從驅動到控制，優化在這裡面起到的作用要 遠高於硬件。

在DigitalOptics Corporation的宣傳中MEMS攝像頭更利於實現「先拍照後對焦」的光場攝影模式，也是基於其動作速度快。但是就像剛才所說，VCM也可以做 快，MEMS也可能很慢，光場拍攝這個技術裡，對焦速度並不影響功能的可實現性，更多的是影響到對於場景的限制高低：更快的對焦，意味著你可以拍攝運動速 度更快的場景，反之則只能應用在靜態攝影。這就意味著，MEMS對於光場攝影來說是一個潛在利好，但並不是決定性的，更不意味著是排他性的。至於其他方 面，MEMS更多的是不足。即便有朝一日MEMS攝像頭會成為自動對焦攝像頭的主流實現模式，也需要經過大量的改進，遠不是現在的MEMS攝像頭所能做到 的。對於現在的MEMS攝像頭，我們需要給予的更多是一份期待。

最後，筆者想給MEMS攝像頭的開發者DOC公司提個小小的建議，為什麼不利用MEMS機構微型化的優勢，去研發和目前產品尺寸接近的自動對焦前置 攝像頭呢？在目前普遍根本不具備自動對焦能力的前置攝像頭上實現出自動對焦功能，這樣產品的優勢會遠大於已然強大成熟的VCM主攝像頭，相應的缺點也會少 的多。避開敵人的主力，選擇偷襲對方的薄弱環節，這樣的策略應當有更高的成功可能，對此也許可以報以更高的期待。