自動對焦(AF)是數位相機(DSC)中常見功能，用來確保相機能精準地對拍攝物體對焦，拍出清晰銳利的照片。然而，這項自動對焦功能一直到最近才開始普及到高階手機所搭載的相機。
這類手機非常講究影像品質、尺寸及低成本，但是目前數位相機最常見的自動對焦制動器(亦即步進馬達)並不適用於手機市場，所以許多新技術因而興起，以滿足市場在這方面的需求，其中微機電系統(MEMS)就是最領先的技術。
現今大多數手機的自動對焦相機均採用音圈馬達(VCM)技術。相較於MEMS技術，音圈馬達在尺寸、效能和能耗等方面面臨更嚴苛的限制。將制動器元件整合至一個單晶片上的MEMS技術，因為在微型化與降低成本方面的優勢，得以在市場上的眾多自動對焦技術中脫穎而出。
自動對焦運作環環相扣
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| 圖1 自動對焦系統的運作方式 |
要真正了解各種自動對焦技術的優缺點，必須先了解自動對焦系統的運作原理。自動對焦系統包含影像感測器、影像處理、自動對焦運算器、驅動電路、自動對焦制動器及一個成像鏡(圖1)。
影像感測器負責擷取影像，再經由影像處理器進行分析後測出對焦精準位置，自動對焦運算器接著下指令給驅動器電路，去移動或修正成像鏡頭至對焦位置；自動對焦系統會持續重複整個步驟，直到相機判斷出最佳的對焦位置為止。而當達到最佳的對焦位置後，光學鏡片的位置或形狀必須回復到原始的數值。因此，制動器必須擁有很好的重複性與較低的磁滯性。
然而，除了自動對焦演算器所擁有的優點外，這樣的機制為了避免因感測器反應遲緩而導致使用者錯失拍照時機，其自動對焦演算器會不斷地持續運作，因此功耗也成為另一個須額外考慮的問題。
VCM具高產量/低成本優勢
MEMS技術採用矽晶圓的光學微影蝕刻製程，所以得以製作出尺寸誤差範圍不到1微米(μm)精確度的微小可動機械結構。當運用在擁有相機功能的手機時，這項結構的特性便可以造就出精準的移動與高品質的影像。MEMS也將機械與電子元件整合至單一晶片，縮減制動器的尺寸。
此外，由於靜電制動技術具有低功耗與運轉安靜的特點，MEMS自動對焦制動器特別適合用在拍攝影片時進行連續自動對焦。
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| 圖2 手機中使用的MEMS數位相機(左圖)，以及自動對焦用的MEMS基座組件(右圖)。 |
圖2是一個MEMS自動對焦數位相機和催生出這種相機的MEMS AF制動器。MEMS AF制動器體積小巧，晶片的長寬高僅為7毫米(mm)×7毫米×0.15毫米，採用此晶片的相機可以做到與定焦型相機一樣的尺寸。五百萬畫素相機的元件尺寸為8.5毫米×8.5毫米×6毫米。
表1比較各種MEMS自動對焦制動器。這些相互競爭的技術可被分為鏡頭移動式(Lens-motion-type)AF和鏡頭變形(Lens-modification-type)AF兩大類。
鏡頭移動式AF內含一個步進馬達(圖中未顯示)、音圈或壓電馬達。在所有的技術中，就MEMS自動對焦而言，光學鏡頭組都必須有精準的對位與移動控制機制，才能維持良好的影像品質。
鏡頭變形式自動對焦則包含液態成像鏡或液晶元件。而這類自動對焦的功能，是藉由改變光學鏡頭組形狀，以及/或折射率來達到這些變焦目的。
使用鏡頭移動式自動對焦有兩項關鍵要求。第一，動作控制必須達到光學級的精準度。第二，制動器必須維持低功耗且不能占用太多空間。舉例來說，雖然第一部搭載自動對焦功能的數位相機採用步進馬達，但步進馬達由於尺寸與功耗的因素，始終無法被使用在照相手機。
如先前所述，VCM由於具備高產量與低成本優勢，因此是目前手機市場上自動對焦的主流解決方案。雖然VCM類似喇叭中的制動器，也採用磁鐵與線圈來產生制動力，但相機對於移動控制的要求，遠比喇叭來得嚴苛，若是使用的VCM不夠精準則會降低影像品質。此外，VCM的高功耗問題在錄製影像時會更加地被突顯。
隨著手機相機的尺寸持續微型化，VCM的這些問題也更為顯著。因此手機原始設備製造商(OEM)正在積極尋找VCM的替代方案。
各類解決方案百花齊放
手機市場中另一項小有成就的技術就是壓電馬達。實際例子包括Limited 1與Konica Minolta的壓電制動器。Limited 1制動器因為採用壓電材料所製成的線圈，擁有放大機械動作效果的特點，但它同時也面臨到因受周圍環境影響而可能造成的可靠度問題。
Konica Minolta的壓電馬達可用來代表大多數的壓電制動器，它是透過進行數以千計的微小步驟來達到大幅移動的效果。壓電制動器的主要缺點是需要位置感測系統，因為它們的磁滯較顯著，而且定位的重複性不佳，須要動用位置感測器，另加上壓電材料的制動力不足，因此形成尺寸上的種種缺點。此外，一些壓電制動器所產生的噪音，更會在拍攝影片時成為惱人的問題。
鏡頭變形式自動對焦，至今尚未成功打入手機相機市場。也許是因為受到其影像品質減損的限制，自動對焦雖然不是一個便宜的功能，但它只能被運用在投資成本較低的低階相機。例如Varioptic的液晶鏡頭，其連結兩種不同折射率的液體，藉由改變表面曲率來調整光學屬性。由於兩種液體形成的光學表面為球面，相對於非球面，球面像差的問題會導致其應用範疇只能局限在三百萬畫素以下的相機。
最後，目前還有許多非光學的解決方案，採用各種影像處理技巧。譬如全幅對焦(EDoF)，被用來提升定焦式相機的效能，並在低階相機市場占有一席之地，但這些解決方案仍然無法直接攻入高階相機的市場。
MEMS AF制動器與EDoF開發廠商Tessera正在尋求各種途徑來結合這兩項技術，渴望在未來能夠提升高階手機的相機效能。隨著業界持續將自動對焦推入頂級的相機手機，MEMS技術將能滿足顧客對於高影像品質、方便攜帶尺寸及價格低廉等需求。
(本文作者為Tessera大中華區副總裁暨台灣區總經理)