光学编码器具备的优势与设计应用

手机相机的光学变焦功能避免了数码变焦引起的质量下降，但目前的实施方式往往是嘈杂，笨重和耗电。 Avago的AEDR-8400编码器采用独特的方法解决了上述每个问题。

简介

广泛的商业应用使用具有缩放机制的摄像机。也许最普遍的应用是相机手机。相机变焦的关键设计标准包括低功耗，当然还有空间限制。本文介绍了一种光学编码器技术，它为相机变焦设计提供了一种新方法来应对这些挑战。

光学和数字变焦

相机手机可能具有光学变焦，数码变焦或两者兼而有之。光学变焦改变了相机镜头的有效焦距，使得原始图像被放大并且可以由CCD或CMOS图像传感器捕获。通过更大的放大率，光在整个图像传感器上散布，并且可以使用所有像素。光学变焦可以被解释为真正的变焦，可以提高拍摄图像的质量。另一方面，数码变焦有点不同。在这种情况下，应用软件算法而不是硬件移动（即，镜头定位的改变）以放大图像。这种放大仅涉及捕获图像的特定部分。这被称为插值技术。使用这种技术或算法需要添加信息以便放大相应的图像部分。看起来捕获的图像可能会被放大。然而，仅使用了实际图像信息的某一部分，而图像的其余部分来自插值输出。有一点值得一提的是，数字变焦越高，真实信息的部分就越小。被采取。因此，许多最初捕获的图像传感器信息将被丢弃，更多插值的图像数据将被合并到合成图像中。因此，光学变焦是确定相机真实变焦能力的重要机制。手机不丢失任何图像数据。光学变焦中精确的镜头定位控制对于确保放大图像的质量至关重要。图1示出了来自相机电话内部的相机模块的缩放机制的典型示例。对准透镜使得图像可以聚焦到图像传感器上。变焦机构涉及两个或更多个镜头的同步移动。通过改变透镜之间的距离，相机镜头的实际有效焦距相应地改变。因此，图像传感器将捕获放大的图像。

图1：使用AEDR-8400编码器的相机手机中的典型缩放机制。

简化了接线过程，编码器安装在摄像头模块外壳上并保持固定位置。移动部分是代码条，它充当镜头线性移动的转换器。将窗口和条形图像投射回编码器可提供所有必要信息的反馈，以便快速准确地定位镜头。对于传统的变焦机构，机械凸轮和齿轮传动的组合是镜头位置控制的常用方法。然而，这种方法将遭受不可避免的磨损问题，并且镜头定位的准确性会随着时间的推移而降低并直接影响缩放图像的质量。

Avago Technologies的AEDR-8400编码器可以帮助解决这些缩放问题的问题。当齿轮和机械凸轮出现任何反向绑定时，编码器的反馈为实时校准提供必要的信息。这有助于确保精确和准确的镜头定位。此外，在一些定制的相机模块设计中，可以移除机械凸轮（参见图2）。

图2：带编码器反馈的缩放机制例如，将AEDR-8400编码器集成到压电执行器相机模块中，可以基本上消除机械凸轮的使用。并且，由于没有机械凸轮参与，因此没有固定的变焦位置，新的相机模块系统可以使用连续变焦功能（参见图3）。

在功耗方面，压电执行器系统倾向于消耗与音圈和伺服解决方案相比功耗更低。此外，压电执行器解决方案可以帮助将噪声和振动水平保持在最低水平，这是步进电机或音圈解决方案无法实现的目标。

图3：AEDR-8400编码器，用于照相手机中的变焦机构。

编码器工作原理

微型增量编码器AEDR-8400采用表面贴装无引脚封装，尺寸为3.00 x 3.28 x 1.26 mm，使其成为具有数字输出的最小光学编码器。它在单个SO-6（小外形，6针）封装中集成了LED光源和光电探测器IC，采用反射技术来感应旋转或线性运动。小尺寸和反射技术使编码器可用于广泛的商业应用，特别是在空间和重量是主要考虑因素的情况下，例如照相手机中的变焦机制。该编码器提供每英寸254行的分辨率，相当于每毫米10行，具有两个通道数字输出。编码器可在-20°C至85°C的温度范围内工作。照相手机的相机模块中的一个关键标准是能够在较低的电压水平下操作。 AEDR-8400编码器的典型工作电压为2.8 V，可以轻松满足此应用的需求。图4显示了AEDR-8400编码器的光学布置，与反射式编码条一起使用，其中镜头聚焦光线从LED到编码条的窗口和条形图。

图4：反射编码器的光学排列。

窗口和条形图的反射图像是专注于光电二极管。当编码条移动时，由窗口和条形投射的光和阴影的交替图案分别落在光电二极管上。检测器IC将此模式转换为数字，TTL兼容输出，表示码带线性运动，从而表示镜头的运动。一个重要的参数是分辨率，它被定义为单位距离中窗口/条的密度，通常定义为每英寸线数或每毫米线数。更高的分辨率意味着更精细地控制线性运动。

AEDR-8400编码器的设计使得编码器的LED和检测器IC应平行于窗口/条的方向放置。因此，编码器对径向游隙很稳健。这个概念如图5所示。与步进电机解决方案或音圈解决方案相比，整体相机模块设计可以缩小。电机尺寸与压电执行器相当。然而，机械凸轮和齿轮传动的移除使得整个相机模块的尺寸能够进一步降低，以满足现有的市场需求。

图5：从顶部看，发射器/探测器相对于窗口/条的光学对准。

AEDR-8400编码器有助于在两个镜头之间提供精确的定位控制，从而获得更高质量的图像。此外，可以快速准确地执行镜头移动的同步。

编码器输出，即通道A和通道B，以其正交关系为特征，通道之间的相移为90电角度。另外，信道的特征还在于它们的四个状态（例如状态1到状态4），每个状态跨越标称的90电角度。关于线性运动的信息，例如移动速度和行进的距离，可以从输出的参数中导出，例如脉冲周期和脉冲数。同时，线性运动的方向由两个输出之间的相位关系确定。当代码带在一个方向上移动时，通道A将通道B引导90电角度。当代码条沿另一个方向移动时，通道B将引导通道A相同的量。通过编码器输出的正交解码可以实现高于码带的分辨率，其中存在不同的解码级别。计算一个信道（例如信道A）的每个上升沿被称为1X解码。通过计算一个通道的每个上升沿和下降沿可以使代码带分辨率加倍，从而进一步提高分辨率。这称为2X解码。当使用通道A和通道B的每个转换（或每个逻辑状态）时，可以实现4X解码。

代码条

代码条表面必须是反射的和镜面的（镜像的）以便图像图案反射回AEDR-8400编码器的光电二极管。潜在的材料包括金属和反射膜。确定编码条是否适用于反射光学编码器的一种方法是使用散射仪。

通过设备测量的镜面反射率为60％或更高的反射表面与反射编码器兼容。非反射区域的反射率应小于百分之十。

当测试镜面反射时，反射表面应与非反射表面分开测试。建议单独测试反射表面。然后测试非反射表面。避免在图案化表面上进行测试，因为这只会在图案上提供平均反射率。

未来的编码器技术

Avago Technology正在开发新的编码器技术，它将索引通道与现有的两个数字输出通道集成在一起。该索引通道将有助于消除对光电断路器的需要，以指示镜头的行程范围的限制或结束。此外，下一代编码器还具有内置插补器，允许用户将插值因子设置为304LPI基本分辨率的一倍，两倍或四倍。