OIS、EIS原理

news2025/4/8 9:15:50

OIS概念

光学防抖OIS，全称Optical Image Stabilization，从字面理解就是稳定的光学图像。其工作原理是基于陀螺仪检测并进行位移补偿。即通过镜头内的陀螺仪侦测手机抖动产生的微小移动，然后将信号传至CPU处理，CPU会即刻计算需要补偿的位移量，再根据计算结果移动相机镜片组中的悬浮镜片，以抵消抖动产生的微小位移，从而有效克服因相机振动产生的影像模糊。

注：OIS可以稳定由于摄影师手抖造成的图像模糊，但它无法补偿由场景运动引起的模糊。

OIS补偿方式

OIS的补偿方式分为两种：lens shift和module tilt，如下图所示:

其中：

Lens Shift的位置传感器主要采用Hall Sensor
module tilt的位置传感器主要采用Photo-sensor
Lens Shift无法进行补偿roll维度的抖动
Lens Shift能够补偿的角度相对小一些
module tilt相对会增加模组的高度

补偿原理

一开始在稳定状态下，物体能够投射到sensor中心位置，但是当发生晃动或者抖动的时候，物体并没有成像在sensor中心，这时就需要OIS进行补偿，改变光路，使其物体重新成像在sensor中心。本文以Lens Shift为例，演示OIS的补偿过程。

OIS防抖工作原理

OIS系统组成部分

OIS的大体俯视图如下所示，其电路主要由四个主要组件组成，分别是Gyro sensor、Hall Sensor、Driver IC和MCU。

Gyro sensor

能够感知手机上的运动或振动，但目前相机模组上不单独安装Gyro Sensor，而是通过SPI来获得手机端Gyro Sensor的数据，可以节省相机模组的空间。（问：为什么用SPI方式传输数据，而不是常用的I2C）

答：陀螺仪的精度是决定整个系统性能的关键特性，是控制精度的基础。phase delay必须减少到最小，以避免在控制环时序中插入延迟；zero-rate offset必须接近于0，来减少积分误差；输出数据速率必须高于要控制的系统频率的两倍(过采样)；测量范围必须保证高达±250dps；速率噪声密度必须非常低才能最大限度地提高信号的精度；功耗在正常模式和待机模式下都必须极低以适应手机。最重要的一点是陀螺仪的角度数据必须快速稳定的发送到MCU中，所以建议使用SPI方式，其能达到6Mbit/sec的速率，比I2C要快。

Hall sensor

感知lens的移动位置。

Driver IC

主要有两个功能：（1）根据控制算法的计算，将Lens（Module）引导到正确的位置；（2）从Hall Sensor中获得有关Lens（Module）的位置信息。

MCU

（1）执行控制算法来矫正相机位移；（2）另外还应进行采集信号的预处理和Hall Sensor校准补偿（由于温漂造成的）；（3）与Gyro sensor和Driver进行通信，告知Driver新的参考位置。

OIS系统计算流程

（1）由主板的（Gyro和加速计）提供角速度和加速度信息；

（2）加速度可以得到重力方向信息

（3）角速度积分后（积分后是角位移？），换算成手机X/Y方向上的位移量；

（4）为了抵消位移量，计算出期望的Lens X/Y位置的Hall target，传给OIS driver的闭环控制；

（5）开始闭环控制：计算Hall target和Hall数据的差值，通过PID controller输出到执行器，使Hall数据达到Hall target。

OIS 执行器的种类和实现原理

Ball-type OIS 马达：semco 技术主导的 OIS 执行器类型。镶嵌在导槽的滚珠滚动让 Lens
可动，通过磁石和音圈的相互作用实现 Lens 在 X/Y 方向的位移，抵消手机的位移。优点：
结构简单、OIS 性能较好, 缺点：serve off 后镜头晃动、滚珠和润滑油在极端气候下影响大。

SMA OIS 马达：SMA(shape memory alloy)主要由英国 CML、国内某供应商供应，模组
LG innotek 推动的 OIS 执行器类型。利用 SMA 热敏记忆合金，通过电流控制长度”电流→温
度→长度“，拉动 Lens 在 bracket 中位移，一般需要一对 SMA 线(2 wires)来控制一个方向。
优点：结构简单、肩高较低、没有磁性器件（不影响手机的其他器件/多个 AF 模组的情况）
、容易实现 rotation 控制。缺点：虽然薄但面积较大、成本较高。

悬丝(弹片)OIS 马达：Apple 主要使用的 OIS 马达。金属丝或者簧片既作供电功能又具
有弹性，令 Lens 可动，通过磁石和音圈的相互作用实现 Lens 在 X/Y 方向的位移。优点：成
本低、国产成熟。缺点：结构较大、OIS 性能一般、容易产生镜头 tilt、可靠性风险。

OIS driver 内部各模块

简单介绍一下 OIS 内部各模块
Orientation: 是因为 OIS 和陀螺仪本身可能存在 XY 轴互换因此在 OIS 中通过
该模块对 X Y 作对调。
GETGRX/Y : 这里是 OIS 最先获取的陀螺仪的原始数据，但是注意的是如果存在 XY
互换，那么经过 Orientation 获取的 GETGRX 的值实际上是陀螺仪的原始 Y 数据。
Gyro filter : 信号滤波。
XGG/YGG : Xgain 和 Ygain 数字放大。
Polarity : 极性翻转如果存在陀螺仪的 X 方向的正方向和对应的是 OIS X 轴的
负方向，所以需要将 OIS 的 X 轴作一下极性的翻转。
SRX/Y : 最终通过 OIS 内部硬件算法处理后的 OIS 的 X Y 的位移值，最终 OIS
会根据这个位移值时时调整镜头的位置。

OIS 的 bring up

ois porting 的主逻辑和 sensor 以及其他 sub device 一样，主要分为三步：

1. 配置 dtsi 保证上电时序和电压参数正确
dtsi 的配置不过多追述基本和其他 sub devices 一致，主要注意就是电压的范围设置，
I2C 的配置这些

2. 配置 xml，主要是 slave addres，以及各个 mode 下的寄存器设置，简单介绍一下，xml
里面的主要一些 porting 相关的参数
<slaveAddress>0x68</slaveAddress>
//ois i2c 地址
<i2cFrequencyMode>FAST_PLUS</i2cFrequencyMode>
//ois i2c 速率
<powerUpSequence>
//ois 上电时序
</powerUpSequence>
<powerDownSequence>
//ois 下电时序
</powerDownSequence>
<oisinitSettings>
<enableOisSettings>
// ois init
//ois enable

<disableOisSettings>
// ois disable
<centeringOnSettings>
// ois centeringOn
<centeringOffSettings>
// ois disable centeringOn
<opcode>

<prog>0x0000</prog>

<coeff>0x0000</coeff>

<pheripheral>0x0000</pheripheral>

<memory>0x0000</memory>

<fwAddrType range="[1,4]">2</fwAddrType>

<addrIncrease>1</addrIncrease>
<addrIndataflag>122</addrIndataflag>
</opcode>