陳余天

摘要：隨著手機拍照要求和性能的提升，相位檢測自動對焦（PDAF）類模組廣受關(guān)注。由于手動方式測試此類模組測試效率低、測量精度低、工人勞動強度大等不足，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，綜合機械設(shè)計、機械理論、工程材料等相關(guān)知識，通過理論計算與實際模擬相結(jié)合的方式，設(shè)計并制造了1臺三工位自動對焦設(shè)備，其實際生產(chǎn)效率能夠達到210片/h。為了更好地提高工作效率，進一步將三工位自動對焦測試設(shè)備改造成六工位自動對焦設(shè)備，改造后生產(chǎn)效率能夠達到360片/h，測試效率提升了70%左右。

關(guān)鍵詞：手機攝像模組;多工位自動對焦設(shè)備;測試;相位檢測自動對焦

中圖分類號：TH74 文獻標志碼：A

引言

隨著人們對手機拍照性能要求和品質(zhì)的提升，相位檢測自動對焦（PDAF）類手機攝像模組已批量生產(chǎn)。為了保證批量生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，需要進行大量的PDAF手機攝像模組測試。手動測試具有效率低、勞動強度大、精度差、柔性制造能力差及不能滿足高端客戶的自動化能力要求等缺點。為了提升PDAF手機攝像模組測試效率和自動化水平，滿足大規(guī)模的柔性化生產(chǎn)能力，迫切需要研發(fā)多工位PDAF手機攝像模組測試矯正設(shè)備。

在PDAF手機攝像模組組裝測試階段的流水線生產(chǎn)中，需對模組做近景測試矯正、遠景測試矯正、感光單元損壞造成的壞點檢測與模組上下表面沾染油污和灰塵構(gòu)成的污點檢驗。在采用三工位自動對焦矯正設(shè)備測試時，單模組測試（自動對焦矯正+檢測+取放）所需時間為20 s左右。因每次都是單一模組放置檢測，每小時檢測模組數(shù)為210片左右，所以人工成本高，設(shè)備利用率低，占用場地空間大。為此，需對三工位自動對焦矯正設(shè)備進行優(yōu)化升級，通過對每個工位測試模組數(shù)量的增加提高測試效率。

1手機攝像模組調(diào)校過程

手機攝像模組，特別是高像素（1 300萬像素以上）模組的測校過程復(fù)雜且難度大。PDAF模組與普通手機攝像模組相比，對焦速度更快，第一步粗調(diào)直接一步到位，之后再進行細調(diào)得到更加清晰的圖像。PDAF攝像模組調(diào)校的基本原理是在模組成像芯片中增加左/右相位差像素單元，其功能如圖1所示。當左/右相位差像素單元接收的能量曲線重合時，如圖1（b）所示，左和右兩者的偏移量為0，即圖像相位差值為0，說明當前處于焦點位置。當左/右相位差像素單元接收的能量曲線不重合時，如圖1（a）與圖1（c）所示，左和右兩者的偏移量為當前圖像相位差值，左/右曲線的位置前后關(guān)系代表馬達的運動方向。圖1（a）表示處于近焦位置，近焦調(diào)校過程是將模組放在近焦處，移動馬達到對焦位置，并刻錄下該位置信息。圖1（c）表示處于遠焦位置，遠焦調(diào)校過程是將模組放在遠焦處，移動馬達到對焦位置，并刻錄下該位置信息。壞點和污點的檢測首先需要確定壞點或污點的圖像坐標，然后再對圖像進行分塊并得到分塊區(qū)域的平均亮度值，最后比較壞點或污點的亮度與平均亮度間的某種特定差別來確定壞點或污點。

基于PDAF攝像模組調(diào)校的測試原理，其測試步驟為產(chǎn)品擺放-污黑點測試-近焦測試-遠焦測試-取產(chǎn)品。

按照測試步驟，PDAF攝像模組測試設(shè)備包括4個部分。第一部分是工裝夾具固定部分，通過固定裝置將工裝夾具固定，使工裝、夾具之間不會發(fā)生相對位移，保證運動過程的平穩(wěn)性。圖2為探針夾具，包含上蓋1與本體3兩大部分，模組2放置于本體中，扣下壓蓋使模組壓合。第二部分是工裝翻轉(zhuǎn)部分，其目的是使攝像模組在水平測試時翻轉(zhuǎn)。測試模組放入夾具后，工裝通過與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)相連的旋轉(zhuǎn)軸4翻轉(zhuǎn)90°，模組跟著翻轉(zhuǎn)90°，使模組從垂直面轉(zhuǎn)動到水平測試平面。具體過程為：工裝5通過螺絲固定在工裝固定座6上，按下啟動按鈕7，通過與工裝固定座6相連的旋轉(zhuǎn)軸4在電機的帶動下翻轉(zhuǎn)90°，從圖3水平狀態(tài)轉(zhuǎn)至圖4的豎直狀態(tài)，從而保證鏡頭面與光源面平行。第三部分是近焦測試部分，通過直線電機帶動工裝沿著直線導(dǎo)軌16運動，當運動到近焦源測試點位置時（圖5），小光源10在步進電機8的帶動下，向下運動至測試點位，開始近焦功能測試，測試完成后，小光源步進電機反轉(zhuǎn)，小光源開始向上運動，當?shù)竭_最高點時，行程開關(guān)被觸發(fā)，小光源停止運動。第四部分是遠焦測試部分，當近焦測試完成后，工裝會繼續(xù)沿著導(dǎo)軌16向前運動至遠焦測試位置，當工裝到達遠焦測試點位置時（圖6），大光源機構(gòu)13會在大光源驅(qū)動電機12的帶動下向下運動至測試點位置，從而開始遠焦功能測試。當所有功能均測試完成時，工裝會在直線電機的帶動下沿著導(dǎo)軌16原路返回，此時測試結(jié)果會在操作面板17上顯示（圖7），則整個測試過程完成，依此重復(fù)進行。

2三工位自動對焦設(shè)備測試時間分析

根據(jù)設(shè)備的工藝原理可知，該設(shè)備主要涉及上料、翻轉(zhuǎn)、小光源下降、增距鏡下降、工裝沿導(dǎo)軌直線運動等動作。由于工裝及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)等部件都是直接或間接安裝在上料組件安裝板上，其運動情況一致，可被視為一個機構(gòu)，即上料機構(gòu)。同樣，小光源和污壞點光源也固定在一起，所以也視為同一個機構(gòu)，即小光源污壞點測試機構(gòu)。故設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)的運動分析只包含上料、小光源污壞點測試、增距鏡等3個主要機構(gòu)。又由設(shè)備設(shè)計可知，主要執(zhí)行機構(gòu)都由步進電機提供動力，故將其作為時序控制裝置。

1）上料機構(gòu)運動時間Ts

根據(jù)工藝要求，當增距鏡機構(gòu)的增距鏡中心與模組鏡頭中心在同一條直線上時，開始測試工作。當遠焦測試動作完成后，增距鏡機構(gòu)開始做回程運動，增距鏡回程到距離工裝上部250 mm時，回程運動結(jié)束。因增距鏡機構(gòu)運動至遠焦測試位置的時間與返回行程時間相同，通過計算可知，增距鏡機構(gòu)運動至遠焦測試位置時間為Td1=1.0 s，根據(jù)工藝要求，增距鏡的測試時間為Td2=1.5 s，增距鏡機構(gòu)的回程運動時間Td3=1.0 s，根據(jù)式（3）可得，增距鏡機構(gòu)的運動時間Td=4.5 s。

4）設(shè)備整體的運動循環(huán)時間T

測試設(shè)備的最終目標是實現(xiàn)遠近焦及污壞點測試。由設(shè)備設(shè)計可知，工裝上料機構(gòu)移動的準確與否，會直接影響后面執(zhí)行機構(gòu)能否安全運行，是需要控制的重要部分，所以在分析整機運動循環(huán)時，須以工裝上料機構(gòu)開始運行的時刻為工作起點。根據(jù)設(shè)備的工藝流程，結(jié)合對各機構(gòu)運動情況的分析與整合，得出設(shè)備的工作循環(huán)圖，如圖8所示。

3實驗與分析

3.1實驗設(shè)計

為了準確分析三工位自動對焦設(shè)備測試效率，專門選擇了同一批次的產(chǎn)品，所有產(chǎn)品均經(jīng)過檢測，確認都是合格品后再上機臺測試，排除物料本身對測試效率的影響。在實驗過程中安排了5臺測試設(shè)備進行測試。

3.2實驗結(jié)果與分析

在實驗過程中選擇不同時間段的測試數(shù)據(jù)進行記錄，上午9：00至下午17：00測試的模組數(shù)量見表1。由實驗結(jié)果可看出：同一臺測試設(shè)備在不同時間段的測試模組數(shù)量略有差異，總體上在210片左右徘徊，差異不大;不同機臺之間存在一定的差異，這主要是因為不同操作人員之間存在手法差異。

4優(yōu)化與改進

4.1工裝布局優(yōu)化

目前可自動對焦的遠近焦三工位測試設(shè)備，雖然測試功能能夠滿足生產(chǎn)的要求，但設(shè)備空間并未充分利用，空間利用率較低。若能夠提高空間利用率，將會極大地節(jié)省成本并提高生產(chǎn)效率?，F(xiàn)有設(shè)備空間寬度為950mm，而工裝寬度為90mm，3個工裝并排時理論寬度為270 mm，因此還有很大的優(yōu)化空間。圖9為三工位測試設(shè)備的空間布局。

4.2小光源布局改進

小光源是用來測量模組近焦的，小光源數(shù)量越多，寬度上浪費的空間就越少。因此，為了盡可能利用內(nèi)部空間，相比三光源并排布局的方式，本次優(yōu)化時，考慮6個工裝對應(yīng)1個小光源或2個小光源;但6個工裝對應(yīng)1個小光源，會導(dǎo)致6個工裝聯(lián)動，當2個或更多模組出現(xiàn)燒錄NG（no good）時，不能單獨更換模組或重新燒錄，引起UPH（unit per hour）的降低。所以，6個工裝對應(yīng)1個小光源不可行，考慮采用6個工裝對應(yīng)2個小光源，即每3個工裝對應(yīng)1個小光源。

由于設(shè)備寬度為620mm，因此在620mm寬度范圍內(nèi)，會有20mm的干涉。通過前后放置的方式，如圖10所示，能有效解決此問題。圖11為六工裝并排的方案。

在選擇2個小光源的最優(yōu)方案中，通過前述分析可以發(fā)現(xiàn)，解決2個小光源的干涉問題是關(guān)鍵。因此將2個小光源前后放置，避開并排時的干涉。

根據(jù)小光源尺寸，小光源向下移動的距離至少為323.5mm，而選擇的y軸和z軸絲杠運動行程最大為200 mm，因此難以滿足要求。

所以，上下兩排的工裝放置形式不可取，只可單排放置。考慮采用小光源前后錯位放置的方式，這樣能夠有效避開同排測試時的干涉，具體實施如下。

經(jīng)過計算，將小光源尺寸增加至550 mm（主要增加外框尺寸），如圖12所示，小光源可以充滿3個工裝，左工裝中景與右工裝不干涉，左工裝近景與右工裝不干涉。所以，左右工位工作時不會出現(xiàn)相互影響的情況。圖13為改造前的三工位設(shè)備，圖14為改造后的六工位設(shè)備。

4.3實驗設(shè)計與結(jié)果分析

為了與三工位自動對焦設(shè)備進行對比，選擇同一批產(chǎn)品、同一批次機器、同一批次人員進行實驗，實驗時間也選擇上午9：00至下午17：00，每隔1小時統(tǒng)計1次數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2。從實驗結(jié)果可以看出，與三工位對焦設(shè)備相比，工位數(shù)增加1倍后，測試效率提高了70%左右。因此，工位數(shù)增加能明顯改善測試效率。

5結(jié)論

基于PDAF攝像模組調(diào)校原理，設(shè)計了三工位自動對焦測試設(shè)備，實驗發(fā)現(xiàn)其生產(chǎn)效率低。經(jīng)優(yōu)化，將三工位自動對焦測試設(shè)備改造成六工位自動對焦設(shè)備。在不同機臺上的測試結(jié)果表明，三工位自動對焦測試設(shè)備每小時測試手機攝像模組數(shù)量約為210片，經(jīng)過工位改造后，每小時測試手機模組的數(shù)量提升至360片左右。多工位改造后，自動對焦測試設(shè)備的生產(chǎn)效率提升了約70%。