從結構與原理分析手機攝像頭技術突飛猛進的秘密

19世紀初夏普與當時的日本通信運營商J－PHONE發明了夏普 J－SH04，夏普 J－SH04具有拍照功能，2003年4月24日夏普發售了全球首款百萬像素手機J－SH53，風靡一時。nXtednc

隨著技術的不斷突破與革新，新型照相鏡頭如雨後春筍一樣，不斷出現，從最初的百萬到現在的千萬緊緊用了十餘年的時間，拍攝質量不斷進入新臺階。最具有代表的如華為、三星、蘋果等公司，華為從p6開始鏡頭與處理晶片突飛猛進，新的設計理念不斷應用於實踐，比如在年前還是理論的雙攝像頭設計，目前已經被三星，華為掌握，紛紛用於最新上市手機。nXtednc

目前市面上的手機通常都具有前後攝像頭，前面一般在500萬左右，用來自拍和視頻通話，後置一般在1300萬左右，可以照出更加清晰的圖片和錄製清晰視頻。nXtednc

手機攝像頭組成結構

手機攝像頭主要由以下幾個部分組成：PCB板、DSP（CCD用）、傳感器（SENSOR）、固定器（HOLDER）、鏡頭（LENS ASS′Y）。其中鏡頭（LENS ASS′Y）， DSP（C，CD用），傳感器（SENSOR）是最重要的三個部分。nXtednc

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PCB板

PCB板又分為硬板，軟板，軟硬結合板三種（如下圖），CMOS可用任何一種板，但CCD的話就只能用軟硬結合板。這三種板中軟硬結合板價格最高，而硬板價格最低。nXtednc

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鏡頭

鏡頭是僅次於CMOS晶片影響畫質的第二要素，其組成是透鏡結構，由幾片透鏡組成，一般可分為塑膠透鏡（plastic）或玻璃透鏡（glass）。當然，所謂塑膠透鏡也非純粹塑料，而是樹脂鏡片，當然其透光率感光性之類的光學指標是比不上鍍膜鏡片的。nXtednc

通常攝像頭用的鏡頭構造有：nXtednc

1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G等。透鏡越多，成本越高，相對成像效果會更出色；而玻璃透鏡又比樹脂貴。因此一個品質好的攝像頭應該是採用多層玻璃鏡頭！現在市場上的多數攝像頭產品為了降低成本，一般會採用廉價的塑膠鏡頭或一玻一塑鏡頭（即：1P、2P、1G1P、1G2P等），對成像質量有很大影響！nXtednc

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鏡頭由透鏡、濾光裝置、鏡筒三部分組成，鏡頭參數有三個，即焦距f′、相對孔徑D／f′和視場角2ω。nXtednc

鏡頭焦距是鏡頭的一個重要指標，決定了物和像的比例，如物在無限遠，像的大小由下式決定y′＝－f′·tanω（ω是物方視場角）。nXtednc

相對孔徑D／f＇和光圈數F是鏡頭的關鍵光學指標。相對孔徑，它表示能進入鏡頭到達底片上的光能量，因而決定像平面照度，其定義為入瞳直徑D與鏡頭焦距f＇之比，暗景物和高速運動物體的照相需要大相對孔徑物鏡，大相對孔徑物鏡可以提高像平面照度，根據相對孔徑大小，照相物鏡分為弱光照物鏡（D／f＇1：6．3以下）普通物鏡（D／f＇1：5．6－1：3．5）強光物鏡（D／f＇1：2．8－1：1．4）超強光物鏡（D／f＇1：1－1：0．8）為了使同一鏡頭使用不同的環境，通常孔徑光闌採用可連續變化的可變光闌。nXtednc

相對孔徑的倒數稱為光圈係數，又稱F數，照相鏡頭上標有F數，國家標準按照光通量的大小規定了各光級圈數的排列nXtednc

0．7、1、 1．4、 2、 2．8 、4 、5．6、 8、 11、 16 、22···隨著光圈數的加大，光孔變小，光通量減少，光圈每差一級，光通量相差一倍，對照相機鏡頭來說，F數越低，鏡頭相容性就愈好，使用範圍更大。相對孔徑還影響像面上獲得清晰像的空間深度範圍－景深，相對孔徑越大，成像的景深越大，照相過程中調節光圈大小控制景深。nXtednc

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視場角2ω照相物鏡的視場角2ω決定了物方空間的範圍，照相物鏡的視場由像平面上具有滿意成像質量的圓形區域的直徑決定，或由相機所採用感光元件的感光面尺寸決定。nXtednc

照相物鏡的基本類型：1、．按鏡頭焦距和視場角分為：標準鏡頭、短焦鏡頭、長焦鏡頭。2、按鏡頭焦距能否變化分為：定焦鏡頭、變焦鏡頭。nXtednc

固定器和濾色片

固定器的作用，實際上就是來固定鏡頭，另外固定器上還會有一塊濾色片。nXtednc

濾色片也即「分色濾色片」，目前有兩種分色方式，一種是RGB原色分色法，另一種是CMYK補色分色法。nXtednc

原色CCD的優勢在於畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題，一般採用原色CCD的數位相機，ISO感光度多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，犧牲了部分影像的解析度，但ISO值一般都可設定在800以上。nXtednc

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DSP（數位訊號處理晶片）

它的功能是通過一系列複雜的數學算法運算，對數字圖像信號進行優化處理，最後把處理後的信號傳到顯示器上。nXtednc

DSP結構框架：（1）． ISP（image signal processor）（鏡像信號處理器）；（2）． JPEG encoder（JPEG圖像解碼器）。nXtednc

ISP的性能強大是決定影像流暢的關鍵，JPEG encoder的性能也是關鍵指標之一。而JPEG encoder又分為硬體JPEG壓縮方式，和軟體RGB壓縮方式。nXtednc

DSP控制晶片的作用是：將感光晶片獲取的數據及時快速地傳到baseband中並刷新感光晶片，因此控制晶片的好壞，直接決定畫面品質（比如色彩飽和度、清晰度）與流暢度。nXtednc

上面所說的DSP是CCD中會使用，是因為，在CMOS傳感器的攝像頭中，其DSP晶片已經集成到CMOS中，從外觀上來看，它們就是一個整體。而採用CCD傳感器的攝像頭則分為CCD和DSP兩個獨立部分。nXtednc

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圖像傳感器

在攝像頭的主要組件中，最重要的就是圖像傳感器了，因為感光器件對成像質量的重要性不言而喻。nXtednc

傳感器將從鏡頭上傳導過來的光線轉換為電信號，再通過內部的DA轉換為數位訊號。由於傳感器的每個pixel只能感光R光或者B光或者G光，因此每個像素此時存貯的是單色的，我們稱之為RAW DATA數據。要想將每個像素的RAW DATA數據還原成三基色，就需要信號處理器ISP來處理。nXtednc

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圖像傳感器是起感光記錄作用的元件，和膠捲類似。有CMOS和CCD兩種類型 CCD又叫電荷轉移器件，光電二極體排成一列叫一維型直線式傳感器，光電二極體行排列叫二維型面積式圖像傳感器。nXtednc

CCD由光電二極體感光部件、ccd轉移部件和電荷放大器件組成，當光照射時，光子激發電荷，電荷產生堆積，感光部件與轉移部件之間加上柵電壓，堆積的電荷在柵電壓的作用下，開始定向移動至轉移部件，經放大輸出，這些輸出的電荷信號帶有圖像信息。nXtednc

圖像傳感器的發展趨勢是高敏感化、高解析度、省電、低壓工作等高性能方向發展。nXtednc

CMOS圖像傳感器由金屬氧化物半導體集合而成，每一個像素可以集成多種器件，比如放大器，A／D轉換器等。nXtednc

兩種感光元件的不同之處：nXtednc

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CCD成像質量好，但是製作起來比較複雜，而且耗能大，CMOS雖然成像質量較差，但是驅動電壓低，製造簡單，CMOS可以和其他器件集成，每一個像素都可以實現完整的功能，相比CCD是成千上萬個像素排列，每一個像素激發的電荷匯集到一起，運輸到放大器和數據處理器，這樣給後續處理增加不少負擔，而且大量的電荷匯集，也給通道提出了更高的要求，在技術上出現了瓶頸，CMOS中每個像素單獨完成信號放大和信號處理工作，這些特點，造成CMOS噪聲較大。如果CMOS克服噪聲大的缺點，提高成像質量，CMOS就會超越CCD，成為圖像傳感器的首選。nXtednc

有的廠家在宣傳中會提到「背照式」「BSI」等概念，實際上BSI就是背照式CMOS的英文簡稱，背照式CMOS是CMOS的一種，它改善了傳統CMOS感光元件的感光度，在夜拍和高感的時候成像效果相對好一些。nXtednc

手機攝像頭的成像原理

物方光線進入系統，經過鏡頭，到達圖像傳感器，光子打到傳感器上產生可移動電荷，這是內光電效應，可移動電荷匯集形成電信號，由於處理器無法識別電荷信號，需要把電信號轉化為數位訊號，對於圖像傳感器是cmos的系統不需要外加模數轉換器，而對於以ccd作為圖像傳感器的系統需要A／D轉換器，經過模數轉換器件，電荷信號轉換成數位訊號，數位訊號經過放大電路進入微處理器，數位訊號經過DSP數位訊號處理晶片經過存儲處理後，傳輸到屏幕形成和物一樣的圖像。nXtednc

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影響手機攝像頭性能的一些關鍵因素

像素nXtednc

通常所說的「XXX萬像素」實際是指相機的解析度，其數值大小主要由相機傳感器中的像素點（即最小感光單位）數量決定，例如500萬像素就意味著傳感器中有500萬個像素點，和手機屏幕中的像素數量決定屏幕是720p或1080p解析度是一個道理。nXtednc

像素決定照片質量？nXtednc

通常會以為相機像素越高，拍的照片就越清晰，實際上。相機的像素唯一能決定的是其所拍圖片的解析度，而圖片的解析度越高，只代表了圖片的尺寸越大，並不能說明圖片越清晰。nXtednc

但是當前主流的手機屏幕為1080p級別（1920×1080像素），無論是1300萬像素相機所得的4208×3120像素照片，還是800萬像素攝像頭的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解讀範圍，最終都會以1920×1080像素顯示，所以肉眼所看到的清晰度也是沒有區別的。nXtednc

高像素的優勢在哪裡呢？nXtednc

更高像素的相機所拍圖片的尺寸更大，假如我們想把樣張列印出來，以常規的300像素／英寸的列印標準來計算，1300萬像素相機所拍的4208×3120像素樣張，可列印17英寸照片，而800萬像素相機的3200×2400像素樣張，列印超過13英寸的照片就開始模糊了。很顯然1300萬像素相機樣張可列印的尺寸更大。nXtednc

傳感器nXtednc

既然像素不是決定圖片質量的關鍵因素，那麼誰才是呢？答案是傳感器。nXtednc

相機傳感器主要分兩種：CCD和CMOS。CCD傳感器雖然成像質量好，但是成本較高，並不適用於手機，而CMOS傳感器憑藉著較低的功耗和價格以及優異的影像品質，在手機領域應用最為廣泛。nXtednc

CMOS傳感器又分為背照式和堆棧式兩種，二者系出同門，技術最早都由索尼研發，索尼背照式傳感器品牌名為「Exmor R」，堆棧式傳感器為「Exmor RS」。nXtednc

相對來說，傳感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（圖形信號）越多，信噪比越低，成像效果自然也越出色，然而更大的傳感器卻會導致手機的體積、重量、成本增加。nXtednc

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背照式傳感器的出現，有效的解決了這個問題，在相同尺寸下，它使傳感器感光能力提升了100％，有效地改善了在弱光環境下的成像質量。nXtednc

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2012年8月，索尼發布了全新堆棧式傳感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式傳感器並非演進關係，而是並列關係，堆棧式傳感器的主要優勢是在像素數保持不變的情況下，讓傳感器尺寸變得更小，也可以理解為，在與背照式傳感器的像素數相同時，堆棧式傳感器的尺寸會更小，從而節省了空間，讓手機變得更薄、更輕。nXtednc

鏡頭nXtednc

鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，相當於相機的「眼睛」，通常由由幾片透鏡組成，光線信號通過時，鏡片們會層層過濾雜光（紅外線等），所以，鏡頭片數越多，成像就越真實。nXtednc

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光圈nXtednc

光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成，可以通過改變光圈孔的大小控制進入鏡頭到達傳感器的光線量。光圈的值通常用f／2．2、f／2．4來表示，數字越小，光圈就越大，兩者成反比例關係。nXtednc

它的工作原理是，光圈開得越大，通過鏡頭到達傳感器的光線就越多，成像畫面就越明亮，反之畫面就越暗。因此，在夜拍或暗光環境下，大光圈的成像優勢就更明顯。nXtednc

除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功能。生活中，我們時常會看到背景虛化效果很強的照片，不僅突出了拍攝焦點，還具有很唯美的藝術感，而這就是所謂的景深。光圈開的越大，景深越小，背景虛化效果就更明顯。nXtednc

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（來源：中科院半導體所）nXtednc

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