通過結構和原理,揭開手機攝像頭技術的神秘面紗

2020-11-27 高臻機械設備

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。

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。

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。

通常攝像頭用的鏡頭構造有:

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!

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。

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)。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

兩種感光元件的不同之處:

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。

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。

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