科普：手機(jī)攝像頭技術(shù)結(jié)構(gòu)與原理

19世紀(jì)初夏普與當(dāng)時(shí)的日本通信運(yùn)營(yíng)商J-PHONE發(fā)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(fā)售了全球首款百萬(wàn)像素手機(jī)J-SH53，風(fēng)靡一時(shí)。

隨著技術(shù)的不斷突破與革新，新型照相鏡頭如雨后春筍一樣，不斷出現(xiàn)，從最初的百萬(wàn)到現(xiàn)在的千萬(wàn)緊緊用了十余年的時(shí)間，拍攝質(zhì)量不斷進(jìn)入新臺(tái)階。最具有代表的如華為、三星、蘋(píng)果等公司，華為從p6開(kāi)始鏡頭與處理芯片突飛猛進(jìn)，新的設(shè)計(jì)理念不斷應(yīng)用于實(shí)踐，比如在年前還是理論的雙攝像頭設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)被三星，華為掌握，紛紛用于最新上市手機(jī)。

目前市面上的手機(jī)通常都具有前后攝像頭，前面一般在500萬(wàn)左右，用來(lái)自拍和視頻通話(huà)，后置一般在1300萬(wàn)左右，可以照出更加清晰的圖片和錄制清晰視頻。

手機(jī)攝像頭組成結(jié)構(gòu)

手機(jī)攝像頭主要由以下幾個(gè)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(gè)部分。

PCB板

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

鏡頭

鏡頭是僅次于CMOS芯片影響畫(huà)質(zhì)的第二要素，其組成是透鏡結(jié)構(gòu)，由幾片透鏡組成，一般可分為塑膠透鏡（plastic）或玻璃透鏡（glass）。當(dāng)然，所謂塑膠透鏡也非純粹塑料，而是樹(shù)脂鏡片，當(dāng)然其透光率感光性之類(lèi)的光學(xué)指標(biāo)是比不上鍍膜鏡片的。

通常攝像頭用的鏡頭構(gòu)造有：

1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G等。透鏡越多，成本越高，相對(duì)成像效果會(huì)更出色；而玻璃透鏡又比樹(shù)脂貴。因此一個(gè)品質(zhì)好的攝像頭應(yīng)該是采用多層玻璃鏡頭！現(xiàn)在市場(chǎng)上的多數(shù)攝像頭產(chǎn)品為了降低成本，一般會(huì)采用廉價(jià)的塑膠鏡頭或一玻一塑鏡頭（即：1P、2P、1G1P、1G2P等），對(duì)成像質(zhì)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(shù)有三個(gè)，即焦距f′、相對(duì)孔徑D/f′和視場(chǎng)角2ω。

鏡頭焦距是鏡頭的一個(gè)重要指標(biāo)，決定了物和像的比例，如物在無(wú)限遠(yuǎn)，像的大小由下式?jīng)Q定y′=-f′·tanω（ω是物方視場(chǎng)角）。

相對(duì)孔徑D/f'和光圈數(shù)F是鏡頭的關(guān)鍵光學(xué)指標(biāo)。相對(duì)孔徑，它表示能進(jìn)入鏡頭到達(dá)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(yùn)動(dòng)物體的照相需要大相對(duì)孔徑物鏡，大相對(duì)孔徑物鏡可以提高像平面照度，根據(jù)相對(duì)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'13.5）強(qiáng)光物鏡（D/f'1：2.8-1:1.4）超強(qiáng)光物鏡（D/f'1：1-1:0.8）為了使同一鏡頭使用不同的環(huán)境，通?？讖焦怅@采用可連續(xù)變化的可變光闌。

相對(duì)孔徑的倒數(shù)稱(chēng)為光圈系數(shù)，又稱(chēng)F數(shù)，照相鏡頭上標(biāo)有F數(shù)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)按照光通量的大小規(guī)定了各光級(jí)圈數(shù)的排列

0.7、1、 1.4、 2、 2.8 、4 、5.6、 8、 11、 16 、22···隨著光圈數(shù)的加大，光孔變小，光通量減少，光圈每差一級(jí)，光通量相差一倍，對(duì)照相機(jī)鏡頭來(lái)說(shuō)，F(xiàn)數(shù)越低，鏡頭相容性就愈好，使用范圍更大。相對(duì)孔徑還影響像面上獲得清晰像的空間深度范圍-景深，相對(duì)孔徑越大，成像的景深越大，照相過(guò)程中調(diào)節(jié)光圈大小控制景深。

視場(chǎng)角2ω照相物鏡的視場(chǎng)角2ω決定了物方空間的范圍，照相物鏡的視場(chǎng)由像平面上具有滿(mǎn)意成像質(zhì)量的圓形區(qū)域的直徑?jīng)Q定，或由相機(jī)所采用感光元件的感光面尺寸決定。

照相物鏡的基本類(lèi)型：1、.按鏡頭焦距和視場(chǎng)角分為：標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、短焦鏡頭、長(zhǎng)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(shí)際上就是來(lái)固定鏡頭，另外固定器上還會(huì)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(bǔ)色分色法。

原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫(huà)質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問(wèn)題，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，ISO感光度多半不會(huì)超過(guò)400。相對(duì)的，補(bǔ)色CCD多了一個(gè)Y黃色濾色器，犧牲了部分影像的分辨率，但I(xiàn)SO值一般都可設(shè)定在800以上。

DSP（數(shù)字信號(hào)處理芯片）

它的功能是通過(guò)一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，最后把處理后的信號(hào)傳到顯示器上。

DSP結(jié)構(gòu)框架:(1). ISP（image signal processor）（鏡像信號(hào)處理器）；(2). JPEG encoder（JPEG圖像解碼器）。

ISP的性能強(qiáng)大是決定影像流暢的關(guān)鍵，JPEG encoder的性能也是關(guān)鍵指標(biāo)之一。而JPEG encoder又分為硬件JPEG壓縮方式，和軟件RGB壓縮方式。

DSP控制芯片的作用是：將感光芯片獲取的數(shù)據(jù)及時(shí)快速地傳到baseband中并刷新感光芯片，因此控制芯片的好壞，直接決定畫(huà)面品質(zhì)（比如色彩飽和度、清晰度）與流暢度。

上面所說(shuō)的DSP是CCD中會(huì)使用，是因?yàn)?，在CMOS傳感器的攝像頭中，其DSP芯片已經(jīng)集成到CMOS中，從外觀(guān)上來(lái)看，它們就是一個(gè)整體。而采用CCD傳感器的攝像頭則分為CCD和DSP兩個(gè)獨(dú)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?yàn)楦泄馄骷?duì)成像質(zhì)量的重要性不言而喻。

傳感器將從鏡頭上傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的光線(xiàn)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于傳感器的每個(gè)pixel只能感光R光或者B光或者G光，因此每個(gè)像素此時(shí)存貯的是單色的，我們稱(chēng)之為RAW DATA數(shù)據(jù)。要想將每個(gè)像素的RAW DATA數(shù)據(jù)還原成三基色，就需要信號(hào)處理器ISP來(lái)處理。

圖像傳感器是起感光記錄作用的元件，和膠卷類(lèi)似。有CMOS和CCD兩種類(lèi)型 CCD又叫電荷轉(zhuǎn)移器件，光電二極管排成一列叫一維型直線(xiàn)式傳感器，光電二極管行排列叫二維型面積式圖像傳感器。

CCD由光電二極管感光部件、ccd轉(zhuǎn)移部件和電荷放大器件組成，當(dāng)光照射時(shí)，光子激發(fā)電荷，電荷產(chǎn)生堆積，感光部件與轉(zhuǎn)移部件之間加上柵電壓，堆積的電荷在柵電壓的作用下，開(kāi)始定向移動(dòng)至轉(zhuǎn)移部件，經(jīng)放大輸出，這些輸出的電荷信號(hào)帶有圖像信息。

圖像傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是高敏感化、高分辨率、省電、低壓工作等高性能方向發(fā)展。

CMOS圖像傳感器由金屬氧化物半導(dǎo)體集合而成，每一個(gè)像素可以集成多種器件，比如放大器，A/D轉(zhuǎn)換器等。

兩種感光元件的不同之處：

CCD成像質(zhì)量好，但是制作起來(lái)比較復(fù)雜，而且耗能大，CMOS雖然成像質(zhì)量較差，但是驅(qū)動(dòng)電壓低，制造簡(jiǎn)單，CMOS可以和其他器件集成，每一個(gè)像素都可以實(shí)現(xiàn)完整的功能，相比CCD是成千上萬(wàn)個(gè)像素排列，每一個(gè)像素激發(fā)的電荷匯集到一起，運(yùn)輸?shù)椒糯笃骱蛿?shù)據(jù)處理器，這樣給后續(xù)處理增加不少負(fù)擔(dān)，而且大量的電荷匯集，也給通道提出了更高的要求，在技術(shù)上出現(xiàn)了瓶頸，CMOS中每個(gè)像素單獨(dú)完成信號(hào)放大和信號(hào)處理工作，這些特點(diǎn)，造成CMOS噪聲較大。如果CMOS克服噪聲大的缺點(diǎn)，提高成像質(zhì)量，CMOS就會(huì)超越CCD，成為圖像傳感器的首選。

有的廠(chǎng)家在宣傳中會(huì)提到“背照式”“BSI”等概念，實(shí)際上BSI就是背照式CMOS的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，背照式CMOS是CMOS的一種，它改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度，在夜拍和高感的時(shí)候成像效果相對(duì)好一些。

手機(jī)攝像頭的成像原理

物方光線(xiàn)進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)鏡頭，到達(dá)圖像傳感器，光子打到傳感器上產(chǎn)生可移動(dòng)電荷，這是內(nèi)光電效應(yīng)，可移動(dòng)電荷匯集形成電信號(hào)，由于處理器無(wú)法識(shí)別電荷信號(hào)，需要把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)于圖像傳感器是cmos的系統(tǒng)不需要外加模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而對(duì)于以ccd作為圖像傳感器的系統(tǒng)需要A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)入微處理器，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)處理后，傳輸?shù)狡聊恍纬珊臀镆粯拥膱D像。

影響手機(jī)攝像頭性能的一些關(guān)鍵因素

像素

通常所說(shuō)的“XXX萬(wàn)像素”實(shí)際是指相機(jī)的分辨率，其數(shù)值大小主要由相機(jī)傳感器中的像素點(diǎn)（即最小感光單位）數(shù)量決定，例如500萬(wàn)像素就意味著傳感器中有500萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，和手機(jī)屏幕中的像素?cái)?shù)量決定屏幕是720p或1080p分辨率是一個(gè)道理。

像素決定照片質(zhì)量？

通常會(huì)以為相機(jī)像素越高，拍的照片就越清晰，實(shí)際上。相機(jī)的像素唯一能決定的是其所拍圖片的分辨率，而圖片的分辨率越高，只代表了圖片的尺寸越大，并不能說(shuō)明圖片越清晰。

但是當(dāng)前主流的手機(jī)屏幕為1080p級(jí)別（1920×1080像素），無(wú)論是1300萬(wàn)像素相機(jī)所得的4208×3120像素照片，還是800萬(wàn)像素?cái)z像頭的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解讀范圍，最終都會(huì)以1920×1080像素顯示，所以肉眼所看到的清晰度也是沒(méi)有區(qū)別的。

高像素的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？

更高像素的相機(jī)所拍圖片的尺寸更大，假如我們想把樣張打印出來(lái)，以常規(guī)的300像素/英寸的打印標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算，1300萬(wàn)像素相機(jī)所拍的4208×3120像素樣張，可打印17英寸照片，而800萬(wàn)像素相機(jī)的3200×2400像素樣張，打印超過(guò)13英寸的照片就開(kāi)始模糊了。很顯然1300萬(wàn)像素相機(jī)樣張可打印的尺寸更大。

傳感器

既然像素不是決定圖片質(zhì)量的關(guān)鍵因素，那么誰(shuí)才是呢？答案是傳感器。

相機(jī)傳感器主要分兩種：CCD和CMOS。CCD傳感器雖然成像質(zhì)量好，但是成本較高，并不適用于手機(jī)，而CMOS傳感器憑借著較低的功耗和價(jià)格以及優(yōu)異的影像品質(zhì)，在手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

CMOS傳感器又分為背照式和堆棧式兩種，二者系出同門(mén)，技術(shù)最早都由索尼研發(fā)，索尼背照式傳感器品牌名為“Exmor R”，堆棧式傳感器為“Exmor RS”。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，傳感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（圖形信號(hào)）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(huì)導(dǎo)致手機(jī)的體積、重量、成本增加。

背照式傳感器的出現(xiàn)，有效的解決了這個(gè)問(wèn)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(huán)境下的成像質(zhì)量。

2012年8月，索尼發(fā)布了全新堆棧式傳感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式傳感器并非演進(jìn)關(guān)系，而是并列關(guān)系，堆棧式傳感器的主要優(yōu)勢(shì)是在像素?cái)?shù)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?cái)?shù)相同時(shí)，堆棧式傳感器的尺寸會(huì)更小，從而節(jié)省了空間，讓手機(jī)變得更薄、更輕。

鏡頭

鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，相當(dāng)于相機(jī)的“眼睛”，通常由由幾片透鏡組成，光線(xiàn)信號(hào)通過(guò)時(shí)，鏡片們會(huì)層層過(guò)濾雜光（紅外線(xiàn)等），所以，鏡頭片數(shù)越多，成像就越真實(shí)。

光圈

光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成，可以通過(guò)改變光圈孔的大小控制進(jìn)入鏡頭到達(dá)傳感器的光線(xiàn)量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4來(lái)表示，數(shù)字越小，光圈就越大，兩者成反比例關(guān)系。

它的工作原理是，光圈開(kāi)得越大，通過(guò)鏡頭到達(dá)傳感器的光線(xiàn)就越多，成像畫(huà)面就越明亮，反之畫(huà)面就越暗。因此，在夜拍或暗光環(huán)境下，大光圈的成像優(yōu)勢(shì)就更明顯。

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(shí)常會(huì)看到背景虛化效果很強(qiáng)的照片，不僅突出了拍攝焦點(diǎn)，還具有很唯美的藝術(shù)感，而這就是所謂的景深。光圈開(kāi)的越大，景深越小，背景虛化效果就更明顯。

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