攝像模組的基本原理

李子建

摘 要：伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，移動(dòng)智能終端的普及，人們不再滿足于過去簡(jiǎn)單的文字信息的交互模式，大眾需要的是“有圖有真相”，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)互相分享照片，視頻通話。因此，網(wǎng)絡(luò)攝像頭、帶有照相和攝像頭功能的移動(dòng)終端，受到了廣大用戶的熱烈歡迎。本文介紹了攝像模組的基本構(gòu)成和原理。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)方案;攝像模組;原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.098

1 攝像模組的成像原理

如圖1所示，為攝像模組成像的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出關(guān)系，被攝物體反射（或發(fā)出）的光線，傳播到鏡頭內(nèi)，鏡頭內(nèi)部的光學(xué)透鏡將光線聚焦到圖像傳感器（簡(jiǎn)稱Sensor）上，圖像傳感器根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出到圖像處理（簡(jiǎn)稱DSP）芯片，圖像處理芯片將所述信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換、合成、補(bǔ)償修正（部分Sensor自身集成這樣的功能）后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的圖像輸出。一個(gè)完整的攝像模組主要由三部分組成，分別是鏡頭（Lens）、圖像傳感器、圖像處理器，鏡頭與圖像傳感器合在一起統(tǒng)稱為鏡頭模組。下面分別介紹這幾部分的基本工作原理。

鏡頭模組的原理。鏡頭和圖像傳感器組成鏡頭模組，如圖2所示，鏡頭模組由圖中幾部分組成。

2 鏡頭

鏡頭是聚集光線，使感光器件能獲得清晰影像的結(jié)構(gòu)，鏡頭性能的好壞直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實(shí)現(xiàn)和效果。一顆完整的鏡頭，主要由圖2所示的幾部分組成，鏡頭部分主要包含鏡片（Lens）、鏡片支架（Lens Holder）、紅外濾光片（IR Filter）。

鏡頭中最重要的部分是鏡片（Lens），基于光的折射、反射原理，將從物體上反射過來(lái)的光匯聚。目前行業(yè)內(nèi)均采用復(fù)式透鏡，即以多片凹凸透鏡的組合（如圖3為多鏡片復(fù)雜化雙高斯結(jié)構(gòu)），其解決了早期單片凸透鏡清晰度不佳和色差的問題，并在鏡片上鍍膜增加進(jìn)光量，紅外濾光片的主要作用是濾除光中的紅外光線（有些特殊用途的攝像模組不需要紅外濾光片），紅外光線為非可見光，人眼無(wú)法辨識(shí)，但是模組內(nèi)部的圖像傳感器可以看到，如果沒有紅外濾光片則圖像整體會(huì)偏紅出現(xiàn)色差，一些模組內(nèi)部沒有紅外濾光片而是集成到的圖像傳感器表面的微透鏡上，這種設(shè)計(jì)能夠?qū)㈢R頭做的更薄，適用于超薄產(chǎn)品的需要，適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

視角和光圈是描述鏡頭品質(zhì)的重要參數(shù)。

鏡頭中心點(diǎn)到成像平面對(duì)角線兩端所形成的夾角就是鏡頭的視角，對(duì)于鏡頭來(lái)說(shuō)，視角主要是指它可以“看到”的景物范圍，當(dāng)焦距變短時(shí)視角就變大了，可以拍出更寬的范圍，但是這樣會(huì)影響較遠(yuǎn)拍攝對(duì)象的清晰度。當(dāng)焦距變長(zhǎng)時(shí)，視角就變小了，可以使較遠(yuǎn)的物體變的清晰，但是能夠拍攝的寬度范圍就變窄了。

對(duì)于已經(jīng)制造好的鏡頭，我們不可能隨意改變鏡頭的直徑，但是我們可以通過在鏡頭內(nèi)部加入多邊形或者圓形，并且面積可變的孔狀光柵來(lái)達(dá)到控制透過鏡頭進(jìn)入機(jī)身內(nèi)部的光量，這樣的裝置就叫做光圈，它是模組的一個(gè)及其重要的參數(shù)。光圈大小一般用F值表示，其中， 光圈F值越小，通光孔徑越大，因此在同一單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量越多。

3 圖像傳感器（Sensor）

圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件，其基本原理是內(nèi)光電效應(yīng)，即半導(dǎo)體器件中的本征半導(dǎo)體或雜志半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量，動(dòng)能增加掙脫原子核形成自由運(yùn)動(dòng)電子和空穴，在外加電場(chǎng)下產(chǎn)生電流。

透鏡把光學(xué)圖像聚焦到圖像傳感器上，圖像傳感器的作用是將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)，可以說(shuō)圖像傳感器是攝像模組上最重要的器件。

圖像傳感器主要分為兩大類，一類是電耦合（Charge-coupled device，CCD）圖像傳感器，一類是互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）圖像傳感器，RV200TA攝像頭采用的是CMOS圖像傳感器，本文以CMOS圖像傳感器為例介紹圖像傳感器的原理。

CMOS圖像傳感器主要由光電二極管、MOS場(chǎng)效應(yīng)管、MOS放大器與MOS開關(guān)等電路組成。如圖4所示CMOS成像器件的基本原理框圖。它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場(chǎng)效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X、Y各個(gè)方向上的地址，并可分別由兩個(gè)方向的譯碼器進(jìn)行選擇，每一列像敏單元都對(duì)應(yīng)于一個(gè)列放大器，列放大器的輸出信號(hào)分別接到由X方向地址譯碼控制器進(jìn)行選擇的模擬多路開關(guān)，并輸出至輸出放大器，輸出放大器的輸出信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)預(yù)處理電路處理后通過接口電路輸出。

如圖5所示是像敏單元內(nèi)部單元的基本電路，從圖中可以看出，場(chǎng)效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位;而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截至，光電二極管開始積分光信號(hào)。場(chǎng)效應(yīng)管V2是一源極跟隨放大器，它將光電二極管的高阻輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大。場(chǎng)效應(yīng)管V3用作選址模擬開關(guān)，當(dāng)選通脈沖引入時(shí)，V3導(dǎo)通，使得被放大的光電信號(hào)輸送到列總線上。

在CMOS圖像傳感器的同一顆芯片中，還可以設(shè)置其它數(shù)字處理電路。例如，可以進(jìn)行自動(dòng)曝光處理、非均勻性補(bǔ)償、白平衡處理等，甚至于將具有運(yùn)算和可編程功能的DSP器件制作在一起，形成具有多功能的器件。

4 圖像處理器（DSP）

圖像處理器本質(zhì)上是一顆針對(duì)圖像處理而設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理器DSP，又稱攝像模組控制器，內(nèi)部集成多種圖像處理算法，集成RGB、UVC等圖像數(shù)據(jù)接口。圖像處理器將一些常用的圖像處理算法以硬件的形式集成到芯片中，其中包括亮度控制、對(duì)比度控制、色調(diào)控制、飽和度控制、銳度控制、伽瑪控制等算法。集成USB接口協(xié)議。為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，部分高端DSP集成了音頻處理功能，具有音頻濾波、降噪等功能。目前如手機(jī)、平板等設(shè)備已經(jīng)把圖像處理功能做到主芯片上，取消單獨(dú)的圖像處理IC，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是減小產(chǎn)品體積，降低器件成本，是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

5 小結(jié)

從手機(jī)上攝像模組的發(fā)展來(lái)看，攝像模組的功能與產(chǎn)品的內(nèi)存、主IC的性能有很大的關(guān)系，由30萬(wàn)像素到1300萬(wàn)像素，由定焦距到自動(dòng)對(duì)焦，由無(wú)閃光燈到單閃光燈再變?yōu)殡p閃光燈，每前進(jìn)一步對(duì)用戶體驗(yàn)都有質(zhì)的飛躍，由此可見智能電視上的攝像頭還處在起步階段，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)電視攝像頭主要的作用是拍照、手勢(shì)識(shí)別、人臉識(shí)別、視頻聊天等，100萬(wàn)像素的攝像模組僅僅是一個(gè)起點(diǎn)，相信在不久的將來(lái)1080P或更高像素的攝像頭將出現(xiàn)在電視上，讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)：

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