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手機攝像頭的心得體會---camera模組的結構和選擇

文章出處:admin 人氣:-發表時間:2020-01-01
  一個手機,我們從app中打開camera,然后就看到camera的拍攝的景色,然后按下開關就會形成一個靜態的照片,那么這張照片是怎樣形成的呢?他的整個過程又是怎樣的?如成像原理如下圖:

  在成像原理圖中我們看到了從光線進入到JPG圖片形成,經過鏡頭,光圈,傳感器等等元器件,最后經過ISP處理形成了一張漂亮的圖片,而這些小元器件組裝在一起我們就稱作為camera模組。

  首先我們還是以手機攝像頭為例,先拿一張手機camera模組的結構圖(如果你身邊有這樣一顆模組的話,你自己最好拆一顆看看內部的構造,然后這樣更容易理解):

  這個結構圖中camera模組主要是由鏡頭,sensor,馬達電機和一下固定的塑料固件組成。具體結構如下:

  而這些模組的作用是什么呢?最簡單的說法就是把景物變成如下的圖像Whatasensorsee,而最后這些東西經過ISP處理就變成Whatanend-usersee。(順便說一下)而我們的工作就是調整ISP的處理方式,讓用戶擁有更好的圖片質量體驗。

  既然這篇文章是介紹模組的結構的,那么我們就把這顆模組拆開了揉碎了,說一說。

  一.鏡頭LENS

  首先我們來說一說最重要的鏡頭,而一個鏡頭他屬于精密儀器,這個假如您看過我上一篇文章中的模組廠如何組裝鏡頭的話,您就了解了,一個好的鏡頭選擇對于一顆模組來說是多么的重要,鏡頭結構如下圖:

  而在手機攝像頭的參數表中常常體現的是這個鏡頭是多少P的,在這里一般鏡頭P數越多,相對來說鏡頭的shading會少,但P數不是越多越好,那么鏡頭的好壞如何決定呢,我們一般會通過imtest測試解析力,解析力越高越好。查看如下圖:

  關于鏡頭,最主要的參數應該是他的焦距,對于不同焦距有著不同的分類如下:

  而且不同的焦距提供的視角也是不一樣的如下:

  二.電機馬達

  接下來我們就倆聊一聊跟我本職工作比較接近的電機馬達。有人會感覺到奇怪,為什么攝像頭上怎么還有馬達呢?這個主要是由于人懶。像以前的人們拍照,拍照片的話,拍照的人需要不停的移動位置,找到一個合適的位置,找到圖像的最清晰的點進行拍照,而人懶就使用電機馬達代替人類不停的移動找到最清晰圖片的位置(這個是自己瞎扯,真正原因是什么去查查歷史就行,哈哈)。言歸正傳,我們首先認識一下這個電機馬達長什么樣?如下圖:

  我把他剖析出來,您就可以清晰的看到一個關鍵點,這個馬達長得有點怪,如果高中學過電磁感應的話,就會明白,線圈通電會產生磁場,流經磁場的電流大小可以推動如圖中的鏡頭進行向前或者向后的移動。這就形成一個簡易的馬達,這種結構叫做VCM(VoiceCoilActuator/VoiceCoilMoto),這個過程將電能轉換成了機械能。

  普遍手機用的都是這種VCM的電機控制鏡頭移動,而這種馬達又隨著技術的進步分為了open,closeloop,中置馬達。關于open和closeloop的不同:

  簡單來說,由于馬達控制鏡頭的移動,由于這是一個運動的過程,所以有各種不確定性(例如彈簧彈力,鏡頭重量等等),假如ISP讓鏡頭移動到10mm處,但是鏡頭只移動到了8mm處或者11mm處,但是ISP不清楚呀,這樣就會造成問題,呈現在用戶手中的照片是有點虛。為了解決這個問題,從open馬達發展成為了closeloop,如下圖,提供了一個HallSensor,加了一個反饋機制,這樣做有如下好處:

  1)說移動到哪里就移動到哪里,更加精確。

  2)對于ISP來說依賴更少了,所以對焦更快,

  3)同時電機更加穩定,從而更省電,功耗更小。

  同時這樣的成本就高了起來。

  open和close的系統對比如下:

  關于中置馬達的問題,

  就是說一個簡單的例子,一個百米賽跑,open和closeloop的馬達都是從0的位置開始起跑的,而中置馬達是從50m的位置可以正負兩個方向進行移動,那么這樣做的話,最重要的優點就是你給camera供電的電壓就更小了,原來可能需要5v,現在只需要+-2.5V就ok了,這樣的話,功耗就更小了,速度更快,成本沒有增加。

  三.IR濾波片

  接下來說一下這個IR濾波片的作用,首先為什么要有這個東西,沒有他行不行,答案肯定是不行的,你可以想一想,做手機的往死了扣成本,不會無緣無故加東西的,那么這個有什么作用呢?主要作用就是濾除紅外光,如下圖可以看出人類的可識別的光是400~700,而感光元器件(sensor)他的可識別范圍更廣泛,那么我們最后成像是需要給人來觀看的,所以我們想到只保留人類可識別的波長的光。這樣找到了一種材料去截斷超過700的光。從下面色卡中的圖像可以清晰看到有或者沒有這個IR濾波片所拍攝的照片是不一樣的,不加濾波片,多余波長的光會很影響后續的ISP的調試工作。

  根據不同的濾光方式分為兩類IRCUTFilter,兩種各有各的優缺點如下圖,相對來說藍玻璃的效果更好一下,但是成本大概是前者的10倍。

  另外注意一點:

  這里都有不同的涂抹材料,IR朝向Lens,AR朝向Sensor:

  四.Sensor

  關于成像特別重要的一個影響因素就是這個sensor,不但影響一個照片的顏色,亮度,還有噪點等等,所以說能夠選擇一個好的sensor就會成為你這個手機成像的好壞的決定性因素。而關于sensor,我簡單來說一下,先說一下他的分類CCD和CMOS如圖:

  電路圖可簡單了解一下,手機由于他一些成本考慮,一般都使用的是CMOS。CCD和CMOS如下圖:

  為什么說他是CCD比CMOS的成本高呢?那是因為CCD的成品率比較低(由于只要有一個發光二極管壞了,由于電路是串聯,所以那么整個一排的二極管都要作廢),所以成本高,有點就是曝光比較快(整幀曝光,而CMOS行曝光)。

  
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