【導讀】隨著技術的不斷突破與革新,新型照相鏡頭如雨后春筍一樣,不斷出現(xiàn),從最初的百萬到現(xiàn)在的千萬緊緊用了十余年的時間,拍攝質(zhì)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開始鏡頭與處理芯片突飛猛進,新的設計理念不斷應用于實踐,比如在年前還是理論的雙攝像頭設計,目前已經(jīng)被三星,華為掌握,紛紛用于最新上市手機。
19世紀初夏普與當時的日本通信運營商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)售了全球首款百萬像素手機J-SH53,風靡一時。
目前市面上的手機通常都具有前后攝像頭,前面一般在500萬左右,用來自拍和視頻通話,后置一般在1300萬左右,可以照出更加清晰的圖片和錄制清晰視頻。
手機攝像頭組成結(jié)構(gòu)
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(jié)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(jié)合板。這三種板中軟硬結(jié)合板價格最高,而硬板價格最低。
鏡頭
鏡頭是僅次于CMOS芯片影響畫質(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(gòu)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(zhì)好的攝像頭應該是采用多層玻璃鏡頭!現(xiàn)在市場上的多數(shù)攝像頭產(chǎn)品為了降低成本,一般會采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(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,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?jīng)Q定y′=-f′·tanω(ω是物方視場角)。
相對孔徑D/f'和光圈數(shù)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(jù)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(huán)境,通??讖焦怅@采用可連續(xù)變化的可變光闌。
相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù),又稱F數(shù),照相鏡頭上標有F數(shù),國家標準按照光通量的大小規(guī)定了各光級圈數(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,光通量相差一倍,對照相機鏡頭來說,F(xiàn)數(shù)越低,鏡頭相容性就愈好,使用范圍更大。相對孔徑還影響像面上獲得清晰像的空間深度范圍-景深,相對孔徑越大,成像的景深越大,照相過程中調(diào)節(jié)光圈大小控制景深。
視場角2ω照相物鏡的視場角2ω決定了物方空間的范圍,照相物鏡的視場由像平面上具有滿意成像質(zhì)量的圓形區(qū)域的直徑?jīng)Q定,或由相機所采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(yōu)勢在于畫質(zhì)銳利,色彩真實,但缺點則是噪聲問題,一般采用原色CCD的數(shù)碼相機,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,犧牲了部分影像的分辨率,但ISO值一般都可設定在800以上。
DSP(數(shù)字信號處理芯片)
它的功能是通過一系列復雜的數(shù)學算法運算,對數(shù)字圖像信號進行優(yōu)化處理,最后把處理后的信號傳到顯示器上。
DSP結(jié)構(gòu)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,直接決定畫面品質(zhì)(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芯片已經(jīng)集成到CMOS中,從外觀上來看,它們就是一個整體。而采用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(zhì)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(zhuǎn)換為電信號,再通過內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于傳感器的每個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(shù)據(jù)。要想將每個像素的RAW DATA數(shù)據(jù)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,和膠卷類似。有CMOS和CCD兩種類型 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,當光照射時,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,開始定向移動至轉(zhuǎn)移部件,經(jīng)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(fā)展趨勢是高敏感化、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(zhuǎn)換器等。
兩種感光元件的不同之處:
CCD成像質(zhì)量好,但是制作起來比較復雜,而且耗能大,CMOS雖然成像質(zhì)量較差,但是驅(qū)動電壓低,制造簡單,CMOS可以和其他器件集成,每一個像素都可以實現(xiàn)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(fā)的電荷匯集到一起,運輸?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(xiàn)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(zhì)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(tǒng)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。
手機攝像頭的成像原理
物方光線進入系統(tǒng),經(jīng)過鏡頭,到達圖像傳感器,光子打到傳感器上產(chǎn)生可移動電荷,這是內(nèi)光電效應,可移動電荷匯集形成電信號,由于處理器無法識別電荷信號,需要把電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,對于圖像傳感器是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)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,電荷信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,數(shù)字信號經(jīng)過放大電路進入微處理器,數(shù)字信號經(jīng)過DSP數(shù)字信號處理芯片經(jīng)過存儲處理后,傳輸?shù)狡聊恍纬珊臀镆粯拥膱D像。
影響手機攝像頭性能的一些關鍵因素
像素
通常所說的“XXX萬像素”實際是指相機的分辨率,其數(shù)值大小主要由相機傳感器中的像素點(即最小感光單位)數(shù)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(shù)量決定屏幕是720p或1080p分辨率是一個道理。
像素決定照片質(zhì)量?
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,并不能說明圖片越清晰。
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屏的解讀范圍,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(qū)別的。
高像素的優(yōu)勢在哪里呢?
更高像素的相機所拍圖片的尺寸更大,假如我們想把樣張打印出來,以常規(guī)的300像素/英寸的打印標準來計算,1300萬像素相機所拍的4208×3120像素樣張,可打印17英寸照片,而800萬像素相機的3200×2400像素樣張,打印超過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)量的關鍵因素,那么誰才是呢?答案是傳感器。
相機傳感器主要分兩種: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,而CMOS傳感器憑借著較低的功耗和價格以及優(yōu)異的影像品質(zhì),在手機領域應用最為廣泛。
CMOS傳感器又分為背照式和堆棧式兩種,二者系出同門,技術最早都由索尼研發(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。
背照式傳感器的出現(xiàn),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(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關系,而是并列關系,堆棧式傳感器的主要優(yōu)勢是在像素數(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數(shù)相同時,堆棧式傳感器的尺寸會更小,從而節(jié)省了空間,讓手機變得更薄、更輕。
鏡頭
鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件,相當于相機的“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(shù)越多,成像就越真實。
光圈
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(shù)字越小,光圈就越大,兩者成反比例關系。
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(huán)境下,大光圈的成像優(yōu)勢就更明顯。
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。
(來源:中科院半導體所)
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