隨著(zhù)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，從最初的百萬(wàn)到現在的千萬(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)，新的設計理念不斷應用于實(shí)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。

　　

　　

　　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(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。

　　

　　手機攝像頭組成結構

　　

　　手機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)就只能用軟硬結合板。這三種板中軟硬結合板價(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(shù)脂鏡片，當然其透光率感光性之類(lèi)的光學(xué)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(huì )更出色；而玻璃透鏡又比樹(shù)脂貴。因此一個(gè)品質(zhì)好的攝像頭應該是采用多層玻璃鏡頭！現在市場(chǎng)上的多數攝像頭產(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，鏡頭參數有三個(gè)，即焦距f′、相對孔徑D／f′和視場(chǎng)角2ω。

　　

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

　　

　　相對孔徑D／f＇和光圈數F是鏡頭的關(guān)鍵光學(xué)指標。相對孔徑，它表示能進(jìn)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(dòng)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(huán)境，通常孔徑光闌采用可連續變化的可變光闌。

　　

　　相對孔徑的倒數稱(chēng)為光圈系數，又稱(chēng)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(zhù)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(lái)說(shuō)，F數越低，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(guò)程中調節光圈大小控制景深。

　　

　　

　　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(lèi)型：1、．按鏡頭焦距和視場(chǎng)角分為：標準鏡頭、短焦鏡頭、長(cháng)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補色分色法。

　　

　　原色CCD的優(yōu)勢在于畫(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的數碼相機，ISO感光度多半不會(huì )超過(guò)400。相對的，補色CCD多了一個(gè)Y黃色濾色器，犧牲了部分影像的分辨率，但ISO值一般都可設定在800以上。

　　

　　

　　DSP（數字信號處理芯片）

　　

　　它的功能是通過(guò)一系列復雜的數學(xué)算法運算，對數字圖像信號進(jìn)行優(yōu)化處理，最后把處理后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(guān)鍵，JPEG encoder的性能也是關(guān)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據及時(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(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)獨立部分。

　　

　　

　　

　　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(guò)來(lái)的光線(xiàn)轉換為電信號，再通過(guò)內部的DA轉換為數字信號。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數據。要想將每個(gè)像素的RAW DATA數據還原成三基色，就需要信號處理器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轉移部件和電荷放大器件組成，當光照射時(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(gè)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(zhì)量好，但是制作起來(lái)比較復雜，而且耗能大，CMOS雖然成像質(zhì)量較差，但是驅動(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，運輸到放大器和數據處理器，這樣給后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(shù)上出現了瓶頸，CMOS中每個(gè)像素單獨完成信號放大和信號處理工作，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)候成像效果相對好一些。

　　

　　

　　物方光線(xiàn)進(jìn)入系統，經(jīng)過(guò)鏡頭，到達圖像傳感器，光子打到傳感器上產(chǎn)生可移動(dòng)電荷，這是內光電效應，可移動(dòng)電荷匯集形成電信號，由于處理器無(wú)法識別電荷信號，需要把電信號轉化為數字信號，對于圖像傳感器是cmos的系統不需要外加模數轉換器，而對于以ccd作為圖像傳感器的系統需要A／D轉換器，經(jīng)過(guò)模數轉換器件，電荷信號轉換成數字信號，數字信號經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)入微處理器，數字信號經(jīng)過(guò)DSP數字信號處理芯片經(jīng)過(guò)存儲處理后，傳輸到屏幕形成和物一樣的圖像。
 

　　

　　

　　像素

　　

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

　　

　　

　　通常會(huì )以為相機像素越高，拍的照片就越清晰，實(shí)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(shuō)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(wú)論是1300萬(wàn)像素相機所得的4208×3120像素照片，還是800萬(wàn)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(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(lái)，以常規的300像素／英寸的打印標準來(lái)計算，1300萬(wàn)像素相機所拍的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)像素相機樣張可打印的尺寸更大。

　　

　　

　　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(zhù)較低的功耗和價(jià)格以及優(yōu)異的影像品質(zhì)，在手機領(lǐng)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(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）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 )導致手機的體積、重量、成本增加。

　　

　　

　　背照式傳感器的出現，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)勢是在像素數保持不變的情況下，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相同時(shí)，堆棧式傳感器的尺寸會(huì )更小，從而節省了空間，讓手機變得更薄、更輕。

　　

　　

　　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(xiàn)信號通過(guò)時(shí)，鏡片們會(huì )層層過(guò)濾雜光（紅外線(xiàn)等），所以，鏡頭片數越多，成像就越真實(shí)。

　　

　　

　　

　　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。

　　

　　

　　（來(lái)源：中科院半導體所）