一、摄像头模组简介

 

二、结构及工作原理

 

三、关键组件介绍

 

四、技术指标及相关术语

 

五、技术发展

 

 

概念

 

摄像头（CAMERA）又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的水平。现在，CAMERA被广泛应用于mobilephone、PDA及TabletPC，这样也促进感光成像技术的进一步提高，例如500万像素、800万像素、1000万等。

 

CCM定义

 

1、紧凑摄像模组(CompactCamaraModule)

 

2、CMOS摄像模组(CmosCamaraModule)

 

3、手机摄像模组(CellphoneCamaraModule)

 

 

分类

 

•Digitalcamera数字式

 

数字摄像头是直接将摄像单元和视频捕捉单元集成在一起，然后通过串、并口或者USB接口连接到HOSTSYSTEM上。现在CAMERA市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主（独立），在手机上主要是直接通过IO(BTB,USB,MINIUSB…)与HOSTSYSTEM连接，经过HOSTSYSTEM的编辑后以数字信号输出到DISPLAY上显示。目前CAMERA市场上主流的CAMERA全部是DIGITALCAMERA。

 

•Simulantcamera 模拟式

 

模拟摄像头是将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存到SYSTEMMEMORY里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到HOSTSYSTEM上运用，经过HOSTSYSTEM的编辑，通过DISPLAY显示和输出。

 

 

CCM主要组成部分

 

CCM主要的组成部分由:镜头(Lens)，红外滤光片（IRFilter），图像传感器（SensorIC）、数字信号处理（DSP）及软板（FPC），其中有些SensorIC是集成了DSP，有些是没有集成DSP，没有集成DSP的module需要外部外挂DSP。

 

Sensor内部工作原理

 

外部光线穿过Lens后，经过IRFilter滤波后照射到Sensor面上，Sensor将从Lens上传导过来的光线转换为电信号，再通过内部的A/D转换为数字信号。如果Sensor没有集成DSP，则通过DVP的方式传输到baseband，此时的数据格式是RAWRGB。

 

DVP传输方式介绍

 

DVP(DigitalVideoPort)分为三个部分：

 

1）输出总线；

 

2）输入总线；

 

3）电源总线。

 

 

Lens（镜头）

 

一般CAMERA的镜头结构是有几片透镜组成，分有塑胶透镜（PLASTIC)和玻璃透镜(GLASS)，通常CAMERA用的镜头结构有：1P。2P，1G1P，1G3P，2G2P，4G等。透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶透镜贵，但是玻璃透镜的成像效果比塑胶透镜的成像效果要好。目前市场上针对MobilePhone配置的CAMERA以1G3P（1片玻璃透镜和3片塑胶透镜组成）为主，目的是降低成本。

 

作用：将影像捕捉后呈现在图像感光器上

 

焦距：EFL(EffectiveFocalLength)一般用f表示。定义：在光学系统中，主平面到焦点的距离。

 

视场角：ViewAngle(FieldOfView)一般用ω表示半视角。定义：入瞳中心对物的张角或出瞳中心对像的张角。

 

光圈（相对孔径）定义：焦距与入瞳直径之比，一般用F或F/NO表示。

 

畸变：Distortion定义：实际像高与理想像高的差异，分桶形和枕形畸变，在光学设计中，通常用q’来表示，一般采用百分比形式。

 

相对照度：RelativeIlluminance定义：边缘亮度与中心亮度之比，一般要大于55%，否则容易出现黑角现象。

 

镜头厂家主要集中在台湾、日本和韩国，镜头这种光学技术含量最高的产业具备非常高的产业门槛，极少有新企业进入此领域，台湾企业更是成本优势明显，市场占有率超过65%。

 

红外滤光片（IRFilter）

 

红外滤光片：消除投射到Sensor上不必要的光线，防止Sensor产生伪色/波纹，以提高其有效分辨率和彩色还原性。

 

RGB原色分色法:就是三原色分色法，几乎所有的人类眼睛可以识别的颜色都可以通过R.G.B来组成，RGB就是通过这三个通道的颜色调节而成。

 

CMYK补色分色法:由四个通道的颜色配合而成，分别是青（C）、洋红（M）、黄（Y）、黑（K），但是调节出来的颜色不如RGB的颜色多。

 

SensorIC

 

在摄像头模组的主要组件中，最重要的个人认为就是图像传感器了，因为感光器件对成像质量的重要性不言而喻。

 

Sensor将从lens上传导过来的光线转换为电信号，再通过内部的DA转换为数字信号。由于Sensor的每个pixel只能感光R光、B光或G光，因此每个像素此时存贮的是单色的，我们称之为RAWDATA数据。要想将每个像素的RAWDATA数据还原成三基色，就需要ISP来处理。

 

种类：

 

CCD（ChargeCoupleDevice）:电荷耦合器件

 

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）:互补金属氧化物半导体

 

目前国内及全球Sensor的使用情况

 

CCD传感器模块日本厂商主导、CMOS传感器模组美国、韩国厂商主导。

 

全球CCD模组市场有超过90％的市场份额由日本厂商垄断而且多用于数码相机和日本本土的手机摄像头，且索尼、松下、夏普为市场龙头。

 

CMOS传感器模组由美商OmniVision（豪威）、Agilent（安捷伦）、Micron（美光）为龙头，韩国三星、现代、台湾原相、锐相为中坚，掌握着全球CMOS传感器模组市场。

 

目前在国内还是OmniVision（简称OV）一统天下，其余Sensor相互并存的局面，OV目前占了国内整个市场的85%以上。

 

数字信号处理芯片DSP

 

DSP（DigitalSignalProcessing）

 

通过一系列复杂的数学算法运算，对数字图像信号参数进行优化处理（RGB/YUV→JPEG），并把处理后的信号传到存储或显示部件。

 

DSP结构框架:

 

(1).ISP（imagesignalprocessor）（镜像信号处理器）

 

(2).JPEGencoder（JPEG图像解码器）

 

常见的连接方式

 

1.金手指(ZIF)连接

 

2.连接器(Connector)连接

 

3.插座(Socket)连接

 

 

分辨率（Resolution）

 

分辨率是用于度量位图图像内数据量多少的一个参数，通常用像素来表示。简单地说，摄像头的分辨率是指摄像头解析图象的能力，也即摄像头的影像传感器的像素数。最高分辨率就是指摄像头能最高分辨图像能力的大小，即摄像头的最高像素数。

 

500W像素：QSXGA（2592x1944）

 

300W像素：QXGA（2048x1536）

 

130W像素：SXGA(1280x1024)

 

80W像素：XGA(1024x768)

 

50W像素：SVGA(800x600)

 

30W像素：VGA(640x480)

 

10W像素：CIF(352x288)

 

分辨率以乘法形式表示，如1024x768，“1024”表示屏幕上水平方向显示的点数，“768”表示垂直方向的点数。

 

像素（Pixels）

 

“像素”是相机感光器件上的感光最小单位。就像是光学相机的感光胶片的银粒一样，记忆在数码相机的“胶片”（存储卡）上的感光点就是像素；要想得到分辨率高（也就是细腻的照片），就必须保证有一定的像素数；

 

照片的清晰度不是取决于像素数，而是取决于像素的“点密度”（就是图片的分辨率）（用ppi表示，单位是“像素/英寸”），“像素数”和“点密度”是两个概念，“像素数”（点数）是感光点的总量，而“点密度”是单位面积上的点数（像素点），只有单位面积上的感光点数越多，拍出的照片才越细腻。所以，反映照片清晰程度的参数是“点密度”（图片分辨率），而非总的点数。

 

图像格式(imageFormat/Colorspace)

 

RGB格式:采用这种编码方法，每种颜色都可用三个变量来表示红色、绿色以及蓝色的强度。每一个像素有三原色R红色、G绿色、B蓝色组成。常用格式：RGB24，RGB444，RGB565等。

 

YUV格式:是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，属于PAL。其中“Y”表示明亮度(Luminance或Luma)，就是灰阶值；而“U”和“V”表示色度(Chrominance或Chroma)，是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。常用格式：YUV422，YUV420等。

 

RAWDATA格式:是CCD或CMOS在将光信号转换为电信号时的电平高低的原始记录，单纯地将没有进行任何处理的图像数据，即摄像元件直接得到的电信号进行数字化处理而得到的。

 

白平衡处理技术（AWB）

 

定义：要求在不同色温环境下，照白色的物体，屏幕中的图像应也是白色的。色温表示光谱成份，光的颜色。色温低表示长波光成分多。当色温改变时，光源中三基色（红、绿、蓝）的比例会发生变化，需要调节三基色的比例来达到彩色的平衡，这就是白平衡调节的实际。

 

如中午时分拍照，到了夕阳时候拍照的两种色调是不一样的，此时便需要利用白平衡功能来做修正使得在任何光源下拍摄一块白色物体都是白色，其他的颜色也要求准确的还原。

 

变焦（ZOOM）

 

变焦分两种，一种是数字变焦（DigitalZoom）；一种是光学变焦（OpticalZoom）。手机上，多数都采用数码变焦。数码变焦是通过摄像头模组内部的处理器，原来sensor上的一部份像素使用“插值”处理手段将画面放大到整个画面，从而达到放大目的。这种手法如同用图像处理软件把图片的面积改大。由于焦距没有变化，图像质量是相对于正常情况下较差。因此，数字变焦并没有太大的实际意义。

 

光学变焦是通过镜头、物体和焦点三方的位置发生变化而产生的。当成像面在水平方向运动的时候，视角和焦距就会发生变化，更远的景物变得更清晰，让人感觉像物体递进的感觉。

 

彩色深度（色彩位数，BitDepth）

 

反映对色彩的识别能力和成像的色彩表现能力，即用多少位的二进制数字来记录三种原色；

 

非专业相机的Sensor一般是24位，专业型相机的Sensor至少是36位的；

 

24位的Sensor，感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来记录，最多记录的色彩是256×256×256约1677万种；

 

36位的Sensor，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级，每一种原色用一个12位的二进制数字来记录，最多记录的色彩是4096×4096×4096约68.7亿种。

 

镜头均匀性（LensShading）

 

镜头均匀性也就是画面中心的影像的明亮度到四周边的明亮度的比值，用来描述拍照（特别是白色画面）的均匀性，行业内称为：LensShading，对于2M以上一般要求镜头的均匀性要大于85%
 

 

背照式CMOS（BSI）

 

优势：

 

1）在传统CMOS感光元件中，感光二极管位于电路晶体管后方，进光量会因遮挡受到影响；而背照式CMOS将它掉转方向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量；

 

2）显著提高低光照条件下的拍摄效果，同时也降低了像素之间的干扰，消除了早期正面照射CMOS传感器存在的噪声问题。

 

典型机型：iphone4S，魅族mx，HTCSensationXL，索尼LT26i

 

背照式CMOS图像传感器是相机领域的热门，在未来将会呈现一个爆发式的增长，也会对CCD市场形成有力的冲击。

 

PureView

 

2012世界移动通信大会(MWC2012)”主题展会上，诺基亚发布了首款使用PureView技术的手机诺基亚808PureView，搭载了令世界震惊的4100万像素传感器。

 

核心部件和技术：感光元件、卡尔蔡司光学镜头和诺基亚图像算法专利技术；过采样技术：将4100万像素的图像“浓缩”到500万像素的图像，每8个像素点会被整合成一个“超级像素点”。（噪点少，成像质量高）；

 

无损数码变焦：在拍摄时，手机会以500万像素级别显示图像，当放大图像时，“过采样”程度就会减小，直到一个“超级像素点”还原成普通像素点为止（不同于一般数码变焦采用的插值计算法，不会损失图像精度和清晰度）。