攝像頭原理

一. 攝像頭成像原理

攝像頭模組利用透鏡成像的原理，來實(shí)現(xiàn)圖像的成像；通過感光芯片及相關(guān)電路來記錄和傳輸圖像信號(hào)的。

camera的成像框架

二. 攝像頭基本結(jié)構(gòu)

攝像頭結(jié)構(gòu)組成：

Lens:鏡頭,負(fù)責(zé)成像和對(duì)焦

Holder:基座,負(fù)責(zé)固定鏡頭

IR:紅外濾波片,負(fù)責(zé)過濾紅外光

Sensor:圖像傳感器,負(fù)責(zé)將圖像轉(zhuǎn)換電信號(hào)

PCB:印刷電路板,負(fù)責(zé)供電控制及信號(hào)傳輸

FPC:可繞性印刷電路板,負(fù)責(zé)接口

馬達(dá):用來改變像距

三. 鏡頭（Lens)

    理論上，鏡頭可以只由一個(gè)鏡片組成，但由于光學(xué)原因，單個(gè)鏡片的成像不可避免的存在色差、球差、彗差、像散等等一些列像差問題，尤其在邊緣部分，成像很差。多個(gè)鏡片的組合可以在一定程度上校正像差。

    其次，如果鏡頭變焦需要多個(gè)鏡片改變間距來實(shí)現(xiàn) 。而且變焦后，像差會(huì)發(fā)生變化，因而變焦鏡頭普遍需要更多鏡片才能完成變焦和不同焦距的像差校正。

    再次，很多鏡頭的對(duì)焦也是通過鏡片位置改變實(shí)現(xiàn)的。

一般手機(jī)攝像頭是通過電機(jī)控制鏡頭整體前后移動(dòng)來改變焦距。

親拆某手機(jī)鏡頭從里到外：1薄平面+1凹凸不規(guī)則曲面+1規(guī)則曲面+1規(guī)則曲面，共4片。

標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：以適用于35毫米單鏡頭反光照相機(jī)的交換鏡頭為例（36*24mm感光元件），標(biāo)準(zhǔn)鏡頭通常是指焦距在40至55毫米之間的攝影鏡頭，它是所有鏡頭中最基本的一種攝影鏡頭。

廣角鏡頭：焦距短于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、視角大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。 廣角鏡頭的基本特點(diǎn)是：鏡頭視角大，視野寬闊。具有將距離感夸張化，對(duì)焦范圍廣等拍攝特點(diǎn)。使用廣角時(shí)可將眼前的物體放得更大，將遠(yuǎn)處的物體縮得更小,四周的圖像容易失真也是它的一大特點(diǎn)。廣泛用于大場(chǎng)面風(fēng)攝影作品的拍攝，能增加攝影畫面的空間縱深感。

長(zhǎng)焦鏡頭：“大炮筒”，焦距長(zhǎng)，看得遠(yuǎn)。長(zhǎng)焦距鏡頭通常分為三級(jí)，135mm以下稱中焦距，中焦距鏡頭經(jīng)常用來拍攝人像。135－500mm稱長(zhǎng)焦距。500mm以上的稱為超長(zhǎng)焦距適用于拍攝遠(yuǎn)處的景物。如球場(chǎng)上的特寫以及野生動(dòng)物的拍攝，因無法靠近被攝物，超長(zhǎng)焦距鏡頭就大有用武之地。

四.紅外濾波片（IR）

接下來說一下這個(gè)IR濾波片的作用，首先為什么要有這個(gè)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(jī)的往死了扣成本，不會(huì)無緣無故加?xùn)|西的，那么這個(gè)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(shí)別的光是400~700，而感光元器件（sensor）他的可識(shí)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(shí)別的波長(zhǎng)的光。這樣找到了一種材料去截?cái)喑^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(gè)IR濾波片所拍攝的照片是不一樣的，不加濾波片，多余波長(zhǎng)的光會(huì)很影響后續(xù)的ISP的調(diào)試工作。

根據(jù)不同的濾光方式分為兩類IR CUT Filter，兩種各有各的優(yōu)缺點(diǎn)如下圖，相對(duì)來說藍(lán)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(diǎn)：

這里都有不同的涂抹材料，IR朝向Lens，AR朝向Sensor：

五.圖像傳感器（sensor）

傳感器：即感光元件CCD或CMOS。

CCD就像傳統(tǒng)相機(jī)的底片一樣的感光系統(tǒng)，是感應(yīng)光線的電路裝置，你可以將它想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子，鋪滿在光學(xué)鏡頭后方，當(dāng)光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面產(chǎn)生電流，將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼資料儲(chǔ)存起來。CCD像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清晰。

CMOS則是金屬氧化物半導(dǎo)體組件，它和CCD一樣負(fù)責(zé)將光線轉(zhuǎn)變成電荷。只是工藝不同。目前手機(jī)攝像頭幾乎全部使用CMOS傳感器。

CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是制造工藝復(fù)雜，成本高昂，且耗電高，應(yīng)用于攝影攝像方面。在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。CMOS影像傳感器相對(duì)CCD具有耗電低的優(yōu)勢(shì)，加上隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，CMOS的畫質(zhì)水平也不斷地在提高，所以目前市面上的手機(jī)攝像頭都采用CMOS傳感器。

圖像傳感器原理：（以CCD傳感器為例）

電荷耦合器件（CCD）原理簡(jiǎn)單。我們可以把它想象成一個(gè)沒有蓋子的記憶芯片。撞擊記憶單元的光子在這些單元中產(chǎn)生電子（光電效應(yīng)），因此光子的數(shù)目與電子的數(shù)目互成比例（光的明暗）。然而光子的波長(zhǎng)（顏色）并沒有被轉(zhuǎn)換為電子。換言之，CCD 裸芯片實(shí)際上沒有把色彩信息轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號(hào)。拍攝出來的照片是黑白的！（那為啥能得到彩色數(shù)據(jù)？）

解決方案：

理想方案：使用三棱鏡分離出紅綠藍(lán)三基色，分別通過3片CCD獲取這3種顏色的各自明暗程度，而后對(duì)應(yīng)相加混合即可。---昂貴復(fù)雜。

假如有這樣一張圖片：

通過三棱鏡后得到的3個(gè)sensor的值為：

絕大多數(shù)相機(jī)的方案：拜爾濾光片（馬賽克濾波片）+單CCD+算法插值（ISP運(yùn)算）。 拜爾濾光片使每個(gè)像素只能產(chǎn)生紅、綠或藍(lán)三色當(dāng)中一種顏色的值。但是在輸出時(shí)，由相機(jī)處理單元執(zhí)行空間色彩插值法，使每個(gè)像素均包含三基色的成分。

拜爾濾光片：

通過拜爾濾光片的值為：

由于人對(duì)紅色光不敏感，對(duì)綠色光敏感，所以拜爾濾光片的色彩比為：紅：綠：藍(lán) = 1：2：1

所以為了得到真實(shí)色彩值，紅和藍(lán)的算法一樣，和綠不一樣。

六. 電機(jī)馬達(dá)

有人會(huì)感覺到奇怪，為什么攝像頭上怎么還有馬達(dá)呢？這個(gè)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(dòng)位置，找到一個(gè)合適的位置，找到圖像的最清晰的點(diǎn)進(jìn)行拍照，而人懶就使用電機(jī)馬達(dá)代替人類不停的移動(dòng)找到最清晰圖片的位置。

目前的攝像頭馬達(dá)大概分普通音圈馬達(dá)（VCM），中置式馬達(dá)，閉環(huán)馬達(dá)，光學(xué)防抖馬達(dá)等。 AF對(duì)焦方式和原理(FV), 重力的影響,OTP.

我把他剖析出來，您就可以清晰的看到一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這個(gè)馬達(dá)長(zhǎng)得有點(diǎn)怪，如果高中學(xué)過電磁感應(yīng)的話，就會(huì)明白，線圈通電會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，流經(jīng)磁場(chǎng)的電流大小可以推動(dòng)如圖中的鏡頭進(jìn)行向前或者向后的移動(dòng)。這就形成一個(gè)簡(jiǎn)易的馬達(dá)，這種結(jié)構(gòu)叫做VCM（Voice Coil Actuator/ Voice Coil Moto），這個(gè)過程將電能轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能。       

普遍手機(jī)用的都是這種VCM的電機(jī)控制鏡頭移動(dòng)，而這種馬達(dá)又隨著技術(shù)的進(jìn)步分為了open，close loop，中置馬達(dá)。關(guān)于open和close loop的不同：       

簡(jiǎn)單來說，由于馬達(dá)控制鏡頭的移動(dòng)，由于這是一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)到10mm處，但是鏡頭只移動(dòng)到了8mm處或者11mm處，但是ISP不清楚呀，這樣就會(huì)造成問題，呈現(xiàn)在用戶手中的照片是有點(diǎn)虛。為了解決這個(gè)問題，從open 馬達(dá)發(fā)展成為了close loop，如下圖，提供了一個(gè)Hall Sensor，加了一個(gè)反饋機(jī)制，這樣做有如下好處：

說移動(dòng)到哪里就移動(dòng)到哪里，更加精確

對(duì)于ISP來說依賴更少了，所以對(duì)焦更快

同時(shí)電機(jī)更加穩(wěn)定，從而更省電，功耗更小。

同時(shí)這樣的成本就高了起來