19世紀初夏普與當時的日本通信運營商J－PHONE發明了夏普 J－SH04，夏普 J－SH04具有拍照功能，2003年4月24日夏普發售了全球首款百萬像素手機J－SH53

，風靡一時。

 

目前市麵上的手機通常都具有前後攝像頭，前麵一般在500萬左右，用來自拍和視頻通話，後置一般在1300萬左右，可以照出更加清晰的圖片和錄製清晰視頻。

 

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，軟硬結合板三種（如下圖）
，CMOS可用任何一種板，但CCD的話就隻能用軟硬結合板。這三種板中軟硬結合板價格最高
，而硬板價格最低。

 

 

鏡頭

 

鏡頭是僅次於CMOS芯片影響畫質的第二要素
，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。因此一個品質好的攝像頭應該是采用多層玻璃鏡頭！現在市場上的多數攝像頭產品為了降低成本
，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，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，像的大小由下式決定y′＝－f′·tanω（ω是物方視場角）。

 

相對孔徑D／f＇和光圈數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，因而決定像平麵照度，其定義為入瞳直徑D與鏡頭焦距f＇之(zhi)比(bi)，暗(an)景(jing)物(wu)和(he)高(gao)速(su)運(yun)動(dong)物(wu)體(ti)的(de)照(zhao)相(xiang)需(xu)要(yao)大(da)相(xiang)對(dui)孔(kong)徑(jing)物(wu)鏡(jing)，大(da)相(xiang)對(dui)孔(kong)徑(jing)物(wu)鏡(jing)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)像(xiang)平(ping)麵(mian)照(zhao)度(du)
，根(gen)據(ju)相(xiang)對(dui)孔(kong)徑(jing)大(da)小(xiao)，照(zhao)相(xiang)物(wu)鏡(jing)分(fen)為(wei)弱(ruo)光(guang)照(zhao)物(wu)鏡(jing)（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。

 

相對孔徑的倒數稱為光圈係數，又稱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
，對照相機鏡頭來說，F數越低
，鏡頭相容性就愈好，使用範圍更大。相對孔徑還影響像麵上獲得清晰像的空間深度範圍－景深
，相對孔徑越大，成像的景深越大
，照相過程中調節光圈大小控製景深。

 

 

視場角2ω照相物鏡的視場角2ω決(jue)定(ding)了(le)物(wu)方(fang)空(kong)間(jian)的(de)範(fan)圍(wei)，照(zhao)相(xiang)物(wu)鏡(jing)的(de)視(shi)場(chang)由(you)像(xiang)平(ping)麵(mian)上(shang)具(ju)有(you)滿(man)意(yi)成(cheng)像(xiang)質(zhi)量(liang)的(de)圓(yuan)形(xing)區(qu)域(yu)的(de)直(zhi)徑(jing)決(jue)定(ding)，或(huo)由(you)相(xiang)機(ji)所(suo)采(cai)用(yong)感(gan)光(guang)元(yuan)件(jian)的(de)感(gan)光(guang)麵(mian)尺(chi)寸(cun)決(jue)定(ding)。

 

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的優勢在於畫質銳利
，色彩真實
，但缺點則是噪聲問題，一般采用原色CCD的數碼相機，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（數字信號處理芯片）

 

它的功能是通過一係列複雜的數學算法運算，對數字圖像信號進行優化處理
，最後把處理後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控製芯片的作用是：將感光芯片獲取的數據及時快速地傳到baseband中並刷新感光芯片，因此控製芯片的好壞

，直接決定畫麵品質（比如色彩飽和度、清晰度）與流暢度。

 

上麵所說的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換為電信號
，再通過內部的DA轉換為數字信號。由於傳感器的每個pixel隻能感光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數據。要想將每個像素的RAW DATA數據還原成三基色，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麵積式圖像傳感器。

 

CCD由光電二極管感光部件、ccd轉zhuan移yi部bu件jian和he電dian荷he放fang大da器qi件jian組zu成cheng
，當dang光guang照zhao射she時shi，光guang子zi激ji發fa電dian荷he，電dian荷he產chan生sheng堆dui積ji，感gan光guang部bu件jian與yu轉zhuan移yi部bu件jian之zhi間jian加jia上shang柵zha電dian壓ya

，堆dui積ji的de電dian荷he在zai柵zha電dian壓ya的de作zuo用yong下xia
，開kai始shi定ding向xiang移yi動dong至zhi轉zhuan移yi部bu件jian，經jing放fang大da輸shu出chu，這zhe些xie輸shu出chu的de電dian荷he信xin號hao帶dai有you圖tu像xiang信xin息xi。

 

圖像傳感器的發展趨勢是高敏感化、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轉換器等。

 

兩種感光元件的不同之處：

 

 

CCD成像質量好，但是製作起來比較複雜，而且耗能大，CMOS雖然成像質量較差，但是驅動電壓低，製造簡單
，CMOS可以和其他器件集成


，每一個像素都可以實現完整的功能，相比CCD是(shi)成(cheng)千(qian)上(shang)萬(wan)個(ge)像(xiang)素(su)排(pai)列(lie)，每(mei)一(yi)個(ge)像(xiang)素(su)激(ji)發(fa)的(de)電(dian)荷(he)彙(hui)集(ji)到(dao)一(yi)起(qi)，運(yun)輸(shu)到(dao)放(fang)大(da)器(qi)和(he)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)器(qi)，這(zhe)樣(yang)給(gei)後(hou)續(xu)處(chu)理(li)增(zeng)加(jia)不(bu)少(shao)負(fu)擔(dan)，而(er)且(qie)大(da)量(liang)的(de)電(dian)荷(he)彙(hui)集(ji)，也(ye)給(gei)通(tong)道(dao)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)
，在(zai)技(ji)術(shu)上(shang)出(chu)現(xian)了(le)瓶(ping)頸(jing)，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wu方fang光guang線xian進jin入ru係xi統tong
，經jing過guo鏡jing頭tou，到dao達da圖tu像xiang傳chuan感gan器qi，光guang子zi打da到dao傳chuan感gan器qi上shang產chan生sheng可ke移yi動dong電dian荷he，這zhe是shi內nei光guang電dian效xiao應ying
，可ke移yi動dong電dian荷he彙hui集ji形xing成cheng電dian信xin號hao，由you於yu處chu理li器qi無wu法fa識shi別bie電dian荷he信xin號hao
，需xu要yao把ba電dian信xin號hao轉zhuan化hua為wei數shu字zi信xin號hao，對dui於yu圖tu像xiang傳chuan感gan器qi是shicmos的係統不需要外加模數轉換器，而對於以ccd作為圖像傳感器的係統需要A／D轉換器
，經過模數轉換器件，電荷信號轉換成數字信號
，數字信號經過放大電路進入微處理器
，數字信號經過DSP數字信號處理芯片經過存儲處理後，傳輸到屏幕形成和物一樣的圖像。

 

 

 

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，其數值大小主要由相機傳感器中的像素點（即最小感光單位）數量決定
，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量決定屏幕是720p或1080p分辨率是一個道理。

 

像素決定照片質量
？

 

tongchanghuiyiweixiangjixiangsuyuegao，paidezhaopianjiuyueqingxi

，shijishang。xiangjidexiangsuweiyinengjuedingdeshiqisuopaitupiandefenbianlv
，ertupiandefenbianlvyuegao，zhidaibiaoletupiandechicunyueda，bingbunengshuomingtupianyueqingxi。

 

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屏的解讀範圍，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別的。

 

高像素的優勢在哪裏呢？

 

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量的關鍵因素
，那麼誰才是呢？答案是傳感器。

 

相機傳感器主要分兩種：CCD和CMOS。CCD傳感器雖然成像質量好
，但是成本較高

，並不適用於手機
，而CMOS傳感器憑借著較低的功耗和價格以及優異的影像品質，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
，二者係出同門，技術最早都由索尼研發，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，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境下的成像質量。

 

 

2012年8月
，索尼發布了全新堆棧式傳感器（Exmor RS CMOS）
，需xu要yao注zhu意yi的de是shi
，它ta和he背bei照zhao式shi傳chuan感gan器qi並bing非fei演yan進jin關guan係xi，而er是shi並bing列lie關guan係xi，堆dui棧zhan式shi傳chuan感gan器qi的de主zhu要yao優you勢shi是shi在zai像xiang素su數shu保bao持chi不bu變bian的de情qing況kuang下xia
，讓rang傳chuan感gan器qi尺chi寸cun變bian得de更geng小xiao，也ye可ke以yi理li解jie為wei，在zai與yu背bei照zhao式shi傳chuan感gan器qi的de像xiang素su數shu相xiang同tong時shi，堆dui棧zhan式shi傳chuan感gan器qi的de尺chi寸cun會hui更geng小xiao，從cong而er節jie省sheng了le空kong間jian，讓rang手shou機ji變bian得de更geng薄bo、更輕。

 

鏡頭

 

鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，相當於相機的“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製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
，數字越小，光圈就越大，兩者成反比例關係。

 

它(ta)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)是(shi)，光(guang)圈(quan)開(kai)得(de)越(yue)大(da)，通(tong)過(guo)鏡(jing)頭(tou)到(dao)達(da)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)光(guang)線(xian)就(jiu)越(yue)多(duo)，成(cheng)像(xiang)畫(hua)麵(mian)就(jiu)越(yue)明(ming)亮(liang)，反(fan)之(zhi)畫(hua)麵(mian)就(jiu)越(yue)暗(an)。因(yin)此(ci)，在(zai)夜(ye)拍(pai)或(huo)暗(an)光(guang)環(huan)境(jing)下(xia)，大(da)光(guang)圈(quan)的(de)成(cheng)像(xiang)優(you)勢(shi)就(jiu)更(geng)明(ming)顯(xian)。

 

chulekongzhitongguangliang，guangquanhaijuyoukongzhijingshendegongneng。shenghuozhong，womenshichanghuikandaobeijingxuhuaxiaoguohenqiangdezhaopian，bujintuchulepaishejiaodian
，haijuyouhenweimeideyishugan
，erzhejiushisuoweidejingshen。guangquankaideyueda，jingshenyuexiao，beijingxuhuaxiaoguojiugengmingxian。

 

 

（來源：中科院半導體所）

 

 

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