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搞机┇手机摄像头的组成结构

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上一篇文章中讲过了“像素”的概念,这里我们主要讲一下摄像头物理组成部件。手机摄像头由PCB板、镜头、固定器和滤色片、DSP(CCD用)、传感器等部件组成。其工作原理为:拍摄景物通过镜头,将生成的光学图像投射到传感器上,然后光学图像被转换成电信号,电信号再经过模数转换变为数字信号,数字信号经过DSP加工处理,再被送到手机处理器中进行处理,最终转换成手机屏幕上能够看到的图像。

PCB板

就是摄像头中用到的印刷电路板,分为硬板、软板、软硬结合板三种,这三种材料应用范围不同,CMOS可以使用任何一种,但CCD只能使用软硬结合板,并且也是软硬结合板的造价成本最高。

PCB板

镜头

镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件,它通常由由几片透镜组成。从材质上看,摄像头的镜头可分为塑胶透镜和玻璃透镜。玻璃透光性以及成像质量都具有较大优势,但玻璃透镜成本也高。因此一个摄像头品质的好坏,与镜头也是有一定关系的。比如诺基亚800采用的是卡尔蔡司认证镜头,成像效果就会比普通镜头好一些。当然,它只是总效果的影响因素之一。

镜头

镜头有两个较为重要的参数:光圈和焦距。光圈是安装在镜头上控制通过镜头到达传感器的光线多少的装置,除了控制通光量,光圈还具有控制景深的功能,光圈越大,景深越小,平时在拍人像时背景朦胧效果就是小景深的一种体现。诺基亚800和魅族MX四核版的光圈都为f/2.2,小米2光圈为f/2.0,iPhone 4S光圈为f/2.4,数字越小,代表光圈越大,也就是说小米2的光圈最大,不加上其他因素的话理论上成像效果最好。

另外镜头的另一重要参数是“焦距”。焦距是从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之间的距离。根据成像原理,镜头的焦距决定了该镜头拍摄的物体在传感器上所形成影像的大小。比如在拍摄同一物体时,焦距越长,就能拍到该物体越大的影像。长焦距类似于望远镜。

固定器和滤色片

固定器的作用,实际上就是来固定镜头,另外固定器上还会有一块滤色片。滤色片也即“分色滤色片”,目前有两种分色方式,一种是RGB原色分色法,另一种是CMYK补色分色法。原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题,一般采用原色CCD的数码相机,ISO感光度多半不会超过400。相对的,补色CCD多了一个Y黄色滤色器,牺牲了部分影像的分辨率,但ISO值一般都可设定在800以上。

固定器和滤色片

DSP

DSP又叫数字信号处理芯片,它的功能是通过一系列复杂的数学算法运算,对数字图像信号进行优化处理,最后把处理后的信号传到显示器上。目前DSP厂商的设计和生产技术都已经比较成熟,各项技术指标上相差不大。

传感器和DSP

上面所说的DSP是CCD中会使用,是因为,在CMOS传感器的摄像头中,其DSP芯片已经集成到CMOS中,从外观上来看,它们就是一个整体。而采用CCD传感器的摄像头则分为CCD和DSP两个独立部分。

传感器

传感器是摄像头组成的核心,也是最关键的技术,它是一种用来接收通过镜头的光线,并且将这些光信号转换成为电信号的装置。简单的理解,我们可以把传感器看做是传统相机用的胶片,虽然两者原理不同,但在相机整体组成结构中有一定相似度。

感光器件面积越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。

常见的摄像头传感器主要有两种,一种是CCD传感器,一种是CMOS传感器。两者区别在于:CCD的优势在于成像质量好,但是由于制造工艺复杂,只有少数的厂商能够掌握,所以导致制造成本居高不下,特别是大型CCD,价格非常高昂。在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

传感器

相对于CCD传感器,CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低,CCD为提供优异的影像品质,付出代价即是较高的电源消耗量,为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压,读取前便将其放大,利用3.3V的电源即可驱动,电源消耗量比CCD低。

另外偶尔还会提到CCM传感器,CCM(Compact CMOS module)实际上是CMOS的一种,只是CCM经过一些处理,画质比CMOS高一点,拍照时感应速度也较快,但照片品质还是逊色于CCD。

目前,主流的手机用的都是CMOS传感器,如三星Galaxy Note 2、iPhone 5、小米2、魅族MX四核版、诺基亚Lumia 800等。

另外,有的厂家在宣传中会提到“背照式”“BSI”等概念,实际上BSI就是背照式CMOS的英文简称,背照式CMOS是CMOS的一种,它改善了传统CMOS感光元件的感光度,在夜拍和高感的时候成像效果相对好一些。如iPhone 4、魅族MX四核版、中兴U895、索尼爱立信LT15i等机器中都应用了BSI传感器,而iPhone 4的传感器由OmniVision公司生产提供。

另外,传感器厂商中索尼也非常出名出名,索尼生产的一代背照式CMOS(BSI)命名为“Exmor R CMOS”,二代命名为“Exmor RS CMOS”。其中索尼LT26i、HTC凯旋X310e、iPhone 4S采用的就是Exmor R CMOS传感器。

从上面的各个名词中我们知道,Exmor R CMOS\Exmor RS CMOS属于背照式CMOS(BSI)的一种,而背照式CMOS(BSI)又属于CMOS的一种。概念上不能混淆。

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