移動電話內置式攝像模塊

楊相利

2002年市場上開始出現手機攝像模塊，分外接式和內置式兩種，但都是CIF(10萬像素)低像素的，且以外接式為主。雖然種類很少，但已表征出數碼照相機的一個重要發展趨向——手機用數碼攝影裝置。聯想到十幾年前數碼照相機剛剛誕生時的情景，那時她只不過是膠片照相機汪洋大海中的一小池清泉，并不起眼，可是這個幾年來卻以意想不到的驚人速度發展，目前無論是銷售數量還是銷售金額都超過了膠片照相機。這是照相機產業的革命性變化。現在出現了手機數碼照相機，是不是預示著照相機工業的又一場變革?帶著這一問題，杭州照相機械研究所工程中心從2002年下半年開始了較深入的上網查閱和實地市場考察，并于2003年6月開始研發VGA內置式手機攝像模塊，取名為HZS-30。經過近一年半的反復實踐，現已圓滿完成該項目。

HZS—30攝像模塊的構成和特性

HZS-30攝像模塊的構成示意圖如下，圖中1為光學鏡頭部分，2為固定座架部分，3為電子線路部分(CMOS芯片和FPC等)。

HZS-30攝像模塊的主要特性為

1．高靈敏度，可用于低照度環境；

2．2．5V電壓工作，適合手機或其他嵌入式便攜應用產品；

3．串行相機控制總線接口(SCCB)；

4．VGA，QVGA分辨率，支持Raw RGB、RGB和YCbCr格式輸出；

5．具有如下自動圖像控制功能：自動曝光控制(AEC)色彩飽和度、色調、伽瑪、銳度、斑塊、拖尾等控制；

6．體積小，只有8mm X 8mm X 7mm。

光學鏡頭

7．鏡頭的技術規格適用傳感器尺寸：1／4”焦距EFL：4．6 mm后焦距BFL：1．1mm相對孔徑：F3.1最大像高：2．34 mm視場角FOV：54°邊緣相對照度：55％畸變：<2％

2．鏡頭的光機結構

圖3為光學鏡頭構成示意圖，圖中1為光學玻璃透鏡，2為光學塑料透鏡，3為鏡筒，4為CMOS芯片。

3．鏡頭的主要特點

①采用了4個非球面，有

圖3鏡頭的結構示意圖利于消除各類像差，提高對比度(MTF值)，減少片數，縮短總長；

②采用玻璃—塑料混用結構，有利于減少塑料透鏡因溫度變化引起的像質漂移。

4．鏡頭的關鍵技術

①含多個非球面的光學系統的設計技術和評價方法

采用先進的光學設計軟件，運用多年來積累的設計技巧，并根據數碼鏡頭，特別是用于手機的數碼鏡頭之特殊要求確定評價指標，經多次修改才獲得較好的設計結果；

②雙非球面塑料透鏡的精密制造技術

包括模具設計技術，模芯的超精密加工與檢測技術，精密注塑技術，雙非球面塑料透鏡的檢測技術等。而且這些環節相互之間以及與光學設計之間都有內在聯系，需要綜合把握。工程中心依靠多年來在非球面塑料透鏡的制造技術方面累積的經驗教訓，以及反復實踐，較好地解決了這方面的挑戰；

③鏡頭的精密裝校和綜合檢測技術

本鏡頭由于共有6個光學表面，并且具有4個非球面，所以對各面間的同軸度要求非常高，這是裝校時的一大難點；同時，由于各非球面的面形都有一定的誤差，對整個系統的影響又不一，如何正確分析和采取必要措施以保證系統達到接近設計水平的像質，又是另一大難點；此外，還有消雜散光問題等。依靠科技人員與富有裝校和檢測經驗的技師的密切配合，這些問題都逐一得到解決。

電子線路

1．HZS-30攝像模塊的原理結構框圖

HZS-30攝像模塊的原理結構框圖如圖4所示。圖像傳感與處理器包括了光電成像、信號處理、模數轉換、數字處理、時序控制、通訊幾部分。

2.工作原理

被攝景物通過鏡頭成像在圖像傳感器陣列上，傳感器完成光電轉換，形成電子潛像。電子潛像在時序發生器產生的序列脈沖控制下逐像素、逐行、逐場送到模擬前端處理器，進行自動增益控制、白平衡和圖像質量方面的控制，如色調、飽和度、對比度、亮度等。經過模擬處理后的視頻信號送到AD轉換器進行電平校正，然后轉換為數字信號。數字信號處理器根據控制信號的指令進行圖像格式變換，支持RAW RGB、RGB(GRB 4：2：2)、YUV(4：2：2)和YCbCr(4：2：2)多種格式，變換好的數字信號通過數字接口逐個像素傳送給與之連接的主機系統。通訊控制部分接收來自主機系統的控制命令，對整個模塊的運行進行操作管理。

發展前景和下一步目標

以日本為代表的發達國家和以中國為代表的發展中國家對帶攝像功能的移動電話的需要正在快速持續地增長，大有取代低中端數碼相機之勢。據有關方面預測，2004年全球手機產量為6．2億部，其中帶攝像功能的就有近2億部，主流品種是VGA(30萬像素)；到2005年，130萬像素將成為帶攝像功能的手機的主流品種。作為，T產業的重要產品——手機，其更新換代之速度大概也要遵循摩爾定律吧。本項目正式立項時即2003年中期，發達國家的VGA攝像模塊剛進入批量生產，當時在國內市場上還只能買到帶CIF攝像模塊的手機，而且大多是外接式的。而僅僅隔了一年半的今天，在國內市場上帶內置式VGA攝像模塊的手機已開始普及，并已出現130萬像素的手機。所以，從市場的前景來考察，手機攝像模塊絕對是有極為光明的前途的。

問題在于在這激烈的競爭中如何爭取占有一定的市場份額，這就得依靠提高杭州照相機械研究所工程中心的綜合實力，特別是依靠擁有自主知識產權。通過本項目的研究，工程中心掌握了移動電話內置式VGA數碼攝像模塊的技術，尤其是高質量非球面鏡頭的設計制造技術，為進一步開發較高像素手機攝像模塊打下了堅實的基礎。

工程中心將與有關單位攜手盡快地實現VGA手機攝像模塊的產業化，根據杭照所的實際情況和特長，將把主要精力集中在非球面鏡頭的批量生產上；與此同時，著手130萬和200萬像素手機攝像鏡頭的開發和生產，并開展關于手機攝影中的ZOOM(變焦)技術和AF(自動調焦)技術的研究。