攝像模組的基本原理

李子建

摘 要：伴隨著互聯網的發展，移動智能終端的普及，人們不再滿足于過去簡單的文字信息的交互模式，大眾需要的是“有圖有真相”，人們可以通過網絡互相分享照片，視頻通話。因此，網絡攝像頭、帶有照相和攝像頭功能的移動終端，受到了廣大用戶的熱烈歡迎。本文介紹了攝像模組的基本構成和原理。

關鍵詞：設計方案;攝像模組;原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.098

1 攝像模組的成像原理

如圖1所示，為攝像模組成像的光電信號轉換輸出關系，被攝物體反射（或發出）的光線，傳播到鏡頭內，鏡頭內部的光學透鏡將光線聚焦到圖像傳感器（簡稱Sensor）上，圖像傳感器根據光的強弱積聚相應的電荷，把光信號轉變為電信號輸出到圖像處理（簡稱DSP）芯片，圖像處理芯片將所述信號經過轉換、合成、補償修正（部分Sensor自身集成這樣的功能）后轉換成數字信號的圖像輸出。一個完整的攝像模組主要由三部分組成，分別是鏡頭（Lens）、圖像傳感器、圖像處理器，鏡頭與圖像傳感器合在一起統稱為鏡頭模組。下面分別介紹這幾部分的基本工作原理。

鏡頭模組的原理。鏡頭和圖像傳感器組成鏡頭模組，如圖2所示，鏡頭模組由圖中幾部分組成。

2 鏡頭

鏡頭是聚集光線，使感光器件能獲得清晰影像的結構，鏡頭性能的好壞直接影響成像質量的優劣，影響算法的實現和效果。一顆完整的鏡頭，主要由圖2所示的幾部分組成，鏡頭部分主要包含鏡片（Lens）、鏡片支架（Lens Holder）、紅外濾光片（IR Filter）。

鏡頭中最重要的部分是鏡片（Lens），基于光的折射、反射原理，將從物體上反射過來的光匯聚。目前行業內均采用復式透鏡，即以多片凹凸透鏡的組合（如圖3為多鏡片復雜化雙高斯結構），其解決了早期單片凸透鏡清晰度不佳和色差的問題，并在鏡片上鍍膜增加進光量，紅外濾光片的主要作用是濾除光中的紅外光線（有些特殊用途的攝像模組不需要紅外濾光片），紅外光線為非可見光，人眼無法辨識，但是模組內部的圖像傳感器可以看到，如果沒有紅外濾光片則圖像整體會偏紅出現色差，一些模組內部沒有紅外濾光片而是集成到的圖像傳感器表面的微透鏡上，這種設計能夠將鏡頭做的更薄，適用于超薄產品的需要，適應更為廣泛的應用場景。

視角和光圈是描述鏡頭品質的重要參數。

鏡頭中心點到成像平面對角線兩端所形成的夾角就是鏡頭的視角，對于鏡頭來說，視角主要是指它可以“看到”的景物范圍，當焦距變短時視角就變大了，可以拍出更寬的范圍，但是這樣會影響較遠拍攝對象的清晰度。當焦距變長時，視角就變小了，可以使較遠的物體變的清晰，但是能夠拍攝的寬度范圍就變窄了。

對于已經制造好的鏡頭，我們不可能隨意改變鏡頭的直徑，但是我們可以通過在鏡頭內部加入多邊形或者圓形，并且面積可變的孔狀光柵來達到控制透過鏡頭進入機身內部的光量，這樣的裝置就叫做光圈，它是模組的一個及其重要的參數。光圈大小一般用F值表示，其中， 光圈F值越小，通光孔徑越大，因此在同一單位時間內的進光量越多。

3 圖像傳感器（Sensor）

圖像傳感器是將光信號轉變為電信號的器件，其基本原理是內光電效應，即半導體器件中的本征半導體或雜志半導體價帶中的電子吸收光子能量，動能增加掙脫原子核形成自由運動電子和空穴，在外加電場下產生電流。

透鏡把光學圖像聚焦到圖像傳感器上，圖像傳感器的作用是將二維光學圖像轉變成一維時序電信號，可以說圖像傳感器是攝像模組上最重要的器件。

圖像傳感器主要分為兩大類，一類是電耦合（Charge-coupled device，CCD）圖像傳感器，一類是互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）圖像傳感器，RV200TA攝像頭采用的是CMOS圖像傳感器，本文以CMOS圖像傳感器為例介紹圖像傳感器的原理。

CMOS圖像傳感器主要由光電二極管、MOS場效應管、MOS放大器與MOS開關等電路組成。如圖4所示CMOS成像器件的基本原理框圖。它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X、Y各個方向上的地址，并可分別由兩個方向的譯碼器進行選擇，每一列像敏單元都對應于一個列放大器，列放大器的輸出信號分別接到由X方向地址譯碼控制器進行選擇的模擬多路開關，并輸出至輸出放大器，輸出放大器的輸出信號送A/D轉換器進行模數轉換，經預處理電路處理后通過接口電路輸出。

如圖5所示是像敏單元內部單元的基本電路，從圖中可以看出，場效應管V1構成光電二極管負載，它的柵極接在復位信號線上，當復位脈沖出現時，V1導通，光電二極管被瞬時復位;而當復位脈沖消失后，V1截至，光電二極管開始積分光信號。場效應管V2是一源極跟隨放大器，它將光電二極管的高阻輸出信號進行電流放大。場效應管V3用作選址模擬開關，當選通脈沖引入時，V3導通，使得被放大的光電信號輸送到列總線上。

在CMOS圖像傳感器的同一顆芯片中，還可以設置其它數字處理電路。例如，可以進行自動曝光處理、非均勻性補償、白平衡處理等，甚至于將具有運算和可編程功能的DSP器件制作在一起，形成具有多功能的器件。

4 圖像處理器（DSP）

圖像處理器本質上是一顆針對圖像處理而設計數字信號處理器DSP，又稱攝像模組控制器，內部集成多種圖像處理算法，集成RGB、UVC等圖像數據接口。圖像處理器將一些常用的圖像處理算法以硬件的形式集成到芯片中，其中包括亮度控制、對比度控制、色調控制、飽和度控制、銳度控制、伽瑪控制等算法。集成USB接口協議。為了適應市場需求，部分高端DSP集成了音頻處理功能，具有音頻濾波、降噪等功能。目前如手機、平板等設備已經把圖像處理功能做到主芯片上，取消單獨的圖像處理IC，這種設計的優點是減小產品體積，降低器件成本，是一個發展趨勢。

5 小結

從手機上攝像模組的發展來看，攝像模組的功能與產品的內存、主IC的性能有很大的關系，由30萬像素到1300萬像素，由定焦距到自動對焦，由無閃光燈到單閃光燈再變為雙閃光燈，每前進一步對用戶體驗都有質的飛躍，由此可見智能電視上的攝像頭還處在起步階段，現在行業內電視攝像頭主要的作用是拍照、手勢識別、人臉識別、視頻聊天等，100萬像素的攝像模組僅僅是一個起點，相信在不久的將來1080P或更高像素的攝像頭將出現在電視上，讓我們拭目以待。

參考文獻：

[1]王慶有.圖像傳感器應用技術（第2版）[Z].

[2]中星微電子有限公司.鏡頭原理簡介[Z].endprint