高像素CMOS手機攝像模組關鍵技術研究

胡昌軍，魯大鵬，魯　謙，劉景景

（1.池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000；2.安徽昌碩光電子科技有限公司，安徽 池州 247000）

高像素CMOS手機攝像模組關鍵技術研究

胡昌軍1，2，魯大鵬2，魯謙2，劉景景1

（1.池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000；2.安徽昌碩光電子科技有限公司，安徽 池州 247000）

目前市場上的主流攝像頭所采用的感光元件CCD內需建通道線路，圖像采集為被動式采集，需外加的電壓值高，造成CCD影像感測器的電源管理電路設計困難，而且其耗費的功率較大，遠遠高于CMOS影像感測器。針對CCD影像感測器存在的這些問題，設計一種以CMOS影像感測器代替CCD影像感測器的手機攝像模組，CMOS影像感測器采用主動方式采集像素，為感測到的所有影像像素設置噪聲控制組件與訊號放大器，大幅度的減小噪聲對圖形品質的影響。CMOS工藝的圖像傳感器本身具備數字化傳輸接口，電信號直接由CMOS轉化后送入數字信號處理芯片。同時設計了手機攝像模組的自動聚焦控制程序，介紹了控制原理，并對自動聚焦控制系統進行了測試驗證，聚焦機構的聚焦動作實現方便、精確。

攝像模組；COMS圖像傳感器；被動采集；主動采集

網絡視頻隨著互聯網的廣泛使用、網絡環境的逐步改善，被越來越多的人使用和接受。視頻信息的清晰程度的需求也在逐漸提高。這就要求必須大幅度地增加攝像模組的像素值，從先前的200萬像素增加到800萬、1400萬甚至更高。

1　手機攝像模組的組成

攝像模組指的是能夠把光信號轉化為電信號的光學器件加光電器件的總和。手機攝像模組主要由CMOS傳感器、鏡頭、IF接口組成。這些部件在手機上的主要作用是照相時作為接口向手機內部輸入圖片或視頻。手機處理器對鏡頭所收集到的圖像數據進行全面地處理分析。

圖1　手機攝像模組的組成

圖2是手機影像模組硬件的爆炸圖，其中最主要就是鏡頭組、濾光片、圖像傳感器，影像模組的底板、CMOS傳感器芯片被固定在印刷電路板上通過金線綁定。

圖2　手機影像模組硬件的爆炸圖

1.1鏡頭組

鏡頭是相機的靈魂，對成像效果的影響最大，手機攝像模組中的鏡頭組由幾片透鏡經過組裝形成，常用的透鏡鏡片材料有玻璃和塑膠兩種。鏡頭是采用不同的透鏡經系統組合而形成的整體。高像素的手機鏡頭多用玻璃鏡片取代塑膠鏡片。為了降低成本，目前市場上的部分攝像頭產品也采用半塑膠半玻璃鏡頭。被拍景物的光線射入鏡頭后，可以看到在焦平面上形成被拍景物的清晰影像，CCD或CMOS等感光器件即可將這些影像資料記錄下來。

1.2濾光片

攝像模組所采用的濾光片即專業上所指光學低通濾波器，可以將所攝制的像素中包含的紅外線濾除。攝像模組中常用的圖像傳感器基本都是電子元器件，其對像素當中的紅外線能夠充分感應，它可以將該部分的紅外線光轉化為電信號，這一過程會導致圖像處理芯片對所攝制像素的顏色進行計算時發生偏差。因此把濾光片加入攝像模組中，將其中紅外光線濾除。在選擇濾光片時，濾除紅外線和防止干涉兩者都要能夠實現才行。藍玻璃具有“吸收”紅外線的功能，因此紅外線經過藍玻璃即被其過濾掉，但光線經過藍玻璃又比較容易發生干涉現象，造成光線進入鏡頭以后相互之間發生干擾。如果能夠找到一種物理偏光性好的材料，保留直射光線，將斜射光線反射掉，即可避免光的相互干涉，石英晶體就具有較好的物理偏光性。因此實際應用中可以將一片石英片和一片藍玻璃疊加在一起，加工成一種“兩片式”濾光片。該結構當中的藍玻璃可以實現可見光區（400-630nm）高透，濾掉紅外線，消除紅外光線對CCD/CMOS成像的影響，而石英片則可以去除干涉。

1.3圖像傳感器

攝像模組中圖像傳感器可以實現光電信號的轉化，是手機拍照的核心模塊，對圖像品質影響最大。圖像傳感器對圖像品質的感測情況，是對攝像模組的設計質量進行評價的重要參考指標之一。目前主流攝像頭當中所使用的感光元件主要為CCD 和CMOS兩種。CCD元件的內部設置有通道線路，正是由這些通道線路將電荷傳輸至放大解碼元件，將CCD上的感光元件所產生的信號完全還原，從而形成一幅完整的畫面。但CCD影像感測器為被動式采集，為了使每個像素中的電荷移動，需外加的電壓值達12～18V，造成CCD影像感測器的電源管理電路設計困難，且其功耗遠遠高于CMOS影像感測器。在CMOS影像感測器內部，所有的畫素全部接鄰一個放大器以及A/D轉換器，其資料輸出動作與存儲器電路的輸出方式相類似。CMOS影像感測器的像素采集方式為主動采集，為每個影像感測像素設置用于放大信號的訊號放大器與用于控制噪聲的相關組件，使得噪聲對圖形品質的影響大幅降低。

1.4手機處理器

手機處理器也就是數字信號處理芯片DSP，攝像頭中最重要的芯片之一就是DSP，它能夠及時快速地將由感光芯片所獲取的數據傳輸進入電腦，然后完成對感光芯片的刷新工作，因此畫面的色彩飽和度、清晰度等主要品質由控制芯片流暢度的好壞所決定。

2　CMOS攝像模組的設計

2.1手機CMOS攝像模組的工作原理

手機影像模組的工作原理如圖3所示，光線從被拍攝物體反射至鏡頭，再通過鏡頭聚焦照射到CMOS傳感器，傳感器通過分析所接收的光線的強弱，積聚與光線強弱相對應的電荷，然后周期性地將所積聚的電荷進行放電，最終獲得可以形成一幅幅被攝景物畫面的電信號，由于CMOS工藝的圖像傳感器己經具備數字化傳輸接口，這些電信號由CMOS直接轉化后送入數字信號處理芯片，經過相應得處理，由輸出接口將經過處理的信號輸出到手機屏上，我們即可從手機屏上看到被拍攝景物的圖片。2.2定焦模組和變焦模組

圖3　手機影像頭工作流程

鏡頭的焦距由定焦和變焦之分，定焦指的是鏡頭的焦距f為固定值，即鏡頭出產后，組裝到影像模組之前，其焦距就已經確定。也就是說，模組中的鏡頭與影像傳感器的距離為一個定值，鏡頭的焦距也是定值，它們均不會隨被攝景物距離的改變而改變。由于彌散圓的大小被攝像模組所限制，因此保證了拍攝質量。定焦模組在使用時就是利用“景深”調焦，沒有變焦功能，其設計比變焦簡單，對焦速度快，成像質量穩定，畫面細膩，測光相對準確。在生產手機上的定焦模組時，選取距離為60cm的物體作為被拍攝景物，調整像距，使得影像模組上顯示出最佳影像，然后將像距固定，這樣調整的原因是60cm的距離符合人們用手機拍照時大致距離。

變焦指的是鏡頭的焦距f可以改變，當被拍攝景物的距離變化時，為了在焦平面上獲得其清晰影像，必須對焦距和像距作出相對應地調整，這種調整鏡頭相關參數的過程即通常所指的調焦。圖4是常見的用于調整鏡頭焦距的VCM音圈變焦影像模組。VCM即音圈電機，目前世界上大多數都是采用VCM實現手機變焦和硬盤的磁臂驅動。該結構的基本原理為音圈導電以后會形成磁場，而鏡頭本身帶有反方向的磁場，在磁場的驅動力作用下，通過調整鏡頭內不同鏡片的距離以達到整組透鏡進行自動調焦的目的。

圖4　VCM音圈變焦影像模組

2.3光學變焦與數碼變焦

前文所指的變焦模組都是由改變鏡頭內部鏡片位置以使焦點的位置發生改變，亦即物體、鏡頭、焦點三方的位置發生改變，而它們位置的改變會帶來視角和焦距發生變化，進而實現所拍攝影像的放大與縮小，這種變焦方式即光學變焦。光學變焦倍數越大，被拍景物的距離即會越遠，拍攝到的景物也會隨之增大，而且圖片的質量不會因為光學變焦而變差。

讓鏡頭內的鏡片位置保持不變，亦即物體、鏡頭、焦點三者的位置保持不變，用影像處理器單獨處理由感光單元所得到的圖像信息，該感光單元位于感光元件中的不同部位，也就是采用計算機軟件來完成上述工作，我們將這樣的處理方式叫做數碼變焦。這種視頻縮放主要采用運算的方式進行，它等同于采用圖象處理軟件進行局部縮放，圖像的具體信息不會由于被縮放而發生改變，只是由計算機軟件通過計算、填補相應的圖像信息的方式對圖像進行縮放，所獲得的圖像信息看起來與實際的圖像信息非常相似。上述方法亦即通常所講的“插補”成像。“插補”成像的方法可以實現在一定程度上修補圖像的質量，但最終的修補效果非常有限。

3　自動聚焦攝像模組控制程序設計

自動聚焦攝像模組控制系統中對聚焦電機和CMOS傳感器的控制均由主控單元來實現，控制系統的控制流程如圖5所示，控制系統第一步先初始化，接下來采集數據，根據所采集到的數據進行計算，在選取對焦窗口時，采用多區域選擇算法進行，再通過用于評價清晰度的函數計算選取區域的清晰度，聚焦評價函數采用能量梯度函數進行計算并作出評價，當一幀圖像的數據完全采集完成后，首先計算出相鄰像素灰度差值的平方和，再將該幀圖像的上述相鄰像素灰度差值的平方和進行累加，即可獲得該幀圖像的聚焦評價函數。聚焦行為的搜索方式選用全程搜索的計算方法，鏡頭的驅動由電機完成，其運動規律為等步長規律進行全程移動，系統對電機的驅動步驟進行數據采集，并將所采集的該數據代入聚焦評價函數進行分析計算，將聚焦評價函數的計算值最大時的電機驅動步數記錄下來，隨后電機以較大步長向最大聚焦評價函數值移動，當接近全程當中最大的聚焦評價函數所在區域時，減小電機的驅動步長，即可獲得在最大值區域內搜索到更加精確的聚焦位置，讓鏡頭停止在聚焦評價函數值為最大值的位置，則系統實現了準確聚焦。

由上述所分析的自動聚焦攝像模組地控制過程可見，自動聚焦的控制算法主要包括選擇焦窗口、計算對焦窗口的清晰度、搜索清晰度最大值所在位置三個方面。

在許可的像素數據的處理能力的前提下，對應的聚焦區域盡量選取相對較大的窗口，并且在圖像區域中盡可能選取邊緣信息相對豐富的。此處所采用的芯片具有比較強的數據處理能力，在設置相關寄存器坐標的過程中，對焦窗口的選擇采用多區域選擇法。多區域選擇法是指首先選取一幅圖像的中心點當作視覺要點，同時選擇中心點周圍可能成為視覺關鍵點的多個點，計算時，采用清晰度評價函數取各點加權之和作為最終的圖像清晰度值。

圖5　自動聚焦攝像模組控制系統流程圖

上述各區域圖像的清晰度，在利用能量梯度函數計算之前，首先對所需計算的各區域圖像進行預處理，實際上就是對這些圖像進行去噪處理。以上所設計的攝像模組自帶圖像處理器，并且將濾波處理算法集成于其自帶的圖像處理器中，通過適當設置該圖像處理器中相應的寄存器即可達到去噪的目的。

在計算完成上述對焦窗口內的圖像清晰度后，即可對所計算出的圖像清晰度最大值進行搜索。此處對控制攝像模組進行聚焦搜索的方法為全程搜索算法和爬山法，同時對采用不同搜索算法計算的同一攝像模組中對焦窗口內的清晰度值進行了記錄，每次使用的聚焦時間都不超過70ms。

4　自動聚焦攝像模組控制系統的測試驗證

為了驗證上述攝像模組自動聚焦控制系統的運行情況，選取卡馳諾變位傳感器檢測驅動馬達的行程變位曲線，圖6（a）為該測試系統原理圖，圖6 （b）為測試結果。

圖6　自動聚焦攝像模組控制系統測試原理圖

從圖6的變位值和電流值相互關系曲線可以看出，聚焦機構VCM隨著電流值的增大按照相應規律運動。在施加一定的啟動電流后馬達才會開始運動，主要原因是載重物鏡上施加有一定的預壓力，啟動電流即是為了克服該預壓力，啟動電流值在25mA左右，馬達的運動步距（步距的大小可以由控制程序進行設置）大約為4.5m/mA，當電流增大到75mA時，馬達的行程（馬達行程的最大值與其性能相關）到達最大值0.18mm。

從圖6的檢測結果可以看出，聚焦電機的行程變位運動規律可以通過主控單元對CMOS傳感器發送指定規律的數據方便地實現控制。前述用于評價圖像清晰度的控制模塊，可以在采集圖像數據的過程中，根據計算獲得的圖像清晰度實時改變驅動電流，方便地實現由聚焦機構將鏡頭推送至指定的位置，完成聚焦動作。

5　結論

針對目前市場上采用感光元件CCD作為內需建通道線路的攝像頭，圖像采集為被動式采集，所需外加電壓值高，電源管理電路設計困難，耗費的功率大的問題，設計了以CMOS影像感測器代替CCD影像感測器的手機攝像模組，其像素采集方式為主動采集，噪聲對圖形品質的影響低。CMOS工藝的圖像傳感器本身具備數字化傳輸接口，電信號直接由CMOS轉化后送入數字信號處理芯片。設計了一種攝像模組的自動聚焦控制系統，并將該系統應用于手機移動終端設備，該系統可以實現對圖像清晰度進行檢測分析，并利用分析所得到的具體情況控制聚焦電機使其按照既定的規律移動，從而達到讓手機實現自動聚焦的目的，該系統的聚焦精度可達5～10m，響應時間不超過70ms。

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［責任編輯：桂傳友］

TN87

A

1674-1102（2016）03-0060-04

10.13420/j.cnki.jczu.2016.03.0014

2016-03-01

安徽省科技重大專項項目（15CZZ02013）。

胡昌軍（1974-），男，安徽樅陽人，池州學院機電工程學院副教授，碩士，主要從事圖像成形技術，機械結構設計等方面研究。