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1. 簡介

攝像頭模組

攝像頭模組烘浦，全稱CameraCompact Module，簡寫為CCM亿柑。CCM 包含四大件： 鏡頭(lens)、傳感器（sensor）棍弄、軟板（FPC）望薄、圖像處理芯片（DSP）。決定一個(gè)攝像頭好壞的重要部件是：鏡頭（lens）呼畸、圖像處理芯片 （DSP）痕支、傳感器（sensor）。CCM的關(guān)鍵技術(shù)為：光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)蛮原、非球面鏡制作技術(shù)卧须、光學(xué)鍍膜技術(shù)。

工作原理：物體通過鏡頭（lens）聚集的光,通過CMOS或CCD集成電路儒陨，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號花嘶，再經(jīng)過內(nèi)部圖像處理器（ISP）轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出到數(shù)字信號處理器（DSP）加工處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的GRB框全、YUV等格式圖像信號察绷。

2. 硬件組成

2.1 Lens（鏡頭）

? Lens是一個(gè)能夠接收光信號并匯聚光信號于感光器件CMOS/CCD的裝置。Lens決定sensor的采光率津辩，其整體效果相對于一個(gè)凸透鏡拆撼。

? 一般camera的鏡頭結(jié)構(gòu)是由幾片透鏡組成容劳，分有塑膠透鏡（PLASTIC)和玻璃透鏡(GLASS)，通常CAMERA用的鏡頭結(jié)構(gòu)有：1P,2P,1G1P,1G3P,2G2P,4G,8P等闸度。透鏡越多竭贩，成本越高；玻璃透鏡比塑膠透鏡貴莺禁，但是玻璃透鏡的成像效果比塑膠透鏡的成像效果要好留量。目前市場上針對mobile phone配置的camera以1G3P（1片玻璃透鏡和3片塑膠透鏡組成）為主，目的是降低成本哟冬。

2.1.1 Lens主要指標(biāo)

A楼熄、消除盡可能多Flare

B、畫質(zhì)清晰度

C浩峡、CRA(Chief Ray Angle主光線角度)要match可岂，減少shading(Lens cra < Sensor CRA, 相差最好在2度以內(nèi))

D、光圈盡可能的大

E翰灾、Distortion 盡可能的輕微等

2.1.2 Lens主要參數(shù)

（1）焦距：鏡頭焦距的長短決定著拍攝的成像大小缕粹，視場角大小，景深大小和畫面的透視強(qiáng)弱纸淮。一般來說對于單片鏡頭就是鏡頭中心到焦點(diǎn)的距離平斩，而相機(jī)鏡頭是由多片透鏡組合，就要復(fù)雜許多咽块。這里焦距就指的是從鏡頭的中心點(diǎn)到感光元器件（CCD）上所形成的清晰影像之間的距離绘面。

（2）視場角：我們常用水平視場角來反映畫面的拍攝范圍。焦距f越大糜芳，視場角越小飒货，在感光元件上形成的畫面范圍越小峭竣；反之塘辅，焦距f越小，視場角越大皆撩，在感光元件上形成的畫面范圍越大扣墩。

（3）F值（口徑比）：F 值即指鏡頭之明亮度(即鏡頭的透光量)。F=鏡頭焦距/光圈直徑扛吞。F值相同,長焦距鏡頭的口徑要比短焦距鏡頭口徑大呻惕。

（4）光圈：光圈是位于鏡頭內(nèi)部的、可以調(diào)節(jié)的光學(xué)機(jī)械性闌孔滥比，可用來控制通過鏡頭的光線的多少亚脆。可變光圈(Iris diaphragm)盲泛。鏡頭內(nèi)部用來控制闌孔大小的機(jī)械裝置濒持〖或指用來打開或關(guān)閉鏡頭闌孔，從而調(diào)節(jié)鏡頭的f-stop的 裝置柑营。

（5）景深：當(dāng)某一物體聚焦清晰時(shí)屈雄，從該物體前面的某一段距離到其后面的某一段距離內(nèi)的所有景物也都相當(dāng)于是清晰的。焦點(diǎn)相當(dāng)清晰的這段從前到后的距離就叫做景深官套。

景深

2.2 VCM（Voice Coil Motor）音圈馬達(dá)

? 全稱Voice Coil Montor酒奶，電子學(xué)里面的音圈電機(jī)，是馬達(dá)的一種奶赔。因?yàn)樵砗蛽P(yáng)聲器類似惋嚎，所以叫音圈電機(jī)，具有高頻響站刑、高精度的特點(diǎn)瘸彤。其主要原理是在一個(gè)永久磁場內(nèi)，通過改變馬達(dá)內(nèi)線圈的直流電流大小笛钝，來控制彈簧片的拉伸位置，從而帶動上下運(yùn)動愕宋。手機(jī)攝像頭廣泛的使用VCM實(shí)現(xiàn)自動對焦功能玻靡，通過VCM可以調(diào)節(jié)鏡頭的位置，呈現(xiàn)清晰的圖像中贝。

2.2.1 VCM性能指標(biāo)

? VCM的性能主要是看電流和行程距離的比值囤捻。從啟動電流開始，電流上升要和所能驅(qū)動的行程距離成比例邻寿，所需要上升電流越小蝎土，精度越高，同時(shí)還看最大耗電量绣否，最大功率誊涯，尺寸大小。

2.2.2 VCM分類

從結(jié)構(gòu)上大致可分三類： （1）彈片式結(jié)構(gòu) 蒜撮；（2）滾珠式結(jié)構(gòu)暴构； （3）摩擦式結(jié)構(gòu)。

從功能上大致分為五類： （1）Open loop開馬達(dá); （2）Close loop閉環(huán)馬達(dá) 段磨；（3）Alternate中置馬達(dá) 取逾；（4）OIS光學(xué)防抖馬達(dá)（分平移式、移軸式苹支、記憶金屬式等）砾隅；（5） OIS+Close loop六軸馬達(dá) 。

2.2.3 AF原理

? 進(jìn)入自動調(diào)焦模式后债蜜，Driver從0到最大值晴埂，使得鏡頭從原地移動到最大位移處究反，此時(shí)sensor成像面自動拍攝圖片并保存到DSP內(nèi)，DSP通過這些圖片邑时，計(jì)算每一副圖片的MTF（Modulation transfer function）值奴紧，從而在這條MTF曲線中找到最大值，并通過算法晶丘，得到這個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的電流大小黍氮，再一次指示Driver提供給音圈這個(gè)電流，而使鏡頭穩(wěn)定在這個(gè)成像面浅浮，使得達(dá)到自動變焦沫浆。

AF原理

2.2.4 變焦和對焦

A:實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦采用變焦馬達(dá)（ZOOM）

通過移動鏡頭內(nèi)部的鏡片來改變焦點(diǎn)的位置，改變鏡頭焦距的長短滚秩，并改變鏡頭的視角大小专执，從而實(shí)現(xiàn)影響的放大與縮小。

B:實(shí)現(xiàn)自動對焦采用對焦馬達(dá)（AF）

過微距離移動整個(gè)鏡頭(而不是鏡頭內(nèi)的鏡片)的位置,控制鏡頭焦距的長短,而實(shí)現(xiàn)影像 的清晰.手機(jī)中常用的方法郁油。

光學(xué)對焦和光學(xué)變焦是不同的概念:

光學(xué)變焦是通過移動鏡頭內(nèi)部鏡片的相對位置來改變焦點(diǎn)的位置本股，改變鏡頭焦距的長短，并改變鏡頭的視角大小桐腌，從而實(shí)現(xiàn)影像的放大與縮兄粝浴；

光學(xué)對焦是實(shí)際上是調(diào)整整個(gè)鏡頭的位置(而不是鏡頭內(nèi)的鏡片)的位置案站，來控制像距躬审，從而使成像最清晰。

2.3 IR-CUT

? 自然界存在著各種波長的光線蟆盐，人眼識別光線的波長范圍在320nm-760nm之間承边， 超過320nm-760nm的光線人眼就無法見到；而攝像機(jī)的成像元器件CCD或CMOS可以看到絕大部分波長的光線石挂。由于各種光線的參與博助，攝像機(jī)所還原出的顏色與肉眼所見在色彩上存在偏差。如綠色植物變得灰白痹愚，紅色圖畫變成淺紅色翔始，黑色變成紫色等。在夜間由于雙峰濾光片的過濾作用里伯，使CCD不能充分利用所有光線城瞎，不產(chǎn)生雪花噪點(diǎn)現(xiàn)象及其低照性能難以令人滿意。為了解決這個(gè)問題疾瓮，就使用IR-CUT雙濾鏡脖镀。

? IR-CUT雙濾鏡是指在攝像頭鏡頭組里內(nèi)置了一組濾鏡，當(dāng)鏡頭外的紅外感應(yīng)點(diǎn)偵測到光線的強(qiáng)弱變化后，內(nèi)置的IR-CUT自動切換濾鏡能夠根據(jù)外部光線的強(qiáng)弱隨之自動切換蜒灰，使圖像達(dá)到最佳效果弦蹂。也就是說，在白天或黑夜下强窖，雙濾光片能夠自動切換濾鏡凸椿，因此不論是在白天還是黑夜下，都能得到最佳成像效果翅溺。

2.3.1 IR-CUT 組成及原理

? IR CUT雙濾光片切換器由一個(gè)紅外截止低通濾光片（一片紅外截止或吸收濾光片）脑漫、一個(gè)全光譜光學(xué)玻璃（一片全透光譜濾光片）、動力機(jī)構(gòu)（可以是電磁咙崎、電機(jī)或其他動力源）以及外殼組成优幸，它通過一塊電路控制板來進(jìn)行切換、定位褪猛。當(dāng)白天的光線充分時(shí)网杆，電路控制板驅(qū)使切換器切換并定位到紅外截止濾光片工作，CCD或CMOS還原出真實(shí)色彩伊滋；當(dāng)夜間可見光不足時(shí)碳却，紅外截止濾光片自動移開，全光譜光學(xué)玻璃開始工作笑旺，這時(shí)追城，它能感應(yīng)紅外燈的紅外光，使CCD或CMOS充分利用到所有光線燥撞，從而大大提高了紅外攝像機(jī)的夜視性能，整個(gè)畫面也就清晰自然了迷帜。

2.3.2 IR-CUT指標(biāo)

a物舒、濾光片的紅外線截止程度，透光率戏锹，和光整形效果等冠胯。

b、動力驅(qū)動部分

c锦针、控制電路

4荠察、濾光片：一般用鍍膜(IR Coating)的方法或藍(lán)玻璃來濾除紅外光。

2.4 Sensor

? Image sensor（圖像傳感器）是一種半導(dǎo)體芯片奈搜，其表面有幾百萬到幾千萬個(gè)光電二極管悉盆，光電二極管受到光照就會產(chǎn)生電荷，將光線轉(zhuǎn)換成電信號馋吗。其功能類似于人的眼睛焕盟，因此sensor性能的好壞將直接影響到camera的性能。

2.4.1 Sensor結(jié)構(gòu)

Sensor結(jié)構(gòu)

2.4.2分類

感光原件：CCD宏粤、CMOS(PPS和APS)

不同工藝：前照式FSI脚翘、背照式BSI灼卢、堆棧式

2.4.3 指標(biāo)

1.像素

? 傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷来农，從而形成對應(yīng)于景物的電子圖像鞋真。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對應(yīng)一個(gè)像素（Pixels）沃于，像素越多涩咖，代表著它能夠感測到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰揽涮，像素越高抠藕，意味著成像效果越清晰。攝像機(jī)分辨率的乘積就是像素值蒋困，例如：1280×960=1228800

2.靶面尺寸

? 圖像傳感器感光部分的大小盾似，一般用英寸來表示。和電視機(jī)一樣雪标，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對角線長度零院，如 常見的有1/3英寸，靶面越大村刨，意味著通光量越好告抄，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。

3.感光度

? 即是通過CCD或CMOS以及相關(guān)的電子線路感應(yīng)入射光線的強(qiáng)弱嵌牺。感光度越高打洼，感光面對光的敏感度就越強(qiáng)，快門速度就越高逆粹，這在拍攝運(yùn)動車輛募疮，夜間監(jiān)控的時(shí)候尤其顯得重要。

4.電子快門

? 是比照照相機(jī)的機(jī)械快門功能提出的一個(gè)術(shù)語僻弹。其控制圖像傳感器的感光時(shí)間阿浓，由于圖像傳感器的感光值就是信號電荷的積累，感光越長蹋绽，信號電荷積累時(shí)間也越長芭毙，輸出信號電流的幅值也越大。電子快門越快卸耘，感光度越低退敦，適合在強(qiáng)光下拍攝。

5.幀率

? 既指單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量蚣抗。連續(xù)播放一系列圖片就會產(chǎn)生動畫效果苛聘，根據(jù)人類的視覺系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒（即15幀）的時(shí)候， 人眼就基本看不出來圖片的跳躍设哗；在達(dá)到24幅/s——30幅/s（即24幀到30幀）之間時(shí)就已經(jīng)基本覺察不到閃爍現(xiàn)象了唱捣。

? 每秒的幀數(shù)（fps）或者說幀率表示圖形傳感器在處理場時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢网梢、更逼真的視覺體驗(yàn)震缭。

6.信噪比

? 是信號電壓對于噪聲電壓的比值，信噪比的單位用dB來表示战虏。一般攝像機(jī)給出的信噪比值均是AGC（自動增益控制）關(guān)閉時(shí)的值拣宰，因?yàn)楫?dāng)AGC接通時(shí)，會對小信號進(jìn)行提升烦感，使得噪聲電平也相應(yīng)提高巡社。

? 信噪比的典型值為45——55dB，若為50dB手趣，則圖像有少量噪聲晌该，但圖像質(zhì)量良好；若為60dB绿渣，則圖像質(zhì)量優(yōu)良朝群，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說明對噪聲的控制越好中符。這個(gè)參數(shù)關(guān)系的圖像中噪點(diǎn)的數(shù)量姜胖，信噪比越高，給人感覺畫面越干凈淀散，夜視的畫面中點(diǎn)狀的噪點(diǎn)就越少右莱。

2.5 DSP

? 數(shù)字信號處理器DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能：主要是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對數(shù)字圖像信號參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理档插，并把處理后的信號通過USB等接口傳到PC等設(shè)備

2.5.1 DSP和ISP區(qū)別

名詞解釋：

ISP 是Image Signal Processor 的簡稱慢蜓，也就是圖像信號處理器。

DSP是Digital Signal Processor 的縮寫阀捅，也就是數(shù)字信號處理器。

功能解釋：

ISP一般用來處理Image Sensor（圖像傳感器）的輸出數(shù)據(jù)针余，如做AEC（自動曝光控制）饲鄙、AGC（自動增益控制）、AWB（自動白平衡）圆雁、色彩校正忍级、Lens Shading、Gamma 校正伪朽、祛除壞點(diǎn)轴咱、Auto Black Level、Auto White Level 等等功能的處理。

DSP功能就比較多了朴肺，它可以做些拍照以及回顯（JPEG的編解碼）窖剑、錄像以及回放（Video 的編解碼）、H.264的編解碼戈稿、還有很多其他方面的處理西土，總之是處理數(shù)字信號了。

3. 分類及相關(guān)概念

3.1 按接口分

1. USB接口

   ? UVC鞍盗，全稱 USB Video Class 需了、是 USB-IF 定制的一套標(biāo)準(zhǔn)，所有遵循這一標(biāo)準(zhǔn)的 USB 接口攝像頭在 Windows Linux 等系統(tǒng)下般甲，幾乎能直接使用肋乍，達(dá)到類似免驅(qū)的效果。

   ? 當(dāng)然了敷存，并不是說真正的不需要驅(qū)動墓造，而是只要某個(gè) USB 接口的攝像頭遵循了 UVC標(biāo)準(zhǔn)，它就能被 Window历帚、Linux 系統(tǒng)中一套通用的驅(qū)動所驅(qū)動滔岳，而不需要你再安裝其他的驅(qū)動。比如 Linux 內(nèi)核中就有一套針對 UVC 設(shè)備的通用驅(qū)動：drivers/media/usb/uvc , 只要打開了這套驅(qū)動挽牢，幾乎所有的 UVC 攝像頭都可以直接使用谱煤。

2. MIPI接口

   ? MIPI（移動行業(yè)處理器接口）是Mobile Industry Processor Interface的縮寫。MIPI是MIPI聯(lián)盟發(fā)起的為移動應(yīng)用處理器制定的開放標(biāo)準(zhǔn)禽拔。

   ? MIPI 組織致力于把移動通信設(shè)備內(nèi)部的接口標(biāo)準(zhǔn)化從而減少兼容性問題并簡化設(shè)計(jì)刘离。例如攝像頭接口CSI、顯示接口DSI睹栖、射頻接口DigRF硫惕、麥克風(fēng)/喇叭接口SLIMbus等。

接口規(guī)范

3. DVP接口

   ? DVP是并口傳輸野来，速度較慢恼除，傳輸?shù)膸挼停褂眯枰狿CLK\sensor輸出時(shí)鐘曼氛、MCLK（XCLK）\外部時(shí)鐘輸入豁辉、VSYNC\場同步、HSYNC\行同步舀患、D[0：11]\并口數(shù)據(jù)——可以是8/10/12bit數(shù)據(jù)位數(shù)大小徽级。

4. LVDS接口：LVDS（Low Voltage Differential Signaling)即低壓差分信號傳輸

5. 網(wǎng)口：IPC網(wǎng)絡(luò)攝像頭

6. SDI接口：專業(yè)視頻接口，采用同軸電纜的聊浅，走數(shù)字信號餐抢，現(xiàn)在有18GHz帶寬的產(chǎn)品现使，可以滿足8K視頻傳輸。

7. RGB接口：模擬視頻接口旷痕，采用同軸電纜的碳锈，走模擬信號，720x576標(biāo)清信號以下苦蒿。

8. eDP接口：比較新的規(guī)范殴胧，在筆記本行業(yè)將廣泛用于取代LVDS，支持超高分辨率佩迟，支持1080P以上

3.2 按鏡頭分類

1. 廣角鏡頭

2. 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭

3. 長焦鏡頭

4. 變焦鏡頭

5. 針孔鏡頭

3.3 按成像分

1. 彩色攝像頭
2. 黑白攝像頭
3. 紅外攝像頭

3.4按感光原件分

1. CCD
2. CMOS

3.5按焦距是否可調(diào)分

1. 定焦攝像頭
2. 變焦攝像頭

3.6 按sensor封裝分

1. CPS

2. COB

參考鏈接：

風(fēng)中老狼的博客：https://maoao530.github.io/2017/07/29/camera-base-intro/
凹凸思的知乎專欄：https://www.zhihu.com/people/jiao-tao-52/posts