手机摄像头的心得体会---camera模组的结构和选择

      今天我们可以来聊一聊关于camera的结构。

      一个手机，我们从app中打开camera，然后就看到camera的拍摄的景色，然后按下开关就会形成一个静态的照片，那么这张照片是怎样形成的呢？他的整个过程又是怎样的？如成像原理如下图：

       在成像原理图中我们看到了从光线进入到JPG图片形成，经过镜头，光圈，传感器等等元器件，最后经过ISP处理形成了一张漂亮的图片，而这些小元器件组装在一起我们就称作为camera模组。

       首先我们还是以手机摄像头为例，先拿一张手机camera模组的结构图（如果你身边有这样一颗模组的话，你自己最好拆一颗看看内部的构造，然后这样更容易理解）：

          这个结构图中camera模组主要是由镜头，sensor，马达电机和一下固定的塑料固件组成。具体结构如下：

而这些模组的作用是什么呢？最简单的说法就是把景物变成如下的图像 What a sensor see，而最后这些东西经过ISP处理就变成What an end-user see。（顺便说一下）而我们的工作就是调整ISP的处理方式，让用户拥有更好的图片质量体验。

     既然这篇文章是介绍模组的结构的，那么我们就把这颗模组拆开了揉碎了，说一说。

一 . 镜头LENS

          首先我们来说一说最重要的镜头，而一个镜头他属于精密仪器，这个假如您看过我上一篇文章中的模组厂如何组装镜头的话，您就了解了，一个好的镜头选择对于一颗模组来说是多么的重要，镜头结构如下图：

         而在手机摄像头的参数表中常常体现的是这个镜头是多少P的，在这里一般镜头P数越多，相对来说镜头的shading会少，但P数不是越多越好，那么镜头的好坏如何决定呢，我们一般会通过imtest测试解析力，解析力越高越好。查看如下图：

关于镜头，最主要的参数应该是他的焦距，对于不同焦距有着不同的分类如下：

而且不同的焦距提供的视角也是不一样的如下：

二. 电机马达

        接下来我们就俩聊一聊跟我本职工作比较接近的电机马达。有人会感觉到奇怪，为什么摄像头上怎么还有马达呢？这个主要是由于人懒。像以前的人们拍照，拍照片的话，拍照的人需要不停的移动位置，找到一个合适的位置，找到图像的最清晰的点进行拍照，而人懒就使用电机马达代替人类不停的移动找到最清晰图片的位置（这个是自己瞎扯，真正原因是什么去查查历史就行，哈哈）。言归正传，我们首先认识一下这个电机马达长什么样？如下图：

         我把他剖析出来，您就可以清晰的看到一个关键点，这个马达长得有点怪，如果高中学过电磁感应的话，就会明白，线圈通电会产生磁场，流经磁场的电流大小可以推动如图中的镜头进行向前或者向后的移动。这就形成一个简易的马达，这种结构叫做VCM（Voice Coil Actuator/ Voice Coil Moto），这个过程将电能转换成了机械能。

         普遍手机用的都是这种VCM的电机控制镜头移动，而这种马达又随着技术的进步分为了open，close loop，中置马达。关于open和close loop的不同：

        简单来说，由于马达控制镜头的移动，由于这是一个运动的过程，所以有各种不确定性（例如弹簧弹力，镜头重量等等），假如ISP让镜头移动到10mm处，但是镜头只移动到了8mm处或者11mm处，但是ISP不清楚呀，这样就会造成问题，呈现在用户手中的照片是有点虚。为了解决这个问题，从open 马达发展成为了close loop，如下图，提供了一个Hall Sensor，加了一个反馈机制，这样做有如下好处：

          1）说移动到哪里就移动到哪里，更加精确。

          2）对于ISP来说依赖更少了，所以对焦更快，

          3）同时电机更加稳定，从而更省电，功耗更小。

同时这样的成本就高了起来。

open和close 的系统对比如下：

关于中置马达的问题，           

      

          就是说一个简单的例子，一个百米赛跑，open和close loop的马达都是从0的位置开始起跑的，而中置马达是从50m的位置可以正负两个方向进行移动，那么这样做的话，最重要的优点就是你给camera供电的电压就更小了，原来可能需要5v，现在只需要+-2.5V就ok了，这样的话，功耗就更小了,速度更快，成本没有增加。

三. IR滤波片

       接下来说一下这个IR滤波片的作用，首先为什么要有这个东西，没有他行不行，答案肯定是不行的，你可以想一想，做手机的往死了扣成本，不会无缘无故加东西的，那么这个有什么作用呢？主要作用就是滤除红外光，如下图可以看出人类的可识别的光是400~700，而感光元器件（sensor）他的可识别范围更广泛，那么我们最后成像是需要给人来观看的，所以我们想到只保留人类可识别的波长的光。这样找到了一种材料去截断超过700的光。从下面色卡中的图像可以清晰看到有或者没有这个IR滤波片所拍摄的照片是不一样的，不加滤波片，多余波长的光会很影响后续的ISP的调试工作。

        根据不同的滤光方式分为两类IR CUT Filter，两种各有各的优缺点如下图，相对来说蓝玻璃的效果更好一下，但是成本大概是前者的10倍。

   另外注意一点：

          这里都有不同的涂抹材料，IR朝向Lens，AR朝向Sensor：

四. Sensor

       关于成像特别重要的一个影响因素就是这个sensor，不但影响一个照片的颜色，亮度，还有噪点等等，所以说能够选择一个好的sensor就会成为你这个手机成像的好坏的决定性因素。而关于sensor，我简单来说一下，先说一下他的分类CCD和CMOS如图：

电路图可简单了解一下，手机由于他一些成本考虑，一般都使用的是CMOS。CCD和CMOS如下图：

为什么说他是CCD比CMOS的成本高呢？那是因为CCD的成品率比较低（由于只要有一个发光二极管坏了，由于电路是串联，所以那么整个一排的二极管都要作废），所以成本高，有点就是曝光比较快（整帧曝光，而CMOS行曝光）。