摄像模组的基本原理

摘 要：伴随着互联网的发展，移动智能终端的普及，人们不再满足于过去简单的文字信息的交互模式，大众需要的是“有图有真相”，人们可以通过网络互相分享照片，视频通话。因此，网络摄像头、带有照相和摄像头功能的移动终端，受到了广大用户的热烈欢迎。本文介绍了摄像模组的基本构成和原理。

关键词：设计方案;摄像模组;原理

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

1 摄像模组的成像原理

如图1所示，为摄像模组成像的光电信号转换输出关系，被摄物体反射（或发出）的光线，传播到镜头内，镜头内部的光学透镜将光线聚焦到图像传感器（简称Sensor）上，图像传感器根据光的强弱积聚相应的电荷，把光信号转变为电信号输出到图像处理（简称DSP）芯片，图像处理芯片将所述信号经过转换、合成、补偿修正（部分Sensor自身集成这样的功能）后转换成数字信号的图像输出。一个完整的摄像模组主要由三部分组成，分别是镜头（Lens）、图像传感器、图像处理器，镜头与图像传感器合在一起统称为镜头模组。下面分别介绍这几部分的基本工作原理。

镜头模组的原理。镜头和图像传感器组成镜头模组，如图2所示，镜头模组由图中几部分组成。

2 镜头

镜头是聚集光线，使感光器件能获得清晰影像的结构，镜头性能的好坏直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。一颗完整的镜头，主要由图2所示的几部分组成，镜头部分主要包含镜片（Lens）、镜片支架（Lens Holder）、红外滤光片（IR Filter）。

镜头中最重要的部分是镜片（Lens），基于光的折射、反射原理，将从物体上反射过来的光汇聚。目前行业内均采用复式透镜，即以多片凹凸透镜的组合（如图3为多镜片复杂化双高斯结构），其解决了早期单片凸透镜清晰度不佳和色差的问题，并在镜片上镀膜增加进光量，红外滤光片的主要作用是滤除光中的红外光线（有些特殊用途的摄像模组不需要红外滤光片），红外光线为非可见光，人眼无法辨识，但是模组内部的图像传感器可以看到，如果没有红外滤光片则图像整体会偏红出现色差，一些模组内部没有红外滤光片而是集成到的图像传感器表面的微透镜上，这种设计能够将镜头做的更薄，适用于超薄产品的需要，适应更为广泛的应用场景。

视角和光圈是描述镜头品质的重要参数。

镜头中心点到成像平面对角线两端所形成的夹角就是镜头的视角，对于镜头来说，视角主要是指它可以“看到”的景物范围，当焦距变短时视角就变大了，可以拍出更宽的范围，但是这样会影响较远拍摄对象的清晰度。当焦距变长时，视角就变小了，可以使较远的物体变的清晰，但是能够拍摄的宽度范围就变窄了。

对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆形，并且面积可变的孔状光栅来达到控制透过镜头进入机身内部的光量，这样的装置就叫做光圈，它是模组的一个及其重要的参数。光圈大小一般用F值表示，其中， 光圈F值越小，通光孔径越大，因此在同一单位时间内的进光量越多。

3 图像传感器（Sensor）

图像传感器是将光信号转变为电信号的器件，其基本原理是内光电效应，即半导体器件中的本征半导体或杂志半导体价带中的电子吸收光子能量，动能增加挣脱原子核形成自由运动电子和空穴，在外加电场下产生电流。

透镜把光学图像聚焦到图像传感器上，图像传感器的作用是将二维光学图像转变成一维时序电信号，可以说图像传感器是摄像模组上最重要的器件。

图像传感器主要分为两大类，一类是电耦合（Charge-coupled device，CCD）图像传感器，一类是互补式金属氧化物半导体（Complementary metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）图像传感器，RV200TA摄像头采用的是CMOS图像传感器，本文以CMOS图像传感器为例介绍图像传感器的原理。

CMOS图像传感器主要由光电二极管、MOS场效应管、MOS放大器与MOS开关等电路组成。如图4所示CMOS成像器件的基本原理框图。它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。图中所示的像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X、Y各个方向上的地址，并可分别由两个方向的译码器进行选择，每一列像敏单元都对应于一个列放大器，列放大器的输出信号分别接到由X方向地址译码控制器进行选择的模拟多路开关，并输出至输出放大器，输出放大器的输出信号送A/D转换器进行模数转换，经预处理电路处理后通过接口电路输出。

如图5所示是像敏单元内部单元的基本电路，从图中可以看出，场效应管V1构成光电二极管负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位;而当复位脉冲消失后，V1截至，光电二极管开始积分光信号。场效应管V2是一源极跟随放大器，它将光电二极管的高阻输出信号进行电流放大。场效应管V3用作选址模拟开关，当选通脉冲引入时，V3导通，使得被放大的光电信号输送到列总线上。

在CMOS图像传感器的同一颗芯片中，还可以设置其它数字处理电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理等，甚至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起，形成具有多功能的器件。

4 图像处理器（DSP）

图像处理器本质上是一颗针对图像处理而设计数字信号处理器DSP，又称摄像模组控制器，内部集成多种图像处理算法，集成RGB、UVC等图像数据接口。图像处理器将一些常用的图像处理算法以硬件的形式集成到芯片中，其中包括亮度控制、对比度控制、色调控制、饱和度控制、锐度控制、伽玛控制等算法。集成USB接口协议。为了适应市场需求，部分高端DSP集成了音频处理功能，具有音频滤波、降噪等功能。目前如手机、平板等设备已经把图像处理功能做到主芯片上，取消单独的图像处理IC，这种设计的优点是减小产品体积，降低器件成本，是一个发展趋势。

5 小结

从手机上摄像模组的发展来看，摄像模组的功能与产品的内存、主IC的性能有很大的关系，由30万像素到1300万像素，由定焦距到自动对焦，由无闪光灯到单闪光灯再变为双闪光灯，每前进一步对用户体验都有质的飞跃，由此可见智能电视上的摄像头还处在起步阶段，现在行业内电视摄像头主要的作用是拍照、手势识别、人脸识别、视频聊天等，100万像素的摄像模组仅仅是一个起点，相信在不久的将来1080P或更高像素的摄像头将出现在电视上，让我们拭目以待。