Camera 模组结构介绍

相机和手机成像的基本流程：

首先从镜头接收景物的光线，透过透镜、感光元件将光信号转为电信号，再经ISP图像处理，最终显示在屏幕上。

在镜头中不同的元件组成，让图像展示出不同的效果。每个部分的元件发挥着不同的作用，其中每个部分有什么玄机，这篇文章会介绍出来。

更具体内容，可以访问 - 镜头成像原理大揭秘

目录

1.相机成像原理 

2.镜头模组构成 

2.1 镜头lens 

2.2 音圈马达VCM 

2.3 滤光片IR/蓝玻璃BG 

2.4 支架Bracket 

2.5 感光芯片sensor 

2.6 电路板PCB 

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1.相机成像原理 

相机成像的最基本原理就是凸透镜成像，光线透过透镜后形成虚像，将虚像传送到屏幕显示。

镜头接收外部的光线打到成像模块上，通过控制镜头的伸缩，实现更清晰或者更广阔视角的图像。

整个相机模组我们可以理解为镜头和传感器的组合，镜头负责接收各种景物的光线，传感器就是负责将光线转为CPU可以处理的电信号以及对显示输出的效果调色。

2.镜头模组构成 

结构从上到下是镜头lens、音圈马达VCM、滤光片IR/蓝玻璃BG、支架Bracket、感光芯片sensor、印刷电路板PCB、连接器及SMT搭载元器件等。将每个部分一一进行介绍。

2.1 镜头lens 

玩相机的同学一定非常清楚，一个好的镜头其价格不菲，在拍照不同场景需要配备不同规格的镜头，lens作为成像中第一个元件，是至关重要的。

它整体效果就是一个凸透镜，主要的作用是汇聚光线，使景物的光线可以聚集到感光元件上。lens决定了感光元件的采光率。

现代镜头为了成本和效果的考虑，镜头不止是一个简单的玻璃透镜，而是由玻璃(Glass)材质和塑料(Plastic)材质共同完成，因为玻璃材质要比塑料材质成本更贵，但是玻璃材质的透光效果更好，透镜越多，成本越高。

图中，镜筒Barrel主要支撑保护lens；整体为遮光材质，避免外部光线的影响，一般在相机镜头中镜筒造型更明显；

垫片Spacer用于支撑lens结构，控制lens间距；

压环Press Ring固定lens整体，保护和加强lens结构，同时还有出瞳的作用，控制视场角FOV。

因此现代镜头由多种透镜组合。比如目前手机主流的镜头是1G3P，表示这个镜头由1片玻璃材质(Glass)透镜和3片塑料材质(Plastic)透镜组成，以获取最好的成像的效果和最低的成本。

2.2 音圈马达VCM 

VCM（Voice Coil Motor）音圈马达应用在对焦上，也就是AF模组，通过音圈马达可以移动镜头至最佳清晰点。

VCM的原理就是在永久磁场中，利用马达的线圈电流来改变弹簧片的位置，导致lens变焦，使得成像最清晰。

2.3 滤光片IR/蓝玻璃BG 

滤光片IR Filter(Infrared Ray Cut-off filter)，即红外截止滤光片，它是在lens和sensor感光元件之间，主要用于滤光。

因为人眼感受的可见光波长是380~770nm，而CMOS sensor识别的光波长范围在350~1000nm，sensor的波长范围更广，会接收红外光线，导致生成的图像整体变换和人眼所见有区别，滤光后以便图像和人眼更接近。

蓝玻璃BG(Blue Glass)，是一种吸收式的滤光片。不同于普通的IR Filter是反射式的，BG的成像效果更好，但是相应的造价也更高。

普通面的IR Filter是反射式的，对于可见光的范围反射率很低，基本无影响，在红外的范围内发射率较高，会形成光晕的现象。而蓝玻璃BG是吸收玻璃，不存在很大的反射。

另一个方面，普通IR 会随着入射角度存在较大的偏移，而蓝玻璃BG 偏移量较小，不会出现色彩不均、黑角、红斑的问题。

在手机市场中，苹果从iPhone 4开始就已经使用蓝玻璃BG 滤光片了，很多手机也是使用多层镀膜的蓝玻璃滤光片，以达到更好的图像质量。

2.4 支架Bracket 

顾名思义用于支撑，它主要是装载VCM和lens，并且会在内腔放置感光元件sensor、driver IC等元件。

其中，Driver IC是与前面音圈马达VCM相关的，通过Driver IC来控制电流大小，由此去控制VCM的位置。

2.5 感光芯片sensor 

感光芯片sensor，也可以称为图像传感器，这是整个摄像头组中的核心部件。它主要的作用就是将光信号转换为电信号，sensor元器件的优劣直接影响成像效果。

摄影圈中有一句话“底大一级压死人”，这是什么意思呢？就是说sensor的面积越大，可以接收的光信号越多，得到的图像质量越好。由此可见，sensor在摄像头中的重要作用。

感光元件sensor广泛使用的有两种：一种是CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

CCD器件能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，而COMS实际上只是将晶体管放在硅块上输出电信号。因此，CMOS成本更低，CCD的成像质量更好，多用在高端相机中。

现在主流的手机厂的摄像头模组一般都是CMOS器件。在有限的硬件环境下二者画质非常接近，CMOS可以发挥出更好的效果。

本文介绍一下CMOS器件的主要类型，分为前照式和背照式。

可以通过网上这个经典结构图可以看出来前照式和背照式的区别在于金属布线层和光电二极管的位置，经典的前照式金属线路层在光电二极管上方，而背照式金属线路层在光电二极管下方。

这种金属线路层在光电二极管上方的前照式就导致了金属层的遮挡透过的光信号更少，背照式其光线利用率要比前照式高出至少30%以上，从而能够拍出画质更细腻，噪点更少的照片，显著提高低光照条件下的拍摄效果。

但是，这样简单的原理大家都懂，为什么还会有前照式这种结构呢？归根结底还是生产工艺的问题，当时没有背照式结构的生产水平，导致一直无法享受背照式结构的优越性。

现在，各个手机大厂都在sensor传感器上做文章，从最开始的几百万像素到现在主流5000万像素IMX989一英寸超级大底传感器在手机上，手机厂在相机上也是做足了文章。

2.6 电路板PCB 

PCB电路板用来传输sensor的光电信号，将摄像头模组与主处理器连接起来，并进行数据传输。

现在手机上更多的是柔性印制电路板(FPCB)，具有轻，薄，短，小的特点。

随着摄像头的功能越来越复杂，需要传输的数据量越来越大，FPCB设计也愈来愈重要，它可以有效的降低信号中的噪声问题，提高图像的传输效率。

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好了，通过简单的原理拆分大家对成像的过程有了基本的了解。

图像的效果好不好，还是两个部分，一个是镜头，另一个就是感光元件，这是成像的基础，有了良好的硬件才能发挥高超的拍照技巧，毕竟巧妇难为无米之炊嘛！

后期还有一篇文章来介绍ISP图像处理模块，大家敬请期待。