摄像模组来了, 这次我将仔细介绍一下 Camera 相关的知识.
成像原理
Camera 成像原理: 景物通过镜头 (Lens) 生成光学图像信号 (optical signal) 投射到图像传感器 (Image Sensor) 表面上, 由 sensor 感光像素点转换为电信号 (Electrical Signal) , 经过图像传感器的 A/D(数模转换) 变为数字图像信号, 通过显示屏 (Display) 成像.
相机按照可以不以光学变焦分为定焦模组和变焦模组, 其中变焦模组的代表是 P30Pro 和 Reno 10X 的潜望式长焦镜头, 这里由于 XXX 原因, 我不能介绍, 只能闷声... 另外一个就是常规使用的定焦模组 (焦段固定), 为多数手机镜头采用的方式, 所以很多时候会调侃手机变焦靠换(镜) 头.
为了方便说明, 我拿我手中腾龙的变焦镜头来举例
Tamron 15-30mm F2.8 变焦镜头
15-30 表示焦段, 上面的大环是变焦环; 下面的小环是调焦环. 玻璃片下的是焦距数值, 从 0.28m-∞ , 代表焦点离镜头的距离. 变焦环通过手动调节焦距. 从而达到 "拉大缩小" 的焦距变化.
在定焦模组中, 按照是否能自动对焦, 分为: FF(固定焦距模组);AF(自动对焦模组)
为了方便说明, 我拿我手中适马的定焦镜头来举例
Sigma 35mm F1.4 定焦镜头
大拇指所在的地方就是调焦环, 玻璃片下的是焦距数值, 从 0.3m-∞ , 代表焦点离镜头的距离. AF 镜头的意思是能通过镜头内的马达自动对焦; 而 FF 镜头的焦距是固定的, 不能改变焦距, 简单理解就是没有变焦环的定焦镜头.
这里先介绍 FF 模组. 由人工或软件判断以调整镜头组的光线能准确聚焦在 sensor 感光面上, 镜头不能保证所有距离的目标物均能得到最清晰成像, 仅能平衡在一定距离范围内目标物得到相对清晰的成像(20cm~50cm 符合前摄使用距离). 一般以低像素, 前置摄像头为主.
FF 摄像模组的整体结构
前置 FF 摄像头, 我就不拆了, 太难拆了这玩意
这里先将 FF 摄像模组逐个解析一下:
Lens: 即镜片, 主要由三种方式作成: 1. 注塑类 lens, 通过融化 PMMA(亚克力又称聚甲基丙烯酸甲酯, 曾经也使用 PC 材料, 但是已经逐步淘汰了)注塑而成 2. 模切类 lens, 通过平面 PMMA 板材打磨切割而成 3. 玻璃类 lens, 通过加工打磨玻璃镜片制成.
制作工艺类似相机镜头, 也有硬化镀膜电镀蚀刻等工序存在, 只不过相对来说手机 Lens 更小的, 更难加工而已.
Lens 结构
Lens 模组详解:
1.barrel: 支撑保护 lens 同时也是 lens 整体的遮光材质, 避免外部光线影响.
顶部孔径大小决定光学系统入射角同时顶部开孔的阶梯状边缘防止反射产生的杂散光进入系统; 使用螺纹结构是为了方便对焦.
2.Lens1-X: 即透镜越多, 对于消除像差的能力越强, 成像效果越好, 但是成本越高.(这点跟单反镜头是一样的, 差一点的镜头一般 5P, 好的旗舰机镜头, 比如米 9 主摄是 7P)具体传递到 sensor 上的光信号的特性均是由 Lens 组合决定. Lens 越好, CMOS 上的成像就越好. 另一方面, 某些特殊 Lens 能起到消除杂散光和各种像差的作用.
3.Speacer: 即垫圈, 按材质可以分为塑胶垫圈和铜垫圈, 铜垫圈一般要进行发黑处理, 塑胶垫圈孔径处要做消光处理, 不然都会影响到内部成像. 垫圈起到支撑 lens 结构, 控制各 lens 间距的作用
4.Press Ring: 塑料材质压力环, 将各片 lens 和 iris 等部件装入后, 压入 press ring 起到固定 lens 整体, 保护和加强 lens 结构的作用, 同时还有出瞳的作用, 控制视场角 FOV.(视场对相机成像来说非常关键)
Lens holder: 即镜头筒?(我也不知道怎么翻译好)保护和固定镜片用的, 塑料结构件, 一般是一体注塑而成
COB sensor:Chip On Board, 即直接集成在 PCB 硬板上的 CMOS, 也就是 Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体)也, 将光学信号转换成电信号, 也是整个镜头模组成像最关键的器件.
如果把整个镜头模组类比为无反相机, 那么 lens+ lens holder 可以简单理解为镜头; COB sensor 可以简单理解相机机身.
CMOS 详解: CMOS 是一种半导体芯片, 主要原理将光信号转为电信号, 通过表面几十万到几百万的光电二极管来实现. 光电二极管受到光照时就会产生电荷, 通过记录每一个光照光电二极管成像时产生的电荷就能实现记录图像光学信息的功能.
如下图所示 CMOS 中心矩形彩色区域为感光成像区域, 由单个感光单元矩阵排列而成, 下图图中从左向右依次做放大说明.
最右侧图片描述了单个感光单元结构, 其由上到下依次为 Micro Lens---- 滤光片 ----- 感光二极管 ------ 集成电路. Micro lens 聚光作用, 滤光片使单基色通过, 感光二极管将光信号转换为电信号, 集成电路做放大及 A/D 转换处理等.
一般像素点滤光片会采用 RGGB 三基色模式排列, 当然最近出了一个鬼才 CMOS RYYB, 就是将绿像素替换为黄像素达到提升 CMOS 进光量的作用, 但是这么做有个很严重的问题就是色偏 (尼康黄) 问题, 虽然能够通过后期软件修正, 但是很容易修正过度从而偏蓝. 这个问题在成像盲测中有非常明显的体现, 具体可以参加各类 XX 测评, 这里不再赘述.
CMOS 内部结构
这里还需要提一个很特殊的滤光片叫: IR 滤光片(即 Infrared Ray cut-off filter 红外截止滤光片)
由于人眼感受的可见光波长为 380-770nm 之间, CMOS sensor 识别的光波长范围为 350-1000nm, 可以同时接收可见光和红外线. 使得生成的图像与人眼所见不一致, 因此需要增加 IR-Filter, 达到滤掉红外线的作用. 分为吸收型和反射型
IR 滤光片
有无 IR-filter 对比图
PCB board: 相机内部的 PCB 板材, 与 CMOS 和 FPC 相连, 起连接作用. 这部分 PCB 会比主板的 PCB 要薄. 同时 PCB 还可以起到减低信号中的白噪声的作用.
FPC board: 柔性电路板, Flexible Printed Circuit, 起连接作用
连接器: 一般是 BTB(Board to Board 连接器)通过 BTB 接口与主板上的连接接口相连, 组装的时候主需要一按就可以完成摄像头模组与主板的连接, 有点类似 plug(BTB 是手机主要使用的连接器, 以后会专门介绍)
两种基板连接方式
主要有 FPCB 和 RFPCB 两种方式:
FPCB:FPC+PCB,2layer + 补强板和软板, 这种方式结构简单, 成本低
Rigidity Flexible-PCB,4-2-4layer 软硬结合板, 这种方式可靠性高, 成本高, 但是引入噪声最小.
保强板: 一块硬质塑料板, 主要在 BTB 连接器背部, 起到固定支撑 BTB 连接器的作用
介绍完了 FF 模组, 这边介绍 AF 模组
AF 镜头模组通过 Driver IC 来控制 VCM 内部线圈的电流来产磁力从而带动 lens, 来达到自动对焦的效果. 微调 lens 和 sensor 之间的距离使得所需拍照的影像变清晰. 有点类单反定焦镜头的调焦环.
AF 摄像模组结构
具体结构类似 FF 模组, 与 FF 最大的不同是有一个 Actuator 模块
Actuator: 激励器或者驱动器, 一般相机使用 VCM 音圈马达作为对焦专用马达. 这里可以详细介绍一下 VCM 马达相关的知识.
VCM 马达: 一般与 Lens 装配在一起, 通过控制 Lens 上下移动而改变 Lens 与 Sensor 的距离, 从而实现对焦功能.
AF 后摄模组, 主摄 + 长焦, 其中主摄是四轴防抖
AF 后摄模组, 主摄 + 长焦, 其中主摄是四轴防抖
1. Yoke 磁铁座: 整个制品的安装支撑架. 其他部品基本都是围绕 Yoke 安装的. 就像一座房子的房梁
2. Cap 上盖: 封闭制品的上部, 有的有限制 VCM 行程的作用
3. Spring(F/B)上下弹簧: 通电, 加压, 使制品符合所需性能.
4. Coil 线圈: 受力推动镜座运动, VCM 能动作, 力量的作用点就是线圈
5. Magnet 磁铁: 产生磁场推动线圈.
6. Lens Holder 镜座: 用于支撑透镜的支座, 同时在 VCM 制品中还起到组装上下弹簧的作用.
7. B-SPRING: 基座弹簧, 起固定缓冲支撑作用
8. Bottom 下盖: 封闭制品下部, 支撑镜座
9. Pin 焊接脚: VCM 正负引脚, 焊接至 PCB 对应 pad, 连接 driver IC 驱动
由于篇幅有限, 这里再着重介绍一下 OIS 光学防抖模组, 其他的防抖模式比如四轴防抖, 软件防抖就不介绍了:
OIS camera:Optical Image Stabilizer, 主要通过 lens shift 来进行防抖处理, 镜头是在 x 轴与 y 轴两个横轴之间做平移, 并且在平移的过程中与 CMOS 是保持在同一个水平面的. Lens shift 式 OIS 马达的自动对焦功能由一个 AF 马达来实现, 而 OIS 功能则由 AF 马达连同镜头组成的镜头悬浮体相对于图像传感器平移而实现. 由于镜头悬浮体的总重量较大, 在不同的拍照姿态下, 镜头悬浮体会在自身重力的作用下相对于图像传感器产生平移, 导致图像模糊! 为了解决上述问题, 马达内集成了两个霍尔传感元件, 用于准确测出镜头悬浮体在 X/Y 方向上的位置, 利用该位置信息结合闭环控制便可将镜头悬浮体的位置锁定, 令它只按照实际 OIS 的要求平移, 而不受自身重力和拍照姿态的影响, 也免于外界的机械扰动.
简单理解就是: OIS 防抖原理是通过在镜片组中增加一个使用磁力悬浮的镜片, 利用霍尔元件测出镜头准确位置, 当机身发生震动时, 能检测到轻微的抖动; 通过 Drive IC 将镜头悬浮体锁死在 "正确" 的位置, 从而控制镜片浮动对抖动进行一定的位移补偿, 达到免受外界机械扰动干扰的目的.
OIS 镜头
OIS 光轴偏移补偿
图一为稳固情况下的成像, 可以看到光线用过透镜后直达 CMOS 进行成像, 光轴稳定, 成像良好.
图二为抖动情况下的成像(如手持夜景等情况), 由于镜头抖动, 光轴偏移, 光线无法笔直穿过透镜达到 CMOS 成像, 所以此时拍出的图片非常模糊.
图三为抖动情况下, 镜头加装 OIS 防抖的成像. 虽然镜头还是抖动, 但是通过霍尔元件计算后, 能算出镜头悬浮体的准确位置, 发现抖动情况产生时, OIS 系统会通过 IC 驱动补偿镜头, 产生会有一个下偏移过程, 从而达到修正光路的作用
最近多镜头神教崛起, 所以如何将不同功能的摄像头整合到一起就成了技术热门点.
分体式双摄(共支架)
一体式双摄
小米 9 镜头模组
X27 为分体式双摄(共支架)+ 单独长焦
比如小米 9 就是一体双摄 + 分体双摄的结合体. 中间的镜头为 48M 主摄, 最下面的镜头是 12M 超广角, 这两个镜头通过一体双摄结合在一起 (共用 PCB 基板 + FPC+BTB 连接器), 而最上面的 16M 长焦镜头通过分体双摄与底部两个摄像头连接在一起. 由于三个摄像头共支架, 所以在组装的时候是一体的组装的(类似的还有 P30Pro 中的三摄) 这种方式的好处是便于组装, 增加生产良率, 同时三摄共支架能大幅提高多镜头模组的同轴性. 坏处是会增加生产及售后成本.
另一种多镜头模组代表是 X27, 可以看到主摄和超广角是共支架的, 但是长焦镜头是游离主摄支架之外的. 这样做虽然能节约成本, 但是由于光轴偏移, 在长焦与主摄同时工作的情况下, 必然对成像效果产生影响. 所以需要软件算法进行补偿和修正. 但是算法得来的结果始终不如原生的好.
由于篇幅有限, 这边其他的技术, 诸如外观超级黑, 潜望式光学变焦, DECO 组装安装, 摄像头固化方式, 光轴修正等都不再赘述. 成像原理相关的, 比如快门速度, 光圈大小, ISO 调节, 以及后期软件算法有时间可以写一篇单反相关的文章一起讨论.
有问题的欢迎私信我, 我会尽力回答.
来源: http://www.tuicool.com/articles/go/Q7BnQbI