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物理照相机成像原理(摄像头成像的光学原理)

一. 摄像头成像原理 摄像头模组利用透镜成像的原理,来实现图像的成像;通过感光芯片及相关电路来记录和传输图像信号的。 ...

一. 摄像头成像原理

摄像头模组利用透镜成像的原理,来实现图像的成像;通过感光芯片及相关电路来记录和传输图像信号的。

二. 摄像头基本结构

摄像头结构组成:

Lens:镜头,负责成像和对焦

Holder:基座,负责固定镜头

IR:红外滤波片,负责过滤红外光

Sensor:图像传感器,负责将图像转换电信号

PCB:印刷电路板,负责供电控制及信号传输

FPC:可绕性印刷电路板,负责接口

马达:用来改变像距

三. 镜头(Lens)

理论上,镜头可以只由一个镜片组成,但由于光学原因,单个镜片的成像不可避免的存在色差、球差、彗差、像散等等一些列像差问题,尤其在边缘部分,成像很差。多个镜片的组合可以在一定程度上校正像差。

其次,如果镜头变焦需要多个镜片改变间距来实现 。而且变焦后,像差会发生变化,因而变焦镜头普遍需要更多镜片才能完成变焦和不同焦距的像差校正。

再次,很多镜头的对焦也是通过镜片位置改变实现的。

一般手机摄像头是通过电机控制镜头整体前后移动来改变焦距。

亲拆某手机镜头从里到外:1薄平面+1凹凸不规则曲面+1规则曲面+1规则曲面,共4片。

标准镜头:以适用于35毫米单镜头反光照相机的交换镜头为例(36*24mm感光元件),标准镜头通常是指焦距在40至55毫米之间的摄影镜头,它是所有镜头中最基本的一种摄影镜头。

广角镜头:焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头。 广角镜头的基本特点是:镜头视角大,视野宽阔。具有将距离感夸张化,对焦范围广等拍摄特点。使用广角时可将眼前的物体放得更大,将远处的物体缩得更小,四周的图像容易失真也是它的一大特点。广泛用于大场面风摄影作品的拍摄,能增加摄影画面的空间纵深感。

长焦镜头:“大炮筒”,焦距长,看得远。长焦距镜头通常分为三级,135mm以下称中焦距,中焦距镜头经常用来拍摄人像。135-500mm称长焦距。500mm以上的称为超长焦距适用于拍摄远处的景物。如球场上的特写以及野生动物的拍摄,因无法靠近被摄物,超长焦距镜头就大有用武之地。

四.红外滤波片(IR)

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:

五.图像传感器(sensor)

传感器:即感光元件CCD或CMOS。

CCD就像传统相机的底片一样的感光系统,是感应光线的电路装置,你可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子,铺满在光学镜头后方,当光线与图像从镜头透过、投射到CCD表面产生电流,将感应到的内容转换成数码资料储存起来。CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大,收集到的图像就会越清晰。

CMOS则是金属氧化物半导体组件,它和CCD一样负责将光线转变成电荷。只是工艺不同。目前手机摄像头几乎全部使用CMOS传感器。

CCD的优势在于成像质量好,但是制造工艺复杂,成本高昂,且耗电高,应用于摄影摄像方面。在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,但图像质量相比CCD来说要低一些。CMOS影像传感器相对CCD具有耗电低的优势,加上随着工艺技术的进步,CMOS的画质水平也不断地在提高,所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。

图像传感器原理:(以CCD传感器为例)

电荷耦合器件(CCD)原理简单。我们可以把它想象成一个没有盖子的记忆芯片。撞击记忆单元的光子在这些单元中产生电子(光电效应),因此光子的数目与电子的数目互成比例(光的明暗)。然而光子的波长(颜色)并没有被转换为电子。换言之,CCD 裸芯片实际上没有把色彩信息转换为任何形式的电信号。拍摄出来的照片是黑白的!(那为啥能得到彩色数据?)

解决方案:

理想方案:使用三棱镜分离出红绿蓝三基色,分别通过3片CCD获取这3种颜色的各自明暗程度,而后对应相加混合即可。---昂贵复杂。

加入有这样一张图片:

通过三棱镜后得到的3个sensor的值为:

绝大多数相机的方案:拜尔滤光片(马赛克滤波片)+单CCD+算法插值(ISP运算)。 拜尔滤光片使每个像素只能产生红、绿或蓝三色当中一种颜色的值。但是在输出时,由相机处理单元执行空间色彩插值法,使每个像素均包含三基色的成分。

拜尔滤光片:

由于人对红色光不敏感,对绿色光敏感,所以拜尔滤光片的色彩比为:红:绿:蓝 = 1:2:1所以为了得到真实色彩值,红和蓝的算法一样,和绿不一样。

六. 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。

目前的摄像头马达大概分普通音圈马达(VCM),中置式马达,闭环马达,光学防抖马达等。 AF对焦方式和原理(FV), 重力的影响,OTP.

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:

说移动到哪里就移动到哪里,更加精确

对于ISP来说依赖更少了,所以对焦更快

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

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