【camera】摄像头模组简单介绍

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摄像头模组

1. 摄像头介绍

摄像头模组的结构大致如下：

camera模组工作原理：景物通过镜头lens生成光学图像信号投射到图像传感器image sensor表面上，由sensor感光像素点转换为电信号，经过图像传感器的A/D数模转换变为数字图像信号，经过处理在显示屏成像。

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。

• lens主要作用是聚集光线，使通过镜头的光纤额能够聚集到感光芯片上；
• VCM用在AF模组上，用来对焦，即移动镜头至最佳清晰点；
• IR/BG主要用来滤光，IR通过镀膜过滤光线，BG通过吸收光能量的原理过滤光线；
• Bracket用于支撑装载VCM和lens，上表面凹槽贴装IR，内腔容留sensor+电容+driver IC等元件；
• sensor采集光线并转换为电信号输出；
• PCB用来传到sensor的光电信号，降低信号中的noise；

按照自动对焦与否可以分为AF(Auto focus)模组和FF(Fixed focus)模组；按照封装方式可以分为CSP模组和COB模组(另外还有ACF、flipchip等)；按照连接方式分为BTB(board to board)、GF(golden finger)、Reflow；其它的还有PDAF模组、OIS模组、双摄、三摄、TOF等。

camera在模组厂的工艺流程大致分为：来料检查、SMT(在PCB表面贴装Connector/driver-IC等元件)、COB(将sensor/VCM/Lens/bracket等组装到PCB上)、EOL(调焦、校准、烧录等操作)、出货检查。

2. Lens介绍

Lens构造如下：

• 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；顶部孔径大小决定光学系统入射角；顶部开孔的阶梯状边缘防止反射产生的杂散光进入系统；螺纹方便调焦；
• 镜片组lens1/lens2/lens3…一般lens由几片透镜组成，材质一般分为塑胶透镜和玻璃透镜。透镜越多，消除像差的能力越强，成像效果越好，但相应的成本也越高。镜片组起到将光线会聚到sensor的作用，还可以消除杂散光和各种像差的作用；
• 垫片Spacer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。

Lens重要的是它的特性，包括物理特性和光学特性。

2.1 Lnes的物理特性

• TTL, Total track length，镜头总高，是Barrel顶端至成像平面的高度。
• EFL，Effective focal length，有效焦距，是透镜系统中心到成像焦点的距离，即光学系统中心到成像面距离。
• BFL，Back focal length，分为光学和机械后焦。光学后焦是最后一片镜片中心到成像面的距离；机械后焦是barrel底部端面到成像面的距离；
• F/NO，光圈数，限制成像光束。F/NO表示进光量系数，数值代表了允许进光量的多少。
  • $F/NO=EFL/入瞳直径$，F/NO越小，亮度越亮。
• Image circle，成像圆，是光学系统成像的最大区域；设计时，lens image circle 要比sensor影像区对角线单边大0.1mm。
• CRA，chief ray angle，主光线角度，主光线定义是一个通过入瞳中心的离轴光线，主光线与sensor发现的家教称为镜头主光线角。镜头主光线角须与sensor的主光线角匹配，否则会有色差问题。
• FOV，镜头的拍照视角范围；
• 景深，Depth of field，焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离称为景深。即在被拍摄主体对焦点前后，其影响仍然有一段清晰范围的，就是景深。
  • 景深与F/NO、焦距、拍摄距离及弥散圆大小有关：
    • 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
    • 焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；
    • 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小；
• Illumination，相对照度，指物体或被照面上被光源照射所呈现的光亮程度，相对照度为中心照度与周边照度的比值。

2.2 Lens的光学特性

• TV-Line，特定分辨率下评价镜头的极限频率，线对宽度和chart高度的比值；

• MTF，Modulation Transfer Function，调制传递函数，反应镜头的解析能力。
  • Modulation = $\frac{I_{max}-I_{min}}{I_{max}+I_{min}}$；
  • 把影响的调制度$M_i$与景物的调制度$M_o$的比值称为调制传递函数$MTF=M_i/M_o$;
• Distortion，畸变，测量镜头边缘之形变程度，畸变分为两种类型，枕形畸变与桶形畸变。

• LensShading，阴影，由于镜头的关系，传感器表面各区域获得的光能量存在差异，导致影响四角与中心存在明暗差异。

• Color Shading，色差，镜头镀膜曲线的关系，传感器获得不同波段的光能量，不同波段代表不同的色彩，直接影响到成像的颜色

• Flare，眩光，指镜片的反复折射，镜筒内面的反射或散射等，造成传感器表面获得一些有害的杂散光。
• Ghost，鬼影，是Flare的一种，在点光源下，一般都会产生鬼影，可以通过多种镀膜减轻鬼影。

3. 音圈马达VCM介绍

VCM，Voice Coil Motor，音圈马达，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，从而实现变焦。

VCM的结构：

• Spring上下弹簧，通电，加压；
• Coili线圈，手里推动镜座运动，
• Magnet磁铁，产生磁场推动线圈；
• PIN焊接角，VCM正负引脚，连接driverIC驱动；

VCM工作原理：根据法拉第电磁感应定律，通电线圈在磁场中会受到力的作用，其受力方向可以根据左手定了判断，Lens固定在线圈上，线圈带动lens运动。

焦距不变的情况下，该百年像距，使不同距离的物体在sensor表面清晰成像。

4. 滤光片IR介绍

IR FLITER，Infrared Ray Cut-off filter，红外截止滤光片只允许可见光通过，把红外光截止。

人眼感受的可见光波长是380~770nm之间，CMOS sensor识别的光波长范围在350~1000nm，可以同时接受可见光和红外线，会导致生成的图像与人眼所见不一致，因此需要增加IR-Fliter滤掉红外线。

5. 图像传感器sensor介绍

sensor基本结构大致如下：

单个感光单元结构，从上到下依次是：micro lens 、滤光片、感光二极管、集成电路。

micro lens聚集光线，滤光片使单基色通过，感光二极管将光信号转换为电信号，集成电路放大机A/D转换等。

sensor的主要参数：

• Resolution，分辨率，sensor总像素数量，比如13M分辨率一般为4208*3120；
• Manufacturer，制造厂商，有SONY，OV，Samsung等；
• Optical szie，sensor影像区大小，对角线长度。
• Pixel Size，单个像素大小；
• CRA，主光线入射角，需要与选择的lens匹配(3%)，否则会造成影像串扰、色偏、对比度下降等不良；
• output format，图像输出格式，如raw/yuv等；
• output interfaces，数据输出格式，如4lane mipi/ parallel等；
• fps，传输帧率；
• power supply，工作电压，使用合理范围内的数值供电，防止过低无法启动和画面异常。过高烧毁模组和画面异常；
• active current，工作电流；
• operating temperature，工作温度

6. Golden sample

参考链接：https://blog.csdn.net/agwtpcbox/article/details/56677122

摄像头模组在组装过程中用到不同的单体物料，每个单体物料之间不能保证良好的一致性，需要OTP的手段综合成品模组之间的差异性。

通过将各个单体模组放在标准测试环境中检测，获得并记录各个模组之间的差异信息，实现OTP烧录的功能。但是在终端效果调试的时候，不会对每一颗模组进行单独调试，这时候就需要挑选golden模组。

通常，我们说的golden模组倾向于色彩方面的，即AWB和Shading golden。

感性上讲，golden模组是所有单体模组中最有代表性的若干模组，在调试时能够很好地覆盖该批次模组的特性，使得针对golden模组调试之后的参数能够适应到其它非golden模组。实际golden模组各通道的RGB数据处在所有模组的几何中心。

调试时以golden模组进行软件效果调试，如下，在TL48色温下拍摄得到了+所示的一组分布，终端会应用OTP将其收敛至o的分布状态，然后再将其调整所需色温的分布位置即*。

但是当我们使用另一颗模组进行调试时，会出现偏移情况，黑色圈选的部分不能被正确调整到所需的色温分布中，那么这些模组很大概率会出现偏色，所以在挑选过程中需要正确选择居中的golden模组，否则会导致终端进行调试之后出现部分模组成像异常的情况。

golden模组挑选根据客户要求也不同，但差异不大。

通常选择与平均值接近的为典型模组。