摄像头入门

第一章：摄像起源与发展，中国人是始祖

编者按：我们将推出由行业资深专家Louis编写的摄像头入门系列教材，该套教材分十余章，介绍了摄像头的起源发展、基础知识、关键器件及专项技术等，以平实的语言系统介绍手机摄像头的相关知识，是从业人员不可多得的宝贵资料。请小伙伴们尽情收藏转发和分享。

一、小孔成像

在战国初期，我国学者墨子（公元前468年-公元前376年）和弟子们完成了世界上第一个小孔成像的实验，并记录在《墨经》中：“景到，在午有端，与景长。说在端。”“景。光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端，与于光，故景库内也。”

此文解释了小孔成倒像的原因，指出了光沿直线传播的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。

而西方世界直到公元前350年，古希腊学者亚里士多德提出光学法则，西方人从此了解小孔成像的光学原理。

二、暗箱写生

十五世纪末期，人们根据小孔成像原理制作了暗箱（Camera Obscure），这实质上是相机的雏形。意大利人达文西在著作中记述了这种暗箱，描述人们利用该工具写生和绘画。

1553年，意大利人玻尔塔发表了《自然魔术》一书中详尽介绍暗箱的使用，利用这种工具，只要用铅笔将影像反射在画纸的，描绘出轮廓，再着色即可完成一幅很有真实感的完全符合真实比例的画像。

三、银版照相

1822年，法国的涅普斯在感光材料上制出了世界上第一张照片，但成像不太清晰，而且需要8个小时的曝光。1826年，他又在涂有感光性沥青的锡基底版上，通过暗箱拍摄了现存最早的一张照片。

1838年，法国物理学家达盖尔发明盖尔的银版照相法，是利用镀有碘化银的钢板在暗箱里曝光，然后以水银蒸汽显影，再以普通食盐定影。此法得到的实际上是一个金属负像，但十分清晰而且可以永久保存。随后，达盖尔根据此方法制成了世界上第一台照相机，曝光时间需要20~30分钟。

1839年8月19日，法国政府宣布放弃对银版摄影术这项发明的专利，并公之于众。人们通常以这一天作为摄影术的开端。

四、胶卷相机

1866年德国化学家肖特与光学家阿具在蔡司公司发明了钡冕光学玻璃，产生了正光摄影镜头，使摄影镜头的设计制造，得到迅速发展。

随着感光材料的发展，1871年，出现了用溴化银感光材料涂制的干版，1884年，又出现了用硝酸纤维做基片的胶卷。

1888年美国柯达公司生产出了新型感光材料——一种柔软、可卷绕的“胶卷”。这是感光材料的一个飞跃。同年，柯达公司发明了世界上第一台安装胶卷的可携式方箱照相机。Kodak No.1就是柯达公司推出家用相机，其宣传口号便是“按下快门，剩下的由我完成”，这台相机可说是消费型相机的始祖。

五、数码相机

1969年，CCD芯片作为相机感光材料在美国的阿波罗登月飞船上搭载的照相机中得到应用，为照相感光材料电子化，打下技术基础。

1981年，索尼公司经过多年研究，生产出了世界第一款采用CCD电子传感器做感光材料的摄像机，为电子传感器替代胶片打下基础。紧跟其后，松下、Copal、富士、以及美国、欧洲的一些电子芯片制造商都投入了CCD芯片的技术研发，为数码相机的发展打下技术基础。

1987年，采用CMOS芯片做感光材料的相机在卡西欧公司诞生。

六、手机摄像

2000年9月底，夏普联合当时的日本移动运营商J-PHONE发布了这款内置11万像素CCD 摄像头的J-SH04手机，是世界第一款照相手机。

2003年4月24日，夏普发布并J-SH53手机，该机搭载100万有效像素的CCD摄像头，可拍摄最大1144×858像素的照片，成为世界上第一款百万像素照相手机。

2005年诺基亚发布N90，把拍照手机带到了新的高度。它拥有一枚200万像素摄像头，并加入了卡尔蔡司光学元件、自动对焦和LED闪光灯。

2007年诺基亚发布N95，其500万像素的卡尔蔡司镜头来的令人印象深刻，它能够拍摄出精美的图片，并拍摄30fps的视频。在随后几年的时间里，N95都是业界的高端标准。但首款500万像素手机是由三星发布的。

2010年夏普首次推出裸眼3D智能手机003SH和005SH。

2012年诺基亚808PureView发布，采用了PureView成像技术，拥有4100万像素传感器、卡尔蔡司镜头和像素超采样技术。

2013年诺基亚Lumia920发布，首次加入摄像头光学防抖功能。

2013年底，谷歌发布ProjectTango手机，是世界上首款3D拍摄建模的手机。

2014年3月，HTC M8发布，搭载首款阵列式手机摄像头。

2014年9月，苹果发布iPhone6 Plus，搭载业界最为火热的光学防抖摄像头。

小结

摄像头的发展主要围绕着成像光学、成像介质、成像对焦三大路线发展的，成像介质的改进发展最为关键。下一阶段将为各位介绍这几部分的材料和技术发展，请持续关注。

第二章：图解摄像头分类与结构，原来好简单

一、手机摄像头分类

手机摄像头一般分为定焦、自动对焦、光学防抖、阵列摄像头等类别。应用最多的是定焦和自动对焦产品。

二、摄像头结构组成

以自动对焦产品为例，摄像头由镜头、马达、滤色片、底座、图像传感器、马达驱动芯片、线路基板、连接器、电容等周边元器件组成。

结合第一章内容解释各部件的功能：

镜头：聚集光线，把景物投射到成像介质表面。

图像传感器：即成像介质，将镜头投射到表面的图像（光信号）转换为电信号。

马达：带动镜头的移动，使镜头投射清晰的图像到成像介质表面。

滤色片：人眼看到的景物是可见光波段，而图像传感器可辨识的光波段多大于人眼，因此增加了滤色片将多余的光波段过滤掉，使图像传感器能拍摄多人眼所见到的实际景物。

马达驱动芯片：用于控制马达移动，从而推动镜头实现自动对焦。

线路板基板：将图像传感器的电信号传输到后端。

三、其他摄像头结构

光学防抖摄像头结构

第三章：你不可不知，图解手机摄像产业链你不可不知的手机摄像头主流产业链:

第四章：你造吗？CMOS传感器的构成与关键参数

图像传感器的功能是光电转换。关键的参数有像素、单像素尺寸、芯片尺寸、功耗。技术工艺上有前照式（FSI）、背照式（BSI）、堆栈式（Stack）等。以下简单介绍。

一、图像传感器架构

COB封装的图像传感器绑定金线后示意

图像传感器从外观看分感光区域（Pixel Array），绑线Pad，内层电路和基板。感光区域是单像素阵列，由多个单像素点组成。每个像素获取的光信号汇集在一起时组成完整的画面。

CMOS芯片由微透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层、基板层组成。

CMOS芯片剖面图

由于光线进入各个单像素的角度不一样，因此在每个单像素上表面增加了一个微透镜修正光线角度，使光线垂直进入感光元件表面。这就是芯片CRA的概念，需要与镜头的CRA保持在一点的偏差范围内。

电路架构上，我们加入图像传感器是一个把光信号转为电信号的暗盒，那么暗盒外部通常包含有电源、数据、时钟、通讯、控制和同步等几部分电路。可以简单理解为感光区域（Pixel Array）将光信号转换为电信号后，由暗盒中的逻辑电路将电信号进行处理和一定的编码后通过数据接口将电信号输出。

二、图像传感器关键参数

1.像素：指感光区域内单像素点的数量，比如5Maga pixel，8M，13M，16M，20M，像素越多，拍摄画面幅面就越大，可拍摄的画面的细节就越多。

2.芯片尺寸：指感光区域对角线距离，通常以英制单位表示，比如1/4inch，1/3inch，1/2.3inch等。芯片尺寸越大，材料成本越高。

3.单像素尺寸：指单个感光元件的长宽尺寸，也称单像素的开口尺寸，比如1.12微米，1.34微米，1.5微米等。开口尺寸越大，单位时间内进入的光能量就越大，芯片整体性能就相对较高，最终拍摄画面的整体画质相对较优秀。单像素尺寸是图像传感器一个相当关键的参数。

其他更深入的参数比如SNR，Sensitivity，和OB Stable等在这里不做介绍，朋友们可

以研究探讨。

三、前照式（FSI）与背照式（BSI）

传统的CMOS图像传感器是前照式结构的，自上而下分别是透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层。采取这个结构时，光线到达感光元件层时必须经过线路层的开口，这里易造成光线损失。

而背照式把感光元件层换到线路层的上面，感光层只保留了感光元件的部分逻辑电路，这样使光线更加直接的进入感光元件层，减少了光线损失，比如光线反射等。因此在同一单位时间内，单像素能获取的光能量更大，对画质有明显的提升。不过该结构的芯片生产工艺难度加大，良率下降，成本相对高一点。

四、堆栈式（Stack）

堆栈式是在背照式上的一种改良，是将所有的线路层挪到感光元件的底层，使开口面积得以最大化，同时缩小了芯片的整体面积。对产品小型化有帮助。另外，感光元件周边的逻辑电路移到底部之后，理论上看逻辑电路对感光元件产生的效果影响就更小，电路噪声抑制得以优化，整体效果应该更优。业内的朋友应该了解相同像素的堆栈式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆栈式的生产工艺更大，良率更低，成本更高。索尼的IMX214（堆栈式）和IMX135（背照式）或许很能说明上述问题。

第五章：图像传感器之ISOCELL技术解密

一、图像传感器好坏取决于单像素有效进光量

前一章我们谈到，图像处理器最为关键的参数是单像素尺寸，单像素尺寸越大则进光量越大，图像质量越优秀。因此我们可以简单的认为：决定图像传感器性能的最大的因素是单像素点的有效进光量，它决定每个像素点在单位时间内能捕获多少光线能量。假如单像素面积越大，则在相同时间里可以承载更多光线能量，便可以更明显的提升画质，更真实的还原图像场景。

数码相机和手机所采用的图像传感器单像素尺寸是不一样的，数码相机的更大，英寸拍摄效果更加出色。但单像素尺寸增大，相同像素的图像传感器面积则大幅增加，摄像头模组体积增大，模组高度增加，功耗大幅增加，发热量增加等，这样的变化在数码相机固然还可以接受，但放在追求便携的手机上面，无疑是不太合适的。

以HTC ONE为例，采用了单像素尺寸2微米的图像传感器，换来相当棒的画质效果，夜景拍摄尤为出色。但正因为单像素尺寸增加之后，手机摄像头受限于体积增加、发热量增加等因素迫不得已只能做到400万像素，令人难以接受。而苹果iPhone比较折中的选择了1.5微米单像素尺寸，虽然比较折中，但其只有800万的像素令人诟病。而在新一代iPhone6时为确保较好的拍摄效果继续选择1.5微米芯片，换来了前所未有的结构和外观牺牲，突出的摄像头设计堪称史上最丑苹果摄像头！

除了增大单像素尺寸可以增加进光量之外，就没有别的方法了吗？其实不然，ISOCELL技术在相同的像素尺寸情况下可做到优化，可有效提升进光量。以下为您介绍。

二、ISOCELL技术解决什么问题

据三星公司发布的信息看，ISOCELL技术要解决的第一个问题就是增大单个像素的收缩能力，通过对成像动态范围的对比，改善光线强度最轻和最暗部分的图像质量。

第二个问题就是随着像素变得越来越小，会发生彼此之间抗干扰能力的减弱，造成错误的感应光源颜色和数量，这个现象被称为串扰。光电二极管的微小探测器会将光能部分转化成为细微的电流，而这些电流有时会出现在不该出现的地方，造成对图像的影响。

发生串扰的原因有很多，而其中最大的可能性是光串扰。当一个像素接收到更多的光线，超过了自己的承受范围，那么电子就会发生串扰，而这完全是建立在错误的光二极管在信号传输过程中的电流漏出。

比如单像素在捕获绿色光线时，一些光子很有可能泄露成蓝色或红色，导致在即使没有蓝色和红色的场景下出现电流，这样就会在原始图像上形成轻微的变形，从而产生噪点。这类问题虽然是不可避免的，但是通过ISOCELL技术可以尽量减小影响。

三、ISOCELL技术原理

ISOCELL本质上是在现有BSI技术上的一种进化，可以解决上面提到的串流问题。简单地说，便是通过在形成隔离像素与相邻像素之间形成物理屏障，缩小它们的间隔区，避免BSI

传感器中单个像素间形成的干扰问题，让像素能够获得吸收更多光子，获得更好的照片效果。

从官方数据来看，ISOCELL相比BSI能够将每种颜色的像素孤立起来，提高传感器捕光能力，可以预计减少30%的像素串扰。但是这并不意味着最终的成像质量同样会提高30%，但是

却可以更好的提升清晰度和色彩表现，让图像看起来更丰富。三星Galaxy S5即搭载了ISOCELL 技术的图像传感器，画质和色彩表现有目共睹。

四、ISOCELL技术细节

ISOCELL实际上就是三星公司被称为3D-Backside Illuminated Pixel技术的商业说法，它具备F-DTI（Front-Side Deep-Trench Isolation）及VTG（Vertical Transfer Gate）特性。

F-DTI的问题是它实际上减少了光电二极管表面的捕光能力，从而失去完整的效果。为了解决这个问题，三星公司改变了二极管的设计，使用了VTG垂直设计方式而并非常规的卧式BSI传感器。在使用VTG垂直方式隔离二极管之后，可以带来很大的空间容量，因此具有很好的光敏性。