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19 世紀(jì)初夏普與當(dāng)時(shí)的日本通信運(yùn)營(yíng)商 J-PHONE 發(fā)明了夏普 J-SH04，夏普 J-SH04 具有拍照功能，2003 年 4 月 24 日夏普發(fā)售了全球首款百萬(wàn)像素手機(jī) J-SH53，風(fēng)靡一時(shí)。

隨著技術(shù)的不斷突破與革新，新型照相鏡頭如雨后春筍一樣，不斷出現(xiàn)，從最初的百萬(wàn)到現(xiàn)在的千萬(wàn)緊緊用了十余年的時(shí)間，拍攝質(zhì)量不斷進(jìn)入新臺(tái)階。最具有代表的如華為、三星、蘋果等公司，華為從 p6 開始鏡頭與處理芯片突飛猛進(jìn)，新的設(shè)計(jì)理念不斷應(yīng)用于實(shí)踐，比如在年前還是理論的雙攝像頭設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)被三星，華為掌握，紛紛用于最新上市手機(jī)。

目前市面上的手機(jī)通常都具有前后攝像頭，前面一般在 500 萬(wàn)左右，用來自拍和視頻通話，后置一般在 1300 萬(wàn)左右，可以照出更加清晰的圖片和錄制清晰視頻。

手機(jī)攝像頭組成結(jié)構(gòu)

手機(jī)攝像頭主要由以下幾個(gè)部分組成：PCB 板、DSP(CCD 用)、傳感器(SENSOR)、固定器(HOLDER)、鏡頭(LENS ASS′Y)。其中鏡頭(LENS ASS′Y)， DSP(C,CD 用)，傳感器(SENSOR)是最重要的三個(gè)部分。

PCB 板

PCB 板又分為硬板，軟板，軟硬結(jié)合板三種(如下圖)，CMOS 可用任何一種板，但 CCD 的話就只能用軟硬結(jié)合板。這三種板中軟硬結(jié)合板價(jià)格最高，而硬板價(jià)格最低。

鏡頭

鏡頭是僅次于 CMOS 芯片影響畫質(zhì)的第二要素，其組成是透鏡結(jié)構(gòu)，由幾片透鏡組成，一般可分為塑膠透鏡（plastic）或玻璃透鏡（glass）。當(dāng)然，所謂塑膠透鏡也非純粹塑料，而是樹脂鏡片，當(dāng)然其透光率感光性之類的光學(xué)指標(biāo)是比不上鍍膜鏡片的。

通常攝像頭用的鏡頭構(gòu)造有：

1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G 等。透鏡越多，成本越高，相對(duì)成像效果會(huì)更出色；而玻璃透鏡又比樹脂貴。因此一個(gè)品質(zhì)好的攝像頭應(yīng)該是采用多層玻璃鏡頭！現(xiàn)在市場(chǎng)上的多數(shù)攝像頭產(chǎn)品為了降低成本，一般會(huì)采用廉價(jià)的塑膠鏡頭或一玻一塑鏡頭（即：1P、2P、1G1P、1G2P 等），對(duì)成像質(zhì)量有很大影響！

鏡頭由透鏡、濾光裝置、鏡筒三部分組成，鏡頭參數(shù)有三個(gè)，即焦距 f′、相對(duì)孔徑 D/f′和視場(chǎng)角 2ω。

鏡頭焦距是鏡頭的一個(gè)重要指標(biāo)，決定了物和像的比例，如物在無(wú)限遠(yuǎn)，像的大小由下式?jīng)Q定 y′=-f′·tanω（ω是物方視場(chǎng)角）。

相對(duì)孔徑 D/f'和光圈數(shù) F 是鏡頭的關(guān)鍵光學(xué)指標(biāo)。相對(duì)孔徑，它表示能進(jìn)入鏡頭到達(dá)底片上的光能量，因而決定像平面照度，其定義為入瞳直徑 D 與鏡頭焦距 f'之比，暗景物和高速運(yùn)動(dòng)物體的照相需要大相對(duì)孔徑物鏡，大相對(duì)孔徑物鏡可以提高像平面照度，根據(jù)相對(duì)孔徑大小，照相物鏡分為弱光照物鏡（D/f'1：6.3 以下）普通物鏡（D/f'1:5.6-1:3.5）強(qiáng)光物鏡（D/f'1：2.8-1:1.4）超強(qiáng)光物鏡（D/f'1：1-1:0.8）為了使同一鏡頭使用不同的環(huán)境，通?？讖焦怅@采用可連續(xù)變化的可變光闌。

相對(duì)孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)，又稱 F 數(shù)，照相鏡頭上標(biāo)有 F 數(shù)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)按照光通量的大小規(guī)定了各光級(jí)圈數(shù)的排列

0.7、1、 1.4、 2、 2.8 、4 、5.6、 8、 11、 16 、22···隨著光圈數(shù)的加大，光孔變小，光通量減少，光圈每差一級(jí)，光通量相差一倍，對(duì)照相機(jī)鏡頭來說，F(xiàn) 數(shù)越低，鏡頭相容性就愈好，使用范圍更大。相對(duì)孔徑還影響像面上獲得清晰像的空間深度范圍 - 景深，相對(duì)孔徑越大，成像的景深越大，照相過程中調(diào)節(jié)光圈大小控制景深。

視場(chǎng)角 2ω照相物鏡的視場(chǎng)角 2ω決定了物方空間的范圍，照相物鏡的視場(chǎng)由像平面上具有滿意成像質(zhì)量的圓形區(qū)域的直徑?jīng)Q定，或由相機(jī)所采用感光元件的感光面尺寸決定。

照相物鏡的基本類型：1、. 按鏡頭焦距和視場(chǎng)角分為：標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、短焦鏡頭、長(zhǎng)焦鏡頭。2、按鏡頭焦距能否變化分為：定焦鏡頭、變焦鏡頭。

固定器和濾色片

固定器的作用，實(shí)際上就是來固定鏡頭，另外固定器上還會(huì)有一塊濾色片。

濾色片也即“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一種是 RGB 原色分色法，另一種是 CMYK 補(bǔ)色分色法。

原色 CCD 的優(yōu)勢(shì)在于畫質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問題，一般采用原色 CCD 的數(shù)碼相機(jī)，ISO 感光度多半不會(huì)超過 400。相對(duì)的，補(bǔ)色 CCD 多了一個(gè) Y 黃色濾色器，犧牲了部分影像的分辨率，但 ISO 值一般都可設(shè)定在 800 以上。

DSP（數(shù)字信號(hào)處理芯片）

它的功能是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，最后把處理后的信號(hào)傳到顯示器上。

DSP 結(jié)構(gòu)框架:(1). ISP（image signal processor）（鏡像信號(hào)處理器）；(2). JPEG encoder（JPEG 圖像解碼器）。

ISP 的性能強(qiáng)大是決定影像流暢的關(guān)鍵，JPEG encoder 的性能也是關(guān)鍵指標(biāo)之一。而 JPEG encoder 又分為硬件 JPEG 壓縮方式，和軟件 RGB 壓縮方式。

DSP 控制芯片的作用是：將感光芯片獲取的數(shù)據(jù)及時(shí)快速地傳到 baseband 中并刷新感光芯片，因此控制芯片的好壞，直接決定畫面品質(zhì)（比如色彩飽和度、清晰度）與流暢度。

上面所說的 DSP 是 CCD 中會(huì)使用，是因?yàn)?，?CMOS 傳感器的攝像頭中，其 DSP 芯片已經(jīng)集成到 CMOS 中，從外觀上來看，它們就是一個(gè)整體。而采用 CCD 傳感器的攝像頭則分為 CCD 和 DSP 兩個(gè)獨(dú)立部分。

圖像傳感器

在攝像頭的主要組件中，最重要的就是圖像傳感器了，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1558813.html">感光器件對(duì)成像質(zhì)量的重要性不言而喻。

傳感器將從鏡頭上傳導(dǎo)過來的光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過內(nèi)部的 DA 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于傳感器的每個(gè) pixel 只能感光 R 光或者 B 光或者 G 光，因此每個(gè)像素此時(shí)存貯的是單色的，我們稱之為 RAW DATA 數(shù)據(jù)。要想將每個(gè)像素的 RAW DATA 數(shù)據(jù)還原成三基色，就需要信號(hào)處理器 ISP 來處理。

圖像傳感器是起感光記錄作用的元件，和膠卷類似。有 CMOS 和 CCD 兩種類型 CCD 又叫電荷轉(zhuǎn)移器件，光電二極管排成一列叫一維型直線式傳感器，光電二極管行排列叫二維型面積式圖像傳感器。

CCD 由光電二極管感光部件、ccd 轉(zhuǎn)移部件和電荷放大器件組成，當(dāng)光照射時(shí)，光子激發(fā)電荷，電荷產(chǎn)生堆積，感光部件與轉(zhuǎn)移部件之間加上柵電壓，堆積的電荷在柵電壓的作用下，開始定向移動(dòng)至轉(zhuǎn)移部件，經(jīng)放大輸出，這些輸出的電荷信號(hào)帶有圖像信息。

圖像傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是高敏感化、高分辨率、省電、低壓工作等高性能方向發(fā)展。

CMOS 圖像傳感器由金屬氧化物半導(dǎo)體集合而成，每一個(gè)像素可以集成多種器件，比如放大器，A/D 轉(zhuǎn)換器等。

兩種感光元件的不同之處：

CCD 成像質(zhì)量好，但是制作起來比較復(fù)雜，而且耗能大，CMOS 雖然成像質(zhì)量較差，但是驅(qū)動(dòng)電壓低，制造簡(jiǎn)單，CMOS 可以和其他器件集成，每一個(gè)像素都可以實(shí)現(xiàn)完整的功能，相比 CCD 是成千上萬(wàn)個(gè)像素排列，每一個(gè)像素激發(fā)的電荷匯集到一起，運(yùn)輸?shù)椒糯笃骱蛿?shù)據(jù)處理器，這樣給后續(xù)處理增加不少負(fù)擔(dān)，而且大量的電荷匯集，也給通道提出了更高的要求，在技術(shù)上出現(xiàn)了瓶頸，CMOS 中每個(gè)像素單獨(dú)完成信號(hào)放大和信號(hào)處理工作，這些特點(diǎn)，造成 CMOS 噪聲較大。如果 CMOS 克服噪聲大的缺點(diǎn)，提高成像質(zhì)量，CMOS 就會(huì)超越 CCD，成為圖像傳感器的首選。

有的廠家在宣傳中會(huì)提到“背照式”“BSI”等概念，實(shí)際上 BSI 就是背照式 CMOS 的英文簡(jiǎn)稱，背照式 CMOS 是 CMOS 的一種，它改善了傳統(tǒng) CMOS 感光元件的感光度，在夜拍和高感的時(shí)候成像效果相對(duì)好一些。

手機(jī)攝像頭的成像原理

物方光線進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過鏡頭，到達(dá)圖像傳感器，光子打到傳感器上產(chǎn)生可移動(dòng)電荷，這是內(nèi)光電效應(yīng)，可移動(dòng)電荷匯集形成電信號(hào)，由于處理器無(wú)法識(shí)別電荷信號(hào)，需要把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)于圖像傳感器是 cmos 的系統(tǒng)不需要外加模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而對(duì)于以 ccd 作為圖像傳感器的系統(tǒng)需要 A/D 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過放大電路進(jìn)入微處理器，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過 DSP 數(shù)字信號(hào)處理芯片經(jīng)過存儲(chǔ)處理后，傳輸?shù)狡聊恍纬珊臀镆粯拥膱D像。

影響手機(jī)攝像頭性能的一些關(guān)鍵因素

像素

通常所說的“XXX 萬(wàn)像素”實(shí)際是指相機(jī)的分辨率，其數(shù)值大小主要由相機(jī)傳感器中的像素點(diǎn)（即最小感光單位）數(shù)量決定，例如 500 萬(wàn)像素就意味著傳感器中有 500 萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，和手機(jī)屏幕中的像素?cái)?shù)量決定屏幕是 720p 或 1080p 分辨率是一個(gè)道理。

像素決定照片質(zhì)量？

通常會(huì)以為相機(jī)像素越高，拍的照片就越清晰，實(shí)際上。相機(jī)的像素唯一能決定的是其所拍圖片的分辨率，而圖片的分辨率越高，只代表了圖片的尺寸越大，并不能說明圖片越清晰。

但是當(dāng)前主流的手機(jī)屏幕為 1080p 級(jí)別（1920×1080 像素），無(wú)論是 1300 萬(wàn)像素相機(jī)所得的 4208×3120 像素照片，還是 800 萬(wàn)像素?cái)z像頭的 3200×2400 像素照片，都超出了 1080p 屏的解讀范圍，最終都會(huì)以 1920×1080 像素顯示，所以肉眼所看到的清晰度也是沒有區(qū)別的。

高像素的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？

更高像素的相機(jī)所拍圖片的尺寸更大，假如我們想把樣張打印出來，以常規(guī)的 300 像素 / 英寸的打印標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算，1300 萬(wàn)像素相機(jī)所拍的 4208×3120 像素樣張，可打印 17 英寸照片，而 800 萬(wàn)像素相機(jī)的 3200×2400 像素樣張，打印超過 13 英寸的照片就開始模糊了。很顯然 1300 萬(wàn)像素相機(jī)樣張可打印的尺寸更大。

傳感器

既然像素不是決定圖片質(zhì)量的關(guān)鍵因素，那么誰(shuí)才是呢？答案是傳感器。

相機(jī)傳感器主要分兩種：CCD 和 CMOS。CCD 傳感器雖然成像質(zhì)量好，但是成本較高，并不適用于手機(jī)，而 CMOS 傳感器憑借著較低的功耗和價(jià)格以及優(yōu)異的影像品質(zhì)，在手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

CMOS 傳感器又分為背照式和堆棧式兩種，二者系出同門，技術(shù)最早都由索尼研發(fā)，索尼背照式傳感器品牌名為“Exmor R”，堆棧式傳感器為“Exmor RS”。

相對(duì)來說，傳感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（圖形信號(hào)）越多，信噪比越低，成像效果自然也越出色，然而更大的傳感器卻會(huì)導(dǎo)致手機(jī)的體積、重量、成本增加。

背照式傳感器的出現(xiàn)，有效的解決了這個(gè)問題，在相同尺寸下，它使傳感器感光能力提升了 100%，有效地改善了在弱光環(huán)境下的成像質(zhì)量。

2012 年 8 月，索尼發(fā)布了全新堆棧式傳感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式傳感器并非演進(jìn)關(guān)系，而是并列關(guān)系，堆棧式傳感器的主要優(yōu)勢(shì)是在像素?cái)?shù)保持不變的情況下，讓傳感器尺寸變得更小，也可以理解為，在與背照式傳感器的像素?cái)?shù)相同時(shí)，堆棧式傳感器的尺寸會(huì)更小，從而節(jié)省了空間，讓手機(jī)變得更薄、更輕。

鏡頭

鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，相當(dāng)于相機(jī)的“眼睛”，通常由由幾片透鏡組成，光線信號(hào)通過時(shí)，鏡片們會(huì)層層過濾雜光（紅外線等），所以，鏡頭片數(shù)越多，成像就越真實(shí)。

光圈

光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成，可以通過改變光圈孔的大小控制進(jìn)入鏡頭到達(dá)傳感器的光線量。光圈的值通常用 f/2.2、f/2.4 來表示，數(shù)字越小，光圈就越大，兩者成反比例關(guān)系。

它的工作原理是，光圈開得越大，通過鏡頭到達(dá)傳感器的光線就越多，成像畫面就越明亮，反之畫面就越暗。因此，在夜拍或暗光環(huán)境下，大光圈的成像優(yōu)勢(shì)就更明顯。

除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功能。生活中，我們時(shí)常會(huì)看到背景虛化效果很強(qiáng)的照片，不僅突出了拍攝焦點(diǎn)，還具有很唯美的藝術(shù)感，而這就是所謂的景深。光圈開的越大，景深越小，背景虛化效果就更明顯。