摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘

1.最基础的硬件结构


组成结构

  • 镜头Lens

  • 镜头基座Lens Base(IR-CUT)

  • 图像传感器Sensor

  • PCB(主板部分,含了DSP处理器)


摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第1张


Lens

滤掉不可见光,让可见光进入投射到Sensor成像。

镜头尺寸最好是与Sensor一致,否则,画面会出现黑边,四角会出现暗角等瑕疵。

Lens Base

与手机摄像头不一样,工业摄像机通常在镜头基座部分含有滤光片,就是IR-CUT,通过光敏电阻可以实现日夜(彩色/黑白)切换。

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第2张


CMOS Sensor种类

  • FF(fixed focus)定焦摄像头:目前使用最多的摄像头,主要是应用在模拟30万和130万像素的摄像机产品。

  • MF(micro focus)两档变焦摄像头:主要用于130万和200万像素的摄像机产品,如,国外人工成本高,安装此类摄像机不需要反复调整安装位置,只需要安装在方便安装的位置,再调整焦距即可。

  • AF(auto focus)自动变焦摄像头:要用于高像素摄像机,具有MF功能,用于200万和300万像素及更高像素摄像机产品,多用在视频会议,医疗等高要求场景。

  • ZOOM 自动数码变焦摄像头:主要用于更高像素的要求,300万以上的像素品质,通常,索尼机芯具备此功能。

  • 还有一类是CCD Sensor,然而,CMOS是趋势,随着时间的推移,现在CMOS是主流了。

  • 对于sensor来说,现在仍然延续着Bayer阵列的使用,如下图37.2所示,图37.3展示了工作流程,光照à电荷à弱电流àRGB信号àYUV信号。


摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第3张

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第4张

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第5张

展示了sensor的工作原理,这和OV7670以及OV7725完全相同


2.像素解释


像素形象释疑

  • 像素:就是一个像素一个点,一个颜色,图像由无数个点构成,点越多,颜色越丰富,越清晰,像素值越大越清晰。如,800像素×600像素,就是48万像素,当然,这个像素在现在来说是很低了。

  • 文档大小:指的是图像实际尺寸,如,26.42cm(W)×17.64cm(H)。

  • 分辨率:DPI(屏幕每英寸点数),PPI(屏幕每英寸像素密度),是指在每个单位上显示或打印的像素数,当然是数值越大效果越震撼,除图像源外,完全由显示设备决定效果。


常见像素

  • 30万像素 最大点阵640×480(VGA时代,基本上已经成为过去)

  • 130万像素 960P 最大点阵1280×960(SXGA)

  • 200万像素 1080P 最大点阵1920×1080(目前主流)

  • 300万像素 最大点阵2048×1536

  • 500万像素 最大点阵2592×1944

  • 800万像素 4K 最大点阵3840×2160(今后主流)

知识点

  • 那么由上面的介绍,可以得出,我们以30万像素为例, 30万像素≈ 640 * 480 = 307200,可见所谓的像素数也就是一帧图像所具有的像素点数,我们可以联想图像处理的相关知识,这里的像素点数的值,也就是我们常说的灰度值。像素数越高,当然显示的图像的质量越好,图像越清晰,但相应的对存储也提出了一定的要求,在图像处理中,我们也会听到一个概念,叫做分辨率,其实这个概念应该具体化,叫做图像的空间分辨率,例如72ppi,也就是每英寸具有72个像素点,比较好的摄像机,能达到490ppi,当然,要看到其震撼的效果也要显示设备支持。


摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第6张


3.在工业类摄像机模组常见的Sensor厂商,如,人脸识别摄像机,HD-SDI摄像机


国内外用得最多的(排名不分先后)

  • 华为海思

  • 安霸

  • 德州仪器

  • 镁光

  • 智源

  • SONY

  • Panasonic

  • OV


4.Sensor的封装


提供详尽的CMOS-Image-Sensor-封装文档下载!(点击以下文档下载)

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第7张CMOS-Image-Sensor-封装.ppt


5.聚焦原理


摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第8张


对于AF和AZ形式的摄像头来说,那么要实现自动对焦的方法,基本上也就是利用音圈马达(voice coil  motor),步进马达(stepping motor),压电马达(piezoelectric motor),这里主要介绍一下音圈马达是如何工作的:

  • Voice Coil Motor(音圈马达),简称VCM,原理是在Holder内有一个小型的强力磁场,通过Driver来控制VCM内部线圈的电流而产生磁力作用力,从而,带动中间的Lens形成自动变焦的效果。

  • 运动方式:进入自动调焦模式后,Driver从0到最大值,使得镜头从初始位置移动到最大位移,此时,Sensor成像面自动拍摄并保存到DSP内,DSP通过拍摄,计算每一幅图像的MTF值,从而在这条MTF曲线中找到最大值,并通过算法计算出这个点对应的电源电流大小,再一次指示Driver提供给这个音圈电流,而使镜头稳定在这个成像面,达到了自动变焦。


摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第9张

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第10张


上面提到的MTF,即模量传递函数

  • MTF值(模量传递函数)是对镜头的锐度,反差和分辨率进行综合评价的数值,对于一个平面黑(白)色物体,她的线对频率是0,此时,任何一个简易的镜头都可以完整体现出这一反差,即MTF等于1。而对于纯黑和纯白相间的线条(反差为100%)来说,随着线对频率的提高,通过镜头表现的反差就相应减少(反差小于100%)。当线频达到一个很高的数值时(如1000线对/毫米),则任何镜头也只能把它们记录成一片灰色,这时镜头的MTF值就接近于0。因此,MTF值是一个介于0到1之间的数值,这个数值越大(越接近1),说明这个镜头还原真实的能力越强,在我们的产品上MTF实际上是反应的镜头和Sensor综合性能的一个指标,可以用测试机测出,MTF的数值是基于某一给定的空间频率(黑白线对)。

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第11张


6.镜头Lens和Sensor匹配的知识点


Blemish(污垢)

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第12张

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第13张


Shading(明暗差别)

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第14张

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第15张


Color performance and gray scale:这两个参数一个是反应色彩还原,一个是反应灰度色阶分辨。

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第16张


View angle /distortion

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第17张


一般以对角线作为标准,这个是由镜头决定的。

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第18张


曲变,主要有桶形和枕形,可接受的标准不超过1%。

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第19张


这里关于白平衡(AWB)进行一些说明,白平衡指的是在光线不断变化的情况下,对色彩准确重现的能力,一般的传感器都有自动白平衡功能。


CAR(主光角)

摄像机模组,摄像头模组硬件结构大揭秘 摄像机模组 摄像头模组 硬件结构 第20张

由上图的描述可以知道,最大的能够聚焦到传感器上面,并且能够覆盖整个像素平面。Lens的CRA最好和 sensor CRA 匹配,若是有偏差,最好不要偏差2°;

Lens:CRA小于sensorCRA,会出现四周偏暗的情况,此时光线达不到pixel的边缘;

lensCRA大于sensorCRA,光线折射到临近的pixel,导致pixel之间出现串扰,出现图像的偏色,在图像四周变现的更明显,因为CRA从图像中心到四周是呈曲线状上升,逐渐变大的。



相关文章

发表评论 取消回复

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

展开