摄像头原理详解：从成像到自动对焦的完整解析

摄像头原理详解：从成像到自动对焦的完整解析

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CSDN

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https://blog.csdn.net/qq_40732350/article/details/88541417

摄像头作为现代科技的重要组成部分，广泛应用于手机、电脑、监控等多个领域。本文将从摄像头的成像原理出发，详细介绍其基本结构和关键组件的工作原理，帮助读者深入了解这一神奇的设备。

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

摄像头主要由以下几个部分组成：

• 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）：负责将图像转换为电信号
• 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地存在色差、球差、彗差、像散等一系列像差问题，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。

镜头分类

• 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）

红外滤波片的主要作用是滤除红外光。人类可识别的光波长范围是400~700nm，而感光元器件（sensor）的可识别范围更广泛。为了获得适合人眼观看的图像，需要保留人类可识别的波长范围内的光，因此使用红外滤波片来截断超过700nm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，IR CUT Filter分为两类，两种各有优缺点。相对来说蓝玻璃的效果更好，但是成本大概是前者的10倍。

另外需要注意的是：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）

传感器是摄像头的核心组件，主要分为CCD（电荷耦合器件）和CMOS（金属氧化物半导体）两种类型。

CCD传感器

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。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传感器

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。

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。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！

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。

• 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。

拜尔滤光片的色彩比为：红：绿：蓝 = 1：2：1。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

电机马达的主要作用是实现自动对焦。以前拍照需要不停地移动位置，找到一个合适的位置，找到图像的最清晰的点进行拍照，而现在使用电机马达代替人类不停地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。

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：

1. 说移动到哪里就移动到哪里，更加精确
2. 对于ISP来说依赖更少了，所以对焦更快
3. 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。