Sensor简介(一)：摄像头模组CCM的结构和原理简述

我们常说的Sensor也就是图像传感器只是整个摄像头模组的一部分，主要负责将接收到的光信号转换成电信号，实际上整个摄像头模组(Camera Compact Module，CCM)由很多部分组成，除Sensor以外的其他模块会负责完成对焦、滤光、减震、数据传输等功能，以便更好地采集图像。
索尼和三星是很多手机厂商颇为青睐的两家摄像头模组供应商，当然，国内也有不少不错的供应商。

摄像头模组主要由以下几个部分组成：

1. 镜头(Lens)：将光线汇聚到图像传感器上。
2. 音圈马达(VCM)：完成摄像头的自动对焦。
3. 红外滤光片(IR-cut Filter)：滤除人眼的非可见光。
4. 图像传感器(Sensor)：将光信号转换成电信号。
5. 柔性印制电路板(FPCB)：将摄像头模组与主处理器连接起来，并进行数据传输。
   下图是一个常见的手机摄像头模组的几个核心部件的结构。
   
   下面我们依次简单介绍一下各个组件。

1. 镜头

镜头(Lens)的主要作用就是将外界采集的光线汇聚到图像传感器上，其原理就是小孔成像，搭配不同的透镜，使光线聚焦到镜头底部的感光芯片上(也就是sensor上)，形成图像。

现代镜头一般都由几片透镜一起组成，以实现更复杂的成像效果。透镜分为玻璃(Glass)材质和塑料(Plastic)材质，譬如2G2P就表示这组镜头由两片玻璃透镜和两片塑料透镜构组成，一般玻璃镜头的成像效果更好，价格也更昂贵一些。

好的镜头对成像效果至关重要，喜欢玩摄影的都知道“摄影穷三单，单反毁一生”，其中资金很大一部分都投入到镜头上了。为了适应不同的拍摄场景，工程师们不遗余力的设计了广角镜头、长焦镜头、微距镜头等形形色色的镜头，专业的摄影师出去拍摄的时候，除了要背着沉重的相机和三脚架，再带三四个不同种类的镜头也是常有的事。

手机上自然不可能搭载单反相机上那种巨大且沉重的镜头。由于手机摄像头模组更加小巧，占地有限，其焦距范围、光圈大小、感光器件尺寸都是和单反相机没法比的，因此无论手机厂商再怎么吹“电影级拍摄质感”，手机摄影在硬件上都有先天不足。现在的手机喜欢搭载双摄、三摄镜头，再摄像头模组上卷出了花，譬如所谓的三摄，一般就是一颗主摄像头、一颗广角镜头或者长焦镜头、一颗景深镜头。三颗摄像头互相配合，再加上软件算法的处理（尤其是这几年强势崛起的AI算法），力图弥补硬件条件上的差距。

好像有点扯远了，镜头并不是本文介绍的重点……

2. 音圈马达

音圈马达(Voice Coil Motor)也叫音圈电机，它的原理与扬声器类似，在一个永久磁场内放置一个线圈，线圈通电后会产生磁场（安培定则），从而与外围的永久磁铁产生引力或斥力，导致线圈受力移动。如果把镜头安置在线圈上，则可以通过改变电流大小线圈带动镜头前后运动，从而控制镜头的位置，完成对焦的功能。

安培定则：也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。如下图左。
音圈马达之所以叫这个名字，是因为它的原理与扬声器的原理相同，都是通电线圈在永久磁场中的运动。如下图右。

VCM通常搭配VCM Driver IC(VCM驱动芯片)、AF(Auto Focus，自动对焦)算法一起使用。首先，Sensor采集的图像输入到ISP中，由ISP中的AF算法计算当前图像的焦点步数，并通过I2C传输给Driver IC，Driver IC据此计算出移动线圈到该位置所需要的电流大小，从而精确的控制镜头的行为，达到自动对焦的效果。当然，该方法也可以实现光学防抖(Optical Image Stabilizer，OIS)的效果，其原理是相同的。

3. 红外滤光片

红外滤光片(IR-cut Filter)的作用就是滤除红外光。人眼和电子感光器件能感受到的光的波长范围不同，电子感光器件感受到的光波长范围远大于人类，因此，要滤除掉人眼无法感受到的光线，以防止它们造成偏色、波纹现象，提高色彩还原度。这会对后续的ISP tuning工作造成很大影响。

IR-cut滤光片分为普通IR和蓝玻璃IR两大类，前者将红外光和紫外光反射掉，是其不进入Sensor，后者将红外光和紫外光吸收掉，使其不进入Sensor。前者容易使红外光产生多次反射，从而造成光晕现象(Shading)，使最终成像效果产生较大的色差。后者虽然没有此问题，效果更好，但成本也是前者的十倍。

4. 图像传感器

图像传感器(Image Sensor)是整个模组中的核心部件，也是本次介绍的重点，它是一种半导体芯片，其表面由几十万到几百万个光电二极管，这些光电二极管受到光照时会产生电荷，从而将将镜头采集到的光信号转换成电信号。因此，如果说Lens的作用相当于人眼球的晶状体，那么Sensor的作用就类似视网膜，Sensor上的感光二极管就是视网膜上的视觉细胞。

Sensor主要用于将收集到的外界光信号转换成电信号，供后续电子系统进行处理和存储。Sensor的感光单元，也就是每个像素单元，会排列成像素阵列，上面分布着感光二极管。这些二极管会在受到外界的光刺激后，会根据光照强度产生不同强弱的电信号，再经过内部的A/D转换离散成数字信号。

光电二极管可以粗略地看成一个电容，受到的关照越强，则同一时间内积压在电容上的电荷越多，产生的电压就越大。如果将电容两端的电压通过A/D转换成数字信号，可以得到一个数字化后的值，所有的像素组合在一起可以得到一张灰度图。光照越强，这个数值越大，则像素越靠近白色；光照越弱，这个数值越小，则像素越靠近黑色。这与我们平常的认知也是一致的。

根据感光二极管种类的不同，可以将市面上广泛使用的Sensor分为CCD Sensor和CMOS Sensor两类。CCD是Charge Coupled Device，即电荷耦合器件；CMOS是Complementary Metal Oxide Semicondutor，即互补金属氧化物半导体。两种半导体的具体感光原理不是本文的重点探讨内容，不再详述。目前，CMOS Sensor由于功率更小、处理速度更快、制造成本更低的优势，基本上已经顶替了过去的CCD Sensor的地位，尤其是在手机和移动设备领域基本上已经一统江湖了。不过CCD Sensor的优势是在弱光条件下表现更良好，不会像CMOS一样受到数字噪声的影响，不会那么依赖ISP的去噪工作。

5. 柔性印制电路板

柔性印制电路板(Flexible Printed Circuit Board，FPCB)的主要作用是将组件与主处理器连接起来，同时完成Sensor与主处理器之间的原始数据传输功能。