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Tomando como ejemplo el módulo de cámara del teléfono móvil, se presenta la composición detallada del módulo de cámara.

1. Introducción al módulo de cámara

Módulo de cámara, cuyo nombre completo es Módulo compacto de cámara y cuya abreviatura es CCM. El CCM incluye varias partes principales: lente, motor de bobina móvil (VCM), sensor, placa de circuito flexible (FPC) y chip de procesamiento de imágenes (DSP).

Principio de funcionamiento: La luz captada por el objeto a través de la lente se convierte en una señal eléctrica a través del circuito integrado CMOS o CCD, y luego se convierte en una señal de imagen digital a través del procesador de imagen interno (ISP) y se envía al procesador de señal digital (DSP) para su procesamiento y conversión en una señal de imagen estándar GRB, YUV y otros formatos.

El módulo de la cámara consta principalmente de las siguientes partes:

Lente: enfoca la luz en el sensor de imagen.

Motor de bobina móvil (VCM): completa el enfoque automático de la cámara.

Filtro de corte IR: filtra la luz invisible para el ojo humano.

Sensor de imagen: Convierte señales de luz en señales eléctricas.

Placa de circuito impreso flexible (FPCB): conecta el módulo de la cámara al procesador principal y transmite datos.

La siguiente figura muestra la estructura de varios componentes principales de un módulo de cámara de teléfono móvil común.

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2. Composición

1. Lente

La función principal de la lente es hacer converger la luz captada del mundo exterior hacia el sensor de imagen. El principio es el de la imagen estenopeica. Con diferentes lentes, la luz se enfoca en el chip fotosensible ubicado en la parte inferior de la lente (es decir, el sensor) para formar

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Las lentes modernas generalmente están compuestas de varias lentes para lograr efectos de imagen más complejos. Las lentes se dividen en materiales de vidrio y plástico. Por ejemplo, 2G2P significa que este conjunto de lentes está compuesto por dos lentes de vidrio y dos lentes de plástico. Por lo general, las lentes de vidrio tienen mejores efectos de imagen y son más caras.

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2. VCM (motor de bobina móvil)

El nombre completo es motor de bobina móvil, que es un tipo de motor en electrónica. Debido a que el principio es similar al de un altavoz, se le llama motor de bobina móvil, que tiene las características de respuesta de alta frecuencia y alta precisión. Su principio principal es controlar la posición de estiramiento de la lámina de resorte cambiando la corriente continua de la bobina en el motor en un campo magnético permanente, impulsando así el movimiento hacia arriba y hacia abajo. Las cámaras de los teléfonos móviles utilizan ampliamente el VCM para lograr la función de enfoque automático. La posición de la lente se puede ajustar a través del VCM para presentar una imagen clara.

Se coloca una bobina en un campo magnético permanente. Cuando se activa la bobina, se genera un campo magnético (ley de Ampere), que genera atracción o repulsión con el imán permanente periférico, lo que hace que la bobina se mueva bajo la fuerza. Si se coloca la lente sobre la bobina, se puede hacer que la bobina se mueva hacia adelante y hacia atrás cambiando el tamaño de la corriente, controlando así la posición de la lente y completando la función de enfoque.

El VCM se utiliza habitualmente con el IC controlador VCM (chip controlador VCM) y el algoritmo AF (enfoque automático). En primer lugar, la imagen recogida por el sensor se introduce en el ISP, y el algoritmo AF del ISP calcula los pasos de enfoque de la imagen actual y la transmite al IC controlador a través de I2C. El IC controlador calcula la corriente necesaria para mover la bobina a esa posición, controlando así con precisión el comportamiento de la lente para lograr el efecto de enfoque automático. Por supuesto, este método también puede lograr el efecto del estabilizador óptico de imagen (OIS), y el principio es el mismo.

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Indicadores de rendimiento de VCM

El rendimiento del VCM depende principalmente de la relación entre la corriente y la distancia recorrida. A partir de la corriente de arranque, el aumento de la corriente debe ser proporcional a la distancia recorrida que se puede recorrer. Cuanto menor sea la corriente de aumento requerida, mayor será la precisión. Al mismo tiempo, también depende del consumo máximo de energía, la potencia máxima y el tamaño.

Clasificación VCM

Estructuralmente, se pueden dividir en tres categorías: (1) estructura tipo resorte; (2) estructura tipo bola; (3) estructura tipo fricción.

Según sus funciones, se pueden dividir aproximadamente en cinco categorías: (1) Motor de bucle abierto; (2) Motor de bucle cerrado; (3) Motor alternativo; (4) Motor de estabilización óptica de imagen OIS (dividido en tipo de traslación, tipo de inclinación y desplazamiento, tipo de memoria metálica, etc.); (5) Motor de seis ejes OIS+bucle cerrado.

Principio AF

Después de entrar en el modo de enfoque automático, el Driver aumenta de 0 al valor máximo, haciendo que la lente se mueva desde su posición original hasta el desplazamiento máximo. En este momento, la superficie de imagen del sensor toma automáticamente fotografías y las guarda en el DSP. El DSP calcula el valor MTF (función de transferencia de modulación) de cada fotografía a través de estas fotografías, y luego encuentra el valor máximo en esta curva MTF. A través del algoritmo, obtiene el tamaño actual correspondiente a este punto, y una vez más instruye al Driver para que proporcione esta corriente a la bobina móvil, de modo que la lente se estabilice en esta superficie de imagen, para así lograr el enfoque automático.

Zoom y enfoque

A: Para lograr el zoom óptico, se utiliza un motor de zoom (ZOOM)

Al mover la lente dentro de la lente para cambiar la posición del enfoque, cambiar la distancia focal de la lente y cambiar el ángulo de visión de la lente, se puede ampliar o reducir el efecto.

B: Enfoque automático mediante motor de enfoque (AF)

Al mover la posición de todo el lente (en lugar de mover el lente dentro del lente) a una microdistancia, se controla la distancia focal del lente para lograr imágenes nítidas. Este es un método común que se utiliza en los teléfonos móviles.

El enfoque óptico y el zoom óptico son conceptos diferentes:

El zoom óptico consiste en cambiar la posición de enfoque moviendo la posición relativa de la lente dentro de la lente, cambiando la longitud de la distancia focal de la lente y cambiando el ángulo de visión de la lente, logrando así la ampliación y reducción de la imagen;

El enfoque óptico en realidad ajusta la posición de toda la lente (en lugar de la lente dentro de la lente) para controlar la distancia de la imagen, haciendo así que la imagen sea más clara.

3. Filtro infrarrojo

La función del filtro de corte IR es filtrar la luz infrarroja. El rango de longitud de onda de la luz que el ojo humano y los dispositivos fotosensibles electrónicos pueden detectar es diferente. El rango de longitud de onda de la luz que los dispositivos fotosensibles electrónicos pueden detectar es mucho mayor que el de los humanos. Por lo tanto, es necesario filtrar la luz que el ojo humano no puede detectar para evitar que provoque fenómenos de distorsión de color y ondulación y mejorar la reproducción del color. Esto tendrá un gran impacto en el trabajo de ajuste del ISP posterior.

Los filtros de corte IR se dividen en dos categorías: IR ordinario e IR de vidrio azul. El primero refleja la luz infrarroja y ultravioleta, impidiendo que entren en el sensor, mientras que el segundo absorbe la luz infrarroja y ultravioleta, impidiendo que entren en el sensor. El primero provoca fácilmente múltiples reflejos de luz infrarroja, lo que da lugar a sombreado y causa grandes diferencias de color en el efecto de imagen final. Aunque el segundo no tiene este problema y tiene mejores efectos, su coste también es diez veces superior al primero.

4. Sensor de imagen

El sensor de imagen es el componente principal de todo el módulo y el foco de esta introducción. Es un chip semiconductor con cientos de miles a millones de fotodiodos en su superficie. Estos fotodiodos generarán cargas cuando se expongan a la luz, convirtiendo así las señales de luz recogidas por la lente en señales eléctricas. Por lo tanto, si la función de la lente es equivalente a la del ojo humano, entonces la función del sensor es similar a la de la retina, y los diodos fotosensibles del sensor son las células visuales de la retina.

El sensor se utiliza principalmente para convertir las señales de luz externas recogidas en señales eléctricas para que los sistemas electrónicos las procesen y almacenen posteriormente. Las unidades fotosensibles del sensor, es decir, cada unidad de píxel, están dispuestas en una matriz de píxeles con diodos fotosensibles distribuidos en ella. Después de ser estimulados por la luz externa, estos diodos generarán señales eléctricas de diferentes intensidades según la intensidad de la luz, y luego se discretizarán en señales digitales a través de la conversión A/D interna.

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Un fotodiodo puede considerarse, en líneas generales, como un condensador. Cuanto más intensa sea la luz, más carga se acumulará en el condensador al mismo tiempo y mayor será el voltaje generado. Si el voltaje a través del condensador se convierte en una señal digital mediante un convertidor A/D, se puede obtener un valor digitalizado y se pueden combinar todos los píxeles para obtener una imagen en escala de grises. Cuanto más intensa sea la luz, mayor será el valor y más cercano estará el píxel al blanco; cuanto más débil sea la luz, menor será el valor y más cercano estará el píxel al negro. Esto es coherente con nuestra cognición habitual.

Según los diferentes tipos de diodos fotosensibles, los sensores ampliamente utilizados en el mercado se pueden dividir en dos categorías: sensor CCD y sensor CMOS. CCD es Charge Coupled Device, es decir, dispositivo de carga acoplada; CMOS es Complementary Metal Oxide Semicondutor. Los principios específicos de fotosensibilidad de los dos semiconductores no son el foco de este artículo y no se discutirán en detalle. En la actualidad, el sensor CMOS ha reemplazado básicamente la posición del sensor CCD anterior debido a sus ventajas de menor potencia, mayor velocidad de procesamiento y menor costo de fabricación, especialmente en el campo de los teléfonos móviles y dispositivos móviles. Sin embargo, la ventaja del sensor CCD es que funciona mejor en condiciones de poca luz, no se ve afectado por el ruido digital como el CMOS y no depende tanto del trabajo de eliminación de ruido del ISP.

El sensor de imagen es un chip semiconductor con millones o decenas de millones de fotodiodos en su superficie. Cuando los fotodiodos se exponen a la luz, generan una carga eléctrica y convierten la luz en señales eléctricas. Su función es similar a la de los ojos humanos, por lo que el rendimiento del sensor afectará directamente al rendimiento de la cámara.

4.1 Estructura del sensor

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4.2 Clasificación

Elemento fotosensible: CCD, CMOS (PPS y APS)

Diferentes procesos: FSI con iluminación frontal, BSI con iluminación posterior, apilado

4.3 Indicadores

1. Píxeles

El sensor tiene muchas unidades fotosensibles que pueden convertir la luz en carga eléctrica para formar una imagen electrónica correspondiente a la escena. En el sensor, cada unidad fotosensible corresponde a un píxel. Cuantos más píxeles, más detalles del objeto puede detectar, por lo que la imagen es más clara. Cuanto mayor sea el número de píxeles, más claro será el efecto de imagen. El producto de la resolución de la cámara es el valor del píxel, por ejemplo: 1280×960=1228800

2. Tamaño del objetivo

El tamaño de la parte fotosensible del sensor de imagen se expresa generalmente en pulgadas. Al igual que en un televisor, este dato suele referirse a la longitud diagonal del sensor de imagen, como 1/3 de pulgada. Cuanto mayor sea la superficie del objetivo, mejor será la transmisión de la luz, mientras que cuanto menor sea la superficie del objetivo, más fácil será obtener una mayor profundidad de campo.

3. Sensibilidad a la luz

Es decir, la intensidad de la luz incidente se detecta a través de CCD o CMOS y circuitos electrónicos relacionados. Cuanto mayor sea la sensibilidad, más sensible será la superficie fotosensible a la luz y mayor será la velocidad de obturación, lo que es especialmente importante al fotografiar vehículos en movimiento y al realizar vigilancia nocturna.

4. Obturador electrónico

Es un término propuesto en comparación con la función de obturador mecánico de una cámara. Controla el tiempo de fotosensibilidad del sensor de imagen. Dado que el valor de fotosensibilidad del sensor de imagen es la acumulación de carga de señal, cuanto mayor sea la fotosensibilidad, mayor será el tiempo de acumulación de carga de señal y mayor será la amplitud de la corriente de señal de salida. Cuanto más rápido sea el obturador electrónico, menor será la sensibilidad, lo que es adecuado para tomar fotografías con luz intensa.

5. Velocidad de cuadros

Se refiere a la cantidad de imágenes grabadas o reproducidas por unidad de tiempo. La reproducción continua de una serie de imágenes producirá un efecto de animación. Según el sistema visual humano, cuando la velocidad de reproducción de imágenes es superior a 15 imágenes/segundo (es decir, 15 fotogramas), el ojo humano apenas puede ver el salto de la imagen; cuando alcanza entre 24 imágenes/s y 30 imágenes/s (es decir, entre 24 y 30 fotogramas), el fenómeno del parpadeo es básicamente imperceptible.

Los cuadros por segundo (fps) o la velocidad de cuadros indican cuántas veces por segundo puede actualizarse el sensor gráfico al procesar un campo. Una velocidad de cuadros más alta da como resultado una experiencia visual más fluida y realista.

6. Relación señal-ruido

Es la relación entre el voltaje de la señal y el voltaje del ruido, y la unidad de la relación señal/ruido es dB. Generalmente, el valor de la relación señal/ruido que proporciona la cámara es el valor cuando el AGC (control automático de ganancia) está desactivado, porque cuando el AGC está activado, mejorará la señal pequeña, de modo que el nivel de ruido también aumentará en consecuencia.

El valor típico de la relación señal-ruido es de 45-55 dB. Si es de 50 dB, la imagen tiene una pequeña cantidad de ruido, pero la calidad de la imagen es buena; si es de 60 dB, la calidad de la imagen es excelente y no hay ruido. Cuanto mayor sea la relación señal-ruido, mejor será el control del ruido. Este parámetro está relacionado con la cantidad de puntos de ruido en la imagen. Cuanto mayor sea la relación señal-ruido, más nítida será la imagen y menos puntos de ruido en forma de puntos habrá en la imagen de visión nocturna.

4.4 Proveedor de servicios de Internet

4.4.1 DATOS BRUTOS

El sensor convierte la luz transmitida desde la lente en una señal eléctrica y luego la convierte en una señal digital a través del AD interno. Dado que cada píxel del sensor solo puede detectar luz R, luz B o luz G, cada píxel almacena datos monocromáticos en este momento, a los que llamamos datos RAW DATA. Para restaurar los datos RAW DATA de cada píxel a los tres colores primarios, se requiere que el ISP los procese.

4.4.2 Procesamiento del ISP

ISP (procesamiento de señal de imagen) es principalmente responsable de procesar imágenes digitales y convertir los datos sin procesar recopilados por el sensor en un formato compatible con el algoritmo.

Proceso específico:

1. Después de que la luz externa pasa a través de la lente, se filtra mediante el filtro de color y luego brilla sobre la superficie del sensor;

2. El sensor convierte la luz transmitida desde la lente en una señal eléctrica y luego la convierte en una señal digital a través del AD interno.

3.1. Si el sensor no integra ISP, transmite directamente la banda base a través de la línea de transmisión (la banda base es la banda de frecuencia básica, consulte "Principios de comunicación" para obtener más detalles; la otra es la transmisión por modulación de modo) y el formato de datos en este momento es DATOS SIN PROCESAR.

3.2. Si el ISP está integrado, los datos RAW DATA se procesan mediante AWB (balance de blancos automático), matriz de color, sombreado de lente, gamma, nitidez, AE (control automático de exposición) y eliminación de ruido, y luego se generan los datos en formato YUV o RGB.

4.4.3 “Principios de comunicación” – Banda base

El nombre completo de banda base en español es Baseband, que también se puede traducir como la banda de frecuencia (ancho de banda de frecuencia) inherente a la señal eléctrica original enviada por la "fuente" (fuente de información, también conocida como terminal transmisora) sin modulación (desplazamiento y transformación del espectro), llamada banda de frecuencia básica, o banda base para abreviar. Banda base corresponde a banda de frecuencia, banda de frecuencia: el ancho de banda de frecuencia ocupado por la señal de banda base antes de la modulación (la diferencia entre la frecuencia más baja y la frecuencia más alta ocupada por una señal).

5. Procesador de señal digital (DSP)

Función del procesador de señal digital DSP (PROCESAMIENTO DE SEÑAL DIGITAL): principalmente a través de una serie de algoritmos matemáticos complejos, para optimizar los parámetros de las señales de imagen digital y las señales procesadas a través de USB y otras interfaces a PC y otros dispositivos.

Diferencia entre DSP e ISP

Glosario:

ISP es la abreviatura de Image Signal Processor, que es procesador de señal de imagen.

DSP es la abreviatura de Digital Signal Processor, que es un procesador de señal digital.

Explicación funcional:

El ISP se utiliza generalmente para procesar los datos de salida del sensor de imagen, como AEC (control automático de exposición), AGC (control automático de ganancia), AWB (balance automático de blancos), corrección de color, sombreado de lente, corrección de gamma, eliminación de píxeles defectuosos, nivel automático de negro, nivel automático de blanco, etc. (Para obtener más información, visite: https://blog.csdn.net/djfjkj52/article/details/115324741 para obtener una explicación de "Exposición automática de la cámara, enfoque automático, balance automático de blancos, ISP, procesamiento de imágenes y modelo de color, espacio de color")

El DSP tiene más funciones. Puede tomar fotografías y mostrarlas (codificación y decodificación JPEG), grabar y reproducir (codificación y decodificación de video), codificar y decodificar H.264 y muchas otras funciones de procesamiento. En resumen, procesa señales digitales.

6. Placa de circuito impreso flexible

La función principal de la placa de circuito impreso flexible (FPCB) es conectar los componentes al procesador principal y completar la función de transmisión de datos original entre el sensor y el procesador principal.

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7. El proceso de captura de imágenes de las cámaras de los teléfonos móviles

Enlace de cámara de teléfono móvil

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Veamos primero el enlace general de la cámara del teléfono móvil. Hay 5 pasos en total. En este artículo se explicarán las 3 primeras partes (parte del hardware):

Lente de la cámara: la lente de la cámara de un teléfono móvil. La luz pasa a través de la lente y llega al sensor de imagen COMS.

Sensor de imagen: El sensor de imagen CMOS convierte la señal de luz en una señal eléctrica y luego la convierte en una señal digital a través del ADC interno.

ISP: La señal digital se transmite al ISP para su procesamiento, principalmente para corrección, balance de blancos, control de exposición, etc.

SOC: este paso se encuentra en la capa de aplicación (por ejemplo, una aplicación). La CPU y la GPU posprocesan los datos de la imagen, por ejemplo, agregando filtros, etc.

Pantalla: Finalmente, los datos de la imagen se muestran en la pantalla.

Sensor del módulo de cámara

Sensor de cámara de 20 MP

Sensor de cámara de 48 MP

Sensor de cámara de 50 MP

Sensor de cámara de 60 MP

Sensor de cámara 2K de 4 MP

Sensor de cámara de 3 MP y 1080P

Sensor de cámara de 2 MP y 1080P

Sensor de cámara de 1 MP y 720 P

Sensor de cámara de 0,3 MP y 480P

Sensor de cámara 4K de 16 MP

Sensor de cámara 4K de 13 MP

Sensor de cámara 4K de 12 MP

Sensor de cámara 4K de 8 MP

Sensor de cámara 2K de 5 MP

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