Lấy mô-đun camera điện thoại di động làm ví dụ, thành phần chi tiết của mô-đun camera được giới thiệu

1. Giới thiệu về module camera

Camera module, tên đầy đủ là Camera Compact Module, viết tắt là CCM. CCM bao gồm một số bộ phận chính: ống kính, động cơ cuộn dây thoại (VCM), cảm biến, bảng mạch linh hoạt (FPC), chip xử lý hình ảnh (DSP).

Nguyên lý hoạt động: Ánh sáng mà vật thể thu được qua thấu kính được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua mạch tích hợp CMOS hoặc CCD, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu hình ảnh kỹ thuật số thông qua bộ xử lý hình ảnh bên trong (ISP) và đưa ra bộ xử lý tín hiệu số (DSP) để xử lý và chuyển đổi thành tín hiệu hình ảnh chuẩn GRB, YUV và các định dạng khác.

Mô-đun máy ảnh chủ yếu bao gồm các bộ phận sau:

Ống kính: Tập trung ánh sáng vào cảm biến hình ảnh.

Động cơ cuộn dây âm thanh (VCM): Hoàn thiện chức năng lấy nét tự động của máy ảnh.

Bộ lọc cắt IR: Lọc bỏ ánh sáng vô hình đối với mắt người.

Cảm biến hình ảnh: Chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện.

Bo mạch in mềm (FPCB): Kết nối mô-đun camera với bộ xử lý chính và truyền dữ liệu.

Hình sau đây cho thấy cấu trúc của một số thành phần cốt lõi của một mô-đun camera điện thoại di động thông thường.

2. Thành phần

1. Ống kính

Chức năng chính của ống kính là hội tụ ánh sáng thu được từ thế giới bên ngoài vào cảm biến hình ảnh. Nguyên lý là chụp ảnh lỗ kim. Với các ống kính khác nhau, ánh sáng được hội tụ vào chip nhạy sáng ở dưới cùng của ống kính (tức là cảm biến) để tạo thành

Ống kính hiện đại thường được cấu thành từ nhiều ống kính để đạt được hiệu ứng hình ảnh phức tạp hơn. Ống kính được chia thành vật liệu thủy tinh và nhựa. Ví dụ, 2G2P có nghĩa là bộ ống kính này được cấu thành từ hai ống kính thủy tinh và hai ống kính nhựa. Nhìn chung, ống kính thủy tinh có hiệu ứng hình ảnh tốt hơn và đắt hơn.

2. VCM (Động cơ cuộn dây giọng nói)

Tên đầy đủ là Voice Coil Motor, là một loại động cơ trong điện tử. Vì nguyên lý tương tự như loa nên được gọi là động cơ voice coil, có đặc điểm là đáp ứng tần số cao và độ chính xác cao. Nguyên lý chính của nó là điều khiển vị trí kéo giãn của tấm lò xo bằng cách thay đổi dòng điện DC của cuộn dây trong động cơ trong từ trường vĩnh cửu, do đó điều khiển chuyển động lên xuống. Camera điện thoại di động sử dụng rộng rãi VCM để đạt được chức năng lấy nét tự động. Vị trí của ống kính có thể được điều chỉnh thông qua VCM để hiển thị hình ảnh rõ nét.

Một cuộn dây được đặt trong một từ trường vĩnh cửu. Khi cuộn dây được cấp điện, một từ trường sẽ được tạo ra (định luật Ampere), từ trường này sẽ tạo ra lực hút hoặc lực đẩy với nam châm vĩnh cửu ngoại vi, khiến cuộn dây chuyển động dưới tác dụng của lực. Nếu thấu kính được đặt trên cuộn dây, cuộn dây có thể được điều khiển để di chuyển qua lại bằng cách thay đổi kích thước dòng điện, do đó kiểm soát vị trí của thấu kính và hoàn thành chức năng lấy nét.

VCM thường được sử dụng với VCM Driver IC (chip điều khiển VCM) và thuật toán AF (Lấy nét tự động). Đầu tiên, hình ảnh được thu thập bởi Cảm biến được đưa vào ISP và thuật toán AF trong ISP tính toán các bước lấy nét của hình ảnh hiện tại và truyền đến Driver IC thông qua I2C. Driver IC tính toán dòng điện cần thiết để di chuyển cuộn dây đến vị trí đó, do đó kiểm soát chính xác hành vi của ống kính để đạt được hiệu ứng lấy nét tự động. Tất nhiên, phương pháp này cũng có thể đạt được hiệu ứng của Bộ ổn định hình ảnh quang học (OIS) và nguyên tắc là giống nhau.

Chỉ số hiệu suất VCM

Hiệu suất của VCM chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ dòng điện và khoảng cách di chuyển. Bắt đầu từ dòng điện khởi động, dòng điện tăng phải tỷ lệ thuận với khoảng cách di chuyển có thể điều khiển được. Dòng điện tăng cần thiết càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. Đồng thời, nó cũng phụ thuộc vào mức tiêu thụ điện năng tối đa, công suất tối đa và kích thước.

Phân loại VCM

Về mặt cấu trúc, chúng có thể được chia thành ba loại: (1) cấu trúc kiểu lò xo; (2) cấu trúc kiểu bi; (3) cấu trúc kiểu ma sát.

Dựa trên chức năng của chúng, chúng có thể được chia thành năm loại: (1) Động cơ vòng hở; (2) Động cơ vòng kín; (3) Động cơ thay thế; (4) Động cơ ổn định hình ảnh quang học OIS (chia thành loại tịnh tiến, loại nghiêng-dịch chuyển, loại kim loại nhớ, v.v.); (5) Động cơ sáu trục OIS+vòng kín.

Nguyên lý AF

Sau khi vào chế độ lấy nét tự động, Driver tăng từ 0 đến giá trị tối đa, khiến ống kính di chuyển từ vị trí ban đầu đến độ dịch chuyển tối đa. Lúc này, bề mặt hình ảnh cảm biến tự động chụp ảnh và lưu chúng vào DSP. DSP tính toán giá trị MTF (Hàm truyền điều chế) của từng hình ảnh thông qua các hình ảnh này, sau đó tìm giá trị tối đa trong đường cong MTF này. Thông qua thuật toán, nó thu được kích thước dòng điện tương ứng với điểm này và một lần nữa hướng dẫn Driver cung cấp dòng điện này cho cuộn dây âm thanh, để ống kính được ổn định trên bề mặt hình ảnh này, để đạt được tiêu điểm tự động.

Phóng to và lấy nét

A: Để đạt được zoom quang học, một động cơ zoom (ZOOM) được sử dụng

Bằng cách di chuyển thấu kính bên trong thấu kính để thay đổi vị trí tiêu điểm, thay đổi tiêu cự của thấu kính và thay đổi góc nhìn của thấu kính, hiệu ứng có thể được phóng đại hoặc thu nhỏ.

B: Tự động lấy nét bằng động cơ lấy nét (AF)

Bằng cách di chuyển vị trí của toàn bộ ống kính (thay vì ống kính bên trong ống kính) ở khoảng cách micro, tiêu cự của ống kính được kiểm soát để đạt được hình ảnh rõ nét. Đây là phương pháp phổ biến được sử dụng trong điện thoại di động.

Tiêu cự quang học và zoom quang học là hai khái niệm khác nhau:

Thu phóng quang học là thay đổi vị trí tiêu điểm bằng cách di chuyển vị trí tương đối của thấu kính bên trong thấu kính, thay đổi độ dài tiêu cự của thấu kính và thay đổi góc nhìn của thấu kính, do đó đạt được độ phóng đại và thu nhỏ hình ảnh;

Tiêu cự quang học thực chất là điều chỉnh vị trí của toàn bộ ống kính (thay vì ống kính bên trong ống kính) để kiểm soát khoảng cách hình ảnh, do đó làm cho hình ảnh rõ nét nhất.

3. Bộ lọc hồng ngoại

Chức năng của bộ lọc cắt IR là lọc bỏ ánh sáng hồng ngoại. Phạm vi bước sóng ánh sáng mà mắt người và các thiết bị điện tử cảm quang có thể cảm nhận là khác nhau. Phạm vi bước sóng ánh sáng mà các thiết bị điện tử cảm quang có thể cảm nhận lớn hơn nhiều so với con người. Do đó, cần phải lọc bỏ ánh sáng mà mắt người không thể cảm nhận được để ngăn chúng gây ra hiện tượng đổ màu và gợn sóng và cải thiện khả năng tái tạo màu. Điều này sẽ có tác động lớn đến công việc điều chỉnh ISP tiếp theo.

Bộ lọc cắt IR được chia thành hai loại: IR thông thường và IR thủy tinh xanh. Loại trước phản xạ ánh sáng hồng ngoại và cực tím, ngăn chúng đi vào cảm biến, trong khi loại sau hấp thụ ánh sáng hồng ngoại và cực tím, ngăn chúng đi vào cảm biến. Loại trước dễ gây ra nhiều phản xạ ánh sáng hồng ngoại, dẫn đến đổ bóng và gây ra sự khác biệt lớn về màu sắc trong hiệu ứng hình ảnh cuối cùng. Mặc dù loại sau không có vấn đề này và có hiệu ứng tốt hơn, nhưng chi phí của nó cũng gấp mười lần loại trước.

4. Cảm biến hình ảnh

Cảm biến hình ảnh là thành phần cốt lõi của toàn bộ mô-đun và là trọng tâm của phần giới thiệu này. Nó là một chip bán dẫn với hàng trăm nghìn đến hàng triệu điốt quang trên bề mặt của nó. Các điốt quang này sẽ tạo ra điện tích khi tiếp xúc với ánh sáng, do đó chuyển đổi các tín hiệu ánh sáng được ống kính thu thập thành tín hiệu điện. Do đó, nếu vai trò của ống kính tương đương với ống kính của mắt người, thì vai trò của cảm biến tương tự như võng mạc, và các điốt nhạy sáng trên cảm biến là các tế bào thị giác trên võng mạc.

Cảm biến chủ yếu được sử dụng để chuyển đổi các tín hiệu ánh sáng bên ngoài thu thập được thành tín hiệu điện để các hệ thống điện tử tiếp theo xử lý và lưu trữ. Các đơn vị nhạy sáng của cảm biến, tức là mỗi đơn vị pixel, được sắp xếp thành một mảng pixel với các điốt nhạy sáng được phân bổ trên đó. Sau khi được kích thích bởi ánh sáng bên ngoài, các điốt này sẽ tạo ra các tín hiệu điện có cường độ khác nhau theo cường độ ánh sáng, sau đó được phân rã thành tín hiệu số thông qua chuyển đổi A/D bên trong.

Một điốt quang có thể được coi là một tụ điện. Ánh sáng càng mạnh, điện tích tích tụ trên tụ điện càng nhiều cùng lúc và điện áp tạo ra càng lớn. Nếu điện áp trên tụ điện được chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua A/D, có thể thu được giá trị số hóa và tất cả các điểm ảnh có thể được kết hợp để thu được ảnh thang độ xám. Ánh sáng càng mạnh, giá trị càng lớn và điểm ảnh càng gần màu trắng; ánh sáng càng yếu, giá trị càng nhỏ và điểm ảnh càng gần màu đen. Điều này phù hợp với nhận thức thông thường của chúng ta.

Theo các loại diode nhạy sáng khác nhau, các cảm biến được sử dụng rộng rãi trên thị trường có thể được chia thành hai loại: Cảm biến CCD và Cảm biến CMOS. CCD là Thiết bị ghép điện tích, tức là thiết bị ghép điện tích; CMOS là Bán dẫn oxit kim loại bổ sung. Các nguyên lý nhạy sáng cụ thể của hai chất bán dẫn này không phải là trọng tâm của bài viết này và sẽ không được thảo luận chi tiết. Hiện tại, Cảm biến CMOS về cơ bản đã thay thế vị trí của Cảm biến CCD trước đây do các ưu điểm về công suất thấp hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn và chi phí sản xuất thấp hơn, đặc biệt là trong lĩnh vực điện thoại di động và thiết bị di động. Tuy nhiên, ưu điểm của Cảm biến CCD là hoạt động tốt hơn trong điều kiện ánh sáng yếu, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu kỹ thuật số như CMOS và không phụ thuộc nhiều vào công việc khử nhiễu của ISP.

Cảm biến hình ảnh là một chip bán dẫn có hàng triệu đến hàng chục triệu photodiode trên bề mặt. Khi photodiode tiếp xúc với ánh sáng, chúng sẽ tạo ra điện tích và chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện. Chức năng của nó tương tự như mắt người, vì vậy hiệu suất của cảm biến sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của máy ảnh.

4.1 Cấu trúc cảm biến

4.2 Phân loại

Yếu tố nhạy sáng: CCD, CMOS (PPS và APS)

Các quy trình khác nhau: FSI chiếu sáng phía trước, BSI chiếu sáng phía sau, xếp chồng

4.3 Các chỉ số

1. Điểm ảnh

Trên cảm biến có nhiều đơn vị cảm quang, có thể chuyển đổi ánh sáng thành điện tích để tạo thành hình ảnh điện tử tương ứng với cảnh. Trong cảm biến, mỗi đơn vị cảm quang tương ứng với một pixel. Càng nhiều pixel, nó càng có thể cảm nhận được nhiều chi tiết của vật thể, do đó hình ảnh càng rõ nét. Pixel càng cao, hiệu ứng hình ảnh càng rõ nét. Tích của độ phân giải camera là giá trị pixel, ví dụ: 1280×960=1228800

2. Kích thước mục tiêu

Kích thước của phần nhạy sáng của cảm biến hình ảnh thường được thể hiện bằng inch. Giống như tivi, dữ liệu này thường đề cập đến chiều dài đường chéo của cảm biến hình ảnh, chẳng hạn như 1/3 inch. Bề mặt mục tiêu càng lớn thì khả năng truyền ánh sáng càng tốt, trong khi bề mặt mục tiêu càng nhỏ thì càng dễ có được độ sâu trường ảnh lớn hơn.

3. Độ nhạy sáng

Tức là cường độ ánh sáng tới được cảm nhận thông qua CCD hoặc CMOS và các mạch điện tử liên quan. Độ nhạy càng cao thì bề mặt nhạy sáng càng nhạy với ánh sáng và tốc độ màn trập càng cao, điều này đặc biệt quan trọng khi chụp xe đang di chuyển và giám sát ban đêm.

4. Màn trập điện tử

Đây là thuật ngữ được đề xuất khi so sánh với chức năng màn trập cơ học của máy ảnh. Nó kiểm soát thời gian nhạy sáng của cảm biến hình ảnh. Vì giá trị nhạy sáng của cảm biến hình ảnh là sự tích tụ điện tích tín hiệu, độ nhạy sáng càng dài, thời gian tích tụ điện tích tín hiệu càng dài và biên độ dòng điện tín hiệu đầu ra càng lớn. Màn trập điện tử càng nhanh thì độ nhạy càng thấp, phù hợp để chụp dưới ánh sáng mạnh.

5. Tốc độ khung hình

Chỉ số lượng hình ảnh được ghi lại hoặc phát trên một đơn vị thời gian. Phát một loạt hình ảnh liên tục sẽ tạo ra hiệu ứng hoạt hình. Theo hệ thống thị giác của con người, khi tốc độ phát lại hình ảnh lớn hơn 15 hình ảnh/giây (tức là 15 khung hình), mắt người khó có thể nhìn thấy hình ảnh nhảy; khi đạt đến giữa 24 hình ảnh/giây và 30 hình ảnh/giây (tức là 24 đến 30 khung hình), hiện tượng nhấp nháy về cơ bản là không đáng chú ý.

Khung hình trên giây (fps) hoặc tốc độ khung hình cho biết cảm biến đồ họa có thể cập nhật bao nhiêu lần mỗi giây khi xử lý một trường. Tốc độ khung hình cao hơn mang lại trải nghiệm hình ảnh mượt mà hơn, chân thực hơn.

6. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

Đây là tỷ số giữa điện áp tín hiệu và điện áp nhiễu, đơn vị của tỷ số tín hiệu trên nhiễu là dB. Nhìn chung, giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu do camera đưa ra là giá trị khi tắt AGC (điều khiển khuếch đại tự động), vì khi bật AGC, nó sẽ tăng cường tín hiệu nhỏ, do đó mức độ nhiễu cũng sẽ tăng theo.

Giá trị điển hình của tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là 45-55dB. Nếu là 50dB, hình ảnh có lượng nhiễu nhỏ, nhưng chất lượng hình ảnh tốt; nếu là 60dB, chất lượng hình ảnh tuyệt vời và không có nhiễu. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn, khả năng kiểm soát nhiễu càng tốt. Thông số này liên quan đến số lượng điểm nhiễu trong hình ảnh. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu càng cao, hình ảnh càng sạch và số điểm nhiễu dạng điểm trong hình ảnh nhìn ban đêm càng ít.

4.4 Nhà cung cấp dịch vụ Internet

4.4.1 DỮ LIỆU THÔ

Cảm biến chuyển đổi ánh sáng truyền từ thấu kính thành tín hiệu điện, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua AD bên trong. Vì mỗi điểm ảnh của cảm biến chỉ có thể cảm nhận ánh sáng R, ánh sáng B hoặc ánh sáng G, nên mỗi điểm ảnh lưu trữ dữ liệu đơn sắc tại thời điểm này, mà chúng ta gọi là dữ liệu DỮ LIỆU RAW. Để khôi phục dữ liệu DỮ LIỆU RAW của mỗi điểm ảnh thành ba màu chính, ISP cần xử lý dữ liệu đó.

4.4.2 Xử lý ISP

ISP (Xử lý tín hiệu hình ảnh) chủ yếu chịu trách nhiệm xử lý hình ảnh kỹ thuật số và chuyển đổi dữ liệu thô được cảm biến thu thập sang định dạng mà thuật toán hỗ trợ.

Quy trình cụ thể:

1. Sau khi ánh sáng bên ngoài đi qua thấu kính, nó được lọc qua bộ lọc màu rồi chiếu vào bề mặt cảm biến;

2. Cảm biến chuyển đổi ánh sáng truyền từ ống kính thành tín hiệu điện, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua AD bên trong.

3.1. Nếu cảm biến không tích hợp ISP, nó sẽ truyền trực tiếp dải tần cơ sở qua đường truyền (dải tần cơ sở là dải tần số cơ bản, xem "Nguyên lý truyền thông" để biết chi tiết; dải tần còn lại là truyền điều chế chế độ) và định dạng dữ liệu tại thời điểm này là DỮ LIỆU THÔ.

3.2. Nếu ISP được tích hợp, dữ liệu RAW DATA được xử lý bằng AWB (cân bằng trắng tự động), ma trận màu, đổ bóng ống kính, gamma, độ sắc nét, AE (kiểm soát độ phơi sáng tự động) và khử nhiễu, sau đó xuất dữ liệu ở định dạng YUV hoặc RGB.

4.4.3 “Nguyên tắc truyền thông” – Băng tần cơ sở

Tên đầy đủ của baseband trong tiếng Anh là Baseband, cũng có thể được dịch là dải tần số (băng thông tần số) vốn có trong tín hiệu điện gốc được gửi đi bởi "nguồn" (nguồn thông tin, còn được gọi là thiết bị đầu cuối truyền) mà không có điều chế (chuyển dịch và biến đổi phổ), được gọi là dải tần số cơ bản, hoặc gọi tắt là baseband. Baseband tương ứng với dải tần số, dải tần số: băng thông tần số mà tín hiệu baseband chiếm giữ trước khi điều chế (sự khác biệt từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất mà tín hiệu chiếm giữ).

5 、Bộ xử lý tín hiệu số

Bộ xử lý tín hiệu số DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSING) có chức năng: chủ yếu thông qua một loạt các thuật toán toán học phức tạp, để tối ưu hóa các thông số của tín hiệu hình ảnh số và các tín hiệu được xử lý thông qua USB và các giao diện khác với PC và các thiết bị khác

Sự khác biệt giữa DSP và ISP

Thuật ngữ:

ISP là viết tắt của Image Signal Processor, tức là bộ xử lý tín hiệu hình ảnh.

DSP là viết tắt của Digital Signal Processor, là một bộ xử lý tín hiệu số.

Giải thích chức năng:

ISP thường được sử dụng để xử lý dữ liệu đầu ra của Cảm biến hình ảnh, chẳng hạn như AEC (Kiểm soát phơi sáng tự động), AGC (Kiểm soát độ khuếch đại tự động), AWB (Cân bằng trắng tự động), hiệu chỉnh màu, Đổ bóng ống kính, hiệu chỉnh gamma, loại bỏ điểm ảnh xấu, Mức đen tự động, Mức trắng tự động, v.v. (Để biết chi tiết, vui lòng truy cập: https://blog.csdn.net/djfjkj52/article/details/115324741 để biết giải thích về "Máy ảnh tự động phơi sáng, lấy nét tự động, cân bằng trắng tự động, ISP, xử lý hình ảnh và mô hình màu, không gian màu")

DSP có nhiều chức năng hơn. Nó có thể chụp ảnh và hiển thị chúng (mã hóa và giải mã JPEG), ghi và phát lại (mã hóa và giải mã Video), mã hóa và giải mã H.264 và nhiều chức năng xử lý khác. Nói tóm lại, nó xử lý tín hiệu số.

6. Bảng mạch in mềm

Chức năng chính của Bo mạch in mềm (FPCB) là kết nối các thành phần với bộ xử lý chính và hoàn thành chức năng truyền dữ liệu ban đầu giữa cảm biến và bộ xử lý chính.

7. Quá trình chụp ảnh của camera điện thoại di động

Liên kết máy ảnh điện thoại di động

Trước tiên chúng ta hãy xem xét liên kết tổng thể của camera điện thoại di động. Tổng cộng có 5 bước. Bài viết này sẽ giải thích 3 phần đầu tiên (phần cứng):

Ống kính camera: Ống kính camera của điện thoại di động. Ánh sáng đi qua ống kính và đến cảm biến hình ảnh COMS.

Cảm biến hình ảnh: Cảm biến hình ảnh CMOS chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua bộ ADC bên trong.

ISP: Tín hiệu số được truyền đến ISP để xử lý, chủ yếu là để hiệu chỉnh, cân bằng trắng, kiểm soát độ phơi sáng, v.v.

SOC: Bước này nằm ở lớp ứng dụng (như App). Dữ liệu hình ảnh được xử lý hậu kỳ bởi CPU và GPU, chẳng hạn như thêm bộ lọc, v.v.

Hiển thị: Cuối cùng, dữ liệu hình ảnh được hiển thị trên màn hình