Sensor介紹：相機模組CCM的結構與原理

我們常說的Sensor，也就是影像感測器只是整個Camera Module的一部分，主要負責將接收到的光訊號轉換成電訊號，其實就是整個相機模組（Camera Compact Module，CCM）由許多部分組成。 Sensor以外的其他模組將負責對焦、濾波、減震、資料傳輸等功能，以更好地捕捉影像。

索尼和三星是眾多手機廠商青睞的兩家相機模組供應商，當然國內也有不少優秀的供應商。

攝影機模組主要由以下幾個部分組成：

鏡頭：將光線聚焦到影像感光元件上。

音圈馬達 (VCM)：相機自動對焦。

紅外線濾光片（IR-cut Filter）：濾除人眼不可見光。

影像感測器：將光訊號轉換為電訊號。

柔性印刷電路板（FPCB）：將攝影機模組連接到主處理器並傳輸資料。

下圖為常見手機相機模組的幾個核心部件的結構圖。

第一步：鏡頭

Lens的主要功能是將外界擷取到的光線聚集到影像感測器上，原理是小孔成像，搭配不同的鏡頭，使光線聚焦在鏡頭底部的感光元件上（即，感光元件），形成影像。

現代鏡頭一般都是由幾片鏡片組合在一起，以實現更複雜的成像效果。 鏡頭分為Glass材質和Plastic材質，例如2G2P就是指這套鏡頭由兩片玻璃鏡片和兩片塑膠鏡片組成，一般玻璃鏡頭成像效果較好，價格也比較貴。

2.音圈電機

音圈電機（Voice Coil Motor）又稱音圈電機，其原理類似於揚聲器，在永久磁場中放置一個線圈，線圈就會通電產生磁場（安培法則），這將與外部永久磁鐵產生引力或排斥力，導致線圈移動。 如果將鏡頭放置在線圈上，線圈可以透過改變電流大小來驅動鏡頭前後移動，從而控制鏡頭的位置，完成對焦功能。

安培法則：也稱為右手螺旋法則，是表示電流與電流激發磁場的磁感線方向之間關係的法則。 用右手握住電磁鐵，讓四根手指指向電流方向，這樣大拇指所指的一端就是電磁鐵的N極。 左下圖。

音圈馬達之所以叫這個名字，是因為它的工作原理與揚聲器相同，都是帶電線圈在永磁場中的運動。 見右下方。

VCM通常與VCM Driver IC（VCM驅動晶片）和AF（自動對焦）演算法一起使用。 首先，Sensor擷取的影像輸入到ISP，ISP中的AF演算法計算目前影像的對焦步數，並透過I2C傳輸到Driver IC。驅動IC計算將線圈移動到相應位置所需的電流，從而精確控制鏡頭的行為並實現自動對焦效果。 當然，此方法也可以實現光學影像穩定器（OIS）的效果，原理是一樣的。

3. 紅外線濾光片

紅外線濾光片（IR-cut Filter）的作用是濾除紅外線。 人眼和電子感測器能夠感受到的光的波長範圍是不同的，而電子感測器能夠感受到的光的波長範圍比人的要大得多，因此，人眼不能感受到的光的波長範圍應該是濾掉它們，防止它們造成色彩偏差和波紋現象，提高色彩還原度。 這將對後續的ISP調優工作產生很大的影響。

IR-CUT濾光片分為普通IR和藍玻璃IR兩類，前者會反射紅外線和紫外線，使其不進入Sensor，後者會吸收紅外線和紫外線，使其不會進入Sensor。 前者容易造成紅外光多次反射，產生Shading，導致最終成像效果色差較大。 後者雖然不存在這個問題，效果更好，但成本也是前者的十倍。

4. 影像感測器

影像感測器（Image Sensor）是整個模組的核心部件，也是本次介紹的重點，它是一塊半導體晶片，其表面由數十萬到數百萬個光電二極體組成，這些光電二極體在受到光照時會產生電荷，從而將鏡頭擷取到的光訊號轉換為電訊號。 因此，如果說Lens的作用相當於人眼的水晶體，那麼Sensor的作用就類似視網膜，Sensor上的感光二極體就是視網膜上的視覺細胞。

感測器主要用於將採集到的外部光訊號轉換為電訊號，供後續電子系統處理和儲存。 Sensor'的感光單元，即每個像素單元排列成像素陣列，像素陣列上分佈有感光二極體。 這些二極體會受到外光的刺激，根據光的強度會產生不同強度的電訊號，然後透過內部的A/D轉換離散成數位訊號。

光電二極體大致可以看成是電容器，護理越強，同時電容器上累積的電荷越多，產生的電壓就越大。 如果將電容兩端的電壓透過A/D轉換成數位訊號，就可以得到數位化值，將所有像素組合起來就可以得到灰階圖。 照度越高，該值越大，像素點越接近白色； 光線越弱，這個數字越小，像素越接近黑色。 這也符合我們通常的認知。

根據感光二極體類型的不同，市場上廣泛使用的感測器可分為CCD感測器和CMOS感測器。 CCD是Charge Coupled Device，即電荷耦合元件。 CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互補金屬氧化物半導體。 兩種半導體的具體攝影原理不是本文的重點，不再詳述。 目前，CMOS Sensor由於具有更小的功耗、更快的處理速度和更低的製造成本等優勢，基本上已經取代了過去CCD Sensor的地位，尤其是在手機和行動裝置領域。 不過CCD Sensor的優點是在低光源條件下表現更好，不會像CMOS那樣受到數位雜訊的影響，也不會那麼依賴ISP的去雜訊工作。

5、柔性印刷電路板

柔性印刷電路板（FPCB）的主要功能是連接元件與主處理器，完成感測器與主處理器之間的原始資料傳輸功能。