本文采用了新式的美光MT9D111 200万像素CMOS图画传感器作为实例，具体介绍了其技能特性、电路装备，并剖析了在手机上集成数码相机的技能应战和应对办法，以及未来手机相机的开展趋势。
可拍照手机的商场需求将会不断添加，这种趋势由更高功用可拍照手机的不断开展而推进，它将能够在更广泛的运用场合下取得更高的图画质量。MT9D111在单芯片体系上集成了一个先进的200万像素图画传感器和功用强大的图画处理技能。单芯片体系中的主动特功用够调整各种参数，以便在各种光照条件下拍照到优质图画。MT9D111也能够简化规划工程师的作业，因为一切的处理功用、内存以及与镜头的接口都集成在一个单传感器处理芯片上。
技能特性
MT9D111是一种1/3英寸、200万像素的CMOS图画传感器，它自带有集成的先进相机体系。此相机体系包含一个杂乱的图画流处理器(IFP)、一个实时JPEG编码器、一个集成的微操控器、亮光支撑、主动聚集、光学缩放以及机械快门。整个体系级芯片(SoC)能够在低照度条件下具有杰出的功用，一起功耗很低。
图1显现了MT9D111的结构图。此图画传感器配有一个内嵌的微处理器，它是一种彻底独立的相机体系，并带有一切图画处理所需的内存。SoC对手持设备的数据通讯要求很低。
手持设备主操控器在上电进程中将上载初始装备数据(图画巨细、时钟频率等)，使SoC在拍照图画和传输图画数据时，只需发送简略的操控信号。
1.传感器规划
1/3英寸的传感器运用了2.8μm的像素，它既能够作为完好的摄像处理方案，也能够作为独立的传感器。它的特色如下：
弱暗电流和高灵敏度能够运用户在各种场合下都能拍照出质量很好的图画(带有亮光灯或无需亮光灯)；
一个10位的模数转化器，使得图画颜色很滑润，并在图画处理进程中运用10位的处理精度；
图1：美光MT9D111传感器单芯片体系的结构图。
高速的处理才能使得视频帧率十分高，能够抵达30fps(800×600)、15fps(最大分辨率1,600×1,200)、15fps M-JPEG(运用SoC时)；
帧面巨细可调整，一起保证视界完好－此传感器支撑复合像素(有时也称为从头分级)，以供给更高的灵敏度和更高的帧率，一起它也在手机显现屏上支撑预览形式；
先进的传感图画纠错体系，能够防止遮盖现象，这在某些其他的传感器中，该问题往往显现为在很亮的拍照方针中存在黑点。
2. SoC特性
此SoC相机处理方案具有更多技能优势，以保证拍照出高质量的图画，一起使模块和手机之间易于集成。它包含以下特性：
图画处理器特性 此图画处理器能够为用户供给“傻瓜型”的主动图画拍照功用，而无需手艺履行任何图画处理进程。一切的图画处理进程，从图画捕捉到输出为YUV或RGB都在单芯片上独立完结：新式先进的颜色插值使颜色更传神，细节更明晰；新式高速主动白平衡一起带有灰度检测功用，这样能够在各种光照条件下完成高品质的颜色平衡；多组件规划、可点评丈量和带背光补偿的主动曝光操控能够在拍照布景比照很强(某些区域很亮，而某些区域很暗)的状况下取得更好的功用；主动的防闪耀特性，能够消除来自荧光照明的搅扰。
镜头-处理器集成特性
微型镜头对规划发生的约束以及研制费用的约束，都或许影响到功用，并导致新式规划投放商场的周期被延伸。MT9D111图画处理器包含以下镜头功用，能够缓解上述存在的问题：镜头明暗校对，以补偿透过镜头的光照梯度；3通道的镜头明暗校对，以保证能够在紧凑的镜头规划中运用高效的、低本钱的IR过滤器(在许多十分紧凑的镜头中，反射型IR过滤器或许在图画的外部构成过错的颜色，而内置的图画处理器能够调整这些不尽善尽美的拍照作用)。
镜头光斑补偿－即便是精细规划的透镜，也会发生光斑现象。单芯片体系的处理器能够校对镜头光斑。
主动聚集丈量和运用传感信息进行操控，以及通用输入输出(GPIO)接口。
机械快门操控－一种通用的复位功用，以电子发动曝光时刻。
处理器/手持终端集成特性
此传感器是专门针对几个手持终端集成问题而规划的，然后削减了终端的规划时刻，并使集成测验时刻最小化。集成特性还包含：
内置的亮光测速器操控(Xenon或LED亮光)；
内置的JPEG紧缩FIFO算法(紧缩率彻底可调)；
可取得更高帧率的PLL规划－PLL与一般的无线体系一起运用，PLL能够将输入时钟频率调高，然后使MT9D111能够在任何所需的分辨率和帧率条件下运转；
内部存储器使主动拍照操作变为或许－无需对手持终端处理器提出任何操控要求，只需求在上电进程中加载形式设置，并让其运转；
内置的下降EMI功用－转化速度可调理，以下降数据传输时的谐波搅扰。
典型的电路装备
图2显现了MT9D111的一种典型装备。双线串口是相机的装备端口和操控端口，一切用于装备此传感器和处理器的寄存器都能够经过此双线串行总线进行存取操作。一旦主操控器开端对传感器进行装备，数据通讯量十分小。主操控器向MT9D111发送一个单一指令，使其进入预览形式。SoC/传感器然后就履行一切的处理和接口操控进程，以便向操控器反应接连、高帧率、低能耗的视频数据。
在拍照快照的时分，主操控器将经过双线串行总线发送另一类单一指令。然后相机将履行预先装备的进程，包含操控亮光灯、主动操控曝光、颜色平衡、主动聚集、拍照画面、发送信号以封闭机械快门，然后履行JPEG图画紧缩进程。最终，YUV或RGB输出将能够在并行数据输出端口取得。此刻，主操控器将返回到预览形式，或许切换到简略的视频拍照形式。
存贮在MT9D111中的默认值能够为其供给杰出的功用。可是，假如要求功用做出某些特定改动，能够经过串行端口调整各种寄存器的设定值。
相机规划所面对的应战和处理方案
小尺度的模块化规划将带来严峻的技能应战：怎么将镜头、传感器和处理器集成在一个低本钱而高效的规划模块中去，并满意用户对拍照质量的预期值。下文描绘了几个最重要的应战，以及针对它们的处理方案。
1. 相机镜头与传感器的集成
图2：MT9D111的典型接线图。
拍照镜头和传感器之间的接口是整个可拍照手机体系中最重要的接口之一。跟着镜头的长度变得越来越短，光线抵达传感器像素方位的视点也就会变得越来越大。每个像素上都有一个微镜头。微镜头的主要功用便是将来自不同视点的光线聚集在此像素上。可是，跟着像素方位的视点越来越大，某些光线将无法聚集在像素上，然后导致光线损失和像素呼应下降。
从镜头的传感器一侧，能够聚集到像素上的光线的最大视点被界说为一个参数，称为主光角(CRA)。关于主光角的一般性界说是：此视点处的像素呼应下降为零度角像素呼应(此刻，此像素是垂直于光线的)的80%。
光线进入每个像素的视点将依赖于该像素所在的方位。镜头轴心线邻近的光线将以挨近零度的视点进入像素中。跟着它与轴心线的间隔增大，视点也将随之增大。CRA与像素在传感器中的方位是相关的，它们之间的联系与镜头的规划有关。很紧凑的镜头都具有很杂乱的CRA形式。假如镜头的CRA与传感器的微镜头规划不匹配，将会呈现不抱负的透过传感器的光线强度(也便是“暗影”)。经过改动微镜头规划，并对拍照到的图画进行恰当处理，就能够大大下降这种现象。
改动微镜头规划能够大大下降暗影现象。可是，在改动微镜头规划时，有必要与镜头规划者密切配合，以便为各种拍照镜头找到合适的CRA形式。相机的规划工程师应该保证这种技能合作得以完成，并保证传感器与镜头CRA特功用够很好地匹配。为保证成功完成此方针，美光开发了相关的仿真东西和点评东西。
因为光线是沿着不同的视点入射到传感器上的，因而关于各种镜头规划而言，暗影现象都是固有的。“cos4规律”阐明，削减的光线与增大视点余弦值的四次方是成比例联系的。别的，在某些镜头规划中，镜头或许自身就会阻挠一部分光线(称为“晕光”)，这也会引起暗影现象。所以，即便微镜头规划能够最小化短镜头的暗影现象，此种现象仍是会多多少少地存在。为了给相机规划者供给额定的校对暗影现象的办法，MT9D111中内嵌的图画处理器包含了暗影校对功用，它是为某些特定镜头而定制的。
为了协助规划工程师将传感器集成在他们的产品中，美光为其出产的一切传感器产品供给了各种开发软件。经过运用这些软件，相机规划工程师能够简化对各种芯片特性默认值的修正进程。每种改动的成果都能够显现在一个PC监视器上。关于许多相机中用到的新式镜头，经过运用这个开发体系，能够对校对镜头暗影和空间颜色失真进行参数设置。经过运用一个均匀点亮的白色方针，能够对设置呼应进程进行简略的实验。软件开发东西可显现对暗影现象的剖析成果。之后，工程师就能够运用区域办法来运用校对值。关于校对进程的寄存器设置将保存在开发体系中，以用于相机规划。
2. 内置的光斑消除功用
在某些光照条件下，镜头规划以及镜头与传感器防护玻璃罩之间彼此搅扰或许会引起光斑现象。尽管镜头规划工程师都会在规划进程中尽量消除光斑现象，可是关于结构紧凑的镜头而言，消除光斑现象依然十分具有应战性。
例如，镜头中的内挡膜(baffle)有时可用于阻挠住剩余的反射光。可是，内挡膜往往是需求占用必定空间的，而在很短的镜头中，要找到这样的空间往往是不或许的。
相似地，从传感器防护玻璃罩来的反射光也将会添加镜头内的反射光总量，而这在开始的镜头规划进程中是被疏忽的。MT9D111具有实时的光斑消除功用。IFP的计算功用之一便是生成柱形图，它能够接连地监控图画，并识别出显着的光斑。经过这种光斑消除功用，图画处理器能够接连地下降图画光斑现象。
3. IR截止过滤器和传感器的集成
在相机规划中，会运用到两类典型的IR截止过滤器。一种类型是电介质薄膜过滤器，它经过挑选反射来过滤IR能量。第二种是吸收型过滤器，也便是一般所说的“蓝玻璃”过滤器，因为它的外形相似蓝玻璃。关于很小型的摄像模块而言，电介质薄膜过滤器要优于吸收型过滤器。吸收型过滤器一般做成独立的玻璃元件，而经过添加涂层，电介质薄膜过滤器能够做成镜头款式，这样就能够节约空间。电介质薄膜过滤器也不易遭到湿度和温度的影响，更重要的是，电介质薄膜过滤器的本钱要比吸收型过滤器低许多。
4. 摄像模块和手机的集成－EMI操控
在将摄像模块集成在手机的进程中，最主要的应战之一便是怎么保证两者之间的接口不会引起过量的电磁搅扰(EMI)。跟着位速率频率和位上升时刻不断添加，对电路板进行高频规划就变得越来越重要。给出具体的下降搅扰的布局原则不是本文关怀的主题，但这儿将给出高频规划的通用原则。
最有用的处理电磁搅扰的办法便是削减电磁搅扰源。因为印刷电路板是一种电磁搅扰源，所以一种好办法便是使电路中的印制线阻抗改动最小化。例如，斜接印制线转角并运用45度的印制线转角便是很重要的布局原则，这样能够使阻抗改动最小化。别的，未终接的高速数字印制线和阻抗不接连的方位都存在反射，或许会引起振动，这两种状况也都是高频搅扰源。
另一种完结高频搅扰的办法便是添加低通电阻%&&&&&%(RC)滤波器，以减慢上升时刻。能够运用各种外表装置的滤波器，它们是专门规划用于终接线路的，能够有用处理高频搅扰，可是需求添加本钱，并需求额定的装置空间。为了削减对这种滤波器的需求，MT9D111图画传感器中添加了可编程转化速度操控器和一个先进先出(FIFO)缓冲器。经过下降信号的转化速度，就能够防止高频谐波。经过将数据成块地存入缓存区并下降数据子帧的数量，FIFO缓冲器能够下降电磁搅扰现象。多种接口具有软件可控的转化速度：数据输出、像素时钟、帧有用性、线有限性、GPIO和串行数据。
除了能够最小化电磁搅扰源，电路板布局规划还能够使电压搅扰源和灵敏电路之间的耦合最小化。将模仿电路和数字电路分离隔也是一种有用的防止电磁搅扰的办法。一起，长线路和或许在电路板上构成巨大回路的线路，也将变成高速数据线的天线。因而应尽量防止在布局规划进程中运用这两种线路。
5. 电源和接地规划
为了取得杰出的摄像功用，电源和接地规划是需求要点考虑的要素之一。接地和配电进程中的噪音耦合都将在图画中构成可视的搅扰。三个重要的规划原则是：衔接传感器上一切的电源和接地管脚；使数字区域和模仿区域彼此独立，并尽或许使数字区域和模仿区域远离图画传感器；供给有用的电压调理。
功用特性开展趋势
咱们有理由信任，在不久的将来，可拍照手机商场将坚持持续的快速添加。预期的开展趋势是可拍照手机将添加更多的功用，以便在更多的运用场合下运用户取得高品质的图画。
最显着的可量化的趋势是，可拍照手机将朝着更小像素方向开展。手机和模块制作商对相机像素尺度的要求规模将更广。在接下来的两至三年时刻内，估计像素尺度将下降至2μm以下。向着更先进的镜头功用开展的趋势也是十分重要的。主动聚集和快门将广泛运用于200万像素的手机中，而变焦镜头将很有或许运用于300万像素的可拍照手机中。现在许多手机都现已具有有视频拍照功用，这也将持续成为可拍照手机的一个卖点，在接下来的两至三年时刻内，有或许在VGA分辨率的条件下取得25fps至30fps的帧率。
将来更重要的是与镜头制作公司密切合作，将传感器功用集成在先进的镜头规划之中，这样一来从事终端设备开发的公司就能够快速而方便地将高质量的模块集成在一系列的手持终端规划平台上。
作者：Dan Morrow
技能营销司理
Michael Hartmann
高档软件规划工程师
Jonathon Fewkes
模块产品司理
Jon Paul Vivere
相机体系工程师
Email:jvivere@micron.com
美光科技股份有限公司
