移動(dòng)電話(huà)內(nèi)置式攝像模塊

楊相利

2002年市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)手機(jī)攝像模塊，分外接式和內(nèi)置式兩種，但都是CIF(10萬(wàn)像素)低像素的，且以外接式為主。雖然種類(lèi)很少，但已表征出數(shù)碼照相機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展趨向——手機(jī)用數(shù)碼攝影裝置。聯(lián)想到十幾年前數(shù)碼照相機(jī)剛剛誕生時(shí)的情景，那時(shí)她只不過(guò)是膠片照相機(jī)汪洋大海中的一小池清泉，并不起眼，可是這個(gè)幾年來(lái)卻以意想不到的驚人速度發(fā)展，目前無(wú)論是銷(xiāo)售數(shù)量還是銷(xiāo)售金額都超過(guò)了膠片照相機(jī)。這是照相機(jī)產(chǎn)業(yè)的革命性變化。現(xiàn)在出現(xiàn)了手機(jī)數(shù)碼照相機(jī)，是不是預(yù)示著照相機(jī)工業(yè)的又一場(chǎng)變革?帶著這一問(wèn)題，杭州照相機(jī)械研究所工程中心從2002年下半年開(kāi)始了較深入的上網(wǎng)查閱和實(shí)地市場(chǎng)考察，并于2003年6月開(kāi)始研發(fā)VGA內(nèi)置式手機(jī)攝像模塊，取名為HZS-30。經(jīng)過(guò)近一年半的反復(fù)實(shí)踐，現(xiàn)已圓滿(mǎn)完成該項(xiàng)目。

HZS—30攝像模塊的構(gòu)成和特性

HZS-30攝像模塊的構(gòu)成示意圖如下，圖中1為光學(xué)鏡頭部分，2為固定座架部分，3為電子線(xiàn)路部分(CMOS芯片和FPC等)。

HZS-30攝像模塊的主要特性為

1．高靈敏度，可用于低照度環(huán)境；

2．2．5V電壓工作，適合手機(jī)或其他嵌入式便攜應(yīng)用產(chǎn)品；

3．串行相機(jī)控制總線(xiàn)接口(SCCB)；

4．VGA，QVGA分辨率，支持Raw RGB、RGB和YCbCr格式輸出；

5．具有如下自動(dòng)圖像控制功能：自動(dòng)曝光控制(AEC)色彩飽和度、色調(diào)、伽瑪、銳度、斑塊、拖尾等控制；

6．體積小，只有8mm X 8mm X 7mm。

光學(xué)鏡頭

7．鏡頭的技術(shù)規(guī)格適用傳感器尺寸：1／4”焦距EFL：4．6 mm后焦距BFL：1．1mm相對(duì)孔徑：F3.1最大像高：2．34 mm視場(chǎng)角FOV：54°邊緣相對(duì)照度：55％畸變：<2％

2．鏡頭的光機(jī)結(jié)構(gòu)

圖3為光學(xué)鏡頭構(gòu)成示意圖，圖中1為光學(xué)玻璃透鏡，2為光學(xué)塑料透鏡，3為鏡筒，4為CMOS芯片。

3．鏡頭的主要特點(diǎn)

①采用了4個(gè)非球面，有

圖3鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖利于消除各類(lèi)像差，提高對(duì)比度(MTF值)，減少片數(shù)，縮短總長(zhǎng)；

②采用玻璃—塑料混用結(jié)構(gòu)，有利于減少塑料透鏡因溫度變化引起的像質(zhì)漂移。

4．鏡頭的關(guān)鍵技術(shù)

①含多個(gè)非球面的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)和評(píng)價(jià)方法

采用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用多年來(lái)積累的設(shè)計(jì)技巧，并根據(jù)數(shù)碼鏡頭，特別是用于手機(jī)的數(shù)碼鏡頭之特殊要求確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)多次修改才獲得較好的設(shè)計(jì)結(jié)果；

②雙非球面塑料透鏡的精密制造技術(shù)

包括模具設(shè)計(jì)技術(shù)，模芯的超精密加工與檢測(cè)技術(shù)，精密注塑技術(shù)，雙非球面塑料透鏡的檢測(cè)技術(shù)等。而且這些環(huán)節(jié)相互之間以及與光學(xué)設(shè)計(jì)之間都有內(nèi)在聯(lián)系，需要綜合把握。工程中心依靠多年來(lái)在非球面塑料透鏡的制造技術(shù)方面累積的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以及反復(fù)實(shí)踐，較好地解決了這方面的挑戰(zhàn)；

③鏡頭的精密裝校和綜合檢測(cè)技術(shù)

本鏡頭由于共有6個(gè)光學(xué)表面，并且具有4個(gè)非球面，所以對(duì)各面間的同軸度要求非常高，這是裝校時(shí)的一大難點(diǎn)；同時(shí)，由于各非球面的面形都有一定的誤差，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響又不一，如何正確分析和采取必要措施以保證系統(tǒng)達(dá)到接近設(shè)計(jì)水平的像質(zhì)，又是另一大難點(diǎn)；此外，還有消雜散光問(wèn)題等。依靠科技人員與富有裝校和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)的技師的密切配合，這些問(wèn)題都逐一得到解決。

電子線(xiàn)路

1．HZS-30攝像模塊的原理結(jié)構(gòu)框圖

HZS-30攝像模塊的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖像傳感與處理器包括了光電成像、信號(hào)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理、時(shí)序控制、通訊幾部分。

2.工作原理

被攝景物通過(guò)鏡頭成像在圖像傳感器陣列上，傳感器完成光電轉(zhuǎn)換，形成電子潛像。電子潛像在時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的序列脈沖控制下逐像素、逐行、逐場(chǎng)送到模擬前端處理器，進(jìn)行自動(dòng)增益控制、白平衡和圖像質(zhì)量方面的控制，如色調(diào)、飽和度、對(duì)比度、亮度等。經(jīng)過(guò)模擬處理后的視頻信號(hào)送到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平校正，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)控制信號(hào)的指令進(jìn)行圖像格式變換，支持RAW RGB、RGB(GRB 4：2：2)、YUV(4：2：2)和YCbCr(4：2：2)多種格式，變換好的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字接口逐個(gè)像素傳送給與之連接的主機(jī)系統(tǒng)。通訊控制部分接收來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的控制命令，對(duì)整個(gè)模塊的運(yùn)行進(jìn)行操作管理。

發(fā)展前景和下一步目標(biāo)

以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家和以中國(guó)為代表的發(fā)展中國(guó)家對(duì)帶攝像功能的移動(dòng)電話(huà)的需要正在快速持續(xù)地增長(zhǎng)，大有取代低中端數(shù)碼相機(jī)之勢(shì)。據(jù)有關(guān)方面預(yù)測(cè)，2004年全球手機(jī)產(chǎn)量為6．2億部，其中帶攝像功能的就有近2億部，主流品種是VGA(30萬(wàn)像素)；到2005年，130萬(wàn)像素將成為帶攝像功能的手機(jī)的主流品種。作為，T產(chǎn)業(yè)的重要產(chǎn)品——手機(jī)，其更新?lián)Q代之速度大概也要遵循摩爾定律吧。本項(xiàng)目正式立項(xiàng)時(shí)即2003年中期，發(fā)達(dá)國(guó)家的VGA攝像模塊剛進(jìn)入批量生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還只能買(mǎi)到帶CIF攝像模塊的手機(jī)，而且大多是外接式的。而僅僅隔了一年半的今天，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上帶內(nèi)置式VGA攝像模塊的手機(jī)已開(kāi)始普及，并已出現(xiàn)130萬(wàn)像素的手機(jī)。所以，從市場(chǎng)的前景來(lái)考察，手機(jī)攝像模塊絕對(duì)是有極為光明的前途的。

問(wèn)題在于在這激烈的競(jìng)爭(zhēng)中如何爭(zhēng)取占有一定的市場(chǎng)份額，這就得依靠提高杭州照相機(jī)械研究所工程中心的綜合實(shí)力，特別是依靠擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，工程中心掌握了移動(dòng)電話(huà)內(nèi)置式VGA數(shù)碼攝像模塊的技術(shù)，尤其是高質(zhì)量非球面鏡頭的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)較高像素手機(jī)攝像模塊打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

工程中心將與有關(guān)單位攜手盡快地實(shí)現(xiàn)VGA手機(jī)攝像模塊的產(chǎn)業(yè)化，根據(jù)杭照所的實(shí)際情況和特長(zhǎng)，將把主要精力集中在非球面鏡頭的批量生產(chǎn)上；與此同時(shí)，著手130萬(wàn)和200萬(wàn)像素手機(jī)攝像鏡頭的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，并開(kāi)展關(guān)于手機(jī)攝影中的ZOOM(變焦)技術(shù)和AF(自動(dòng)調(diào)焦)技術(shù)的研究。