原创 美光200万像素CMOS手机相机完整解决方案

本文采用了新型的美光MT9D111 200万像素CMOS Sensor图像传感器作为实例，详细介绍了其技术特性、电路配置，并分析了在手机上集成数码相机的技术挑战和应对方法，以及未来手机相机的发展趋势。

可拍照手机的市场需求将会不断增长，这种趋势由更高性能可拍照手机的不断发展而推动，它将可以在更广泛的应用场合下获得更高的图像质量。MT9D111【Datasheet可在下载】在单芯片系统上集成了一个先进的200万像素图像传感器和功能强大的图像处理技术。单芯片系统中的自动特性可以调整各种参数，以便在各种光照条件下拍摄到优质图像。MT9D111也可以简化设计工程师的工作，因为所有的处理功能、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。

技术特性

MT9D111是一种1/3英寸、200万像素的CMOS图像传感器，它自带有集成的先进相机系统。此相机系统包含一个复杂的图像流处理器(IFP)、一个实时JPEG编码器、一个集成的微控制器、闪光支持、自动聚焦、光学缩放以及机械快门。整个系统级芯片(SoC)可以在低照度条件下具备卓越的性能，同时功耗很低。

图1：美光MT9D111传感器单芯片系统的结构图。

图1显示了MT9D111的结构图。此图像传感器配有一个内嵌的微处理器，它是一种完全独立的相机系统，并带有所有图像处理所需的内存。SoC对手持设备的数据通讯要求很低。手持设备主控制器在上电过程中将上载初始配置数据(图像大小、时钟频率等)，使SoC在拍摄图像和传输图像数据时，只需发送简单的控制信号。

1.传感器设计 
1/3英寸的传感器使用了2.8μm的像素，它既可以作为完整的摄像解决方案，也可以作为独立的传感器。它的特点如下：弱暗电流和高灵敏度可以使用户在各种场合下都能拍摄出质量很好的图像(带有闪光灯或无需闪光灯)；一个10位的模数转换器，使得图像色调很平滑，并在图像处理过程中使用10位的处理精度； 
 
高速的处理能力使得视频帧率非常高，可以达到30fps(800×600)、15fps(最大分辨率1,600×1,200)、15fps M-JPEG(使用SoC时)；帧面大小可调整，同时确保视野完整－此传感器支持复合像素(有时也称为重新分级)，以提供更高的灵敏度和更高的帧率，同时它也在手机显示屏上支持预览模式；先进的传感图像纠错系统，可以避免遮蔽现象，这在某些其他的传感器中，该问题往往显示为在很亮的拍摄对象中存在黑点。

2. SoC特性
此SoC相机解决方案具备更多技术优势，以确保拍摄出高质量的图像，同时使模块和手机之间易于集成。它包括以下特性：

图像处理器特性 此图像处理器可以为用户提供“傻瓜型”的自动图像拍摄功能，而无需手工执行任何图像处理过程。所有的图像处理过程，从图像捕捉到输出为YUV或RGB都在单芯片上独立完成：新型先进的色彩插值使色彩更逼真，细节更清晰；新型高速自动白平衡同时带有灰度检测功能，这样可以在各种光照条件下实现高品质的色彩平衡；多组件设计、可评估测量和带背光补偿的自动曝光控制可以在拍摄背景对比很强(某些区域很亮，而某些区域很暗)的情况下获得更好的性能；自动的防闪烁特性，可以消除来自荧光照明的干扰。

镜头-处理器集成特性 

微型镜头对设计产生的限制以及研发费用的限制，都可能影响到性能，并导致新型设计投放市场的周期被延长。MT9D111图像处理器包括以下镜头功能，可以缓解上述存在的问题：镜头明暗校正，以补偿透过镜头的光照梯度；3通道的镜头明暗校正，以确保可以在紧凑的镜头设计中使用高效的、低成本的IR过滤器(在很多非常紧凑的镜头中，反射型IR过滤器可能在图像的外部形成错误的色彩，而内置的图像处理器可以调整这些不尽如人意的拍摄效果)。

镜头光斑补偿－即使是精密设计的透镜，也会产生光斑现象。单芯片系统的处理器可以校正镜头光斑。

自动聚焦测量和使用传感信息进行控制，以及通用输入输出(GPIO)接口。

机械快门控制－一种通用的复位功能，以电子启动曝光时间。

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设计的，从而减少了终端的设计时间，并使集成测试时间最小化。集成特性还包括：内置的闪光测速器控制(Xenon或LED闪光)；内置的JPEG压缩FIFO算法(压缩率完全可调)；可获得更高帧率的PLL设计－PLL与普通的无线系统一同使用，PLL可以将输入时钟频率调高，从而使MT9D111可以在任何所需的分辨率和帧率条件下运行；内部存储器使自动拍摄操作变为可能－无需对手持终端处理器提出任何控制要求，只需要在上电过程中加载模式设置，并让其运行；内置的降低EMI功能－转换速度可调节，以降低数据传输时的谐波干扰。

典型的电路配置

 
图2：MT9D111的典型接线图。

图2显示了MT9D111的一种典型配置。双线串口是相机的配置端口和控制端口，所有用于配置此传感器和处理器的寄存器都可以通过此双线串行总线进行存取操作。一旦主控制器开始对传感器进行配置，数据通讯量非常小。主控制器向MT9D111发送一个单一指令，使其进入预览模式。SoC/传感器然后就执行所有的处理和接口控制过程，以便向控制器反馈连续、高帧率、低能耗的视频数据。

在拍摄快照的时候，主控制器将通过双线串行总线发送另一类单一指令。然后相机将执行预先配置的步骤，包括控制闪光灯、自动控制曝光、色彩平衡、自动聚焦、拍摄画面、发送信号以关闭机械快门，然后执行JPEG图像压缩过程。最后，YUV或RGB输出将可以在并行数据输出端口获得。此时，主控制器将返回到预览模式，或者切换到简单的视频拍摄模式。

存贮在MT9D111中的默认值可以为其提供卓越的性能。然而，如果要求性能做出某些特定变化，可以通过串行端口调整各种寄存器的设定值。

相机设计所面临的挑战和解决方案

小尺寸的模块化设计将带来严峻的技术挑战：如何将镜头、传感器和处理器集成在一个低成本而高效的设计模块中去，并满足用户对拍摄质量的预期值。下文描述了几个最重要的挑战，以及针对它们的解决方案。

1. 相机镜头与传感器的集成
 
拍摄镜头和传感器之间的接口是整个可拍照手机系统中最重要的接口之一。随着镜头的长度变得越来越短，光线到达传感器像素位置的角度也就会变得越来越大。每个像素上都有一个微镜头。微镜头的主要功能就是将来自不同角度的光线聚焦在此像素上。然而，随着像素位置的角度越来越大，某些光线将无法聚焦在像素上，从而导致光线损失和像素响应降低。

从镜头的传感器一侧，可以聚焦到像素上的光线的最大角度被定义为一个参数，称为主光角(CRA)。对于主光角的一般性定义是：此角度处的像素响应降低为零度角像素响应(此时，此像素是垂直于光线的)的80%。

光线进入每个像素的角度将依赖于该像素所处的位置。镜头轴心线附近的光线将以接近零度的角度进入像素中。随着它与轴心线的距离增大，角度也将随之增大。CRA与像素在传感器中的位置是相关的，它们之间的关系与镜头的设计有关。很紧凑的镜头都具有很复杂的CRA模式。如果镜头的CRA与传感器的微镜头设计不匹配，将会出现不理想的透过传感器的光线强度(也就是“阴影”)。通过改变微镜头设计，并对拍摄到的图像进行适当处理，就可以大大降低这种现象。

改变微镜头设计可以大大降低阴影现象。然而，在改变微镜头设计时，必须与镜头设计者密切配合，以便为各种拍摄镜头找到适合的CRA模式。相机的设计工程师应该确保这种技术合作得以实现，并确保传感器与镜头CRA特性可以很好地匹配。为确保成功实现此目标，美光开发了相关的仿真工具和评价工具。

由于光线是沿着不同的角度入射到传感器上的，因此对于各种镜头设计而言，阴影现象都是固有的。“cos4定律”说明，减少的光线与增大角度余弦值的四次方是成比例关系的。另外，在某些镜头设计中，镜头可能本身就会阻挡一部分光线(称为“晕光”)，这也会引起阴影现象。所以，即使微镜头设计可以最小化短镜头的阴影现象，此种现象还是会多多少少地存在。为了给相机设计者提供额外的校正阴影现象的方法，MT9D111中内嵌的图像处理器包含了阴影校正功能，它是为某些特定镜头而定制的。

为了帮助设计工程师将传感器集成在他们的产品中，美光为其生产的所有传感器产品提供了各种开发软件。通过使用这些软件，相机设计工程师可以简化对各种芯片特性默认值的修改过程。每种变化的结果都可以显示在一个PC监视器上。对于很多相机中用到的新型镜头，通过使用这个开发系统，可以对校正镜头阴影和空间色彩失真进行参数设置。通过使用一个均匀点亮的白色目标，可以对设置响应过程进行简单的试验。软件开发工具可显示对阴影现象的分析结果。之后，工程师就可以使用区域方法来应用校正值。关于校正过程的寄存器设置将保存在开发系统中，以用于相机设计。

2. 内置的光斑消除功能 
在某些光照条件下，镜头设计以及镜头与传感器防护玻璃罩之间相互干扰可能会引起光斑现象。虽然镜头设计工程师都会在设计过程中尽量消除光斑现象，但是对于结构紧凑的镜头而言，消除光斑现象仍然非常具有挑战性。

例如，镜头中的内挡膜(baffle)有时可用于阻挡住多余的反射光。然而，内挡膜往往是需要占用一定空间的，而在很短的镜头中，要找到这样的空间往往是不可能的。

类似地，从传感器防护玻璃罩来的反射光也将会增加镜头内的反射光总量，而这在最初的镜头设计过程中是被忽略的。MT9D111具有实时的光斑消除功能。IFP的统计功能之一就是生成柱形图，它可以连续地监控图像，并识别出明显的光斑。通过这种光斑消除功能，图像处理器可以连续地降低图像光斑现象。

3. IR截止过滤器和传感器的集成 
在相机设计中，会使用到两类典型的IR截止过滤器。一种类型是电介质薄膜过滤器，它通过选择反射来过滤IR能量。第二种是吸收型过滤器，也就是一般所说的“蓝玻璃”过滤器，因为它的外形类似蓝玻璃。对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，而通过增加涂层，电介质薄膜过滤器可以做成镜头式样，这样就可以节省空间。电介质薄膜过滤器也不易受到湿度和温度的影响，更重要的是，电介质薄膜过滤器的成本要比吸收型过滤器低很多。

4. 摄像模块和手机的集成－EMI控制
在将摄像模块集成在手机的过程中，最主要的挑战之一就是如何确保两者之间的接口不会引起过量的电磁干扰(EMI)。随着位速率频率和位上升时间不断增加，对电路板进行高频设计就变得越来越重要。给出详细的降低干扰的布局准则不是本文关心的主题，但这里将给出高频设计的通用准则。

最有效的解决电磁干扰的方法就是减少电磁干扰源。由于印刷电路板是一种电磁干扰源，所以一种好办法就是使电路中的印制线阻抗变化最小化。例如，斜接印制线转角并使用45度的印制线转角就是很重要的布局准则，这样可以使阻抗变化最小化。另外，未终接的高速数字印制线和阻抗不连续的位置都存在反射，或者会引起振荡，这两种情况也都是高频干扰源。

另一种终结高频干扰的办法就是增加低通电阻电容(RC)滤波器，以减慢上升时间。可以使用各种表面安装的滤波器，它们是专门设计用于终接线路的，可以有效解决高频干扰，但是需要增加成本，并需要额外的安装空间。为了减少对这种滤波器的需要，MT9D111图像传感器中增加了可编程转换速度控制器和一个先进先出(FIFO)缓冲器。通过降低信号的转换速度，就可以避免高频谐波。通过将数据成块地存入缓存区并降低数据子帧的数量，FIFO缓冲器可以降低电磁干扰现象。多种接口具有软件可控的转换速度：数据输出、像素时钟、帧有效性、线有限性、GPIO和串行数据。

除了可以最小化电磁干扰源，电路板布局设计还可以使电压干扰源和敏感电路之间的耦合最小化。将模拟电路和数字电路分隔开也是一种有效的避免电磁干扰的方法。同时，长线路和可能在电路板上形成巨大回路的线路，也将变成高速数据线的天线。因此应尽量避免在布局设计过程中使用这两种线路。

5. 电源和接地设计 
为了获得良好的摄像性能，电源和接地设计是需要重点考虑的因素之一。接地和配电过程中的噪音耦合都将在图像中形成可视的干扰。三个重要的设计原则是：连接传感器上所有的电源和接地管脚；使数字区域和模拟区域相互独立，并尽可能使数字区域和模拟区域远离图像传感器；提供有效的电压调节。

功能特性发展趋势

我们有理由相信，在不久的将来，可拍照手机市场将保持持续的快速增长。预期的发展趋势是可拍照手机将增加更多的功能，以便在更多的应用场合下使用户获得高品质的图像。

最明显的可量化的趋势是，可拍照手机将朝着更小像素尺寸方向发展。手机和模块制造商对相机像素尺寸的要求范围将更广。在接下来的两至三年时间内，预计像素尺寸将降低至2μm以下。向着更先进的镜头功能发展的趋势也是非常重要的。自动聚焦和快门将广泛应用于200万像素的手机中，而变焦镜头将很有可能应用于300万像素的可拍照手机中。现在很多手机都已经具备有视频拍摄功能，这也将继续成为可拍照手机的一个卖点，在接下来的两至三年时间内，有可能在VGA分辨率的条件下获得25fps至30fps的帧率。

将来更重要的是与镜头制造公司密切合作，将传感器性能集成在先进的镜头设计之中，这样一来从事终端设备开发的公司就可以快速而方便地将高质量的模块集成在一系列的手持终端设计平台上。

作者：Dan Morrow 
技术营销经理

Michael Hartmann 
高级软件设计工程师 
Jonathon Fewkes 
模块产品经理

Jon Paul Vivere 
相机系统工程师 
Email:jvivere@micron.com 
美光科技股份有限公司
 
 
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