一種易于集成的200萬像素手機(jī)相機(jī)完整解決方案

本文采用了新型的美光MT9D111 200萬像素CMOS圖像傳感器作為實例，詳細(xì)介紹了其技術(shù)特性、電路配置，并分析了在手機(jī)上集成數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)對方法，以及未來手機(jī)相機(jī)的發(fā)展趨勢。

可拍照手機(jī)的市場需求將會不斷增長，這種趨勢由更高性能可拍照手機(jī)的不斷發(fā)展而推動，它將可以在更廣泛的應(yīng)用場合下獲得更高的圖像質(zhì)量。MT9D111在單芯片系統(tǒng)上集成了一個先進(jìn)的200萬像素圖像傳感器和功能強(qiáng)大的圖像處理技術(shù)。單芯片系統(tǒng)中的自動特性可以調(diào)整各種參數(shù)，以便在各種光照條件下拍攝到優(yōu)質(zhì)圖像。MT9D111也可以簡化設(shè)計工程師的工作，因為所有的處理功能、內(nèi)存以及與鏡頭的接口都集成在一個單傳感器處理芯片上。

技術(shù)特性

MT9D111是一種1/3英寸、200萬像素的CMOS圖像傳感器，它自帶有集成的先進(jìn)相機(jī)系統(tǒng)。此相機(jī)系統(tǒng)包含一個復(fù)雜的圖像流處理器(IFP)、一個實時JPEG編碼器、一個集成的微控制器、閃光支持、自動聚焦、光學(xué)縮放以及機(jī)械快門。整個系統(tǒng)級芯片(SoC)可以在低照度條件下具備卓越的性能，同時功耗很低。

圖1顯示了MT9D111的結(jié)構(gòu)圖。此圖像傳感器配有一個內(nèi)嵌的微處理器，它是一種完全獨立的相機(jī)系統(tǒng)，并帶有所有圖像處理所需的內(nèi)存。SoC對手持設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊要求很低。

手持設(shè)備主控制器在上電過程中將上載初始配置數(shù)據(jù)(圖像大小、時鐘頻率等)，使SoC在拍攝圖像和傳輸圖像數(shù)據(jù)時，只需發(fā)送簡單的控制信號。

1.傳感器設(shè)計

1/3英寸的傳感器使用了2.8μm的像素，它既可以作為完整的攝像解決方案，也可以作為獨立的傳感器。它的特點如下：

弱暗電流和高靈敏度可以使用戶在各種場合下都能拍攝出質(zhì)量很好的圖像(帶有閃光燈或無需閃光燈)；

一個10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得圖像色調(diào)很平滑，并在圖像處理過程中使用10位的處理精度；

圖1：美光MT9D111傳感器單芯片系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

高速的處理能力使得視頻幀率非常高，可以達(dá)到30fps(800×600)、15fps(最大分辨率1,600×1,200)、15fps M-JPEG(使用SoC時)；

幀面大小可調(diào)整，同時確保視野完整－此傳感器支持復(fù)合像素(有時也稱為重新分級)，以提供更高的靈敏度和更高的幀率，同時它也在手機(jī)顯示屏上支持預(yù)覽模式；

先進(jìn)的傳感圖像糾錯系統(tǒng)，可以避免遮蔽現(xiàn)象，這在某些其他的傳感器中，該問題往往顯示為在很亮的拍攝對象中存在黑點。

2. SoC特性

此SoC相機(jī)解決方案具備更多技術(shù)優(yōu)勢，以確保拍攝出高質(zhì)量的圖像，同時使模塊和手機(jī)之間易于集成。它包括以下特性：

圖像處理器特性 此圖像處理器可以為用戶提供“傻瓜型”的自動圖像拍攝功能，而無需手工執(zhí)行任何圖像處理過程。所有的圖像處理過程，從圖像捕捉到輸出為YUV或RGB都在單芯片上獨立完成：新型先進(jìn)的色彩插值使色彩更逼真，細(xì)節(jié)更清晰；新型高速自動白平衡同時帶有灰度檢測功能，這樣可以在各種光照條件下實現(xiàn)高品質(zhì)的色彩平衡；多組件設(shè)計、可評估測量和帶背光補(bǔ)償?shù)淖詣悠毓饪刂瓶梢栽谂臄z背景對比很強(qiáng)(某些區(qū)域很亮，而某些區(qū)域很暗)的情況下獲得更好的性能；自動的防閃爍特性，可以消除來自熒光照明的干擾。

鏡頭-處理器集成特性

微型鏡頭對設(shè)計產(chǎn)生的限制以及研發(fā)費用的限制，都可能影響到性能，并導(dǎo)致新型設(shè)計投放市場的周期被延長。MT9D111圖像處理器包括以下鏡頭功能，可以緩解上述存在的問題：鏡頭明暗校正，以補(bǔ)償透過鏡頭的光照梯度；3通道的鏡頭明暗校正，以確保可以在緊湊的鏡頭設(shè)計中使用高效的、低成本的IR過濾器(在很多非常緊湊的鏡頭中，反射型IR過濾器可能在圖像的外部形成錯誤的色彩，而內(nèi)置的圖像處理器可以調(diào)整這些不盡如人意的拍攝效果)。

鏡頭光斑補(bǔ)償－即使是精密設(shè)計的透鏡，也會產(chǎn)生光斑現(xiàn)象。單芯片系統(tǒng)的處理器可以校正鏡頭光斑。

自動聚焦測量和使用傳感信息進(jìn)行控制，以及通用輸入輸出(GPIO)接口。

機(jī)械快門控制－一種通用的復(fù)位功能，以電子啟動曝光時間。

處理器/手持終端集成特性

此傳感器是專門針對幾個手持終端集成問題而設(shè)計的，從而減少了終端的設(shè)計時間，并使集成測試時間最小化。集成特性還包括：

內(nèi)置的閃光測速器控制(Xenon或LED閃光)；

內(nèi)置的JPEG壓縮FIFO算法(壓縮率完全可調(diào))；

可獲得更高幀率的PLL設(shè)計－PLL與普通的無線系統(tǒng)一同使用，PLL可以將輸入時鐘頻率調(diào)高，從而使MT9D111可以在任何所需的分辨率和幀率條件下運行；

內(nèi)部存儲器使自動拍攝操作變?yōu)榭赡埽瓱o需對手持終端處理器提出任何控制要求，只需要在上電過程中加載模式設(shè)置，并讓其運行；

內(nèi)置的降低EMI功能－轉(zhuǎn)換速度可調(diào)節(jié)，以降低數(shù)據(jù)傳輸時的諧波干擾。

典型的電路配置

圖2顯示了MT9D111的一種典型配置。雙線串口是相機(jī)的配置端口和控制端口，所有用于配置此傳感器和處理器的寄存器都可以通過此雙線串行總線進(jìn)行存取操作。一旦主控制器開始對傳感器進(jìn)行配置，數(shù)據(jù)通訊量非常小。主控制器向MT9D111發(fā)送一個單一指令，使其進(jìn)入預(yù)覽模式。SoC/傳感器然后就執(zhí)行所有的處理和接口控制過程，以便向控制器反饋連續(xù)、高幀率、低能耗的視頻數(shù)據(jù)。

在拍攝快照的時候，主控制器將通過雙線串行總線發(fā)送另一類單一指令。然后相機(jī)將執(zhí)行預(yù)先配置的步驟，包括控制閃光燈、自動控制曝光、色彩平衡、自動聚焦、拍攝畫面、發(fā)送信號以關(guān)閉機(jī)械快門，然后執(zhí)行JPEG圖像壓縮過程。最后，YUV或RGB輸出將可以在并行數(shù)據(jù)輸出端口獲得。此時，主控制器將返回到預(yù)覽模式，或者切換到簡單的視頻拍攝模式。

存貯在MT9D111中的默認(rèn)值可以為其提供卓越的性能。然而，如果要求性能做出某些特定變化，可以通過串行端口調(diào)整各種寄存器的設(shè)定值。

相機(jī)設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

小尺寸的模塊化設(shè)計將帶來嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)：如何將鏡頭、傳感器和處理器集成在一個低成本而高效的設(shè)計模塊中去，并滿足用戶對拍攝質(zhì)量的預(yù)期值。下文描述了幾個最重要的挑戰(zhàn)，以及針對它們的解決方案。

1. 相機(jī)鏡頭與傳感器的集成

圖2：MT9D111的典型接線圖。

拍攝鏡頭和傳感器之間的接口是整個可拍照手機(jī)系統(tǒng)中最重要的接口之一。隨著鏡頭的長度變得越來越短，光線到達(dá)傳感器像素位置的角度也就會變得越來越大。每個像素上都有一個微鏡頭。微鏡頭的主要功能就是將來自不同角度的光線聚焦在此像素上。然而，隨著像素位置的角度越來越大，某些光線將無法聚焦在像素上，從而導(dǎo)致光線損失和像素響應(yīng)降低。

從鏡頭的傳感器一側(cè)，可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為一個參數(shù)，稱為主光角(CRA)。對于主光角的一般性定義是：此角度處的像素響應(yīng)降低為零度角像素響應(yīng)(此時，此像素是垂直于光線的)的80%。

光線進(jìn)入每個像素的角度將依賴于該像素所處的位置。鏡頭軸心線附近的光線將以接近零度的角度進(jìn)入像素中。隨著它與軸心線的距離增大，角度也將隨之增大。CRA與像素在傳感器中的位置是相關(guān)的，它們之間的關(guān)系與鏡頭的設(shè)計有關(guān)。很緊湊的鏡頭都具有很復(fù)雜的CRA模式。如果鏡頭的CRA與傳感器的微鏡頭設(shè)計不匹配，將會出現(xiàn)不理想的透過傳感器的光線強(qiáng)度(也就是“陰影”)。通過改變微鏡頭設(shè)計，并對拍攝到的圖像進(jìn)行適當(dāng)處理，就可以大大降低這種現(xiàn)象。

改變微鏡頭設(shè)計可以大大降低陰影現(xiàn)象。然而，在改變微鏡頭設(shè)計時，必須與鏡頭設(shè)計者密切配合，以便為各種拍攝鏡頭找到適合的CRA模式。相機(jī)的設(shè)計工程師應(yīng)該確保這種技術(shù)合作得以實現(xiàn)，并確保傳感器與鏡頭CRA特性可以很好地匹配。為確保成功實現(xiàn)此目標(biāo)，美光開發(fā)了相關(guān)的仿真工具和評價工具。

由于光線是沿著不同的角度入射到傳感器上的，因此對于各種鏡頭設(shè)計而言，陰影現(xiàn)象都是固有的。“cos4定律”說明，減少的光線與增大角度余弦值的四次方是成比例關(guān)系的。另外，在某些鏡頭設(shè)計中，鏡頭可能本身就會阻擋一部分光線(稱為“暈光”)，這也會引起陰影現(xiàn)象。所以，即使微鏡頭設(shè)計可以最小化短鏡頭的陰影現(xiàn)象，此種現(xiàn)象還是會多多少少地存在。為了給相機(jī)設(shè)計者提供額外的校正陰影現(xiàn)象的方法，MT9D111中內(nèi)嵌的圖像處理器包含了陰影校正功能，它是為某些特定鏡頭而定制的。

為了幫助設(shè)計工程師將傳感器集成在他們的產(chǎn)品中，美光為其生產(chǎn)的所有傳感器產(chǎn)品提供了各種開發(fā)軟件。通過使用這些軟件，相機(jī)設(shè)計工程師可以簡化對各種芯片特性默認(rèn)值的修改過程。每種變化的結(jié)果都可以顯示在一個PC監(jiān)視器上。對于很多相機(jī)中用到的新型鏡頭，通過使用這個開發(fā)系統(tǒng)，可以對校正鏡頭陰影和空間色彩失真進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。通過使用一個均勻點亮的白色目標(biāo)，可以對設(shè)置響應(yīng)過程進(jìn)行簡單的試驗。軟件開發(fā)工具可顯示對陰影現(xiàn)象的分析結(jié)果。之后，工程師就可以使用區(qū)域方法來應(yīng)用校正值。關(guān)于校正過程的寄存器設(shè)置將保存在開發(fā)系統(tǒng)中，以用于相機(jī)設(shè)計。

2. 內(nèi)置的光斑消除功能

在某些光照條件下，鏡頭設(shè)計以及鏡頭與傳感器防護(hù)玻璃罩之間相互干擾可能會引起光斑現(xiàn)象。雖然鏡頭設(shè)計工程師都會在設(shè)計過程中盡量消除光斑現(xiàn)象，但是對于結(jié)構(gòu)緊湊的鏡頭而言，消除光斑現(xiàn)象仍然非常具有挑戰(zhàn)性。

例如，鏡頭中的內(nèi)擋膜(baffle)有時可用于阻擋住多余的反射光。然而，內(nèi)擋膜往往是需要占用一定空間的，而在很短的鏡頭中，要找到這樣的空間往往是不可能的。

類似地，從傳感器防護(hù)玻璃罩來的反射光也將會增加鏡頭內(nèi)的反射光總量，而這在最初的鏡頭設(shè)計過程中是被忽略的。MT9D111具有實時的光斑消除功能。IFP的統(tǒng)計功能之一就是生成柱形圖，它可以連續(xù)地監(jiān)控圖像，并識別出明顯的光斑。通過這種光斑消除功能，圖像處理器可以連續(xù)地降低圖像光斑現(xiàn)象。

3. IR截止過濾器和傳感器的集成

在相機(jī)設(shè)計中，會使用到兩類典型的IR截止過濾器。一種類型是電介質(zhì)薄膜過濾器，它通過選擇反射來過濾IR能量。第二種是吸收型過濾器，也就是一般所說的“藍(lán)玻璃”過濾器，因為它的外形類似藍(lán)玻璃。對于很小型的攝像模塊而言，電介質(zhì)薄膜過濾器要優(yōu)于吸收型過濾器。吸收型過濾器一般做成獨立的玻璃元件，而通過增加涂層，電介質(zhì)薄膜過濾器可以做成鏡頭式樣，這樣就可以節(jié)省空間。電介質(zhì)薄膜過濾器也不易受到濕度和溫度的影響，更重要的是，電介質(zhì)薄膜過濾器的成本要比吸收型過濾器低很多。

4. 攝像模塊和手機(jī)的集成－EMI控制

在將攝像模塊集成在手機(jī)的過程中，最主要的挑戰(zhàn)之一就是如何確保兩者之間的接口不會引起過量的電磁干擾(EMI)。隨著位速率頻率和位上升時間不斷增加，對電路板進(jìn)行高頻設(shè)計就變得越來越重要。給出詳細(xì)的降低干擾的布局準(zhǔn)則不是本文關(guān)心的主題，但這里將給出高頻設(shè)計的通用準(zhǔn)則。

最有效的解決電磁干擾的方法就是減少電磁干擾源。由于印刷電路板是一種電磁干擾源，所以一種好辦法就是使電路中的印制線阻抗變化最小化。例如，斜接印制線轉(zhuǎn)角并使用45度的印制線轉(zhuǎn)角就是很重要的布局準(zhǔn)則，這樣可以使阻抗變化最小化。另外，未終接的高速數(shù)字印制線和阻抗不連續(xù)的位置都存在反射，或者會引起振蕩，這兩種情況也都是高頻干擾源。

另一種終結(jié)高頻干擾的辦法就是增加低通電阻電容(RC)濾波器，以減慢上升時間。可以使用各種表面安裝的濾波器，它們是專門設(shè)計用于終接線路的，可以有效解決高頻干擾，但是需要增加成本，并需要額外的安裝空間。為了減少對這種濾波器的需要，MT9D111圖像傳感器中增加了可編程轉(zhuǎn)換速度控制器和一個先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器。通過降低信號的轉(zhuǎn)換速度，就可以避免高頻諧波。通過將數(shù)據(jù)成塊地存入緩存區(qū)并降低數(shù)據(jù)子幀的數(shù)量，F(xiàn)IFO緩沖器可以降低電磁干擾現(xiàn)象。多種接口具有軟件可控的轉(zhuǎn)換速度：數(shù)據(jù)輸出、像素時鐘、幀有效性、線有限性、GPIO和串行數(shù)據(jù)。

除了可以最小化電磁干擾源，電路板布局設(shè)計還可以使電壓干擾源和敏感電路之間的耦合最小化。將模擬電路和數(shù)字電路分隔開也是一種有效的避免電磁干擾的方法。同時，長線路和可能在電路板上形成巨大回路的線路，也將變成高速數(shù)據(jù)線的天線。因此應(yīng)盡量避免在布局設(shè)計過程中使用這兩種線路。

5. 電源和接地設(shè)計

為了獲得良好的攝像性能，電源和接地設(shè)計是需要重點考慮的因素之一。接地和配電過程中的噪音耦合都將在圖像中形成可視的干擾。三個重要的設(shè)計原則是：連接傳感器上所有的電源和接地管腳；使數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域相互獨立，并盡可能使數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域遠(yuǎn)離圖像傳感器；提供有效的電壓調(diào)節(jié)。

功能特性發(fā)展趨勢

我們有理由相信，在不久的將來，可拍照手機(jī)市場將保持持續(xù)的快速增長。預(yù)期的發(fā)展趨勢是可拍照手機(jī)將增加更多的功能，以便在更多的應(yīng)用場合下使用戶獲得高品質(zhì)的圖像。

最明顯的可量化的趨勢是，可拍照手機(jī)將朝著更小像素方向發(fā)展。手機(jī)和模塊制造商對相機(jī)像素尺寸的要求范圍將更廣。在接下來的兩至三年時間內(nèi)，預(yù)計像素尺寸將降低至2μm以下。向著更先進(jìn)的鏡頭功能發(fā)展的趨勢也是非常重要的。自動聚焦和快門將廣泛應(yīng)用于200萬像素的手機(jī)中，而變焦鏡頭將很有可能應(yīng)用于300萬像素的可拍照手機(jī)中。現(xiàn)在很多手機(jī)都已經(jīng)具備有視頻拍攝功能，這也將繼續(xù)成為可拍照手機(jī)的一個賣點，在接下來的兩至三年時間內(nèi)，有可能在VGA分辨率的條件下獲得25fps至30fps的幀率。

將來更重要的是與鏡頭制造公司密切合作，將傳感器性能集成在先進(jìn)的鏡頭設(shè)計之中，這樣一來從事終端設(shè)備開發(fā)的公司就可以快速而方便地將高質(zhì)量的模塊集成在一系列的手持終端設(shè)計平臺上。

作者：Dan Morrow

技術(shù)營銷經(jīng)理

Michael Hartmann

高級軟件設(shè)計工程師

Jonathon Fewkes

模塊產(chǎn)品經(jīng)理

Jon Paul Vivere

相機(jī)系統(tǒng)工程師

Email:jvivere@micron.com

美光科技股份有限公司