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，詳細介紹了其技術特性、電路配置，并分析了在手機上集成數碼相機的技術挑戰(zhàn)和應對方法，以及未來手機相機的發(fā)展趨勢。

可拍照手機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的不斷發(fā)展而推動，它將可以在更廣泛的應用場合下獲得更高的圖像質量。MT9D111在單芯片系統上集成了一個先進的200萬像素圖像傳感器和功能強大的圖像處理技術。單芯片系統中的自動特性可以調整各種參數，以便在各種光照條件下拍攝到優(yōu)質圖像。MT9D111也可以簡化設計工程師的工作，因為所有的處理功能、內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相機系統。此相機系統包含一個復雜的圖像流處理器(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、光學縮放以及機械快門。整個系統級芯片(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的結構圖。此圖像傳感器配有一個內嵌的微處理器，它是一種完全獨立的相機系統，并帶有所有圖像處理所需的內存。SoC對手持設備的數據通訊要求很低。

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

1.傳感器設計

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量很好的圖像(帶有閃光燈或無需閃光燈)；

一個10位的模數轉換器，使得圖像色調很平滑，并在圖像處理過程中使用10位的處理精度；

圖1：美光MT9D111傳感器單芯片系統的結構圖。

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

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

先進的傳感圖像糾錯系統，可以避免遮蔽現象，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相機解決方案具備更多技術優(yōu)勢，以確保拍攝出高質量的圖像，同時使模塊和手機之間易于集成。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：新型先進的色彩插值使色彩更逼真，細節(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高品質的色彩平衡；多組件設計、可評估測量和帶背光補償的自動曝光控制可以在拍攝背景對比很強(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

微型鏡頭對設計產生的限制以及研發(fā)費用的限制，都可能影響到性能，并導致新型設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，以補償透過鏡頭的光照梯度；3通道的鏡頭明暗校正，以確?？梢栽诰o湊的鏡頭設計中使用高效的、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，而內置的圖像處理器可以調整這些不盡如人意的拍攝效果)。

鏡頭光斑補償－即使是精密設計的透鏡，也會產生光斑現象。單芯片系統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行控制，以及通用輸入輸出(GPIO)接口。

機械快門控制－一種通用的復位功能，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計的，從而減少了終端的設計時間，并使集成測試時間最小化。集成特性還包括：

內置的閃光測速器控制(Xenon或LED閃光)；

內置的JPEG壓縮FIFO算法(壓縮率完全可調)；

可獲得更高幀率的PLL設計－PLL與普通的無線系統一同使用，PLL可以將輸入時鐘頻率調高，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置，并讓其運行；

內置的降低EMI功能－轉換速度可調節(jié)，以降低數據傳輸時的諧波干擾。

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行存取操作。一旦主控制器開始對傳感器進行配置，數據通訊量非常小。主控制器向MT9D111發(fā)送一個單一指令，使其進入預覽模式。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、低能耗的視頻數據。

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。然后相機將執(zhí)行預先配置的步驟，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)送信號以關閉機械快門，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據輸出端口獲得。此時，主控制器將返回到預覽模式，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整各種寄存器的設定值。

相機設計所面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

小尺寸的模塊化設計將帶來嚴峻的技術挑戰(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計模塊中去，并滿足用戶對拍攝質量的預期值。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系統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，從而導致光線損失和像素響應降低。

從鏡頭的傳感器一側，可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為一個參數，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降低為零度角像素響應(此時，此像素是垂直于光線的)的80%。

光線進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的，它們之間的關系與鏡頭的設計有關。很緊湊的鏡頭都具有很復雜的CRA模式。如果鏡頭的CRA與傳感器的微鏡頭設計不匹配，將會出現不理想的透過傳感器的光線強度(也就是“陰影”)。通過改變微鏡頭設計，并對拍攝到的圖像進行適當處理，就可以大大降低這種現象。

改變微鏡頭設計可以大大降低陰影現象。然而，在改變微鏡頭設計時，必須與鏡頭設計者密切配合，以便為各種拍攝鏡頭找到適合的CRA模式。相機的設計工程師應該確保這種技術合作得以實現，并確保傳感器與鏡頭CRA特性可以很好地匹配。為確保成功實現此目標，美光開發(fā)了相關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計而言，陰影現象都是固有的。“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系的。另外，在某些鏡頭設計中，鏡頭可能本身就會阻擋一部分光線(稱為“暈光”)，這也會引起陰影現象。所以，即使微鏡頭設計可以最小化短鏡頭的陰影現象，此種現象還是會多多少少地存在。為了給相機設計者提供額外的校正陰影現象的方法，MT9D111中內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。

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

2. 內置的光斑消除功能

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

例如，鏡頭中的內擋膜(baffle)有時可用于阻擋住多余的反射光。然而，內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，從傳感器防護玻璃罩來的反射光也將會增加鏡頭內的反射光總量，而這在最初的鏡頭設計過程中是被忽略的。MT9D111具有實時的光斑消除功能。IFP的統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)地降低圖像光斑現象。

3. IR截止過濾器和傳感器的集成

在相機設計中，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“藍玻璃”過濾器，因為它的外形類似藍玻璃。對于很小型的攝像模塊而言，電介質薄膜過濾器要優(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. 攝像模塊和手機的集成－EMI控制

在將攝像模塊集成在手機的過程中，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，對電路板進行高頻設計就變得越來越重要。給出詳細的降低干擾的布局準則不是本文關心的主題，但這里將給出高頻設計的通用準則。

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，斜接印制線轉角并使用45度的印制線轉角就是很重要的布局準則，這樣可以使阻抗變化最小化。另外，未終接的高速數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?？梢允褂酶鞣N表面安裝的濾波器，它們是專門設計用于終接線路的，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換速度控制器和一個先進先出(FIFO)緩沖器。通過降低信號的轉換速度，就可以避免高頻諧波。通過將數據成塊地存入緩存區(qū)并降低數據子幀的數量，FIFO緩沖器可以降低電磁干擾現象。多種接口具有軟件可控的轉換速度：數據輸出、像素時鐘、幀有效性、線有限性、GPIO和串行數據。

除了可以最小化電磁干擾源，電路板布局設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，也將變成高速數據線的天線。因此應盡量避免在布局設計過程中使用這兩種線路。

5. 電源和接地設計

為了獲得良好的攝像性能，電源和接地設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。三個重要的設計原則是：連接傳感器上所有的電源和接地管腳；使數字區(qū)域和模擬區(qū)域相互獨立，并盡可能使數字區(qū)域和模擬區(qū)域遠離圖像傳感器；提供有效的電壓調節(jié)。

功能特性發(fā)展趨勢

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

最明顯的可量化的趨勢是，可拍照手機將朝著更小像素方向發(fā)展。手機和模塊制造商對相機像素尺寸的要求范圍將更廣。在接下來的兩至三年時間內，預計像素尺寸將降低至2μm以下。向著更先進的鏡頭功能發(fā)展的趨勢也是非常重要的。自動聚焦和快門將廣泛應用于200萬像素的手機中，而變焦鏡頭將很有可能應用于300萬像素的可拍照手機中?，F在很多手機都已經具備有視頻拍攝功能，這也將繼續(xù)成為可拍照手機的一個賣點，在接下來的兩至三年時間內，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的鏡頭設計之中，這樣一來從事終端設備開發(fā)的公司就可以快速而方便地將高質量的模塊集成在一系列的手持終端設計平臺上。

作者：Dan Morrow

技術營銷經理

Michael Hartmann

高級軟件設計工程師

Jonathon Fewkes

模塊產品經理

Jon Paul Vivere

相機系統工程師

Email:jvivere@micron.com

美光科技股份有限公司