19世紀(jì)初夏普與當(dāng)時的日本通信運(yùn)營商J-PHONE發(fā)明了夏普 J-SH04，夏普 J-SH04具有拍照功能，2003年4月24日夏普發(fā)售了全球首款百萬像素手機(jī)J-SH53，風(fēng)靡一時。

隨著技術(shù)的不斷突破與革新，新型照相鏡頭如雨后春筍一樣，不斷出現(xiàn)，從最初的百萬到現(xiàn)在的千萬緊緊用了十余年的時間，拍攝質(zhì)量不斷進(jìn)入新臺階。最具有代表的如華為、三星、蘋果等公司，華為從p6開始鏡頭與處理芯片突飛猛進(jìn)，新的設(shè)計理念不斷應(yīng)用于實(shí)踐，比如在年前還是理論的雙攝像頭設(shè)計，目前已經(jīng)被三星，華為掌握，紛紛用于最新上市手機(jī)。

目前市面上的手機(jī)通常都具有前后攝像頭，前面一般在500萬左右，用來自拍和視頻通話，后置一般在1300萬左右，可以照出更加清晰的圖片和錄制清晰視頻。

手機(jī)攝像頭組成結(jié)構(gòu)

手機(jī)攝像頭主要由以下幾個部分組成：PCB板、DSP(CCD用)、傳感器(SENSOR)、固定器(HOLDER)、鏡頭(LENS ASS′Y)。其中鏡頭(LENS ASS′Y)， DSP(C,CD用)，傳感器(SENSOR)是最重要的三個部分。

PCB板

PCB板又分為硬板，軟板，軟硬結(jié)合板三種(如下圖)，CMOS可用任何一種板，但CCD的話就只能用軟硬結(jié)合板。這三種板中軟硬結(jié)合板價格最高，而硬板價格最低。

鏡頭

鏡頭是僅次于CMOS芯片影響畫質(zhì)的第二要素，其組成是透鏡結(jié)構(gòu)，由幾片透鏡組成，一般可分為塑膠透鏡（plastic）或玻璃透鏡（glass）。當(dāng)然，所謂塑膠透鏡也非純粹塑料，而是樹脂鏡片，當(dāng)然其透光率感光性之類的光學(xué)指標(biāo)是比不上鍍膜鏡片的。

通常攝像頭用的鏡頭構(gòu)造有：

1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G等。透鏡越多，成本越高，相對成像效果會更出色；而玻璃透鏡又比樹脂貴。因此一個品質(zhì)好的攝像頭應(yīng)該是采用多層玻璃鏡頭！現(xiàn)在市場上的多數(shù)攝像頭產(chǎn)品為了降低成本，一般會采用廉價的塑膠鏡頭或一玻一塑鏡頭（即：1P、2P、1G1P、1G2P等），對成像質(zhì)量有很大影響！

鏡頭由透鏡、濾光裝置、鏡筒三部分組成，鏡頭參數(shù)有三個，即焦距f′、相對孔徑D/f′和視場角2ω。

鏡頭焦距是鏡頭的一個重要指標(biāo)，決定了物和像的比例，如物在無限遠(yuǎn)，像的大小由下式?jīng)Q定y′=-f′·tanω（ω是物方視場角）。

相對孔徑D/f'和光圈數(shù)F是鏡頭的關(guān)鍵光學(xué)指標(biāo)。相對孔徑，它表示能進(jìn)入鏡頭到達(dá)底片上的光能量，因而決定像平面照度，其定義為入瞳直徑D與鏡頭焦距f'之比，暗景物和高速運(yùn)動物體的照相需要大相對孔徑物鏡，大相對孔徑物鏡可以提高像平面照度，根據(jù)相對孔徑大小，照相物鏡分為弱光照物鏡（D/f'1：6.3以下）普通物鏡（D/f'13.5）強(qiáng)光物鏡（D/f'1：2.8-1:1.4）超強(qiáng)光物鏡（D/f'1：1-1:0.8）為了使同一鏡頭使用不同的環(huán)境，通?？讖焦怅@采用可連續(xù)變化的可變光闌。

相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)，又稱F數(shù)，照相鏡頭上標(biāo)有F數(shù)，國家標(biāo)準(zhǔn)按照光通量的大小規(guī)定了各光級圈數(shù)的排列

0.7、1、 1.4、 2、 2.8 、4 、5.6、 8、 11、 16 、22···隨著光圈數(shù)的加大，光孔變小，光通量減少，光圈每差一級，光通量相差一倍，對照相機(jī)鏡頭來說，F(xiàn)數(shù)越低，鏡頭相容性就愈好，使用范圍更大。相對孔徑還影響像面上獲得清晰像的空間深度范圍-景深，相對孔徑越大，成像的景深越大，照相過程中調(diào)節(jié)光圈大小控制景深。

視場角2ω照相物鏡的視場角2ω決定了物方空間的范圍，照相物鏡的視場由像平面上具有滿意成像質(zhì)量的圓形區(qū)域的直徑?jīng)Q定，或由相機(jī)所采用感光元件的感光面尺寸決定。

照相物鏡的基本類型：1、.按鏡頭焦距和視場角分為：標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、短焦鏡頭、長焦鏡頭。2、按鏡頭焦距能否變化分為：定焦鏡頭、變焦鏡頭。

固定器和濾色片

固定器的作用，實(shí)際上就是來固定鏡頭，另外固定器上還會有一塊濾色片。

濾色片也即“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一種是RGB原色分色法，另一種是CMYK補(bǔ)色分色法。

原色CCD的優(yōu)勢在于畫質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問題，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，ISO感光度多半不會超過400。相對的，補(bǔ)色CCD多了一個Y黃色濾色器，犧牲了部分影像的分辨率，但I(xiàn)SO值一般都可設(shè)定在800以上。

DSP（數(shù)字信號處理芯片）

它的功能是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對數(shù)字圖像信號進(jìn)行優(yōu)化處理，最后把處理后的信號傳到顯示器上。

DSP結(jié)構(gòu)框架:(1). ISP（image signal processor）（鏡像信號處理器）；(2). JPEG encoder（JPEG圖像解碼器）。

ISP的性能強(qiáng)大是決定影像流暢的關(guān)鍵，JPEG encoder的性能也是關(guān)鍵指標(biāo)之一。而JPEG encoder又分為硬件JPEG壓縮方式，和軟件RGB壓縮方式。

DSP控制芯片的作用是：將感光芯片獲取的數(shù)據(jù)及時快速地傳到baseband中并刷新感光芯片，因此控制芯片的好壞，直接決定畫面品質(zhì)（比如色彩飽和度、清晰度）與流暢度。

上面所說的DSP是CCD中會使用，是因?yàn)?，在CMOS傳感器的攝像頭中，其DSP芯片已經(jīng)集成到CMOS中，從外觀上來看，它們就是一個整體。而采用CCD傳感器的攝像頭則分為CCD和DSP兩個獨(dú)立部分。

圖像傳感器

在攝像頭的主要組件中，最重要的就是圖像傳感器了，因?yàn)楦泄馄骷Τ上褓|(zhì)量的重要性不言而喻。

傳感器將從鏡頭上傳導(dǎo)過來的光線轉(zhuǎn)換為電信號，再通過內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于傳感器的每個pixel只能感光R光或者B光或者G光，因此每個像素此時存貯的是單色的，我們稱之為RAW ?DATA數(shù)據(jù)。要想將每個像素的RAW DATA數(shù)據(jù)還原成三基色，就需要信號處理器ISP來處理。

圖像傳感器是起感光記錄作用的元件，和膠卷類似。有CMOS和CCD兩種類型 CCD又叫電荷轉(zhuǎn)移器件，光電二極管排成一列叫一維型直線式傳感器，光電二極管行排列叫二維型面積式圖像傳感器。

CCD由光電二極管感光部件、ccd轉(zhuǎn)移部件和電荷放大器件組成，當(dāng)光照射時，光子激發(fā)電荷，電荷產(chǎn)生堆積，感光部件與轉(zhuǎn)移部件之間加上柵電壓，堆積的電荷在柵電壓的作用下，開始定向移動至轉(zhuǎn)移部件，經(jīng)放大輸出，這些輸出的電荷信號帶有圖像信息。

圖像傳感器的發(fā)展趨勢是高敏感化、高分辨率、省電、低壓工作等高性能方向發(fā)展。

CMOS圖像傳感器由金屬氧化物半導(dǎo)體集合而成，每一個像素可以集成多種器件，比如放大器，A/D轉(zhuǎn)換器等。

兩種感光元件的不同之處：

CCD成像質(zhì)量好，但是制作起來比較復(fù)雜，而且耗能大，CMOS雖然成像質(zhì)量較差，但是驅(qū)動電壓低，制造簡單，CMOS可以和其他器件集成，每一個像素都可以實(shí)現(xiàn)完整的功能，相比CCD是成千上萬個像素排列，每一個像素激發(fā)的電荷匯集到一起，運(yùn)輸?shù)椒糯笃骱蛿?shù)據(jù)處理器，這樣給后續(xù)處理增加不少負(fù)擔(dān)，而且大量的電荷匯集，也給通道提出了更高的要求，在技術(shù)上出現(xiàn)了瓶頸，CMOS中每個像素單獨(dú)完成信號放大和信號處理工作，這些特點(diǎn)，造成CMOS噪聲較大。如果CMOS克服噪聲大的缺點(diǎn)，提高成像質(zhì)量，CMOS就會超越CCD，成為圖像傳感器的首選。

有的廠家在宣傳中會提到“背照式”“BSI”等概念，實(shí)際上BSI就是背照式CMOS的英文簡稱，背照式CMOS是CMOS的一種，它改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度，在夜拍和高感的時候成像效果相對好一些。

手機(jī)攝像頭的成像原理

物方光線進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過鏡頭，到達(dá)圖像傳感器，光子打到傳感器上產(chǎn)生可移動電荷，這是內(nèi)光電效應(yīng)，可移動電荷匯集形成電信號，由于處理器無法識別電荷信號，需要把電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，對于圖像傳感器是cmos的系統(tǒng)不需要外加模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而對于以ccd作為圖像傳感器的系統(tǒng)需要A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，電荷信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過放大電路進(jìn)入微處理器，數(shù)字信號經(jīng)過DSP數(shù)字信號處理芯片經(jīng)過存儲處理后，傳輸?shù)狡聊恍纬珊臀镆粯拥膱D像。

影響手機(jī)攝像頭性能的一些關(guān)鍵因素

像素

通常所說的“XXX萬像素”實(shí)際是指相機(jī)的分辨率，其數(shù)值大小主要由相機(jī)傳感器中的像素點(diǎn)（即最小感光單位）數(shù)量決定，例如500萬像素就意味著傳感器中有500萬個像素點(diǎn)，和手機(jī)屏幕中的像素數(shù)量決定屏幕是720p或1080p分辨率是一個道理。

像素決定照片質(zhì)量？

通常會以為相機(jī)像素越高，拍的照片就越清晰，實(shí)際上。相機(jī)的像素唯一能決定的是其所拍圖片的分辨率，而圖片的分辨率越高，只代表了圖片的尺寸越大，并不能說明圖片越清晰。

但是當(dāng)前主流的手機(jī)屏幕為1080p級別（1920×1080像素），無論是1300萬像素相機(jī)所得的4208×3120像素照片，還是800萬像素攝像頭的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解讀范圍，最終都會以1920×1080像素顯示，所以肉眼所看到的清晰度也是沒有區(qū)別的。

高像素的優(yōu)勢在哪里呢？

更高像素的相機(jī)所拍圖片的尺寸更大，假如我們想把樣張打印出來，以常規(guī)的300像素/英寸的打印標(biāo)準(zhǔn)來計算，1300萬像素相機(jī)所拍的4208×3120像素樣張，可打印17英寸照片，而800萬像素相機(jī)的3200×2400像素樣張，打印超過13英寸的照片就開始模糊了。很顯然1300萬像素相機(jī)樣張可打印的尺寸更大。

傳感器

既然像素不是決定圖片質(zhì)量的關(guān)鍵因素，那么誰才是呢？答案是傳感器。

相機(jī)傳感器主要分兩種：CCD和CMOS。CCD傳感器雖然成像質(zhì)量好，但是成本較高，并不適用于手機(jī)，而CMOS傳感器憑借著較低的功耗和價格以及優(yōu)異的影像品質(zhì)，在手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

CMOS傳感器又分為背照式和堆棧式兩種，二者系出同門，技術(shù)最早都由索尼研發(fā)，索尼背照式傳感器品牌名為“Exmor R”，堆棧式傳感器為“Exmor RS”。

相對來說，傳感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（圖形信號）越多，信噪比越低，成像效果自然也越出色，然而更大的傳感器卻會導(dǎo)致手機(jī)的體積、重量、成本增加。

背照式傳感器的出現(xiàn)，有效的解決了這個問題，在相同尺寸下，它使傳感器感光能力提升了100%，有效地改善了在弱光環(huán)境下的成像質(zhì)量。

2012年8月，索尼發(fā)布了全新堆棧式傳感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式傳感器并非演進(jìn)關(guān)系，而是并列關(guān)系，堆棧式傳感器的主要優(yōu)勢是在像素數(shù)保持不變的情況下，讓傳感器尺寸變得更小，也可以理解為，在與背照式傳感器的像素數(shù)相同時，堆棧式傳感器的尺寸會更小，從而節(jié)省了空間，讓手機(jī)變得更薄、更輕。

鏡頭

鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，相當(dāng)于相機(jī)的“眼睛”，通常由由幾片透鏡組成，光線信號通過時，鏡片們會層層過濾雜光（紅外線等），所以，鏡頭片數(shù)越多，成像就越真實(shí)。

光圈

光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成，可以通過改變光圈孔的大小控制進(jìn)入鏡頭到達(dá)傳感器的光線量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4來表示，數(shù)字越小，光圈就越大，兩者成反比例關(guān)系。

它的工作原理是，光圈開得越大，通過鏡頭到達(dá)傳感器的光線就越多，成像畫面就越明亮，反之畫面就越暗。因此，在夜拍或暗光環(huán)境下，大光圈的成像優(yōu)勢就更明顯。

除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功能。生活中，我們時常會看到背景虛化效果很強(qiáng)的照片，不僅突出了拍攝焦點(diǎn)，還具有很唯美的藝術(shù)感，而這就是所謂的景深。光圈開的越大，景深越小，背景虛化效果就更明顯。

編輯：黃飛

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