一種易于集成的200萬(wàn)像素手機相機完整解決方案

本文采用了新型的美光MT9D111 200萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器作為實(shí)例，詳細介紹了其技術(shù)特性、電路配置，并分析了在手機上集成數碼相機的技術(shù)挑戰和應對方法，以及未來(lái)手機相機的發(fā)展趨勢。

可拍照手機的市場(chǎng)需求將會(huì )不斷增長(cháng)，這種趨勢由更高性能可拍照手機的不斷發(fā)展而推動(dòng)，它將可以在更廣泛的應用場(chǎng)合下獲得更高的圖像質(zhì)量。MT9D111在單芯片系統上集成了一個(gè)先進(jìn)的200萬(wàn)像素圖像傳感器和功能強大的圖像處理技術(shù)。單芯片系統中的自動(dòng)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(zhì)圖像。MT9D111也可以簡(jiǎn)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(gè)單傳感器處理芯片上。

技術(shù)特性

MT9D111是一種1/3英寸、200萬(wàn)像素的CMOS圖像傳感器，它自帶有集成的先進(jìn)相機系統。此相機系統包含一個(gè)復雜的圖像流處理器(IFP)、一個(gè)實(shí)時(shí)JPEG編碼器、一個(gè)集成的微控制器、閃光支持、自動(dòng)聚焦、光學(xué)縮放以及機械快門(mén)。整個(gè)系統級芯片(SoC)可以在低照度條件下具備卓越的性能，同時(shí)功耗很低。

圖1顯示了MT9D111的結構圖。此圖像傳感器配有一個(gè)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(guò)程中將上載初始配置數據(圖像大小、時(shí)鐘頻率等)，使SoC在拍攝圖像和傳輸圖像數據時(shí)，只需發(fā)送簡(jiǎn)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(diǎn)如下：

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

一個(gè)10位的模數轉換器，使得圖像色調很平滑，并在圖像處理過(guò)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(shí))；

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

先進(jìn)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(wèn)題往往顯示為在很亮的拍攝對象中存在黑點(diǎn)。

2. SoC特性

此SoC相機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(shí)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(hù)提供“傻瓜型”的自動(dòng)圖像拍攝功能，而無(wú)需手工執行任何圖像處理過(guò)程。所有的圖像處理過(guò)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，細節更清晰；新型高速自動(dòng)白平衡同時(shí)帶有灰度檢測功能，這樣可以在各種光照條件下實(shí)現高品質(zhì)的色彩平衡；多組件設計、可評估測量和帶背光補償的自動(dòng)曝光控制可以在拍攝背景對比很強(某些區域很亮，而某些區域很暗)的情況下獲得更好的性能；自動(dòng)的防閃爍特性，可以消除來(lái)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(chǎn)生的限制以及研發(fā)費用的限制，都可能影響到性能，并導致新型設計投放市場(chǎng)的周期被延長(cháng)。MT9D111圖像處理器包括以下鏡頭功能，可以緩解上述存在的問(wèn)題：鏡頭明暗校正，以補償透過(guò)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(guò)濾器(在很多非常緊湊的鏡頭中，反射型IR過(guò)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(huì )產(chǎn)生光斑現象。單芯片系統的處理器可以校正鏡頭光斑。

自動(dòng)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。

機械快門(mén)控制－一種通用的復位功能，以電子啟動(dòng)曝光時(shí)間。

處理器/手持終端集成特性

此傳感器是專(zhuān)門(mén)針對幾個(gè)手持終端集成問(wèn)題而設計的，從而減少了終端的設計時(shí)間，并使集成測試時(shí)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(wú)線(xiàn)系統一同使用，PLL可以將輸入時(shí)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(dòng)拍攝操作變?yōu)榭赡埽瓱o(wú)需對手持終端處理器提出任何控制要求，只需要在上電過(guò)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，以降低數據傳輸時(shí)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(xiàn)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(guò)此雙線(xiàn)串行總線(xiàn)進(jìn)行存取操作。一旦主控制器開(kāi)始對傳感器進(jìn)行配置，數據通訊量非常小。主控制器向MT9D111發(fā)送一個(gè)單一指令，使其進(jìn)入預覽模式。SoC/傳感器然后就執行所有的處理和接口控制過(guò)程，以便向控制器反饋連續、高幀率、低能耗的視頻數據。

在拍攝快照的時(shí)候，主控制器將通過(guò)雙線(xiàn)串行總線(xiàn)發(fā)送另一類(lèi)單一指令。然后相機將執行預先配置的步驟，包括控制閃光燈、自動(dòng)控制曝光、色彩平衡、自動(dòng)聚焦、拍攝畫(huà)面、發(fā)送信號以關(guān)閉機械快門(mén)，然后執行JPEG圖像壓縮過(guò)程。最后，YUV或RGB輸出將可以在并行數據輸出端口獲得。此時(shí)，主控制器將返回到預覽模式，或者切換到簡(jiǎn)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(guò)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和解決方案

小尺寸的模塊化設計將帶來(lái)嚴峻的技術(shù)挑戰：如何將鏡頭、傳感器和處理器集成在一個(gè)低成本而高效的設計模塊中去，并滿(mǎn)足用戶(hù)對拍攝質(zhì)量的預期值。下文描述了幾個(gè)最重要的挑戰，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(xiàn)圖。

拍攝鏡頭和傳感器之間的接口是整個(gè)可拍照手機系統中最重要的接口之一。隨著(zhù)鏡頭的長(cháng)度變得越來(lái)越短，光線(xiàn)到達傳感器像素位置的角度也就會(huì )變得越來(lái)越大。每個(gè)像素上都有一個(gè)微鏡頭。微鏡頭的主要功能就是將來(lái)自不同角度的光線(xiàn)聚焦在此像素上。然而，隨著(zhù)像素位置的角度越來(lái)越大，某些光線(xiàn)將無(wú)法聚焦在像素上，從而導致光線(xiàn)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(xiàn)的最大角度被定義為一個(gè)參數，稱(chēng)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(shí)，此像素是垂直于光線(xiàn)的)的80%。

光線(xiàn)進(jìn)入每個(gè)像素的角度將依賴(lài)于該像素所處的位置。鏡頭軸心線(xiàn)附近的光線(xiàn)將以接近零度的角度進(jìn)入像素中。隨著(zhù)它與軸心線(xiàn)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)系與鏡頭的設計有關(guān)。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(huì )出現不理想的透過(guò)傳感器的光線(xiàn)強度(也就是“陰影”)。通過(guò)改變微鏡頭設計，并對拍攝到的圖像進(jìn)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(shí)，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(shù)合作得以實(shí)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(shí)現此目標，美光開(kāi)發(fā)了相關(guān)的仿真工具和評價(jià)工具。

由于光線(xiàn)是沿著(zhù)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(shuō)明，減少的光線(xiàn)與增大角度余弦值的四次方是成比例關(guān)系的。另外，在某些鏡頭設計中，鏡頭可能本身就會(huì )阻擋一部分光線(xiàn)(稱(chēng)為“暈光”)，這也會(huì )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(huì )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(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(kāi)發(fā)軟件。通過(guò)使用這些軟件，相機設計工程師可以簡(jiǎn)化對各種芯片特性默認值的修改過(guò)程。每種變化的結果都可以顯示在一個(gè)PC監視器上。對于很多相機中用到的新型鏡頭，通過(guò)使用這個(gè)開(kāi)發(fā)系統，可以對校正鏡頭陰影和空間色彩失真進(jìn)行參數設置。通過(guò)使用一個(gè)均勻點(diǎn)亮的白色目標，可以對設置響應過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的試驗。軟件開(kāi)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域方法來(lái)應用校正值。關(guān)于校正過(guò)程的寄存器設置將保存在開(kāi)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(huì )引起光斑現象。雖然鏡頭設計工程師都會(huì )在設計過(guò)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性。

例如，鏡頭中的內擋膜(baffle)有時(shí)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(lèi)似地，從傳感器防護玻璃罩來(lái)的反射光也將會(huì )增加鏡頭內的反射光總量，而這在最初的鏡頭設計過(guò)程中是被忽略的。MT9D111具有實(shí)時(shí)的光斑消除功能。IFP的統計功能之一就是生成柱形圖，它可以連續地監控圖像，并識別出明顯的光斑。通過(guò)這種光斑消除功能，圖像處理器可以連續地降低圖像光斑現象。

3. IR截止過(guò)濾器和傳感器的集成

在相機設計中，會(huì )使用到兩類(lèi)典型的IR截止過(guò)濾器。一種類(lèi)型是電介質(zhì)薄膜過(guò)濾器，它通過(guò)選擇反射來(lái)過(guò)濾IR能量。第二種是吸收型過(guò)濾器，也就是一般所說(shuō)的“藍玻璃”過(guò)濾器，因為它的外形類(lèi)似藍玻璃。對于很小型的攝像模塊而言，電介質(zhì)薄膜過(guò)濾器要優(yōu)于吸收型過(guò)濾器。吸收型過(guò)濾器一般做成獨立的玻璃元件，而通過(guò)增加涂層，電介質(zhì)薄膜過(guò)濾器可以做成鏡頭式樣，這樣就可以節省空間。電介質(zhì)薄膜過(guò)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(guò)濾器的成本要比吸收型過(guò)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(guò)程中，最主要的挑戰之一就是如何確保兩者之間的接口不會(huì )引起過(guò)量的電磁干擾(EMI)。隨著(zhù)位速率頻率和位上升時(shí)間不斷增加，對電路板進(jìn)行高頻設計就變得越來(lái)越重要。給出詳細的降低干擾的布局準則不是本文關(guān)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(xiàn)阻抗變化最小化。例如，斜接印制線(xiàn)轉角并使用45度的印制線(xiàn)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(xiàn)和阻抗不連續的位置都存在反射，或者會(huì )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(shí)間?？梢允褂酶鞣N表面安裝的濾波器，它們是專(zhuān)門(mén)設計用于終接線(xiàn)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(gè)先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器。通過(guò)降低信號的轉換速度，就可以避免高頻諧波。通過(guò)將數據成塊地存入緩存區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(shí)鐘、幀有效性、線(xiàn)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(kāi)也是一種有效的避免電磁干擾的方法。同時(shí)，長(cháng)線(xiàn)路和可能在電路板上形成巨大回路的線(xiàn)路，也將變成高速數據線(xiàn)的天線(xiàn)。因此應盡量避免在布局設計過(guò)程中使用這兩種線(xiàn)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(diǎn)考慮的因素之一。接地和配電過(guò)程中的噪音耦合都將在圖像中形成可視的干擾。三個(gè)重要的設計原則是：連接傳感器上所有的電源和接地管腳；使數字區域和模擬區域相互獨立，并盡可能使數字區域和模擬區域遠離圖像傳感器；提供有效的電壓調節。

功能特性發(fā)展趨勢

我們有理由相信，在不久的將來(lái)，可拍照手機市場(chǎng)將保持持續的快速增長(cháng)。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(chǎng)合下使用戶(hù)獲得高品質(zhì)的圖像。

最明顯的可量化的趨勢是，可拍照手機將朝著(zhù)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(lái)的兩至三年時(shí)間內，預計像素尺寸將降低至2μm以下。向著(zhù)更先進(jìn)的鏡頭功能發(fā)展的趨勢也是非常重要的。自動(dòng)聚焦和快門(mén)將廣泛應用于200萬(wàn)像素的手機中，而變焦鏡頭將很有可能應用于300萬(wàn)像素的可拍照手機中?，F在很多手機都已經(jīng)具備有視頻拍攝功能，這也將繼續成為可拍照手機的一個(gè)賣(mài)點(diǎn)，在接下來(lái)的兩至三年時(shí)間內，有可能在VGA分辨率的條件下獲得25fps至30fps的幀率。

將來(lái)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)的鏡頭設計之中，這樣一來(lái)從事終端設備開(kāi)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計平臺上。

作者：Dan Morrow

技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

Michael Hartmann

高級軟件設計工程師

Jonathon Fewkes

模塊產(chǎn)品經(jīng)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