移动电话内置式摄像模块

杨相利

2002年市场上开始出现手机摄像模块，分外接式和内置式两种，但都是CIF(10万像素)低像素的，且以外接式为主。虽然种类很少，但已表征出数码照相机的一个重要发展趋向——手机用数码摄影装置。联想到十几年前数码照相机刚刚诞生时的情景，那时她只不过是胶片照相机汪洋大海中的一小池清泉，并不起眼，可是这个几年来却以意想不到的惊人速度发展，目前无论是销售数量还是销售金额都超过了胶片照相机。这是照相机产业的革命性变化。现在出现了手机数码照相机，是不是预示着照相机工业的又一场变革?带着这一问题，杭州照相机械研究所工程中心从2002年下半年开始了较深入的上网查阅和实地市场考察，并于2003年6月开始研发VGA内置式手机摄像模块，取名为HZS-30。经过近一年半的反复实践，现已圆满完成该项目。

HZS—30摄像模块的构成和特性

HZS-30摄像模块的构成示意图如下，图中1为光学镜头部分，2为固定座架部分，3为电子线路部分(CMOS芯片和FPC等)。

HZS-30摄像模块的主要特性为

1．高灵敏度，可用于低照度环境；

2．2．5V电压工作，适合手机或其他嵌入式便携应用产品；

3．串行相机控制总线接口(SCCB)；

4．VGA，QVGA分辨率，支持Raw RGB、RGB和YCbCr格式输出；

5．具有如下自动图像控制功能：自动曝光控制(AEC)色彩饱和度、色调、伽玛、锐度、斑块、拖尾等控制；

6．体积小，只有8mm X 8mm X 7mm。

光学镜头

7．镜头的技术规格适用传感器尺寸：1／4”焦距EFL：4．6 mm后焦距BFL：1．1mm相对孔径：F3.1最大像高：2．34 mm视场角FOV：54°边缘相对照度：55％畸变：<2％

2．镜头的光机结构

图3为光学镜头构成示意图，图中1为光学玻璃透镜，2为光学塑料透镜，3为镜筒，4为CMOS芯片。

3．镜头的主要特点

①采用了4个非球面，有

图3镜头的结构示意图利于消除各类像差，提高对比度(MTF值)，减少片数，缩短总长；

②采用玻璃—塑料混用结构，有利于减少塑料透镜因温度变化引起的像质漂移。

4．镜头的关键技术

①含多个非球面的光学系统的设计技术和评价方法

采用先进的光学设计软件，运用多年来积累的设计技巧，并根据数码镜头，特别是用于手机的数码镜头之特殊要求确定评价指标，经多次修改才获得较好的设计结果；

②双非球面塑料透镜的精密制造技术

包括模具设计技术，模芯的超精密加工与检测技术，精密注塑技术，双非球面塑料透镜的检测技术等。而且这些环节相互之间以及与光学设计之间都有内在联系，需要综合把握。工程中心依靠多年来在非球面塑料透镜的制造技术方面累积的经验教训，以及反复实践，较好地解决了这方面的挑战；

③镜头的精密装校和综合检测技术

本镜头由于共有6个光学表面，并且具有4个非球面，所以对各面间的同轴度要求非常高，这是装校时的一大难点；同时，由于各非球面的面形都有一定的误差，对整个系统的影响又不一，如何正确分析和采取必要措施以保证系统达到接近设计水平的像质，又是另一大难点；此外，还有消杂散光问题等。依靠科技人员与富有装校和检测经验的技师的密切配合，这些问题都逐一得到解决。

电子线路

1．HZS-30摄像模块的原理结构框图

HZS-30摄像模块的原理结构框图如图4所示。图像传感与处理器包括了光电成像、信号处理、模数转换、数字处理、时序控制、通讯几部分。

2.工作原理

被摄景物通过镜头成像在图像传感器阵列上，传感器完成光电转换，形成电子潜像。电子潜像在时序发生器产生的序列脉冲控制下逐像素、逐行、逐场送到模拟前端处理器，进行自动增益控制、白平衡和图像质量方面的控制，如色调、饱和度、对比度、亮度等。经过模拟处理后的视频信号送到AD转换器进行电平校正，然后转换为数字信号。数字信号处理器根据控制信号的指令进行图像格式变换，支持RAW RGB、RGB(GRB 4：2：2)、YUV(4：2：2)和YCbCr(4：2：2)多种格式，变换好的数字信号通过数字接口逐个像素传送给与之连接的主机系统。通讯控制部分接收来自主机系统的控制命令，对整个模块的运行进行操作管理。

发展前景和下一步目标

以日本为代表的发达国家和以中国为代表的发展中国家对带摄像功能的移动电话的需要正在快速持续地增长，大有取代低中端数码相机之势。据有关方面预测，2004年全球手机产量为6．2亿部，其中带摄像功能的就有近2亿部，主流品种是VGA(30万像素)；到2005年，130万像素将成为带摄像功能的手机的主流品种。作为，T产业的重要产品——手机，其更新换代之速度大概也要遵循摩尔定律吧。本项目正式立项时即2003年中期，发达国家的VGA摄像模块刚进入批量生产，当时在国内市场上还只能买到带CIF摄像模块的手机，而且大多是外接式的。而仅仅隔了一年半的今天，在国内市场上带内置式VGA摄像模块的手机已开始普及，并已出现130万像素的手机。所以，从市场的前景来考察，手机摄像模块绝对是有极为光明的前途的。

问题在于在这激烈的竞争中如何争取占有一定的市场份额，这就得依靠提高杭州照相机械研究所工程中心的综合实力，特别是依靠拥有自主知识产权。通过本项目的研究，工程中心掌握了移动电话内置式VGA数码摄像模块的技术，尤其是高质量非球面镜头的设计制造技术，为进一步开发较高像素手机摄像模块打下了坚实的基础。

工程中心将与有关单位携手尽快地实现VGA手机摄像模块的产业化，根据杭照所的实际情况和特长，将把主要精力集中在非球面镜头的批量生产上；与此同时，着手130万和200万像素手机摄像镜头的开发和生产，并开展关于手机摄影中的ZOOM(变焦)技术和AF(自动调焦)技术的研究。