本文採用了新型的美光MT9D111 200萬畫素CMOS影像感測器作為實例，詳細介紹了其技術特性、電路配置，並分析了在手機上整合數位相機的技術挑戰和應對方法，以及未來手機相機的發展趨勢。
可拍照手機的市場需求將會不斷成長，這種趨勢由更高性能可拍照手機的不斷發展而推動，它將可以在更廣泛的應用場合下獲得更高的影像品質。MT9D111在單晶片系統上整合了一個200萬畫素影像感測器和影像處理技術。單晶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質影像。MT9D111也可以簡化設計工程師的工作，因為所有的處理功能、記憶體以及與鏡頭的介面都整合在一個單感測器處理晶片上。
技術特性
MT9D111是一種1/3英吋、200萬畫素的CMOS影像感測器，它整合了相機系統。此相機系統包含一個複雜的影像串流處理器(IFP)、一個即時JPEG編碼器、一個整合的微控制器、閃光支援、自動聚焦、光學縮放以及機械快門。整個單晶片系統(SoC)可以在低照度條件下提供良好性能，而且具有低功耗特色。
圖1：美光MT9D111感測器單晶片系統結構圖。圖1為MT9D111的結構圖。這個影像感測器搭載了一個嵌入式微處理器，它是一種完全獨立的相機系統，並帶有所有影像處理所需的記憶體。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會上載初始配置數據(影像大小、時脈頻率等)，使SoC在拍攝影像和傳輸影像數據時，只需發送簡單的控制訊號。
1.感測器設計 1/3英吋的感測器使用了2.8μm的畫素，它既可以作為完整的相機解決方案，也可以作為獨立的感測器。其特點包含：弱暗電流和高靈敏度，能在各種場合下拍攝出品質很好的影像；一個10位元的類比數位轉換器，能平滑影像色調，並在影像處理過程中使用10位元的處理精度；高速處理能力，可提升視頻訊框率，進而達到30fps(800 × 600)、15fps(最大解析度1,600 × 1,200)、15fps M-JPEG(使用SoC時)；訊框面大小可調整，從而確保視野完整；先進感測影像糾錯系統，可以避免遮蔽現象。
2. SoC特性 這顆SoC相機解決方案具備更多技術優勢，以確保拍攝出高品質的影像，同時使模組和手機之間易於整合。該元件能為用戶提供‘傻瓜型’的自動影像拍攝功能，無需任何手動影像處理過程，從影像捕捉到輸出為YUV或RGB都能在單晶片上獨立完成；高速自動白平衡同時帶有灰度檢測功能，能在各種光照條件下實現高品質的色彩平衡；可評估測量和帶背光補償的自動曝光控制，能在拍攝背景對比很強情況下強化性能；自動的防閃爍特性則可消除來自螢光照明的干擾。
MT9D111也具有鏡頭－處理器整合特性。一般情況下，微型鏡頭對設計產生的限制以及研發費用的限制，都可能影響到性能，並導致新型設計投放市場的周期被延長。而MT9D111的鏡頭明暗校正能補償穿過鏡頭的光照梯度；加上其3通道的鏡頭明暗校正能確保可在緊湊的鏡頭設計中使用低成本的IR過濾器，從而解決了這些問題。
這顆單晶片元件還帶有鏡頭光斑補償、自動聚焦測量和使用感應資訊進行控制、通用輸入輸出(GPIO)介面、機械快門控制等功能，並整合了內建式閃光測速器控制(Xenon或LED閃光)；JPEG壓縮FIFO演算法(壓縮率完全可調)；可獲得更高訊框率的PLL設計；內建式記憶體；以及內建的降低EMI功能。
典型的電路配置
圖2為MT9D111的標準配置。雙線串列埠是相機的配置埠和控制埠，所有用於配置此感測器和處理器的暫存器都可以透過此雙線串列匯流排進行存取作業。一旦主控制器開始對感測器進行配置，數據通訊量非常小。主控制器向MT9D111發送一個單一指令，使其進入預覽模式。SoC/感測器然後就執行所有的處理和介面控制過程，以便向控制器反饋連續、高訊框率、低能耗的視頻數據。
在拍攝快照的時候，主控制器將透過雙線串列匯流排發送另一類單一指令。然後相機將執行預先配置的步驟，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、發送訊號以關閉機械快門，然後執行JPEG影像壓縮過程。最後，YUV或RGB輸出將可以在平行數據輸出埠獲得。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。
儲存在MT9D111中的默認值可提升該元件性能。然而，如果要求性能做出某些特定變化，可以透過串列埠調整各種暫存器的設定值。
相機設計所面臨的挑戰和解決方案
小尺寸的模組化設計將帶來嚴峻的技術挑戰：如何將鏡頭、感測器和處理器整合在一個低成本而高效的設計模組中，並滿足用戶對拍攝品質的預期值。下文描述了幾個最重要的挑戰，以及針對它們的解決方案。
1. 相機鏡頭與感測器的整合 拍攝鏡頭和感測器之間的介面是整個可拍照手機系統中最重要的介面之一。隨著鏡頭的長度變得越來越短，光線到達感測器畫素位置的角度也就會變得越來越大。每個畫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畫素上。然而，隨著畫素位置的角度越來越大，某些光線將無法聚焦在畫素上，從而導致光線損失和畫素響應降低。
從鏡頭的感測器一側，可以聚焦到畫素上的光線的最大角度被定義為一個參數，稱為主光角(CRA)。對於主光角的一般性定義是：此角度處的畫素響應降低為零度角畫素響應(此時，此畫素是垂直於光線的)的80%。
光線進入每個畫素的角度將依賴於該畫素所處的位置。鏡頭軸心線附近的光線將以接近零度的角度進入畫素中。隨著它與軸心線的距離增大，角度也將隨之增大。CRA與畫素在感測器中的位置是相關的，它們之間的關係與鏡頭的設計有關。很緊湊的鏡頭都具有很複雜的CRA模式。如果鏡頭的CRA與感測器的微鏡頭設計不匹配，將會出現不理想的透過感測器的光線強度(也就是‘陰影’)。透過改變微鏡頭設計，並對拍攝到的影像進行適當處理，就可以大幅降低這種現象。
改變微鏡頭設計可以大幅降低陰影現象。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，並確保感測器與鏡頭CRA特性可以很好地匹配。為確保成功實現此目標，美光開發了相關的模擬工具和評價工具。
由於光線是沿著不同的角度入射到感測器上的，因此對於各種鏡頭設計而言，陰影現象都是固有的。‘cos4定律’說明，減少的光線與增大角度餘弦值的四次方是成比例關係的。另外，在某些鏡頭設計中，鏡頭可能本身就會阻擋一部份光線(稱為‘光暈’)，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，此種現象還是會多少存在。為提供額外的校正陰影現象方法，MT9D111中內嵌的影像處理器包含了陰影校正功能，它是為某些特定鏡頭而定製的。
為了幫助設計工程師將感測器整合在他們的產品中，美光為其生產的所有感測器產品提供了各種開發軟體。透過使用這些軟體，相機設計工程師可以簡化對各種晶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監視器上。對於很多相機中用到的新型鏡頭，透過使用這個開發系統，可以對校正鏡頭陰影和空間色彩失真進行參數設置。透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。軟體開發工具可顯示對陰影現象的分析結果。之後，工程師就可以使用區域方法來應用校正值。關於校正過程的暫存器設置將保存在開發系統中，以用於相機設計。
2. 內建的光斑消除功能 在某些光照條件下，鏡頭設計以及鏡頭與感測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，但是對於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)有時可用於阻擋住多餘的反射光。然而，內擋膜往往是需要佔用一定空間的，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，從感測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具有即時的光斑消除功能。IFP的統計功能之一就是產生柱形圖，它可以連續監控影像，並識別出明顯的光斑。透過這種光斑消除功能，影像處理器可以連續地降低影像光斑現象。
3. IR截止過濾器和感測器的整合 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，它透過選擇反射來過濾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。對於很小型的相機模組而言，電介質薄膜過濾器要優於吸收型過濾器。吸收型過濾器一般做成獨立的玻璃元件，而透過增加塗層，電介質薄膜過濾器可以做成鏡頭式樣，這樣就可以節省空間。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. 相機模組和手機的整合－EMI控制 在將相機模組整合在手機的過程中，最主要的挑戰之一就是如何確保兩者之間的介面不會引起過量的電磁干擾(EMI)。隨著位元速率頻率和位元上升時間不斷增加，對電路板進行高頻設計就變得越來越重要。
最有效的解決電磁干擾的方法就是減少電磁干擾源。由於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刷線阻抗變化最小化。例如，斜接印刷線轉角並使用45度的印刷線轉角就是很重要的佈局準則，這樣可以使阻抗變化最小化。另外，未終接的高速數位印刷線和阻抗不連續的位置都存在反射，或者會引起振盪，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。可以使用各種表面黏著的濾波器，它們是專門設計用於終接線路的，可以有效解決高頻干擾，但是需要增加成本，並需要額外的黏著空間。為了減少對這種濾波器的需要，MT9D111影像感測器中增加了可程式轉換速度控制器和一個先進先出(FIFO)緩衝器。透過降低訊號的轉換速度，就可以避免高頻諧波。透過將數據成塊地存入快取記憶體並降低數據子訊框的數量，FIFO緩衝器可以降低電磁干擾現象。多種介面具有軟體可控的轉換速度：數據輸出、畫素時脈、訊框有效性、線有限性、GPIO和串列數據。
除了可以最小化電磁干擾源，電路板佈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。將類比電路和數位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迴路的線路，也將變成高速數據線的天線。因此應盡量避免在佈局設計過程中使用這兩種線路。
5. 電源和接地設計 為了獲得良好的相機性能，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影像中形成可視的干擾。三個重要的設計原則是：連接感測器上所有的電源和接地管腳；使數位區域和類比區域相互獨立，並盡可能使數位區域和類比區域遠離影像感測器；提供有效的電壓調節。
功能特性發展趨勢
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的快速成長。預期的發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影像。
最明顯的趨勢是，手機和模組製造商對相機畫素尺寸的要求範圍將更廣。在接下來的兩至三年時間內，預計畫素尺寸將降低至2μm以下。向更先進的鏡頭功能發展的趨勢也是非常重要的。自動聚焦和快門將廣泛應用於200萬畫素的手機中，而變焦鏡頭將很有可能應用於300萬畫素的可拍照手機中。現在很多手機都已經具備有視頻拍攝功能，這也將繼續成為可拍照手機的賣點，在接下來的兩至三年內，有可能在VGA解析度條件下獲得25至30fps的訊框率。
將來更重要的是與鏡頭製造公司密切合作，將感測器性能整合在先進的鏡頭設計之中，這樣一來從事終端設備開發的公司就可以快速而方便地將高品質的模組整合在一系列手持終端設計平台上。
作者：Dan Morrow 技術行銷經理 Michael Hartmann 高級軟體設計工程師 Jonathon Fewkes 模組產品經理 Jon Paul Vivere 相機系統工程師 Email:jvivere@micron.com 美光科技股份有限公司
