カメラと携帯電話の画像処理の基本的なプロセス:
まず、シーンの光がレンズから受光され、その光信号がレンズと受光素子を介して電気信号に変換され、ISP 画像によって処理されて、最終的に画面に表示されます。
レンズ内のコンポーネントが異なると、画像に異なる効果が現れます。各パーツの役割は異なりますが、この記事では各パーツの謎を紹介していきます。
より具体的なコンテンツについては、 「レンズ イメージング原理の秘密」を参照してください。
目次
1. カメラの撮像原理
カメラの撮像の最も基本的な原理は凸レンズ結像であり、光がレンズを通過すると虚像が形成され、その虚像がスクリーンに伝送されて表示されます。
レンズは外光を受けて撮像モジュールに当たり、レンズの伸縮を制御することでより鮮明な画像や広視野角の画像を実現します。
カメラ モジュール全体は、レンズとセンサーの組み合わせとして理解できます。レンズはさまざまなシーンからの光を受け取る役割を担い、センサーは光を CPU が処理できる電気信号に変換し、ディスプレイ出力に色を付ける役割を担います。
2. レンズモジュール構成
構成は上からレンズレンズ、ボイスコイルモーターVCM、フィルターIR/ブルーガラスBG、ブラケットBracket、感光チップセンサー、プリント基板PCB、コネクター、SMT実装部品等です。各パーツを一つずつ紹介していきます。
2.1 レンズ レンズ
カメラをいじる学生にとって、良いレンズは高価であり、さまざまなシーンで写真を撮るにはさまざまな仕様のレンズを装備する必要があることをよく理解していると思いますが、イメージングの最初のコンポーネントであるレンズは非常に重要です。
その全体的な効果は凸レンズであり、その主な機能は光を集めることであり、シーンからの光が感光性要素上に集められるようになります。レンズは受光素子の点灯率を決定します。
現代のレンズのコストと効果を考慮すると、レンズは単なるガラスレンズではなく、ガラス（ガラス）素材とプラスチック（プラスチック）素材で作られており、ガラス素材はプラスチック素材よりも高価ですが、ガラス素材の光透過効果が優れているため、レンズの数が増えるほどコストが高くなります。
写真では、レンズ鏡筒は主にレンズを支持および保護しており、外光の影響を避けるために全体が遮光材料で作られています。一般に、鏡筒の形状はカメラレンズの方が顕著です。
スペーサーはレンズ構造をサポートし、レンズ間隔を制御するために使用されます。
プレスリングはレンズ全体を固定し、レンズ構造を保護・強化するとともに、FOVを制御する射出瞳としても機能します。
したがって、現代のレンズは複数のレンズで構成されています。例えば、現在の携帯電話の主流のレンズは 1G3P です。これは、レンズが 1 枚のガラスレンズと 3 枚のプラスチックレンズで構成されており、最高の結像効果と低コストを実現します。
2.2 ボイスコイルモーター VCM
VCM（ボイスコイルモーター）ボイスコイルモーターはフォーカシング、つまりAFモジュールに使用され、ボイスコイルモーターによってレンズを最適なクリアポイントに移動させることができます。
VCM の原理は、モーターのコイル電流を使用して永久磁場内のバネ板の位置を変更し、レンズをズームして画像を最も鮮明にすることです。
2.3 フィルター IR/ブルーガラス BG
フィルターIRフィルター（赤外線カットフィルター）、つまり赤外線カットフィルターは、レンズとセンサー受光素子の間にあり、主に光のフィルタリングに使用されます。
人間の目で認識される可視光の波長は 380 ～ 770nm であり、CMOS センサーによって認識される光の波長範囲は 350 ～ 1000nm であるため、センサーの波長範囲はより広く、赤外光を受け取ることになり、生成される画像の全体的な変換と人間の目に見えるものの間に差が生じ、フィルター後の画像は人間の目に近づきます。
ブルーグラスBG（ブルーグラス）は吸収フィルターです。反射型の通常の IR フィルターとは異なり、BG はより優れた画像効果をもたらしますが、それに応じてコストも高くなります。
通常の表面のIRフィルターは反射型で可視光域では反射率が非常に低く基本的に効果はありませんが、赤外域では放射率が高くハローが発生します。ブルーガラスBGは吸収ガラスですので大きな反射はありません。
一方、通常のIRは入射角に対するオフセットが大きくなりますが、ブルーガラスBGはオフセットが小さく、色ムラや黒コーナー、赤斑などの問題は発生しません。
携帯電話市場では、Apple は iPhone 4 以来ブルーガラス BG フィルターを使用しており、多くの携帯電話もより良い画質を実現するために多層コーティングされたブルーガラスフィルターを使用しています。
2.4 ブラケット
名前の通りサポート用で、主にVCMとレンズを搭載し、内部空洞には受光素子センサーやドライバーICなどが配置されます。
このうち、Driver IC はフロントのボイスコイルモーター VCM に関係しており、Driver IC を介して電流を制御することで VCM の位置を制御します。
2.5 感光チップセンサー
イメージ センサーとしても知られる感光性チップ センサーは、カメラ グループ全体の中核コンポーネントです。その主な機能は光信号を電気信号に変換することであり、センサーコンポーネントの品質は画像効果に直接影響します。
写真界では「最下層は人を圧殺する」という格言がありますが、これはどういう意味でしょうか？つまり、センサーの面積が大きいほど、より多くの光信号を受け取ることができ、画質が向上します。カメラにおいてセンサーが重要な役割を果たしていることがわかります。
広く使用されている感光素子センサーには 2 種類あり、1 つは CCD (電荷結合) 素子、もう 1 つは CMOS (相補型金属酸化物導体) デバイスです。
CCD デバイスは光を電荷に変換し、電荷を蓄積および転送することができ、また蓄積された電荷を取り出して電圧を変更することもできますが、CMOS は実際にはシリコン ブロック上にトランジスタを配置して電気信号を出力するだけです。そのため、CMOSの方がコストが安く、CCDの方が画質が良く、高級カメラに多く使われています。
現在、主流の携帯電話メーカーのカメラ モジュールは通常 CMOS デバイスです。限られたハードウェア環境では、両者の画質は非常に近く、CMOS の方がより良い結果を生み出すことができます。
この記事では、CMOSデバイスの主な種類を表面照射型と裏面照射型に分けて紹介します。
インターネット上の古典的な構造図を見ると、表面照射型と裏面照射型の違いは金属配線層とフォトダイオードの位置にあり、古典的な表面照射型金属配線層はフォトダイオードの上にあり、裏面照射型金属配線層はフォトダイオードの下にあります。
フォトダイオードの上に金属回路層を設けた表面照射型は、金属層による光信号の遮断が少なく、裏面照射型は表面照射型に比べて光利用率が30％以上高いため、より繊細でノイズの少ない写真を撮影でき、低照度下での撮影効果が大幅に向上します。
しかし、そんな単純な原理は誰もが理解しているのに、なぜ表面照射型の構造になっているのでしょうか？結局のところ、これはやはり生産技術の問題であり、当時は裏面照射型構造の生産レベルが存在せず、裏面照射型構造のメリットを享受することができなかったのです。
現在、主要な携帯電話メーカーはすべてセンサーセンサーについて大騒ぎしており、携帯電話の最初の数メガピクセルから現在の主流の 5,000 万ピクセル IMX989 1 インチ スーパー アウトソール センサーに至るまで、携帯電話メーカーはカメラに関しても多くの取り組みを行っています。
2.6 回路基板 PCB
PCB回路基板は、センサーの光電信号を送信し、カメラモジュールをメインプロセッサに接続し、データ送信を実行するために使用されます。
現在、携帯電話には、軽く、薄く、短く、小さいフレキシブル プリント基板 (FPCB) がさらに多く使用されています。
カメラの機能がますます複雑になるにつれて、送信されるデータ量が増加しており、信号のノイズ問題を効果的に軽減し、画像送信効率を向上させるFPCB設計の重要性がますます高まっています。
そうですね、誰もが分割という単純な原理を通じてイメージング プロセスの基本を理解しています。
画像の良し悪しは、画像の基本であるレンズと受光素子の2つの部分で決まります。優れたハードウェアがあってこそ、優れた写真技術が発揮されます。賢い女性にとって、米なしで料理をするのは難しいのです。
ISP画像処理モジュールについては後期に紹介記事を載せる予定ですので、お楽しみに。