传感器模组：手机摄像头模组-1亿像素是如何实现的？

摄像头模组实现对图像信息的捕获。从传感器和人的关系讲，摄像头模组类似于人的眼睛，其作用不言而喻。

一、手机摄像头的发展历史

二、基本概念

三、摄像头组成及成像原理

四、多摄像头组合的成像原理

4.1 双摄

4.2 三摄

4.3 四摄

五、图像质量的影响因素

六、行业发展

参考

摄像头模组实现对图像信息的捕获。从传感器和人的关系讲，摄像头模组类似于人的眼睛，其作用不言而喻。

到2022年底，手机厂商推出的手机搭载了上亿像素的摄像头，背后的技术原理是什么？是传感器硬件本身能捕获到如此高的像素还是结合软件算法实现的？目前数码单反相机的像素宣传为6100万像素，而手机摄像头的像素已经高达上亿，那么是手机摄像头的效果已经超过了数码单反相机吗？

如下是目前单反相机和手机后置摄像头的参数情况：

2022年底上市的索尼 Alpha 7R v单反相机-像素6100万

2022年底上市的佳能 EOS R6 Mark II单反相机--像素2420万

2022年底上市的小米手机 Redmi Note 12 Pro+--像素2亿

2022年底上市的荣耀手机荣耀 80--像素1.6亿

一、手机摄像头的发展历史

2017年前-后置单摄+前置单摄方案（单摄像头像素达到瓶颈、逐渐放弃手机轻薄的优势）

2017年后-后置双摄、后置三摄、后置四摄等方案出现（为了提高拍照体验）

以及在摄像头中引入潜望式镜头

二、基本概念

像素(pixel)

像素表述为组成图像的最小单位

分为屏幕像素、数码像素

屏幕像素为真实物理尺寸上包含的像素个数，例如显示屏

数码像素为图像上包含的像素个数

分辨率

分为屏幕分辨率、图像分辨率

屏幕分辨率

屏幕每行的像素点数*每列的像素点数

例如显示屏表述的屏幕分辨率：1080p分辨率：1920*1080， 2K分辨率：2400X1080 ，4k分辨率：3840×2160

另一种表述方式ppi-Pixels per inch（屏幕像素密度)：

方形屏幕的对角线长度的像素点个数

屏幕ppi=

图像分辨率-resolution

每英寸图像内的像素点个数

像素纵横比

像素的长和宽的比，例如1:1、1:1.21、1:1.09，1:1.46等

三、摄像头组成及成像原理

摄像头模组由光学镜头、音圈马达、红外截止滤光片、图像传感器、PCB板等组成

拍摄景物时，通过音圈马达模组进行变焦，景物通过光学镜头和红外截止滤光片（人眼看不到红外光，但传感器可以，因此需将红外光滤掉使图像更接近人眼看到的效果），利用透镜成像原理将生成的光学图像投射到图像传感器上，该光学图像在图像传感器内部转换为电信号（光电二极管受到光照产生电荷，电荷转换为电压），电信号经过模数转换变为数字信号，数字信号经过DSP芯片处理，并以特定的格式进行存储和显示。

所述的图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

制造工艺上：CCD 和 CMOS 的主要区别主要是 CCD 是集成在半导体单晶材料上，而 CMOS 是集成在被称为金属氧化物的半导体材料上

组成结构上：ADC（数模转换器）位置和数量不同

CMOS图像传感器

传感器尺寸

1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等,尺寸越大则捕获的光子越多，感光性能越好

像素总数

所有像素的总和

有效像素数

总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素

四、多摄像头组合的成像原理

4.1 双摄

包括一个主摄像头+一个辅助摄像头，有如下组合方式：

两个摄像头拍摄的图像，通过算法融合处理获得特定效果（背景虚化、提升暗光拍摄质量等）的最终图像。

4.2 三摄

超广角、广角、长焦，实现焦段的覆盖

文章【8】列出目前有4种组合方式

1、主摄+超广角+长焦

2、主摄+超广角+虚化

3、主摄+长焦+虚化

4、主摄+夜视+TOF

小米note12+采用的方案：主摄（2亿像素）+超广角+微距

4.3 四摄

例如：主摄+超广角+微距+景深

随着厂家的对不同镜头的组合+融合处理算法实现特定的效果

通过上述的对手机摄像模组的介绍，相信我们对开头所提的问题已经有了清晰的答案。

手机厂商推出的手机搭载了上亿像素的摄像头，背后的技术原理是什么？是传感器硬件本身能捕获到如此高的像素还是结合软件算法实现的？

以Redmi Note 12 Pro+为例，后置摄像头：主摄（2亿像素）+超广角（800万像素）+微距（200万像素），其中多摄像头的组合是为了能得到更好的图像质量（背景虚化、提升暗光拍摄质量）、广角图像或微距图像等，其中的主要摄像头为2亿像素，通过上述摄像头模组的组成结构的介绍，我们可以知道2亿像素指的是图像传感器的感光尺寸固定为某一尺寸的情况下，有2亿个感光单元。也即是要么增加尺寸获得更多像素单元要么减小单个像素单元的尺寸。以ISOCELL HPX图像传感器（2亿像素）为例，该图像传感器的最小像素0.56微米（μm），尺寸为1/1.4英寸。

五、图像质量的影响因素

回到最初的问题：手机摄像头的像素已经高达上亿，那么是手机摄像头的效果已经超过了数码单反相机吗？

其实不是，成像的质量好坏，不仅仅取决于摄像头模组的图像传感器的像素，还取决于镜头的品质，以及是否支持光学变焦能力，在这点上单反相机的效果很好（影响图片质量的因素：传感器尺寸（感光传感器尺寸）、镜头（让图像传感器获得更加充足的光线、变焦、镜头素质）），而手机摄像头是通过搭载了多摄像头组合+算法融合处理的方式或者通过手机端实现真正意义上的光学变焦（潜望式摄像）来逼近单反的图像效果。可见专业的单反相机的成像效果依然是大于手机摄像的，但不久的将来，随着技术的进步，镜头和传感器的发展，手机摄像会越来越能部分替代单反相机。

六、行业发展

通过下表可看出，截止2022年9月，上亿像素的图像传感器主要有索尼、三星、韦尔股份等企业。

参考

【1】三星正在研发6亿像素的摄像头模组，如此高的像素真的好吗？ - OFweek电子工程网

【2】 CMOS 与 CCD 图像传感器的比较研究和发展趋势

【3】2020年中国智能手机摄像头行业短报告

【4】未来摄像技术的核心 —CMOS 图像传感器

【5】https://en.wikipedia.org/wiki/Pixel_density

【6】分辨率和像素是什么关系？ - 知乎

【7】智能手机双摄像头工作原理详解：RBG +RGB, RGB + Mono - 腾讯云开发者社区-腾讯云

【8】摄像头数量就是王道？深入解读在售三摄手机秘密|摄像头|三摄_新浪科技_新浪网

【9】ISOCELL HPX，三星电子2亿像素系列传感器再添新员 | 三星半导体官网