數位裝置的靈魂之窗 – Camera Module

Posted by Mr. March

我們常說眼睛是人類的靈魂之窗,那對於手機和平板來說呢?當然就是Camera Module囉!

關於那隻手機拍照的好壞評比,這在各大數位部落格上應該已經有很多相關的資訊了,今天Mr. March 不談這個,今天主要想談的是關於手機上的Camera Module相關的原理和硬體知識等,基本上不會談得太深入,就是一些雜談,目標是深入淺出總覽式的講一遍,讓大家對Camera Module和相關的硬體有一個簡單的概念!

module

 

圖片來源 : 三星官網

首先呢,我們先把一個Camera Module拆開成幾個硬體上的Part,如上面圖片所示

  1. Lens
  2. VCM
  3. IR-Cut
  4. Sensor
  5. PCB

那麼我們開始一項項談起吧!

首先是Lens(透鏡),講到Lens大家應該都立馬可以想到大立光!大立光在數位用的Lens的生產上真的是佼佼者。Lens組的高度通常就決定整個模組的高度了。通常一個8M Lens組目前業界的高度大概就是3.5-4.0mm左右,當然還會受到一些其他因素的影響(像是鏡片的可視角有多寬,通常廣角鏡的總高度都會比較矮,或是像iPhone6用大Pixel Size的Sensor帶來的副作用就是Lens組肯定要比較高,所以最後就只好凸出機體了….),一個Lens組裡面當然就有好幾片塑膠鏡片啦,注意到塑膠這個詞了嗎?相較單眼相機或是手持數位相機,手機的相機都是用塑膠鏡片的,(因為玻璃鏡片很貴阿)塑膠的製程和傳統的玻璃製程當然不一樣,這也是為什麼傳統的玻璃鏡片廠在數位鏡頭這一塊競爭不贏大立光的原因,在這塊領域上大立光可是先行的佼佼者。認真說起來要畫光學設計圖其實目前檯面上各家的光學設計工程師應該都不太差,水平是相當的,但是實作面上就差多了,在製程方面大立光應該是真的有他一個獨到的地方,當然也是保密到家,就連大客戶Apple都不准進去參觀它們的產線。在製造技術上的領先也是現在大立光能夠領先群雄的關鍵因素。

再來是VCM(音圈馬達),做為推動Lens進行對焦的VCM,他的好壞最自然的影響到的就是對焦的好壞,一般來說VCM和Lens之間是有所謂的螺牙的搭配性的,就好比螺絲和螺帽一樣,業界也存在著一些既定的配對規格,Lens搭配到不合致的VCM就會產生對焦不良的狀況。

講到VCM就不得不提一下最近隨著iPhone6 Plus 搭載後變得很火紅的OIS(光學防手震Optical Image Stabilizer)技術,其實OIS技術Apple也不是第一個在手機上使用,早先的HTC One,LG G2等機種就已經在使用了,OIS的原理說起來其實真的不難,簡單來講如下圖所示就是在物體晃動的時候將鏡片推動使成像的影像會落在晃動前的位置上。

OIS

 

圖取自: http://www.soomal.com/doc/20100002718.htm

原理不難,但是實做起來很難,如何控制這個東西是一個很精妙的學問,就連Apple也在此技術上遇到了一些困難http://share.inside.com.tw/posts/10056

如果控制得不好就有可能會變成像上面的連結這樣,所以說OIS這門技術實在是還有一些進步的空間。

接下來我們談談IR-CUT(紅外光濾片),因為Sensor跟人眼畢竟還是不太一樣,不只會感應到可見光,也會感應到紅外光,所以加上IR-CUT的最大用途就是阻絕這些紅外光,提到IR-CUT就不得不提曾經紅極一時的SONY F717,當時網路上盛傳此款DV能夠透視衣物,關於這件事情呢,答案就是:是的,如果你穿得很薄的話。因為當時的F717有一個Mode就叫做紅外線攝影,他的IR-CUT是可移動式的,將IR-CUT移開就是紅外線錄影模式啦!在得以偵測紅外線的情況下,的確是可以穿透一些較薄的布料.甚至還有人對此做了一番實驗寫了一篇文章。

參考網址:http://www5.hwsh.tc.edu.tw/c/document_library/get_file?uuid=3fe5432e-87d8-4f83-b382-11520152bfcd&groupId=339268

IR-CUT除了一般的傳統材質外,近來多使用藍玻璃,可以較為有效的抵抗降低光線從較大的角度射入或強烈的光線射入時造成的耀光現象,以這一兩年目前市面上可見的各家旗艦機種都有搭載藍玻璃型的IR-CUT,儼然已是業界中的標準配備。

flare

圖:沒搭載藍玻璃時會有的強光源下耀光現象 圖片來源:T客邦

再來要提的是Sensor,sensor決定的事情可多了,如雜訊量和資料傳輸量(這個數值決定了你拍一張照片要等多久)等等。

首先呢,關於Sensor,你可以先想像一下他上面是一個一個的點,每個點就是一個Pixel,就是一個感光點,以一個13Mega的Sensor來講,上面就有4096X3072個感光點,你一定會想說現代Sensor的製程這麼強,這中間只要有一個點壞了就報廢了一片Sensor,答案其實是否的,因為現在的影像後處理都有壞點補償機制,甚至Sensor裡自己就有內建壞點補償機制還有雜訊的處理機制,所以基本上不要遇到連續在一起的壞點,都是可以靠左右點進行補償然後出貨的!

我們在買手機時常常會很看重夜拍能力,這件事情很大一部分就決定於Sensor的Pixel Size上面。每一個點越大,進光量自然就越多,雜訊就會越低,夜拍能力就越好,但是Pixel Size放大不只是Sensor會變大,搭配用的Lens也會等比例放大,Module就變高了,所以這部分就是Trade off囉,像iPhone6就使用大Pixel Size的Sensor,就算Apple的機構堆疊設計的再好,也只能讓Camera凸出機身,當然,也可以選擇讓機身變厚,不過看來Apple最後是選擇了讓Camera凸出來;HTC的M8則是做了另一個選擇,Pixel Size弄更大,但是讓總像素降低,M8的主相機只有4M就是這個原因,當然這也帶來了非夜拍場景下其實4M的主相機是比較弱勢的這個問題,那如果不在Pixel Size上做文章那要強化夜拍還能在那裡做文章呢? ASUS的手機用了另一個比較特殊的方式就是進行切換Mode將4個Pixel當做一個Pixel用,以應付夜拍時光源不足的狀況。目前各家主打夜拍的手機在夜晚拍拍風景個人覺得都還OK但如果要在夜晚拍人像,衷心建議,開個閃光燈效果會更好。(不過有些人覺得開了閃光燈會閃的眼睛不舒服還有看起來會很怪這點就見仁見智囉)

最下面的就是PCB(印刷電路板)囉,這個就是用來連接Module傳輸資料給device的。

這些東西組起來後還有一個很決定性的關鍵性的東西 – ISP (Image Signal Processor) 以手機來說通常就是包在你的Platform(ex: Qualcomm , MTK, Intel)裡啦!預算高一點的手機可能就會外掛一顆ISP晶片,通常外掛的晶片因為只專門處理影像,會比內建的ISP好很多.好的ISP帶給你良好的影像品質(EX:較銳利的影像,較好的雜訊處理),爛的ISP影像品質就只能爛成一攤在那邊,而且比較好的ISP也會帶來比較快的拍照速度,所以就算其他的硬體料件用的在好,用了一個有夠低階的ISP,那麼一切也是枉然功虧一簣。(一分錢一分貨阿!)

希望這篇文章能夠讓大家對於拿在你手上一手掌握的手機上的那顆相機有更進一步的了解,畢竟所謂的智慧型手機開始發展起來也不超過10年,而上面的這顆Camera Module開始有了突飛猛進的進展也不過是最近幾年的事情,10年前誰又可以料到現在人手一支手機隨時隨地都可以愛怎麼拍就怎麼拍呢?你看看紅米or Zenfone都可以5000塊有找一隻,而且拍起來對眼睛不挑的人其實跟20000塊一隻的真的差不到非常遠,(當然其實還是有差,不過大家可以考慮一下價位差的因素)而這一切都有賴於這一顆長寬高都不超過1公分的Camera Module,你怎能不讚嘆現代科技的巧奪天工!

希望下次還有機會能夠繼續跟大家分享更多跟手機和行動裝置數位影像有關的科技新知,我們下次再會!

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