一种易于集成的200万像素手机相机完整解决方案

典型的电路配置

图2显示了MT9D111的一种典型配置。双线串口是相机的配置端口和控制端口，所有用于配置此传感器和处理器的寄存器都可以通过此双线串行总线进行存取操作。一旦主控制器开始对传感器进行配置，数据通讯量非常小。主控制器向MT9D111发送一个单一指令，使其进入预览模式。SoC/传感器然后就执行所有的处理和接口控制过程，以便向控制器反馈连续、高帧率、低能耗的视频数据。

在拍摄快照的时候，主控制器将通过双线串行总线发送另一类单一指令。然后相机将执行预先配置的步骤，包括控制闪光灯、自动控制曝光、色彩平衡、自动聚焦、拍摄画面、发送信号以关闭机械快门，然后执行JPEG图像压缩过程。最后，YUV或RGB输出将可以在并行数据输出端口获得。此时，主控制器将返回到预览模式，或者切换到简单的视频拍摄模式。

存贮在MT9D111中的默认值可以为其提供卓越的性能。然而，如果要求性能做出某些特定变化，可以通过串行端口调整各种寄存器的设定值。

相机设计所面临的挑战和解决方案

小尺寸的模块化设计将带来严峻的技术挑战：如何将镜头、传感器和处理器集成在一个低成本而高效的设计模块中去，并满足用户对拍摄质量的预期值。下文描述了几个最重要的挑战，以及针对它们的解决方案。

1. 相机镜头与传感器的集成

图2：MT9D111的典型接线图。

拍摄镜头和传感器之间的接口是整个可拍照手机系统中最重要的接口之一。随着镜头的长度变得越来越短，光线到达传感器像素位置的角度也就会变得越来越大。每个像素上都有一个微镜头。微镜头的主要功能就是将来自不同角度的光线聚焦在此像素上。然而，随着像素位置的角度越来越大，某些光线将无法聚焦在像素上，从而导致光线损失和像素响应降低。

从镜头的传感器一侧，可以聚焦到像素上的光线的最大角度被定义为一个参数，称为主光角(CRA)。对于主光角的一般性定义是：此角度处的像素响应降低为零度角像素响应(此时，此像素是垂直于光线的)的80%。

光线进入每个像素的角度将依赖于该像素所处的位置。镜头轴心线附近的光线将以接近零度的角度进入像素中。随着它与轴心线的距离增大，角度也将随之增大。CRA与像素在传感器中的位置是相关的，它们之间的关系与镜头的设计有关。很紧凑的镜头都具有很复杂的CRA模式。如果镜头的CRA与传感器的微镜头设计不匹配，将会出现不理想的透过传感器的光线强度(也就是"阴影")。通过改变微镜头设计，并对拍摄到的图像进行适当处理，就可以大大降低这种现象。

改变微镜头设计可以大大降低阴影现象。然而，在改变微镜头设计时，必须与镜头设计者密切配合，以便为各种拍摄镜头找到适合的CRA模式。相机的设计工程师应该确保这种技术合作得以实现，并确保传感器与镜头CRA特性可以很好地匹配。为确保成功实现此目标，美光开发了相关的仿真工具和评价工具。

由于光线是沿着不同的角度入射到传感器上的，因此对于各种镜头设计而言，阴影现象都是固有的。"cos4定律"说明，减少的光线与增大角度余弦值的四次方是成比例关系的。另外，在某些镜头设计中，镜头可能本身就会阻挡一部分光线(称为"晕光")，这也会引起阴影现象。所以，即使微镜头设计可以最小化短镜头的阴影现象，此种现象还是会多多少少地存在。为了给相机设计者提供额外的校正阴影现象的方法，MT9D111中内嵌的图像处理器包含了阴影校正功能，它是为某些特定镜头而定制的。

为了帮助设计工程师将传感器集成在他们的产品中，美光为其生产的所有传感器产品提供了各种开发软件。通过使用这些软件，相机设计工程师可以简化对各种芯片特性默认值的修改过程。每种变化的结果都可以显示在一个PC监视器上。对于很多相机中用到的新型镜头，通过使用这个开发系统，可以对校正镜头阴影和空间色彩失真进行参数设置。通过使用一个均匀点亮的白色目标，可以对设置响应过程进行简单的试验。软件开发工具可显示对阴影现象的分析结果。之后，工程师就可以使用区域方法来应用校正值。关于校正过程的寄存器设置将保存在开发系统中，以用于相机设计。

2. 内置的光斑消除功能

在某些光照条件下，镜头设计以及镜头与传感器防护玻璃罩之间相互干扰可能会引起光斑现象。虽然镜头设计工程师都会在设计过程中尽量消除光斑现象，但是对于结构紧凑的镜头而言，消除光斑现象仍然非常具有挑战性。

例如，镜头中的内挡膜(baffle)有时可用于阻挡住多余的反射光。然而，内挡膜往往是需要占用一定空间的，而在很短的镜头中，要找到这样的空间往往是不可能的。

类似地，从传感器防护玻璃罩来的反射光也将会增加镜头内的反射光总量，而这在最初的镜头设计过程中是被忽略的。MT9D111具有实时的光斑消除功能。IFP的统计功能之一就是生成柱形图，它可以连续地监控图像，并识别出明显的光斑。通过这种光斑消除功能，图像处理器可以连续地降低图像光斑现象。

3. IR截止过滤器和传感器的集成

在相机设计中，会使用到两类典型的IR截止过滤器。一种类型是电介质薄膜过滤器，它通过选择反射来过滤IR能量。第二种是吸收型过滤器，也就是一般所说的"蓝玻璃"过滤器，因为它的外形类似蓝玻璃。对于很小型的摄像模块而言，电介质薄膜过滤器要优于吸收型过滤器。吸收型过滤器一般做成独立的玻璃元件，而通过增加涂层，电介质薄膜过滤器可以做成镜头式样，这样就可以节省空间。电介质薄膜过滤器也不易受到湿度和温度的影响，更重要的是，电介质薄膜过滤器的成本要比吸收型过滤器低很多。

4. 摄像模块和手机的集成－EMI控制

在将摄像模块集成在手机的过程中，最主要的挑战之一就是如何确保两者之间的接口不会引起过量的电磁干扰(EMI)。随着位速率频率和位上升时间不断增加，对电路板进行高频设计就变得越来越重要。给出详细的降低干扰的布局准则不是本文关心的主题，但这里将给出高频设计的通用准则。

最有效的解决电磁干扰的方法就是减少电磁干扰源。由于印刷电路板是一种电磁干扰源，所以一种好办法就是使电路中的印制线阻抗变化最小化。例如，斜接印制线转角并使用45度的印制线转角就是很重要的布局准则，这样可以使阻抗变化最小化。另外，未终接的高速数字印制线和阻抗不连续的位置都存在反射，或者会引起振荡，这两种情况也都是高频干扰源。

另一种终结高频干扰的办法就是增加低通电阻电容(RC)滤波器，以减慢上升时间。可以使用各种表面安装的滤波器，它们是专门设计用于终接线路的，可以有效解决高频干扰，但是需要增加成本，并需要额外的安装空间。为了减少对这种滤波器的需要，MT9D111图像传感器中增加了可编程转换速度控制器和一个先进先出(FIFO)缓冲器。通过降低信号的转换速度，就可以避免高频谐波。通过将数据成块地存入缓存区并降低数据子帧的数量，FIFO缓冲器可以降低电磁干扰现象。多种接口具有软件可控的转换速度：数据输出、像素时钟、帧有效性、线有限性、GPIO和串行数据。

除了可以最小化电磁干扰源，电路板布局设计还可以使电压干扰源和敏感电路之间的耦合最小化。将模拟电路和数字电路分隔开也是一种有效的避免电磁干扰的方法。同时，长线路和可能在电路板上形成巨大回路的线路，也将变成高速数据线的天线。因此应尽量避免在布局设计过程中使用这两种线路。

5. 电源和接地设计

为了获得良好的摄像性能，电源和接地设计是需要重点考虑的因素之一。接地和配电过程中的噪音耦合都将在图像中形成可视的干扰。三个重要的设计原则是：连接传感器上所有的电源和接地管脚；使数字区域和模拟区域相互独立，并尽可能使数字区域和模拟区域远离图像传感器；提供有效的电压调节。