作者：譚磊

摘要

手機拍照的簡便性促進了拍攝普及，拍攝應用的普及反過來促進了有關技術和產品的進化發展。 為拍攝布光/閃光的關聯技術受到日益關注，成為改善用戶感受和產品差異化研究的一個重要方向。 本文介紹了一組對比實驗視圖為布光閃光設計提供幫助。

本文所述實驗在圣邦微電子公司北京實驗室由譚磊、高曉英完成；田懷山在圣邦微電子公司深 圳實驗室完成了電池電流沖擊和背光面閃驗證實驗。本組實驗以拍攝效果對比來為產品設計選擇提 供參考 ¹⁾ 。本文經王明和審閱校對。

1 實驗環境搭建

為開展這組實驗搭建一個暗室和拍攝場景，如圖 1 所示。這個暗室有照明（照明為冷色溫 LED 燈）時，拍攝對象中心位置的照度為 100lux，閉光時為 0lux。利用這個拍攝現場做不同亮度、不同 光色和不同布光閃光方式的效果對照。1個靈敏度為 10μA/lm 光電管被安放在中心位置，用來對比 使用氙燈閃光和 LED 閃光測量的照度和曝光量。對比的氙氣閃光燈的閃光指數為 GN60²⁾ ，有光束 成型和變焦能力。對比用手機像機原配為雙色溫 LED 閃光燈。

2 氙燈閃光與 LED 閃光的差距

氙燈亮度高、光譜更接近日光，但儲能電容的尺寸大，無法滿足手機外形設計的要求，不能連 續或者快速照明方便預覽。氙燈內置對手機來講很困難，而只可能作為輔助的外置配件使用（包括 使氙燈處于連續發光的布光燈，因其發熱和驅動復雜，也只適合做成附件）。盡管氙閃光燈不適合手 機，但它是被廣泛認知的典型設備，可以作為對比的標桿。圖 2 是氙燈閃光和 LED 閃光對比實驗的 光電流波形和圖像。

測量結果顯示 GN60 的氙氣閃光照射量大約是 2A 冷色溫 LED 閃光 20ms 照射量的 8.4 倍。也就 是說，以照射量看大電流 LED 閃光燈的能力已接近典型的氙氣閃光的水平。由于氙氣閃光的瞬時照 度要比 LED 大得多，相同曝光量中圖像傳感器暗電流噪聲的影響小很多。就這點而言，氙氣閃光也 優于 LED 閃光。

3 LED 閃光燈越亮越好

單從保證曝光量來看肯定是越亮越好。如果能把要拍攝的環境照亮到跟正常環境光亮一樣，以 正常環境設計優化的相機一定效果最好。拍攝時對所拍攝對象的照射來自不同的光源，并不是只有 閃光燈。有時需要控制閃光燈照射成份的比例。圖 3 是拍攝一盆綠植現場布光的例子。從遠處的背 景可以看到，它是在日間敞亮的室內環境搭建拍攝的；拍攝時如果要加入閃光燈照射的元素，則這 部分照射需要以合并照射的效果決定。

在具體的拍攝場景中閃光燈的照度不是越強越好，但從閃光燈的能力講，肯定是越強越好。閃 光布光的效果受到眾多因素的影響，例如光源反光影像的影響和閃光光源隨距離快速衰減導致遠近 亮度快速變化的影響 ³⁾，單靠提高照度改善拍攝效果可能帶來其它問題。這些負面效果限制了加大閃光電流。

4 加大 LED 閃光燈電流的瓶頸

制約加大電流的因素包括 LED 能力、驅動電路能力、電池輸出能力、散熱結構和閃光過程的控 制。白光 LED 中二極管材料可以承受高溫 ⁴⁾，制約 LED 的因素是熒光材料的熱熒光淬滅 ⁵⁾和光學封 料的熱穩定性 ⁶⁾。通過對恒流驅動時 LED 正向壓降的細微變化擬合分析測量了 LED 的溫度建立過 程，證實了晶體自己的升溫和晶體到封裝體的熱轉移存在較大時間差。圖 4 是對一種 500mA 白光 LED 測量時采集的波形，其晶體升溫的時間常數是 350ms，對封裝體傳導的時間常數是 1.7s；波形 中更長時間的變化是封裝體到其它熱容的平衡過程（如 PCB 和周圍氣氛）。這個實驗說明如果閃光 時間足夠短，例如<100ms，瞬時功率對熒光材料沒有影響。

進一步利用低占空比短脈沖驅動測量了不同電流時LED 的發光與驅動電流的關系，這時可排除 發熱的影響。圖 5 是對一種 1A 規格和一種 2A 規格 LED 閃光燈的測試；該 1A 規格的 LED 閃光燈 為 2015 年的產品，2A 規格為 2016 年 下半年的新產品，封裝均為 1.7×2.1×0.7（mm）。測試顯示該 1A 產品不宜提高電流使用，而 2A 規格的產品可提高到 3A 以上使用。

進一步在電流與發光都能保持線性的 1A 驅動電流下利用不同的占空比來代表發熱，測試這 2 種 LED 發熱對亮度的影響，見圖 6。顯見實驗用的相同封裝的 LED，無論是 1A 規格還是 2A 規格， 受熱影響表現接近。圖 7 是 2A 規格 LED 在 20ms 和 100ms 輸出（因發熱導致）發光衰減波形。

圖 8 是電池瞬態放電電流-跌落的曲線和一組電壓電流波形。測試顯示電池的瞬時電荷釋放能力 一直到受測試設備條件限制的 8C 均可維持正常（超出其放電能力時電池內阻突增。除內阻變化外， 過大脈沖電流加速老化和放氣的情況未做試驗；這部分特性依賴于電池工藝控制，不適合簡單試驗 評估）。SGM37895 系列均支持 2 路各 2A，最大可并聯提供 4 路共 8A 驅動能力；自動旁路升壓電路 SGM41280 提供 4.5A 輸出的電池電壓調理能力，保證輸出不受電池電壓瞬時跌落影響。綜合 LED、 電池和驅動的供應條件看，開發大電流閃光產品條件齊備；分開 4 通道共 4A 條件綜合最為成熟（電 池老化、散熱和 3:1 冷暖配置）。散熱是關鍵，需要減少脈沖持續時間減少發熱。

手機像機在拍照前處于連續圖像采集和預覽中；通常以 30fps 幀速率不斷更新。可從預覽圖像 中獲取閃光燈設置需要的大多數參數。由于不同拍攝對象閃光布光效果不同，并不能僅依靠其它光 源來確定有閃光拍攝時的參數 ⁷⁾ ，啟用 LED 使照射出現增量或者減量測算布光效果是必要。圖 9 是 圖像傳感器的曝光控制模式之一，在這個模式中閃光僅在所有像素行都在曝光中時啟動，可以有效 降低 LED 發熱。可以在斷續曝光期間隨時調節 LED 電流。

5 其它影響閃光燈拍攝效果的因素

圖 10 中的照片和它們的亮度直方圖用來說明閃光布光的效果以及影響布光效果的因素。右上照片是 在昏暗環境拍攝的，大量細節被壓縮到直方圖中低亮度的灰白區域。左上是啟用閃光拍攝的照片， 左下是對其像素亮度調整、放大灰暗細節后的圖像。近處對光源反射產生的耀斑壓制 ⁸⁾ 使傳感器對 其它亮度解析變差，把遠處的圖像壓制到了噪聲水平。提高閃光亮度不能改善壓制，只能通過拉遠 距離（需要提高閃光亮度）或采用面閃減少隨距離衰減改善。圖 11 是拉開距離拍攝對耀斑壓制效果 改善的實例。圖 12 是同一場景采用更大亮度閃光拍照的效果實例。

6 PS⁹⁾ 解決問題還是要雙色溫改善

圖 13 顯示了一幅照片調整不同分色像素直方圖得到冷暖色調圖像的示意。相關色溫 CCT 是描 述光源照明特性方法之一 ¹⁰⁾ 。CCT 指某個光源在明視亮度 ¹¹⁾ 下看起來跟特定溫度的白熾燈照射的效 果相似，該燈絲溫度即 CCT。物體被加熱到高溫時的發光包括兩個部分，其中一部分僅僅與溫度相 關，是原子熱運動有關的、穩定的本征特性。這部分跟材料成分無關，被稱為黑體輻射 ¹²⁾ 。黑體輻 射這種材料無關特性使其適用于計量比對。較低 CCT 的光照環境中紅色分量較多，景物看起來的色 調稱暖色；藍色分量大的色調即冷色。直接對照片不同顏色分量像素的亮度調整、調整不同顏色間 的關系 ¹³⁾ ，與調節拍攝時照明色調取得的效果一致，比調節照明更靈活。

采用單冷白色 LED 拍照時，藍色分量幅度大。按照日光光譜配置的各分量量化動態范圍，這時 無法照顧另外分量的幅度，壓制了其量化細節。采用雙色溫 LED 閃光布光，則可以保證不同分量信 號的幅度都在合適的范圍內。只有獲取的原始數據較好地包括了不同分量的細節后，對直方圖的調 節才可以保證良好復現和修飾。雙色溫閃光的目的是保證各分量都能獲取到最多細節，改善色分量壓制。

一幅圖像的分量和亮度直方圖是由拍攝景物和照明共同決定的。對機器視覺和供人觀察使用的 圖像獲取都要求盡可能獲得更多的細節，即各分量直方圖最好都在較高亮度的范圍內分布。供人使用的圖像在復現時（顯示和打印）還需要進一步保證在約定的正常觀察條件下，復現盡可能接近直 視的效果。甚至在直視和拍攝照明條件不好時，也要爭取復現出相當于良好照明條件的直視效果。

圖 15 引用的光譜包括了日光光譜、氙燈光譜和冷/暖色 LED 的光譜。LED 的白光和 CCT 色溫 與日光光譜覆蓋存在較大差異，兩種 LED 都在品藍到淺藍范圍內功率過低。LED 以 RGB 裸視刺激 等效測定其 CCT，對灰板的裸視刺激不能反映多色彩感受。雙色溫 LED 的電流比例僅需以灰板測試 確定 3 分量幅度平衡，色彩復現和標準化以多色彩調整實現。

7 設置布光閃光電流

討論布光電流設置時限排除雙色溫配置電流匹配的設置；如前所述，雙色溫的電流匹配以白平 衡灰板測試為依據，使 RGB 三色輸出直方圖匹配即可。LED 光輸出與電流的關系穩定、線性，只 要維持比例，在不同電流大小時不需要改變這個比例。除非加大距離和采用面光源布光，電流大小 不能改善耀斑壓制（加大距離意味著需要更大強度布光），距離和光源幾何形狀確定后需要評估耀斑 壓制的程度決定布光的增加值。黑背景水平（BL，即腳注 7 所說的暗電流校正）決定了那些部分的 數據是有效的；對低于這個亮度部分耀斑壓制不必考慮。最后還需要考慮散熱限制能使用的電流和 持續時間。

LED 閃光布光通過測試閃光（預閃或短時間停止布光），在原有光照基礎上使曝光量增量/減量 確定拍攝需要的布光閃光電流設置。一般步驟如下：

1) 預覽期間自動或手動確定主要目標區域，獲取這些區域的分量參數分布。這期間可能已打 開手電模式做布光照明。

2) 以較小電流閃光或暫停布光獲取曝光增量/減量的圖像，根據這次照明變化在主要區域導致的曝光增量/減量判斷耀斑壓制的程度以及曝光水平與黑背景的關系，在耀斑壓制可接受的 范圍內盡可能提供較大曝光量，然后根據曝光量要求控制曝光時間。由于曝光時間過長容 易因位移出現不穩定，在耀斑壓制許可的范圍內應盡可能用大電流、短時間曝光。

3) 單冷色 LED 布光閃光時，需要結合原有光照考慮增量部分的偏色對其它顏色分量的壓制。 這與布光目標矛盾，即原有光照越強越可以用較強閃光，越弱越要用弱閃光（雙色溫則沒 有這個問題）。如果原有光照已接近黑背景水平，即原有光照沒有貢獻時，單冷 LED 布光 閃光的設置跟雙色溫 LED 一樣，只要耀斑壓制和散熱許可、越大越好。

8 柔光前閃和多燈

柔光前閃試圖減輕預覽時點光源的刺眼程度和在閃光時的炫目感。圖16是兩種柔光方案的示意； 相對于直接注視LED 燈，這種柔化減輕了刺眼程度。

環閃利用光源散布改善耀斑壓制，提高照射均勻性和消除反射影像，同時也提高了 LED 的散熱 能力。環閃的效果取決于相對尺度。相對于環的尺度，較短距離效果顯著。環閃散熱能力使得可使 用更大功率 LED。環閃是線-面布局的一種，這種線-面布局對改善布光閃光效果顯著。

9 屏幕布光閃光和柔光布光閃光

屏幕布光的面光源化減輕刺眼效果優于白膜或沙化散射效果。圖 18 左邊是利用畫面分屏布光的 示意；分屏在預覽時可以控制圖案中亮白的區域，在預覽畫面和亮白區域之間增加灰黑區減緩亮度 突兀變化。圖 18 右側分別是屏幕全部白亮背光布光照片和在背光組件上端利用低高度轉角鏡注入 LED 閃光的照片。圖 19 右上角是柔光補光概念的推廣圖片，這幅圖片有輔助布光，跟實際效果相 去甚遠。被這幅圖片部分遮擋的圖片是利用柔光布光照射拍攝的對比照片，其左側是利用接近全白 的畫面的背光做布光的對比照片，可見背光布光亮度顯著高于柔光布光。圖 19 的其余 3 幅圖片是外 加 500mA 閃光、125mA 背光閃光和導光板邊沿注入 2 路 0.5A 閃光的拍攝效果對照。顯然邊沿注入 效果最好。

圖 20 是對燈條發熱測量熱偶安置情況和溫度/電流曲線關系。沒有散熱措施時燈條在 30mA 時 達到 70℃。在連續布光時電流需要嚴格控制、防止過熱。與夾在導熱差的聚合物膜層間的背光 LED 相比，頂面發光的閃光 LED 與 PCB 有良好熱接觸，可以承受更高瞬時功率和平均功率（參考章節 3 和圖 6）。進一步測量了背光 LED 發光與脈沖電流的關系以及 100ms 內 125mA 激勵時的光衰，確 認 25mA 標稱工作電流的 LED 本身在 125mA 瞬時發光與驅動電流呈良好線性關系，同時 100ms 內 光衰不顯著，見圖 21。經 1Hz-100ms 計 10 萬次老化測試，無明顯光衰。

背光 LED 用于大電流閃光需要改變驅動電路和控制好時間和時序，以及針對不同個體、對獲取 的圖像做色溫修正。

10 閃光時序控制是關鍵

WLED 產品的正向電壓的典型范圍在 3V~3.8V 之間，大電流時嚴重發熱。精確設計布光輸出時 間和時序，只在需要的時候輸出需要的電流可直接降低發熱而不必做硬件改動。圖 9 所示的同步曝 光配合幀率控制可用于預覽、預閃和拍攝環節。利用降低預閃電流或暫停布光可把大多參數采集放在圖像采集前、進一步降低消耗和留給主閃以更大電流預算。

11 利用轉角光導散布

無論是從發熱還是從改善光源布局的需要看，把布光光源分布開是改善布光閃光的改進方向。 利用白膜或沙化散射效果不佳、嚴重衰減。采用類似背光模組的結構和楔形槽把大功率 LED 的面發 光導入導光板、在導光板內部多次反射形成均勻的雜向光。

這個結構作用是在低高度內實現把平面安裝的閃光 LED 的法向發光轉移到水平的導光板中。這 個結構制作小型 90°折轉光導用于背光面閃中把閃光 LED 的法向發光折轉 90°注入背光組件的導光 板、實現圖 18 最右側的背光閃光設計。這個結構進一步可直接制作低高度面光源，以及配合柱鏡陣 列在低高度內完成光束成形、制作有投向的面狀閃光燈。采用面狀設計后，閃光 LED 的安裝位置允 許散開，也將有利于散熱設計。

注：圣邦微電子的圖案背光布光和低高度轉角光導專利免費授權圣邦客戶使用。

1) 拍照閃光燈的性能評價有多個標準體系，如 GB/T10072，GB/T17558，ISO1230，ISO2827 和 JB/T7474.1；這些 體系包括對曝光量、閃光指數、閃光特性曲線、持續時間、峰值照度、照射角、曝光均勻性、表征色彩、光譜分 布、顯色指數、相關色溫的定義和評價體系約定。

2) 閃光指數指以感光度為 ISO100 的膠片為參考，對不同距離的目標拍照取得標準曝光量所需要的光圈分數與距離 的乘積。光圈分數即該光圈相當于標準光圈的幾分之一，越大對應通光孔徑越小。閃光指數 GN 值越大的閃光燈越 亮。

3) 即近距離的點過亮，使圖片中近處的像出現耀斑的現象。

4) MgGaN 或 InGaN 制備時的溫度最低得>400℃。

5) 廣泛采用的 YAG:Ce 材料熒光淬滅溫度范圍 90℃~120℃；超過該溫度后熒光發射開始降低。

6) 常用光學封料的固化溫度為 200℃。

7) 圖像采集需要完成的工作包括暗電流校正 BLC、自動聚焦 AFC、（自動）增益控制(A)GC、（自動）曝光(A)EC 和（自 動）白平衡(A)WB。其中 EC 和 GC 都是對曝光量的控制，一般先通過調整曝光時間做 EC，如果 EC 不足以調整時利 用對像素信號放大器增益調整使其落入 ADC 量化的范圍。由于閃光布光亮度的增加是可利用預知的閃光參數測算 的，只有 AWB 受拍攝對象形狀/距離影響大，需要在閃光布光啟動時完成。通常 EC 控制采用 19b 計數器，8 倍模擬 增益實現>66dB 的曝光動態范圍。通常采用 12b 分辨率 ADC，可為 JPEG 標準另提供 8 倍數字增益。

8) 耀斑壓制即圖像采集系統為了照顧高亮的局部也能落入 ADC 的動態范圍、降低曝光量時使低亮局部信號過低， 損失了低亮部分細節的情況。

9) PS 是從一款被廣泛認知的圖像處理軟件的名稱衍生出來的一個詞，指圖像數據后處理。

10) 照明用特性側重光源照明時產生的視覺感受，是帶入視覺影響的描述。與之對照是基于光譜的分量描述。除了 CCT 外，對照明的描述還包括顯色性（色純度和色明度）的描述。

11) 明視即室內光的照度范圍。視覺在不同亮度時對顏色的感覺不同，描述色溫需要約定照度。

12) 與黑體輻射對照的是跟材料有關的、具有特定波長的輻射，即特征輻射。

13) 黑白照片或黑白電影上色即根據亮度信息增加其它顏色分量完成的。