自從智能手機開始拼攝像頭後,就喜歡與相機比較拍攝效果,比如說早努比亞在早期喊出了 " 手機中的單反機 " 口号,而現在則喜歡貼上相機品牌——徕卡、蔡司、哈蘇,來顯示自己實力超群。但無論口号還是貼牌,智能手機拍攝進步本質上是依靠技術,其中 CMOS 圖像傳感器(CIS)更是起了關鍵作用,那在智能手機發展曆史,CIS 到底做過哪些努力?
更好成像:更大的底、更多像素
如何有效提升手機成像質量呢?相信不少人都聽過一句話——底大一級壓死人——使用尺寸更大的傳感器(底)、提高更多像素,而無論是蘋果 iPhone 還是 Android 手機在過去十多年時間都按着這條路徑前進。
比如說首款在中國市場熱賣的蘋果手機—— iPhone 4,它後置攝像頭使用了 Omnivision OV5650 傳感器,規格為 1/3.2 英寸,也就是大小為 12mm ²(4*3mm),分辨率為 2592*1944(5MP)。而最新一代 iPhone 14 Pro 系列,後置攝像頭主攝分辨率已經提升至 48MP,幾乎是 iPhone 4 的 10 倍,同時根據 techinsights 拆解,傳感器的面積達到了 63.2mm ²(9.16*6.92mm),是 iPhone 4 的 5 倍多。
相比 iPhone 的小步快跑,安卓手機對傳感器尺寸、像素追求更為強烈,從 2021 年夏普發布 R6 開始,安卓手機就盯上了 1 英寸傳感器,在 2022 年裡出現了小米 12S Ultra、小米 13 Pro、vivo X90 Pro/Pro+、夏普 AQUOS R7、LEITZ PHONE 共 6 款使用 1 英寸 CMOS 圖像傳感器的手機,它們均使用索尼 IMX989 Exmor RS CMOS 傳感器,像素為 50MP,單個像素大小為 1.60 um。
但出乎大家想象的是,首款搭載 1 英寸傳感器并非夏普 R6,而是 2014 年發布,也就是與 iPhone 6 同年的松下 CM1。CM1 是一台使用 1080P 4.7 英寸屏幕的智能手機,内部搭載了高通四核處理器,後置攝像頭傳感器源自相機,是一塊 1 英寸、20MP 傳感器,搭載了一支等效全畫幅 28mm 視角、最大光圈為 F2.8 的徕卡标定焦鏡頭,而且具備機械快門,在使用時鏡頭還會向前伸出。由于使用了超乎當時主流尺寸的傳感器,CM1 機身厚度達到了 21mm,重量也有 204g,因此當時大家覺得它是一台裝了安裝系統與帶通訊功能的相機。但是現在回看,相信大家會覺得這是一台正常手機,畢竟小米 12S Ultra 在衆多新技術加持下,重量也有 225g,6.1 英寸屏的 iPhone 14 Pro 也有 206g。
在使用更大尺寸傳感器同時,智能手機也在刷新像素紀錄,在 2019 年三星推出了 1/1.33 英寸、1.08 億像素的 ISOCELL Bright HMX 傳感器,到了 2021 年再一次刷新像素新高,推出了兩億像素、1.22 英寸的 ISOCELL HP1,但限于成像質量與大小,關注程度不如 1 英寸大底。
更好成像:更先進技術
雖然底大一級壓死人,但是大底負面因素也不少,一般來說底越大成本越高,同時鏡頭尺寸會跟着底變大而變大、成本上漲,因此在 CMOS 圖像傳感器尺寸一路變大的同時,不停使用新技術改善畫質、性能。
下圖是 Chipworks 整理的曆代 iPhone 主攝傳感器技術演變路線圖,雖然隻覆蓋 2007 年的 iPhone 到 2013 年的 iPhone 5s,但是足以代表過去十多年手機 CMOS 圖像傳感器核心技術演變——用 BSI 代替 FSI,獲得更高量子效率,以提升高感表現以及減少低感下的噪點,在 BSI 基礎上增加 Stacked(堆棧),提高傳感器讀取速度,實現高像素下高速輸出。
BSI 是 BackSide Illumination 的簡寫,一般翻譯為背照技術,在 FSI 時代,彩色濾鏡 Color Filter)與負責将光信号轉化為電信号的光電二極管(Photodiodes)之間存在一層電路層(Wiring Layers),電路層不僅遮擋了部分光線進入光電二極管,而且影響了讀取速度——為了實現更高讀取速度需要更為複雜的電路層,但是當電路層增加後會進一步遮擋光線。
而 BSI 技術就是把電路層放到光電二極管下面,無論電路層多大都不會影響進光,因此量子效率更高,達到 90%,比 FSI 高出了 10%(實際 FSI 量子效率遠遠無法實現 80%,比如索尼 FSI 傳感器大多介于 50% 至 70% 之間)。BSI 制造難度更高,而且傳感器會變薄,噪點也會增加,需要其它技術去克服這些缺點。
BSI CMOS 傳感器一開始在手機上使用就獲得用戶認可,iPhone 4 主攝使用的 Omnivision OV5650 傳感器正是基于 BSI 技術,加上社交媒體興起,智能手機迅速打斷了小 DC 的增長勢頭,并不斷壓縮後者的生存空間,以緻今天無人問津。
到了 iPhone 5s 上,蘋果已經改用了索尼 MX145 傳感器,這是加入了堆棧技術的 BSI CMOS 傳感器。所謂堆棧技術就是把兩塊或以上不同芯片貼合起來,按照索尼在 IEEE2013 上的介紹,當時的堆棧式 BSI CMOS 是由 90nm 的像素層以及 65nm 邏輯電路層組成,二者通過 TSV(through-silicon vias,矽穿孔)技術連接起來,由于模拟電路(像素層)、數字電路(邏輯電路)使用不同工藝,均能獲得更佳的性能、能效表現,因此畫質、功耗表現更好,而且通過疊加不同芯片能獲得不同性能加成,比如疊加 DRAM 就能提升傳感器讀取,輕松實現 4K 升格視頻輸出。時至今天,堆棧式 BSI CMOS 傳感器依然是高性能代表,索尼 A1、尼康 Z9、佳能 EOS R3 三款旗艦無反相機均使用了堆棧式 BSI CMOS 傳感器。
不過 TSV 存在一個缺點,它至少要打穿一塊芯片去實現連接(所以得名矽穿孔),大大限制芯片尺寸大小、布局方式,後來索尼拿出了更為先進的 CU-CU 工藝去實現堆棧。CU-CU 就是在芯片表面設置銅觸點,然後不同芯片直接通過銅觸點連接起來,形式有點像是把兩片 BGA 封裝芯片貼合在一起。CU-CU 能夠帶來更多連接通道、更靈活連接方式,進一步提升讀取速度,或是實現更為複雜的功能。
在新技術提升 CMOS 傳感器讀取同時,傳感器還有不少技術改進,最關鍵一項提升對焦技術。比如說了 iPhone 6 使用的 IMX145 傳感器加入了掩蔽式像素作為相位差對焦像素,三星 Galaxy S7 使用了全像素雙核對焦技術,到了 IMX689 傳感器,索尼在 QuadBayer 陣列基礎上進化出 2x2 OCL 技術,實現了十字相位差對焦。
不過需要注意的是,三星在一億、兩億像素上使用了九合一、十六合一技術并不能比四合一提升 AF 性能,使用九合一、十六合一技術是因為傳感器單個像素太小,成像無法讓人滿意,同時為了減少 ISP 數據處理量,所以才做成多合一。
除了 BSI、堆棧這些大幅度提升傳感器畫質、性能技術外,這些年來手機傳感器還使用不少 " 小 " 技術,比如說三星 ISOCELL 以及 ISOCELL Plus,非拜爾陣列彩色濾鏡。ISOCELL、ISOCELL Plus 原理很簡單,它是在光電二極管修建一堵牆,遮擋應該進入 A 光電二極管的光線進入隔壁的 B 光電二極管,其中 ISOCELL Plus 修的牆更高,達到了彩色濾鏡層。
早在 2014 年,中興推出了一款名為星星 1 号的手機,它主攝沒有采用常規的拜爾陣列(RGB),而是使用了 Aptina 的 Clarity+ CMOS,這是一款使用 RCCB 陣列傳感器,它用白色濾鏡代替拜爾陣列的綠色濾鏡,讓更多光線進入傳感器,按照官方說法它的信噪比比拜爾陣列高出 3-4dB,高感更為出色。不過為了處理 RCCB 信号,手機配備了獨立 ISP 處理器。
在今天,已有不少手機采用非拜爾陣列的 CMOS 傳感器,比如說華為 Mate 50 系列後置主攝就使用 RYYB 排列,以提升進光量,但是非拜爾陣列難以校準色彩始終是一個問題,因此非拜爾陣列沒有全行業普及開來。
結語
不難看出,在過去 10 年多時間裡,智能手機 CMOS 傳感器憑借着更大底,BSI、Stacked 等更先進的技術,不停在提升手機拍攝效果,不過到了近幾年技術雖然在更新,但是沒有太大的飛躍,用大底變成提升 CMOS 傳感器拍攝效果成了最常用的手段,在未來幾年手機拍攝依然會不停提升,但是可能會進入滞漲階段——用更大更重傳感器模塊來改善拍攝效果。