手机影像传感器大起底!盘点近年来那些经典传感器
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  自从世界上第一部可拍照的手机问世后,手机的影像能力就越来越受到消费者们的关注和重视。特别是近几年,手机影像系统成了各大手机厂家研发与宣传的重点。那么,在手机摄影发展的这么多年中,广大消费者也一直有类似“如今智能手机的成像能力相较于早年的手机有多大的提升”“如今影像旗舰的拍照到底达到了什么水平”以及“它们相较于相机是否有一战之力”等这些问题。本期我们将从手机影像系统硬件参数的简单科普、近年来手机影像系统的发展、如今旗舰机主摄传感器及相关技术的进步等方面做一个专题,为大家解答关于手机影像方面的疑惑。

  本篇为整个专题的第一篇,旨在为读者朋友梳理介绍近几年出现的一些重要影像传感器并简单普及一些传感器知识,文章中提到的诸如RYYB、QuadBayer等影像概念或实现原理,我们会在下一篇中为大家详细解析。

  摄影,是一项记录光的过程,也是一门留住光的艺术;在胶片摄影时代,充当“光线捕手”的就是胶片;而随着科技的进步与市场的需要,影像传感器替代胶片成了主流的感光元件,而这一变化使得手机摄影成了可能。现今,智能手机、民用无人机和相机等大都采用的是CMOS影像传感器,这种传感器具有成本较低、性能稳定以及低功耗等优点。那么,既然相机和手机均采用了CMOS影像传感器,它们之间的区别又是什么呢?

  其中,二者最显著的区别便是尺寸。“底大一级压死人”是相机圈一句人尽皆知的铁律。这句话指的是在工艺水平相近的情况下,传感器尺寸越大,其成像效果就越好。因为手机影像传感器为长方形,所以我们一般以其对角线长度来衡量其尺寸(单位为英寸,单位符号为,根据行业惯例,传感器尺寸若大于1/2的,则1等于16毫米;若传感器尺寸小于1/2,则按照1等于18毫米来计算)。在今年,顶级的手机影像传感器尺寸最大的也只达到了1,而入门的微单相机的传感器尺寸也都是1起步。更大的传感器尺寸带来的是更大的感光面积、更大的单像素面积和更高的信噪比,从而使照片具有更纯净的画面和更高的宽容度。

  除了传感器更大,相机还拥有众多丰富且优质的镜头群可以选择,诸如摄影爱好者们的心头好:“大三元”(恒定F/2.8最大光圈的三只顶级变焦镜)“大光定”(高素质大光圈定焦镜头)等高素质镜头,而手机镜头则受到体积的限制,镜头模组多为恒定光圈、恒定焦段的组合,镜片材质使用塑料居多,镜片数量通常也少于相机镜头。

  那么在绝对光学素质被相机碾压的情况下,如何让手机拍出令人满意的照片和视频呢?这成了手机厂商们不得不面对的难题。为了解决焦段不足的问题,手机厂商给出了多摄接力方案和多焦融合技术。为了解决进光量不足的问题,手机厂商长久以来都在增大镜头光圈、增大传感器面积、改变像素排列方式和持续改善夜景算法。针对手机相机解析力不足的问题,超高像素传感器和像素多合一技术应运而生。而为了发挥传感器的全部实力,多镜片设计、玻塑混合镜头、更好的镜头镀膜与更先进的防抖技术逐渐搭载到最近几年旗舰手机之上。

  如今的旗舰手机,常用焦段齐全,下至等效焦距十几毫米的超广角段,上至等效焦距两百毫米的长焦段,都能实现覆盖。

  当然,现阶段手机如果仅凭硬件性能,拍出的照片和视频质量还是难以和相机相比。但是,手机具有的方便携带、抬手即拍、使用门槛低等相机所不具备的优点,比起相机更换镜头、调焦调曝光所需的烦琐步骤,随手掏出手机双指捏合变焦点击拍照才是大部分消费者的应用常态。毕竟,大多数时候“拍得到”比“拍得好”更重要,而比“拍得到”更重要的是“愿意拍”。

  如今,手机拍摄已进入计算摄影时代,除了采用更好的光学硬件,高算力影像芯片、优秀算法的深度参与也成了手机成像过程中不可或缺的一部分。可以说,软硬件深度结合才是手机摄影未来最大的优势和发展方向。

  当然,无论如何,拍出高质量照片和视频的前提还是拥有一颗高质量影像传感器。下面笔者就给大家介绍一下近年来行业中具有重要地位的手机影像传感器。

  在手机影像传感器领域,最主要的供应商有三家,分别是索尼、三星和豪威科技。在去年,仅这三家在该领域的营收就占到了全行业总营收的八成以上,且旗舰手机上的影像传感器也都来自这三家。所以下面笔者将基本按照发布时间的先后顺序为读者朋友进行介绍。

  发布于2018年下半年的IMX586可以称得上是一代神底,其开创性的在1/2的传感器上采用单像素尺寸为0.8微米的超紧凑像素,使其拥有4800万有效像素,并在2019年的手机市场掀起了一股4800万像素热。在尺寸固定不变的传感器上,像素数量越多,该传感器的解析力就越强,其单像素尺寸就越小,像素感光能力越弱;反之,像素数量越少,单像素尺寸越大,感光能力越强但传感器解析力就越差。

  在采用传统拜耳阵列影像传感器上,像素数量(解析力)和单像素面积(感光能力)成反比。此时以IMX586为代表采用基于QuadBayer阵列,具有像素四合一能力的传感器出现了。在环境光充足的拍摄环境下调用全部像素输出4800万像素分辨率的高像素图片,在环境光不足时则像素四合一以大像素输出1200万像素图片。

  在2019年之前,手机主摄传感器普遍停留在1/2.55的大环境下,IMX586的出现使手机市场平均拍照水平提升了一个档次。三星、豪威为了应对IMX586也相继推出了S5KGM2、OV48B等竞品,但整体实力依旧无法超越IMX586。IMX586及其衍生产品在当时各个品牌的产品中均有大量搭载。虽然在今天来看,它的成像素质已难称顶级,但其相对均衡的实力和较低的售价使它对手机厂商们仍有不小的吸引力。

  同在2018年发布的一代神底索尼IMX600则极大地改变了手机市场格局。首发搭载了它的华为P20 Pro一经问世便震撼了整个市场。在2018年各厂商还在普遍使用1200万像素1/2.55的IMX363时,IMX600以4000万像素(也常写作40MP)1/1.7的大底对当年市面上所有在售机型的传感器形成了碾压态势。同样支持像素四合一的它在1000万像素模式下单像素面积达到了2微米,暗光拍摄能力是同期其他产品完全无法比拟的。

  在2019年,华为乘胜追击,找索尼定制了基于RYYB滤色阵列的IMX650(亦称600Y),在其他参数相同的情况下,相比IMX600的进光量提升40%,使华为旗舰手机在当年彻底坐稳了“夜拍之王”的宝座。

  同为2020年上半年亮相的顶级影像传感器,是OPPO和华为分别向索尼定制的IMX689与IMX700。二者均十分优秀且各有特色。作为IMX650的迭代款,IMX700的传感器尺寸达到了1/1.28,依然采取RYYB方案,其夜拍能力在如今依旧堪称顶级。与IMX700不同,IMX689并未一味追求提高进光量,不以尺寸见长(1/1.43 48MP)却拥有双原生ISO技术、DOL-HDR、全像素全向对焦以及支持12bit采样等诸多优秀特性,综合素质不失顶级水准。因此,搭载了它们的OPPO Find X2 Pro、华为Mate40 Pro+等机型在当年都是顶级旗舰机型。

  作为2019年末到2020年初被广泛使用的另外两颗传感器,索尼IMX555与三星HMX在立项之初显然就秉承了不同的设计思路。

  IMX555(IMX557是IMX555的小改款,二者没什么实质性差距,IXM557也仅在索尼自家机型上搭载)是典型的大底大像素感器。在尺寸达到1/1.7的同时,仅有1200万像素,这使得它的单像素尺寸达到1.8微米。加之它作为一颗采用索尼第六代传感器工艺(GEN6)的传感器(三层堆叠式设计,有独立DRAM层),使它可以集成更多处理电路从而实现更多功能。加入的DRAM层则可发挥数据暂存的功能,可以很好地应对拍摄时产生的爆发性数据流,在高速连拍、多帧合成、高帧视频拍摄等场景时可显著降低相机内存占用且实现更好的成像效果。IMX555/557这样基于索尼GEN6工艺的传感器在对焦速度、快门刷新速度等方面都比其他类型的普通传感器拥有更大优势。

  与IMX555相反的是,三星HMX则采用大底高像素方案,它的出现让手机影像传感器像素数量突破了1亿大关。在光照条件良好的情况下可以拍出超高解析力的图片,但由于像素数量过多导致它的单像素尺寸仅有0.8微米,环境光较暗时成像质量难以保证。且其像素全开时对芯片算力要求较高,故在大多数时候手机厂商在使用此类高像素传感器时都以它们低像素模式为主。在S5KHMX之后,三星又陆续推出了多款高像素传感器。

  在2020年8月,OV48C伴随着小米新机的发布与消费者们见面了。作为来自豪威科技的顶级手机传感器,它身上的新技术自然也不少。

  它基于豪威PureCel Plus晶片堆叠技术,尺寸为1/1.32,拥有4800万像素。在原生单像素尺寸就达到了1.2微米的情况下支持像素四合一为2.4微米大像素,同时拥有双原生ISO融合技术,支持DCG HDR功能,所以OV48C比之常规传感器具有更强的HDR拍摄能力。无论是拍摄照片还是视频都能尽可能地保留高光与暗部细节,堪称市面上最强的4800万像素手机影像传感器。但比较可惜的是,OV48C目前仅有小米10至尊纪念版搭载,未能被使更多的消费者所使用、熟知。

  IMX603是苹果为自家顶级产品定制的影像传感器,2020年售价过万元的iPhone 12 Pro Max就用它作为主摄。而它在苹果手机上的出色表现也让大众见识到了计算摄影的威力。

  IMX603拥有1200万像素,尺寸是1/1.88,单像素尺寸1.7微米。虽然在硬件参数上,IMX603的数据并不怎么亮眼,各项素质也难称顶级,但苹果在自家A系列芯片超高算力的基础上,用其优异的调校和强大的算法使iPhone 12 Pro Max的成像水平保持在第一梯队,且视频拍摄能力也同样出色。

  由于主摄深度参与全焦段成像,苹果在长焦端、超广角端的变焦顺滑度、发色一致性也是极好的,iPhone相机预览窗也可以做到所见即所得,Pro系两款产品甚至支持拍摄Apple ProRAW格式的照片。在Android厂商层出不穷的定制大底传感器面前,苹果机型的传感器已失去硬件优势,但苹果长期以来在拍摄算法和提高软硬件契合度方面的努力,仍然为其带来强大的竞争力。

  同样首次亮相于2020年的S5KGN1(后简称GN1)和IMX766的设计思路是较为相似的。GN1尺寸为1/1.31,最大像素数量为5000万,单像素尺寸1.2微米。由于单像素尺寸并不算太大,所以它基于三星ISOCELL Plus技术打造,以解决由于像素数量多导致的小像素间串扰问题,配合片上微透镜(OCL)优化光线吸收能力,有效地降低了成像过程中的光损耗和光反射,提高传感器自身的色彩还原能力与光敏感度。

  同样采用QuadBayer像素排列方案的GN1也有不错的实时HDR能力。它可将同组的四个同色像素同时进行不同时长的曝光、预览和捕捉多种曝光中的相同场景,通过曝光时长差异分别保留高光和暗部细节,实时生成HDR图像,最终使拍摄者获得高对比度、拥有丰富细节的高动态范围照片和视频。此外,GN1在5000万物理像素的基础上,可以通过独家的软件算法生成1亿像素分辨率的照片,进一步提升它在光线充足时的极限解析力。

  IMX766则首发于2020年末发布的OPPO Reno5 Pro+上,其像素数量和GN1相同,尺寸略小为1/1.56,单像素尺寸1微米,支持像素四合一。由于在体积与像素数等参数上实现了较好的平衡,加之各方面都不存在明显短板,IMX766在近两年时间里受到了多家手机厂商的欢迎,在各价位段的产品中均有搭载。OPPO更是在自己的两代摄影旗舰手机上使用了它,这足以说明IMX766具有极高的上限。

  豪威OV64B与三星S5KHM2本是不同定位的影像传感器,将它们放在一起介绍则是因为它们各自是自家传感器持续推进像素小型化道路上的重要产品。OV64B是全球首款采用0.7微米小像素的传感器,在1/2的底上实现了6400万像素分辨率;它同样基于豪威的PureCel Plus堆叠芯片技术,提供2型2×2微透镜相位检测自动对焦,强化了在弱光环境下传感器的对焦能力;在视频录制方面,OV64B最大支持视频拍摄,并支持在1600万像素视频模式下的三重曝光交错式HDR(类似GN1中提到的实时HDR)输出高动态范围视频。

  三星S5KHM2则是三星在1/1.52的传感器上实现了1.08亿像素分辨率,支持九像素结合以2.1微米的大像素输出1200万像素照片,智能ISO、实时HDR、EIS防抖等功能在它身上也是一个也没有落下。在像素小型化的道路上,各个厂商都在进行不懈的努力,如何在像素越来越小的前提下保持较大满阱容量、减少像素间串扰及降低读取噪声等这些问题也是像素小型化道路上的难点。但随着半导体工业的进步,未来传感器像素也许还会实现由微米级向纳米级的转变。

  时间来到2021年初,三星在自家旗舰GALAXY S21 Ultra的主摄方案上选择了这颗1亿像素(108MP)的S5KHM3,其传感器尺寸1/1.33,单像素尺寸0.8微米,支持九合一NanoCell像素聚合,输出1200万像素照片。

  IMX798则是一加号称为一加9系列“花费亿元打造的超级主摄”。与常规手机传感器不同,IMX789选择了16:11画幅而非4:3画幅,这样可以较好地平衡照片与视频拍摄间的切换,使得视频拍摄时无须再次裁切。在拍照时,该传感器可使用尺寸为1/1.43,4800万像素的部分,而它的完整尺寸则为1/1.35。一加在宣传上还是比较保守的,并没有将1/1.35拿出宣传,而是将IMX789拍照时调用的尺寸用作宣发,避免误导消费者。IMX789还支持拍摄4K@120帧视频,可以说是拍照与录制兼优的一颗传感器,目前仅有1加9 Pro、一加10 Pro两款机型搭载。

  OV64A是豪威科技继OV48C之后在高端手机影像传感器领域的又一力作。在保持与前辈尺寸相同的前提下,它的像素数量达到了6400万,单像素尺寸1微米,合成后达到2微米。OV64A基于豪威PureCel Plus-s芯片堆叠技术,是世界上首颗单像素尺寸1微米的6400万像素影像传感器,也是目前市面上最强的6400像素手机影像传感器。

  OV50A是豪威科技2022年主推的新传感器,尺寸为1/1.55,5000万有效像素,是豪威科技应对索尼IMX766而推出的竞品。在近来新发布的手机中已有如Moto edge X30、OPPO Reno8等机型搭载。我们也可以期待未来更多的来自豪威科技的影像传感器进入手机市场丰富我们的选择。

  如果要评选2021年最令人印象深刻的影像旗舰手机,那小米11 Ultra一定是候选者之一。它的主摄尺寸达到了令人咋舌的1/1.12,虽然这不是手机主摄传感器尺寸首次接近1这个范畴,但做到安放硕大的GN2的同时,还能让长焦和超广摄像头都保持高素质,小米11 Ultra还是第一个。关于S5KGN2的详细解析我将会放到下一篇来进行。

  S5KGN5作为GN2的后辈,其硬件素质并没有它的前辈那么顶尖,但它的对焦性能得到了不小的加强。它是三星首个集成全方位自动对焦技术Dual Pixel Pro的1微米影像传感器。基于ISOCELL 2.0技术打造的它,尺寸1/1.57,拥有5000万有效像素,单像素尺寸1微米,支持基于三星Tetrapixel的四像素结合,最大可拍摄视频,全像素输出速率达到了27fps。

  与此同时,三星还把其特有像素技术FDTI(Front Deep Trench Isolation)应用在其双核对焦上,该技术可以使传感器上每个光电二极管接受和保留更多光信息,改善光电二极管的满阱容量(FWC),同时减少像素内串扰。拥有这么多优秀特性,S5KGN5成了手机传感器市场上除了OV50A 之外,索尼IMX766的又一有力竞品。

  IMX787是中兴和努比亚新旗舰主摄采用的全新传感器。其主摄焦段没有选择像其他厂商那样采用等效24mm焦距左右的广角焦段(这也是有些手机厂商宣传主摄镜头为广角镜头的原因),而是采用了更为经典的等效35mm焦距的“人文焦段”。该焦段既可以拥有24mm焦段所没有的背景虚化,也可以避免广角焦段在近距离拍摄时带来的畸变。由于主摄镜头与从广角变为中焦镜头,若传感器采用类似IMX700、S5KGN2那样的超大底,则会导致镜头模组体积过大的问题。所以努比亚Z40 Pro和中兴Axon 40 Ultra都选择了IMX686的迭代版本IMX787。IMX787作为1/1.7级的主摄,成功让等效35mm镜头登上了手机。

  IMX800则是最近发布的荣耀70系列手机全系标配的主摄传感器,1/1.49尺寸的5400万像素CMOS,单像素尺寸1微米,支持像素四合一,可以把它看作是IMX766的一个升级版。

  IMX866和GNV都是首发于vivo X80系列手机的主摄传感器,IMX866是IMX766的新一代“接班人”,它的一些有趣特性在下一篇内容中会有详谈。

  GNV则是vivo为X80 Pro机型上向三星定制的主摄传感器,它的光学格式与S5KGN1类似,拥有5000万像素,每个像素都采用了三星最新的像素隔离技术ISOCELL 3.0。ISOCELL技术利用相邻像素之间的物理屏障减少像素间的色彩干涉,减少光学损耗。ISOCELL技术在不断的迭代中调整像素结构,在滤色镜之间升级隔离材料,以此提高光敏度和色彩保真度。GNV在暗光条件下也能进行像素合成以1250万像素输出照片,使其可以很好地应对各类复杂拍摄场景。

  手机厂商们在各价位段的影像军备竞赛还在如火如荼地进行着,它们对于高素质传感器的需求量非常大。头部CIS(CMOS Image Sensor)厂商们迎着这股需求,对自家顶尖产品的态度也是应给尽给不做保留,同时投入大量资金与精力研发新技术、开发新产品。毕竟自家产品一旦落后,就会被竞争对手抢占市场。它们身后还有如海力士、格科微这样的追赶者。

  在下一代产品方面,三星与豪威科技都分别宣布了自家的2亿像素传感器S5KHP1和OVB0B。前者基于三星目前最先进的0.64微米技术打造封装,采用最新ChameleonCell像素合成技术,可根据拍摄环境采用4×4、2×2或全像素模式。在环境光不足时,采用4×4像素合成方式将相邻16个像素进行合并,以尺寸为2.56微米的大像素拍摄1250万像素照片。

  后者OVB0B则将单像素尺寸进一步缩小到了0.61微米,采用台积电40nm工艺生产。因为采用2×2片上微透镜(OCL),所以实现全像素全向对焦。同时这款OVB0B因为具有更小的单像素体积,故而可以把2亿像素做到1/1.28的传感器上,成为目前世界上最小的两亿像素传感器——这充分展示了豪威科技在像素小型化方面的能力。相信在不久的将来我们就能用上可以拍摄2亿像素分辨率图片的手机。而索尼的下一代IMX9系旗舰传感器也将在今年下半年发布,值得期待。

  本专题的首篇到了这里就已经接近尾声,笔者带着读者朋友回顾了近年来手机影像传感器的发展,介绍了发展历程中的重要型号,简要科普了手机影像传感器领域的一些重要技术。

  在接下来的文章中,笔者将会从如今市面上各家旗舰机型搭载的顶级传感器入手,通过它们来剖析目前手机影响传感器领域的一些重要概念和技术原理,同时让读者朋友对当前市面上的影像旗舰们有更深入的了解。

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