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为了让手机堪比单反 CMOS传感器做过哪些努力?
来源:热点科技 发表于 2023/1/12

自从智能手机开始拼摄像头后,就喜欢与相机比较拍摄效果,比如说早努比亚在早期喊出了“手机中的单反机”口号,而现在则喜欢贴上相机品牌——徕卡、蔡司、哈苏,来显示自己实力超群。但无论口号还是贴牌,智能手机拍摄进步本质上是依靠技术,其中CMOS图像传感器(CIS)更是起了关键作用,那在智能手机发展历史,CIS到底做过哪些努力?

更好成像:更大的底、更多像素

如何有效提升手机成像质量呢?相信不少人都听过一句话——底大一级压死人——使用尺寸更大的传感器(底)、提高更多像素,而无论是苹果iPhone还是Android手机在过去十多年时间都按着这条路径前进。


比如说首款在中国市场热卖的苹果手机——iPhone 4,它后置摄像头使用了Omnivision OV5650传感器,规格为1/3.2英寸,也就是大小为12mm2(4*3mm),分辨率为2592*1944(5MP)。而最新一代iPhone 14 Pro系列,后置摄像头主摄分辨率已经提升至48MP,几乎是iPhone 4的10倍,同时根据techinsights拆解,传感器的面积达到了63.2mm2(9.16*6.92mm),是iPhone 4的5倍多。

相比iPhone的小步快跑,安卓手机对传感器尺寸、像素追求更为强烈,从2021年夏普发布R6开始,安卓手机就盯上了1英寸传感器,在2022年里出现了小米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图像传感器的手机,它们均使用索尼IMX989 Exmor RS CMOS传感器,像素为50MP,单个像素大小为1.60 um。

但出乎大家想象的是,首款搭载1英寸传感器并非夏普R6,而是2014年发布,也就是与iPhone 6同年的松下CM1。CM1是一台使用1080P 4.7英寸屏幕的智能手机,内部搭载了高通四核处理器,后置摄像头传感器源自相机,是一块1英寸、20MP传感器,搭载了一支等效全画幅28mm视角、最大光圈为F2.8的徕卡标定焦镜头,而且具备机械快门,在使用时镜头还会向前伸出。由于使用了超乎当时主流尺寸的传感器,CM1机身厚度达到了21mm,重量也有204g,因此当时大家觉得它是一台装了安装系统与带通讯功能的相机。但是现在回看,相信大家会觉得这是一台正常手机,毕竟小米12S Ultra在众多新技术加持下,重量也有225g,6.1英寸屏的iPhone 14 Pro也有206g。

在使用更大尺寸传感器同时,智能手机也在刷新像素纪录,在2019年三星推出了1/1.33英寸、1.08亿像素的ISOCELL Bright HMX传感器,到了2021年再一次刷新像素新高,推出了两亿像素、1.22英寸的ISOCELL HP1,但限于成像质量与大小,关注程度不如1英寸大底。

更好成像:更先进技术

虽然底大一级压死人,但是大底负面因素也不少,一般来说底越大成本越高,同时镜头尺寸会跟着底变大而变大、成本上涨,因此在CMOS图像传感器尺寸一路变大的同时,不停使用新技术改善画质、性能。


下图是Chipworks整理的历代iPhone主摄传感器技术演变路线图,虽然只覆盖2007年的iPhone到2013年的iPhone 5s,但是足以代表过去十多年手机CMOS图像传感器核心技术演变——用BSI代替FSI,获得更高量子效率,以提升高感表现以及减少低感下的噪点,在BSI基础上增加Stacked(堆栈),提高传感器读取速度,实现高像素下高速输出。

BSI是BackSide Illumination的简写,一般翻译为背照技术,在FSI时代,彩色滤镜Color Filter)与负责将光信号转化为电信号的光电二极管(Photodiodes)之间存在一层电路层(Wiring Layers),电路层不仅遮挡了部分光线进入光电二极管,而且影响了读取速度——为了实现更高读取速度需要更为复杂的电路层,但是当电路层增加后会进一步遮挡光线。

而BSI技术就是把电路层放到光电二极管下面,无论电路层多大都不会影响进光,因此量子效率更高,达到90%,比FSI高出了10%(实际FSI量子效率远远无法实现80%,比如索尼FSI传感器大多介于50%至70%之间)。BSI制造难度更高,而且传感器会变薄,噪点也会增加,需要其它技术去克服这些缺点。


BSI CMOS传感器一开始在手机上使用就获得用户认可,iPhone 4主摄使用的Omnivision OV5650传感器正是基于BSI技术,加上社交媒体兴起,智能手机迅速打断了小DC的增长势头,并不断压缩后者的生存空间,以致今天无人问津。


到了iPhone 5s上,苹果已经改用了索尼MX145传感器,这是加入了堆栈技术的BSI CMOS传感器。所谓堆栈技术就是把两块或以上不同芯片贴合起来,按照索尼在IEEE2013上的介绍,当时的堆栈式BSI CMOS是由90nm的像素层以及65nm逻辑电路层组成,二者通过TSV(through-silicon vias,硅穿孔)技术连接起来,由于模拟电路(像素层)、数字电路(逻辑电路)使用不同工艺,均能获得更佳的性能、能效表现,因此画质、功耗表现更好,而且通过叠加不同芯片能获得不同性能加成,比如叠加DRAM就能提升传感器读取,轻松实现4K升格视频输出。时至今天,堆栈式BSI CMOS传感器依然是高性能代表,索尼A1、尼康Z9、佳能EOS R3三款旗舰无反相机均使用了堆栈式BSI CMOS传感器。

不过TSV存在一个缺点,它至少要打穿一块芯片去实现连接(所以得名硅穿孔),大大限制芯片尺寸大小、布局方式,后来索尼拿出了更为先进的CU-CU工艺去实现堆栈。CU-CU就是在芯片表面设置铜触点,然后不同芯片直接通过铜触点连接起来,形式有点像是把两片BGA封装芯片贴合在一起。CU-CU能够带来更多连接通道、更灵活连接方式,进一步提升读取速度,或是实现更为复杂的功能。

在新技术提升CMOS传感器读取同时,传感器还有不少技术改进,最关键一项提升对焦技术。比如说了iPhone 6使用的IMX145传感器加入了掩蔽式像素作为相位差对焦像素,三星Galaxy S7使用了全像素双核对焦技术,到了IMX689传感器,索尼在QuadBayer阵列基础上进化出2x2 OCL技术,实现了十字相位差对焦。

不过需要注意的是,三星在一亿、两亿像素上使用了九合一、十六合一技术并不能比四合一提升AF性能,使用九合一、十六合一技术是因为传感器单个像素太小,成像无法让人满意,同时为了减少ISP数据处理量,所以才做成多合一。


除了BSI、堆栈这些大幅度提升传感器画质、性能技术外,这些年来手机传感器还使用不少“小”技术,比如说三星ISOCELL以及ISOCELL Plus,非拜尔阵列彩色滤镜。ISOCELL、ISOCELL Plus原理很简单,它是在光电二极管修建一堵墙,遮挡应该进入A光电二极管的光线进入隔壁的B光电二极管,其中ISOCELL Plus修的墙更高,达到了彩色滤镜层。

早在2014年,中兴推出了一款名为星星1号的手机,它主摄没有采用常规的拜尔阵列(RGB),而是使用了Aptina的Clarity+ CMOS,这是一款使用RCCB阵列传感器,它用白色滤镜代替拜尔阵列的绿色滤镜,让更多光线进入传感器,按照官方说法它的信噪比比拜尔阵列高出3-4dB,高感更为出色。不过为了处理RCCB信号,手机配备了独立ISP处理器。

在今天,已有不少手机采用非拜尔阵列的CMOS传感器,比如说华为Mate 50系列后置主摄就使用RYYB排列,以提升进光量,但是非拜尔阵列难以校准色彩始终是一个问题,因此非拜尔阵列没有全行业普及开来。


结语

不难看出,在过去10年多时间里,智能手机CMOS传感器凭借着更大底,BSI、Stacked等更先进的技术,不停在提升手机拍摄效果,不过到了近几年技术虽然在更新,但是没有太大的飞跃,用大底变成提升CMOS传感器拍摄效果成了最常用的手段,在未来几年手机拍摄依然会不停提升,但是可能会进入滞涨阶段——用更大更重传感器模块来改善拍摄效果。


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