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索尼并非独一无二 手机CMOS图像传感器谁家更强?

2015-07-28 21:11:01 来源:爱活网

人类在步入数字时代以后,很多东西都变了,比如说以前拍照得用胶卷,然后把照片洗出来。数字时代的人类发明了一种“图像传感器”,它替代了胶卷作为感光材料,拍照以后就能直接看,而且可以反复使用不需要更换。这也是你能拿着手机到处拍照的现实基础。

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数字时代或者说电子科技时代的另一大特点是,技术的快速推陈出新,这一点在图像传感器技术上也有所体现,所以自首款拍照手机到现在,手机拍照也是越 来越好。那些大肆鼓吹自家手机摄像头拍照多么牛叉的厂商们也有了各种各样的宣传点。这次我们就来简单聊聊,当下手机摄像头所用主流图像传感器的几个上游供 应商,以及从中可遇见的未来。

索尼,相位对焦会成为手机的标配

MEMS Consulting的《CMOS图像传感器产业现状-2015版》报告显示,手机是目前CMOS图像传感器的高性能/高出货量领域,其中的绝对领头羊就 是索尼,实际上索尼也是在短短几年间坐到了这个位置。这应该也不难理解,大伙儿难道没看到市场上绝大部分手机都在用索尼的图像传感器吗?

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(背照式与堆栈式CMOS的基本原理)

从前年索尼真正的明星产品IMX135到去年的IMX214,大量手机证明了索尼的图像传感器能够表现出在手机界非常一流的画质,更不用说苹果的 iPhone也一直在用索尼的定制型图像传感器。尤其自IMX135将背照式和堆栈式(Stacked)结构普及开,对于手机摄像头所用小尺寸图像传感器 而言是具备很大意义的。

去年让索尼继续在这个行业有明星般待遇的产品是IMX214,去翻一下旧账就知道,有多少国内外的旗舰机在用这款图像传感器——那款实现了“超清画质”5000万像素输出的OPPO Find 7所用的就是这颗传感器。

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(IMX214电路局部,来自Chipworks的反向工程)

IMX214虽说在尺寸和分辨率方面和IMX135没有大区别,但性能却有提升,比如说开始支持4K(30fps)视频拍摄;采用新的分区高动态范 围曝光技术——这是种硬件HDR技术,所以拍视频也能实现HDR(且据说可保持1300万像素全片以30fps速度做HDR输出);另外背照式和堆栈式结 构皆有改进,减少片上微透镜与感光二极管的距离,集合光线效率有提升,提高主光线角,令其可搭配大光圈镜头;新工艺提升低光表现等。

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(索尼Xperia Z系旗舰直到现在还在坚持用IMX220)

到IMX220时代,索尼似乎开始着力提升图像传感器本身的尺寸,令其达到一些入门级卡片机1/2.3英寸的水平,这是让手机彻底有了淘汰入门DC 的实力。这在早年索尼自家的Xperia Z1身上就有表现,直到IMX220开始提供给其他手机制造商,也让诺基亚的手机至少在图像传感器的尺寸上没了优势(除去Lumia 1020与808Pureview)。

IMX220在图像传感器尺寸变富余很多以后,分辨率也提升到了2070万像素。索尼在官网上没有提供这颗“大底”的详细参数,仅从其尺寸来看,理 论画质应该会比IMX214这样的“小底”出色,更出色的感光能力也是必然的,在Xperia Z3身上,其感光值上限已达ISO12800。当下在用这颗底的手机除了索尼自己的手机,典型的像是魅族MX4、MX5,也的确表现出了不凡的画质。

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(荣耀7虽然用上了IMX230,却阉割了相位对焦特性,大约是基于成本考虑)

随后的IMX230在尺寸方面稍有缩小,变为1/2.4英寸,有效像素2100万。具体性能参数包括了堆栈式结构、可以24fps的速率进行全幅输 出,支持30fps 4K拍摄,视频HDR有更优表现,由于索尼未公布IMX220的详细参数,所以不确定单从成像质量来看,IMX230是否有提升,但以索尼对IMX230 的描述,主要像素的背照式与堆栈式工艺没有变化,理论上仅从静态照片画质来看估计是不如IMX220的。

不过上面这些不是主要改进,IMX230的最大特色是加入了用于相位对焦的像素——在主传感器中加入相位对焦像素在微单领域不是什么新技术,但在手 机界还显得很新鲜。一般情况下,相位对焦这种基于测距的对焦方式有着相较反差式对焦更快的对焦速度,这为抓拍以及提升拍摄体验提供了很好的硬件基础。 IMX230今年4月才逐步出货,市面上采用IMX230的手机不多,包括乐视Max和华为荣耀7,且后者还阉割掉了相位对焦特性。

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于是检验相位对焦在手机拍照中能有多大贡献的任务最先落到了IMX240身上(1600万像素1/2.6英寸)。采用这颗同样在索尼官方完全找不到 资料的图像传感器的手机有三星Galaxy S6和Note 4——前者带有相位对焦特性,亦表明,IMX240具备可选相位对焦像素的配置。Galaxy S6非常出众的对焦速度也说明,这种对焦方式对于提升拍摄体验,缩短拍摄时间具备了相当大的意义。

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(这就是传说中用于相位对焦的像素)

而且iPhone 6用上的索尼定制版图像传感器所带的“Focus Pixel”也就是相位对焦像素,同样证明了相位对焦在手机成像中的价值,苹果对市场的带动力是可想而知的。加上索尼IMX230很可能替代IMX214 成为手机图像传感器新一代的主流选择,未来一段时间内,我们可能很快会看到大量支持相位对焦的手机面市。


发展一些不同路线 比如RGBW

除了上面提到这些比较主流的索尼图像传感器,还有一些相对偏门的产品,比如LG G4、nubia Z9系列所用的IMX234;再比如华为P8采用一种叫做RGBW的IMX278传感器,P8发布后短时间内引起了人们热烈讨论。IMX234和 IMX278起先在索尼官方也找不到任何资料,有人说这颗IMX278图像传感器是索尼为华为特别定制的。

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(Chipworks发现,索尼针对IMX278做了堆栈结构的升级,比如新的TSV工艺、后背DTI像素隔离,以及像素阵列的确不是拜耳结构)

就在上周,索尼在官网给出了IMX278的一些参数,表明以后任何手机制造商都可以采用此传感器,这是颗1/3.06英寸1300万像素的图像传感 器。在功能特性中索尼特别提到了“超高信噪比”(Super High),以及针对白色(也就是RGBW中的W)的反马赛克算法所做的高级抑噪,另外包括内建温度传感器等。

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RGBW这个概念想必经过大量知识普及后,很多同学也知道了其简单原理,就是像素阵列排布,以红、绿、蓝、白四个像素为一组,其中这个“白”也就是 去掉了色彩滤镜(或无色滤镜),在一个像素去掉滤镜后,低光照环境下的感光效率能够提升很多——通过后期算法,可实现对画面暗部细节更好的兼顾。即便很多 人认为,这种技术的现实意义并不大,因为图像传感器和处理器性能的提升令多帧合成技术也可以达到同样甚至更好的效果——典型代表是iPhone,虽然下图 中,iPhone的HDR明显被关闭了。

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(华为近两年似乎都在以提升成像暗部表现为己任)

RGBW在图像传感器自身的实现上难度不大,其难点在于图像处理引擎的反马赛克算法上,而且它的出现可以追溯到2007年(据说是柯达最先发明的),此前也有一些手机采用了类似的传感器。

比如中兴星星一号所用来自Aptina的图像传感器,以及Moto X一代手机摄像头所用OmniVision的OV10820,只不过在叫法上存在一些差异,后两者将这种像素阵列称作RGBC,这里的“C”(Clear 透明)像素也就类似于索尼IMX278的“W”像素。


OmniVision,双摄像头也是个思路

人眼有个有趣的特点,它对影像层次的捕捉并不随着光比的增减呈现出线性,也就是对世界暗部细节的捕捉能力更强。这就要求成像设备追逐画质的时候有着 更好的宽容度,尤其暗部细节。如上所说的RGBW传感器是种解决方案,还有多次曝光多帧采样做HDR后期也是个办法,另外一个解决方案是用两颗传感器,一 次就完成两张照片的采样。

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采用这类解决方案的代表是华为荣耀6Plus双摄像头,它所用的图像传感器是来自OmniVision的OV8865(800万像素1/3.2英寸CMOS ×2)。这种双摄像头解决方案的确是用到了两个完整的摄像头模块,也就包含两颗图像传感器。

荣耀6Plus所用这套方案相较其他双摄像头手机的主要差别是,两颗摄像头都参与成像,而且进行不同曝光参数的曝光,起到单次成像HDR的效果,这 是华为宣称这款手机有出色逆光拍摄效果的原因所在,而且它也的确表现出了明显优于同时代手机的成像宽容度。若不谈荣耀6Plus在算法上的暂时不 及,OmniVision的双摄像头对成像的确有帮助,但这建立在两颗摄像头配置相同的基础上。

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所以双摄像头对很多人而言,更大的意义在于玩法的多样性,比如由于从两个位置取景可做3D拍摄,还有模拟单反这类大底成像设备才能达成的浅景深效果 (虽然效果还是很不理想)。除了荣耀6Plus之外,市面上能这么玩的主要就是HTC One M8、M9+了,它们的双摄像头方案没有荣耀6Plus那么复杂,所用辅助摄像头平常是不参与成像的,但能用来达成如上所述的玩法,这颗摄像头的图像传感 器同样来自OmniVision,型号为OV2722(200万像素1/6英寸CMOS)。

今年年初,OmniVision中国区总经理在谈对市场的前瞻时曾经表示,对双摄像头方案非常看好,会“成为主流”,即便现在看来这似乎还只是个美好的梦想,人们对它的热情也远不如想象中那么高,谁也说不准双摄像头方案是否在逐步完善后还有希望受到关注。

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(传说中的UltraPixel正是OmniVision的作品)

OmniVision在手机领域的主要客户正是HTC,非常著名的产品如HTC早年着力宣传的UltraPixel摄像头所用图像传感器乃是 OmniVision的OV4688(400万像素1/3英寸CMOS)——它的特色在于2μm的像素尺寸带来更好的感光性能;90fps的全尺寸输出; 还有一种加强型的HDR(官方名曰line-based staggered HDR)。HTC的许多中端定位机型,也有采用OmniVision图像传感器的传统,比如HTC E8选择了OV13850。

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(今年OmniVision面向市场主推的就是这颗OV23850)

此外,金立也算是OmniVision的忠实客户,早前的E7就开始采用OV的方案,最新的金立E8则用上了目前OmniVision为智能机顶配 的图像传感器OV23850(2380万像素1/2.3英寸CMOS),尺寸和分辨率在手机中都是顶级的,全尺寸输出可达24fps。这颗底用上了OV最 新的“堆叠晶圆技术”,所以同样支持视频HDR,更重要的是对相位对焦做出支持!

东芝,走自己的路 让其他厂商打的去吧

在众多CMOS图像传感器制造商之中,同样拥有多年经验的东芝,在发展道路上具备了一点“不走寻常路”的特殊性,这种特殊性,与诺基亚有着很大的关系,因为Lumia手机所用摄像头几乎都是由东芝制造完成的。

除了Lumia 920同系的摄像头图像传感器来自索尼,如808 PureView、Lumia 1020这种现在看来仍在手机成像领域,能将其他手机甩出很远的手机产品所用“大底”图像传感器都是东芝制造的。但因为诺基亚从未公布与东芝合作的细节, 东芝也完全不会公开这些稍显变态的大底传感器的数据——Chipworks倒是对这些传感器做了详尽的研究,但研究结果都以paper形式收费,且每篇文 的价值不菲,有好奇心的土豪们可以去购买下载。

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(808PureView的图像传感器是东芝为之特别定做的HES9,尺寸惊人)

从Chipworks公布的拆解数据可知,诺基亚808 PureView所用这颗底为4100万像素1/1.2英寸的东芝HES9,16:9与4:3冗余设计(东芝为诺基亚提供的所有底几乎都是这种冗余设 计),前照式;而Lumia 1020用的图像传感器同为4100万像素,但已改用BSI背照式,提升了暗光环境下的感光能力,尺寸缩减到1/1.5英寸,但相比普通1/3英寸的底也 已经大出5倍,具体型号为CK26V1。即便假定这两颗底没有用什么尖端工艺和技术,也以其尺寸碾压了其他手机。

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(跟诺基亚合作,就是如此炫酷)

即便是同代产品对比,东芝的底也完全没有弱于其他竞争对手。比如诺基亚的Lumia 1520/930所用2000万像素1/2.6英寸的图像传感器为东芝CK44V2(专为诺基亚定制),和为Lumia 830定制的1/3.4英寸底(型号不明),都表现出了上佳的素质,虽然不清楚诺基亚在其中的参与度有多少。

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东芝目前面向众多手机厂商的主推产品是2000万像素1/2.4英寸的T4KA7,背照式结构,全尺寸输出规格22fps(RAW10),数据格式 支持RAW12,据说是颗旗舰产品,今年3月份已经开始规模量产。其特色相较前代产品是可让智能手机设计得更薄,采用这颗传感器的典型代表是HTC M9系列与E9系列手机。

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(与很多人想得不同,HTC M9所用图像传感器来自东芝,而非索尼)

还有一款T4KC3是本月早前刚刚发布的,基本规格包括1600万1/2.7英寸,全尺寸输出30fps,支持HDR以及东芝传说中的 “Bright mode”——即就算采用高速摄影,也不会因为快门加速而丢失亮度,还有一点是东芝极其轻描淡写的相位对焦(PDAF),足见就算是走自己的路,对相位对 焦这种趋势也还是需要迎合的。

这是个还在激战中的市场

除索尼、OmniVision和东芝,从事移动图像传感器制造的主流厂商还包括了三星、上文提到的Aptina等。

这其中另值得挥一笔的是三星。三星图像传感器在手机领域的代表作应该是Galaxy S5所用的S5K2P8(1600万像素1/2.6英寸),其特色是名为“ISOCELL”的像素类型,这是一种在像素单元间增加屏蔽的技术,三星自己的 说法是可以降低像素间30%的串扰,配合微透镜的改进,ISOCELL据说可接受更大角度范围的光线入射,也就能配合大光圈镜头。只不过在Galaxy S5身上并没有表现出明显优于竞争对手的气魄。

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从各家的努力的总方向来看,这两年手机CMOS图像传感器仍在朝着尺寸更大,像素数目更多的趋势发展,全面跨过1/3英寸这道坎,全面进击2000 万像素,低光成像素质更出众,4K视频拍摄成为标配,全尺寸输出靠近30fps,而最重要的趋势就是相位对焦的全面融入,东芝、OmniVsion和索尼 都已经在高端产品中加入了相位对焦选项。

不难预见,此后将推的旗舰机将大量涌入2000万像素1/2.x英寸的配置,而且支持更为快速的相位对焦。当然这只是从图像传感器的发展做出这样的 推断。手机拍照的发展方向或许更多还得看图像处理器和镜头的发展,毕竟图像传感器似乎都已经不再是手机拍照好坏的决定因素了,因为大家的图像传感器似乎都 还不错。

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