镜头升级多元化发展,大光圈、超广角也成为新趋势。光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入机身内感光面光量的装置,通常而言光圈的大小是由镜头孔径和焦距决定的。当光线通过镜片之后,再经由光圈照射到 CMOS 感光元件上。
大光圈能够实现背景虚化,同时提升快门速度有效防抖以捕捉动态画面。镜头的光圈越大,单位时间内通过这个光圈的进光量就越多,感光元件获得的信息也就越丰富,最后照片的效果越好。光圈变大会导致光线在折射过程中色差、色散增加,对镜头厂商的光学设计能力(校正像差)和装配调试能力(确保同轴组立精确度)也提出了更高的要求。
很多厂商在宣传一款手机的拍照性能时,往往会强调它的摄像头像素、光圈等参数,例如 iPhone 12 Pro 就将配备 F/1.6 的大光圈摄像头。
超广角镜头有着宽广的视野,又不像鱼眼镜头有强烈的畸变,是很好消除了畸变的镜头。超广角镜头具有拍摄画面空间纵深感强、景深较长、拍摄景物范围广的特点。广角镜头的设计难度在于画面边缘会受镜片折射影响产生畸变,因此需要更为精细的镜片组合优化光学设计、采用高质量的光学镜片、通过后期算法对镜片成像效果进行处理,来达到更好的广角效果。
单反相机可以通过不同焦距的镜头来实现变焦,但手机摄像头无法更换镜头,多摄的渗透让手机拥有了多焦段拍摄的能力。长焦镜头能够在不损失画质的前提下更为真实地呈现远景。
▲大光圈、超广角已成为各品牌高端机型主流方案
手机镜头中除了镜片外,另外一个重要的组成部分是图像传感器。图像传感器主要历经摄像管、光电二极管阵列、CCD、CIS 四个发展阶段。
(1)摄像管:1933 年,V.K. 兹沃雷金发明了光电摄像管,可看作第一个图像传感器,此后相继出现超正析像管、光导摄像管、硒砷碲摄像管等类型。
(2)光电二极管阵列:1967 年,第一颗以光电二极管为阵列、基于 MOS 管的图像传感器诞生,这是现代 CIS 最早的原型。
(3)CCD:1969 年,贝尔实验室发明了 CCD;1982 年,出现了使用 CCD 的相机产品;CCD 在近 20 年里作为主流图像传感器应用。
(4)CIS:1993 年,JPL 发表 CMOS 有源像素传感器;1995 年,Photobit 首次将 CIS 技术商业化;2005 年后,CIS 取代 CCD 成为主流。
CIS 凭借体积小、成本低、功耗低、集成度高等优点,成为当前主流传感器。由于工艺原因,CCD 无法将敏感元件和信号处理电路集成到同一芯片上,因而会有体积大、功耗大的问题。
早期的 CIS 与 CCD 相比差距很大,但随着工艺的进步,CIS 性能有了质的飞跃。CIS 适用范围更广泛,目前已在消费电子领域完成对 CCD 的替代,而 CCD 仅在卫星、医疗等专业领域继续使用。
CIS 市场迅速复苏,疫情不改长期成长趋势。据 IC Insights 预测,CIS 芯片全球市场规模将在受疫情影响而短暂下滑后持续增长,预计 2024 年销售额达到 261 亿美元,2019-2024 年 CAGR 达 7.2%;2024 年销量达到 110 亿颗,2019-2024 年 CAGR 达 11.5%。
▲2009-2024 年全球 CIS 销售额及销量情况(含预测)
据中国产业信息网统计,2018 年用于手机的 CIS 芯片占比超过 60%;受智能驾驶、超高清建设、医疗成像等需求推动,用于汽车、安防、医疗市场的 CIS 芯片增长最为迅猛,预计五年 CAGR 分别达到 30%、20%、23%。
▲2018-2023 年 CIS 下游应用市场增长预测
硬件上的进步无疑推动了手机光学的发展,而技术上的革新也是一个不可忽视的因素。技术进步首当其冲的是背照式兴起,使得拍照效果显著增强。传统前照式(FSI)结构中,滤镜与光电二极管存在金属连线,降低了进入传感器的光线,吸收效率不到 80%,拍照效果较差。
为了提升拍照质量,2008 年 6 月索尼宣布了背照式 CMOS 传感器,即将金属连线转移到光电二极管后面,光线可以直接进入光电二极管,大大降低了光线损耗,夜拍效果也随之增强。
▲BSI 与 FSI 示意图
另外,堆栈式结构也在技术升级中大放异彩。传统的前照式/背照式 CIS 中,像素和处理电路处于同一层,而堆栈式 CIS 将两个区域分离开来,将处理电路堆叠到像素区域下面,可按不同制程工艺制造像素和处理电路区域的同时,也极大地节省了空间。目前高端机 CIS 通常采用堆栈式结构,减少芯片尺寸的同时像素层面积占比提升至 90%,成像质量得到极大的优化。
▲普通背照式与堆叠式 CMOS 影像传感器结构示意图