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手机摄像头凸起之谜:是行业摆烂,还是...

时间:2022-05-26 09:45:34 作者:黄烨锋 阅读:
手机摄像头近几年变得越来越大了。不信对比下10年前的iPhone 4s和现在的iPhone 13,都不需要拆机,单某一颗摄像头镜头孔径的量级,就已经大不相同了。手机摄像头模组变大,追本溯源应该是图像传感器变得越来越大……
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电子行业的很多器件通常随着技术迭代,都有体积“越做越小”的趋势,芯片、系统都在变小。但像我们之前说的,部分子行业是不大遵循摩尔定律的,比如说成像。

从系统层面的大方向来看,相机好像就是越变越小的,从过往单反到现在的微单;从上世纪出门旅游要带相机,到现在手机也能拍下不错的照片。似乎成像设备在系统层面这个大方向上,的确在变小。

但如果观察个别类别的成像系统,比如只看手机摄像头,近几年它可是变得越来越大了。不信对比下10年前的iPhone 4s和现在的iPhone 13,都不需要拆机,单某一颗摄像头镜头孔径的量级,就已经大不相同了。其实iPhone的对比还没有那么强烈,下面这张图是小米2(2012)和小米11 Ultra(2021)的摄像头尺寸对比,这差异是一目了然的,这还不是等比例的。

手机摄像头模组变大,追本溯源应该是图像传感器变得越来越大,比如夏普Aquos R6、索尼Xepria PRO-I这样的手机都已经用上1英寸(对角线)大小的CIS(CMOS图像传感器),赶上高端DC了。要知道10年前的手机摄像头,普遍还在用1/4英寸的CIS。我们之前写过不少相关手机CIS的技术发展文章——基于CIS的发展,实则也能看出手机摄像头越做越大的原因。

不过本文要探讨的是摄像头上真正占据最大体积的部分:镜头(或整个光学系统)。恰好上个月TechInsights也做了一场有关苹果、三星、小米、vivo、华为与夏普手机摄像头发展趋势的在线研讨会,我们借助其中的部分数据来谈谈现在的手机摄像头为什么那么大?甚至已经不光是凸起的问题了。

先谈谈CIS为什么要做那么大

如前所述,手机摄像头做大的根本还是在于CIS变大了。CIS传感器作为典型的一种芯片,为什么没有往小体积的方向发展呢?这个问题我们简单谈一谈,虽然并非本文要谈的重点。

CIS之上排布着大量的像素,比如现在动不动就是1亿、2亿的像素量。像素密密麻麻地平铺在CIS上。像素的作用就是感光:外界有光来了,每个像素接收到不同量的光,光电转换最终成为数字信号,于是就变成了屏幕上显示的照片。

像素要获取光子的这一特性,就决定了像素是无法无限变小的。像素做得越小,同工艺下其感光能力就越差。虽然这些年像素尺寸已经比10年前小了很多(比如Omnivision已经宣布把单个像素做小到了0.56μm),但这也是基于像素结构及制造工艺的海量成本投入和努力。而且即便有先进技术的小像素,其应用也受到诸多限制。像素做不小,整个CIS自然也就做不小。

这里还可以补充一个或许让很多人难以接受的事实。“信噪比”是衡量成像质量的一个重要指标,噪声(noise)越多我们就说画质越差。而成像系统的噪声来源是多种多样的,比如说ADC(模数转换)会产生噪声,CIS本身的制造缺陷、电信号传输过程等等环节也会。

在微单、单反这个范畴内,有一类噪声成为主要的噪声源:散粒噪声(shot noise)。将拍照,想象成一大堆盆子(像素)都放在地上,去接下雨的雨水(光)的过程。这些雨水的下落是随机的(量子运动随机性),有些盆子在这场雨中可能接了1000滴雨水,而有些则接了990滴或1005滴。接到不同量的雨水就造成了散粒噪声。如果雨量很少(暗光环境成像),那么有些盆子接到50滴,有些接到40滴,其百分比差异变得极为巨大。此时散粒噪声在照片上就会非常明显。

而散粒噪声的存在,作为一种大自然的“恩赐”无法被扭转。当代全画幅CIS在暗光环境下成像时,其他包括什么读取噪声、本底噪声之类,在散粒噪声面前都不值一提。

这是CIS受客观因素制约的一个例子。这样的例子决定了,无论人类的成像技术发展多么彪悍,在不突破物理定律的情况下,就一定受到大自然限制。在CIS无法做小,乃至整个摄像头追求高画质也越做越大这件事情上,也大致如此。

变厚、变大的摄像头模组

手机摄像头CIS变得越来越大这一事实,应该是众所周知的了。它从根源上带动了整个摄像头模组变得更大、更厚。下面这张图是TechInsights总结的去年部分主流手机的摄像头模组厚度、面积,以及镜头口径的差异。前三个是苹果iPhone 12 Pro、12 Pro Max、13 Pro,可看出这三者的递进关系。其中厚度的递增,反映到很多人所认知的手机摄像头的凸起。

在CIS尺寸方面颇具代表性的就是夏普Aquos R6了,1英寸的底算是同品类中比较激进的(供应商不详,TechInsights提到“疑似来自索尼”)。摄像头模组厚度达到了9mm,对于1英寸这样的大底而言,要将外界的光“平铺”到传感器上,就需要对应的厚度来容纳整个光学系统。

而且入瞳径(或可理解为光圈)也必须足够大,毕竟光通量更大了,镜头口径将近4mm。夏普Aquos R6的整个相机系统实则不仅在成像部分,一侧还有单独的ToF摄像头用于自动对焦,令其整体显得更为巨大。

夏普Aquos R6

这里还涉及一个关键问题,就是高像素(像素数量)和大像素(像素尺寸)的权衡。从当代旗舰机来看,现在不同的OEM厂商有不同的选择倾向。这不是本文要探讨的重点,不过当同时追求高像素和大像素时,CIS面积必然就会比较大。但也有像夏普Aquos R6这种纯粹选择大像素(2.5μm)的类型,其1英寸CIS的像素数量不过2000万。当然我们不能简单说这种选择是好的或不好的。

能够相对直观反映模组厚度增加的一个量,是摄像头镜头所用的镜片数量。遥想当年诺基亚驰骋手机行业时,摄像头镜头用4片镜片的结构还很常见,其实808Pureview也不过5片(虽然镜片数量并不能反映光学系统设计的优劣)。而在上述手机里,除了红米K40游戏增强版用了6片镜片,其他都是7-8片镜片的方案——这也能够直观反映为什么当代手机摄像头都变厚了。

有一种变大变厚的迷思,叫苹果

摄像头模组体积急剧变大的,有些特例则不光是CIS尺寸变大的关系。下面这张图是iPhone 12 Pro和iPhone 13 Pro主摄像头模块的尺寸变化。虽说这两代产品的CIS尺寸也的确不同(对角线7.34mm→10mm),但整个模组增大程度与CIS的增大不对等。

iPhone 13主摄模组厚度达到8.9mm,长宽为19x19mm,相对的iPhone 12 Pro这三个值为6.2x14x13.5mm。苹果在这些手机中颇具特殊性的一项技术,在于传感器防抖(sensor-shift)。苹果的传感器防抖技术最早是在2020年的iPhone 12 Pro Max上引入的,全系iPhone 13均已普及,而且设计上也有了迭代。

虽说苹果对这项技术的介绍只有几句话,而且这种通过传感器(及传感器所在基板)的位移,来抵消拍摄时抖动的方案,在相机领域并不稀罕,但从TechInsights的拆解来看,这项技术应该是耗费了苹果相当大的工程开发精力的。苹果宣称这项技术能够实现最多每秒5000次的传感器位置调整——相对而言,传统的镜头位移防抖只能做到1000次/秒。

从拆解来看,摄像头模组四周有4枚固定的磁铁,磁场施力于带电流的金属线圈。镜头模组连接到周围的线圈上,整个结构前后运动可以帮助自动对焦操作;镜头的部分移动结构可能也应用在防抖上。而传感器的位移,则通过磁铁下方额外的4个线圈来达成——通电时,磁场力作用于线圈,对整个传感器封装做位移,方向垂直于光轴。(所以镜头整体和传感器都能独立移动)

而且TechInsights介绍说,调整4个线圈的电流,则可以进行其他轴向(rotate, shift)的位移防抖(可能也包括了前后位移)。研讨会上,TechInsights也提到了方案的一些实施难点,比如可位移部分与柔性线缆连接的其他部分的电连接等,而且表示仍在研究其中细节,某些问题尚未搞清楚。

不过有一点很明确,这个设计是付出了巨大的面积、厚度代价的,使得iPhone 13系列的摄像头模组很大——即便其CIS尺寸实则并没有同时代的其他机型大。且iPhone 13系列对这项技术的迭代,也让整体模组比iPhone 12 Pro Max更大了。苹果也专门就这项技术申请了对应的专利。虽然投入这么多,究竟值不值得又是另一回事。

镜头上的一些奇技淫巧

苹果的这项技术,在实现更厚、更大的摄像头这一问题上,是颇具代表性的。不过行业大方向,对于更大CIS、更高像素和清晰度的追求,都是整个摄像头模组变大的根本原因。与此同时,手机摄像头的多摄系统里开始出现不同焦距的摄像头,比较典型的像是长焦镜头——长焦听起来就知道需要浪费镜头更多的厚度才能达成。

长焦镜头相比于主摄,拍摄更远距离的对象,在原理上和望远镜差不多。2-3倍这个焦距倍率在不少手机上普及,也是摄像头整体变得更加凸起的重要原因。针对这个问题,下文还将更进一步地提到。

技术层面,镜头供应商和系统集成商其实也在针对摄像头模组和尺寸做各种各样的努力。比如具有一定代表性的红米K40游戏增强版——前文就提到了这款手机的摄像头镜头部分只用了6片镜片,比其他手机少了1-2片。根本原因在于这款手机采用了一枚WLG晶圆级玻璃镜片(ED超低色散光学玻璃镜片),作为镜头系统的一部分。这款手机摄像头的最上方那枚镜片就是WLG镜片。

其重要价值在于镜片两面的塑形,将成型工艺应用于玻璃两侧。WLG晶圆级玻璃本身是来自一家名为Kaleido的丹麦公司。宣传中提到这种方案的光学优势在于镜头全长(TTL)缩减5-10%,分辨率提升至多5%,进光量增多15%。TechInsights的分析则显示,这款手机的镜头光圈f/1.7——和大部分手机主摄差不多,焦距26mm;镜头全长的确缩减到了5.8mm,是其近代分析的手机摄像头中最薄的。不知道这种技术未来有没有机会普及。

另一个属于镜头的奇技淫巧是vivo这两代旗舰手机上出现的蔡司(Zeiss)T*小蓝标。vivo带小蓝标的手机摄像头凸起非常严重,虽然小蓝标好像和缩减镜头厚度关系并没有那么大;但蔡司是贵族象征,也是ASML EUV光刻机的镜头唯一供应商,现在购买手机就能勇有(删去)...

可能大部分人认为蔡司与vivo的联名,更多属于市场营销行为。实际上Zeiss T*是指镜头上有了某种镀膜——通常这种镀膜有抗炫光和鬼影的效果(顺便嘲讽了iPhone)。画面中某个光源(比如太阳、路灯)的光可能在镜片之间数次反射加上散射,造成炫光或鬼影。

来源:蔡司

Zeiss T*镀膜是选择一些材料,以配合镜片相应的特性,达成抗反光涂层:明确镜片曲率之类的数据,加上建模,明确抗反光涂层厚度,缓解不同波长光的反射问题。不过T*并非一组固定的材料,而更像是某种方法技术,明确多层材料镀膜如何应用于镜头的方法。蔡司有篇paper是专门谈抗炫光的,题为About the reduction of reflections for camera lenses: How T*-coating made glass invisible

从TechInsights对于vivo X60 Pro+的分析来看,其主摄7片镜片,镜头堆叠与传统方案无异——这表明光学系统还是来自那些个比较大的镜头供应商。与此同时TechInsights也观察了抗反射涂层,主要发现了二氧化钛和二氧化硅——但这在手机镜头上也并不算稀罕。当然或许有更多细节是未被发现的,vivo与蔡司的合作深度亦无从探查。不过很显然的是,手机产品的竞争焦点这些年还是在摄像头上,并且一路延续到了镜头。

潜望式镜头的崛起

回到摄像头变大变厚的问题。如前所述,长焦摄像头在手机上的出现,实则是整体摄像头模组凸起的元凶之一——毕竟较长的焦距,一定是要求镜头变长的。对于2-3倍焦距(通常指54-78mm等效焦距),或许还可接受(比如iPhone),但5倍、10倍就很难放进手机里了。

所以潜望式镜头结构出现了。实际上,潜望镜并不是近两年才出现的——它已经有几百年历史,毕竟能潜望的也未必需要是相机,潜水艇也可以用。即便是在手机上,在前智能手机时代,诺基亚就有过潜望式光学变焦镜头的手机(如N93i)。这两年变火,则是因为更大倍率的长焦镜头出现在了手机上。前些年Corephotonics就宣传过自家为OPPO定制的潜望式镜头方案技术。这家公司如今已经被三星收购。

潜望镜的原理说起来也很简单,镜头内部会有一个或多个反射镜(或棱镜),在遇到反射镜时光路发生变化,光反射后最终也能抵达图像传感器。OPPO的这张宣传示意图很好地阐述了,什么是潜望镜。在这种结构下,镜头长度被放到了手机机身的x/y轴,而不需要很大程度占据其z轴厚度。

小米、华为、三星的旗舰机都有类似的方案。其中小米10 Ultra的长焦镜头等效焦距达到了120mm。绝大部分方案,都是光线从手机背面来,之后被90°反射到手机内部的图像传感器上。当然这类方案也不光是加个棱镜的问题,考虑对焦、防抖等,滚珠轴承之类的机械结构也需要对应的跟上。

这些方案中,比较特殊的是三星Galaxy S21 Ultra,其长焦镜头的潜望结构内,有2面棱镜——也就是说光线在摄像头内部被反射了两次。这就能让光路和TTL变得更长。TechInsights给的数据是,小米10 Ultra长焦镜头模组厚度6.7mm,等效焦距120mm,TTL(镜头全长)为22.1mm;而三星Galaxy S21 Ultra的这三个值为7.2mm、240mm(≈变焦10倍)、28mm。(附华为Mate40 Pro的值5.7mm、125mm、12.5mm)

可见TTL达到这么长,也能将模组厚度限制在6-7mm,且画质能让人接受,可看出工程上的努力。

Galaxy S21 Ultra的这颗摄像头在工程难度上应该会相当大,除了2次反射外还有一些特性。在上图光路A(首次反射)上有5片镜片,这5片镜片结构本身就比较不同寻常,其中靠近物方的L1镜片最大——传统结构一般都是从这个位置往后镜片越来越大的,TechInsights评价这种方案是为了获得“更窄的光学设计”,“让镜头结构放进较窄的封装中”。

另外图中的左边部分标出了滚珠轴承制动器所在位置,包括应用于棱镜的、用于镜身的等等,主要作用在防抖。另外,三星在宣传中提到这款手机摄像头用了叫做D-cut的镜头——应该是指镜头不是传统圆形的,而经过了某种修剪,光路A上的5片镜片都用了这样的方案。这么做也能缩减摄像头模组的体积——算是真正精准到每一寸的尺寸缩减了。

作为智能手机的重点竞争项目,一旦对画质、更大范围的拍摄场景有了追求,手机摄像头的凸起就不可避免。就像前文提到的光学成像基本原理就受制于散粒噪声一样,CIS增大、镜头镜片增多、直径变大,其终极目标都是让摄像头能“吸”进更多的光,这样拍的照片才好看——这是物理世界的限制。

与此同时,显然行业在缩减摄像头模组尺寸、厚度方面也做了诸多工程努力,比如三星Galaxy S21 Ultra这样的手机。只是这些努力在人们对画质的追求上依然是不够看的。或许在人们不再关注手机拍照之前,手机摄像头的凸起都是一个绕不过的客观存在。

责编:Luffy
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  • 辣么重,天天拿个“砖头”手不累么?
  • 反正都凸起了。不如电池顺便做大一些。1天1充,实在是体验不好。
  • 很受用~
黄烨锋
欧阳洋葱,ASPENCORE 资深产业分析师,常驻上海,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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