从“务虚”到务实——未来手机影像发展方向解析与展望（上）

在智能手机问世之初，影像能力并非手机厂商强调的重点。随着时间的推移和技术的进步，市场需求的变化使得手机研发、制造和营销的天平逐渐向影像方面倾斜。市售手机由早期的单摄升级为双摄乃至如今的多摄，由可供记录生活的简易拍摄工具升级为综合实力强大的影像利器，过去十年，我们一同见证了智能手机拍摄能力的进化。未来，手机影像又会呈现怎样的发展趋势呢？（受篇幅影像，此篇文章将分成两条内容来分别讲诉）

手机影像发展现状

最近手机圈受关注度最高的话题一定是1英寸传感器。随着“底大一级压死人”这个观念深入人心，旗舰手机大规模实装1英寸主摄传感器的趋势终于还是来了。虽然这样的手机并非国产手机品牌首发，但无论是从可用度、完成度还是受关注度来说，目前推出的国产旗舰机无疑更胜一筹。

主摄传感器中，除了1英寸超大底的IMX989，搭载于三星S23 Ultra的两亿像素的S5KHP2也相当有竞争力。我们可以看到，目前旗舰手机主摄的未来趋势无非是超大底或超高像素两个方向。

更大的传感器能带来更高的动态范围和更强的感光能力，更高的像素则可以带来更丰富的细节。但是，像素数量和传感器大小却不能无限增大。超高像素方案虽然像素数量增多、但单位尺寸缩减，导致单像素感光能力弱、读出速度较慢、串扰以及暗光表现差。再加上目前手机镜头的解析力并不能满足高像素传感器要求，所以在大多数情况下，高像素传感器也必须提供像素多合一模式来合成1200万像素左右的输出图像，确保暗光情况下的画质。

▲高端传感器产品思路各具特色

正因为如此，超大底方案的竞争才更加白热化，旗舰手机主摄的尺寸逐渐由1/2英寸发展到了如今的1英寸。持续增大传感器由于边际效应的影响，并不一定会带来影像效果上成正比的提升。且与之相匹配的镜头镜片、对焦马达与防抖组件等相关元件的体积、重量则大幅增加，硕大的影像模组不仅会大幅挤占机身主板、电池的空间，影响整机设计，同时还会使手机在重量与厚度方面很难“瘦身”。

除开对手机设计和使用上的影响，超大底传感器方案本身也存在“副作用”。比如，当前大底镜头由于物理限制，还是存在着视角过广、边缘慧差、色散、畸变大、暗角重等问题，继续增大传感器可能会加剧上述问题。

▲高端手机图像传感器尺寸逐年增大

那么，如果不通过持续增大传感器来提升手机的硬件拍摄能力，还有什么可行的办法来继续推动手机影像的发展呢？这需要传感器供应商、手机厂商以及SOC芯片供应商等上下游共同努力推动，才能得出更加科学合理的解决方案。

传感器供应商

决定手机影像硬件实力上限的最大因素还是影像传感器，而决定传感器实力上限的则是传感器供应商。随着智能手机摄像头数量的增加，目前一部智能手机上的影像传感器数量已达到了3~5个。庞大的市场需求使得传感器供应商们有着充足的资金和动力进行新技术研发，所以近年来手机影像传感器的发展速度十分迅速。手机影像传感器在过去的十几年经历了从前照式到背照式、从低像素到高像素、从反差对焦到相位对焦等各种技术的全面发展。如今，诸如像素多合一、片上HDR、相位对焦等功能已几乎成为标配。那么，在未来，这些传感器供应商将打造什么样的传感器来满足手机厂商和消费者的需求呢？

▲前照式和背照式传感器结构不同

首先，笔者认为在未来多层堆栈式传感器所占据的比例将会提升。堆栈式传感器相比传统传感器更为先进。广泛应用于相机和手机上的CMOS传感器是同时具有模拟电路和数字电路的大规模集成电路，由于二者的加工方式、加工条件并不相同，导致一方面想要实现指标变动必然会影响到另一方面的性能，所以产品目前难以达到画质、速度与功耗等多方面的完美平衡。而堆栈式方案则可以解决这一问题。

▲全新的堆栈结构能带来更好的成像效果

堆栈式传感器可以利用多块晶圆针对不同的设计目标，使用最佳制程进行针对性设计和制造，以满足设计要求。一块三层堆栈式传感器（以索尼α9II搭载的IMX310为例）的模拟层（即像素层）、数字电路层与DRAM层就分别采用了65nm、28nm与16nm的制程工艺制造。由于堆栈式传感器具有独立的DRAM层，加之采用特化设计，堆栈式传感器的性能更加强大，最突出的方面便是其读出速度极快。

在计算摄影时代，更为复杂与强大的算法、更高规格的视频录制，都对传感器读出响应速度提出了更为苛刻的要求。堆栈式传感器的强大性能搭配相应算法，可以更好地满足实现物体识别、语义分割与多帧堆栈等的任务。同时在连拍/快拍和果冻效应抑制等方面，堆栈式传感器更是具有无可取代的优势。

作为最早制造出堆栈式CMOS传感器的厂商，索尼也持续在这一道路上发力，推出了面向未来的全球首个双层晶体管像素堆叠式CMOS图像传感器。这一技术是在传统堆栈式传感器的基础上发展而来，也代表着厂商未来发展的方向。传统背照堆栈CMOS的结构为像素芯片堆叠于逻辑芯片之上，在像素芯片内部则是光电二极管和光电晶体管在同基片层并列。在这一基础上，采用特殊的堆叠技术将光电二极管和晶体管封装在分离的基片上，即将传统像素层中除了传输门以外的控制电路全部封装在第二层晶圆上。这样分层的好处为一层的光电二极管之间距离更远，可以抑制串扰，并且更多的空间使增加更多像素成为可能。同理，模拟电路的单独成层由于没有光电二极管挤占空间，也可以使用体积更大、倍率更高的晶体管，压制读出噪声。这种新的堆叠技术使单独优化光电二极管和像素晶体管层成为可能，最终达到饱和信号量比以往提升一倍，并且噪点减少、动态范围扩大的良好效果。这一技术的商用也有助于未来传感器像素的进一步小型化。

▲像素合并技术已是主流方案

其次，像素小型化也是传感器制造厂商着力推进的又一重要方向。由于手机图像传感器体积的限制，如何平衡像素数量和像素大小就成了一个问题。我们所熟知的像素多合一技术方案就是对这一问题的解答：在默认输出模式下，像素多合一技术通常输出约1200万像素的图像，在高像素模式下，输出高分辨率图像。

然而受制于技术水平等多方面因素，以往的手机高像素模式的使用体验并不太好，适用场景也有限，尤其是在暗光场景下，高像素模式的表现甚至不如默认模式。这就是单个像素过小带来的限制，也是上游厂商在像素小型化的过程中不得不面对的难题。

三星电子在像素小型化的发展道路上一直走在前列。三星S23 Ultra上搭载的S5KHP2就是三星最新的2亿像素超高分辨率图像传感器，其单个像素尺寸仅仅为0.6μm，已逼近目前商用传感器像素小型化的极限。那么如何保证单像素尺寸如此小的情况下的成像质量呢？

受篇幅影响，我们将在后续的文章中继续为大家讲诉。