自從智能手機(jī)開始拼攝像頭后，就喜歡與相機(jī)比較拍攝效果，比如說(shuō)早努比亞在早期喊出了“手機(jī)中的單反機(jī)”口號(hào)，而現(xiàn)在則喜歡貼上相機(jī)品牌——徠卡、蔡司、哈蘇，來(lái)顯示自己實(shí)力超群。但無(wú)論口號(hào)還是貼牌，智能手機(jī)拍攝進(jìn)步本質(zhì)上是依靠技術(shù)，其中CMOS圖像傳感器（CIS）更是起了關(guān)鍵作用，那在智能手機(jī)發(fā)展歷史，CIS到底做過(guò)哪些努力？

更好成像：更大的底、更多像素

如何有效提升手機(jī)成像質(zhì)量呢？相信不少人都聽過(guò)一句話——底大一級(jí)壓死人——使用尺寸更大的傳感器（底）、提高更多像素，而無(wú)論是蘋果iPhone還是Android手機(jī)在過(guò)去十多年時(shí)間都按著這條路徑前進(jìn)。

比如說(shuō)在中國(guó)市場(chǎng)熱賣的蘋果手機(jī)——iPhone 4，它后置攝像頭使用了Omnivision OV5650傳感器，規(guī)格為1/3.2英寸，也就是大小為12mm2（4*3mm），分辨率為2592*1944（5MP）。而新一代iPhone 14 Pro系列，后置攝像頭主攝分辨率已經(jīng)提升至48MP，幾乎是iPhone 4的10倍，同時(shí)根據(jù)techinsights拆解，傳感器的面積達(dá)到了63.2mm2（9.16*6.92mm），是iPhone 4的5倍多。

相比iPhone的小步快跑，安卓手機(jī)對(duì)傳感器尺寸、像素追求更為強(qiáng)烈，從2021年夏普發(fā)布R6開始，安卓手機(jī)就盯上了1英寸傳感器，在2022年里出現(xiàn)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圖像傳感器的手機(jī)，它們均使用索尼IMX989 Exmor RS CMOS傳感器，像素為50MP，單個(gè)像素大小為1.60 um。

但出乎大家想象的是，搭載1英寸傳感器并非夏普R6，而是2014年發(fā)布，也就是與iPhone 6同年的松下CM1。CM1是一臺(tái)使用1080P 4.7英寸屏幕的智能手機(jī)，內(nèi)部搭載了高通四核處理器，后置攝像頭傳感器源自相機(jī)，是一塊1英寸、20MP傳感器，搭載了一支等效全畫幅28mm視角、最大光圈為F2.8的徠卡標(biāo)定焦鏡頭，而且具備機(jī)械快門，在使用時(shí)鏡頭還會(huì)向前伸出。由于使用了超乎當(dāng)時(shí)主流尺寸的傳感器，CM1機(jī)身厚度達(dá)到了21mm，重量也有204g，因此當(dāng)時(shí)大家覺(jué)得它是一臺(tái)裝了安裝系統(tǒng)與帶通訊功能的相機(jī)。但是現(xiàn)在回看，相信大家會(huì)覺(jué)得這是一臺(tái)正常手機(jī)，畢竟小米12S Ultra在眾多新技術(shù)加持下，重量也有225g，6.1英寸屏的iPhone 14 Pro也有206g。

在使用更大尺寸傳感器同時(shí)，智能手機(jī)也在刷新像素紀(jì)錄，在2019年三星推出了1/1.33英寸、1.08億像素的ISOCELL Bright HMX傳感器，到了2021年再一次刷新像素新高，推出了兩億像素、1.22英寸的ISOCELL HP1，但限于成像質(zhì)量與大小，關(guān)注程度不如1英寸大底。

更好成像：更先進(jìn)技術(shù)

雖然底大一級(jí)壓死人，但是大底負(fù)面因素也不少，一般來(lái)說(shuō)底越大成本越高，同時(shí)鏡頭尺寸會(huì)跟著底變大而變大、成本上漲，因此在CMOS圖像傳感器尺寸一路變大的同時(shí)，不停使用新技術(shù)改善畫質(zhì)、性能。

下圖是Chipworks整理的歷代iPhone主攝傳感器技術(shù)演變路線圖，雖然只覆蓋2007年的iPhone到2013年的iPhone 5s，但是足以代表過(guò)去十多年手機(jī)CMOS圖像傳感器核心技術(shù)演變——用BSI代替FSI，獲得更高量子效率，以提升高感表現(xiàn)以及減少低感下的噪點(diǎn)，在BSI基礎(chǔ)上增加Stacked（堆棧），提高傳感器讀取速度，實(shí)現(xiàn)高像素下高速輸出。

BSI是BackSide Illumination的簡(jiǎn)寫，一般翻譯為背照技術(shù)，在FSI時(shí)代，彩色濾鏡Color Filter）與負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電二極管（Photodiodes）之間存在一層電路層（Wiring Layers），電路層不僅遮擋了部分光線進(jìn)入光電二極管，而且影響了讀取速度——為了實(shí)現(xiàn)更高讀取速度需要更為復(fù)雜的電路層，但是當(dāng)電路層增加后會(huì)進(jìn)一步遮擋光線。

而BSI技術(shù)就是把電路層放到光電二極管下面，無(wú)論電路層多大都不會(huì)影響進(jìn)光，因此量子效率更高，達(dá)到90%，比FSI高出了10%（實(shí)際FSI量子效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)80%，比如索尼FSI傳感器大多介于50%至70%之間）。BSI制造難度更高，而且傳感器會(huì)變薄，噪點(diǎn)也會(huì)增加，需要其它技術(shù)去克服這些缺點(diǎn)。

BSI CMOS傳感器一開始在手機(jī)上使用就獲得用戶認(rèn)可，iPhone 4主攝使用的Omnivision OV5650傳感器正是基于BSI技術(shù)，加上社交媒體興起，智能手機(jī)迅速打斷了小DC的增長(zhǎng)勢(shì)頭，并不斷壓縮后者的生存空間，以致今天無(wú)人問(wèn)津。

到了iPhone 5s上，蘋果已經(jīng)改用了索尼MX145傳感器，這是加入了堆棧技術(shù)的BSI CMOS傳感器。所謂堆棧技術(shù)就是把兩塊或以上不同芯片貼合起來(lái)，按照索尼在IEEE2013上的介紹，當(dāng)時(shí)的堆棧式BSI CMOS是由90nm的像素層以及65nm邏輯電路層組成，二者通過(guò)TSV（through-silicon vias，硅穿孔）技術(shù)連接起來(lái)，由于模擬電路（像素層）、數(shù)字電路（邏輯電路）使用不同工藝，均能獲得更佳的性能、能效表現(xiàn)，因此畫質(zhì)、功耗表現(xiàn)更好，而且通過(guò)疊加不同芯片能獲得不同性能加成，比如疊加DRAM就能提升傳感器讀取，輕松實(shí)現(xiàn)4K升格視頻輸出。時(shí)至今天，堆棧式BSI CMOS傳感器依然是高性能代表，索尼A1、尼康Z9、佳能EOS R3三款旗艦無(wú)反相機(jī)均使用了堆棧式BSI CMOS傳感器。

不過(guò)TSV存在一個(gè)缺點(diǎn)，它至少要打穿一塊芯片去實(shí)現(xiàn)連接（所以得名硅穿孔），大大限制芯片尺寸大小、布局方式，后來(lái)索尼拿出了更為先進(jìn)的CU-CU工藝去實(shí)現(xiàn)堆棧。CU-CU就是在芯片表面設(shè)置銅觸點(diǎn)，然后不同芯片直接通過(guò)銅觸點(diǎn)連接起來(lái)，形式有點(diǎn)像是把兩片BGA封裝芯片貼合在一起。CU-CU能夠帶來(lái)更多連接通道、更靈活連接方式，進(jìn)一步提升讀取速度，或是實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。

在新技術(shù)提升CMOS傳感器讀取同時(shí)，傳感器還有不少技術(shù)改進(jìn)，關(guān)鍵一項(xiàng)提升對(duì)焦技術(shù)。比如說(shuō)了iPhone 6使用的IMX145傳感器加入了掩蔽式像素作為相位差對(duì)焦像素，三星Galaxy S7使用了全像素雙核對(duì)焦技術(shù)，到了IMX689傳感器，索尼在QuadBayer陣列基礎(chǔ)上進(jìn)化出2x2 OCL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了十字相位差對(duì)焦。

不過(guò)需要注意的是，三星在一億、兩億像素上使用了九合一、十六合一技術(shù)并不能比四合一提升AF性能，使用九合一、十六合一技術(shù)是因?yàn)閭鞲衅鲉蝹�(gè)像素太小，成像無(wú)法讓人滿意，同時(shí)為了減少ISP數(shù)據(jù)處理量，所以才做成多合一。

除了BSI、堆棧這些大幅度提升傳感器畫質(zhì)、性能技術(shù)外，這些年來(lái)手機(jī)傳感器還使用不少“小”技術(shù)，比如說(shuō)三星ISOCELL以及ISOCELL Plus，非拜爾陣列彩色濾鏡。ISOCELL、ISOCELL Plus原理很簡(jiǎn)單，它是在光電二極管修建一堵墻，遮擋應(yīng)該進(jìn)入A光電二極管的光線進(jìn)入隔壁的B光電二極管，其中ISOCELL Plus修的墻更高，達(dá)到了彩色濾鏡層。

早在2014年，中興推出了一款名為星星1號(hào)的手機(jī)，它主攝沒(méi)有采用常規(guī)的拜爾陣列（RGB），而是使用了Aptina的Clarity+ CMOS，這是一款使用RCCB陣列傳感器，它用白色濾鏡代替拜爾陣列的綠色濾鏡，讓更多光線進(jìn)入傳感器，按照官方說(shuō)法它的信噪比比拜爾陣列高出3-4dB。不過(guò)為了處理RCCB信號(hào)，手機(jī)配備了獨(dú)立ISP處理器。

在今天，已有不少手機(jī)采用非拜爾陣列的CMOS傳感器，比如說(shuō)華為Mate 50系列后置主攝就使用RYYB排列，以提升進(jìn)光量，但是非拜爾陣列難以校準(zhǔn)色彩始終是一個(gè)問(wèn)題，因此非拜爾陣列沒(méi)有全行業(yè)普及開來(lái)。

結(jié)語(yǔ)

不難看出，在過(guò)去10年多時(shí)間里，智能手機(jī)CMOS傳感器憑借著更大底，BSI、Stacked等更先進(jìn)的技術(shù)，不停在提升手機(jī)拍攝效果，不過(guò)到了近幾年技術(shù)雖然在更新，但是沒(méi)有太大的飛躍，用大底變成提升CMOS傳感器拍攝效果成了常用的手段，在未來(lái)幾年手機(jī)拍攝依然會(huì)不停提升，但是可能會(huì)進(jìn)入滯漲階段——用更大更重傳感器模塊來(lái)改善拍攝效果。