笔记 | 再谈手机高像素(对焦与传感器结构)

2023-03-27 11:03 作者:相机笔记et 0人读过 | 我要投稿

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之前我们讲过手机上的“高像素”到底是怎么回事。沿着这个话题，今天我们再来讲讲对焦与传感器结构，其中就包含当下出镜率非常高的2×2 OCL。

为了方便更多读者，我们先来复习下手机高像素的概念。

手机上的高像素

早期的手机高像素是通过多帧合成实现的。类似于相机上的“摇摇乐”，区别在于手机依靠手持拍摄本身的位移进行合成，而相机则通过传感器防抖等组件实现更精细的位移。

自2018年3月华为P20 Pro发布之后，手机上的3200万、4000万、4800万、5000万、6400万、1亿乃至2亿像素，都是传感器确实具有这么多的光电二极管。这些传感器大多采用Quad-Bayer四拜耳结构（也有一些采用9拜耳或16拜耳），日常拍摄时会将相邻像素进行合并输出，有效像素依然维持在1000万-1600万范围内。

只有选择高像素模式或需要数码变焦时，四拜耳传感器（及9拜耳，16拜耳）才会通过硬件级的“像素重排列”功能进行全像素输出。这里并不是说传感器表面像素移动了位置，而是只传感器本身集成了“像素重排列”算法，可以直接输出高像素数据到处理器。

四拜耳4800万像素，日常输出1200万像素

四拜耳5000万像素，日常输出1250万像素

四拜耳6400万像素，日常输出1600万像素

9拜耳1.08亿像素，日常输出1200万像素

▲ 手机上的四拜耳（及9拜耳、16拜耳）传感器整合了像素重排列功能

四拜耳结构并不是新事物：苹果iPhone 6系列（2014年）的前置摄像头就是同色四像素相邻结构。四拜耳也不是移动设备的专享技术：尼康D1（1999年）、松下GH5S（2018年）、索尼FX3 / FX6 / α7SIII（2020-2021年）、奥之心OM-1（2022年）都采用了四拜耳或类似结构传感器 —— 需要说明的是，上述传感器都没有提供高像素输出模式，这也是如今四拜耳（及9拜耳、16拜耳）的一个重要特性。

▲ chipworks（如今TechInsights）拍摄的iPhone 6前置摄像头传感器图片。

▲ 拆解和显微拍摄显示索尼α7SIII等产品使用的IMX510传感器为2×2合并设计。

▲ 奥之心OM-1的传感器具备“交叉式四像素自动对焦”，对应手机上的2×2 OCL结构传感器。

与较低像素的普通拜耳传感器相比，高像素四拜耳传感器除了在宣传时更“唬人”外，还可以实现更大的裁切空间、更好的对焦性能、以及更优秀的高动态（HDR）拍摄能力。

对焦与传感器结构

近年来，我们经常会在介绍手机的文章中看到“2×2 OCL”字样。OCL即片上透镜（On Chip Lens，也翻译为微透镜），它的作用是为光电二极管聚集光线。这不仅关系到通过镜头光线的利用率，也决定了传感器分辨世界的能力 —— 在相机领域，传感器像素数量是与微透镜数量对应的。

▲ 佳能全像素双核CMOS AF技术传感器，每个微透镜下方都有2个光电二极管。但佳能并不会因此将有效像素作翻倍宣传。

结合索尼半导体关于手机对焦技术的描述，我们可以将移动传感器分成以下几种情况：

Dual PD

PD即光电二极管（PhotoDiode，Dual PD亦写作2PD），对焦像素采用2×1 OCL设计。

Dual PD是全像素对焦的最基本形式，主要用于较小尺寸、普通拜耳结构传感器。

2×2 OCL

4个像素共享1个OCL，可以对所有方向的线条进行对焦检测。除了提升对焦检测性能外，2×2 OCL还比Dual PD具有更好的光电转换效率 —— 即能更充分的利用通过镜头的光线。但也因为4个像素共享1个OCL，所以它的实际分辨率与普通拜耳传感器是类似的，这会影响到高像素模式、数码变焦、后期裁切时的成像质量。

2×2 OCL目前多用于中型尺寸（例如1/1.56型传感器）。

Octa PD

除了Dual PD和2×2 OCL外，一些大尺寸传感器还会采用Octa PD设计。它相当于将Dual PD与四拜耳整合在一起，对焦时同色四像素、8个光电二极管同时工作。除了具有良好的对焦性能外，在HDR拍摄时也不会受到被摄体亮度影响，长曝光、中曝光、短曝光都能进行相位检测。
不过，Octa PD只适用于大尺寸传感器，比如索尼IMX700/IMX707、三星GN2（称之为“全像素双核对焦Pro”），以及目前几款旗舰手机使用的索尼IMX989。