科普:除了索尼 你還知道哪些廠商的影像傳感器

2020-12-19 愛搞機

除了眾所周知的索尼,三星、豪威科技(Omnivision,下文簡稱OV)、佳能等廠商其實都有生產CMOS,當然,不局限於智慧型手機領域。這幾年CMOS廠商之間的併購讓市場格局產生了微妙的變化。

2015年10月底,東芝確認出售影像傳感器(CMOS)業務給索尼,並重組虧損的半導體業務。同年12月初,索尼公布收購價為190億日圓,收購範圍包括東芝半導體製造工廠和晶圓生產線,同時將1100名員工加入索尼。在此之前,索尼CMOS佔全球影像傳感器市場份額已經超過30%。日本軟銀在今年收購了ARM相信很多讀者都知道,殊不知早在15年中國投資財團(由三家公司組成)也有斬獲,成功收購了美國OV。CMOS市場份額排名前十的另一家廠商安森美半導體(ON Semiconductor)收購了飛兆半導體(Fairchild)。

根據早年外媒公布的全球CMOS市場份額名單前十位之中,除了上述的廠商,其實還有松下、SK海力士、格科微和意法半導體。


豪威科技(Omnivision)

OV傳感器本來用於iPhone主攝像頭位置,自iPhone 4s開始變更供應商為索尼之後,OV位置調整到前置攝像頭。隨後手機業界也漸漸形成前置OV+後置索尼的模式。後來隨著三星等廠商的崛起,OV市場份額出現了逐漸下降。

索尼堆棧式結構大夥都耳熟能詳,但是OV類似的PureCel-S技術並不是很多讀者知道。經過多年時間累積,部分OV傳感器也擁有類似索尼CMOS技術,相位對焦、硬體HDR,更別提堆像素的技能了。還記得索尼還沒在手機上推出2300萬像素傳感器之前,OV早已經有一顆2400萬像素傳感器,金立E8主攝像頭相信大夥不會忘記。接下來我們回顧一些經典的OV傳感器。


HTC One(M8)開始,採用UltraPixel技術的CMOS供應商更換成OV,同時引入了OV的200萬像素輔助鏡頭,只負責記錄景深信息。同年HTC Butterfly 2和HTC One M8 Eye將UltraPixel技術CMOS更換為IMX214,OV地位再次被索尼撼動。 

其中一顆採用了UltraPixel技術CMOS就是OV468x,單位像素大小達到2μm,當然,最早使用這種技術的廠商是意法半導體,後來由於種種原因HTC才將供應商替換成OV。當時的UltraPixel可不像如今HTC 10上面的那顆1200萬像素CMOS豔驚四座,區區400萬像素解析力經不起放大,另一方面也不支持4K視頻錄製。

從上面的表格可以看出OV很多傳感器其實都支持輸出RAW格式照片,關鍵還是看手機廠商對產品定位和採用的SoC平臺運算能力,如果只是入門手機或者只搭載了驍龍200之類處理器,顯然就沒有必要在系統中單獨開發對應接口處理RAW格式照片。


最後我們關注一下榮耀6 Plus這款早年的雙攝像頭手機,採用了兩顆OV8865傳感器。雖然單位像素大小只有1.4μm,但是華為稱其技術上等價於實現1.98μm單位像素大小。理論上能夠接收更多的光線,讓弱光下表現更加出彩。另一方面華為稱能夠通過兩顆傳感器和ISP實現更快的HDR合成速度,三角對焦讓榮耀6 Plus實現0.1s快速對焦。除此以外還實現了EDoF技術,能夠突破智慧型手機鏡頭固定光圈的局限,將全局畫面景深延伸到無限遠,減少智慧型手機普遍因為光圈大而造成畫面局部區域出現虛化的現象。榮耀6 Plus還能夠實現一顆攝像頭長曝光,另一顆攝像頭以1/15s時間短曝光,通過長短曝光結合方式合成照片。關於解析力問題,兩顆攝像頭能夠合成一張1300萬像素照片。


接著我們看看千萬以上級別的OV傳感器,從上面參數筆者推測HTC 10上面的第二代採用UltraPixel技術傳感器其實是OV12890,雖然HTC並沒有公布傳感器來源,但是多項參數十分吻合。索尼那邊也有一顆IMX378與之對應,兩顆傳感器的單位像素大小都達到了1.55μm,在智慧型手機的該項指標上算是名列前茅。

類似索尼IMX系列傳感器,OV這邊也會出現傳感器支持4K視頻錄製,但是手機廠商因為某些原因限制某款機型最高只支持1080P視頻錄製,例如Moto X、OPPO N3和金立E7。

隨著CMOS經驗累積,OV的部分傳感器也開始支持相位對焦、硬體HDR技術,例如OV21840和OV23850。後者相比索尼更早達到了2400萬像素解析力,在金立E8上能夠通過超像素技術實現1.2億像素。


三星

在三星Galaxy S5之前,三星傳感器基本上只會出現在入門級別千元機,而且並沒有ISOCELL技術加持。三星Galaxy S5開始ISOCELL像素結構名聲鵲起,原理是通過在相鄰像素間形成物理屏障,從而減少像素串擾的現象,下文會有詳細介紹。近幾年三星對自家旗艦機主攝像頭CMOS採用混合供貨的原則,不同地區不同版本手機分別採用索尼IMX系列和三星ISOCELL傳感器,提高知名度之後漸漸將採用ISOCELL像素結構的三星傳感器推廣給更多國產廠商使用。nubia、360、小米、OPPO等廠商部分機型也開始嘗試這種傳感器。索尼部分CMOS上的DTI畫質增強技術,通過技術解讀我們知道其原理和ISOCELL像素結構比較相似。


從上面表格可得:三星和OV、索尼CMOS可不僅僅在主攝像頭領域競爭,前置攝像頭方面三星也想插足。另一方面,近兩年有很多千元機主攝像頭採用三星傳感器,例如當年打著新國貨運動名號的紅米Note 2。當然並不是所有三星傳感器都採用ISOCELL像素結構,例如S5K3L2。


上面羅列出這幾年比較經典的ISOCELL傳感器,都是千萬級別傳感器,分為1200萬像素、1300萬像素和1600萬像素三類。

1200萬像素:其實三星Galaxy S7/S7 edge已經不是第一款採用1200萬像素ISOCELL傳感器,早在三星Galaxy Alpha時候就已經是1200萬像素,當然這兩顆傳感器的規格並不是一樣的。在三星Galaxy S7/S7 edge之前的三星旗艦機上面搭載的ISOCELL傳感器基本上都是16:9原生畫幅尺寸,直到今年這一代1200萬像素傳感器才捨棄了這種寬視角設計。16:9原生畫幅帶來好處就是開啟全像素時候能夠獲得16:9取景畫面。相比之下採用4:3畫幅設計的CMOS如果要獲得16:9取景畫面,獲得的照片並不能開啟全像素,例如4:3取景畫幅時候獲得1300萬像素照片,16:9畫幅時候只能夠獲得低於1300萬像素照片。經過這幾年的發展,三星不僅能夠在自家傳感器上實現相位對焦技術,還在最新一代ISOCELL傳感器上引入單眼相機的Dual Pixel對焦技術。4K視頻錄製和硬體HDR技術自然也不在話下。


1300萬像素:雖然很多廠商都沒有標明使用了哪一款ISOCELL傳感器,但是從規格和參數來看基本上能夠鎖定S5K3M2這一款。而nubia My 布拉格那一款型號規格和S5K3M2十分一致,不排除是同一款傳感器不同命名。至於聯想ZUK Z2系列兩款機型採用的1.34μm單位像素大小的傳感器估計是來自另一款型號。和索尼、OV傳感器類似,三星出售給其它廠商的ISOCELL傳感器會在功能上進行弱化,例如不支持4K視頻錄製和硬體HDR。

1600萬像素:紅米Note 3全網通版上面的S5K3P3單位像素大小僅為1μm,作為主打輕薄的型號從外觀上看並沒有突出機身。剩下兩顆S5K2P8和S5K2P2結構十分相似,最大區別就是後者支持相位對焦技術,並且已經沿用了很多款三星旗艦機,直到三星Galaxy S7/S7 edge才開始卸任。360和金立兩款手機估計也是採用這顆傳感器,但是閹割了硬體HDR功能,開啟全像素時候取景畫幅也並不是16:9。


最後我們聊聊ISOCELL像素結構包含了哪些技術。大致分為F-DTI、VTG、Smart WDR智能寬動態技術以及RWB成像技術。F-DTI是ISOCELL像素結構基本功能,正如上文所述能夠減少像素之間串擾問題。相比之下VTG技術經常被忽略,簡單來說能夠將感光二極體的位置從平躺在像素單元內狀態變成站立起來。從而帶來兩個好處,首先能夠充分利用入射光線,減少F-DTI結構削弱光線的副作用,其次就是提高感光元件的空間利用率,讓手機廠商能夠進一步在上面飈像素。

紅米Note 3全網通版上面的ISOCELL型號還支持Smart WDR智能寬動態技術和RWB成像技術,前者類似索尼的SME-HDR功能,也就是錄製視頻時候提供了硬體HDR。後者主要作用類似IMX278上面的RGBW結構。RGBW結構能夠改變傳感器內部感光元件頂部的濾色濾鏡結構,在RGB三原色基礎上增加無色的濾鏡區域,只捕捉光線強度而不捕捉光線色彩。RWB成像技術更為極端,拋棄傳統濾鏡設計,改變傳感器內每個像素的排列順序,用白色像素點替換掉綠色像素點,讓更多的光線通過傳感器濾鏡,使照片變得更加明亮。


東芝和松下

東芝CMOS部門被索尼收購之前還是有不少建樹的,諾基亞那兩顆劃時代CMOS其實都是出自東芝之手。而HTC One M9和HTC One M9+那顆2000萬像素傳感器來自東芝T4KA7,整體的質素相比索尼同級別型號並不算太高,但是像素值畢竟擺在那裡。


松下CMOS市場份額估計主要來自數位相機領域,智慧型手機領域近年能夠讓我們想起來的,由松下自主研發的CMOS估計只有松下Lumix CM1上面那顆1英寸大傢伙。


佳能、SK海力士和意法半導體

佳能在數位相機領域能夠自給自足,為自家產品定製旗艦級別CMOS,但是在手機傳感器方面幾乎沒有什麼建樹,所以大部分CMOS市場份額都是得益於數位相機領域。inter-bee 2014上再次展示1.2億像素頂級CMOS,能夠用於民用、傳統工業、航空航天等領域。15年再接再厲發布了一款2.5億像素APS-H畫幅CMOS,解析度高達19580*12600,創下當時同尺寸傳感器的世界紀錄,能夠用於佳能EOS-1D系列單眼相機之中。而今年推出的佳能EOS-1D X Mark II採用了全新開發的2020萬像素CMOS和雙DIGIC 6+影像傳感器,再次引入Dual Pixel CMOS AF(全像素雙核CMOS AF)技術。


SK海力士在半導體領域已經十分知名,但是踏足CMOS時間並不長,以800萬以下像素傳感器為主。從前幾年推出的一些傳感器型號的參數來看,硬指標並不是十分強悍,主要還是以低價搶佔市場。


意法半導體為當年New HTC One定製了一顆單位像素大小高達2μm傳感器,雖然只有400萬像素但是配合光學防抖鏡片組和F2.0大光圈之後,New HTC One夜景表現相比當時那些800萬像素以上智慧型手機擁有更高解析力和亮度。不過由於當時技術不成熟,在第二年HTC One(M8)上將供應商更改為OV,同時引入了景深鏡頭,不過去掉了光學防抖鏡片組。除此以外意法半導體在CMOS界影響力並不是太高。


總結

如今的索尼傳感器比索尼手機的存在感無疑更加強。雖然索尼IMX系列傳感器相比三星、OV等廠商CMOS在主攝像頭位置的地位有所動搖,但是整體來說還是能夠捍衛王者寶座。以今年為例,HTC、一加手機旗艦紛紛捨棄東芝和OV傳感器,回歸到大法的懷抱。另一方面,三星ISOCELL傳感器正在逐步入侵昔日屬於索尼和OV的市場份額。

索尼手機調校IMX系列傳感器反而不及部分友商給力,反觀三星針對同一款採用混合CMOS供貨旗艦機而言,卻有本事將ISOCELL和IMX系列兩種傳感器成像效果調校得十分相似。三星在成像算法優化上相比索尼更像親生母親,這從三星Galaxy S4時代就已經能夠看出來。索尼CMOS上的DTI畫質增強技術也有抄襲ISOCELL像素結構的嫌疑。索尼已經不再是昔日在CMOS技術上全面領先的廠商,除了疑似借鑑ISOCELL設計,Dual Pixel雙核對焦和當年的相位對焦技術也被三星先了一步引入智慧型手機。

值得一提的是,如果沒有本文這些廠商和索尼競爭CMOS市場份額,估計如今的影像傳感器成本肯定降不下來。而且一旦出現類似地震和水災之類的突發性事件的話,不僅智慧型手機,包括攝像機和數位相機的售價都會連番波動,前幾年的加價事件我們還依然歷歷在目,OV、三星等廠商能夠分擔一定風險。


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