最近小米推出mi 10 pro手機，主相機搭載了一顆108M像素的圖像傳感器，創下手機採用圖像傳感器解析度的新紀錄，在手機江湖一石激起千重浪，有支持的聲音，也有質疑的聲音。質疑的聲音裡有一個說《億級像素方向錯了》，技術方向的對錯不是短期能判定的，市場最終的走向很多時候也不是純粹的技術因素決定的。就像從CCD到cmos sensor的技術方向的轉變，筆者曾經問過Sony圖像傳感器部門的大佬，CCD的畫質更好，到底是什麼因素導致相機市場最終倒向cmos image sensor，是因為對高像素的需求？低功耗的需求？容易集成後處理電路？還是因為cmos sensor成本低？大佬給出了一個出乎我預料的答案：最主要是『產能』。手機相機的迅速普及，圖像傳感器的需求暴增，當時採用CCD工藝的工廠數遠遠少於cmos工藝的工廠數，cmos 工藝的工廠迅速轉過去生產圖像傳感器滿足了市場需求，同時cmos image sensor的設計者逐漸改進cmos sensor設計，融合CCD和Cmos的設計方法，逐漸提高了cmos image sensor的圖像質量。這樣cmos image sensor最終變成了圖像傳感器市場的絕對主流。市場方向是難以預料的，那麼從純技術的角度來看，sensor的高像素數到底意味著什麼呢？
由於摩爾定律，半導體工藝提升可以使得pixel越做越小，在相同面積上的晶片上像素數就可以做更高。在光學部分匹配的情況下，更多sensorpixel數可以提高成像系統對空間細節的採樣能力，最終得到圖像的解析度越高。這也是提高sensor像素數的最原始動力。但是由於pixel變小，繞射極限變小，鏡頭的光學解析度被進一步限制，所以在sensor的解析度高於鏡頭的解析度的情況下，成像系統的最終解析度並沒有因為sensor的像素多而獲得好處。Sensor解析度超過鏡頭的解析度，如果不加利用，那這種高像素就變成了浪費，所以在實際應用中，這種高像素sensor大部分都是以binning的形式輸出，也就是幾個像素合成一個輸出，從而獲得信噪比上的提升。同時由於sensor本身像素數就很高，即使binning，輸出的圖像解析度依然不低。Pixel 的SNR模型可以用下邊這個公式表示：Q是pixel的QE（量子效率），對於一個sensor來說，是一個常數。t是曝光時間，y是光強，D是Dark current，對於一個sensor來說也是常量。N是readout noise power。可以看出，相較單pixel的SNR，我們得到了10+log10（M）的增益。從公式可見，由於binning發生在source follower 和 ADC之前，N （readout noise）沒有被放大。所以binning得到的SNR更高。由下圖可見，binning與其他兩種對比，所得到的SNR的提升。像素數高，sensor尺寸變大。據說這款108M 像素的sensor 尺寸是1/1.33的規格，在手機裡僅次於當年Nokia Pureview808 ，這麼大的sensor size，pixel size 0.8um這麼小，手機厚度有限，sensor的crosstalk將會是個很難解決的問題。Crosstalk 增大，會導致噪聲增加，color shading，color noise 等等IQ指標的惡化。Cmos sensor的發展史也是一部改善crosstalk的歷史，從light guide，到deep trench，新的color filter與pixel isolator的設計也一直在進步，不知道三星針對這款sensor用了什麼黑科技。從單個像素而言，FWC（Full well capacity）影響了Pixel的動態範圍。越小的pixel size，FWC越小，信號更容易飽和，動態範圍越小。所以camera的開發者一般在使用像億像素這種高解析度sensor的時候，不會使用原始尺寸輸出，而是做了binning以後輸出。把4個像素或者更多像素合為一個輸出。有人會說，這樣的設計還不如直接設計一個大像素得了。所以終極問題是：同樣大小的電路，我們是設計成一個像素的動態範圍大，還是設計成4個像素，binning輸出的動態範圍大？假設兩種設計的pixel總面積相等，FWC相等，那麼哪一個設計的noise_floor 更小，哪一個的動態範圍就更大。延續前邊的噪聲模型，sensor的noise來源主要有三個，來自光信號的隨機噪聲：photon shot noise，在數學上服從泊松分布，是時域噪聲的主要來源。來自於readout 電路的readout noise，是Fix pattern noise的主要來源。以及來自像素半導體電路的dark current noise。去除temporal noise需要在時域上的冗餘，去除FPN需要空間濾波。高像素的設計產生的像素信號冗餘為去除噪聲提供了條件。可以有效地降低Noise floor。所以從提升動態範圍以及低光照拍照的角度來說，高像素的sensor為信號處理提供了更多的可以利用的資源。除了以上的幾個方面，高像素sensor對傳輸電路，散熱，光學等也有很多挑戰。當年Nokia在pureview 808的開發上，為了解決這些問題費了很大力氣，跟各組件的supplier大戰了3年，才最終帶傷上市。現在估計小米也費了不少功夫才把產品搞出來。高像素數在crop，zoom，8K視頻等方面顯而易見的好處就不說了，總而言之，高像素sensor為進一步提升手機拍照體驗提供了一個途徑，雖然在工程實現上有很多難點，但不會改變手機相機像素數越來越高的趨勢，相信今後還會有更高像素的手機相機出現，讓我們拭目以待。*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。
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