都要1億像素了 ，還記得手機(jī)拍照的“馬賽克”時代嗎？

在手機(jī)相機(jī)像素的發(fā)展史上，有一家公司有著“開掛”一樣的人生。

“手機(jī)拍照超越相機(jī)”這曾經(jīng)是被很多人所恥笑的一個話題，然而近兩年世界各大手機(jī)廠商強(qiáng)大的軟件算法優(yōu)化，索尼、三星等鏡頭供應(yīng)商的新品迭出，那句話也越來越像個冷笑話。

近期（8月7日）小米在北京未來影像技術(shù)溝通會上，宣布旗下Redmi品牌將聯(lián)合三星全球首發(fā)首款量產(chǎn)6400萬超清相機(jī)手機(jī)，還將帶來全球首款1億像素手機(jī)相機(jī)。手機(jī)相機(jī)技術(shù)進(jìn)步的如此之快，真是始料不及。從華為P30 Pro 4000萬像素，50倍變焦到三星、索尼接連發(fā)布4800萬手機(jī)相機(jī)CMOS；2019年Q2季度，三星又公布6400萬像素CMOS模組開始量產(chǎn)……時過境遷，筆者突然想到那個手機(jī)拍照自帶馬賽克的年代。

不知大伙還記得？

一部成像技術(shù)發(fā)展史

1969年兩位物理學(xué)大佬維拉·波義耳（Willard Boyle）和喬治·史密斯（George E. Smith）在美國AT＆T 貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明出了電荷耦合器件（CCD），一經(jīng)問世，炙手可熱。其后，世界科技大廠靠著對技術(shù)敏銳的嗅覺，便開始紛紛搗鼓這玩意。不過幾年光景，CCD的數(shù)字成像作用便被開發(fā)出來，1974年仙童半導(dǎo)體公司(Fairchild Semiconductor)就推出了2-D 100 x 100像素設(shè)備，而為柯達(dá)工作的電氣工程師Steven Sasson也在1975年短短一年時間發(fā)明出了世界第一臺 100 x 100 CCD數(shù)碼相機(jī)。

喬治·史密斯（左）和維拉·波義耳（右）

遙遠(yuǎn)東方的索大法（索尼Sony Corporation）副社長巖間獨(dú)具慧眼，“能把光變成數(shù)字圖像，這太神奇了，這才是我們索尼該做的事！”，其后便開始大規(guī)模，投入大量資金的CCD研發(fā)改進(jìn)工作，他親自到美國考察，從美國不斷地發(fā)回技術(shù)報(bào)告，但當(dāng)時CCD只是實(shí)驗(yàn)室里的東西，誰也沒有想到它能成為商品。因?yàn)榘凑债?dāng)時的技術(shù)水平，人們普遍認(rèn)為：運(yùn)用大規(guī)模的集成電路技術(shù)、完美無缺地生產(chǎn)在一個集成塊上具有10萬元件以上的CCD，這簡直是不可能完成的事。一般的企業(yè)在搞清這個情況以后就從研究中撤了下來。但巖間卻不這么認(rèn)為，他的結(jié)論是：“正因?yàn)闄C(jī)會誰都沒有動手搞，我們才要搞！”

80年代初，索尼將HAD（hole-accumulation diode）傳感器使用在可變速電子快門產(chǎn)品中，在拍攝移動快速的物體也可獲得清晰的圖象。其是在N型基板，P型，N+2極體的表面上，加上正孔蓄積層，這是SONY獨(dú)特的構(gòu)造。由于設(shè)計(jì)了這層正孔蓄積層，可以使感測器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外，在N型基板上設(shè)計(jì)電子可通過的垂直型隧道，使得開口率提高，換句換說，也提高了感度。

進(jìn)入90年代后期以來，CCD的單位面積也越來越小，1989年開發(fā)的微小鏡片技術(shù)，已經(jīng)無法再提升感亮度，如果將CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升，將會使雜訊也被提高，畫質(zhì)會受到明顯的影響。索尼在CCD技術(shù)的研發(fā)上又更進(jìn)一步，將以前使用微小鏡片的技術(shù)改良，提升光利用率，開發(fā)將鏡片的形狀最優(yōu)化技術(shù)，即索尼SUPERHADCCD技術(shù)?；旧鲜且蕴嵘饫眯蕘硖嵘辛炼鹊脑O(shè)計(jì)，這也為目前的CCD基本技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

隨著索尼后期不斷攻關(guān)完善設(shè)備，至1999年索尼的攝像設(shè)備生產(chǎn)量已超越了1億個以上。還積極降低產(chǎn)品消耗電力，減少驅(qū)動電路復(fù)雜度，減少ICPIN腳數(shù)以及減輕電子產(chǎn)品對地球生態(tài)環(huán)境負(fù)擔(dān)為目標(biāo)，研發(fā)設(shè)計(jì)新型的CCD組件。在CCD的應(yīng)用越來越多樣化的趨勢下，加強(qiáng)CCD的小型化及高像素化的基本特性，以提供更有魅力的高附加價(jià)值的產(chǎn)品來滿足用戶的要求。

CCD

CCD技術(shù)的不斷完善，攝像設(shè)備越來越小，從而導(dǎo)致手機(jī)的發(fā)展趨勢也不單單局限于打電話和發(fā)短信，一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，必將帶動其他產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展，從而形成相互依賴的作用。到這里我們目光看向手機(jī)，手機(jī)攝像能力的提升，可以讓我們直觀了解世界攝像技術(shù)的發(fā)展歷程。

世界上第一款搭載內(nèi)置攝像頭的手機(jī)應(yīng)該是夏普，2000年9月，日本廠商夏普（ Sharp Corporation）聯(lián)合日本移動運(yùn)營商J-PHONE發(fā)布了世界首款內(nèi)置了11萬像素CCD攝像頭的“夏普J(rèn)-SH04”手機(jī)。這款手機(jī)搭載一塊96×130像素液晶屏，和彩色顯示器(256色顯示器)，這樣的配置在當(dāng)年已經(jīng)是頂級配置。然而，由于夏普當(dāng)時只注重與日本本土市場，而且低調(diào)，所以這款手機(jī)在當(dāng)時并沒有引起多大的轟動。在大陸，當(dāng)時更是連手機(jī)拍照想都不敢想。

夏普J(rèn)-SH04

夏普J(rèn)-SH04盡管當(dāng)時沒人疼沒人愛，但它證明了一點(diǎn)，在手機(jī)上還可以做很多文章。從此，手機(jī)攝像頭的發(fā)展一發(fā)不可收拾。

三年之后，在2003年4月，夏普又出了新品“夏普J(rèn)-SH53”，并且又創(chuàng)造了一個第一：全球首款突破百萬像素?cái)z像頭的手機(jī)。夏普J(rèn)-SH53搭載100萬像素CCD鏡頭，可拍攝最大分辨率為1144×858像素的照片。而2.4英寸26萬色的屏幕分辨率已經(jīng)升級到了240×320像素的QVGA級別。同時這款手機(jī)擁有32和弦鈴聲，支持MP3播放和SD卡擴(kuò)展，這在當(dāng)時可謂劃時代之作。然而到這里，CCD鏡頭在手機(jī)上似乎到了瓶頸期了。

夏普J(rèn)-SH53

索尼在2005年10月4日宣布，該公司生產(chǎn)的部分CCD攝像元件存在缺陷，采用該CCD的產(chǎn)品有可能會出現(xiàn)“取景器和液晶顯示屏無法顯像，無法拍攝和畫面紊亂”等故障。故障原因是連接CCD芯片和引線框的焊接線發(fā)生老化而導(dǎo)致脫落。隨后，佳能、富士膠卷、柯尼卡美能達(dá)、尼康、奧林巴斯、理光等相繼宣布了CCD故障事件，至于故障原因則基本上與索尼公布的CCD故障相同，也就是說“CCD內(nèi)部的布線焊點(diǎn)有時會脫落”。這則大規(guī)模故障報(bào)道揭示了佳能、尼康等品牌產(chǎn)品所使用的CCD都是向索尼采購的。此次CCD故障涉及的品牌之廣、型號之多、時間之長也是讓人瞠目結(jié)舌，原來索尼才是爸爸啊。

這件事之后，也讓索尼思考，“CCD的成本和功耗都比CMOS要高出不少，千奇百怪的問題又層出不窮，為什么不學(xué)學(xué)隔壁佳能說干就干？”2007 年索尼發(fā)布了首款Exmor（背面照明技術(shù)感光元件）傳感器，相對以往其他廠商的CIS，Exmor最大變化是內(nèi)置了 ADC（analog-to-digital converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。在外置 ADC 傳感器傳輸數(shù)據(jù)時，每列像素產(chǎn)生的信號先通過降噪電路，匯聚后再通過外部總線傳輸?shù)絾蝹€或數(shù)個 ADC 之中。而 Exmor 每列像素?fù)碛歇?dú)立的 ADC，在 CIS 芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)字總線傳輸出去。由于 Exmor 的 ADC 數(shù)量非常龐大，每個 ADC 能在低頻率下運(yùn)行，僅達(dá)到 kHz 級別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外置 ADC 的MHz級別，有效減少了噪聲，也利于實(shí)現(xiàn)高速讀取。而且 Exmor 輸出的是數(shù)字信號，抗干擾性更好，易于長距離布線，亦無須ADC靠近CIS布置，大幅度簡化了PCB 設(shè)計(jì)。

然而與業(yè)界先進(jìn)水平相比，索尼在CMOS上落后的不是一丁半點(diǎn)，但憑借 Exmor 索尼拿到了進(jìn)入 CIS 市場的 “準(zhǔn)入證書”，開始了小步快跑的追趕之路。

實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置 ADC 后索尼高歌猛進(jìn)，2008 年推出了采用 BSI（Back-illuminated，背照式）技術(shù)的 Exmor R 傳感器。Exmor R 沿用了 Exmor 套路，先在技術(shù)難度較低的小尺寸 CIS 上試水，首款產(chǎn)品是 IMX055CHL，尺寸為 1/4 英寸，總像素為 2048×1536，被應(yīng)用在 HDR-CX110 等攝像機(jī)當(dāng)中。不過讓 Exmor R 揚(yáng)名立萬的，不是索尼自家相機(jī)、攝像機(jī)，而是蘋果的 iPhone 4s。

喬布斯與IPhone

CMOS

到這里，CMOS才算是真正大規(guī)模應(yīng)用到手機(jī)鏡頭，但是，“手機(jī)拍照拍的這么好了，我還去買什么相機(jī)？要啥自行車？”手機(jī)攝影質(zhì)量的巨大提升導(dǎo)致便攜數(shù)碼相機(jī)的衰落加速，索尼半導(dǎo)體部門以損失一個小市場卻換來一個大市場。

索尼繼續(xù)不斷改進(jìn)升級，又推出雙ADC等等技術(shù)，將人類記錄世界的方式推向新高峰。

2012年MWC上手機(jī)巨頭諾基亞集世界名廠之力，發(fā)布了一款震撼全球的具有高達(dá)4100萬像素卡爾蔡司攝像頭，索尼CMOS芯片的“NOKIA 808 PureView”。 作為全球首款采用PureView成像技術(shù)，4100萬像素傳感器、卡爾蔡司鏡頭和索尼像素超采樣技術(shù)的智能手機(jī)，諾基亞808 PureView開啟了智能手機(jī)影像的全新時代。此外，該機(jī)還支持全高清1080p錄像和播放、類CD質(zhì)量高品質(zhì)錄音以及獨(dú)家杜比耳機(jī)技術(shù)。該款手機(jī)成為諾基亞開發(fā)的最后一款塞班手機(jī)。

諾基亞808 PureView

現(xiàn)狀與未來

如今，CMOS等各領(lǐng)域拍攝成像技術(shù)的愈發(fā)成熟，使得各類手機(jī)攝像頭生產(chǎn)廠商如雨后春筍般出現(xiàn), 手機(jī)攝像頭的類型越來越豐富, 手機(jī)的攝像功能成為手機(jī)用戶關(guān)注的重點(diǎn)。

智能機(jī)經(jīng)過過去幾年猛烈的增長和普及后，現(xiàn)面臨著銷量增速下滑的問題，正力求創(chuàng)新突破窘境。2016年蘋果發(fā)布了『iPhone 7 plus』，率先打破了這種窘境。其搭載兩個1200萬像素的彩色攝像頭28mm 廣角與一個 56mm 標(biāo)準(zhǔn)定焦（廣角+長焦），推動了雙攝的快速普及。此舉具有行業(yè)標(biāo)桿意義，各手機(jī)廠家相繼跟進(jìn)，現(xiàn)幾乎已成各大品牌旗艦機(jī)標(biāo)配。

iPhone 7 plus

技術(shù)變革使得光學(xué)市場即使在智能手機(jī)市場進(jìn)入存量博弈階段的情況下仍具備較好的增長空間，據(jù) Yole 預(yù)測，全球攝像模組市場規(guī)模將由2016年的234億美元增長至2020年的 468億美元，年復(fù)合增長率12.2%。

全球攝像模組市場規(guī)模預(yù)測（來源：Yole，國海證券研究所）

同時消費(fèi)者對拍攝的相片及影像的“美感”要求也會不斷提高，手機(jī)攝像功能的提升亦不再局限于最初的“單純的像素增加”，而是會開始逐漸導(dǎo)入更多新的設(shè)計(jì)，雙攝、潛望式鏡頭和3D攝像等等。結(jié)合目前已發(fā)布的三攝/四攝機(jī)型情況以及三種主流的雙攝搭配方案，嘗試新的光學(xué)變焦能力（不管是超廣角還是長焦）是多攝方案的一個主要設(shè)計(jì)思路，高倍數(shù)的光學(xué)變焦有望成為未來幾年手機(jī)攝像的主要進(jìn)階方向之一，手機(jī)攝像模組市場還有很大的潛力可以挖掘。

攝像頭模組產(chǎn)業(yè)鏈情況

據(jù)旭日大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2016 年全球雙攝智能手機(jī)的滲透率僅為5%，2017年已超過20%，到2019年接近45%。出于成本考量，雙攝在初期主要被用于中高端機(jī)型，隨著模組單價(jià)逐漸降低，正逐漸往中低端市場滲透。此外，目前雙攝像頭（或者多攝）主要配置于智能手機(jī)背面，相信未來亦會逐漸往前置滲透。

智能手機(jī)雙攝滲透率（來源：旭日大數(shù)據(jù)，國海證券研究所）

當(dāng)前手機(jī)廠商在不斷進(jìn)行手機(jī)差異化設(shè)計(jì)，雙攝（或多攝）作為手機(jī)差異化競爭的方向，隨著應(yīng)用方向的明確和技術(shù)路線的統(tǒng)一，將呈爆發(fā)趨勢。根據(jù)智研咨詢預(yù)測，2020年智能手機(jī)出貨量達(dá)到19.25億臺。當(dāng)前，蘋果iPhone系列、三星Note系列、華為Mate系列/P 系列、OPPO R系列等高端旗艦機(jī)都采用雙攝配置，2018年大部分廠商旗艦機(jī)都會采用雙攝，預(yù)計(jì)到 2020 年，智能手機(jī)雙攝市場規(guī)模將達(dá)到800-850億元左右，未來幾年將保持高速增長。