为了让手机堪比单反CMOS传感器做过哪些努力？

　　#头条创作挑战赛#自从智能手机开始拼摄像头后，就喜欢与相机比较拍摄效果，比如说早努比亚在早期喊出了＂手机中的单反机＂口号，而现在则喜欢贴上相机品牌——徕卡、蔡司、哈苏，来显示自己实力超群。但无论口号还是贴牌，智能手机拍摄进步本质上是依靠技术，其中CMOS图像传感器（CIS）更是起了关键作用，那在智能手机发展历史，CIS到底做过哪些努力？
　　更好成像：更大的底、更多像素
　　如何有效提升手机成像质量呢？相信不少人都听过一句话——底大一级压死人——使用尺寸更大的传感器（底）、提高更多像素，而无论是苹果iPhone还是Android手机在过去十多年时间都按着这条路径前进。
　　比如说首款在中国市场热卖的苹果手机——iPhone 4，它后置摄像头使用了Omnivision OV5650传感器，规格为1/3.2英寸，也就是大小为12mm²（4*3mm），分辨率为2592*1944（5MP）。而最新一代iPhone 14 Pro系列，后置摄像头主摄分辨率已经提升至48MP，几乎是iPhone 4的10倍，同时根据techinsights拆解，传感器的面积达到了63.2mm²（9.16*6.92mm），是iPhone 4的5倍多。
　　相比iPhone的小步快跑，安卓手机对传感器尺寸、像素追求更为强烈，从2021年夏普发布R6开始，安卓手机就盯上了1英寸传感器，在2022年里出现了小米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图像传感器的手机，它们均使用索尼IMX989 Exmor RS CMOS传感器，像素为50MP，单个像素大小为1.60 um。
　　但出乎大家想象的是，首款搭载1英寸传感器并非夏普R6，而是2014年发布，也就是与iPhone 6同年的松下CM1。CM1是一台使用1080P 4.7英寸屏幕的智能手机，内部搭载了高通四核处理器，后置摄像头传感器源自相机，是一块1英寸、20MP传感器，搭载了一支等效全画幅28mm视角、最大光圈为F2.8的徕卡标定焦镜头，而且具备机械快门，在使用时镜头还会向前伸出。由于使用了超乎当时主流尺寸的传感器，CM1机身厚度达到了21mm，重量也有204g，因此当时大家觉得它是一台装了安装系统与带通讯功能的相机。但是现在回看，相信大家会觉得这是一台正常手机，毕竟小米12S Ultra在众多新技术加持下，重量也有225g，6.1英寸屏的iPhone 14 Pro也有206g。
　　在使用更大尺寸传感器同时，智能手机也在刷新像素纪录，在2019年三星推出了1/1.33英寸、1.08亿像素的ISOCELL Bright HMX传感器，到了2021年再一次刷新像素新高，推出了两亿像素、1.22英寸的ISOCELL HP1，但限于成像质量与大小，关注程度不如1英寸大底。
　　更好成像：更先进技术
　　虽然底大一级压死人，但是大底负面因素也不少，一般来说底越大成本越高，同时镜头尺寸会跟着底变大而变大、成本上涨，因此在CMOS图像传感器尺寸一路变大的同时，不停使用新技术改善画质、性能。
　　下图是Chipworks整理的历代iPhone主摄传感器技术演变路线图，虽然只覆盖2007年的iPhone到2013年的iPhone 5s，但是足以代表过去十多年手机CMOS图像传感器核心技术演变——用BSI代替FSI，获得更高量子效率，以提升高感表现以及减少低感下的噪点，在BSI基础上增加Stacked（堆栈），提高传感器读取速度，实现高像素下高速输出。
　　BSI是BackSide Illumination的简写，一般翻译为背照技术，在FSI时代，彩色滤镜Color Filter）与负责将光信号转化为电信号的光电二极管（Photodiodes）之间存在一层电路层（Wiring Layers），电路层不仅遮挡了部分光线进入光电二极管，而且影响了读取速度——为了实现更高读取速度需要更为复杂的电路层，但是当电路层增加后会进一步遮挡光线。
　　而BSI技术就是把电路层放到光电二极管下面，无论电路层多大都不会影响进光，因此量子效率更高，达到90%，比FSI高出了10%（实际FSI量子效率远远无法实现80%，比如索尼FSI传感器大多介于50%至70%之间）。BSI制造难度更高，而且传感器会变薄，噪点也会增加，需要其它技术去克服这些缺点。
　　BSI CMOS传感器一开始在手机上使用就获得用户认可，iPhone 4主摄使用的Omnivision OV5650传感器正是基于BSI技术，加上社交媒体兴起，智能手机迅速打断了小DC的增长势头，并不断压缩后者的生存空间，以致今天无人问津。
　　到了iPhone 5s上，苹果已经改用了索尼MX145传感器，这是加入了堆栈技术的BSI CMOS传感器。所谓堆栈技术就是把两块或以上不同芯片贴合起来，按照索尼在IEEE2013上的介绍，当时的堆栈式BSI CMOS是由90nm的像素层以及65nm逻辑电路层组成，二者通过TSV（through-silicon vias，硅穿孔）技术连接起来，由于模拟电路（像素层）、数字电路（逻辑电路）使用不同工艺，均能获得更佳的性能、能效表现，因此画质、功耗表现更好，而且通过叠加不同芯片能获得不同性能加成，比如叠加DRAM就能提升传感器读取，轻松实现4K升格视频输出。时至今天，堆栈式BSI CMOS传感器依然是高性能代表，索尼A1、尼康Z9、佳能EOS R3三款旗舰无反相机均使用了堆栈式BSI CMOS传感器。
　　不过TSV存在一个缺点，它至少要打穿一块芯片去实现连接（所以得名硅穿孔），大大限制芯片尺寸大小、布局方式，后来索尼拿出了更为先进的CU-CU工艺去实现堆栈。CU-CU就是在芯片表面设置铜触点，然后不同芯片直接通过铜触点连接起来，形式有点像是把两片BGA封装芯片贴合在一起。CU-CU能够带来更多连接通道、更灵活连接方式，进一步提升读取速度，或是实现更为复杂的功能。
　　在新技术提升CMOS传感器读取同时，传感器还有不少技术改进，最关键一项提升对焦技术。比如说了iPhone 6使用的IMX145传感器加入了掩蔽式像素作为相位差对焦像素，三星Galaxy S7使用了全像素双核对焦技术，到了IMX689传感器，索尼在QuadBayer阵列基础上进化出2x2 OCL技术，实现了十字相位差对焦。
　　不过需要注意的是，三星在一亿、两亿像素上使用了九合一、十六合一技术并不能比四合一提升AF性能，使用九合一、十六合一技术是因为传感器单个像素太小，成像无法让人满意，同时为了减少ISP数据处理量，所以才做成多合一。
　　除了BSI、堆栈这些大幅度提升传感器画质、性能技术外，这些年来手机传感器还使用不少＂小＂技术，比如说三星ISOCELL以及ISOCELL Plus，非拜尔阵列彩色滤镜。ISOCELL、ISOCELL Plus原理很简单，它是在光电二极管修建一堵墙，遮挡应该进入A光电二极管的光线进入隔壁的B光电二极管，其中ISOCELL Plus修的墙更高，达到了彩色滤镜层。
　　早在2014年，中兴推出了一款名为星星1号的手机，它主摄没有采用常规的拜尔阵列（RGB），而是使用了Aptina的Clarity+ CMOS，这是一款使用RCCB阵列传感器，它用白色滤镜代替拜尔阵列的绿色滤镜，让更多光线进入传感器，按照官方说法它的信噪比比拜尔阵列高出3-4dB，高感更为出色。不过为了处理RCCB信号，手机配备了独立ISP处理器。
　　在今天，已有不少手机采用非拜尔阵列的CMOS传感器，比如说华为Mate 50系列后置主摄就使用RYYB排列，以提升进光量，但是非拜尔阵列难以校准色彩始终是一个问题，因此非拜尔阵列没有全行业普及开来。
　　结语
　　不难看出，在过去10年多时间里，智能手机CMOS传感器凭借着更大底，BSI、Stacked等更先进的技术，不停在提升手机拍摄效果，不过到了近几年技术虽然在更新，但是没有太大的飞跃，用大底变成提升CMOS传感器拍摄效果成了最常用的手段，在未来几年手机拍摄依然会不停提升，但是可能会进入滞涨阶段——用更大更重传感器模块来改善拍摄效果。