探秘決定手機拍照品質的硬體

新聞 05-02

如今的手機已經有了天翻地覆的變化，手機不再只是行動電話，智能手機逐漸發展成我們掌中的娛樂工具。說起工具不得不提到手機的拍照功能，人們越來越依賴用手機拍照，相比「笨重體積大」的單反，出行遊玩時人們更喜歡掏出小巧的手機來記錄美好的時光。

人們對拍照的需求迫使智能手機無論是硬體還是拍照性能都有了很大的提高，從最初的30萬像素到如今主流的1300萬甚至2100萬像素。

除了像素上面的提高，另一個攝像頭的核心組件：感測器也有了「花樣式」的改變，如今主流的手機攝像頭感測器包括傳統式、背照式和堆棧式三種類型，它們之間有何不同之處，接下來就給大家介紹一下。

傳統（前照式）CMOS與背照式CMOS

傳統CMOS叫它前照式CMOS更為貼切，由於它在結構上和背照式CMOS更有對比性，編者就將這兩個放在一起介紹。先看一張前照式和背照式的橫剖對比圖示：

前照式結構和背照式結構的橫截面比較（圖片引自tuicool）

一般的CMOS都由以下幾部分構成：片上透鏡、彩色濾光片、金屬排線、光電二極體以及基板。傳統CMOS為左圖的前照式結構，當光線射入像素，經過了片上濾鏡和彩色濾光片後，先通過金屬排線層，最後光線才被光電二極體接收。

通過對比我們可以很直觀的看到，左圖的光在進入感光元件內部時被金屬線路擋住了一部分，原因是因為金屬是不透光的，而且還會反光。

所以，在金屬排線這層光線就會被部分阻擋和反射掉，光電二極體吸收的光線能就只有剛進來的時候的70％或更少；而且這反射還有可能串擾旁邊的像素，導致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價的鋁（Al），鋁對整個可見光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）

時間推進到了08年6月，索尼公司發現了傳統式CMOS的不足之處，發布了背照式CMOS，並冠以Exmor R名稱，並且首先用在數款DV產品上。

背照式就是將金屬排線層和光電二極體的位置和「前照式」顛倒過來了，使光線幾乎沒有阻礙和干擾地被光電二極體接受，光線利用率提高了，所以背照式CMOS感測器能更好的利用照射進入的光線，在低照度環境下成像質量也就更好了。

背照式CMOS更好的接受光子（圖片引自大秦網）

可捕捉的光子越多，感光性能越好，能夠帶來更細膩的畫質，可以說背照式CMOS的問世將手機成像提升了一個新的高度。

背照式與堆棧式

堆疊式CMOS最先出現在索尼推出的移動終端用CMOS上，Exmor RS為其註冊商標。堆疊式出現的初衷其實不是為了減少整個鏡頭模組的體積，「體積小」只是其附帶的一個好處而已。

從結構上來說，堆棧式CMOS是背照式CMOS的一個全新升級版本，具有高像素化、高性能化及小型化的特點，堆棧式（Exmor RS）CMOS的原理是，它使用有信號處理電路的晶元替代了原來背照CMOS圖像感測器的支持基板，在晶元上重疊形成背照CMOS元件的像素部分，從而實現了在較小的晶元尺寸上形成大量像素點的工藝。

由於像素部分和電路部分分別獨立，因此像素部分可針對高畫質優化，電路部分可針對高性能優化。

背照式CMOS和堆棧式CMOS結構對比（圖片引自百度百科）

通俗點來說，之前的背照式CMOS電路和處理迴路區域是在一層，相互擠壓空間難免會壓縮像素區域的面積。新的堆棧式結構把這部分電路板移到了感光元件的下層的基板上，為感光元件留出了更大的空間，更小的干擾，也就可以擁有更多的像素。

堆棧式CMOS結構圖（圖片引自hr.7192）

除此之外，堆棧式感測器相比起背照式的還擁有兩項技術來提升畫質的。第一個就是堆棧式感測器加入了RGBW的編碼技術，就是是由原來的R（紅），G（綠），B（藍）三原色像素點中再加入W（白）像素點來提升畫質，提高感測器的感光能力的，使攝像頭在暗光環境下也能夠拍攝出質量更高的照片。

第二項就是堆棧式感測器更加是支持硬體HDR功能，硬體HDR英文名稱叫做「In-camera HDR」，它實現的原理是能夠精確地單獨控制每一行像素的曝光時間，從而在感測器層面上就實現原生的高動態範圍渲染，有別於之前的軟體HDR技術一樣需要軟體，照相機綜合演算法來合成，所以照片生成的速度更快，而且可以實現HDR錄像。

從以上的介紹可以看出，堆棧式感測器是從背照式感測器進化提升而來的產品，也是由背照式的基礎上發展而來的，堆棧式感測器吸取了背照式的優勢地方，再彌補了其劣勢的地方，進行了更加全面的優化升級。除此之外，堆棧式感測器還可以兼顧背照式結構的設計，使到攝像頭的拍攝畫質有了很大的提高。

背照式CMOS和堆棧式CMOS成像到底誰好？

單純從結構上來講，堆棧式具有絕對壓倒性的優勢，優於背照式CMOS，但從當今的智能手機來看這個問題，還真不好說。

手機無論從價格還是性能，大體分為低端機、中端機、高端機三個劃分區間，每個手機的配置都有三六九等之分，拍照上的成像不單與感測器的類型相關，還與鏡頭質量、感光元件面積大小、手機圖像處理性能有關，比如有些背照式CMOS的感光元件面積依然大於堆棧式感光元件的面積，所以成像方面自然是前者優勢。

堆棧式（Exmor RS）示意圖：1是像素部分，2是相關電路，3是內置DRAM（圖片引自pcpop）