手機相機凸起之謎…

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

比較10年前的iPhone 4S和現在的iPhone 13,單某一顆相機鏡頭孔徑,已經大不相同。手機相機模組變大,追本溯源應該是影像感測器變得越來越大…

電子產業的很多元件通常隨著技術演進,都有體積越做越小的趨勢,晶片、系統都在變小。但部分子產業是不大遵循摩爾定律的,比如成像。 從系統層面的大方向來看,相機好像就是越變越小的,從過往單眼相機到現在的微單眼相機;從上世紀出門旅遊要帶相機,到現在手機也能拍下不錯的照片。似乎成像設備在系統層面這個大方向上,的確在變小。 但如果觀察個別類別的成像系統,例如只看手機相機,近幾年它可是變得越來越大了。可比較10年前的iPhone 4S和現在的iPhone 13,單某一顆相機鏡頭孔徑,就已經大不相同。其實iPhone的對比還沒有那麼強烈,下圖是小米2 (2012)和小米11 Ultra (2021)的相機尺寸比較,這差異一目了然,且還不是等比例。     手機相機模組變大,追本溯源應該是影像感測器變得越來越大,比如夏普(Sharp) Aquos R6、索尼(Sony) Xepria PRO-I這樣的手機都已經用上1英吋(對角線))大小的CIS (CMOS影像感測器),趕上高階數位相機(DC)了。要知道10年前的手機相機,普遍還在用1/4英吋的CIS。基於CIS的發展,實則也能看出手機相機越做越大的原因。 不過本文要探討的是相機上真正佔據最大體積的部分:鏡頭(或整個光學系統)。恰好上個月TechInsights也做了一場有關蘋果(Apple)、三星(Samsung)、小米、vivo、華為與夏普手機相機發展趨勢的線上研討會,借助其中的部分資料來談談現在的手機相機為什麼那麼大?甚至已經不光是凸起的問題。 CIS為什麼要做那麼大 如前所述,手機相機做大的根本還是在於CIS變大了。CIS作為典型的一種晶片,為什麼沒有往小體積的方向發展呢?CIS之上排佈著大量的畫素,比如現在動不動就是1億、2億的畫素量,密密麻麻地平鋪在CIS上。畫素的作用就是感光:外界有光來了,每個畫素接收到不同量的光,光電轉換最終成為數位訊號,於是就變成了螢幕上顯示的照片。 畫素要擷取光子的這一特性,就決定了畫素是無法無限變小的。畫素做得越小,同製程下其感光能力就越差。雖然這些年畫素尺寸已經比10年前小了很多(如Omnivision已經宣佈把單個畫素做小到了0.56μm),但這也是基於畫素結構及製造製程的海量成本投入和努力。而且即便有先進技術的小畫素,其應用也受到諸多限制。畫素做不小,整個CIS自然也就做不小。     這裡還可以補充一個或許讓很多人難以接受的事實。「訊噪比」(SNR)是衡量成像品質的一個重要指標,雜訊(noise)越多畫質越差。而成像系統的雜訊來源是多種多樣的,比如說ADC會產生雜訊,CIS本身的製造缺陷、電訊號傳輸過程等等環節也會。 在微單眼相機、單眼相機這個範疇內,有一類雜訊成為主要的噪音源:散粒雜訊(shot noise)。將拍照,想像成一大堆盆子(畫素_都放在地上,去接下雨的雨水(光)的過程。這些雨水的下落是隨機的(量子運動隨機性),有些盆子在這場雨中可能接了1,000滴雨水,而有些則接了990滴或1,005滴。接到不同量的雨水就造成了散粒雜訊。如果雨量很少(暗光環境成像),那麼有些盆子接到50滴,有些接到40滴,其百分比差異變得極為巨大,此時散粒雜訊在照片上就會非常明顯。 而散粒雜訊的存在,作為一種大自然的「恩賜」無法被扭轉。當代全畫幅CIS在暗光環境下成像時,其他包括什麼讀取雜訊、本底雜訊之類,在散粒雜訊面前都不值一提。這是CIS受客觀因素制約的一個例子。這樣的例子決定了,無論人類的成像技術發展多麼剽悍,在不突破物理定律的情況下,就一定受到大自然限制。在CIS無法做小,乃至整個相機追求高畫質也越做越大。 變厚、變大的相機模組 手機相機CIS變得越來越大這一事實,應該是眾所周知。它從根源上帶動了整個相機模組變得更大、更厚。下圖是TechInsights總結的去年部分主流手機的相機模組厚度、面積,以及鏡頭口徑的差異。前三個是蘋果iPhone 12 Pro、12 Pro Max、13 Pro,可看出這三者的遞進關係。其中厚度的遞增,反映很多人所認知的手機相機的凸起。     在CIS尺寸方面頗具代表性的就是夏普Aquos R6,1英吋的底算是同品類中比較激進的(供應商不詳,TechInsights提到「疑似來自索尼」)。相機模組厚度達到了9mm,對於1英吋這樣的大底而言,要將外界的光「平鋪」到感測器上,就需要對應的厚度來容納整個光學系統。 而且入瞳徑(或可理解為光圈)也必須夠大,畢竟光通量更大了,鏡頭口徑將近4mm。夏普Aquos R6的整個相機系統實則不僅在成像部分,一側還有單獨的ToF相機用於自動對焦,令其整體顯得更為巨大。  

夏普Aquos R6。

  這裡還涉及一個關鍵問題,就是高畫素(畫素數量)和大畫素(畫素尺寸)的權衡。從當代旗艦機來看,現在不同的OEM有不同的選擇傾向。不過當同時追求高畫素和大畫素時,CIS面積必然就會比較大,但也有像夏普Aquos R6這種純粹選擇大畫素(2.5μm)的類型,其1英吋CIS的畫素數量不過2,000萬,當然不能簡單說這種選擇是好的或不好。 能夠相對直觀反映模組厚度增加的一個量,是相機鏡頭所用的鏡片數量。遙想當年諾基亞(Nokia)馳騁手機產業時,相機鏡頭用4片鏡片的結構還很常見,其實808Pureview也不過5片(雖然鏡片數量並不能反映光學系統設計的優劣)。而在上述手機裡,除了紅米K40遊戲增強版用了6片鏡片,其他都是7~8片鏡片的方案——這也能夠直觀反映為什麼當代手機相機都變厚了。 有一種變大變厚的迷思叫蘋果 相機模組體積急劇變大的,有些特例則不光是CIS尺寸變大的關係。下圖是iPhone 12 Pro和iPhone 13 Pro主相機模組的尺寸變化。雖說這兩代產品的CIS尺寸也的確不同(對角線7.34mm→10mm),但整個模組變大程度與CIS的加大不對等。 iPhone 13主相機模組厚度達到8.9mm,長寬為19 × 19mm,相對的iPhone 12 Pro這三個值為6.2 × 14 × 13.5mm。蘋果在這些手機中頗具特殊性的一項技術,在於感測器防抖(sensor-shift)。蘋果的感測器防抖技術最早是在2020年的iPhone 12 Pro Max上導入,全系iPhone 13均已普及,而且設計上也有了演進。     雖說蘋果對這項技術的介紹只有幾句話,而且這種透過感測器(及感測器所在基板)的位移,來抵消拍攝時抖動的方案,在相機領域並不稀罕,但從TechInsights的拆解來看,這項技術應該是耗費了蘋果相當大的工程開發精力。蘋果宣稱這項技術能夠實現最多每秒5,000次的感測器位置調整——相對而言,傳統的鏡頭位移防抖只能做到1,000次/秒。 從拆解來看,相機模組四周有4枚固定的磁鐵,磁場施力於帶電流的金屬線圈。鏡頭模組連接到周圍的線圈上,整個結構前後運動可以協助自動對焦操作;鏡頭的部分移動結構可能也應用在防抖上。而感測器的位移,則透過磁鐵下方額外的4個線圈來達成——通電時,磁場力作用於線圈,對整個感測器封裝做位移,方向垂直於光軸(所以鏡頭整體和感測器都能獨立移動)。     TechInsights介紹,調整4個線圈的電流,則可以進行其他軸向(rotate, shift)的位移防抖(可能也包括了前後位移)。研討會上,TechInsights也提到了方案的一些實施難點,比如可位移部分與軟性線纜連接的其他部分的電連接等,而且表示仍在研究其中細節,某些問題尚未搞清楚。 不過有一點很明確,這個設計是付出了巨大的面積、厚度代價的,使得iPhone 13系列的相機模組很大——即便其CIS尺寸實則並沒有同時代的其他機型大。且iPhone 13系列對這項技術的演進,也讓整體模組比iPhone 12 Pro Max更大了。蘋果也專門就這項技術申請了對應的專利。雖然投入這麼多,究竟值不值得又是另一回事。 鏡頭上的一些奇技淫巧 蘋果的這項技術,在實現更厚、更大的相機這一問題上,頗具代表性。不過產業大方向,對於更大CIS、更高畫素和清晰度的追求,都是整個相機模組變大的根本原因。與此同時,手機相機的多鏡頭系統裡開始出現不同焦距的相機,比較典型的像是長焦鏡頭——長焦聽起來就知道需要浪費鏡頭更多的厚度才能達成。 長焦鏡頭相比於主相機,拍攝更遠距離的物件,在原理上和望遠鏡差不多。2~3倍這個焦距倍率在不少手機上普及,也是相機整體變得更加凸起的重要原因。     技術層面,鏡頭供應商和系統整合商其實也在針對相機模組和尺寸做各種各樣的努力。如具有一定代表性的紅米K40遊戲增強版——這款手機的相機鏡頭部分只用了6片鏡片,比其他手機少了1~2片。根本原因在於這款手機採用了WLG晶圓級玻璃鏡片(ED超低色散光學玻璃鏡片),作為鏡頭系統的一部分,這款手機相機的最上方那枚鏡片就是WLG鏡片。 其重要價值在於鏡片兩面的塑形,將成型製程應用於玻璃兩側。WLG晶圓級玻璃本身是來自一家名為Kaleido的丹麥公司。宣傳中提到這種方案的光學優勢在於鏡頭全長(TTL)縮減5~10%,解析度提升至多5%,進光量增多15%。TechInsights的分析則顯示,這款手機的鏡頭光圈f/1.7——和大部分手機主相機差不多,焦距26mm;鏡頭全長的確縮減到了5.8mm,是其近代分析的手機相機中最薄的,不知道這種技術未來有沒有機會普及。     另一個屬於鏡頭的奇技淫巧是vivo這兩代旗艦手機上出現的蔡司(Zeiss)T*小藍標。vivo帶小藍標的手機相機凸起非常嚴重,雖然小藍標好像和縮減鏡頭厚度關係並沒有那麼大;但蔡司是貴族象徵,也是ASML EUV微影機的鏡頭唯一供應商,現在購買手機就能擁有... 可能大部分人認為蔡司與vivo的聯名,更多屬於市場行銷行為。實際上Zeiss T*是指鏡頭上有了某種鍍膜——通常這種鍍膜有抗炫光和鬼影的效果(順便嘲諷了iPhone)。畫面中某個光源(如太陽、路燈)的光可能在鏡片之間數次反射加上散射,造成炫光或鬼影。  

(來源:蔡司)

  Zeiss T鍍膜是選擇一些材料,以配合鏡片相應的特性,達成抗反光塗層:明確鏡片曲率之類的資料,加上建模,明確抗反光塗層厚度,緩解不同波長光的反射問題。不過T並非一組固定的材料,而更像是某種方法技術,明確多層材料鍍膜如何應用於鏡頭的方法。蔡司有篇報告專門談抗炫光的文章,名為About the reduction of reflections for camera lenses: How T*-coating made glass invisible。 從TechInsights對於vivo X60 Pro+的分析來看,其主相機7片鏡片,鏡頭堆疊與傳統方案無異——這表示光學系統還是來自那些個比較大的鏡頭供應商。與此同時,TechInsights也觀察了抗反射塗層,主要發現了二氧化鈦和二氧化矽——但這在手機鏡頭上也並不算稀罕。當然或許有更多細節未被發現,vivo與蔡司的合作深度亦無從探查。不過很顯然的是,手機產品的競爭焦點這些年還是在相機上,並且一路延續到了鏡頭。 潛望式鏡頭的崛起 回到相機變大變厚的問題。如前所述,長焦相機在手機上的出現,實則是整體相機模組凸起的元兇之一——畢竟較長的焦距,一定是要求鏡頭變長的。對於2~3倍焦距(通常指54~78mm等效焦距),或許還可接受(如iPhone),但5倍、10倍就很難放進手機裡了。 所以潛望式鏡頭結構出現了。實際上,潛望鏡並不是近兩年才出現——它已經有幾百年歷史,畢竟能潛望的也未必需要是相機,潛水艇也可以用。即便是在手機上,在前智慧型手機時代,諾基亞就有過潛望式光學變焦鏡頭的手機(如N93i)。這兩年變夯,則是因為更大倍率的長焦鏡頭出現在了手機上。前些年Corephotonics就宣傳過自家為OPPO定制的潛望式鏡頭方案技術,這家公司如今已經被三星收購。     潛望鏡的原理說起來也很簡單,鏡頭內部會有一個或多個反射鏡(或稜鏡),在遇到反射鏡時光路發生變化,光反射後最終也能抵達影像感測器。OPPO的宣傳示意圖很好地闡述了,什麼是潛望鏡。在這種結構下,鏡頭長度被放到了手機機身的X/Y軸,而不需要很大程度佔據其Z軸厚度。 小米、華為、三星的旗艦機都有類似的方案。其中小米10 Ultra的長焦鏡頭等效焦距達到120mm。絕大部分方案,都是光線從手機背面來,之後被90°反射到手機內部的影像感測器上。當然這類方案也不光是加個稜鏡的問題,考慮對焦、防抖等,滾珠軸承之類的機械結構也需要對應的跟上。 這些方案中,比較特殊的是三星Galaxy S21 Ultra,其長焦鏡頭的潛望結構內,有2面稜鏡——也就是說光線在相機內部被反射了兩次,這就能讓光路和TTL變得更長。TechInsights提供的數據是,小米10 Ultra長焦鏡頭模組厚度6.7mm,等效焦距120mm,TTL為22.1mm;而三星Galaxy S21 Ultra的這三個值為7.2mm、240mm (≈變焦10倍)、28mm (華為Mate40 Pro的值5.7mm、125mm、12.5mm)。 可見TTL達到這麼長,也能將模組厚度限制在6~7mm,且畫質能讓人接受,可看出工程上的努力。     Galaxy S21 Ultra的這顆相機在工程難度上應該會相當大,除了2次反射外還有一些特性。在上圖光路A(首次反射)上有5片鏡片,這5片鏡片結構本身就比較不同尋常,其中靠近物方的L1鏡片最大——傳統結構一般都是從這個位置往後鏡片越來越大,TechInsights評價這種方案是為了獲得「更窄的光學設計,讓鏡頭結構放進較窄的封裝中」。 另外圖中的左邊部分標出了滾珠軸承制動器所在位置,包括應用於稜鏡的、用於鏡身的等等,主要作用在防抖。另外,三星在宣傳中提到這款手機相機用了叫做D-cut的鏡頭——應該是指鏡頭不是傳統圓形,而經過了某種修剪,光路A上的5片鏡片都用了這樣的方案。這麼做也能縮減相機模組的體積——算是真正精準到每一寸的尺寸縮減了。 作為智慧型手機的重點競爭專案,一旦對畫質、更大範圍的拍攝場景有了追求,手機相機的凸起就不可避免。就像前面提到的光學成像基本原理就受制於散粒雜訊一樣,CIS增大、鏡頭鏡片增加、直徑變大,其終極目標都是讓相機能「吸」進更多的光,這樣拍的照片才好看——這是物理世界的限制。 與此同時,顯然產業在縮減相機模組尺寸、厚度方面也做了諸多工程努力,如三星Galaxy S21 Ultra這樣的手機,只是這些努力在人們對畫質的追求上依然是不夠看的。或許在人們不再關注手機拍照之前,手機相機的凸起都是一個繞不過的客觀存在。 本文原刊登於EE Times China網站      

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