筆記 | 再談手機高像素(對焦與傳感器結構)

2023-03-27 11:03 作者:相機筆記et 0人讀過 | 我要投稿

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之前我們講過手機上的“高像素”到底是怎么回事。沿著這個話題，今天我們再來講講對焦與傳感器結構，其中就包含當下出鏡率非常高的2×2 OCL。

為了方便更多讀者，我們先來復習下手機高像素的概念。
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手機上的高像素

早期的手機高像素是通過多幀合成實現(xiàn)的。類似于相機上的“搖搖樂”，區(qū)別在于手機依靠手持拍攝本身的位移進行合成，而相機則通過傳感器防抖等組件實現(xiàn)更精細的位移。

自2018年3月華為P20 Pro發(fā)布之后，手機上的3200萬、4000萬、4800萬、5000萬、6400萬、1億乃至2億像素，都是傳感器確實具有這么多的光電二極管。這些傳感器大多采用Quad-Bayer四拜耳結構（也有一些采用9拜耳或16拜耳），日常拍攝時會將相鄰像素進行合并輸出，有效像素依然維持在1000萬-1600萬范圍內(nèi)。

只有選擇高像素模式或需要數(shù)碼變焦時，四拜耳傳感器（及9拜耳，16拜耳）才會通過硬件級的“像素重排列”功能進行全像素輸出。這里并不是說傳感器表面像素移動了位置，而是只傳感器本身集成了“像素重排列”算法，可以直接輸出高像素數(shù)據(jù)到處理器。

四拜耳4800萬像素，日常輸出1200萬像素

四拜耳5000萬像素，日常輸出1250萬像素

四拜耳6400萬像素，日常輸出1600萬像素

9拜耳1.08億像素，日常輸出1200萬像素

▲ 手機上的四拜耳（及9拜耳、16拜耳）傳感器整合了像素重排列功能

四拜耳結構并不是新事物：蘋果iPhone 6系列（2014年）的前置攝像頭就是同色四像素相鄰結構。四拜耳也不是移動設備的專享技術：尼康D1（1999年）、松下GH5S（2018年）、索尼FX3 / FX6 / α7SIII（2020-2021年）、奧之心OM-1（2022年）都采用了四拜耳或類似結構傳感器 —— 需要說明的是，上述傳感器都沒有提供高像素輸出模式，這也是如今四拜耳（及9拜耳、16拜耳）的一個重要特性。

▲ chipworks（如今TechInsights）拍攝的iPhone 6前置攝像頭傳感器圖片。

▲ 拆解和顯微拍攝顯示索尼α7SIII等產(chǎn)品使用的IMX510傳感器為2×2合并設計。

▲ 奧之心OM-1的傳感器具備“交叉式四像素自動對焦”，對應手機上的2×2 OCL結構傳感器。

與較低像素的普通拜耳傳感器相比，高像素四拜耳傳感器除了在宣傳時更“唬人”外，還可以實現(xiàn)更大的裁切空間、更好的對焦性能、以及更優(yōu)秀的高動態(tài)（HDR）拍攝能力。
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對焦與傳感器結構

近年來，我們經(jīng)常會在介紹手機的文章中看到“2×2 OCL”字樣。OCL即片上透鏡（On Chip Lens，也翻譯為微透鏡），它的作用是為光電二極管聚集光線。這不僅關系到通過鏡頭光線的利用率，也決定了傳感器分辨世界的能力?——?在相機領域，傳感器像素數(shù)量是與微透鏡數(shù)量對應的。

▲ 佳能全像素雙核CMOS AF技術傳感器，每個微透鏡下方都有2個光電二極管。但佳能并不會因此將有效像素作翻倍宣傳。

結合索尼半導體關于手機對焦技術的描述，我們可以將移動傳感器分成以下幾種情況：

Dual PD

PD即光電二極管（PhotoDiode，Dual?PD亦寫作2PD），對焦像素采用2×1 OCL設計。

Dual PD是全像素對焦的最基本形式，主要用于較小尺寸、普通拜耳結構傳感器。

2×2 OCL

4個像素共享1個OCL，可以對所有方向的線條進行對焦檢測。除了提升對焦檢測性能外，2×2 OCL還比Dual PD具有更好的光電轉換效率?—— 即能更充分的利用通過鏡頭的光線。但也因為4個像素共享1個OCL，所以它的實際分辨率與普通拜耳傳感器是類似的，這會影響到高像素模式、數(shù)碼變焦、后期裁切時的成像質(zhì)量。

2×2 OCL目前多用于中型尺寸（例如1/1.56型傳感器）。

Octa PD

除了Dual PD和2×2 OCL外，一些大尺寸傳感器還會采用Octa PD設計。它相當于將Dual PD與四拜耳整合在一起，對焦時同色四像素、8個光電二極管同時工作。除了具有良好的對焦性能外，在HDR拍攝時也不會受到被攝體亮度影響，長曝光、中曝光、短曝光都能進行相位檢測。
不過，Octa PD只適用于大尺寸傳感器，比如索尼IMX700/IMX707、三星GN2（稱之為“全像素雙核對焦Pro”），以及目前幾款旗艦手機使用的索尼IMX989。

有效分辨率的計算

基于R（紅）、G（綠）、B（藍）三原色的拜耳傳感器，我們通常認為G決定了明度也就是空間分辨率 ——?在傳感器平面上，每個像素只能感知一種顏色光線，需要結合相鄰像素計算才能呈現(xiàn)我們看到的萬千色彩。對此，你可以理解為用G構建基礎，然后再疊加R和B以獲得顏色。

對于普通拜耳傳感器來說，空間分辨率 = 50%有效像素，即1200萬像素傳感器，等效600萬像素全色彩采樣的分辨率。

*?適馬三層1:1:1 X3傳感器，索尼/賓得相機的像素偏移拍攝模式可以實現(xiàn)單像素全采樣。

普通四拜爾傳感器可以通過像素重排列算法實現(xiàn)高像素輸出。可以用到算法很多，以“三次樣條曲線36”為例，轉換后的空間分辨率 = 16/36，即相當于同樣像素數(shù)量普通拜耳傳感器有效像素的約88% —— 數(shù)字僅供參考，大家知道四拜耳傳感器的高像素模式存在少量細節(jié)損失就可以了。