自從世界上第一部可拍照的手機問世後，手機的影像能力就越來越受到消費者們的關注和重視。特別是近幾年，手機影像系統成了各大手機廠家研發與宣傳的重點。那麼，在手機攝影發展的這麼多年中，廣大消費者也一直有類似“如今智慧手機的成像能力相較於早年的手機有多大的提升”“如今影像旗艦的拍照到底達到了什麼水平”以及“它們相較於相機是否有一戰之力”等這些問題。本期我們將從手機影像系統硬體引數的簡單科普、近年來手機影像系統的發展、如今旗艦機主攝感測器及相關技術的進步等方面做一個專題，為大家解答關於手機影像方面的疑惑。
本篇為整個專題的第一篇，旨在為讀者朋友梳理介紹近幾年出現的一些重要影像感測器並簡單普及一些感測器知識，文章中提到的諸如RYYB、QuadBayer等影像概念或實現原理，我們會在下一篇中為大家詳細解析。
手機與相機孰優孰劣
攝影，是一項記錄光的過程，也是一門留住光的藝術；在膠片攝影時代，充當“光線捕手”的就是膠片；而隨著科技的進步與市場的需要，影像感測器替代膠片成了主流的感光元件，而這一變化使得手機攝影成了可能。現今，智慧手機、民用無人機和相機等大都採用的是CMOS影像感測器，這種感測器具有成本較低、效能穩定以及低功耗等優點。那麼，既然相機和手機均採用了CMOS影像感測器，它們之間的區別又是什麼呢？
▲常見圖片感測器分為CCD和CMOS兩種
其中，二者最顯著的區別便是尺寸。“底大一級壓死人”是相機圈一句人盡皆知的鐵律。這句話指的是在工藝水平相近的情況下，感測器尺寸越大，其成像效果就越好。因為手機影像感測器為長方形，所以我們一般以其對角線長度來衡量其尺寸（單位為英寸，單位符號為“，根據行業慣例，感測器尺寸若大於1/2”的，則1“等於16毫米；若感測器尺寸小於1/2”，則按照1“等於18毫米來計算）。在今年，頂級的手機影像感測器尺寸最大的也只達到了1”，而入門的微單相機的感測器尺寸也都是1“起步。更大的感測器尺寸帶來的是更大的感光面積、更大的單像素面積和更高的信噪比，從而使照片具有更純淨的畫面和更高的寬容度。
▲夏普AQUOS R6的主攝感測器尺寸為1英寸。
除了感測器更大，相機還擁有眾多豐富且優質的鏡頭群可以選擇，諸如攝影愛好者們的心頭好：“大三元”（恆定F/2。8最大光圈的三隻頂級變焦鏡）“大光定”（高素質大光圈定焦鏡頭）等高素質鏡頭，而手機鏡頭則受到體積的限制，鏡頭模組多為恆定光圈、恆定焦段的組合，鏡片材質使用塑膠居多，鏡片數量通常也少於相機鏡頭。
▲手機影象感測器與相機影象感測器面積對比。
那麼在絕對光學素質被相機碾壓的情況下，如何讓手機拍出令人滿意的照片和影片呢？這成了手機廠商們不得不面對的難題。為了解決焦段不足的問題，手機廠商給出了多攝接力方案和多焦融合技術。為了解決進光量不足的問題，手機廠商長久以來都在增大鏡頭光圈、增大感測器面積、改變畫素排列方式和持續改善夜景演算法。針對手機相機解析力不足的問題，超高畫素感測器和畫素多合一技術應運而生。而為了發揮感測器的全部實力，多鏡片設計、玻塑混合鏡頭、更好的鏡頭鍍膜與更先進的防抖技術逐漸搭載到最近幾年旗艦手機之上。
▲可變光學變焦鏡頭。
如今的旗艦手機，常用焦段齊全，下至等效焦距十幾毫米的超廣角段，上至等效焦距兩百毫米的長焦段，都能實現覆蓋。
當然，現階段手機如果僅憑硬體效能，拍出的照片和影片質量還是難以和相機相比。但是，手機具有的方便攜帶、抬手即拍、使用門檻低等相機所不具備的優點，比起相機更換鏡頭、調焦調曝光所需的煩瑣步驟，隨手掏出手機雙指捏合變焦點選拍照才是大部分消費者的應用常態。畢竟，大多數時候“拍得到”比“拍得好”更重要，而比“拍得到”更重要的是“願意拍”。
▲手機廠商使用多定焦接力方案以模擬相機光學變焦鏡頭的效果。
如今，手機拍攝已進入計算攝影時代，除了採用更好的光學硬體，高算力影像晶片、優秀演算法的深度參與也成了手機成像過程中不可或缺的一部分。可以說，軟硬體深度結合才是手機攝影未來最大的優勢和發展方向。
當然，無論如何，拍出高質量照片和影片的前提還是擁有一顆高質量影像感測器。下面筆者就給大家介紹一下近年來行業中具有重要地位的手機影像感測器。
近年來具有重要地位的手機影像感測器
在手機影像感測器領域，最主要的供應商有三家，分別是索尼、三星和豪威科技。在去年，僅這三家在該領域的營收就佔到了全行業總營收的八成以上，且旗艦手機上的影像感測器也都來自這三家。所以下面筆者將基本按照發布時間的先後順序為讀者朋友進行介紹。
IMX586
釋出於2018年下半年的IMX586可以稱得上是一代神底，其開創性的在1/2”的感測器上採用單畫素尺寸為0。8微米的超緊湊畫素，使其擁有4800萬有效畫素，並在2019年的手機市場掀起了一股4800萬畫素熱。在尺寸固定不變的感測器上，畫素數量越多，該感測器的解析力就越強，其單畫素尺寸就越小，畫素感光能力越弱；反之，畫素數量越少，單畫素尺寸越大，感光能力越強但感測器解析力就越差。
▲IMX586與其主要競品對比。
在採用傳統拜耳陣列影像感測器上，畫素數量（解析力）和單像素面積（感光能力）成反比。此時以IMX586為代表採用基於QuadBayer陣列，具有畫素四合一能力的感測器出現了。在環境光充足的拍攝環境下呼叫全部畫素輸出4800萬畫素解析度的高畫素圖片，在環境光不足時則畫素四合一以大畫素輸出1200萬畫素圖片。
在2019年之前，手機主攝感測器普遍停留在1/2。55“的大環境下，IMX586的出現使手機市場平均拍照水平提升了一個檔次。三星、豪威為了應對IMX586也相繼推出了S5KGM2、OV48B等競品，但整體實力依舊無法超越IMX586。IMX586及其衍生產品在當時各個品牌的產品中均有大量搭載。雖然在今天來看，它的成畫素質已難稱頂級，但其相對均衡的實力和較低的售價使它對手機廠商們仍有不小的吸引力。
IMX600和IMX600Y
同在2018年釋出的一代神底索尼IMX600則極大地改變了手機市場格局。首發搭載了它的華為P20 Pro一經問世便震撼了整個市場。在2018年各廠商還在普遍使用1200萬畫素1/2。55”的IMX363時，IMX600以4000萬畫素（也常寫作40MP）1/1。7“的大底對當年市面上所有在售機型的感測器形成了碾壓態勢。同樣支援畫素四合一的它在1000萬畫素模式下單像素面積達到了2微米，暗光拍攝能力是同期其他產品完全無法比擬的。
▲1/1。7英寸手機影象感測器簡要對比。
在2019年，華為乘勝追擊，找索尼定製了基於RYYB濾色陣列的IMX650（亦稱600Y），在其他引數相同的情況下，相比IMX600的進光量提升40%，使華為旗艦手機在當年徹底坐穩了“夜拍之王”的寶座。
▲華為P30 Pro出色的夜拍能力領先同時代的其他手機。
IMX689與IMX700
同為2020年上半年亮相的頂級影像感測器，是OPPO和華為分別向索尼定製的IMX689與IMX700。二者均十分優秀且各有特色。作為IMX650的迭代款，IMX700的感測器尺寸達到了1/1。28”，依然採取RYYB方案，其夜拍能力在如今依舊堪稱頂級。與IMX700不同，IMX689並未一味追求提高進光量，不以尺寸見長（1/1。43“ 48MP）卻擁有雙原生ISO技術、DOL-HDR、全畫素全向對焦以及支援12bit取樣等諸多優秀特性，綜合素質不失頂級水準。因此，搭載了它們的OPPO Find X2 Pro、華為Mate40 Pro+等機型在當年都是頂級旗艦機型。
▲OPPO Find X2 Pro在當年數碼愛好者圈子中頗受好評。
IMX555/557與S5KHMX
作為2019年末到2020年初被廣泛使用的另外兩顆感測器，索尼IMX555與三星HMX在立項之初顯然就秉承了不同的設計思路。
IMX555（IMX557是IMX555的小改款，二者沒什麼實質性差距，IXM557也僅在索尼自家機型上搭載）是典型的大底大畫素感器。在尺寸達到1/1。7”的同時，僅有1200萬畫素，這使得它的單畫素尺寸達到1。8微米。加之它作為一顆採用索尼第六代感測器工藝（GEN6）的感測器（三層堆疊式設計，有獨立DRAM層），使它可以整合更多處理電路從而實現更多功能。加入的DRAM層則可發揮資料暫存的功能，可以很好地應對拍攝時產生的爆發性資料流，在高速連拍、多幀合成、高幀影片拍攝等場景時可顯著降低相機記憶體佔用且實現更好的成像效果。IMX555/557這樣基於索尼GEN6工藝的感測器在對焦速度、快門重新整理速度等方面都比其他型別的普通感測器擁有更大優勢。
▲IMX555/700/689與S5KHMX各具特色。
▲索尼gen6工藝與前代工藝感測器結構對比示意。
與IMX555相反的是，三星HMX則採用大底高畫素方案，它的出現讓手機影像感測器畫素數量突破了1億大關。在光照條件良好的情況下可以拍出超高解析力的圖片，但由於畫素數量過多導致它的單畫素尺寸僅有0。8微米，環境光較暗時成像質量難以保證。且其畫素全開時對晶片算力要求較高，故在大多數時候手機廠商在使用此類高畫素感測器時都以它們低畫素模式為主。在S5KHMX之後，三星又陸續推出了多款高畫素感測器。
OV48C
在2020年8月，OV48C伴隨著小米新機的釋出與消費者們見面了。作為來自豪威科技的頂級手機感測器，它身上的新技術自然也不少。
它基於豪威PureCel Plus晶片堆疊技術，尺寸為1/1。32“，擁有4800萬畫素。在原生單畫素尺寸就達到了1。2微米的情況下支援畫素四合一為2。4微米大畫素，同時擁有雙原生ISO融合技術，支援DCG HDR功能，所以OV48C比之常規感測器具有更強的HDR拍攝能力。無論是拍攝照片還是影片都能儘可能地保留高光與暗部細節，堪稱市面上最強的4800萬畫素手機影像感測器。但比較可惜的是，OV48C目前僅有小米10至尊紀念版搭載，未能被使更多的消費者所使用、熟知。
▲OV48C是首顆支援雙原生ISO融合技術的手機影象感測器。
▲雙原生ISO融合技術是雙原生ISO技術的升級。
IMX603
IMX603是蘋果為自家頂級產品定製的影像感測器，2020年售價過萬元的iPhone 12 Pro Max就用它作為主攝。而它在蘋果手機上的出色表現也讓大眾見識到了計算攝影的威力。
IMX603擁有1200萬畫素，尺寸是1/1。88”，單畫素尺寸1。7微米。雖然在硬體引數上，IMX603的資料並不怎麼亮眼，各項素質也難稱頂級，但蘋果在自家A系列晶片超高算力的基礎上，用其優異的調校和強大的演算法使iPhone 12 Pro Max的成像水平保持在第一梯隊，且影片拍攝能力也同樣出色。
由於主攝深度參與全焦段成像，蘋果在長焦端、超廣角端的變焦順滑度、髮色一致性也是極好的，iPhone相機預覽窗也可以做到所見即所得，Pro系兩款產品甚至支援拍攝Apple ProRAW格式的照片。在Android廠商層出不窮的定製大底感測器面前，蘋果機型的感測器已失去硬體優勢，但蘋果長期以來在拍攝演算法和提高軟硬體契合度方面的努力，仍然為其帶來強大的競爭力。
S5KGN1和IMX766
同樣首次亮相於2020年的S5KGN1（後簡稱GN1）和IMX766的設計思路是較為相似的。GN1尺寸為1/1。31‘’，最大畫素數量為5000萬，單畫素尺寸1。2微米。由於單畫素尺寸並不算太大，所以它基於三星ISOCELL Plus技術打造，以解決由於畫素數量多導致的小畫素間串擾問題，配合片上微透鏡（OCL）最佳化光線吸收能力，有效地降低了成像過程中的光損耗和光反射，提高感測器自身的色彩還原能力與光敏感度。
同樣採用QuadBayer畫素排列方案的GN1也有不錯的實時HDR能力。它可將同組的四個同色畫素同時進行不同時長的曝光、預覽和捕捉多種曝光中的相同場景，透過曝光時長差異分別保留高光和暗部細節，實時生成HDR影象，最終使拍攝者獲得高對比度、擁有豐富細節的高動態範圍照片和影片。此外，GN1在5000萬物理畫素的基礎上，可以透過獨家的軟體演算法生成1億畫素解析度的照片，進一步提升它在光線充足時的極限解析力。
▲QuadBayer陣列影象感測器實時HDR方式簡析。
IMX766則首發於2020年末釋出的OPPO Reno5 Pro+上，其畫素數量和GN1相同，尺寸略小為1/1。56“，單畫素尺寸1微米，支援畫素四合一。由於在體積與畫素數等引數上實現了較好的平衡，加之各方面都不存在明顯短板，IMX766在近兩年時間裡受到了多家手機廠商的歡迎，在各價位段的產品中均有搭載。OPPO更是在自己的兩代攝影旗艦手機上使用了它，這足以說明IMX766具有極高的上限。
OV64B與S5KHM2
豪威OV64B與三星S5KHM2本是不同定位的影像感測器，將它們放在一起介紹則是因為它們各自是自家感測器持續推進畫素小型化道路上的重要產品。OV64B是全球首款採用0。7微米小畫素的感測器，在1/2”的底上實現了6400萬畫素解析度；它同樣基於豪威的PureCel Plus堆疊晶片技術，提供2型2×2微透鏡相位檢測自動對焦，強化了在弱光環境下感測器的對焦能力；在影片錄製方面，OV64B最大支援8K@30fps影片拍攝，並支援在1600萬畫素影片模式下的三重曝光交錯式HDR（類似GN1中提到的實時HDR）輸出高動態範圍影片。
三星S5KHM2則是三星在1/1。52“的感測器上實現了1。08億畫素解析度，支援九畫素結合以2。1微米的大畫素輸出1200萬畫素照片，智慧ISO、實時HDR、EIS防抖等功能在它身上也是一個也沒有落下。在畫素小型化的道路上，各個廠商都在進行不懈的努力，如何在畫素越來越小的前提下保持較大滿阱容量、減少畫素間串擾及降低讀取噪聲等這些問題也是畫素小型化道路上的難點。但隨著半導體工業的進步，未來感測器畫素也許還會實現由微米級向奈米級的轉變。
S5KHM3和IMX789
時間來到2021年初，三星在自家旗艦GALAXY S21 Ultra的主攝方案上選擇了這顆1億畫素（108MP）的S5KHM3，其感測器尺寸1/1。33”，單畫素尺寸0。8微米，支援九合一NanoCell畫素聚合，輸出1200萬畫素照片。
IMX798則是一加號稱為一加9系列“花費億元打造的超級主攝”。與常規手機感測器不同，IMX789選擇了16：11畫幅而非4：3畫幅，這樣可以較好地平衡照片與影片拍攝間的切換，使得影片拍攝時無須再次裁切。在拍照時，該感測器可使用尺寸為1/1。43“，4800萬畫素的部分，而它的完整尺寸則為1/1。35”。一加在宣傳上還是比較保守的，並沒有將1/1。35“拿出宣傳，而是將IMX789拍照時呼叫的尺寸用作宣發，避免誤導消費者。IMX789還支援拍攝4K@120幀影片，可以說是拍照與錄製兼優的一顆感測器，目前僅有1加9 Pro、一加10 Pro兩款機型搭載。
▲IMX789是一加花高價定製的感測器。
OV64A與OV50A
OV64A是豪威科技繼OV48C之後在高階手機影像感測器領域的又一力作。在保持與前輩尺寸相同的前提下，它的畫素數量達到了6400萬，單畫素尺寸1微米，合成後達到2微米。OV64A基於豪威PureCel Plus-s晶片堆疊技術，是世界上首顆單畫素尺寸1微米的6400萬畫素影像感測器，也是目前市面上最強的6400畫素手機影像感測器。
OV50A是豪威科技2022年主推的新感測器，尺寸為1/1。55”，5000萬有效畫素，是豪威科技應對索尼IMX766而推出的競品。在近來新發布的手機中已有如Moto edge X30、OPPO Reno8等機型搭載。我們也可以期待未來更多的來自豪威科技的影像感測器進入手機市場豐富我們的選擇。
S5KGN2和S5KGN5
如果要評選2021年最令人印象深刻的影像旗艦手機，那小米11 Ultra一定是候選者之一。它的主攝尺寸達到了令人咋舌的1/1。12“，雖然這不是手機主攝感測器尺寸首次接近1”這個範疇，但做到安放碩大的GN2的同時，還能讓長焦和超廣攝像頭都保持高素質，小米11 Ultra還是第一個。關於S5KGN2的詳細解析我將會放到下一篇來進行。
▲小米11Ultra主長廣三攝每顆都有極高素質。
S5KGN5作為GN2的後輩，其硬體素質並沒有它的前輩那麼頂尖，但它的對焦效能得到了不小的加強。它是三星首個整合全方位自動對焦技術Dual Pixel Pro的1微米影像感測器。基於ISOCELL 2。0技術打造的它，尺寸1/1。57“，擁有5000萬有效畫素，單畫素尺寸1微米，支援基於三星Tetrapixel的四畫素結合，最大可拍攝8K@30fps影片，全畫素輸出速率達到了27fps。
與此同時，三星還把其特有畫素技術FDTI（Front Deep Trench Isolation）應用在其雙核對焦上，該技術可以使感測器上每個光電二極體接受和保留更多光資訊，改善光電二極體的滿阱容量（FWC），同時減少畫素內串擾。擁有這麼多優秀特性，S5KGN5成了手機感測器市場上除了OV50A 之外，索尼IMX766的又一有力競品。
IMX787和IMX800
IMX787是中興和努比亞新旗艦主攝採用的全新感測器。其主攝焦段沒有選擇像其他廠商那樣採用等效24mm焦距左右的廣角焦段（這也是有些手機廠商宣傳主攝鏡頭為廣角鏡頭的原因），而是採用了更為經典的等效35mm焦距的“人文焦段”。該焦段既可以擁有24mm焦段所沒有的背景虛化，也可以避免廣角焦段在近距離拍攝時帶來的畸變。由於主攝鏡頭與從廣角變為中焦鏡頭，若感測器採用類似IMX700、S5KGN2那樣的超大底，則會導致鏡頭模組體積過大的問題。所以努比亞Z40 Pro和中興Axon 40 Ultra都選擇了IMX686的迭代版本IMX787。IMX787作為1/1。7”級的主攝，成功讓等效35mm鏡頭登上了手機。
IMX800則是最近釋出的榮耀70系列手機全系標配的主攝感測器，1/1。49“尺寸的5400萬畫素CMOS，單畫素尺寸1微米，支援畫素四合一，可以把它看作是IMX766的一個升級版。
IMX866和S5KGNV
IMX866和GNV都是首發於vivo X80系列手機的主攝感測器，IMX866是IMX766的新一代“接班人”，它的一些有趣特性在下一篇內容中會有詳談。
GNV則是vivo為X80 Pro機型上向三星定製的主攝感測器，它的光學格式與S5KGN1類似，擁有5000萬畫素，每個畫素都採用了三星最新的畫素隔離技術ISOCELL 3。0。ISOCELL技術利用相鄰畫素之間的物理屏障減少畫素間的色彩干涉，減少光學損耗。ISOCELL技術在不斷的迭代中調整畫素結構，在濾色鏡之間升級隔離材料，以此提高光敏度和色彩保真度。GNV在暗光條件下也能進行畫素合成以1250萬畫素輸出照片，使其可以很好地應對各類複雜拍攝場景。
▲IMX866是IMX766的新一代“接班人” 。
將要與我們見面的感測器們
手機廠商們在各價位段的影像軍備競賽還在如火如荼地進行著，它們對於高素質感測器的需求量非常大。頭部CIS（CMOS Image Sensor）廠商們迎著這股需求，對自家頂尖產品的態度也是應給盡給不做保留，同時投入大量資金與精力研發新技術、開發新產品。畢竟自家產品一旦落後，就會被競爭對手搶佔市場。它們身後還有如海力士、格科微這樣的追趕者。
▲IMX608同樣支援16畫素合一功能。
在下一代產品方面，三星與豪威科技都分別宣佈了自家的2億畫素感測器S5KHP1和OVB0B。前者基於三星目前最先進的0。64微米技術打造封裝，採用最新ChameleonCell畫素合成技術，可根據拍攝環境採用4×4、2×2或全畫素模式。在環境光不足時，採用4×4畫素合成方式將相鄰16個畫素進行合併，以尺寸為2。56微米的大畫素拍攝1250萬畫素照片。
▲三星HP1以三星ChameleonCell技術打造。
▲三星S5KHP1是首顆2億畫素手機影象感測器。
後者OVB0B則將單畫素尺寸進一步縮小到了0。61微米，採用臺積電40nm工藝生產。因為採用2×2片上微透鏡（OCL），所以實現全畫素全向對焦。同時這款OVB0B因為具有更小的單畫素體積，故而可以把2億畫素做到1/1。28”的感測器上，成為目前世界上最小的兩億畫素感測器——這充分展示了豪威科技在畫素小型化方面的能力。相信在不久的將來我們就能用上可以拍攝2億畫素解析度圖片的手機。而索尼的下一代IMX9系旗艦感測器也將在今年下半年釋出，值得期待。
▲豪威OVB0B是目前世界上最小的兩億畫素手機影象感測器。
▲常見高階手機影象感測器相對素質對比表。
本專題的首篇到了這裡就已經接近尾聲，筆者帶著讀者朋友回顧了近年來手機影像感測器的發展，介紹了發展歷程中的重要型號，簡要科普了手機影像感測器領域的一些重要技術。
在接下來的文章中，筆者將會從如今市面上各家旗艦機型搭載的頂級感測器入手，透過它們來剖析目前手機影響感測器領域的一些重要概念和技術原理，同時讓讀者朋友對當前市面上的影像旗艦們有更深入的瞭解。
