硬件技术:成像的灵魂

影像传感器

在数码影像领域，除了传统光学组件外，对成像质量起到决定性作用的当属影像传感器。而受制于机身体积，智能手机的影像传感器尺寸存在较大的限制。因此各种提升影像传感器的技术开始在新一代旗舰智能手机中广泛应用，而且新技术研发的积极性甚至超过了传统的数码相机厂商。

索尼Exmor RS CMOS技术

在手机摄像头领域，索尼目前最知名的当属Exmor RS CMOS，其采用了被称之为“积层式”（stacked structure）的制造工艺，这种工艺将感光二极管旁占用部分面积的信号处理电路转移至后方“堆叠”，取代了原先的支撑衬底，进而使感光二极管的受光面积得以扩大，感光性能大为增强，尤其适合在昏暗环境中拍摄并获得更高动态范围的影像。本期测试的索尼Xperia Z1就采用了2 070万像素的Exmor RS CMOS。

诺基亚 PureView技术

严格来说，诺基亚的PureView技术是影像传感器、镜头、光学防抖和软件等一系列组件的统称。而在整个技术中4 100万像素的影像传感器无疑是最引人注目的。

PureView影像传感器最重要的改变之一就是增加了尺寸，由传统的1/3规格增加至1/1.5规格（诺基亚Lumia 1020），甚至1/1.2规格（诺基亚PureView 808）。传感器尺寸的增加直接提升了受光量。另外，该影像处理器的像素数还达到了4 100万，为用户后期切割构图或局部放大提供了可能。

诺基亚还为这个影像传感器带来了“超采样”技术，其通过将7个或8个像素合并成1个显示，生成500万像素的照片，变相增加了拍照取景灵活性与照片分享便利性。与诺基亚808所采用的影像传感器相比，诺基亚Lumia 1020的影像传感器虽然尺寸有所减小，但是由于使用了背照式技术，将线路层移至感光二极管背面，所以仍旧能提供不错的感光能力。

HTC UltraPixel技术

与其他厂商一味地增加像素数，导致单个光电二极管尺寸不断变小不同，HTC的影像传感器反其道而行之。HTC UltraPixel技术的核心思想就是在影像传感器尺寸不变的情况下，减少像素数量，从而使得单个光电二极管的尺寸增大，感光能力增强。换句话说就是牺牲画面的分辨率，换取暗光下的拍摄质量。

UltraPixel技术仍旧使用常见的1/3规格影像传感器，但像素数从常见的800万或1 300万减至430万。但单个像素的边长则变为2μm，大于800万像素的1.4μm和1 300万像素的1.1μm。HTC宣称这样做能够比相同尺寸1 300万像素的影像传感器多捕捉300%的光线，暗光表现就会有所提升。

防抖模块

传统的数码相机早就使用数码防抖、软件防抖和光学防抖等多种防抖技术，消除拍摄过程中产生的抖动。而早期的智能手机多半采用数码或软件防抖，甚至最新的iPhone 5s仍旧使用软件算法来消除拍摄所产生的画面抖动。本期测试的很多旗舰机型已经开始装备与数码相机类似的光学防抖系统，如诺基亚Lumia 1020和HTC One，但智能手机所使用的光学防抖系统仍旧具有自己的特色。

诺基亚的防抖技术

诺基亚是最早在智能手机上装备光学防抖系统的厂商，在Lumia 920上诺基亚就已经开始试水光学防抖技术。属于PureView组成技术之一的OIS（Optical Image Stabilisation）是一种镜头光学防抖技术，其从实现原理上与传统数码相机大同小异。不过，由于结构上的差异，诺基亚的OIS具有自己独有的优势。

传统的镜头光学防抖技术通常只驱动一片镜片发生位移，以改变光路抵消抖动。这样设计的好处是需要移动的部件体积小，移动时耗费的能量小，且移动更加迅速。但是问题在于，单片镜片移动会导致画面质量受损。这是因为镜片中心的分辨率一般都高于边缘，像散和慧差也是如此，但在防抖过程中，防抖镜片移动后光路中心穿过的是镜片边缘，因此画面的分辨率会受到影响。而受益于影像传感器尺寸相对较小，诺基亚PureView的镜头组被设计成一个轻量化的整体，在防抖过程中整组镜头可以一起移动，避免了上述问题。

HTC的防抖技术

与诺基亚类似，HTC近些年的旗舰机型也将发展的焦点聚集于摄像头，它也为自家的手机研发了独特的光学防抖技术，但在设计理念上却与诺基亚有比较明显的区别。

传统的光学防抖技术，通常只能让镜片或影像传感器沿x轴或y轴发生平行位移，因此无法抵消因相机倾斜而产生的抖动。HTC的防抖技术也采用了类似奥林巴斯的传感器五轴防抖的原理，所不同的是HTC倾斜的是防抖镜片，在HTC的OIS系统中，其防抖镜片可产生约1°的倾斜，抵消部分来自z轴上的抖动。

另外，HTC还宣称其OIS系统的检测频率达到了2 000Hz，镜头防抖的动作可以达到惊人的每秒2 000次，远超目前所有的光学防抖系统。

对焦模块

目前的手机摄像头有大约40%加入了自动对焦功能，而所谓自动的对焦就是用户在拍摄时，通过自动移动整个镜头组中的一片或者多片镜片，使画面的焦点刚好汇聚在镜片后方的影像传感器上的一种技术。传统数码相机领域，驱动镜片垂直移动的技术主要包括3种，步进马达+机械蜗杆+齿轮、超声波马达和VCM（音圈马达，Voice Coil Motor）。而对于智能手机摄像系统来说，由于体积有限，步进马达+机械蜗杆+齿轮的技术无法采用，超声波马达被佳能等厂商垄断，应用也比较少，因此大部分变焦系统都使用了VCM。

顾名思义，VCM技术通常用于喇叭等发声单元，帮助驱动振膜实现发声。其基本原理就是，磁场中的导体在通电后，会受到来自垂直于磁场的力并进而发生位移。早在1874年借助该原理制作的VCM就已经申请了技术专利。而本期测试的旗舰智能手机仍旧在采用这种自动对焦驱动技术。

不过新型的对焦驱动技术已经出现，该技术使用了MEMS（微机电系统，Micro Electro Mechanic System）代替了驱动镜头对焦的组件。2013年2月DigitalOptics公司对外正式了mems|cam摄像头模块（采用800万像素，1/3.2规格影像传感器），该模块首次应用了MEMS来帮助实现对焦，2013年年底该模块将正式给OPPO供货。

何为MEMS

MEMS对焦单元与VCM最大的区别在于制造工艺方面，VCM驱动镜片的单元仍旧使用传统的机械原理制造，线圈、弹簧都是通过机械加工来制作且需要较繁琐的组装过程。而MEMS驱动单元采用半导体制造技术，使用类似制作CPU的加工工艺，如光刻、腐蚀等。MEMS与CPU不同，并不是为了实现计算，而是更偏向于产生可控的物理位移，但MEMS的物理结构又保持了类似CPU的微小化特性，属于超精密机械加工。

MEMS系统包括微电路和微机械，它们按照功能要求集成在微小的芯片上，尺寸通常是毫米或微米级。MEMS系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等。而且由于MEMS采用了半导体制造技术，因此在性能、良品率和成本控制等方面都发展迅速。未来，由MEMS驱动的对焦系统也将取代传统的VCM驱动系统。

MEMS对焦系统

由于绝大部分元器件都通过半导体技术集成在了一片硅基板上，因此采用MEMS技术驱动的对焦系统结构更加简单，例如DigitalOptics公司的MEMS|cam摄像头模块，其对焦模组部分只包括两部分，即外壳和驱动镜片移动的MEMS电路板。在MEMS电路板中，最关键的模块当属梳状驱动器，其结构类似一组组梳子齿对置的结构，类似我们交叉的双指，梳子齿之间并不接触，但是当施加电压时，产生的静电会将梳子齿拉近，这种位置的变化最终驱动了镜片的位移。在MEMS|cam摄像头模块中，MEMS对焦系统驱动镜组的首枚镜片运动，可以实现100mm至无穷远的精确对焦。

技术优势

与传统的VCM对焦系统相比，MEMS拥有很多优势。MEMS|cam摄像头模块中的对焦镜片仅重3.5mg，远低于VCM系统中45mg左右的对焦镜组。而且其从微距到无穷远的对焦过程中，镜片仅需移动80μm的距离，远小于VCM的250μm。这样的变化大幅提升了变焦镜片对焦时位移一次到位的几率。VCM对焦系统的位移差为10μm～20μm之间，这会导致系统为了对焦成功，驱动对焦镜片在预期位置间来回移动，即出现我们常说的“拉风箱”现象。而MEMS的位移差通常小于1μm，基本可实现一次对焦便即刻合焦。MEMS|cam摄像头模块在100mm～1.2m的范围内对焦，往往可以在200ms左右完成，而VCM系统最快速度在耗时上也是其3倍。

另外，镜片运动能量需求的降低也直接导致了功耗的降低，传统VCM系统的对焦功耗在200mW左右，而MEMS系统仅为1mW，使整个摄像头系统的功耗和发热量明显降低，有效地抑制了噪点随拍摄时间增加而增多的问题。

MEMS系统还能提供更好的画面边缘成像精度。传统VCM系统动态倾斜（镜片位移误差）通常会大于0.25°，而MSMS系统则小于0.1°，这意味着相同对焦镜片面积下MSMS将拥有更好的画面边缘成像精度，而如果是相同的成像效果，那么MSMS将可使用更小体积的镜片。

从理论寿命上讲，基于半导体工艺的MSMS也更具优势，其对焦模组的理论寿命为10 000 000个循环，而VCM仅为300 000。

最后，由于对焦组件结构更简单，所以对焦镜片位移更小，采用MSMS技术的对焦镜头体积上也明显小于VCM镜头。