自從智能手機開始拼攝像頭后，就喜歡與相機比較拍攝效果，比如說早努比亞在早期喊出了“手機中的單反機”口號，而現(xiàn)在則喜歡貼上相機品牌——徠卡、蔡司、哈蘇，來顯示自己實力超群。但無論口號還是貼牌，智能手機拍攝進步本質上是依靠技術，其中CMOS圖像傳感器（CIS）更是起了關鍵作用，那在智能手機發(fā)展歷史，CIS到底做過哪些努力？

更好成像：更大的底、更多像素

如何有效提升手機成像質量呢？相信不少人都聽過一句話——底大一級壓死人——使用尺寸更大的傳感器（底）、提高更多像素，而無論是蘋果iPhone還是Android手機在過去十多年時間都按著這條路徑前進。

比如說在中國市場熱賣的蘋果手機——iPhone 4，它后置攝像頭使用了Omnivision OV5650傳感器，規(guī)格為1/3.2英寸，也就是大小為12mm2（4*3mm），分辨率為2592*1944（5MP）。而新一代iPhone 14 Pro系列，后置攝像頭主攝分辨率已經(jīng)提升至48MP，幾乎是iPhone 4的10倍，同時根據(jù)techinsights拆解，傳感器的面積達到了63.2mm2（9.16*6.92mm），是iPhone 4的5倍多。

相比iPhone的小步快跑，安卓手機對傳感器尺寸、像素追求更為強烈，從2021年夏普發(fā)布R6開始，安卓手機就盯上了1英寸傳感器，在2022年里出現(xiàn)了小米12S Ultra、小米13 Pro、vivo X90 Pro/Pro+、夏普AQUOS R7、LEITZ PHONE共6款使用1英寸CMOS圖像傳感器的手機，它們均使用索尼IMX989 Exmor RS CMOS傳感器，像素為50MP，單個像素大小為1.60 um。

但出乎大家想象的是，搭載1英寸傳感器并非夏普R6，而是2014年發(fā)布，也就是與iPhone 6同年的松下CM1。CM1是一臺使用1080P 4.7英寸屏幕的智能手機，內部搭載了高通四核處理器，后置攝像頭傳感器源自相機，是一塊1英寸、20MP傳感器，搭載了一支等效全畫幅28mm視角、最大光圈為F2.8的徠卡標定焦鏡頭，而且具備機械快門，在使用時鏡頭還會向前伸出。由于使用了超乎當時主流尺寸的傳感器，CM1機身厚度達到了21mm，重量也有204g，因此當時大家覺得它是一臺裝了安裝系統(tǒng)與帶通訊功能的相機。但是現(xiàn)在回看，相信大家會覺得這是一臺正常手機，畢竟小米12S Ultra在眾多新技術加持下，重量也有225g，6.1英寸屏的iPhone 14 Pro也有206g。

在使用更大尺寸傳感器同時，智能手機也在刷新像素紀錄，在2019年三星推出了1/1.33英寸、1.08億像素的ISOCELL Bright HMX傳感器，到了2021年再一次刷新像素新高，推出了兩億像素、1.22英寸的ISOCELL HP1，但限于成像質量與大小，關注程度不如1英寸大底。

更好成像：更先進技術

雖然底大一級壓死人，但是大底負面因素也不少，一般來說底越大成本越高，同時鏡頭尺寸會跟著底變大而變大、成本上漲，因此在CMOS圖像傳感器尺寸一路變大的同時，不停使用新技術改善畫質、性能。

下圖是Chipworks整理的歷代iPhone主攝傳感器技術演變路線圖，雖然只覆蓋2007年的iPhone到2013年的iPhone 5s，但是足以代表過去十多年手機CMOS圖像傳感器核心技術演變——用BSI代替FSI，獲得更高量子效率，以提升高感表現(xiàn)以及減少低感下的噪點，在BSI基礎上增加Stacked（堆棧），提高傳感器讀取速度，實現(xiàn)高像素下高速輸出。

BSI是BackSide Illumination的簡寫，一般翻譯為背照技術，在FSI時代，彩色濾鏡Color Filter）與負責將光信號轉化為電信號的光電二極管（Photodiodes）之間存在一層電路層（Wiring Layers），電路層不僅遮擋了部分光線進入光電二極管，而且影響了讀取速度——為了實現(xiàn)更高讀取速度需要更為復雜的電路層，但是當電路層增加后會進一步遮擋光線。

而BSI技術就是把電路層放到光電二極管下面，無論電路層多大都不會影響進光，因此量子效率更高，達到90%，比FSI高出了10%（實際FSI量子效率遠遠無法實現(xiàn)80%，比如索尼FSI傳感器大多介于50%至70%之間）。BSI制造難度更高，而且傳感器會變薄，噪點也會增加，需要其它技術去克服這些缺點。

BSI CMOS傳感器一開始在手機上使用就獲得用戶認可，iPhone 4主攝使用的Omnivision OV5650傳感器正是基于BSI技術，加上社交媒體興起，智能手機迅速打斷了小DC的增長勢頭，并不斷壓縮后者的生存空間，以致今天無人問津。

到了iPhone 5s上，蘋果已經(jīng)改用了索尼MX145傳感器，這是加入了堆棧技術的BSI CMOS傳感器。所謂堆棧技術就是把兩塊或以上不同芯片貼合起來，按照索尼在IEEE2013上的介紹，當時的堆棧式BSI CMOS是由90nm的像素層以及65nm邏輯電路層組成，二者通過TSV（through-silicon vias，硅穿孔）技術連接起來，由于模擬電路（像素層）、數(shù)字電路（邏輯電路）使用不同工藝，均能獲得更佳的性能、能效表現(xiàn)，因此畫質、功耗表現(xiàn)更好，而且通過疊加不同芯片能獲得不同性能加成，比如疊加DRAM就能提升傳感器讀取，輕松實現(xiàn)4K升格視頻輸出。時至今天，堆棧式BSI CMOS傳感器依然是高性能代表，索尼A1、尼康Z9、佳能EOS R3三款旗艦無反相機均使用了堆棧式BSI CMOS傳感器。

不過TSV存在一個缺點，它至少要打穿一塊芯片去實現(xiàn)連接（所以得名硅穿孔），大大限制芯片尺寸大小、布局方式，后來索尼拿出了更為先進的CU-CU工藝去實現(xiàn)堆棧。CU-CU就是在芯片表面設置銅觸點，然后不同芯片直接通過銅觸點連接起來，形式有點像是把兩片BGA封裝芯片貼合在一起。CU-CU能夠帶來更多連接通道、更靈活連接方式，進一步提升讀取速度，或是實現(xiàn)更為復雜的功能。

在新技術提升CMOS傳感器讀取同時，傳感器還有不少技術改進，關鍵一項提升對焦技術。比如說了iPhone 6使用的IMX145傳感器加入了掩蔽式像素作為相位差對焦像素，三星Galaxy S7使用了全像素雙核對焦技術，到了IMX689傳感器，索尼在QuadBayer陣列基礎上進化出2x2 OCL技術，實現(xiàn)了十字相位差對焦。

不過需要注意的是，三星在一億、兩億像素上使用了九合一、十六合一技術并不能比四合一提升AF性能，使用九合一、十六合一技術是因為傳感器單個像素太小，成像無法讓人滿意，同時為了減少ISP數(shù)據(jù)處理量，所以才做成多合一。

除了BSI、堆棧這些大幅度提升傳感器畫質、性能技術外，這些年來手機傳感器還使用不少“小”技術，比如說三星ISOCELL以及ISOCELL Plus，非拜爾陣列彩色濾鏡。ISOCELL、ISOCELL Plus原理很簡單，它是在光電二極管修建一堵墻，遮擋應該進入A光電二極管的光線進入隔壁的B光電二極管，其中ISOCELL Plus修的墻更高，達到了彩色濾鏡層。

早在2014年，中興推出了一款名為星星1號的手機，它主攝沒有采用常規(guī)的拜爾陣列（RGB），而是使用了Aptina的Clarity+ CMOS，這是一款使用RCCB陣列傳感器，它用白色濾鏡代替拜爾陣列的綠色濾鏡，讓更多光線進入傳感器，按照官方說法它的信噪比比拜爾陣列高出3-4dB。不過為了處理RCCB信號，手機配備了獨立ISP處理器。

在今天，已有不少手機采用非拜爾陣列的CMOS傳感器，比如說華為Mate 50系列后置主攝就使用RYYB排列，以提升進光量，但是非拜爾陣列難以校準色彩始終是一個問題，因此非拜爾陣列沒有全行業(yè)普及開來。

結語

不難看出，在過去10年多時間里，智能手機CMOS傳感器憑借著更大底，BSI、Stacked等更先進的技術，不停在提升手機拍攝效果，不過到了近幾年技術雖然在更新，但是沒有太大的飛躍，用大底變成提升CMOS傳感器拍攝效果成了常用的手段，在未來幾年手機拍攝依然會不停提升，但是可能會進入滯漲階段——用更大更重傳感器模塊來改善拍攝效果。