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2017 年 3 月 14 日，在无数单身汪还在痛恨 214 送了花却没赢来啪啪啪，到了「白色情人节」连好人卡 + 巧克力都收不到的时刻，自 2014 年就已在中国市场大幅裁撤规模的 SONY 移动，却为科技宅们发了份及时滴「狗粮」： 一部售价 4699 元的 Xperia XZs 手机！ （小焯腹黑 OS：大法你这分明是明抢索粉一年滴狗粮啊啊啊~ ?(? ?·?ω?·? ?)?.） 不过在 3 月初的 MWC 2017 上，索尼发布会晃瞎吃瓜群众狗眼的其实是另外一部手机—— Xperia XZ Premium，其最为人津津乐道在手机上的卖点为：
鉴于索尼 Xperia XZs 同 XZ Premium 的三项全球首发「黑科技」，只有 CMOS 是相同的；而后置 CMOS IMX 400 也是 Sony Semiconductor Solutions 公司独立出索尼集团、专注感光元件研发后，所推出的目前最具前瞻性的产品，所以本文中 @焯见科技 将对这颗影像传感器技术规格和工作原理做以细致分析，有想解（duo）毒（shou）滴童鞋往下看哦~ ????? （索尼 XPERIA XZs 上的 IMX 400 镜头模组） 在长篇大论开始前，小焯先欠揍地弱弱问这么一句： 这颗 IMX 400 包含的 1930万像素、F2.0 光圈、1/2.3 英寸 Exmor RS 传感器尺寸、单个像素 1.22 μm、960fps 慢动作拍摄，这些参数想必都是耳熟能详的了~ 辣么…你能用一个小故事，把手机 CMOS 的工作原理讲清楚吗？ (?☉? ⊙?) （索尼 XPERIA XZs /Premium 后置相机参数） 让我们先举个栗子，把思绪放飞到那个甜（dan）蜜（teng）的情人节，假设你和女朋友/男朋友为了炮制浪漫，先去电影院做了场前戏…… 不管看的片子是什么，你面前硕大的影幕其实就相当于手机 CMOS 感光元件的面积大小，面积越大捕捉的光子越多，感光性能越好，成像效果也就更出色。 而索尼 IMX 400 上 1/2.3 英寸的这个面积，是其高端后置相机上最大的尺寸，大小相同的典型适配有之前 XPERIA Z5 上的 IMX 300，以及小米 5s 上的 IMX 378。 而自索尼 2015 年 9 月发布 IMX 300 以来，其 Mobile 相机 Sensor 的尺寸一直保持在 1/2.3 —1/2.93 英寸之间，主要限制感光元件面积的原因在于： 作为便携设备的手机，轻薄一直是主流发展方向，虽然近年来由于屏幕和电池的增大，使得像 iPhone Plus 系达到了 190 克左右的重量，但机身的厚度一直保持在 7.3 毫米，尽管这也造成了后置摄像头的蜜汁凸起~ o(*≧▽≦)ツ @焯见科技 2016 年采访一加创始人刘作虎时聊到，一加手机 2 由于不想把 1/2.6英寸 CMOS 的后置相机凸起，所以机身厚度达到了惊人的 9.85 毫米，直接导致手感失衡。 所以说现在的主流手机，在机身厚度上都尽量保持在 6.5 毫米-8.5 毫米之间，过薄则续航不利，太厚则用来不便，在这个维度走向两面极端的产品，最终都接受到了销量堪忧的检验。 另外拍照成像还依赖于通过镜头模组，将景物的光学图像（反射光线）投射到感光元件上，所以说手机镜头的素质和组合也非常重要，但鉴于这些年来镜头材料并没有革命性的突破，所以手机 CMOS 的面积目前只能酱紫了。 （OPPO 发布的 5X 无损变焦亮点在改变折射方向延长了光路） 咳~再随@焯见科技 回到我们可爱的故事环节，在影院里你之所以会觉得画面栩栩如生，很大原因是由于影片原文件保留了丰富的画面细节，现在广泛采用的数字拷贝虽然没有胶片拷贝的色彩还原度高，但却有效去除了胶片的刮伤、抖动及噪点问题，从而提升了整体的画面质量。 对于数字电影来说，广电总局规定了 4K（分辨率 4096 × 2016 825 万像素）、2K（分辨率 2048 × 1080 221 万像素）、1.3K（分辨率 1280 × 1024 131 万像素）和0.8K（分辨率1024 × 768 78.6 万像素）四种规格，目前城市院线的银幕主要为 2K 和 1.3K。 细心的读者看到这肯定已经发现了：索尼 IMX 400 的像素已经高达 1,930万了，为毛 4K 影片的像素才 825 万啊？ Σ( ° △ °|||)︴ （2016年 2月7日公布的索尼 IMX400 CMOS 参数） 这里其实应该先明确一下拍摄时 FPS 的含义，说的可绝不是第一人称射击游戏 （First-person shooting game）啊，而是每秒传输帧数（ Frames Per Second）。 不管所谓动画、视频还是电影，其实关键都在于把静态的画面连贯起来，每一个画面就是一「帧」，而对于显示器和电视来说，常见的 1080p 刷新率 60 hz，其中的 60 赫兹，就相当于每秒刷新了 60 张画面。 对于动态画面来说，低于 15 fps 就会有明显停顿的感觉，只有保证起码有 24 fps ，才能让人眼感觉画面流畅；玩游戏通常需要 30 fps；但高速视觉游戏如赛车类的，达到 60 fps 才有风驰电掣的速度感；而像 PS VR 或 HTC vive 这种虚拟现实头盔，只有满足了 90 fps 才能成功骗过大脑，实现以假乱真的位移沉浸感；但这都不如第一人称射击游戏的苛刻，目前高端游戏显示器做到了 144hz 的刷新率，使高玩能够在 0.1 秒内完成定位、瞄准、射击的连贯动作。 （宫崎骏用每一张手绘图作为动画的关键「帧」） 所以说即使 CMOS 像素够多，但在处理器运算和数据传输的极限下，为完成每秒多帧连续拍摄，就只能降低帧率或者减少每帧的分辨率了。 这次大法的 IMX 400 能够做到 4K 60 fps（分辨率 3840 X 2160）的视频录制，甚至于 960 fps 慢动作摄影（尽管每次只能拍 0.2 秒），确实在技术上有了质的突破，可喜可贺。(●'?'●)??
（苹果 iPhone 1200万像素录制视频选项） 不过呢，虽然索尼官方宣称 IMX 400 拥有 1,930 万像素，但恐怕在实际拍摄中达不到这个数值，这又是 V 什么呢？ 事实上 IMX 400 的有效像素为 5520（长）x 3840 （高）= 2,120 万，但在拍照时由于画幅比例的不同选择，直接造成了最终有些像素没有参与到成像过程中。
（索尼 CMOS 画幅成像图 via FView Z5 Premium 消费者报告） 通过这幅示意图，不难计算出索尼 IMX 400 这颗 CMOS 在 4：3 画幅下像素为 1,930 万，而 16：9 画幅时降到了 1,710万，这里不得不说骚尼在宣传上有点鸡贼啊~ 毕竟现在的显示器和电视，多数都是根据人双眼的视野范围比例 16：9 做出来的，4：3 画幅在数码相机上使用居多，但在许多显示终端上无法全屏播放，这无疑是并不很爽滴事儿。
但在 1/2.3英寸、 面积仅为 28.46 mm2 的CMOS 上，1,710 万像素依然是一个极其惊人的数字，以 CP 看电影这个故事来做譬喻的话，那就相当于用 5520 x 3105 的分辨率在银幕上放映了一部超高清影片，每一份爱与恨的缠绵纠葛，都能在戏中人的表情上纤毫毕现。
但你要是现在就下结论说： IMX 400 上 2,120 万的有效像素，实际只用了 1,710 万，剩下 410 万完全浪费掉了可也太武断了。要知道骚尼几代 XPERIA 的搞基 oh 不，是高级拍照模式，标明的出片像素仅为 800 万像素，但却质量奇高，这又怎么回事？ 原因就在于索尼有一套核（kui）心（hua）算（bao）法（dian），能够把几个像素合而为一，显著提升拍摄时抗干扰的能力，从而提升画面的纯净度和清晰度。（在 IMX 400 中 4：3 和 16：9 普通模式下，能否有效合并冗余像素还有待进一步检验） 这就好比目前各手机系统拍照界面都会有的 HDR（高动态光照渲染）模式，通过一次拍摄生成多张不同曝光时间的照片，再最终把多张照片合成为一，让景物亮处更鲜明而暗部细节更突出，增强物体的轮廓感，营造出一种独特的视觉效果。这两种方式解决问题的出发点本质上都是近似的。
那么问题又来了，对于最终成像画面的解析力来说，是不是 CMOS 像素越多就越好呢？ 还是用 @焯见科技 在上文中提到的电影院场景说事儿：已知银幕尺寸是一样的，分辨率也是一样的，那么以下 A、B 两个画面谁的解析力更好？
A.史蒂文·斯皮尔伯格 导演《拯救大兵瑞恩》
B.詹姆斯·古恩 导演 《银河护卫队》 蛤蛤蛤~我知道你会说 A 不如 B 是吧？ 其实斯皮尔伯格影片的颗粒感来自于其御用摄影师卡明斯基的快速感光胶片，俗称「卡氏噪点」，这种摄影风格能让画面看起来更有年代感和纪录片既视感，毕竟电影是画面的艺术，如果都拍得那么逼真，可能距离感和朦胧美就消散了。 开个玩笑缓解下看这么久文章的疲劳哈~其实用手机拍照和电影拍摄来做横比，本身就是一个很不妥的事儿，原因就出在手机上的 CMOS 面积过小，像素不能无限制的增加，越多反而会彼此造成串扰，影响画面质量。
（为什么说手机就是拍个影儿？对比数码相机的画幅可见） 这里就必须知道另外一件事儿了：单个像素尺寸，单位为 μm。 辣么，已知索尼 IMX 400 的有效像素是 2,120 万，1/2.3英寸 CMOS 面积为 28.46 mm2 ，如果单个像素尺寸为 1.22 μm，实际像素占用面积就是 25.86 mm2 ，也就是说在狭小的空间下，众多像素宝宝挤是挤了点儿，但总算还留了些喘口粗气、行个方便的缝隙~ ??[????]? 这样一来，当环境光通过 IMX 400 F2.0 光圈的微透镜（数字越小光圈越大，进光量也就越多），再经过红外滤光片的色彩过滤，与 CMOS 的像素苟合后，单个像素就分别保存下了巫山云雨的种种光照细节。 但众所周知，采光来自四面八方，平射、斜射、折射各种情况都会发生，即使 CMOS 内像素之间留有空隙，也还是难以避免相邻像素的光子「私奔」；而且在单个像素上由硅和锗这两种元素构成光电二极管上的正负电荷发生作用时，如果承载的光子过多，也会造成一定程度的电流串扰，从而造成单个像素携带光源颜色和数量上的错误。
（用物理隔断来防止光线串扰，三星和苹果都在采用，使得 1200万像素的后置「逆袭」） 所以对于单个像素尺寸这个参数来说，数字越大表示 CMOS 上密度越小，则像素间抗干扰能力较强；反之较弱。三星自 S5 以来采用了 ISOCELL 技术，通过在相邻像素之间形成物理屏障，减少了 30% 的像素串扰，从而获得更好的画面清晰度和色彩表现。不过对于骚尼来说，其提高 CMOS 影像质量的研发思路同三星有很大不同。 不知不觉说了这么多，终于要聊到只属于索尼大法的黑科技啦，那就是迄今到 IMX 400 进化了三代的——（配备 DRAM 层的）Exmor RS 三层堆叠式 CMOS 影像传感器。 2008 年 6 月 ，索尼发布了 Exmor R CMOS （背面照明技术感光元件），并于2009 年春率先在其数码摄像机 XR520 适用，但在后来的 Cyber-shot 系列数码相机上才被发扬光大，并被沿用到手机上来。
（Exmor R CMOS 结构图） 由于 CMOS 传感器上每个像素都配有光电二极管，以暗电流记录弱光、光电流记录强光，用电流的变化记录光线的变化；也配备了放大器，用来使电压功率更利于传输；同时还有 ADC，能将模拟信号转换为数字信号。 传统的正照结构，当光子穿过透镜和滤镜时，首先会遭遇金属布线而有所损失；而 Exmor R CMOS 将光电二极管挪到了最能接受光子的入口处，由于不受金属线路和晶体管的阻碍，开口率（光电转换部分在一个像素中所占的面积比例）可提高至近100%，即便是小尺寸的影像传感器，也能获得优良的高感光度能力。 这种结构虽然早已提出构想，但实现起来对承载光电二极管的基板要非常薄，大约是传统正照式 CMOS 传感器基板厚度的1/100，因此只有在电子器件的生产工艺和微处理技术实现机械化精密加工后才最终实现，此后苹果自 iPhone 4s 其开始采用索尼 CMOS 延续至今 。(o^?^o)? 但 Exmor R CMOS 对于感光像素的利用率还有不足，最先接触光子的感光区域周围仍有电路走线，使得芯片尺寸还是不够小。于是乎 SONY 于 2012 年 8 月 发布了 Exmor RS CMOS，其中的 S 就是 Stack 堆栈式的意思。
（Exmor RS CMOS 结构图） 从结构上来看，Exmor RS CMOS 让基板更小，从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺；还有就是使得像素部分和电路部分在不同平面分隔开来，因此像素部分可针对高画质优化，电路部分可针对高性能优化，互不干扰。 妈蛋，终于快把这一篇讲完了，为加强记忆包教包会，@焯见科技 用一个比喻就把骚尼所谓的三层堆栈式 CMOS 原理讲完： 其实吧，就好比看完电影了你蓝盆友 or 绿朋友要求你一些事儿，但啪啪啪后居然粗（gu）心（yi）给忘了，未防类似情况再发生，出门配一个记事本本，有什么最高指示、最后通牒、最后遗言想到了就记下来，避免类似杯具再次发生，摔…真是编不下去了…… (＞﹏＜)
（Exmor RS CMOS 配 DRAM 三层堆栈结构图）
（三层堆栈 CMOS 效果图） 其最终呈现的效果也是非常让人叹服：
（妈蛋这里必须要吐槽下，索尼中文官网翻译得狗P不通，最后还是得查阅英文官网为准）
（封装好的 索尼 IMX 400 CMOS 模组） 虽然 2015 年 索尼在 RX100IV 黑卡相机上就采用了三层堆栈式 DRAM 结构的封装的工艺，但时隔两年后大法的工艺又有了长足的进步，在更小的感光元件上完成了目前最为精密的操作，从而为手机拍摄带来了更多的遐想和兴奋~ 面对科技行业飞速的发展，全球市场竞争的日趋激烈，在平井一夫的运筹帷幄下，索尼半导体部门卖掉了大部分电池业务，淡化了存储业务，集中火力在 CMOS 图像传感器研发上一路狂奔，每每用划时代的创新改写移动终端的竞争态势，业绩逐年高歌猛进，在老对手三星的虎视眈眈下攫取了全球 CMOS 市场近 50%的份额。
平心而论，索尼的感光元件确实卖得要贵一些，但不这样做又怎能摊平高昂的研发成本？而且合作伙伴还可以选择性的购买索尼提供的镜头模组，以及获得专业影像团队的调校支持，从而让拍照功能成为品牌手机的核心竞争力。 对于 IMX 400 这颗 CMOS 来说，匆忙发布的 XPERIA XZs 和 Premium 还无法充分发挥其实力，在各家产品蓝图早已敲定的 2017 年，短期内除了 SONY 品牌外应该还难以看到 IMX 4xx 系列的身影；其高昂的售价，以及核心图像算法的授权程度，都有可能让想早折桂枝的厂商望梅止渴。 但别忘了，这世界上有一种手机，叫 iPhone…… （未完 待续） 下一篇 @焯见科技 来聊一聊索尼 IMX 400 的拍摄功能体验及对未来旗舰手机的影响，下周见~ |
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