在手機相機像素的發(fā)展史上，有一家公司有著“開掛”一樣的人生。

“手機拍照超越相機”這曾經是被很多人所恥笑的一個話題，然而近兩年世界各大手機廠商強大的軟件算法優(yōu)化，索尼、三星等鏡頭供應商的新品迭出，那句話也越來越像個冷笑話。

近期（8月7日）小米在北京未來影像技術溝通會上，宣布旗下Redmi品牌將聯(lián)合三星全球首發(fā)首款量產6400萬超清相機手機，還將帶來全球首款1億像素手機相機。手機相機技術進步的如此之快，真是始料不及。從華為P30 Pro 4000萬像素，50倍變焦到三星、索尼接連發(fā)布4800萬手機相機CMOS；2019年Q2季度，三星又公布6400萬像素CMOS模組開始量產……時過境遷，筆者突然想到那個手機拍照自帶馬賽克的年代。

不知大伙還記得？

一部成像技術發(fā)展史

1969年兩位物理學大佬維拉·波義耳（Willard Boyle）和喬治·史密斯（George E. Smith）在美國AT＆T 貝爾實驗室發(fā)明出了電荷耦合器件（CCD），一經問世，炙手可熱。其后，世界科技大廠靠著對技術敏銳的嗅覺，便開始紛紛搗鼓這玩意。不過幾年光景，CCD的數(shù)字成像作用便被開發(fā)出來，1974年仙童半導體公司(Fairchild Semiconductor)就推出了2-D 100 x 100像素設備，而為柯達工作的電氣工程師Steven Sasson也在1975年短短一年時間發(fā)明出了世界第一臺 100 x 100 CCD數(shù)碼相機。

喬治·史密斯（左）和維拉·波義耳（右）

遙遠東方的索大法（索尼Sony Corporation）副社長巖間獨具慧眼，“能把光變成數(shù)字圖像，這太神奇了，這才是我們索尼該做的事！”，其后便開始大規(guī)模，投入大量資金的CCD研發(fā)改進工作，他親自到美國考察，從美國不斷地發(fā)回技術報告，但當時CCD只是實驗室里的東西，誰也沒有想到它能成為商品。因為按照當時的技術水平，人們普遍認為：運用大規(guī)模的集成電路技術、完美無缺地生產在一個集成塊上具有10萬元件以上的CCD，這簡直是不可能完成的事。一般的企業(yè)在搞清這個情況以后就從研究中撤了下來。但巖間卻不這么認為，他的結論是：“正因為機會誰都沒有動手搞，我們才要搞！”

80年代初，索尼將HAD（hole-accumulation diode）傳感器使用在可變速電子快門產品中，在拍攝移動快速的物體也可獲得清晰的圖象。其是在N型基板，P型，N+2極體的表面上，加上正孔蓄積層，這是SONY獨特的構造。由于設計了這層正孔蓄積層，可以使感測器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外，在N型基板上設計電子可通過的垂直型隧道，使得開口率提高，換句換說，也提高了感度。

進入90年代后期以來，CCD的單位面積也越來越小，1989年開發(fā)的微小鏡片技術，已經無法再提升感亮度，如果將CCD組件內部放大器的放大倍率提升，將會使雜訊也被提高，畫質會受到明顯的影響。索尼在CCD技術的研發(fā)上又更進一步，將以前使用微小鏡片的技術改良，提升光利用率，開發(fā)將鏡片的形狀最優(yōu)化技術，即索尼SUPERHADCCD技術?；旧鲜且蕴嵘饫眯蕘硖嵘辛炼鹊脑O計，這也為目前的CCD基本技術奠定了基礎。

隨著索尼后期不斷攻關完善設備，至1999年索尼的攝像設備生產量已超越了1億個以上。還積極降低產品消耗電力，減少驅動電路復雜度，減少ICPIN腳數(shù)以及減輕電子產品對地球生態(tài)環(huán)境負擔為目標，研發(fā)設計新型的CCD組件。在CCD的應用越來越多樣化的趨勢下，加強CCD的小型化及高像素化的基本特性，以提供更有魅力的高附加價值的產品來滿足用戶的要求。

CCD

CCD技術的不斷完善，攝像設備越來越小，從而導致手機的發(fā)展趨勢也不單單局限于打電話和發(fā)短信，一項技術的進步，必將帶動其他產業(yè)共同發(fā)展，從而形成相互依賴的作用。到這里我們目光看向手機，手機攝像能力的提升，可以讓我們直觀了解世界攝像技術的發(fā)展歷程。

世界上第一款搭載內置攝像頭的手機應該是夏普，2000年9月，日本廠商夏普（ Sharp Corporation）聯(lián)合日本移動運營商J-PHONE發(fā)布了世界首款內置了11萬像素CCD攝像頭的“夏普J-SH04”手機。這款手機搭載一塊96×130像素液晶屏，和彩色顯示器(256色顯示器)，這樣的配置在當年已經是頂級配置。然而，由于夏普當時只注重與日本本土市場，而且低調，所以這款手機在當時并沒有引起多大的轟動。在大陸，當時更是連手機拍照想都不敢想。

夏普J-SH04

夏普J-SH04盡管當時沒人疼沒人愛，但它證明了一點，在手機上還可以做很多文章。從此，手機攝像頭的發(fā)展一發(fā)不可收拾。

三年之后，在2003年4月，夏普又出了新品“夏普J-SH53”，并且又創(chuàng)造了一個第一：全球首款突破百萬像素攝像頭的手機。夏普J-SH53搭載100萬像素CCD鏡頭，可拍攝最大分辨率為1144×858像素的照片。而2.4英寸26萬色的屏幕分辨率已經升級到了240×320像素的QVGA級別。同時這款手機擁有32和弦鈴聲，支持MP3播放和SD卡擴展，這在當時可謂劃時代之作。然而到這里，CCD鏡頭在手機上似乎到了瓶頸期了。

夏普J-SH53

索尼在2005年10月4日宣布，該公司生產的部分CCD攝像元件存在缺陷，采用該CCD的產品有可能會出現(xiàn)“取景器和液晶顯示屏無法顯像，無法拍攝和畫面紊亂”等故障。故障原因是連接CCD芯片和引線框的焊接線發(fā)生老化而導致脫落。隨后，佳能、富士膠卷、柯尼卡美能達、尼康、奧林巴斯、理光等相繼宣布了CCD故障事件，至于故障原因則基本上與索尼公布的CCD故障相同，也就是說“CCD內部的布線焊點有時會脫落”。這則大規(guī)模故障報道揭示了佳能、尼康等品牌產品所使用的CCD都是向索尼采購的。此次CCD故障涉及的品牌之廣、型號之多、時間之長也是讓人瞠目結舌，原來索尼才是爸爸啊。

這件事之后，也讓索尼思考，“CCD的成本和功耗都比CMOS要高出不少，千奇百怪的問題又層出不窮，為什么不學學隔壁佳能說干就干？”2007 年索尼發(fā)布了首款Exmor（背面照明技術感光元件）傳感器，相對以往其他廠商的CIS，Exmor最大變化是內置了 ADC（analog-to-digital converter，模數(shù)轉換器）。在外置 ADC 傳感器傳輸數(shù)據(jù)時，每列像素產生的信號先通過降噪電路，匯聚后再通過外部總線傳輸?shù)絾蝹€或數(shù)個 ADC 之中。而 Exmor 每列像素擁有獨立的 ADC，在 CIS 芯片上即可完成模數(shù)轉換，最后通過數(shù)字總線傳輸出去。由于 Exmor 的 ADC 數(shù)量非常龐大，每個 ADC 能在低頻率下運行，僅達到 kHz 級別，遠遠低于外置 ADC 的MHz級別，有效減少了噪聲，也利于實現(xiàn)高速讀取。而且 Exmor 輸出的是數(shù)字信號，抗干擾性更好，易于長距離布線，亦無須ADC靠近CIS布置，大幅度簡化了PCB 設計。

然而與業(yè)界先進水平相比，索尼在CMOS上落后的不是一丁半點，但憑借 Exmor 索尼拿到了進入 CIS 市場的 “準入證書”，開始了小步快跑的追趕之路。

實現(xiàn)了內置 ADC 后索尼高歌猛進，2008 年推出了采用 BSI（Back-illuminated，背照式）技術的 Exmor R 傳感器。Exmor R 沿用了 Exmor 套路，先在技術難度較低的小尺寸 CIS 上試水，首款產品是 IMX055CHL，尺寸為 1/4 英寸，總像素為 2048×1536，被應用在 HDR-CX110 等攝像機當中。不過讓 Exmor R 揚名立萬的，不是索尼自家相機、攝像機，而是蘋果的 iPhone 4s。

喬布斯與IPhone

CMOS

到這里，CMOS才算是真正大規(guī)模應用到手機鏡頭，但是，“手機拍照拍的這么好了，我還去買什么相機？要啥自行車？”手機攝影質量的巨大提升導致便攜數(shù)碼相機的衰落加速，索尼半導體部門以損失一個小市場卻換來一個大市場。

索尼繼續(xù)不斷改進升級，又推出雙ADC等等技術，將人類記錄世界的方式推向新高峰。

2012年MWC上手機巨頭諾基亞集世界名廠之力，發(fā)布了一款震撼全球的具有高達4100萬像素卡爾蔡司攝像頭，索尼CMOS芯片的“NOKIA 808 PureView”。 作為全球首款采用PureView成像技術，4100萬像素傳感器、卡爾蔡司鏡頭和索尼像素超采樣技術的智能手機，諾基亞808 PureView開啟了智能手機影像的全新時代。此外，該機還支持全高清1080p錄像和播放、類CD質量高品質錄音以及獨家杜比耳機技術。該款手機成為諾基亞開發(fā)的最后一款塞班手機。

諾基亞808 PureView

現(xiàn)狀與未來

如今，CMOS等各領域拍攝成像技術的愈發(fā)成熟，使得各類手機攝像頭生產廠商如雨后春筍般出現(xiàn), 手機攝像頭的類型越來越豐富, 手機的攝像功能成為手機用戶關注的重點。

智能機經過過去幾年猛烈的增長和普及后，現(xiàn)面臨著銷量增速下滑的問題，正力求創(chuàng)新突破窘境。2016年蘋果發(fā)布了『iPhone 7 plus』，率先打破了這種窘境。其搭載兩個1200萬像素的彩色攝像頭28mm 廣角與一個 56mm 標準定焦（廣角+長焦），推動了雙攝的快速普及。此舉具有行業(yè)標桿意義，各手機廠家相繼跟進，現(xiàn)幾乎已成各大品牌旗艦機標配。

iPhone 7 plus

技術變革使得光學市場即使在智能手機市場進入存量博弈階段的情況下仍具備較好的增長空間，據(jù) Yole 預測，全球攝像模組市場規(guī)模將由2016年的234億美元增長至2020年的 468億美元，年復合增長率12.2%。

全球攝像模組市場規(guī)模預測（來源：Yole，國海證券研究所）

同時消費者對拍攝的相片及影像的“美感”要求也會不斷提高，手機攝像功能的提升亦不再局限于最初的“單純的像素增加”，而是會開始逐漸導入更多新的設計，雙攝、潛望式鏡頭和3D攝像等等。結合目前已發(fā)布的三攝/四攝機型情況以及三種主流的雙攝搭配方案，嘗試新的光學變焦能力（不管是超廣角還是長焦）是多攝方案的一個主要設計思路，高倍數(shù)的光學變焦有望成為未來幾年手機攝像的主要進階方向之一，手機攝像模組市場還有很大的潛力可以挖掘。

攝像頭模組產業(yè)鏈情況

據(jù)旭日大數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2016 年全球雙攝智能手機的滲透率僅為5%，2017年已超過20%，到2019年接近45%。出于成本考量，雙攝在初期主要被用于中高端機型，隨著模組單價逐漸降低，正逐漸往中低端市場滲透。此外，目前雙攝像頭（或者多攝）主要配置于智能手機背面，相信未來亦會逐漸往前置滲透。

智能手機雙攝滲透率（來源：旭日大數(shù)據(jù)，國海證券研究所）

當前手機廠商在不斷進行手機差異化設計，雙攝（或多攝）作為手機差異化競爭的方向，隨著應用方向的明確和技術路線的統(tǒng)一，將呈爆發(fā)趨勢。根據(jù)智研咨詢預測，2020年智能手機出貨量達到19.25億臺。當前，蘋果iPhone系列、三星Note系列、華為Mate系列/P 系列、OPPO R系列等高端旗艦機都采用雙攝配置，2018年大部分廠商旗艦機都會采用雙攝，預計到 2020 年，智能手機雙攝市場規(guī)模將達到800-850億元左右，未來幾年將保持高速增長。