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常見手機攝像頭成像因素解析-回收手機鏡頭
 

常見手機攝像頭成像因素解析-回收手機鏡頭

時間:2015-06-19    作者:admin

    
  隨著手機攝像頭發展得越來越快,各類層出不窮的技術名詞也如潮水一般在我們的眼前席卷開來,但這些技術究竟對拍照畫質能有多大影響呢?消費者往往對此存在疑惑。本文我們暫且不去討論那些令人眼花繚亂的技術,僅僅就最基本的CMOS感光芯片、鏡頭以及軟件調校這三個方面去解讀一下市面上的手機攝像頭。而通過對這三點的判斷,相信一顆攝像頭的實力也已經能看出大半了。
  CMOS感光芯片
  自從數字成像技術替代膠片成像技術之后,作為實現最關鍵“光電轉換”過程的感光芯片已經成為了成像畫質最關鍵的因素。經過一代代技術的演變與競爭,目前 手機業界已經形成了以堆棧式CMOS芯片作為技術主體的發展態勢。在感光芯片結構基本定型為堆棧式的前提下,目前我們消費者對于感光芯片的優劣主要能看得 到的參數就是“單芯片感光面積”與“單像素感光面積”。
  單芯片感光面積
  這里的指的主要是感光芯片的“感光總面積”,也就是攝影玩家常說的“底有多大”。目前手機攝像頭的“底”普遍在1/3.06英寸到1/2.3英寸之間,當然也有 像Nokia 808 PureView和Lumia 1020這樣比較奇葩的機型。下面筆者整理了一份常見手機與單反CMOS尺寸對照表,以方便大家直觀地了解各個尺寸之間的換算關系(由于一般描述類似 “1/2.3英寸”都是采用的對角線長度,所以面積的上的差距會比看上大很多)。
  這里指的主要是單個像素在感光芯片上“分到的感光面積”,計算公式就是單芯片感光面積除以像素數量。目前市面上常見的單像素感光面積普遍在1.12μm×1.12μm左右(以IMX214、1300萬像素為例,以下將直接寫為1.25μm2方便更加直觀得對比),當然也同樣有像HTC Utral Pixel攝像頭那樣達到4μm2的,當然這是特例。以下是筆者整理的主流拍照手機單像素面積對照表,方便大家查閱。
  從上表可以看出,單芯片感光面積大的未必單像素感光面積就大,這還要取決于像素的數量而定。那面對如此多種的組合,我們應該如何去選擇呢?這里我們就要 將像素數量和單像素感光面積組合起來看了(由于這兩者乘起來也就是單芯片感光面積,所以看一款手機的“底”有多大也是估計其拍照畫質的一個粗略參考指標, 至于更細致得就要看更詳細數據了)。
  像素數量是否越多越好?
  首先,在保證一定的單像素感光面積下,增加像素數量是可以提高手機的解析力的。換句話來講,就是高像素設備會比低像素設備收集到更多的細節,你放大來看會更清晰。但是加大像素數量會帶來這樣幾個問題:
  1.數據量吞吐:典型例子就是Lumia 1020,由于其自身的ISP處理性能不夠,導致其拍攝后處理時間較長影響體驗,而且照片也比較占據內存空間。當然現在驍龍801處理器自帶的雙ISP已經擁有了足夠的性能去處理高像素的數據吞吐量,但是拍攝后占據內存空間的問題依然存在。
  2.對單像素面積的妥協: 由于目前手機尺寸的關系,機身內部對攝像頭感光元件尺寸也是有很大限制的。所以一般在提升像素數量的同時,很難再提升單像素面積,甚至是降低單像素面積, 這樣就會造成攝像頭對光線的收集能力減弱(單像素面積越大收集到光線越多),從而造成“高感畫質”變差,“寬容度”下降等問題。
  3.高像素的實用性: 目前我們使用手機拍攝的圖片基本都是在手機屏幕上觀看,那么即便是1920×1080的分辨率也僅僅只需要200萬像素。那假如有朋友需要裁剪呢?800 萬像素也足夠你裁剪掉3/4的畫面也能夠滿足手機屏幕的瀏覽需求了,而且這個像素數量也基本能夠滿足4K的需求(3840×2160等于830萬像素,當 然這是在你不裁剪的情況下)。所以目前動輒1300萬以上甚至2000萬像素在實用性上看來并不如800萬更好。(因為高像素會損失寬容度以及高感性能)
  單像素面積與高像素如何進行取舍?
  從經驗上來講單像素面積越大越好,而像素數量超過一定范圍則實用性大大降低。所以很明顯的取舍就是在保證足夠使用的像素數量下,盡量增大單像素感光面積,這 樣對于畫質的影響是最為積極的。當然,這只是在同一工藝結構水平的CMOS傳感器中的理論比較,畢竟工藝與結構上的升級相對來講才是更加巨大的。至于 IMX135是不是一定比IMX214要差呢?那還要看鏡組搭配以及軟件調試的好壞了。畢竟拍照畫質這東西遵循木桶原則,哪一個方面做不好效果都不會好。
  與數碼相機的原理一致,CMOS決定了手機攝像頭至關重要的總像素和感光面積,而手機成像時的光圈和焦距則完全由手機鏡頭來控制,鏡頭采用的不同也是直接導致成像效果差異的主要原因。
  首先我們必須知道,手機鏡頭由于空間所限,無法做到光圈大小和光學焦距的調節,這就意味著所有的手機鏡頭都是恒定光圈的定焦鏡頭。很多手機廠商宣稱它們 的手機鏡頭光圈達到了F/2.4甚至F/2.2,這是一個相對而言的光圈標準值,數字越小代表可用光圈越大,但是依然不能跟數碼相機鏡頭的光圈相提并論。
  接下來就是鏡頭焦距,除了已經過時的MF(手動對焦)鏡頭之外,目前手機上分為AF(自動對焦)和ZOOM(光學變焦)兩種級別,一般使用的是AF級固 定焦距鏡頭,也就是拍照應用打開之后的默認焦距,在這個焦段下,通過鏡頭和CMOS協作就可以在屏幕上顯示圖畫,并且顯示的畫幅是固定的。雖然有些手機支 持10倍數碼變焦,但往往都是通過技術手段實現,最終效果并不理想。而少數支持光學無損變焦的是ZOOM級別的變焦鏡頭,其外形已經接近專業相機的鏡頭 了。
  在微小的手機鏡頭里面,主要分布著Sensor、IR和Lens最重要的三重結構,分別是圖像感應器、紅外濾波片和鏡片。其中影響手機鏡頭部分最重要的因素就是Lens的構造。
謹防被忽悠常見手機攝像頭成像因素解析
手機鏡頭的內部構造圖
  Lens一般有兩種材料,一種是球面玻璃(Glass),代號為G;另一種是非球面塑膠(Plastic),代號為P,手機鏡頭制造商在前面用數字表示鏡片數量。例如廠商們宣傳的5P或6P鏡片,意思就是它們的手機鏡頭采用的是5層或6層塑膠鏡片。
  事實上,真正成像好的鏡頭理論上必須使用玻璃鏡片才能夠達到,比如使用4G鏡片。我們知道玻璃鏡片的透光率高于塑膠鏡片,而且光學折射和熱膨脹系數遠低 于塑膠,但是唯一的缺點就是制造成本高、工序復雜,在成本低廉的手機上不可能大規模采用,沒有誰愿意花費高昂的代價使用全玻璃鏡片。好在目前非球面塑膠的 工藝在逐漸提高,基本可以滿足民用攝像領域。
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手機鏡片之間的兩種鍍膜
  另外,稍微提一下鏡頭鍍膜。鏡頭鍍膜分為增透膜和濾色片鍍膜兩種,分布于手機鏡片之間。增透膜主要用于提高光線在鏡片之間的通過率,從而改善鬼影和眩光 問題(由于鏡片構造所限,只能稱之為改善,無法徹底杜絕);濾色片鍍膜主要用于控制畫面的色彩均衡。在透光率和清晰度這兩個矛盾之間,并不是單純認為鏡片 越多越好或者越少越好,而是達到整體的協調性才是最重要的。事實上,最外面一層的保護玻璃,姑且也可以認為是一層鏡片,而且是影響透光率最為主要的鏡片, 所以用手機拍照之前記得一定要保證鏡頭是干凈的。
  手機鏡頭的認證標準
  手機的大范圍普及不過是最近十幾年的事情,世界上第一臺拍照手機來自日本夏普,世界上第一臺千萬像素拍照手機來自三星,而將手機攝像頭發揚光大的的卻要歸功于諾基亞和索尼。不僅僅是因為它們的手機出貨量很大,而是率先引入了手機鏡頭的認證標準。
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手機所采用的三種鏡頭認證標準
  按照時間順序,以上圖表列舉了三種最為常見的手機鏡頭認證標準和典型手機廠商。一般認為,配備標準認證鏡頭的手機攝像頭,其拍照素質將更有保障。
  當然,也不必因此而神化手機鏡頭的認證標準。事實上,這些經過認證的手機鏡頭并非由認證機構原廠生產,而是指它們的鏡頭達到了該鏡頭認證商的制造標準或性能標準,一定程度上具備更穩定的使用價值,起碼能讓用戶感受一些品牌的魅力,獲取用戶的好奇和信任。
  攝像頭的軟件調校
  上文分別說到,CMOS感光元件和鏡頭是兩個影響拍照質量的重要因 素,那么最后要說到的因素就是廠商對攝像頭的調試了。在手機拍照中,廠商的調試和優化可以說是成像的最后一道關卡,是直接影響拍照質量的。毫不夸張地說, 哪怕感光元件、攝像頭等并不占優勢,只要廠商對攝像頭、成像的算法優化、調試得好的話,拍照出來的質量依然是桿桿的。這就好比一樣的食材煮同樣的菜式,好 的廚師能將最普通的食材烹飪成最美味的佳肴。因此,拍照質量也是十分考驗手機廠商的優化功力。
謹防被忽悠常見手機攝像頭成像因素解析
  但是,廠商會對手機攝像頭會進行什么樣的調試優化,這是涉及手機廠商的攝像頭方面的技術專利,一般只是公布其技術名詞,基本上是不對外公布其細節的。因 此筆者也沒有辦法在這里探究每個手機廠商具體的調試方案的具體參數,那么最直接的比較方法就是為大家呈現不同廠商手機的拍照效果。
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