马俊杰
2016-10-31 22:59
除了众所周知的索尼，三星、豪威科技（Omnivision，下文简称OV）、佳能等厂商其实都有生产CMOS，当然，不局限于智能手机领域。这几年CMOS厂商之间的并购让市场格局产生了微妙的变化。
2015年10月底，东芝确认出售影像传感器（CMOS）业务给索尼，并重组亏损的半导体业务。同年12月初，索尼公布收购价为190亿日圆，收购范围包括东芝半导体制造工厂和晶圆生产线，同时将1100名员工加入索尼。在此之前，索尼CMOS占全球影像传感器市场份额已经超过30%。日本软银在今年收购了ARM相信很多读者都知道，殊不知早在15年中国投资财团（由三家公司组成）也有斩获，成功收购了美国OV。CMOS市场份额排名前十的另一家厂商安森美半导体（ON Semiconductor）收购了飞兆半导体（Fairchild）。
根据早年外媒公布的全球CMOS市场份额名单前十位之中，除了上述的厂商，其实还有松下、SK海力士、格科微和意法半导体。
OV传感器本来用于iPhone主摄像头位置，自iPhone 4s开始变更供应商为索尼之后，OV位置调整到前置摄像头。随后手机业界也渐渐形成前置OV+后置索尼的模式。后来随着三星等厂商的崛起，OV市场份额出现了逐渐下降。
索尼堆栈式结构大伙都耳熟能详，但是OV类似的PureCel-S技术并不是很多读者知道。经过多年时间累积，部分OV传感器也拥有类似索尼CMOS技术，相位对焦、硬件HDR，更别提堆像素的技能了。还记得索尼还没在手机上推出2300万像素传感器之前，OV早已经有一颗2400万像素传感器，金立E8主摄像头相信大伙不会忘记。接下来我们回顾一些经典的OV传感器。
HTC One(M8)开始，采用UltraPixel技术的CMOS供应商更换成OV，同时引入了OV的200万像素辅助镜头，只负责记录景深信息。同年HTC Butterfly 2和HTC One M8 Eye将UltraPixel技术CMOS更换为IMX214，OV地位再次被索尼撼动。
其中一颗采用了UltraPixel技术CMOS就是OV468x，单位像素大小达到2μm，当然，最早使用这种技术的厂商是意法半导体，后来由于种种原因HTC才将供应商替换成OV。当时的UltraPixel可不像如今HTC 10上面的那颗1200万像素CMOS艳惊四座，区区400万像素解析力经不起放大，另一方面也不支持4K视频录制。
从上面的表格可以看出OV很多传感器其实都支持输出RAW格式照片，关键还是看手机厂商对产品定位和采用的SoC平台运算能力，如果只是入门手机或者只搭载了骁龙200之类处理器，显然就没有必要在系统中单独开发对应接口处理RAW格式照片。
最后我们关注一下荣耀6 Plus这款早年的双摄像头手机，采用了两颗OV8865传感器。虽然单位像素大小只有1.4μm，但是华为称其技术上等价于实现1.98μm单位像素大小。理论上能够接收更多的光线，让弱光下表现更加出彩。另一方面华为称能够通过两颗传感器和ISP实现更快的HDR合成速度，三角对焦让荣耀6 Plus实现0.1s快速对焦。除此以外还实现了EDoF技术，能够突破智能手机镜头固定光圈的局限，将全局画面景深延伸到无限远，减少智能手机普遍因为光圈大而造成画面局部区域出现虚化的现象。荣耀6 Plus还能够实现一颗摄像头长曝光，另一颗摄像头以1/15s时间短曝光，通过长短曝光结合方式合成照片。关于解析力问题，两颗摄像头能够合成一张1300万像素照片。
接着我们看看千万以上级别的OV传感器，从上面参数笔者推测HTC 10上面的第二代采用UltraPixel技术传感器其实是OV12890，虽然HTC并没有公布传感器来源，但是多项参数十分吻合。索尼那边也有一颗IMX378与之对应，两颗传感器的单位像素大小都达到了1.55μm，在智能手机的该项指标上算是名列前茅。
类似索尼IMX系列传感器，OV这边也会出现传感器支持4K视频录制，但是手机厂商因为某些原因限制某款机型最高只支持1080P视频录制，例如Moto X、OPPO N3和金立E7。
随着CMOS经验累积，OV的部分传感器也开始支持相位对焦、硬件HDR技术，例如OV21840和OV23850。后者相比索尼更早达到了2400万像素解析力，在金立E8上能够通过超像素技术实现1.2亿像素。
在三星Galaxy S5之前，三星传感器基本上只会出现在入门级别千元机，而且并没有ISOCELL技术加持。三星Galaxy S5开始ISOCELL像素结构名声鹊起，原理是通过在相邻像素间形成物理屏障，从而减少像素串扰的现象，下文会有详细介绍。近几年三星对自家旗舰机主摄像头CMOS采用混合供货的原则，不同地区不同版本手机分别采用索尼IMX系列和三星ISOCELL传感器，提高知名度之后渐渐将采用ISOCELL像素结构的三星传感器推广给更多国产厂商使用。nubia、360、小米、OPPO等厂商部分机型也开始尝试这种传感器。索尼部分CMOS上的DTI画质增强技术，通过技术解读我们知道其原理和ISOCELL像素结构比较相似。
从上面表格可得：三星和OV、索尼CMOS可不仅仅在主摄像头领域竞争，前置摄像头方面三星也想插足。另一方面，近两年有很多千元机主摄像头采用三星传感器，例如当年打着新国货运动名号的红米Note 2。当然并不是所有三星传感器都采用ISOCELL像素结构，例如S5K3L2。
上面罗列出这几年比较经典的ISOCELL传感器，都是千万级别传感器，分为1200万像素、1300万像素和1600万像素三类。
1200万像素：其实三星Galaxy S7/S7 edge已经不是第一款采用1200万像素ISOCELL传感器，早在三星Galaxy Alpha时候就已经是1200万像素，当然这两颗传感器的规格并不是一样的。在三星Galaxy S7/S7 edge之前的三星旗舰机上面搭载的ISOCELL传感器基本上都是16：9原生画幅尺寸，直到今年这一代1200万像素传感器才舍弃了这种宽视角设计。16：9原生画幅带来好处就是开启全像素时候能够获得16：9取景画面。相比之下采用4：3画幅设计的CMOS如果要获得16：9取景画面，获得的照片并不能开启全像素，例如4：3取景画幅时候获得1300万像素照片，16：9画幅时候只能够获得低于1300万像素照片。经过这几年的发展，三星不仅能够在自家传感器上实现相位对焦技术，还在最新一代ISOCELL传感器上引入单反相机的Dual Pixel对焦技术。4K视频录制和硬件HDR技术自然也不在话下。
1300万像素：虽然很多厂商都没有标明使用了哪一款ISOCELL传感器，但是从规格和参数来看基本上能够锁定S5K3M2这一款。而nubia My 布拉格那一款型号规格和S5K3M2十分一致，不排除是同一款传感器不同命名。至于联想ZUK Z2系列两款机型采用的1.34μm单位像素大小的传感器估计是来自另一款型号。和索尼、OV传感器类似，三星出售给其它厂商的ISOCELL传感器会在功能上进行弱化，例如不支持4K视频录制和硬件HDR。
1600万像素：红米Note 3全网通版上面的S5K3P3单位像素大小仅为1μm，作为主打轻薄的型号从外观上看并没有突出机身。剩下两颗S5K2P8和S5K2P2结构十分相似，最大区别就是后者支持相位对焦技术，并且已经沿用了很多款三星旗舰机，直到三星Galaxy S7/S7 edge才开始卸任。360和金立两款手机估计也是采用这颗传感器，但是阉割了硬件HDR功能，开启全像素时候取景画幅也并不是16：9。
最后我们聊聊ISOCELL像素结构包含了哪些技术。大致分为F-DTI、VTG、Smart WDR智能宽动态技术以及RWB成像技术。F-DTI是ISOCELL像素结构基本功能，正如上文所述能够减少像素之间串扰问题。相比之下VTG技术经常被忽略，简单来说能够将感光二极管的位置从平躺在像素单元内状态变成站立起来。从而带来两个好处，首先能够充分利用入射光线，减少F-DTI结构削弱光线的副作用，其次就是提高感光元件的空间利用率，让手机厂商能够进一步在上面飚像素。
红米Note 3全网通版上面的ISOCELL型号还支持Smart WDR智能宽动态技术和RWB成像技术，前者类似索尼的SME-HDR功能，也就是录制视频时候提供了硬件HDR。后者主要作用类似IMX278上面的RGBW结构。RGBW结构能够改变传感器内部感光元件顶部的滤色滤镜结构，在RGB三原色基础上增加无色的滤镜区域，只捕捉光线强度而不捕捉光线色彩。RWB成像技术更为极端，抛弃传统滤镜设计，改变传感器内每个像素的排列顺序，用白色像素点替换掉绿色像素点，让更多的光线通过传感器滤镜，使照片变得更加明亮。
东芝CMOS部门被索尼收购之前还是有不少建树的，诺基亚那两颗划时代CMOS其实都是出自东芝之手。而HTC One M9和HTC One M9+那颗2000万像素传感器来自东芝T4KA7，整体的质素相比索尼同级别型号并不算太高，但是像素值毕竟摆在那里。
松下CMOS市场份额估计主要来自数码相机领域，智能手机领域近年能够让我们想起来的，由松下自主研发的CMOS估计只有松下Lumix CM1上面那颗1英寸大家伙。
佳能在数码相机领域能够自给自足，为自家产品定制旗舰级别CMOS，但是在手机传感器方面几乎没有什么建树，所以大部分CMOS市场份额都是得益于数码相机领域。inter-bee 2014上再次展示1.2亿像素顶级CMOS，能够用于民用、传统工业、航空航天等领域。15年再接再厉发布了一款2.5亿像素APS-H画幅CMOS，分辨率高达19580*12600，创下当时同尺寸传感器的世界纪录，能够用于佳能EOS-1D系列单反相机之中。而今年推出的佳能EOS-1D X Mark II采用了全新开发的2020万像素CMOS和双DIGIC 6+影像传感器，再次引入Dual Pixel CMOS AF（全像素双核CMOS AF）技术。
SK海力士在半导体领域已经十分知名，但是踏足CMOS时间并不长，以800万以下像素传感器为主。从前几年推出的一些传感器型号的参数来看，硬指标并不是十分强悍，主要还是以低价抢占市场。
意法半导体为当年New HTC One定制了一颗单位像素大小高达2μm传感器，虽然只有400万像素但是配合光学防抖镜片组和F2.0大光圈之后，New HTC One夜景表现相比当时那些800万像素以上智能手机拥有更高解析力和亮度。不过由于当时技术不成熟，在第二年HTC One(M8)上将供应商更改为OV，同时引入了景深镜头，不过去掉了光学防抖镜片组。除此以外意法半导体在CMOS界影响力并不是太高。
如今的索尼传感器比索尼手机的存在感无疑更加强。虽然索尼IMX系列传感器相比三星、OV等厂商CMOS在主摄像头位置的地位有所动摇，但是整体来说还是能够捍卫王者宝座。以今年为例，HTC、一加手机旗舰纷纷舍弃东芝和OV传感器，回归到大法的怀抱。另一方面，三星ISOCELL传感器正在逐步入侵昔日属于索尼和OV的市场份额。
索尼手机调校IMX系列传感器反而不及部分友商给力，反观三星针对同一款采用混合CMOS供货旗舰机而言，却有本事将ISOCELL和IMX系列两种传感器成像效果调校得十分相似。三星在成像算法优化上相比索尼更像亲生母亲，这从三星Galaxy S4时代就已经能够看出来。索尼CMOS上的DTI画质增强技术也有抄袭ISOCELL像素结构的嫌疑。索尼已经不再是昔日在CMOS技术上全面领先的厂商，除了疑似借鉴ISOCELL设计，Dual Pixel双核对焦和当年的相位对焦技术也被三星先了一步引入智能手机。
值得一提的是，如果没有本文这些厂商和索尼竞争CMOS市场份额，估计如今的影像传感器成本肯定降不下来。而且一旦出现类似地震和水灾之类的突发性事件的话，不仅智能手机，包括摄像机和数码相机的售价都会连番波动，前几年的加价事件我们还依然历历在目，OV、三星等厂商能够分担一定风险。
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