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笔记 手机传感器结构高像素与对焦性能的权衡

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之前我们已经讲过手机上的“高像素”到底是指什么。 继这个主题之后,今天我们将看看不同类型的传感器在裁剪空间和对焦能力方面的权衡。

为了方便更多读者,我们先回顾一下手机上高像素的概念。

手机上的高像素

早期手机的高像素是通过多帧合成来实现的。 类似于相机上的“抖音乐”。 不同的是,手机依靠手持拍摄本身的位移进行合成,而相机则通过传感器防抖等组件实现更精细的位移。

自2018年3月华为P20 Pro发布以来,手机上的3200万、4000万、4800万、5000万、6400万、1亿甚至2亿像素都配备了如此多光电二极管的传感器。 这些传感器大多采用Quad-Bayer结构(有些也采用9 Bayer或16 Bayer)。 日常拍摄时相邻像素会合并输出。 日常拍摄时的有效像素依然在1000万到1600万的范围内。

Quad Bayer 4800万像素,日输出1200万像素

Quad Bayer 5000万像素,日输出1250万像素

Quad Bayer 6400万像素,日输出1600万像素

9 拜耳1.08亿像素,日输入1200万像素

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Quad Bayer 并不是什么新鲜事:苹果 iPhone 6 系列(2014 年)的前置摄像头就采用了 Quad Bayer 结构。 Quad Bayer 并不是移动设备的专有技术:尼康 D1 (1999)、松下 GH5S (2018)、索尼 FX3 / FX6 / α7SIII (2020-2021) 和 Ouzhin OM-1 (2022) 均使用 Quad Bayer 或类似技术结构传感器。

与像素较低的普通拜耳传感器相比,高像素四拜耳传感器不仅在宣传上有优势,而且在裁剪空间、对焦性能、HDR拍摄等方面也有一定的优势。

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▲拆解和显微摄影显示,索尼α7SIII等产品所采用的IMX510传感器为2×2合并设计。

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▲欧智信OM-1的传感器具有“十字型四像素自动对焦”,对应手机上的2×2 OCL结构传感器。

高像素和高性能对焦

在介绍手机传感器的文章中,我们经常会看到“2×2 OCL”的字样。 OCL是On Chip Lens(又译为微透镜)。 它的作用是为光电二极管收集光线。 这不仅与穿过镜头的光线的利用率有关,还决定了传感器解析世界的能力——在相机领域,传感器的像素实际上是由微透镜的数量决定的。

延伸阅读:佳能拥有一款采用全像素双核 CMOS AF 技术的传感器,每个微镜头下有 2 个光电二极管。 但佳能不会因此而将有效像素加倍。

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根据对焦技术和传感器结构,目前的quad-Bayer传感器可分为三种类型:普通PDAF(如IMX586等早期产品)、2×2 OCL(如IMX766等主流型号)、Octa PD (如IMX989)。

2×2 OCL的优点是光电效率高,可以对各个方向的线条进行聚焦(所以有的厂家会将其宣传为全向聚焦)。 但由于其四个像素共享一个 OCL,因此实际分辨率与常规拜耳传感器的分辨率相似。 这直接影响高像素模式下的分辨率,以及数码变焦和后期裁剪时的成像质量。

Octa PD将四拜耳结构与Dual PD集成在一起(也就是说,它实际上具有两倍数量的光电二极管)。 进行HDR拍摄时,无论长曝光、中曝光还是短曝光,无论被摄体的亮度如何,都可以对像素进行相位差检测。 不过Octa PD只适用于大尺寸传感器,比如目前几款Android旗舰手机中使用的1.02型IMX989。

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对于RGGB拜耳传感器,我们通常认为G(绿色像素)决定了亮度,也就是空间分辨率。 对于普通拜耳传感器,空间分辨率=50%有效像素(即12兆像素传感器,相当于600万像素全彩采样的分辨率)

普通的四拜耳传感器将通过反马赛克算法实现高像素输出。 这里可以使用许多算法。 例如,“三次样条36”之后,空间分辨率=16/36,即44%的有效像素——简单地说,它与相同像素的普通拜耳传感器相比,具有约10%的分辨率。 率损失。

2×2 OCL 结构四拜耳传感器本质上应具有与普通 1/4 像素拜耳传感器相同的分辨率。 自然,有效分辨率与同像素的普通四拜耳传感器存在较大差距。

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