硬件技術：成像的靈魂

影像傳感器

在數碼影像領域，除了傳統光學組件外，對成像質量起到決定性作用的當屬影像傳感器。而受制于機身體積，智能手機的影像傳感器尺寸存在較大的限制。因此各種提升影像傳感器的技術開始在新一代旗艦智能手機中廣泛應用，而且新技術研發的積極性甚至超過了傳統的數碼相機廠商。

索尼Exmor RS CMOS技術

在手機攝像頭領域，索尼目前最知名的當屬Exmor RS CMOS，其采用了被稱之為“積層式”（stacked structure）的制造工藝，這種工藝將感光二極管旁占用部分面積的信號處理電路轉移至后方“堆疊”，取代了原先的支撐襯底，進而使感光二極管的受光面積得以擴大，感光性能大為增強，尤其適合在昏暗環境中拍攝并獲得更高動態范圍的影像。本期測試的索尼Xperia Z1就采用了2 070萬像素的Exmor RS CMOS。

諾基亞 PureView技術

嚴格來說，諾基亞的PureView技術是影像傳感器、鏡頭、光學防抖和軟件等一系列組件的統稱。而在整個技術中4 100萬像素的影像傳感器無疑是最引人注目的。

PureView影像傳感器最重要的改變之一就是增加了尺寸，由傳統的1/3規格增加至1/1.5規格（諾基亞Lumia 1020），甚至1/1.2規格（諾基亞PureView 808）。傳感器尺寸的增加直接提升了受光量。另外，該影像處理器的像素數還達到了4 100萬，為用戶后期切割構圖或局部放大提供了可能。

諾基亞還為這個影像傳感器帶來了“超采樣”技術，其通過將7個或8個像素合并成1個顯示，生成500萬像素的照片，變相增加了拍照取景靈活性與照片分享便利性。與諾基亞808所采用的影像傳感器相比，諾基亞Lumia 1020的影像傳感器雖然尺寸有所減小，但是由于使用了背照式技術，將線路層移至感光二極管背面，所以仍舊能提供不錯的感光能力。

HTC UltraPixel技術

與其他廠商一味地增加像素數，導致單個光電二極管尺寸不斷變小不同，HTC的影像傳感器反其道而行之。HTC UltraPixel技術的核心思想就是在影像傳感器尺寸不變的情況下，減少像素數量，從而使得單個光電二極管的尺寸增大，感光能力增強。換句話說就是犧牲畫面的分辨率，換取暗光下的拍攝質量。

UltraPixel技術仍舊使用常見的1/3規格影像傳感器，但像素數從常見的800萬或1 300萬減至430萬。但單個像素的邊長則變為2μm，大于800萬像素的1.4μm和1 300萬像素的1.1μm。HTC宣稱這樣做能夠比相同尺寸1 300萬像素的影像傳感器多捕捉300%的光線，暗光表現就會有所提升。

防抖模塊

傳統的數碼相機早就使用數碼防抖、軟件防抖和光學防抖等多種防抖技術，消除拍攝過程中產生的抖動。而早期的智能手機多半采用數碼或軟件防抖，甚至最新發布的iPhone 5s仍舊使用軟件算法來消除拍攝所產生的畫面抖動。本期測試的很多旗艦機型已經開始裝備與數碼相機類似的光學防抖系統，如諾基亞Lumia 1020和HTC One，但智能手機所使用的光學防抖系統仍舊具有自己的特色。

諾基亞的防抖技術

諾基亞是最早在智能手機上裝備光學防抖系統的廠商，在Lumia 920上諾基亞就已經開始試水光學防抖技術。屬于PureView組成技術之一的OIS（Optical Image Stabilisation）是一種鏡頭光學防抖技術，其從實現原理上與傳統數碼相機大同小異。不過，由于結構上的差異，諾基亞的OIS具有自己獨有的優勢。

傳統的鏡頭光學防抖技術通常只驅動一片鏡片發生位移，以改變光路抵消抖動。這樣設計的好處是需要移動的部件體積小，移動時耗費的能量小，且移動更加迅速。但是問題在于，單片鏡片移動會導致畫面質量受損。這是因為鏡片中心的分辨率一般都高于邊緣，像散和慧差也是如此，但在防抖過程中，防抖鏡片移動后光路中心穿過的是鏡片邊緣，因此畫面的分辨率會受到影響。而受益于影像傳感器尺寸相對較小，諾基亞PureView的鏡頭組被設計成一個輕量化的整體，在防抖過程中整組鏡頭可以一起移動，避免了上述問題。

HTC的防抖技術

與諾基亞類似，HTC近些年的旗艦機型也將發展的焦點聚集于攝像頭，它也為自家的手機研發了獨特的光學防抖技術，但在設計理念上卻與諾基亞有比較明顯的區別。

傳統的光學防抖技術，通常只能讓鏡片或影像傳感器沿x軸或y軸發生平行位移，因此無法抵消因相機傾斜而產生的抖動。HTC的防抖技術也采用了類似奧林巴斯的傳感器五軸防抖的原理，所不同的是HTC傾斜的是防抖鏡片，在HTC的OIS系統中，其防抖鏡片可產生約1°的傾斜，抵消部分來自z軸上的抖動。

另外，HTC還宣稱其OIS系統的檢測頻率達到了2 000Hz，鏡頭防抖的動作可以達到驚人的每秒2 000次，遠超目前所有的光學防抖系統。

對焦模塊

目前的手機攝像頭有大約40%加入了自動對焦功能，而所謂自動的對焦就是用戶在拍攝時，通過自動移動整個鏡頭組中的一片或者多片鏡片，使畫面的焦點剛好匯聚在鏡片后方的影像傳感器上的一種技術。傳統數碼相機領域，驅動鏡片垂直移動的技術主要包括3種，步進馬達+機械蝸桿+齒輪、超聲波馬達和VCM（音圈馬達，Voice Coil Motor）。而對于智能手機攝像系統來說，由于體積有限，步進馬達+機械蝸桿+齒輪的技術無法采用，超聲波馬達被佳能等廠商壟斷，應用也比較少，因此大部分變焦系統都使用了VCM。

顧名思義，VCM技術通常用于喇叭等發聲單元，幫助驅動振膜實現發聲。其基本原理就是，磁場中的導體在通電后，會受到來自垂直于磁場的力并進而發生位移。早在1874年借助該原理制作的VCM就已經申請了技術專利。而本期測試的旗艦智能手機仍舊在采用這種自動對焦驅動技術。

不過新型的對焦驅動技術已經出現，該技術使用了MEMS（微機電系統，Micro Electro Mechanic System）代替了驅動鏡頭對焦的組件。2013年2月DigitalOptics公司對外正式發布了mems|cam攝像頭模塊（采用800萬像素，1/3.2規格影像傳感器），該模塊首次應用了MEMS來幫助實現對焦，2013年年底該模塊將正式給OPPO供貨。

何為MEMS

MEMS對焦單元與VCM最大的區別在于制造工藝方面，VCM驅動鏡片的單元仍舊使用傳統的機械原理制造，線圈、彈簧都是通過機械加工來制作且需要較繁瑣的組裝過程。而MEMS驅動單元采用半導體制造技術，使用類似制作CPU的加工工藝，如光刻、腐蝕等。MEMS與CPU不同，并不是為了實現計算，而是更偏向于產生可控的物理位移，但MEMS的物理結構又保持了類似CPU的微小化特性，屬于超精密機械加工。

MEMS系統包括微電路和微機械，它們按照功能要求集成在微小的芯片上，尺寸通常是毫米或微米級。MEMS系統的優點是：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩定等。而且由于MEMS采用了半導體制造技術，因此在性能、良品率和成本控制等方面都發展迅速。未來，由MEMS驅動的對焦系統也將取代傳統的VCM驅動系統。

MEMS對焦系統

由于絕大部分元器件都通過半導體技術集成在了一片硅基板上，因此采用MEMS技術驅動的對焦系統結構更加簡單，例如DigitalOptics公司的MEMS|cam攝像頭模塊，其對焦模組部分只包括兩部分，即外殼和驅動鏡片移動的MEMS電路板。在MEMS電路板中，最關鍵的模塊當屬梳狀驅動器，其結構類似一組組梳子齒對置的結構，類似我們交叉的雙指，梳子齒之間并不接觸，但是當施加電壓時，產生的靜電會將梳子齒拉近，這種位置的變化最終驅動了鏡片的位移。在MEMS|cam攝像頭模塊中，MEMS對焦系統驅動鏡組的首枚鏡片運動，可以實現100mm至無窮遠的精確對焦。

技術優勢

與傳統的VCM對焦系統相比，MEMS擁有很多優勢。MEMS|cam攝像頭模塊中的對焦鏡片僅重3.5mg，遠低于VCM系統中45mg左右的對焦鏡組。而且其從微距到無窮遠的對焦過程中，鏡片僅需移動80μm的距離，遠小于VCM的250μm。這樣的變化大幅提升了變焦鏡片對焦時位移一次到位的幾率。VCM對焦系統的位移差為10μm～20μm之間，這會導致系統為了對焦成功，驅動對焦鏡片在預期位置間來回移動，即出現我們常說的“拉風箱”現象。而MEMS的位移差通常小于1μm，基本可實現一次對焦便即刻合焦。MEMS|cam攝像頭模塊在100mm～1.2m的范圍內對焦，往往可以在200ms左右完成，而VCM系統最快速度在耗時上也是其3倍。

另外，鏡片運動能量需求的降低也直接導致了功耗的降低，傳統VCM系統的對焦功耗在200mW左右，而MEMS系統僅為1mW，使整個攝像頭系統的功耗和發熱量明顯降低，有效地抑制了噪點隨拍攝時間增加而增多的問題。

MEMS系統還能提供更好的畫面邊緣成像精度。傳統VCM系統動態傾斜（鏡片位移誤差）通常會大于0.25°，而MSMS系統則小于0.1°，這意味著相同對焦鏡片面積下MSMS將擁有更好的畫面邊緣成像精度，而如果是相同的成像效果，那么MSMS將可使用更小體積的鏡片。

從理論壽命上講，基于半導體工藝的MSMS也更具優勢，其對焦模組的理論壽命為10 000 000個循環，而VCM僅為300 000。

最后，由于對焦組件結構更簡單，所以對焦鏡片位移更小，采用MSMS技術的對焦鏡頭體積上也明顯小于VCM鏡頭。