淺談光學防抖在手機中的應用

淺談光學防抖在手機中的應用

相機和相機之間仍然存在差距。問題是差距有多大。在手機拍照功能日新完善的今天,特別是在各種技術(shù)的支持下,拍照功能對于手機來說絕不僅僅是一個花銷,可以說,只要不是太遇苛刻的專業(yè)投影要求,照相手機的攝影麗質(zhì)已經(jīng)足以滿足用戶的普通需求了。不同的照相手機由于定位不一樣,在配置拍照組件的時候會考慮到成本的問題,所以會采用不同的拍照元器件,這樣就造成手機拍照水平的參差不齊,那么影響手機拍照質(zhì)量的因素是什么?它又有哪些為人稱道的技術(shù)呢?本文將作描述。一、光學防初步技術(shù)照相手機要取代數(shù)碼相機,主要的瓶頸是體質(zhì)上的限制。因為照相手機不可能安裝更大的相機模組,這決定了手機拍出的相片不會有太過出色的畫質(zhì),不能安裝更大模組,這決定了手機拍出的相片不會有太遇出色的質(zhì)量。不能安裝更大模組,所帶來的難以彌補的缺憾首先是光學防抖上的缺失。這也就是為什么現(xiàn)在流行的照相手機普遍都采用的是電子防抖,而不是光學防抖的原因。加上照相手機的定位是給用戶提供簡易的操作體驗,只要具體一定的成像效果即可,因此目前手機制造商們多數(shù)還是采用電子防抖。即便是對于未來iPhone5,業(yè)界預測也不會搭載光學防抖功能,不過對于視頻抓拍攝而言,電子防抖有時候也能起到不錯的效果。電子防抖是利用相機內(nèi)部的處理器在后期進行處理,普遍認為其效果沒有光學防抖好,因光學防抖在拍照過程中實時對鏡頭或者其他部件進行調(diào)整。無論是對于拍攝動態(tài)視頻還是暗光下的攝影,無論是對于拍攝動態(tài)視頻還是暗光下的攝影,光學防抖均可以提供非常大的幫助。不過暫且放下采用防抖方式不說,該不該采用防抖技術(shù)也有待斟酌。防抖會增加電池負擔降低相機續(xù)航能力,增加器材的造價和重量,某些時候防抖還會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生負面影響,也就是特殊情況下產(chǎn)生的越防越抖現(xiàn)象。防抖也不是萬能的,防抖只能克服拍攝者本身的抖動而不能克服被拍攝對象的位移,這時候因為被拍攝者本身是輕微移動的,所以即使開了防抖也不會對提高畫面質(zhì)量有幫助。1.防三大功能強化拍攝光學防抖技術(shù)并不是讓機身不抖動,而是依靠特殊的鏡頭模組或者CCD感光元件的結(jié)構(gòu)最大程度的降低操作者在使用過程中由于抖動造成影響不穩(wěn)定。光學防抖是通過鏡頭內(nèi)部的特殊浮動透鏡組的位移來糾正抖動引起的“光軸偏移”。其原理是通過鏡頭內(nèi)的陀螺儀幀測鏡頭的微小位移,并將偵測到的信號傳至微處理器,處理器立即計算需要補償?shù)奈灰屏?。然后有效的克制因抖動產(chǎn)生的影響模糊。這種抖動技術(shù)對鏡頭設(shè)計制造要求比較高,而且成本也相對高一些。不僅對于照相手機,對于專業(yè)的數(shù)碼相機來說,光學防抖功能的效果是各種防抖技術(shù)中最強勁的。一般情況下,數(shù)碼相機如若開啟該功能可以降低2-3檔快門速度進行拍攝,能大大減輕手持拍攝時模糊不清的現(xiàn)象,其效果是非常明顯的。在這一領(lǐng)域,香港應用科技研究院有限公司(應科院)早前已經(jīng)研發(fā)出“防抖動攝影模塊”堪稱全球最微型的手機震動及自動對焦設(shè)計,并且獲一手國際手機品牌使用,其防震動功能比一般手機更佳。在乘坐交通工具的震動環(huán)境下,亦可進行清晰拍攝。獲授權(quán)該模塊技術(shù)的愛佩進行行政總裁林小軍表示,該模塊設(shè)計微型化,只有8.5×8.5×6.8mm3,今年年中更可推出更小的8.5×8.5×3.8mm3的模塊,而其它對手只能做到12.5×12.5×7mm3的大小。他指出,在15Hz或以下頻率,該模塊也可以0.1合計內(nèi)激活防震功能,在乘坐巴士或地鐵時亦有良好防震效果,現(xiàn)時其它手機防震功能只能為影像提供補償效果,而且未必成功,防震功效不及該模塊,而影像解像度高度500萬像素,若放大8R或4R大的相片時,圖像也是清晰的,日后更可研發(fā)推至1200萬像素。該模塊每粒造價約4.5美元(約35港元),大量生產(chǎn)后可降至1.5美元,而對手則賣4美元;林小軍估計,手機生產(chǎn)商將為設(shè)有該模塊的手機價格提升數(shù)百港元。現(xiàn)時已有一間國際著名手機品牌興愛佩儀簽約,在今年第三季度投產(chǎn),可在2012年第一季度在國際市場上發(fā)售。約1200萬部。林小軍指出,現(xiàn)時亦正與約十間電子生產(chǎn)商洽談中,其中約有四間是手機生產(chǎn)商;他指出該模塊亦可應用在數(shù)碼相機,卡片機內(nèi),更有用于醫(yī)療的藥丸型攝影機生產(chǎn)商,希望可使用該模塊技術(shù),但需要進一步研究。他又指出,每年有11億部手機出產(chǎn),該公司的目標是,日后有一億部手機都擁有他們的模塊設(shè)計。2.實際畫面數(shù)字電路段電子防抖實際上是一種通過降低畫質(zhì)來補償抖動的技術(shù),此技術(shù)試圖在畫質(zhì)和畫面抖動之間取得一個平衡點,與光學防抖比較,此技術(shù)成本要低很多,效果也要差,電子防抖使用數(shù)字電路進行畫面的處理產(chǎn)生防抖效果。當防抖電路工作時,拍攝畫面只有是實際畫面的90%左右,然后數(shù)字電路對攝像機抖動方向進行,進而用剩下的10%左右畫面進行抖動補償。這種方式的特點是成本低,但欲降低了圖像傳感器的利用率,對畫面清晰度會帶來一定的損失,也就是說電子防抖是針對圖像傳感器上的圖像進行分析,然后利用邊緣圖像進行補償,就像光學變焦和數(shù)字變焦一樣,它只是對采集到的數(shù)據(jù)進行后期處理,治標不治本,并沒有什么實際作用,相反,對于畫質(zhì)有一定程度的破壞。就數(shù)碼相機而言,目前市場上有卡西歐,柯達,富士等采用的是電子防抖技術(shù)。電子防抖的實現(xiàn)原理和數(shù)碼變焦相類似,通過像素插值來補償震動,也就是說像素的大小就決定了電子防抖的效果,試想一下,如果只有80W像素的圖像傳感器,再分出一部分的像素來進行防抖,會造成畫質(zhì)下降。二、圖像傳感器技術(shù)按結(jié)構(gòu)來分,目前便攜設(shè)備常用的圖像傳感器有背照式傳感器(BSI)和前照式傳感器(FSI)兩種,它們的設(shè)計不同之處在于BSI把與感光無關(guān)的走線與光電二極管分開到芯片的兩面或者底部,這樣不僅可以增加光電元件曝光面積(開口率增加),而且減少光線經(jīng)過布線層時的損失。由于光波長不變,像素不斷縮小,FSI技術(shù)存在其物理局限性,為了解決這個問題,BSI有效去除了光路徑上的讀取電路和互連。BSI技術(shù)擁有得到更高量子效率(QE的潛在優(yōu)勢,前景十分誘人。但同時也帶來了更高成本,更大串擾和制造挑戰(zhàn)等問題,這意味著只要FSI圖像傳感器還能夠滿足當年市場的性能要求,還是保持一定的市場地位。如今,BSI技術(shù)不僅開始用于制造對傳感器成本提高并不是特別敏感的高端消費類相機等產(chǎn)品,已有數(shù)款手機開始采用這種技術(shù)。BSI技術(shù)起初用于高端相機中,同時,它的性能將會繼續(xù)提升,不久將在主流大批量應用中得到廣泛使用尤其是那些需要1.1微米及以下尺寸的應用。未來,由于市場對不同應用需求的分化,有理由相信FSI和BSI技術(shù)將會共存,FSI圖像傳感器技術(shù)的提升將滿足對于出色圖像和視頻性能的不斷增長的需求。同時,BSI技術(shù)的進步將支持極小像素尺寸,以驅(qū)動體系更小的高分辨優(yōu)選法相機和手機的應用。1.光子傳感技術(shù)的改進傳統(tǒng)上,圖像傳感器按照制造流程而設(shè)計。因此,對最終器件而言,光線是從前面的金屬控制線之間進入,然后再聚集在光電檢測器上,一直以來,對于較大的像素,FSI都十分有效,因為像素推疊(pixelstack)高度與像素面績之比很大,致使像素的孔徑也很大。日益縮小的像素需要一系列像素技術(shù)創(chuàng)新解決FSI技術(shù)在材料和制造方面的局限性。比如,FSI已經(jīng)采取眾多創(chuàng)新技術(shù)和工藝改進,如形態(tài)中變化微透鏡、色彩變化濾光、凹式像素陳列、光導管和防反射涂層等技術(shù),以變化FSI像素的光線路徑。進入FSI像素的光最初被帶有防反射涂層的微透鏡(microlen)聚集,該微透鏡也作為孔徑使用。在手機中,微透鏡的設(shè)計必需能夠滿足鏡頭質(zhì)量和更大主光角(chiefrayangle)要求。光通過微透鏡,聚在針對微光反應和信噪比(SNR)變化而設(shè)計,具有最佳密度和厚度的彩色濾光器上,確保被完全分離為三原色分量。微透鏡的曲率和厚度必須精心選擇,以使色彩濾波器傳輸?shù)墓獗M可能多地為光導管所接收。雖然光導管是設(shè)計用于聚集從微透鏡發(fā)出的光,并使其以窄光束形成通過互連金屬和隔離堆疊,但它仍然能夠有效縮短光堆疊高度,使平等光束被導入光電二極管區(qū)域。光導管必須聚由孔徑確定的光錐和主光角(CRA)范圍內(nèi)的任何光線。更先進的制造工藝采用更小的特殊尺寸,并從鋁工藝轉(zhuǎn)向銅工藝,能夠提供更窄的金屬寬度,實現(xiàn)更寬的光導管。結(jié)合這些改進,像素陳列可以是凹式,把像素陳列之上的堆疊高高度降至僅兩個金屬層的厚度。一旦光導管把光子傳送到矽片表面,光電二極管開始工作。鑒于矽片的光吸收特性,光電二極管的區(qū)域應該延伸至幾個微米的嘗試。在設(shè)計光電檢測器時,可把耗盡深度(depletiondepth)延伸入矽晶圓,使光子收集與保存的空間分辨率最大化。其關(guān)鍵在于份量增大相鄰光電二極管之間的隔離,并形成一個深結(jié)(deepjunction),以消除較大波長光子產(chǎn)生的,沒有在光電二極管中被吸收的任何光電荷。(1)FSI的優(yōu)點先進的FSI像素采用設(shè)計優(yōu)化光導管,可降低串擾。這些光導管還能夠增大入射光的接收角,從而允許相機采用主光角更大的鏡頭,并為相機模塊設(shè)計提供更大的靈活性,比如模塊高度可以更小。在1.4微米像素下對BSI和FSI技術(shù)進行比較可看出,FSI能以更低的成本獲得同等的性能。這種成本優(yōu)勢可能源于其需要更少的工藝步驟,以及其因制造工藝更成熟而獲得的更高良率。考慮到FSI串擾更小,BSI的QE更高,兩者的成像性能和信噪比(SNR)基本相等或接近。圖像傳感器公司AptinaImagingCorporation開發(fā)了AptinaA-PixFSI技術(shù),采用新的寬型光導管,采用新的寬型光導管,更先進的微透鏡和光學層,以及深度光電二極管,提升了FSI技術(shù)的能力。利用65nm像素設(shè)計規(guī)則的先進半導體制造工藝,可以實現(xiàn)更寬的金屬開口,從而能夠在像素中插入更大的光導管,使更多的光子通過互連層,并在深度光電二極管中有效捕捉這些光子。這些改進實現(xiàn)了最先進的1.4微米像素,可獲得50～60%的QE,而串擾為5～15%。這種高QE接近BSI的QE,然而FSI的串擾一般更小,凈總量圖像質(zhì)量堪比1.4微米像素,上述改進就可以實現(xiàn)高性能的1.4微米像素商用圖像傳感器,無需從FSI轉(zhuǎn)向BSI。雖然需要1.1微米像素傳感器的未來應用預計將采用BSI技術(shù),但是FSI也有望促進下一代產(chǎn)品的發(fā)展。FSI非常適合于需要“更大”像素的應用,在這些應用中,微光和總體成像性能比更高的分辨率更重要。視頻類應用,特別是高清(HD)視頻,將推動HD分辨率下性能的提高。對于高質(zhì)量HD視頻應用,采用FSI技術(shù)的1.4微米,1.75微米或更大的像素預計還將在市場持續(xù)很長一段時間。(2)FSI的缺點從一開始,FSI就面臨著使入射光通過矽片金屬層到達光電檢測器的挑戰(zhàn),要加大孔以提高光聚集度,可采用共享元件來設(shè)計像素,以質(zhì)量減少光電二極管上的電路。這種方法在提高QE的同時,也帶來了不對稱性,其后必須予以補償,此時,這種孔徑又產(chǎn)生衍射效應,而且更大的像素堆疊高度使用串擾抵制變得更為困難,雖然光導管可以減輕這些效應,但光導管本身也存在損耗。像素從1.4微米縮小至1.1微米,有開光導管的設(shè)計挑戰(zhàn)大幅度增加。隨著像素的不斷縮小,即使采用光導管,衍射效應也會防礙光的接收。此外,FSI無法利用所有可用金屬互連層來推進片上處理,在1.1微米像素下,這個缺陷可能更為突出。2.bsi的優(yōu)勢采用BSI構(gòu)建像素,光線無需穿過金屬互連層。然而,這仍然對光路徑帶來一些限制,幸運的是,促使FSI技術(shù)不斷改進的許多知識和技術(shù)進步可以直接應用于BSI技術(shù),從而為提高BSI性能打下了堅實的基礎(chǔ)。BSI技術(shù)的第一步是匯集進入光電二極管光學區(qū)域的入射光,其光學要求與FSI相同,不過現(xiàn)在微透鏡的位置更接近光電二極管,需要更厚的微透鏡材料層以獲得更短的焦距。與由互連層創(chuàng)建的自然孔徑的FSI技術(shù)不同,BSI需要最大限度地減少串擾,因而必須通過在光電二極管上墊上金屬柵格(METALGRID)來增加一個孔徑。由于BSI晶圓是翻轉(zhuǎn)(INVERT-ED)的,故入射到臨近的矽體材料。這時,由于漫射到臨近像素或在背面界面的漫射與重新匯合,光線會形成串擾而產(chǎn)生匯合。藍光尤其容易發(fā)生這種現(xiàn)象,導致藍光QE減少,而串擾增加?？上驳氖?通過利用先進的背面處理和更深的光電二級管來捕獲藍光,可以解決這些問題。(1)BSI的優(yōu)點BSI的主要優(yōu)勢是能夠使電氣組件與光線分離,使光路徑能夠被獨立優(yōu)化。而且,這無需在金屬層或光導管中創(chuàng)建一個孔徑,從而消除了入射光的損耗機理。其最終結(jié)果是BSI能夠獲得更高的QE。BSI圖像傳感器超越傳統(tǒng)FSI器件的另一個主要優(yōu)勢是像素的光堆疊高度更低。但應當注意的是,相比具有光導管的FSI架構(gòu),這一優(yōu)勢并不明顯,這是因為對于后者,由于光線在互聯(lián)堆疊的頂部聚集,并由光導管限制和導引到光線檢測器表面,有效光堆疊高度也會減少,對于1.4微米BSI像素,QE范圍通常為50～60%,而串擾范圍為15～20%。在1.4微米下,BSI的高QE結(jié)合略微受影響的串擾。帶來可與1.4微米FSI像素的相媲美的總體圖象質(zhì)量。應該注意的是,1.4微米BSI技術(shù)雖然剛剛進入市場,但正如以往的像素技術(shù)一樣,其性能預計也將逐漸提升。今天,1.1微米BSI像素尚處于早期發(fā)展階段,不過一旦他們能夠投入生產(chǎn),預計QE將達到50～60%,串擾為10～30%。屆時這些1.1微米BSI像素將會勝過1.1微米FSI像素,因為FSI像素在縮小至1.1微米時存在制造難題。(2)BSI的缺點BSI器件架構(gòu)本身帶來串擾挑戰(zhàn),導致無法精確地收集光子,因而減少了色彩修正矩陣的性能,并引起SNR下降。BSI還需要額外的晶圓貼片和減薄處理(mountingandthinning),背面對準處理(alignmentforbacksideprocessing)以及背面界面鈍化(passivaing)對準等制造處理工藝,所有這些工藝都會增加成本和誤差。此外,以往在前端(frontside)進行的CFA和微透鏡處理,現(xiàn)在必須在背面進行。這時,由于晶圓翹曲以及材料背面結(jié)構(gòu)對準存在的挑戰(zhàn),對準獲得更加困難。BSI的相關(guān)成本較高,導致某些BSI傳感器制造商瞄準成本較不敏感的高端相機應用,業(yè)界權(quán)威人士認為BSI技術(shù)的平均銷售價格較高?？傊?影響銷售價格的因素包括成本較高,更先進的工藝技術(shù)等等。BSI的另一個缺點是需要背面鈍化,相比前表面處理,背面處理比較麻煩。從而使處理工藝優(yōu)化非常有限。此外,晶圓的前表面已有載具晶圓鍵合(carrierwaferbond)和金屬化。這也限制了處理工藝優(yōu)化。因而,鈍化層需要沉淀而不是生長在背表面上。而且,鈍化層中的缺陷將會影響背表面的缺陷,導致更高的暗電流和更大的熱像素缺陷可能性。創(chuàng)建BSI圖像傳感器還需要新工藝的開發(fā),而且新技術(shù)成熟和良率提升需要一定的時間,大多數(shù)圖像傳感器銷售商都正在投資BSI工藝開發(fā),克制這些障礙只是時間問題。三、生物照片合成蘋果在IOS4.1手機操作系統(tǒng)中為IPHONE4增加了一項新功能:HDR拍照。雖然目前市場上支持HDR功能的數(shù)碼相機已經(jīng)不在少數(shù),但能夠讓普通消費者注意到這一功能,IPHONE4依然居功至偉。HDR即HighDynamicRange高動能范圍,被用來補償大多數(shù)數(shù)碼相機成像傳感器有限的動態(tài)范圍。開啟該功能后,IPHONE4在拍照時,實際上會連拍3張照片,分別對應欠曝,正常曝光和過曝,再合成為一幅照片,提升暗部和亮部的細節(jié)表現(xiàn)。由于大多數(shù)情況下HDR照片更加接近人所見,再加上IPHONE4可以設(shè)置手機同時保存原版和HDR版照片。因此除了占用存儲空間稍多,以及HDR照片合成需要等待幾秒鐘外,似乎再也沒有關(guān)閉HDR的理由了。照片的動態(tài)范圍是指最暗的色彩與最亮的色彩之間的亮度范圍,值得特殊說明的是HDR是一種軟件技術(shù),該功能在亮度反差較大,尤其是戶外,逆光等場景中能夠自動將多重曝光結(jié)合到一張HDR圖像中,從而可以拍攝出更加清晰的影像。而這項技術(shù)所能實現(xiàn)的效果即使使用最先進的單反相機,也無法在一次曝光中撲捉很多場景的寬廣色調(diào)。在了解什么是HDR技術(shù)之后,再看看蘋果的這項技術(shù)是怎么來的,從目前各方信息來看,蘋果的這項技術(shù)應當來自于其收購的一家名為Imsense的公司,該公司總部位于英國劍橋,是一家從EastAnglia大學獨立出來的小型技術(shù)企業(yè),專門研發(fā)HDR校正技術(shù),其名稱為Eye-fidelity的算法可以對準照片或HDR照片進行處理,恢復欠曝或者過曝照片中的細節(jié),同時保持整體色彩平衡,使最終照片盡可能貼近于人眼所見?？偠灾?由于HDR在拍攝過程中是同時生成高光,平光和低光,其三者的最佳色彩比例生成的,所以在色階的明亮上具有很大的優(yōu)勢。四、生物可混溶燈燈疝燈和白光LED用于照相手機閃光燈的主要差別是:疝燈可提供比白光LED更高的亮度,其光源輸出更容易獲得均勻的亮度,但驅(qū)動電路較復雜,須產(chǎn)生千伏電壓觸發(fā)和300V的閃光燈驅(qū)動,具體實施具有較高的復雜度,而且需要考慮安全規(guī)范問題。一般白光LED的閃光燈亮度受限于它的點輸出特性,需要多個LED并聯(lián)和串聯(lián)來增加有效亮度,也可以使用亮度的LUXEONLED,但目前它的價格對于商用照相手機來說略高一些。氙燈是充滿氙氣的柱狀燈管,其陽極、陰極直接接觸氣體。觸發(fā)電極分布在燈管外表面,通過玻璃外層傳送一個較高的電壓脈沖來將燈管內(nèi)惰性氣體離子化,使其阻抗降至一歐姆以下,并容許產(chǎn)生高亮度光源的電流在陰極和陽極之間流動。隨著電流脈沖衰減,燈管電壓下降,最終再次恢復到高阻狀態(tài),等待另一冷色觸發(fā)。LED類似于小型燈泡,與白熾燈不同的是,它們沒有燈絲且溫度不會很高。LED利用電子半導體內(nèi)部的移動產(chǎn)生光源。導致LED發(fā)光的是加入矽中的能雜物質(zhì),如錠、砷化物、銦和氮化物等。電流通過LED時會發(fā)出光子。新開發(fā)的LED,亮度足以與傳統(tǒng)的照明技術(shù)競爭,因此在大部分應用中,現(xiàn)代的LED已經(jīng)能夠取代白熾燈。LED用作照相手機閃光燈時有兩種不同的連接方式,也即并聯(lián)和串聯(lián)。串聯(lián)方式中所有LED流過相同的電源,可得到均勻的亮度和鍵盤背光,達到于較大尺寸的TFT面板。但是,該方案的照相手機閃光只應用中需要一個大尺寸儲能電容,