最近手机娟乱七八糟的事比较多，什么你手机核心技术是不会嗡嗡嗡，我手机核心技术是不会打快板，什么虚空吊打什么三组反射镜天下无敌，实在是徒增笑料，不如讲一些有点意思的东西。

大法好

咳咳.....

前段时间oppo首发了大法的IMX689，这颗传感器和三星大法OV马上要大规模走量的高像素超高像素“方向错了”的妖艳贱货们看起来不太一样，因为689方向反过来看还是689，4800万像素1.12μm 4in1 1200万2.24μm，对角线1/1.4"，还支持全向对焦，双原生ISO与12bit图像输出，先水一水这个

这个新的CIS吹点其实挺多的，比如不用RYYB。但是今天先讲讲最近几款大法新传感器都比较注重的对焦方面，简单聊聊对焦

1.1片上微透镜与相位对焦

IMX689的全向对焦技术得追溯到索尼去年年底于IEDM发布的QBC 2x2OCL论文「A1/2inch 48M All PDAF CMOS Image Sensor Using 0.8µm Quad Bayer Coding 2×2OCL with 1.0lux Minimum AF Illuminance Level 」，在这篇论文的结尾索尼给出了2x2OCL与市面上其它主流OCL及CFA设计的对比。

不愧是PPT结尾啊，全线飘红不带喘，友商辣鸡我最棒~

OCL是On-Chip Lens的缩写，即片上微透镜。

上面那个透明的部分就是片上微透镜

上面那个透明的部分就是片上微透镜

片上微透镜是整个像素结构的顶层部分，负责汇聚光线与导光，可以显著提升进光效率。以往CIS使用的OCL都是1x1OCL，也就是一个像素对应一个片上微透镜。而2x2OCL是4个像素对应一个片上微透镜，IMX689选择了覆盖同色像素的QBC 2x2OCL方案，OCL与Quad Bayer的ColorFilter色彩滤波器位置恰好契合。整套设计后续带来了全向对焦及Sensor HDR等功能。

这是微透镜的俯视图

这是微透镜的俯视图

片上微透镜形态的变化源自16年索尼推出的首款2x1OCL手机图像传感器IMX398，首发OPPO R9s。

OPPO：惊喜不惊喜，意外不意外，还是我！

这种新结构的特点在于一片微透镜覆盖两个像素。使用2x1OCL并辅以新对焦流程的技术一般称为Dual Pixel AF，即双像素对焦。需要注意的是这与全像素双核对焦的Dual PDAF仅仅是名称相似，内在并不一样。2x1OCL上使用的对焦技术也有人形象的称为大核对焦。

深究2x2OCL与2x1OCL这两种全新片上微透镜构型出现的原因，很大一部分是为了对焦性能的优秀，准确来说是为缓解由单位像素面积减小带来的相位检测能力变弱的问题（以后有机会讲讲相位对焦原理）。15年IMX298的单位像素尺寸是1.12μm，在这之后的IMX350与IMX586上，索尼把单位像素尺寸干到了1.0μm甚至0.8μm（别问，问就是索尼方向错了）。过小的像素尺寸削弱了感光能力（暂不考虑Color Filter的影响），使暗光下的精确，快速相位对焦变成了一件比较头疼的事情。

1.2传统掩蔽式相位对焦

掩蔽式相位对焦是目前资历最老，应用范围最广的片上相位对焦技术。以往基于 1x1OCL的相位对焦大都是掩蔽式相位对焦，通过将约1.5%至3%数量的像素改造成专用的“对焦像素”实现对焦检测功能。这些像素不再用来成像，亮度值由附近像素插值取得。

掩蔽式对焦简单的示意图

掩蔽式对焦简单的示意图

由于掩蔽式把对焦像素封堵或遮蔽左/右其中一半以实现对焦检测，浪费了一半的感光面积。用数据描述，IMX298经掩蔽式改造后的对焦像素感光面积仅有1.12μm*0.56μm，折合0.6272μm²，根据索尼半导体提供的数据，298最低工作照度仅20勒克斯。索尼IMX350为第二代掩蔽式相位对焦表现稍好，最低照度做到10勒克斯。三星GM1则惨多了，0.8μm再砍一半只剩0.4μm，折合0.32μm。这也是红米Note7在极弱光下对焦稀烂的根源，上GCam靠算法都很难救回来。

别看红框，自行鞭尸

别看红框，自行鞭尸

1.3全像素双核对焦

顾名思义，全像素双核对焦的特性分为“全像素”与“双核”两部分。全像素代表所有像素均具有这种双核结构，且理论上所有像素都能参与相位对焦

那么双核是什么意思呢？全像素双核对焦CIS在每一个像素内都塞进了两个独立的光电二极管（Photo-Diode，即PD）。前文介绍掩蔽式的时候我们提到过，掩蔽式把对焦像素封堵或遮蔽左/右其中一半以实现对焦检测。那为什么不把像素的光电二极管一分为二，对焦时打开其中一半，作用不是一样的么。

因此，即便双核系统对焦时一次只能用一半，但也有1.4μm*0.7μm，折合0.98μm²，这还得考虑全像素双核的“全像素”属性，对焦像素可占比100%，实际表现更强。综合来看Dual PD能做到1.25勒克斯(Lux)甚至更低暗光对焦性能，是当年无可争议的最优解。

遗憾的是，即便全像素双核的对焦性能相对突出，但衡量传感器的指标远不止对焦一项。双光电二极管设计天生不适合在手机CIS这种小规格传感器中实现高像素密度。IMX363系单像素尺寸1.4μm，三星S10系列自用的DualPD前置也仅做到1.22μm的尺寸，同年三星半导体新品GH1已做到0.7μm-4370万像素时，手机上的双核对焦依旧限制在1200万，面对如今高像素潮流实在是力不从心。14*

14* : 方向错了

1.4 Super PD

不过高像素阵营这边的日子也并不轻松，紧缩的单像素尺寸限制了感光能力。三星自家初代0.8μm产品GM1直接沿用先前掩蔽式的设计，亮相即翻车。三星不得不在GM2、GW1上引入捆绑4个掩蔽式像素的Super PD，在0.8μm节点站稳了脚跟。

先前我们提过，掩蔽式的缺陷在于数量占比3%的专用“对焦像素”，这些像素无法用于成像，对画质有一定程度破坏。那么有没有一种既不破坏（或说影响不大）画质，又能实现高速对焦的，还能做高像素的解决方案呢。

那必须是采用新片上微透镜设计的2x1OCL

1.5 2x1OCL

2x1OCL带来的大核对焦成功把对焦性能带回主流水平，由于2x1OCL是两个像素共享一个片上微透镜，反过来完全可以看作一个像素切成两半，因此也不用额外做掩蔽，每个像素都能完整受光，有效感光面积翻倍。

更重要的是这些对焦像素除了OCL不一样，其余与别的像素没有区别，都能参与成像。不再需要临近像素猜值。借此IMX586直接把面积推至0.8μm*0.8μm，总计0.64μm²效果也不差。三星在GH1与HM1上也全面转向2x1OCL

显微镜放大下的CIS如图所示

显微镜放大下的CIS如图所示

1.6 2x2OCL

前面铺垫了这么多终于来到2x2OCL。2x2OCL是2x1OCL的进一步延申，主要改进点是全像素与全向对焦。全像素容易理解，因为之前2x1OCL仅改造了一部分片上微透镜，并未在所有像素上使用2x1结构，而这次的2x2OCL是全像素全部2x2。

图：咋还是我？？

图：咋还是我？？

全向也不难理解，之前的相位是左/右检测或上/下检测或左/右+上/下（如iPhone），相当于单反上的“一字对焦”或“十字对焦”。由于相位对焦点原理，前两种遇到与检测线平行的直线条纹会彻底歇菜。后者则好很多。这次2x2OCL的全向对焦就有点有失公允，由于同一OCL下有4个不同位置的像素，左上/左下/右上/右下可以做出4个方向的检测线，叠起来就是“双十字对焦”而且是全像素，记住是

全像素

咚咚噔

最终索尼在0.8μm单位像素尺寸样品上做出了最低1.01勒克斯的对焦性能。

另一个（手机上）能做全像素的Dual PD只能一字对焦。考虑到这次IMX689单像素1.12μm，感光面积能怼到1.2544μm²。就面积而言仅落后于IMX555的1.62μm²。不过IMX689有4800万像素，可以用来做Sensor级的HDR，还是先前老生常谈的Quad Bayer那一套，在单帧内即可实现HDR拍摄，免去了多帧合成时的大量伪像的困扰，此外还有前文的全向对焦。这些都是IMX555的软肋。

听到这，是不是觉得IMX689与QBC 2x2OCL已经默秒全了？4800万像素数，合成2.24μm的大像素尺寸，目前独此一家的全向对焦，可显著提升动态的Sensor HDR ！买买买！不买不是人！

只可惜，世上哪有那么轻松的技术提升，可以做到什么也不牺牲就提升对焦性能呢？

咱们还是回到最初论文的这张图，好事的小朋友就会提问了....这图咋看起来怪怪的呢......

Q1：为什么QE（量子效率）一栏Bayer与QuadBayer Coding是“Poor”(差)？

答：paper指的是仅占3%的对焦像素而不是所有像素。这也不奇怪，毕竟掩蔽式直接挡了对焦像素的一半进光量，QE砍了一半能不Poor吗。作者在QE栏不注明“FocusPixels”就很误导人

如果找一个比较恰当的日常例子做翻译，就是自行车和小电驴赛跑，平常虽然小电驴跑得快，但是自行车在你小电驴充电的时候说：“在你充电的这段时间，我跑的比你快”（在你对焦的像素上面，我量子效率比你高），这不是瞎搞嘛~

Q2：为什么Resolution（分辨率）栏实际表现最强的Bayer仅为“Good”，而表现最差的QBC 2x2OCL为“Very Good”？

答：这也是作者动小心思的地方了，在Pixel Size栏标注的参数都是各方案目前最小的像素尺寸。Resolution也正是按照最小单像素尺寸排列。目前Bayer排列最小仅做到0.9μm，DPD（双核）最小1.22μm，而Quad Bayer很早就做到了0.8μm。不过实际上多家参与OPPO Find X2Pro测评的媒体均表示，IMX689的4800万全像素模式的解析度与1200万相差无几，这又是为什么？

原因是4个像素公用一个微透镜。这就相当于4个人吃大锅饭，每个人分到的饭量几乎完全一致。索尼在这方面没有做太多努力，仅针对性设计了像素间的DTI深槽隔离以降低串扰。实质上QBC 2x2OCL的IMX689基本等同于真-4800万版本的三星GM1，当然了在对焦和HDR方面则相对这个千元机传感器强很多。这个问题作者不会告诉你，索尼不会告诉你，OPPO就更不可能告诉你了。其实paper字里行间能透露出缺乏解析度的意思，能不能看出端倪还得靠你自己，当然更大的前提是你能下载到这篇论文（滑稽）

2020Q1篇大法新传感器的介绍的一小部分先写在这里了，还有什么其他想看的嘛？

感谢某不愿透露姓名的朋友对文章的大力支持~

咕咕咕！

索 尼 大 法 全 新 传 感 器 小 科 普

索尼大法全新传感器小科普