借助英特爾和3M的投資 這家初創(chuàng)公司要改寫(xiě)手機(jī)攝像頭技術(shù)

唐尼

來(lái)自初創(chuàng)公司的挑戰(zhàn)

十幾年來(lái)，智能手機(jī)中的光學(xué)元件幾乎差不多，沒(méi)怎么變化。早在2007年就有200萬(wàn)像素?cái)z像頭的手機(jī)出現(xiàn)，那時(shí)候基本屬于后置攝像頭，沒(méi)有前置的自拍功能。如今，你在手機(jī)的正面和背面可以找到多個(gè)攝像頭，其中一些攝像頭具有高達(dá)1.08億像素的傳感器，例如三星Galaxy S21 Ultra機(jī)身上的“碩大”攝像頭。但是，盡管智能手機(jī)相機(jī)的傳感器尺寸和百萬(wàn)像素?cái)?shù)在過(guò)去十年中已顯著增加（更不用說(shuō)計(jì)算攝影軟件的改進(jìn)了），用于拍攝照片的鏡頭結(jié)構(gòu)卻基本保持不變。

對(duì)于塑料組件的鏡片制造商來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)PCB板、鏡頭加傳感器等部件組成結(jié)構(gòu)已經(jīng)使用了好幾十年了。近年來(lái)，智能手機(jī)制造商一直在增加攝像頭模塊，從一到兩個(gè)，再到五個(gè)或更多。每個(gè)攝像頭模塊都包含多個(gè)塑料組件。這些鏡頭外觀變化不大，但技術(shù)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，可以將多個(gè)相機(jī)模塊中的圖像合并為一張高質(zhì)量的圖片，并可以實(shí)現(xiàn)選擇性對(duì)焦和其他功能。

在智能手機(jī)行業(yè)全面進(jìn)入多攝年代后，CMOS 的訂單像紙片一樣飛入索尼工廠中。頂級(jí)產(chǎn)品找索尼單獨(dú)定制 CMOS ，例如華為 Mate和P系列定制的 IMX 600 系列，蘋(píng)果定制的 CMOS 等。

根據(jù)索尼2021年2月公布的去年第三季度財(cái)報(bào)，其影像及傳感解決方案業(yè)務(wù)（I&SS）銷(xiāo)售收入達(dá)到2669億日元（164億元人民幣），已經(jīng)成為僅次于游戲機(jī)業(yè)務(wù)的第二大營(yíng)收來(lái)源，雖然因?yàn)槟承┍娝苤脑?，成?jī)比2019年有10%的下降，但這個(gè)銷(xiāo)售數(shù)字依然不容小視，更主要的原因還是智能手機(jī)進(jìn)入多攝時(shí)代的歷史進(jìn)程。

不過(guò)科技的進(jìn)步也讓一些初創(chuàng)的科技公司準(zhǔn)備挑戰(zhàn)傳感器巨頭，近期一家名為Metalenz的公司開(kāi)始小規(guī)模量產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的鏡頭組，這些納米結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立彎曲光線，消除了堆疊鏡片的需要。期望值是圍繞這種新鏡頭構(gòu)建的技術(shù)，產(chǎn)生與傳統(tǒng)鏡頭相同甚至更好的圖像質(zhì)量，收集更多的光線以拍攝更明亮的照片，甚至實(shí)現(xiàn)新的感應(yīng)形式。

具體來(lái)說(shuō)，該公司旨在使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工技術(shù)，用硅納米結(jié)構(gòu)制成的光波導(dǎo)模塊代替塑料透鏡。Metalenz的技術(shù)源于哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究，由應(yīng)用物理學(xué)教授費(fèi)德里科·卡帕索領(lǐng)導(dǎo)的哈佛團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)能夠使用金屬離子聚焦可見(jiàn)光的光譜研究小組。

索尼2020年第三季度財(cái)報(bào)，其影像及傳感解決方案業(yè)務(wù)（I&SS）銷(xiāo)售收入達(dá)164億元人民幣

卡帕索于2017年與羅伯特·德夫林共同創(chuàng)立了Metalenz，羅伯特·德夫林是哈佛大學(xué)項(xiàng)目的博士之一，他的觀點(diǎn)是通過(guò)優(yōu)化半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)鏡頭，降低如今構(gòu)建攝像頭模塊的多步驟工藝的復(fù)雜性。攝像頭模塊可以更小，讓鏡頭直接連接到傳感器表面，而不是使用更復(fù)雜的包裝方法。

主流傳感器將被替代？

目前主流的五千元以上的智能手機(jī)，背面成像系統(tǒng)大多具有多個(gè)攝像頭，最新的iPhone 12 Pro背面有三個(gè)攝像頭，但每個(gè)攝像頭都具有多個(gè)鏡頭或彼此堆疊的鏡頭元件，iPhone 12 Pro的主攝像頭傳感器使用了多達(dá)七個(gè)鏡頭元件。像iPhone這樣的多鏡頭設(shè)計(jì)要優(yōu)于單鏡頭設(shè)置，當(dāng)光線穿過(guò)每個(gè)連續(xù)的鏡頭時(shí)，圖像會(huì)獲得較好的清晰度。

“智能手機(jī)中的光學(xué)元件通常由4到7個(gè)鏡片組成?！惫鈱W(xué)元件制造商蔡司（Zeiss）的創(chuàng)新經(jīng)理奧利弗·施瓦茨貝克說(shuō)，“如果只有一個(gè)透鏡元件，僅憑物理原理，就會(huì)出現(xiàn)像差，例如圖像失真或色散，對(duì)于已經(jīng)習(xí)慣了手機(jī)攝影的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，很容易辨別出來(lái)?！?/p>

制造商可以使用更多的鏡頭來(lái)補(bǔ)償色差（當(dāng)色差出現(xiàn)在圖像邊緣時(shí)）和鏡頭變形（當(dāng)照片中出現(xiàn)直線彎曲時(shí)）之類的不規(guī)則現(xiàn)象。但是，將多個(gè)鏡頭元件堆疊在一起需要在相機(jī)模塊內(nèi)部增加垂直空間。所以，當(dāng)代智能手機(jī)的后部越來(lái)越凸出。

施瓦茨貝克說(shuō)：“要在相機(jī)中裝的鏡頭元件越多，所需的空間就越大，凸起尺寸包括更大的圖像傳感器和更多的帶變焦鏡頭的組件?！?/p>

作為多攝像頭的先驅(qū)，像蘋(píng)果這樣的電話制造商早已經(jīng)增加了鏡頭元件的數(shù)量，而像三星和其他一些手機(jī)制造商現(xiàn)在正在折疊光學(xué)器件以創(chuàng)建“潛望式”鏡頭，提供更大的變焦能力。不過(guò)落實(shí)到市場(chǎng)，使用久經(jīng)考驗(yàn)的堆疊式鏡頭元件系統(tǒng)依然是近期的主要結(jié)構(gòu)。

手機(jī)光學(xué)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，有點(diǎn)像過(guò)去消費(fèi)級(jí)相機(jī)時(shí)代的混戰(zhàn)，添加更多的透鏡元件，加入堅(jiān)固的非球面元件，實(shí)現(xiàn)必要的空間縮減都在悄無(wú)聲息地進(jìn)行。

創(chuàng)新企業(yè)Metalenz提到的設(shè)計(jì)，沒(méi)有使用堆疊在圖像傳感器上的塑料和玻璃透鏡元件，而是使用了一個(gè)在1mm×1mm至3mm×3mm大小的玻璃晶圓上構(gòu)建的單透鏡。在顯微鏡下仔細(xì)觀察，會(huì)看到納米結(jié)構(gòu)測(cè)量出人類頭發(fā)寬度的千分之一。這些納米結(jié)構(gòu)以某種方式彎曲光線，從而糾正了單鏡頭相機(jī)系統(tǒng)的許多缺點(diǎn)。

光穿過(guò)這些圖案化的納米結(jié)構(gòu)，在微觀水平上看起來(lái)像數(shù)百萬(wàn)個(gè)直徑不同的圓。設(shè)計(jì)師解讀：“在很大程度上，彎曲的透鏡可以加快和減慢光線的彎曲速度，只需改變這些圓的直徑就可以彎曲和塑造光線?！?/p>

由此產(chǎn)生的圖像質(zhì)量與從多透鏡系統(tǒng)獲得的圖像質(zhì)量一樣清晰，并且納米結(jié)構(gòu)可以減少或消除傳統(tǒng)相機(jī)常見(jiàn)的許多圖像退化像差，該設(shè)計(jì)不僅節(jié)省空間，還可以將更多的光傳回圖像傳感器，從而比傳統(tǒng)的鏡頭元件獲得更明亮、更清晰的圖像。

新的感知形式

作為新的光學(xué)元件技術(shù)開(kāi)發(fā)商，Metalenz已經(jīng)獲得了1000萬(wàn)美元的A輪融資，該輪融資來(lái)自3M、英特爾、TDK以及Tsingyuan Ventures和Braemar Energy Ventures等企業(yè)。該公司表示已經(jīng)與兩個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者建立了合作伙伴關(guān)系（目前每天可以生產(chǎn)一百萬(wàn)個(gè)Metalenz“芯片”），如果屬實(shí)，這意味著這家光學(xué)器件生產(chǎn)企業(yè)邁出了簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈的重要一步。

據(jù)稱Metalenz新結(jié)構(gòu)的攝像頭將于2021年底投入量產(chǎn)，第一個(gè)應(yīng)用將是用作智能手機(jī)中3D傳感器的鏡頭系統(tǒng)?！拔覀兪且患覠o(wú)晶圓廠的半導(dǎo)體公司，”該公司負(fù)責(zé)人說(shuō)，“只是制造鏡頭，而不是電子產(chǎn)品。”

舉個(gè)例子，當(dāng)前的3D傳感器（例如Apple的用于Face ID的TrueDepth相機(jī)）可以通過(guò)激光照亮場(chǎng)景來(lái)掃描人臉，但這可能會(huì)比較消耗手機(jī)的電池電量。通過(guò)新的圖像傳感器結(jié)構(gòu)，可以利用更多的自然光線來(lái)實(shí)現(xiàn)電量節(jié)省。

如果是手機(jī)正面的3D傳感器以進(jìn)行人臉識(shí)別，那么Metalenz系統(tǒng)可以改變像現(xiàn)在的iPhone大而笨拙攝像頭組件的需求。放棄傳統(tǒng)的鏡頭元件可以節(jié)省大量空間，這將使更多的手機(jī)制造商將傳感器和攝像頭放置在設(shè)備的玻璃顯示屏下方，這將是未來(lái)的趨勢(shì)。

一系列配備Metalenz的攝像頭模塊

新技術(shù)還可用于從醫(yī)療保健儀器到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)，再到汽車(chē)中的全景攝像頭等所有領(lǐng)域。以光譜學(xué)為例，光譜儀用于精細(xì)檢測(cè)不同波長(zhǎng)的光，它通常用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)中以識(shí)別血液中的特定分子。光譜儀通常依靠棱鏡或光柵將物體發(fā)出的光分裂成不同波段——每一波段對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)。

攝像頭的光電探測(cè)器可以捕捉并分析這些波段，例如鈉元素光譜指紋由兩個(gè)波長(zhǎng)分別為589和590納米的波段組成，人眼看到590納米波長(zhǎng)的光呈橙黃色;較短的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)藍(lán)色和紫色，而較長(zhǎng)的波長(zhǎng)呈現(xiàn)紅色;陽(yáng)光包含了一道完整的彩虹，我們看到它是白色的。

光譜儀通常體積相對(duì)較大，光的傳播和分離需要較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。光譜儀裝載了納米結(jié)構(gòu)的手機(jī)攝像頭將足夠精密，新的鏡頭組結(jié)構(gòu)如果能提高光譜分辨率，以及它捕捉到圖像的清晰度，可能真的會(huì)為進(jìn)一步增強(qiáng)傳感器性能打開(kāi)局面。

美好的愿望是，手機(jī)攝像頭不僅僅是用來(lái)拍照，用戶可以當(dāng)作微型光譜儀查看水果的化學(xué)特征，并判斷其是否成熟，人們還可以觀察各種不同形式的世界，并與之互動(dòng)，這代表手機(jī)獲取全新信息的能力在加強(qiáng)。