关于光学产业的一些干货及分析

  导读：世界每一秒都在不停的发生变化，我遇见不同的人，然后形成亲密的关系。

  量： 随着多摄方案日益成熟，“ 主摄+ 广角+ 长焦”搭配成为主流 搭配成为主流.。潜望式 、 光学升级仍未停步，如小米 10 至尊版、华为 Mate 40 Pro+、vivo X50 Pro+采用了潜望式摄像头；iPhone 12 Pro系列首次搭载了 LiDAR 激光雷达。 未来随着潜望、ToF 等光学创新的日 等光学创新的日渐成熟，其价位段亦将不断下沉，可期待光学的创新表现 。

  质：中端机型在主打高像素卖点的同时，还需保持产品性价比、控制成本 ，因此 CIS 像素尺寸微缩势在必行 像素尺寸微缩势在必行。目前图像传感器主要是采用 0.8μm像素尺寸，而豪威科技则率先进入 0.7μm 时代，于 2Q20 推出 0.7μm 的OV64B，抢占市场先机，并有望持续引领像素微缩趋势。对于旗舰手机而言，品牌厂商追求极致的成像效果， 采用的是高像素大底 CIS。 像素尺寸增大，可捕捉更多光线，从而让照片拥有更丰富的细节和色彩，尤其是在弱光环境下，也能拍出清晰的照片。

  创新：潜望式、深度相机、屏下摄像头等创新不断，其中潜望式技术较为成熟，正逐步在高端机型上普及。同时 AR 应用日益兴起，有利于结构光、iToF/dToF 等深度相机发展，如苹果、华为、三星等厂商已有机型采用。此外屏下摄像头技术可解决前摄摆放的问题，实现真正的全面屏，目前中兴在 Axon20 上已有应用，未来随屏下方案更成熟，更多厂商有望引入。

  作为电子产业最重要的下游市场，全球智能机出货量自 2016 年起逐年微降，2019 年跌破 14 亿大关。其背后有渗透率见顶的因素，亦有创新不足难以刺激需求的原因。据 Statista 统计，2019 年手机换机周期拉长至接近 3年。2020 年疫情来袭，手机市场更是受损严重，1H20 全球出货量降幅达 14%。不过，随疫情的影响消退，手机市场迅速恢复正常，根据咨询机构 IDC 数据，三季度智能手机出货量 3.5 亿部，仅同比下降 1.3%。展望未来，伴随着疫情之后的消费反弹，5G 渗透率快速提升，2021 年全地球手机出货量有望 年全地球手机出货量有望实现 实现 10% 的反弹，长期预计亦将维持在 14 亿部的年出货量上下波动。

  光学方面，随着电子设备屏幕分辨率及尺寸的不断的提高，以及各类拍照辅助类、视频类、生活类、社交类 APP 的兴起，用户要有更好的拍照录像效果来展现自我、记录美好。相较其他创新而言，光学创新更为多彩，自 2000年夏普 J-SH04 首次搭载摄像头以来，持续推陈出新。无论是摄像头数目从单摄向多摄的一路迈进；还是 CIS 芯片的技术革新（面积持续增大、四像素成像、快速对焦等）；亦或是潜望式镜头、片的技术革新（面积持续增大、四像素成像、快速对焦等）；亦或是潜望式镜头、ToF 等创新 功能，都为大幅度的提高了消费者的使用者真实的体验 。我们大家都认为.由于手机现已进入存量市场，各厂商为追求差异化优势，势必在光学领域投入更多创新。光学是过去数年间手机价值增量最大的组件，亦将是贯穿未来的更多创新。光学是过去数年间手机价值增量最大的组件，亦将是贯穿未来 3-5 年的创新主线，值得重点关注。

  智能手机更新换代迅速，为更好满足那群消费的人的拍照要求，手机摄像头性能在一直在升级创新。 由于受尺寸限制，手机摄像头更多是定焦镜头，在不同应用场景，需要切换至不同镜头以此来实现特定的成像效果。比如用超广角拍出壮观景色，用长焦拍出压缩空间的效果等，所以 多摄像头成为 了业内通用解决方案 多摄镜头中，除了主摄，可选摄像头包括长焦、广角、超广角、黑白、深度镜头等，这些镜头都具备各自的特性，与主摄搭配组合，配合对应的算法处理，可实现长焦远摄、画质提升、景深调整等效果。在具体分析多摄方案之前，我们会先介绍以下几个镜头的重要参数：焦距、视场角（FOV ）、景深、光圈。

  （1 ）焦距（focal length）度量了光学系统中光线聚集或发散的程度。 度量了光学系统中光线聚集或发散的程度。对单片镜头而言，平行光经透镜折射形成的汇聚点是焦点，焦距就是镜头中心到焦点的距离。但相机镜头由多片透镜组合而成，其焦距指的是从镜头中心点到感光元器件（sensor）上所成清晰图像之间的距离。 焦距大小决定了成像大小，当拍摄同一物体时，焦距长的镜头成像会较大。所以长焦镜头更适宜拍摄远景。

  （2 ）视场角（FOV ）即可视范围角度，超出范围的物体则不可能会出现在镜头画面内。目前手机主摄的 FOV 一般在 120°左右。如需拍摄更大范围内的物体，则需选用 FOV 超过 120°的超广角镜头。同时FOV 和镜头焦距是相关联的，对于给定的传感器尺寸，焦距越大， 焦距越大，FOV 越小，所以长焦镜头的可视角度一般偏小。

  （3 ）光圈是位于镜头内的、可用来控制通过镜头光线多少的孔径光阑。光圈大小一般用镜头的 f 值表示，f 值等于镜头焦距/光圈直径，数字越小，代表光圈越大。

  （4 ）景深（DOF）是当聚焦完成后，焦点前后所能拍摄清晰的范围，范围外的物体便呈现虚化效果.是当聚焦完成后，焦点前后所能拍摄清晰的范围，范围外的物体便呈现虚化效果。景深是由光圈、焦距共同决定的。其中光圈越小焦距越短，则景深越大；而光圈越大焦距越长，则景深越小。所以在用长焦镜头拍摄远景时，由于景深较小，往往容易对焦不准，被摄物体超出景深，造成影像模糊；而单反上的 人像镜头是典型大光圈小景深镜头，拍摄人像时能轻松实现背景虚化效果。

  （1）主摄 镜头， 视场角为 为 75-80 度左右 度左右， 焦距在 24-28mm 之间， 这在传统摄像领域的定义中 实则是 广角镜头。

  主摄可提供和人眼正常视觉接近的取景范围，和其他同级别的镜头类别相比，标准镜头一般成像效果更好，细节表现力更强。

  （2）为实现更大的取景范围，手机还会导入 为实现更大的取景范围，手机还会导入 超广角镜头 。超广角镜头的 视场角一般为 一般为 120 度左右， 度左右，焦距更短，景深也大，因此更适合拍摄较大场景的照片，如建筑、风景等题材。

  （3） 长焦镜头的视场角小，取景范围小，同时焦距长，在底片上成像大，在同一距离上能拍出比标准镜头更大的图像，有类似望远镜的功能，因此适合拍摄远处的对象。另外由于长焦镜头景深较浅，因此能更有效地虚化背景突出主体 ，拍出的人像更生动。

  （4） 黑白镜头在多摄渗透早期多被采用，主要作为辅助镜头，其特点是不使用滤光片，从而获取更大的进光量，降低图像噪点，提升照片的清晰度以及锐度，补强主摄的细节。不过随着主摄性能的增强，黑白镜头逐渐消失。

  （5）微距镜头是长焦镜头的特殊应用，通常用于拍摄极近距离的图像；同时也有部分机型使用超广角镜头近距离拍摄，然后通过画面裁切的方式实现微距效果，不过这种技术并非主流。

  （6） 潜望式 镜头是焦距更长的镜头，为了拉长焦距，内部镜片需要更长的间距，但因为要保证手机的轻薄，镜头模组采用类似潜望镜式的结构，使用折射棱镜将纵向的光线折射成横向，降低了模组的厚度。

  （7） 深度 摄像头则用来捕捉环境的立体结构，实现距离、速度的测量，然后依据这一些信息实现背景虚化、AR 等应用。目前，手机深度相机主要有结构光、dToF/iToF 等方案，如 iPhone 使用结构光进行面部解锁，后摄搭载的 LiDAR 则属于 dToF 方案。至于更多的细节，我们将在后文中进行详细分析。

  目前各大 手机生产厂商的 旗舰 机型中， 多 摄方案主要是以“主摄 以“主摄+ 广角+长焦 长焦 ” 三摄 为基础 ，早期的黑白镜头已被替代，而微距/人像/景深镜头的功能其实也可通过长焦镜头实现， 而旗舰机型则一般会额外搭载潜望式或深度摄像头。总的来说， 多摄方案使得手机拍摄的应用场景变得更丰富 ，比如用超广角拍出壮观景色，用长焦拍出压缩空间的效果 ，其他如潜望式和深度摄像头的创新引入，既增加了产业链的价值量， 也 提升了消费者的使用体验。

  苹果及华为开创了多摄的风潮，各大厂商亦积极跟进。根据咨询机构 IDC 的数据，近年来多摄手机占比不断的提高，2020 年三季度，搭载双摄及以上的手机占比已超越 80%，其中三摄以上机型占比达到 60%左右。

  采用了 64MP 广角+8MP 超广角+2MP 虚化镜头的三摄方案，而此前发布的 S5/S6 机型均为四摄。小米亦是如此，作为 2000-4000 元的主力机型，红米 K30 系列的最新款 K30s 至尊版也从四摄降至三摄。

  有部分投资者担心摄像头数目减少会影响用户满意度，但我们不难发现到，摄像头数目在超过三个之后，用户的感知是边际大为减弱的，各大手机厂在做此决策之前做了充分的用户画像调研。

  光学创新中除了在镜头的“量”上有提升之外，另一明显的发展的新趋势是大底高像素的 CIS 在“质”上的提高。我 我们大家都认为在高端旗舰机型上，大底是主要升级方向，即单像素的尺寸变大，从而带动成像效果的提升；中低端机型 ， 高像素则是 主 要升级方向，其中 0.7μm 64MP 将成为中端主流，48MP 将逐渐下沉至低端机型，而且未来可期待 0.64μm 带来的成本改善。

  理想情况下，像素数越多意味着图像解析力越好，使得在光照充足条件下出片效果更好，体现在成像效果上就是更高的信噪比和更高的锐度。同时也可以让照片在被截取之后仍有较好的清晰度，从而助力更高倍率的数字变焦或混合变焦。

  但是，以上问题都有相应的解决方案，保证高像素的成像质量 。首先，对于串扰问题，处理方法就是深槽隔离技术（DTI），即在邻近像素之间加上隔断，从而防止串扰。其次，微透镜间的不透光间隙导致 CIS 光线利用率低的问题，可通过增加每个微透镜覆盖区域面积从而去掉不透光间隔的方案解决。此外，非堆栈式 CMOS 结构中像素感光区域面积较小，而堆栈式的方案则可以有效解决这一问题。堆栈式方案将像素周围电路移到了像素.下层，像素从而能够占据更大面积，使得进光量提升。

  普通用户对像素升级的感知度是极为显性的，因此手机厂热衷于主打高像素卖点。但对于中端手机而言，还需保持产品性价比、控制本。

  对于 旗舰手机 而言 ，品牌厂商追求极致的成像效果，所以 会使用慢慢的变大的 使用慢慢的变大的 CIS 来提高像素尺寸。

  为了拍清楚远近不同距离的景物，摄像头有必要进行变焦。变焦目前分为光学变焦，数码变焦和混合变焦三种。光学变焦是通过改变镜头间的距离，从而改变镜头焦距来实现变焦，不会降低画质，光学变焦倍数取决于长焦与广角镜头等效距之比；数码变焦（ 数码变焦（digital zoom） ）则是将图片内的每个像素面积增大，进而达到放大图像的目的，因此会有严重降低画质的表现，一般像素越大，数码变焦倍数越大。