唐尼

來自初創(chuàng)公司的挑戰(zhàn)

十幾年來，智能手機中的光學元件幾乎差不多，沒怎么變化。早在2007年就有200萬像素攝像頭的手機出現，那時候基本屬于后置攝像頭，沒有前置的自拍功能。如今，你在手機的正面和背面可以找到多個攝像頭，其中一些攝像頭具有高達1.08億像素的傳感器，例如三星Galaxy S21 Ultra機身上的“碩大”攝像頭。但是，盡管智能手機相機的傳感器尺寸和百萬像素數在過去十年中已顯著增加（更不用說計算攝影軟件的改進了），用于拍攝照片的鏡頭結構卻基本保持不變。

對于塑料組件的鏡片制造商來說，傳統(tǒng)PCB板、鏡頭加傳感器等部件組成結構已經使用了好幾十年了。近年來，智能手機制造商一直在增加攝像頭模塊，從一到兩個，再到五個或更多。每個攝像頭模塊都包含多個塑料組件。這些鏡頭外觀變化不大，但技術已經有了很大的改進，可以將多個相機模塊中的圖像合并為一張高質量的圖片，并可以實現選擇性對焦和其他功能。

在智能手機行業(yè)全面進入多攝年代后，CMOS 的訂單像紙片一樣飛入索尼工廠中。頂級產品找索尼單獨定制 CMOS ，例如華為 Mate和P系列定制的 IMX 600 系列，蘋果定制的 CMOS 等。

根據索尼2021年2月公布的去年第三季度財報，其影像及傳感解決方案業(yè)務（I&SS）銷售收入達到2669億日元（164億元人民幣），已經成為僅次于游戲機業(yè)務的第二大營收來源，雖然因為某些眾所周知的原因，成績比2019年有10%的下降，但這個銷售數字依然不容小視，更主要的原因還是智能手機進入多攝時代的歷史進程。

不過科技的進步也讓一些初創(chuàng)的科技公司準備挑戰(zhàn)傳感器巨頭，近期一家名為Metalenz的公司開始小規(guī)模量產納米結構的鏡頭組，這些納米結構可以獨立彎曲光線，消除了堆疊鏡片的需要。期望值是圍繞這種新鏡頭構建的技術，產生與傳統(tǒng)鏡頭相同甚至更好的圖像質量，收集更多的光線以拍攝更明亮的照片，甚至實現新的感應形式。

具體來說，該公司旨在使用傳統(tǒng)的半導體加工技術，用硅納米結構制成的光波導模塊代替塑料透鏡。Metalenz的技術源于哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院的研究，由應用物理學教授費德里科·卡帕索領導的哈佛團隊是第一個能夠使用金屬離子聚焦可見光的光譜研究小組。

索尼2020年第三季度財報，其影像及傳感解決方案業(yè)務（I&SS）銷售收入達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·德夫林是哈佛大學項目的博士之一，他的觀點是通過優(yōu)化半導體工藝生產鏡頭，降低如今構建攝像頭模塊的多步驟工藝的復雜性。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，背面成像系統(tǒng)大多具有多個攝像頭，最新的iPhone 12 Pro背面有三個攝像頭，但每個攝像頭都具有多個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七個鏡頭元件。像iPhone這樣的多鏡頭設計要優(yōu)于單鏡頭設置，當光線穿過每個連續(xù)的鏡頭時，圖像會獲得較好的清晰度。

“智能手機中的光學元件通常由4到7個鏡片組成?！惫鈱W元件制造商蔡司（Zeiss）的創(chuàng)新經理奧利弗·施瓦茨貝克說，“如果只有一個透鏡元件，僅憑物理原理，就會出現像差，例如圖像失真或色散，對于已經習慣了手機攝影的消費者來說，很容易辨別出來?！?/p>

制造商可以使用更多的鏡頭來補償色差（當色差出現在圖像邊緣時）和鏡頭變形（當照片中出現直線彎曲時）之類的不規(guī)則現象。但是，將多個鏡頭元件堆疊在一起需要在相機模塊內部增加垂直空間。所以，當代智能手機的后部越來越凸出。

施瓦茨貝克說：“要在相機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，像蘋果這樣的電話制造商早已經增加了鏡頭元件的數量，而像三星和其他一些手機制造商現在正在折疊光學器件以創(chuàng)建“潛望式”鏡頭，提供更大的變焦能力。不過落實到市場，使用久經考驗的堆疊式鏡頭元件系統(tǒng)依然是近期的主要結構。

手機光學系統(tǒng)變得越來越復雜，有點像過去消費級相機時代的混戰(zhàn)，添加更多的透鏡元件，加入堅固的非球面元件，實現必要的空間縮減都在悄無聲息地進行。

創(chuàng)新企業(yè)Metalenz提到的設計，沒有使用堆疊在圖像傳感器上的塑料和玻璃透鏡元件，而是使用了一個在1mm×1mm至3mm×3mm大小的玻璃晶圓上構建的單透鏡。在顯微鏡下仔細觀察，會看到納米結構測量出人類頭發(fā)寬度的千分之一。這些納米結構以某種方式彎曲光線，從而糾正了單鏡頭相機系統(tǒng)的許多缺點。

光穿過這些圖案化的納米結構，在微觀水平上看起來像數百萬個直徑不同的圓。設計師解讀：“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。”

由此產生的圖像質量與從多透鏡系統(tǒng)獲得的圖像質量一樣清晰，并且納米結構可以減少或消除傳統(tǒng)相機常見的許多圖像退化像差，該設計不僅節(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

作為新的光學元件技術開發(fā)商，Metalenz已經獲得了1000萬美元的A輪融資，該輪融資來自3M、英特爾、TDK以及Tsingyuan Ventures和Braemar Energy Ventures等企業(yè)。該公司表示已經與兩個半導體領導者建立了合作伙伴關系（目前每天可以生產一百萬個Metalenz“芯片”），如果屬實，這意味著這家光學器件生產企業(yè)邁出了簡化供應鏈的重要一步。

據稱Metalenz新結構的攝像頭將于2021年底投入量產，第一個應用將是用作智能手機中3D傳感器的鏡頭系統(tǒng)?！拔覀兪且患覠o晶圓廠的半導體公司，”該公司負責人說，“只是制造鏡頭，而不是電子產品?！?/p>

舉個例子，當前的3D傳感器（例如Apple的用于Face ID的TrueDepth相機）可以通過激光照亮場景來掃描人臉，但這可能會比較消耗手機的電池電量。通過新的圖像傳感器結構，可以利用更多的自然光線來實現電量節(jié)省。

如果是手機正面的3D傳感器以進行人臉識別，那么Metalenz系統(tǒng)可以改變像現在的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，這將使更多的手機制造商將傳感器和攝像頭放置在設備的玻璃顯示屏下方，這將是未來的趨勢。

一系列配備Metalenz的攝像頭模塊

新技術還可用于從醫(yī)療保健儀器到增強現實和虛擬現實，再到汽車中的全景攝像頭等所有領域。以光譜學為例，光譜儀用于精細檢測不同波長的光，它通常用于醫(yī)學檢測中以識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——每一波段對應不同波長。

攝像頭的光電探測器可以捕捉并分析這些波段，例如鈉元素光譜指紋由兩個波長分別為589和590納米的波段組成，人眼看到590納米波長的光呈橙黃色;較短的波長對應藍色和紫色，而較長的波長呈現紅色;陽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較大，光的傳播和分離需要較長的路徑長度。光譜儀裝載了納米結構的手機攝像頭將足夠精密，新的鏡頭組結構如果能提高光譜分辨率，以及它捕捉到圖像的清晰度，可能真的會為進一步增強傳感器性能打開局面。

美好的愿望是，手機攝像頭不僅僅是用來拍照，用戶可以當作微型光譜儀查看水果的化學特征，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，這代表手機獲取全新信息的能力在加強。