借助英特尔和3M的投资 这家初创公司要改写手机摄像头技术

唐尼

来自初创公司的挑战

十几年来，智能手机中的光学元件几乎差不多，没怎么变化。早在2007年就有200万像素摄像头的手机出现，那时候基本属于后置摄像头，没有前置的自拍功能。如今，你在手机的正面和背面可以找到多个摄像头，其中一些摄像头具有高达1.08亿像素的传感器，例如三星Galaxy S21 Ultra机身上的“硕大”摄像头。但是，尽管智能手机相机的传感器尺寸和百万像素数在过去十年中已显著增加（更不用说计算摄影软件的改进了），用于拍摄照片的镜头结构却基本保持不变。

对于塑料组件的镜片制造商来说，传统PCB板、镜头加传感器等部件组成结构已经使用了好几十年了。近年來，智能手机制造商一直在增加摄像头模块，从一到两个，再到五个或更多。每个摄像头模块都包含多个塑料组件。这些镜头外观变化不大，但技术已经有了很大的改进，可以将多个相机模块中的图像合并为一张高质量的图片，并可以实现选择性对焦和其他功能。

在智能手机行业全面进入多摄年代后，CMOS 的订单像纸片一样飞入索尼工厂中。顶级产品找索尼单独定制 CMOS ，例如华为 Mate和P系列定制的 IMX 600 系列，苹果定制的 CMOS 等。

根据索尼2021年2月公布的去年第三季度财报，其影像及传感解决方案业务（I&SS）销售收入达到2669亿日元（164亿元人民币），已经成为仅次于游戏机业务的第二大营收来源，虽然因为某些众所周知的原因，成绩比2019年有10%的下降，但这个销售数字依然不容小视，更主要的原因还是智能手机进入多摄时代的历史进程。

不过科技的进步也让一些初创的科技公司准备挑战传感器巨头，近期一家名为Metalenz的公司开始小规模量产纳米结构的镜头组，这些纳米结构可以独立弯曲光线，消除了堆叠镜片的需要。期望值是围绕这种新镜头构建的技术，产生与传统镜头相同甚至更好的图像质量，收集更多的光线以拍摄更明亮的照片，甚至实现新的感应形式。

具体来说，该公司旨在使用传统的半导体加工技术，用硅纳米结构制成的光波导模块代替塑料透镜。Metalenz的技术源于哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究，由应用物理学教授费德里科·卡帕索领导的哈佛团队是第一个能够使用金属离子聚焦可见光的光谱研究小组。

索尼2020年第三季度财报，其影像及传感解决方案业务（I&SS）销售收入达164亿元人民币

卡帕索于2017年与罗伯特·德夫林共同创立了Metalenz，罗伯特·德夫林是哈佛大学项目的博士之一，他的观点是通过优化半导体工艺生产镜头，降低如今构建摄像头模块的多步骤工艺的复杂性。摄像头模块可以更小，让镜头直接连接到传感器表面，而不是使用更复杂的包装方法。

主流传感器将被替代？

目前主流的五千元以上的智能手机，背面成像系统大多具有多个摄像头，最新的iPhone 12 Pro背面有三个摄像头，但每个摄像头都具有多个镜头或彼此堆叠的镜头元件，iPhone 12 Pro的主摄像头传感器使用了多达七个镜头元件。像iPhone这样的多镜头设计要优于单镜头设置，当光线穿过每个连续的镜头时，图像会获得较好的清晰度。

“智能手机中的光学元件通常由4到7个镜片组成。”光学元件制造商蔡司（Zeiss）的创新经理奥利弗·施瓦茨贝克说，“如果只有一个透镜元件，仅凭物理原理，就会出现像差，例如图像失真或色散，对于已经习惯了手机摄影的消费者来说，很容易辨别出来。”

制造商可以使用更多的镜头来补偿色差（当色差出现在图像边缘时）和镜头变形（当照片中出现直线弯曲时）之类的不规则现象。但是，将多个镜头元件堆叠在一起需要在相机模块内部增加垂直空间。所以，当代智能手机的后部越来越凸出。

施瓦茨贝克说：“要在相机中装的镜头元件越多，所需的空间就越大，凸起尺寸包括更大的图像传感器和更多的带变焦镜头的组件。”

作为多摄像头的先驱，像苹果这样的电话制造商早已经增加了镜头元件的数量，而像三星和其他一些手机制造商现在正在折叠光学器件以创建“潜望式”镜头，提供更大的变焦能力。不过落实到市场，使用久经考验的堆叠式镜头元件系统依然是近期的主要结构。

手机光学系统变得越来越复杂，有点像过去消费级相机时代的混战，添加更多的透镜元件，加入坚固的非球面元件，实现必要的空间缩减都在悄无声息地进行。

创新企业Metalenz提到的设计，没有使用堆叠在图像传感器上的塑料和玻璃透镜元件，而是使用了一个在1mm×1mm至3mm×3mm大小的玻璃晶圆上构建的单透镜。在显微镜下仔细观察，会看到纳米结构测量出人类头发宽度的千分之一。这些纳米结构以某种方式弯曲光线，从而纠正了单镜头相机系统的许多缺点。

光穿过这些图案化的纳米结构，在微观水平上看起来像数百万个直径不同的圆。设计师解读：“在很大程度上，弯曲的透镜可以加快和减慢光线的弯曲速度，只需改变这些圆的直径就可以弯曲和塑造光线。”

由此产生的图像质量与从多透镜系统获得的图像质量一样清晰，并且纳米结构可以减少或消除传统相机常见的许多图像退化像差，该设计不仅节省空间，还可以将更多的光传回图像传感器，从而比传统的镜头元件获得更明亮、更清晰的图像。

新的感知形式

作为新的光学元件技术开发商，Metalenz已經获得了1000万美元的A轮融资，该轮融资来自3M、英特尔、TDK以及Tsingyuan Ventures和Braemar Energy Ventures等企业。该公司表示已经与两个半导体领导者建立了合作伙伴关系（目前每天可以生产一百万个Metalenz“芯片”），如果属实，这意味着这家光学器件生产企业迈出了简化供应链的重要一步。

据称Metalenz新结构的摄像头将于2021年底投入量产，第一个应用将是用作智能手机中3D传感器的镜头系统。“我们是一家无晶圆厂的半导体公司，”该公司负责人说，“只是制造镜头，而不是电子产品。”

举个例子，当前的3D传感器（例如Apple的用于Face ID的TrueDepth相机）可以通过激光照亮场景来扫描人脸，但这可能会比较消耗手机的电池电量。通过新的图像传感器结构，可以利用更多的自然光线来实现电量节省。

如果是手机正面的3D传感器以进行人脸识别，那么Metalenz系统可以改变像现在的iPhone大而笨拙摄像头组件的需求。放弃传统的镜头元件可以节省大量空间，这将使更多的手机制造商将传感器和摄像头放置在设备的玻璃显示屏下方，这将是未来的趋势。

一系列配备Metalenz的摄像头模块

新技术还可用于从医疗保健仪器到增强现实和虚拟现实，再到汽车中的全景摄像头等所有领域。以光谱学为例，光谱仪用于精细检测不同波长的光，它通常用于医学检测中以识别血液中的特定分子。光谱仪通常依靠棱镜或光栅将物体发出的光分裂成不同波段——每一波段对应不同波长。

摄像头的光电探测器可以捕捉并分析这些波段，例如钠元素光谱指纹由两个波长分别为589和590纳米的波段组成，人眼看到590纳米波长的光呈橙黄色;较短的波长对应蓝色和紫色，而较长的波长呈现红色;阳光包含了一道完整的彩虹，我们看到它是白色的。

光谱仪通常体积相对较大，光的传播和分离需要较长的路径长度。光谱仪装载了纳米结构的手机摄像头将足够精密，新的镜头组结构如果能提高光谱分辨率，以及它捕捉到图像的清晰度，可能真的会为进一步增强传感器性能打开局面。

美好的愿望是，手机摄像头不仅仅是用来拍照，用户可以当作微型光谱仪查看水果的化学特征，并判断其是否成熟，人们还可以观察各种不同形式的世界，并与之互动，这代表手机获取全新信息的能力在加强。