智能手机相机如何工作

第一部带摄像头的手机于 2002 年登陆海岸。从那时起，原始设备制造商一直在竞相生产更好的移动摄像头。2008 年智能手机时代的到来和社交媒体的兴起使得拥有一台好的手机摄像头成为每个想跟上竞争对手的人的必备条件。但在移动相机开始拍摄世界上大部分照片之前，照片是用比几乎所有取代它们的移动设备都大的设备拍摄的。这怎么可能?我们的手机内部发生了什么，让它可以拍摄 200MP 照片?

所有智能手机相机都由三个基本部分组成。第一个是将光线导入相机的镜头。第二个是将聚焦的光子转换为电信号的传感器。第三个是将这些电信号转换为 Instagram 就绪照片的软件。让我们仔细看看每个部分。

在光线到达图像传感器之前，它必须通过镜头。在此之前，它会穿过手机机身的一个小孔。该孔的大小称为光圈，它决定了有多少光进入相机的传感器。一般来说，更大的光圈对移动相机来说是一件好事，因为这意味着相机可以使用更多的光线。

光圈以 f-stop 为单位测量，它是相机焦距与光圈物理直径的比率，因此 f/1.7 光圈比 f/2 光圈宽。

光线进入相机模块后，镜头会收集您拍摄的入射光并将其引导至传感器。智能手机相机由许多称为元素的塑料镜头组成。由于光的性质，不同波长的光(颜色)在通过透镜时会以不同的角度折射(弯曲)。这意味着场景中的颜色未对齐地投射到相机传感器上。相机需要多个镜头才能将清晰的图像传输到传感器，以纠正这种和其他类似的影响。

传统上被用户抽象出来的镜头的一项基本功能是聚焦。某些相机应用程序可让您手动控制相机的焦点。然而，他们中的大多数人通过使用传感器的软件、激光测距仪等额外硬件或两者的组合来控制它。

基于软件的自动对焦(称为被动自动对焦)使用来自图像传感器的数据来确定图像是否对焦并调整镜头以进行补偿。常见的被动自动对焦技术是基于检测图像的对比度并调整焦点直到它最大化。这种方法完全基于软件，是成本最低的选择。但是，它很慢并且在弱光条件下效果不佳。

一种稍快的方法称为相位检测自动对焦。它确保相同数量的光到达光电传感器上两个紧密放置的传感器。传统的 PDAF 系统依靠传感器上的专用感光点(约占所有感光点的 5%)来测量来自镜头右侧或左侧的光线。如果面向右侧的感光点测量的光强度与面向左侧的感光点相同，则图像清晰。如果他们不测量相同的光强度，就有可能计算出相机离焦的距离，从而使 PDAF 系统比对比度检测方法更快。现代 PDAF 系统(例如三星 Galaxy S23 Ultra上的 Isocell HP2 图像传感器) 在图像传感器上使用 100% 的光点，除了左面和右面的光点之外，还使用顶部和底部的光点。

主动自动对焦使用额外的硬件来确定手机到目标的距离。第一个主动自动对焦系统使用类似于Google Pixel 4上的 Soli 的声纳。主动自动对焦系统的变化增加了低功率红外激光来估计距离，但它可能会被其他红外光源(如火或其他智能手机)欺骗。

传感器是一片薄硅片。它唯一的工作就是将光子(光)转化为电子(电信号)。这种光伏转换发生在传感器微小表面的数百万个光点上。如果没有光子到达感光点，则传感器将该像素记录为黑色。如果大量光子到达光点，则该像素为白色。传感器可以记录的灰色阴影数称为其位深度。

那么你的手机是如何拍出彩色照片的呢?覆盖在每个光点顶部的是一个滤色器，它只允许特定颜色的光通过。Bayer滤色器阵列是最常见的，它将每2×2平方的光点分成一个红色、一个蓝色和两个绿色过滤器(RGGB)。华为的SuperSpectrum 传感器是传统 RGGB CFA 的一个明显例外。华为使用黄色滤光片 (RYYB) 代替绿色滤光片，让更多光线通过，从而改善亮度数据。事后必须通过复杂的去马赛克算法将这种颜色和光数据的马赛克转换成全色图像。

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