来讨论吧!我们距离“国产数码相机”究竟还有多远?

作者:小编
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发布时间:2018-08-05 16:37:08
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 “先问有没有,再问为什么?”看到这个标题可能你会想说这句话,从品牌来看,早就有国产数码相机了:爱国者、明基、爱普泰克、锡恩帝、小蚁……如果跨越到手机领域,所有国产手机品牌都有在做相机部件,大多也都有独立的相机部门……

 

 

但我今天想说的显然不是靠ODM或OEM代工组装层面的东西,而是真正从传感器到镜头的国产,按广义的角度来看,相机应该包含所有成像应用领域:民用(手机、数码相机)、工业(机器视觉)、安防监控、医疗(显微成像)、汽车(辅助自动驾驶)、科研等等,以此为范畴来看,国产图像传感器其实早已走上了“不与顶级厂商拼规模,专注行业领域的”特色道路。

图像传感器也是从晶圆上切割制成,相机使用的模拟电路对晶圆工艺要求不高,但数字电路则需要新制程来提速,并降低功耗与发热,国内晶圆厂已经可以做到28nm制程,200/300mm晶圆产线均有落成,已经可以满足图像传感器的需求(虽然跟A9采用的台积电16nm还有点距离),所以最基本的国产化前提是达到了的,而且现有政策对芯片领域的激励机制很强,发展速度比较快。

 

 

具体到图像传感器就以长光辰芯光电为例吧,3年多以前就做出了1.5亿像素的大靶面CMOS(尺寸为165mm X 27.5mm,是全画幅的5倍),针对LCD面板和PCB检测,全像素输出可以在16bit模数转换下实现10fps;还有针对近红外增强的边海防、森林防火特化CMOS(尺寸为66mm X 27.5mm,是全画幅的2倍)。除此之外还有专用于工业检测的线扫CMOS(尺寸为163.84mm X 0.04mm)……在技术细节方面,诸如片上模数转换、背照、全局快门、双增益等设计也都能做,在科学应用领域,国产厂商甚至率先于欧美日厂商用上了这些技术。而在背照加持下,部分CMOS可以针对275nm(蓝光)、420nm(绿光)和560nm(红光)量子效率按需独立优化,使其各自达到77%、86%和95%,而且在制冷状态下暗电流非常低,适合天文、光谱、法医、高压电线电晕检测等科学应用。

 

 

如果从数码相机的角度来看,很容易就能找到近似符合需求的传感器型号,比如这块:38mm X 28.1mm,1950万像素(5144 X 3800),支持卷帘/全局快门、全分辨率连拍16/25fps、12/10bit片上模数转换,且有HDR模式,并支持双增益。虽然是前照式,但微透镜优化后450nm~650nm波长量子效率也能达到50%~60%,像素低增益(阱容增大)+程控低增益的情况下,信噪比可以接近48dB,动态范围超77dB,性能其实一点儿也不弱。

那么问题来了,既然传感器能做到还能一战的水平,为什么不做国产数码相机呢?这是因为民用与行业用的产品系统需求完全不同,行业领域是按需定制,需求各不相同,所以才有那么多不同规格的传感器,但各个需求都十分简洁明了,按要求做好量化数据就基本会有好结果。但数码相机完全不同,从用户认知到硬件结构都非常成熟且稳定,而且应用需求变化速度快、幅度大,对单规格传感器制造经验和市场把控能力要求非常高。再加上传感器只是数码相机的核心组成部分之一,而成像功能也只是传感器的主要功能之一,在目前的大趋势下还得做片上相位差对焦、测光等等功能设计,还需要研发多数据流的输入输出电路和图像处理器,同时还要从里到外做一套甚至几套机身设计,而且这些都是在不能侵犯专利的前提下……所以即便单论机身,就需要一个制造商从芯片、数字算法和机械加工等数方面彻头彻尾的进行设计和把控,这对于当下的国内厂商来说是不现实的。

除此之外,做相机起码还要有与画幅相对应的镜头体系吧,而且镜头设计直接跟传感器设计挂钩,这两者的契合度可以说是牵一发动全身,稍有差池就会非常明显而忠实地呈现在最终成像上。

 

 

举个例子好了,我们知道眼下的相机镜头出射光线并不是平行的,越靠近边缘就越是斜射到传感器上(如上图),而我们也知道单个像素的基本结构设计是微透镜+光电管(当然也有不配微透镜的设计,但不在本文讨论范围内),斜射入就意味着通过微透镜抵达光电管的光子数降低,换句话说就是越靠近边缘的像素,接收到的曝光量就越低,所以,在设计传感器时,就需要针对镜头非远心设计的这个特点来改良像素结构。

 

 

通常的方法就是从中心开始,让像素上部的微透镜面积稍小于光电管的面积,这样一来越往边缘,微透镜和光电管的错位越大,而这个位移偏差的目的就是校正入射光线的角度,使其尽量垂直入射到光电管上,显然,这个设计的幅度和量就需要与镜头入射光线的方向相匹配。这还只是很多例子的其中之一,所以没有传感器和镜头设计的通力合作甚至一把抓,就很难做出能真正形成影响力的产品。

纵观目前主流的相机品牌,哪个不是从胶片时代就入行?哪个在进入数码时代之前没有丰富、成熟的镜头体系?索尼也是通过收购美能达来填补了这个区域的不足。而国内主要的半导体企业基本都有国家扶持的背景,出发点就并不是为了做消费级的相机器材,所以国内基本找不到针对数码相机系统的集成制造商,从专利、成本、市场等多个角度都存在限制。

 

 

不过,我们的玻璃厂还是很厉害的,比如成都光明光电就与不少日系、德系品牌有合作关系,而且国内也有好些个有干劲的年轻镜头品牌,比如长庚、中一、七工匠等等,以二八定律为基础,用明显更低的价格获取了原厂七八成的性能,有时候甚至是原厂都没有的规格,渐渐也在开始在尝试加入自动对焦功能。单独看国产镜头的发展速度其实很快,长庚的老蛙在国外口碑相当不错,最近打算入一个它们正在kickstart上众筹的内窥镜型防水广角微距镜头FF 24mm F14 2X Macro Probe就很有意思,敢于在规格上大胆突破是咱们目前的优势,比起大厂来说,小作坊有小作坊起步快、应变快的优势,在相机镜头市场分一杯羹是没问题的。

 

 

而在镜头模拟信号经过传感器输出原始数字信号之后,还需要机内处理器来实现图像处理、数据传输、缓存、操控功能集成等等功能,这方面同样需要与传感器匹配甚至定制设计,国内比较有前景的代表是海思,新的高端SoC方案已经可以做7690 X 4320分辨率的8K 30p H.265编码处理。因为是针对监控行业的,所以2路4K 60p、4路4K 30p、8路全高清30p的多数据流输入和并行图像处理都可以搞定,甚至可以直接输出4K 30p RAW,存储通道也支持到了PCI-E X2,速度上并没有问题。不过因为是ARM A73/A53(2+2+1)方案,功耗不算低,单看处理器的全速输出就有3W,整机功耗会相当高,与数码相机级的专项定制化还是有些区别。不过真要定制,我觉得也还是有机会的。

所以,实现数码相机国产化最急迫的核心需求是打造生态,虽然国产图像传感器、图像处理器和镜头在各自领域都做得还不错,但至少目前还看不到它们组合的可能,基本都是各自为阵,而且即便组合,也依然会有大量的元器件和模具设计需要磨合,再加上目前数码相机领域基本算是红透了的红海,能赶上日系方案的步伐就已经相当不错,这时候一个没有什么技术优势,也无法靠出货量摊销成本的新品牌扎进去,能靠爱国情怀存活多久也是未知,做低端?历史也早已证明在数字产品走低价路线不会有什么好前景,再加上研发和利润周期都明显会很长,这对于商业化运作而言都是致命问题,或许真正从内到外都国产的数码相机真的要有生之年了……

 

 

当然,随着手机摄影的兴起,在手机摄像头模组+算法端实现国产化是有希望的——传感器方面,小画幅传感器良品率高,适合边做边看,也有很强的市场需求做支撑,相对而言更有机会打破索尼三星的垄断地位;镜头模组方面,2017年全球出货领域中传统相机只占1%出头,手机占了75%,在这方面国产品牌几乎占了半壁江山,前三强:宝岛台湾的大立光电、玉晶光电,以及浙江的舜宇光学出货量加起来就已接近54%。至于多摄算法,美国虹软走在最前面,但台湾的华晶,以及今年二季度已经超越苹果实现全球出货量第二的华为,在这方面的研发都不可小觑。

所以在手机端,未来的华为、小米甚至OV都有机会出现完全可以依赖国产化的摄像头模组,当然,在这个全球制造的时代,追求完全国产并不一定是好事,掌握核心科技才是最关键的。如果你对这个话题有什么想法,欢迎移步评论区。

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