浅谈手机对焦模式

现今随着算力与半导体技术的发展，为了追求更高的成片率，对焦成了衡量相机性能的重要指标之一。而相机利用体积优势可以安装独立的对焦模块，手机则不然，如今在手机摄影这条赛道上，CMOS与对焦算法都不断发生着革新。本文将对手机相机所用的对焦模式进行简单叙述与分析。

对焦模式分为三大类，分别是反差式对焦（CDAF），相位对焦（PDAF），激光对焦（LDAF），基于这三大类对焦模式还衍生了集各家所长的混合式对焦。而相位对焦中又衍生了双核相位对焦（dual-PD），2*I OCL模式，2*2 OCL模式等等；激光对焦中同样也衍生了itof，dtof等多点激光对焦模式。以下部分比较枯燥，还请准备好饮料服用。（有条件的建议再来点瓜子爆米花啥的）

相位对焦：
手机上往往我们比较常见到的是相位对焦，很多人可能认为相位对焦是新技术，而反差式对焦才是被替代的。这个想法一般对一半错，相位对焦是最早出现的方案，但是集成到片上确实花了不少时间，最早片上对焦只能是反差式对焦CDAF（contrast detection auto focus），后来随着半导体工艺进步索尼把相位检测器塞到了像素中，才实现了相位对焦PDAF（phase detection auto focus）。理一下思路就是，相位对焦才是硬件对焦的思路，也是最早诞生的方案，但是在手机上确实是多年后才取代掉反差式对焦。
传统的相位对焦和现在我们认识中的相位对焦并不一样，诞生的时候单电相机还没出现。早期工程师们利用单反的反光镜，在相机机身内增加了一个相位检测模块，使图像在进入镜头时同时传入相位检测器，然后进行测距，再把对焦信息传给镜头驱动电机，完成对焦。这个模式显然不能引入手机，我们都知道手机相机体积非常小，根本没条件做这样的反光镜结构，于是乎就引入了反差式对焦，这点我们之后再讲。
反差式对焦的好处就是你sensor上不需要任何东西来支持，你处理器算力够了就行，但是我们也知道这样的处理效率并不高，所以工程师还是想把相位对焦引入手机，那说到这段历史又不得不提到索尼半导体工程师天才的脑回路了。索尼工程师一想，我们相机加了副反光板，把图像导到了相位传感器上，那我们直接把相位传感器放在CMOS里边成像边相位检测不就行了吗？于是，索尼在CMOS的像素中进行了遮罩，也就是一半不给他透光，这样在整个CMOS中就形成了多个成对的相位检测点，相当于把之前相机中的相位检测传感器扔到了CMOS中，直接在成像的同时还能进行相位检测，进行测距。这个技术发展至今也不长，也就至今不到10年，仍然会有一些传感器去用这样的技术，比如索尼黑卡家族至今仍是这个方案。普通的相位对焦一般会标注为PDAF，基于该原理则又诞生了其他的方案。

PDAF方案示意图

随着工艺的进步，自然工程师们不满足于遮蔽像素这种会减少进光量的方案，于是乎诞生了双核相位对焦。虽然都叫双核对焦，但是从物理角度上也分为两种，一种我们叫做dual-core，一种叫做dual-pixel，二者都被称为双核相位对焦。这时候我们不得不又称赞一下工程师的奇妙思路，之前遮蔽半个像素形成相位检测点，那么我们在一个像素的区域内设置两个半个像素，那么是不是不但有两倍进光量，还能有两倍的相位检测点了？说干就干，双核对焦的雏形诞生了，并且也是至今为止应用最广泛的方案之一，该方案被称作dual-pixel，也是后来宣传上常说的全像素双核对焦。当然我们想一想也能知道，一个像素内切一刀，怎么都还会有损失，肯定是不如一个完整像素的，而且由于要做半个像素，工艺精度也要求很高，很难在单像素尺寸较小的sensor中实现，那么另一个方案就出现了：dual-core，也就是后来我们所说的2*I OCL（2x1 on chip lens）。
看名字就很好理解了，2x1布局的片上微透镜，也就是说在CMOS中一些相邻像素会共用一个微透镜，当然这个微透镜整体形状就变成了椭圆形，对于工艺要求也不低，但是好在这个方案可以让更小的像素实现双核相位对焦，且几乎不怎么损失进光量，比起刚才提到的dual-pixel也就是双光电二极管方案看起来要高明很多。这时候我们又得提到安森美的传奇工程师们了，这群工程师不但在索尼开发出dual-pixel也就是掩膜方案的前一年就开发出了2*I OCL方案，而且还在2014年就设计出了RYYB的像素方案（成就华为高感的正是RYYB）。当然，安森美的重心并不在于移动端产品，要不也不会有现在OV，三星，索尼三分天下的局面。（好像也没有三分天下，索尼一个顶俩）

Tech Insights

2*I OCL的应用还是靠索尼，虽然安森美很早就做出来了，但是也没声张，外面也不知道有这么个东西。在发布了dual-pixel方案没多久后，索尼紧接着就又发布了dual-core方案的产品，也就是后来红极一时的IMX398，OPPO的最爱，尺寸不算大，像素还不低（1600W），不但能塞到轻薄的机身中还能直接称为对焦最速传说。

IMX398传感器

索尼一看，2*I OCL这么受欢迎，那么之后小尺寸像素就安排呗，于是我们后面看到的一代传奇公版IMX586就这么出来了。随着IMX586的诞生，时间已经来到了2019年，索尼也并没有安于现状（反而是市场份额下降抽了索尼一把），竞争对手在IMX586之后也分别发布了自家的quad Bayer高像素传感器，

三枚quad bayer传感器的扫描图，我们可以清晰的看出索尼2＊I OCL的设计，以及三星掩膜的设计

加之国内厂商喜欢用性价比高的元件去营销，索尼紧接着就推出了自己的全新方案：2*2 OCL。索尼思来想去，我都quad bayer了，四个相邻像素也用的是同颜色滤镜，默认还是四合一输出，那我为啥不直接四个一组做成相位检测组呢？比起传统的双核对焦，2*2 OCL方案采用2*1的进化版，直接四个像素点共用一个微透镜，同时可以检测X轴与Y轴的相位信息，效率更高，损耗更低。反应比较快的朋友应该开始提出疑问了，你这不就相当于直接把之前的dual-pixel进一步切割分成了quad-pixel吗？没错，二者确实有相似之处，这也导致了2*2 OCL传感器在全像素模式下解析力远远不如原生Bayer（解析力Bayer>quad Bayer>2*2 OCL）甚至经常出现看不出来太多差别的情况，但是好就好在这个方案面积利用率更高，比起普通的quad bayer有着更高的进光量，同时因为共用一个微透镜，光学信息一致性高，能更准确的进行相位检测，以及片上HDR等。

2＊2 OCL与普通四拜耳设计

随着四合一的进步，相位对焦仍在进步，比如利用软件实现的OCTA-PDAF，这个在华为IMX700机型上就有应用，四合一后将四个像素内共8个相位检测点的数据进行同时比对分析，让四组dual-pixel检测点合并成一个大组，也同样能实现X轴于Y轴的信息比对，且相位检测点更多，更准确。同样也有继续坚持dual-pixel的，三星就对像素进行了斜切分，让一个正方形像素内变成两个直角梯形，同样可以同时检测两个方向的相位信息，不过该方案除了三星并没有其他厂商跟进往移动端sensor中推行，三星自己也仅仅是在高端产品GN2中应用了一次。

三星当年做的宣传海报

反差式对焦：
反差式对焦在所有对焦模式中是思路最清奇的一个，因为上述所有方式以及之后要讲的激光对焦本质上原理都是测距，只是结构与实现的方法不一样，只有反差式对焦没有用到测距的思路。
反差式对焦（CDAF）看名字就知道，通过比对差值而进行的对焦模式。其比对的既不是相位信息，也不是距离信息，而是直接比对图像信息。反差式对焦的原理是根据焦点处画面的对比度变化，寻找对比度最大时的镜头位置，也就是准确对焦的位置。这个过程中镜头的对焦马达需要一直工作，从而获得最准确的对焦点。如果换成更容易理解的方式来讲，就是通过一套比对算法，相机自动帮你完成了你手动对焦的那一套过程。但是反差式对焦的算法就像是没有开启峰值对焦的你一样，他并不会在一次镜组运动中就确定精确地对焦点，而是先锁定一个较小的范围，再不断移动完成合焦。即使实在合焦后，因为要继续维持对焦的准确性，对焦马达仍在工作，这时你看到的图像并不是完全清晰的，如果出现了较大幅度的变化，对焦马达会重新来一次对焦，这也就出现了我们平时所说的拉风箱现象。

反差式对焦工作原理

反差式对焦随着中央处理器的性能提升而诞生，并且不需要sensor进行特殊设计，只要中央处理器算力够，镜头对焦马达速度够，理论上就能实现较快速的对焦，可以说是性价比最高的方案没有之一。反差式对焦至今仍然活跃在我们面前，只不过他从主力变成了辅助，一般采用与相位对焦协同或者激光对焦协同，这就是后文将要提到的混合对焦。

激光对焦：
近些年我们见到的激光对焦越来越多了，这样的测距方案本身并不是给手机设计的，最早均为工业用途，而在手机对对焦要求越来越高的当下，激光对焦也被引入到手机当中，他们被统称为ToF（Time of Flight）传感器（飞行时间传感器），被称为激光对焦的原因是因为他们的发射端为激光（这不是废话吗哈哈哈，不是激光怎么测距）。其中激光对焦分为三大类，ToF，iToF，dToF，我们一般把Tof叫做激光对焦，后两者叫做激光点阵对焦。
ToF，激光对焦，所有激光对焦模式的原理都基于反射的原理，发射端发射激光，接收端再接收到，中间这段时间再通过光速就能计算出距离。激光对焦是点对点的，根据在手机上的位置排布我们也很容易看出一般测算的距离是画面中心位置的距离，也就是说我们一般用到得激光对焦，辅助完成的是中心对焦模式，如果环境比较复杂就没有任何用。顺带一提，目前激光对焦只能作为辅助对焦，具体的在下文中混合对焦具体来说。

dToF与iToF的工作原理对比

iTof（indirect ToF）和dTof（direct ToF）都是3D点阵激光对焦，看名字我们就就能得知二者的区别在于测量方式的不同，前者是间接测量，后者是直接测量。iToF的通常做法是把发射的光波调制成一定频率的周期性信号，通过测量发射信号和该信号经过被测物反射回来到达接收端时的相位差，间接计算出光的飞行时间。这个过程中接收端测量的是相位差，通过相位差反推距离，所以整体工艺比较容易实现。比如之前我《索尼CMOS命名，分类，解析》一文中就提到了两款iTof：IMX316和IMX516，这两款型号的接收端均为常规的光电二极管，事实上他们也能进行成像（根据返回的激光一般能将3-5m内的物体大致轮廓勾出）。iToF的接收端不需要进行太多的复杂设计，滤光片进行改动基本就能满足要求，其分辨率和接收端挂钩，目前的型号一般是30W点阵（0.3MP）。与单点激光对焦不同，iToF并不直接传递距离信息给对焦马达，而是将深度图传递给SOC，经过算法结合图像信息进行对焦，这样就大幅增大了对焦的准确性，能更好的识别到主体，而不再是中心对焦。iToF同样可以进行更深的应用，比如诺基亚9PureView使用五枚镜头实现的无极景深，利用iToF的深度信息就可以更简单的实现。
dToF与iToF的发射端与接收端都大不相同，硬要说的话我觉得iToF更像是一种中间过渡方案。dToF通过发出短脉冲光然后测量发射的光返回所需的时间来检测与物体的距离。与iToF不同，dToF的发射端通常使用纳秒甚至皮秒级的短脉冲激光，且dToF需要探测器在光子到达时刻立刻做出反应，因此接收端通常选择单光子雪崩二极管（SPAD）或者雪崩光电二极管（APD）这类适合进行事件（event）记录的传感器。目前移动端的dToF主要还是苹果在使用，接收端是索尼开发的SPAD元件。dToF的精准度远高于iToF，且范围也要大很多，我们能看到已经有开发者开发出了直尺功能。dToF是未来激光对焦传感器的方向，同样也能构建深度图进行更为精准的抠图以实现媲美单反级的景深，对于手机的工具性来说dToF还能作为随身的标尺。由于dToF的测量过程要求精度高，测量次数多，这对性能也有一定的要求，想要普及难度还是很大。

混合对焦：
混合对焦是伴随着移动端相位对焦出现的，说白了就是一个排列组合的过程。最早苹果率先搭载相位对焦，但是精度并不理想，只能通过混合对焦的模式来增强准确性，但是由于相位对焦的存在还是大幅提升了速度。之后厂商即使有了高精度的支持相位对焦的传感器，也依旧使用混合对焦的模式，这样可以在保持精度的同时也提高速度。目前一般的方案是反差+相位，也有激光+反差+相位一块上的，很少见到完全抛开反差式对焦的。混合对焦是必然，未来也很难出现能取代的模式。

总结：
对于相机对焦性能，自然不能只看CMOS性能，其中soc性能，对焦马达性能也很关键，就像混合对焦一样，不是一个两个元件就能决定性能。其中反差式对焦已经成为无可取代的模式之一，而激光对焦的三种技术又呈迭代关系，这里我们可以推断未来想要提升对焦性能必然还是从片上的相位对焦下手。现今的技术损耗最低的是片上微透镜的方案，比如2*I OCL和2*2 OCL，包括像素斜切分的方案也很不错。但是问题同样也存在，相位对焦在暗光下工作不稳定，2*1的方案由于检测点少而速度欠佳，2*2的方案又要舍弃一定的高像素模式解析力。掩膜的方案不用说，是目前相位对焦方案中画质下降问题最严重的，已经被取代。而双核对焦又能怎么发展是未来的关注点之一，比如OCTA-PD和斜切分像素其实本质上也是dual-pixel的衍生技术。随着混合对焦的发展，旗舰机上面已经做到了准确快速的对焦，使我们拍摄的成片率大大提升，让摄影变得更加简单，让每个人都能清晰的记录下生活中的美好瞬间，这就是摄影的初衷之一。有的人追求光影的美学，更多的人仅仅是记录生活，不需要花里胡哨的功能，只是记录下清晰的瞬间。