2017 年 3 月 14 日，在無數單身汪還在痛恨 214 送了花卻沒贏來啪啪啪，到了「白色情人節」連好人卡 + 巧克力都收不到的時刻，自 2014 年就已在中國市場大幅裁撤規模的 SONY 移動，卻為科技宅們發了份及時滴「狗糧」：
一部售價 4699 元的 Xperia XZs 手機！
（小焯腹黑 OS：大法你這分明是明搶索粉一年滴狗糧啊啊啊~ ⁄(⁄ ⁄•⁄ω⁄•⁄ ⁄)⁄.）
不過在 3 月初的 MWC 2017 上，索尼發佈會晃瞎吃瓜群眾狗眼的其實是另外一部手機—— Xperia XZ Premium，其最為人津津樂道在手機上的賣點為：
全球首發高通驍龍 835 處理器（礙於三星 S8 獨佔期 6 月份才能面市）；
全球首發 4K HDR IPS 屏幕（分辨率高達 3840 x 2160、800 PPI ）；
全球首發 DRAM（動態隨機存儲單元）三層堆棧式 CMOS 影像傳感器；
鑑於索尼 Xperia XZs 同 XZ Premium 的三項全球首發「黑科技」，只有 CMOS 是相同的；而後置 CMOS IMX 400 也是 Sony Semiconductor Solutions 公司獨立出索尼集團、專注感光元件研發後，所推出的目前最具前瞻性的產品，所以本文中 @焯見科技 將對這顆影像傳感器技術規格和工作原理做以細緻分析，有想解（duo）毒（shou）滴童鞋往下看哦~ ｡◕‿◕｡
（索尼 XPERIA XZs 上的 IMX 400 鏡頭模組）
在長篇大論開始前，小焯先欠揍地弱弱問這麼一句：
這顆 IMX 400 包含的 1930萬像素、F2.0 光圈、1/2.3 英寸 Exmor RS 傳感器尺寸、單個像素 1.22 μm、960fps 慢動作拍攝，這些參數想必都是耳熟能詳的了~
辣麼…你能用一個小故事，把手機 CMOS 的工作原理講清楚嗎？ (｡☉౪ ⊙｡)
（索尼 XPERIA XZs /Premium 後置相機參數）
讓我們先舉個栗子，把思緒放飛到那個甜（dan）蜜（teng）的情人節，假設你和女朋友/男朋友為了炮製浪漫，先去電影院做了場前戲……
不管看的片子是什麼，你面前碩大的影幕其實就相當於手機 CMOS 感光元件的面積大小，面積越大捕捉的光子越多，感光性能越好，成像效果也就更出色。
而索尼 IMX 400 上 1/2.3 英寸的這個面積，是其高端後置相機上最大的尺寸，大小相同的典型適配有之前 XPERIA Z5 上的 IMX 300，以及小米 5s 上的 IMX 378。
而自索尼 2015 年 9 月發佈 IMX 300 以來，其 Mobile 相機 Sensor 的尺寸一直保持在 1/2.3 —1/2.93 英寸之間，主要限制感光元件面積的原因在於：
作為便攜設備的手機，輕薄一直是主流發展方向，雖然近年來由於屏幕和電池的增大，使得像 iPhone Plus 系達到了 190 克左右的重量，但機身的厚度一直保持在 7.3 毫米，儘管這也造成了後置攝像頭的蜜汁凸起~ o(*≧▽≦)ツ
@焯見科技 2016 年採訪一加創始人劉作虎時聊到，一加手機 2 由於不想把 1/2.6英寸 CMOS 的後置相機凸起，所以機身厚度達到了驚人的 9.85 毫米，直接導致手感失衡。
所以說現在的主流手機，在機身厚度上都儘量保持在 6.5 毫米-8.5 毫米之間，過薄則續航不利，太厚則用來不便，在這個維度走向兩面極端的產品，最終都接受到了銷量堪憂的檢驗。
另外拍照成像還依賴於通過鏡頭模組，將景物的光學圖像（反射光線）投射到感光元件上，所以說手機鏡頭的素質和組合也非常重要，但鑑於這些年來鏡頭材料並沒有革命性的突破，所以手機 CMOS 的面積目前只能醬紫了。
（OPPO 發佈的 5X 無損變焦亮點在改變折射方向延長了光路）
咳~再隨@焯見科技 回到我們可愛的故事環節，在影院裡你之所以會覺得畫面栩栩如生，很大原因是由於影片原文件保留了豐富的畫面細節，現在廣泛採用的數字拷貝雖然沒有膠片拷貝的色彩還原度高，但卻有效去除了膠片的刮傷、抖動及噪點問題，從而提升了整體的畫面質量。
對於數字電影來說，廣電總局規定了 4K（分辨率 4096 × 2016 825 萬像素）、2K（分辨率 2048 × 1080 221 萬像素）、1.3K（分辨率 1280 × 1024 131 萬像素）和0.8K（分辨率1024 × 768 78.6 萬像素）四種規格，目前城市院線的銀幕主要為 2K 和 1.3K。
細心的讀者看到這肯定已經發現了：索尼 IMX 400 的像素已經高達 1,930萬了，為毛 4K 影片的像素才 825 萬啊？ Σ( ° △ °|||)︴
（2016年 2月7日公佈的索尼 IMX400 CMOS 參數）
這裡其實應該先明確一下拍攝時 FPS 的含義，說的可絕不是第一人稱射擊遊戲 （First-person shooting game）啊，而是每秒傳輸幀數（ Frames Per Second）。
不管所謂動畫、視頻還是電影，其實關鍵都在於把靜態的畫面連貫起來，每一個畫面就是一「幀」，而對於顯示器和電視來說，常見的 1080p 刷新率 60 hz，其中的 60 赫茲，就相當於每秒刷新了 60 張畫面。
對於動態畫面來說，低於 15 fps 就會有明顯停頓的感覺，只有保證起碼有 24 fps ，才能讓人眼感覺畫面流暢；玩遊戲通常需要 30 fps；但高速視覺遊戲如賽車類的，達到 60 fps 才有風馳電掣的速度感；而像 PS VR 或 HTC vive 這種虛擬現實頭盔，只有滿足了 90 fps 才能成功騙過大腦，實現以假亂真的位移沉浸感；但這都不如第一人稱射擊遊戲的苛刻，目前高端遊戲顯示器做到了 144hz 的刷新率，使高玩能夠在 0.1 秒內完成定位、瞄準、射擊的連貫動作。
（宮崎駿用每一張手繪圖作為動畫的關鍵「幀」）
所以說即使 CMOS 像素夠多，但在處理器運算和數據傳輸的極限下，為完成每秒多幀連續拍攝，就只能降低幀率或者減少每幀的分辨率了。
這次大法的 IMX 400 能夠做到 4K 60 fps（分辨率 3840 X 2160）的視頻錄製，甚至於 960 fps 慢動作攝影（儘管每次只能拍 0.2 秒），確實在技術上有了質的突破，可喜可賀。(●'◡'●)ﾉ♥
（蘋果 iPhone 1200萬像素錄製視頻選項）
不過呢，雖然索尼官方宣稱 IMX 400 擁有 1,930 萬像素，但恐怕在實際拍攝中達不到這個數值，這又是 V 什麼呢？
事實上 IMX 400 的有效像素為 5520（長）x 3840 （高）= 2,120 萬，但在拍照時由於畫幅比例的不同選擇，直接造成了最終有些像素沒有參與到成像過程中。
（索尼 CMOS 畫幅成像圖 via FView Z5 Premium 消費者報告）
通過這幅示意圖，不難計算出索尼 IMX 400 這顆 CMOS 在 4：3 畫幅下像素為 1,930 萬，而 16：9 畫幅時降到了 1,710萬，這裡不得不說騷尼在宣傳上有點雞賊啊~
畢竟現在的顯示器和電視，多數都是根據人雙眼的視野範圍比例 16：9 做出來的，4：3 畫幅在數碼相機上使用居多，但在許多顯示終端上無法全屏播放，這無疑是並不很爽滴事兒。
但在 1/2.3英寸、 面積僅為 28.46 mm² 的CMOS 上，1,710 萬像素依然是一個極其驚人的數字，以 CP 看電影這個故事來做譬喻的話，那就相當於用 5520 x 3105 的分辨率在銀幕上放映了一部超高清影片，每一份愛與恨的纏綿糾葛，都能在戲中人的表情上纖毫畢現。
但你要是現在就下結論說： IMX 400 上 2,120 萬的有效像素，實際只用了 1,710 萬，剩下 410 萬完全浪費掉了可也太武斷了。要知道騷尼幾代 XPERIA 的搞基 oh 不，是高級拍照模式，標明的出片像素僅為 800 萬像素，但卻質量奇高，這又怎麼回事？
原因就在於索尼有一套核（kui）心（hua）算（bao）法（dian），能夠把幾個像素合而為一，顯著提升拍攝時抗干擾的能力，從而提升畫面的純淨度和清晰度。（在 IMX 400 中 4：3 和 16：9 普通模式下，能否有效合併冗餘像素還有待進一步檢驗）
這就好比目前各手機系統拍照界面都會有的 HDR（高動態光照渲染）模式，通過一次拍攝生成多張不同曝光時間的照片，再最終把多張照片合成為一，讓景物亮處更鮮明而暗部細節更突出，增強物體的輪廓感，營造出一種獨特的視覺效果。這兩種方式解決問題的出發點本質上都是近似的。
那麼問題又來了，對於最終成像畫面的解析力來說，是不是 CMOS 像素越多就越好呢？
還是用 @焯見科技 在上文中提到的電影院場景說事兒：已知銀幕尺寸是一樣的，分辨率也是一樣的，那麼以下 A、B 兩個畫面誰的解析力更好？
A.史蒂文·斯皮爾伯格 導演《拯救大兵瑞恩》
B.詹姆斯·古恩 導演 《銀河護衛隊》
蛤蛤蛤~我知道你會說 A 不如 B 是吧？
其實斯皮爾伯格影片的顆粒感來自於其御用攝影師卡明斯基的快速感光膠片，俗稱「卡氏噪點」，這種攝影風格能讓畫面看起來更有年代感和紀錄片既視感，畢竟電影是畫面的藝術，如果都拍得那麼逼真，可能距離感和朦朧美就消散了。
開個玩笑緩解下看這麼久文章的疲勞哈~其實用手機拍照和電影拍攝來做橫比，本身就是一個很不妥的事兒，原因就出在手機上的 CMOS 面積過小，像素不能無限制的增加，越多反而會彼此造成串擾，影響畫面質量。
（為什麼說手機就是拍個影兒？對比數碼相機的畫幅可見）
這裡就必須知道另外一件事兒了：單個像素尺寸，單位為 μm。
辣麼，已知索尼 IMX 400 的有效像素是 2,120 萬，1/2.3英寸 CMOS 面積為 28.46 mm² ，如果單個像素尺寸為 1.22 μm，實際像素佔用面積就是 25.86 mm² ，也就是說在狹小的空間下，眾多像素寶寶擠是擠了點兒，但總算還留了些喘口粗氣、行個方便的縫隙~ ٩͡[๏̯͡๏]۶
這樣一來，當環境光通過 IMX 400 F2.0 光圈的微透鏡（數字越小光圈越大，進光量也就越多），再經過紅外濾光片的色彩過濾，與 CMOS 的像素苟合後，單個像素就分別保存下了巫山雲雨的種種光照細節。
但眾所周知，採光來自四面八方，平射、斜射、折射各種情況都會發生，即使 CMOS 內像素之間留有空隙，也還是難以避免相鄰像素的光子「私奔」；而且在單個像素上由硅和鍺這兩種元素構成光電二極管上的正負電荷發生作用時，如果承載的光子過多，也會造成一定程度的電流串擾，從而造成單個像素攜帶光源顏色和數量上的錯誤。
（用物理隔斷來防止光線串擾，三星和蘋果都在採用，使得 1200萬像素的後置「逆襲」）
所以對於單個像素尺寸這個參數來說，數字越大表示 CMOS 上密度越小，則像素間抗干擾能力較強；反之較弱。三星自 S5 以來採用了 ISOCELL 技術，通過在相鄰像素之間形成物理屏障，減少了 30% 的像素串擾，從而獲得更好的畫面清晰度和色彩表現。不過對於騷尼來說，其提高 CMOS 影像質量的研發思路同三星有很大不同。
不知不覺說了這麼多，終於要聊到只屬於索尼大法的黑科技啦，那就是迄今到 IMX 400 進化了三代的——（配備 DRAM 層的）Exmor RS 三層堆疊式 CMOS 影像傳感器。
2008 年 6 月 ，索尼發佈了 Exmor R CMOS （背面照明技術感光元件），並於2009 年春率先在其數碼攝像機 XR520 適用，但在後來的 Cyber-shot 系列數碼相機上才被髮揚光大，並被沿用到手機上來。
（Exmor R CMOS 結構圖）
由於 CMOS 傳感器上每個像素都配有光電二極管，以暗電流記錄弱光、光電流記錄強光，用電流的變化記錄光線的變化；也配備了放大器，用來使電壓功率更利於傳輸；同時還有 ADC，能將模擬信號轉換為數字信號。
傳統的正照結構，當光子穿過透鏡和濾鏡時，首先會遭遇金屬佈線而有所損失；而 Exmor R CMOS 將光電二極管挪到了最能接受光子的入口處，由於不受金屬線路和晶體管的阻礙，開口率（光電轉換部分在一個像素中所佔的面積比例）可提高至近100%，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優良的高感光度能力。
這種結構雖然早已提出構想，但實現起來對承載光電二極管的基板要非常薄，大約是傳統正照式 CMOS 傳感器基板厚度的1/100，因此只有在電子器件的生產工藝和微處理技術實現機械化精密加工後才最終實現，此後蘋果自 iPhone 4s 其開始採用索尼 CMOS 延續至今 。(o^∇^o)ﾉ
但 Exmor R CMOS 對於感光像素的利用率還有不足，最先接觸光子的感光區域周圍仍有電路走線，使得芯片尺寸還是不夠小。於是乎 SONY 於 2012 年 8 月 發佈了 Exmor RS CMOS，其中的 S 就是 Stack 堆棧式的意思。
（Exmor RS CMOS 結構圖）
從結構上來看，Exmor RS CMOS 讓基板更小，從而實現了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點的工藝；還有就是使得像素部分和電路部分在不同平面分隔開來，因此像素部分可針對高畫質優化，電路部分可針對高性能優化，互不干擾。
媽蛋，終於快把這一篇講完了，為加強記憶包教包會，@焯見科技用一個比喻就把騷尼所謂的三層堆棧式 CMOS 原理講完：
其實吧，就好比看完電影了你藍盆友 or 綠朋友要求你一些事兒，但啪啪啪後居然粗（gu）心（yi）給忘了，未防類似情況再發生，出門配一個記事本本，有什麼最高指示、最後通牒、最後遺言想到了就記下來，避免類似杯具再次發生，摔…真是編不下去了…… (＞﹏＜)
（Exmor RS CMOS 配 DRAM 三層堆棧結構圖）
這個新結構的主要變動在於是在原先 Exmor RS CMOS 的結構中間加了一層DRAM 緩存區；
同時為配合數據的快速讀取，把 ADC 的電路從兩層結構倍增到四層，以突破 LSI （大規模集成電路）接口規範的速度限制；
還有就是把從芯片向外供電的 AVDD（模擬電壓）從 2.8v 降到 2.5v；
最後還降低了三層電路之間產生的傳輸噪聲。
（三層堆棧 CMOS 效果圖）
其最終呈現的效果也是非常讓人歎服：
能在 1/120 秒內讀取一張1,930萬像素的靜圖；
通過像素逐行讀取加快延時攝影；
讓捕獲高速運動中的物體的最小失真度畫面成為可能；
可支持在全高清（1920 x 1080 像素）模式下拍攝 1000幀/秒的視頻，實現超慢回放；
還能因為 DRAM 層存儲功能，在正常拍攝視頻時臨時插入慢動作拍攝，使兩段速率不同的視頻無縫銜接，即使一個傳統的 ISP（圖像處理器）都能實現；
而這一切都是在更低功耗的情況下實現的。
（媽蛋這裡必須要吐槽下，索尼中文官網翻譯得狗P不通，最後還是得查閱英文官網為準）
（封裝好的 索尼 IMX 400 CMOS 模組）
雖然 2015 年 索尼在 RX100IV 黑卡相機上就採用了三層堆棧式 DRAM 結構的封裝的工藝，但時隔兩年後大法的工藝又有了長足的進步，在更小的感光元件上完成了目前最為精密的操作，從而為手機拍攝帶來了更多的遐想和興奮~
面對科技行業飛速的發展，全球市場競爭的日趨激烈，在平井一夫的運籌帷幄下，索尼半導體部門賣掉了大部分電池業務，淡化了存儲業務，集中火力在 CMOS 圖像傳感器研發上一路狂奔，每每用劃時代的創新改寫移動終端的競爭態勢，業績逐年高歌猛進，在老對手三星的虎視眈眈下攫取了全球 CMOS 市場近 50%的份額。
平心而論，索尼的感光元件確實賣得要貴一些，但不這樣做又怎能攤平高昂的研發成本？而且合作伙伴還可以選擇性的購買索尼提供的鏡頭模組，以及獲得專業影像團隊的調校支持，從而讓拍照功能成為品牌手機的核心競爭力。
對於 IMX 400 這顆 CMOS 來說，匆忙發佈的 XPERIA XZs 和 Premium 還無法充分發揮其實力，在各家產品藍圖早已敲定的 2017 年，短期內除了 SONY 品牌外應該還難以看到 IMX 4xx 系列的身影；其高昂的售價，以及核心圖像算法的授權程度，都有可能讓想早折桂枝的廠商望梅止渴。
但別忘了，這世界上有一種手機，叫 iPhone……
（未完 待續）
下一篇 @焯見科技 來聊一聊索尼 IMX 400 的拍攝功能體驗及對未來旗艦手機的影響，下週見~
