多光譜濾光片賦能CMOS傳感器--技術(shù)優(yōu)勢與手機(jī)市場新機(jī)遇
從去年華為發(fā)布的Mate70系列手機(jī)來看，這款手機(jī)最大的亮點(diǎn)就在于搭載了華為的“多光譜色溫傳感器”專利的多光譜圖像傳感器--紅楓原色影像圖像傳感器，可通過波段數(shù)據(jù)優(yōu)化拍照色彩；
（圖源華為發(fā)布會）
目前從官方披露的信息來看，150萬攝像頭的紅楓攝像頭是華為首次應(yīng)用于手機(jī)多光譜成像攝像頭的一個新的嘗試，打破了傳統(tǒng)Bayer陣列圖像傳感器只有RGB三顏色的光譜分辨壁壘，從顏色通道實(shí)現(xiàn)多光譜到高光譜的一個躍升，其顏色通道甚至可以達(dá)到數(shù)十個，使得用戶在攝像拍照方面獲得更高的光譜分辨能力，從而更好的采集更高色光有效信息。
（圖源華為發(fā)布會）
近年來，智能手機(jī)影像能力的持續(xù)升級，多光譜成像技術(shù)逐漸從科研和工業(yè)領(lǐng)域向消費(fèi)電子市場滲透。從華為的這一舉措，我們不難看出，多光譜濾光片與CMOS傳感器的結(jié)合，將成為推動這一趨勢的核心技術(shù)之一。
（圖源網(wǎng)絡(luò)）
一、多光譜濾光片的技術(shù)優(yōu)勢：突破傳統(tǒng)成像邊界
傳統(tǒng)CMOS傳感器依賴Bayer濾光片（RGB三通道）捕捉可見光信息，但光譜分辨率有限。而多光譜濾光片通過將入射光分割為更多窄波段（如5-10個通道甚至更多），顯著提升了光譜信息的豐富度。
光譜成像分辨率示意圖
來源:Vines & Zhang Grass Research 2022,2:1
1. 高精度光譜解析能力
多光譜濾光片可覆蓋可見光至近紅外（400-1000nm）范圍，每個通道對應(yīng)特定波長，能夠區(qū)分傳統(tǒng)RGB無法識別的細(xì)微光譜差異。例如，在農(nóng)業(yè)檢測中識別作物病害，或在醫(yī)療領(lǐng)域通過皮膚反射光譜分析健康指標(biāo)。
2. 增強(qiáng)環(huán)境感知與色彩還原
通過多波段數(shù)據(jù)融合，可更精確還原真實(shí)色彩，尤其在復(fù)雜光照條件下（如混合光源、低光環(huán)境）表現(xiàn)突出。例如，在手機(jī)攝影中實(shí)現(xiàn)更自然的白平衡調(diào)整，減少后期算法依賴。
3. 兼容小型化與低成本制造
基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）或納米壓印技術(shù)，多光譜濾光片可直接集成于CMOS傳感器表面，無需復(fù)雜光學(xué)組件。相較于傳統(tǒng)多相機(jī)模組方案，體積和成本優(yōu)勢顯著，適合手機(jī)等消費(fèi)電子設(shè)備。
4. 拓展應(yīng)用場景
多光譜數(shù)據(jù)可支持AR/VR中的材質(zhì)識別、食品成分檢測、環(huán)境污染監(jiān)測等創(chuàng)新功能，為手機(jī)從“拍照工具”向“感知終端”轉(zhuǎn)型提供硬件基礎(chǔ)。
（圖源華為：華為P20 色溫傳感器）
二、手機(jī)市場動態(tài)：從影像內(nèi)卷到技術(shù)破局
我們以華為為例，其進(jìn)化形態(tài)基本有跡可循，雖然這不是華為第一次推出光譜影像單元，早在18年華為推出P20時(shí)就曾搭載過由艾邁斯（ams）提供的TCS3430色溫傳感器 （資料來源芯智訊），可針對不同照明條件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)顏色和環(huán)境光感測，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)白平和調(diào)節(jié)。
（圖源華為發(fā)布會：P50 Pocket 超光譜超級影像單元）
2021年，華為推出P50 Pocket，首創(chuàng)超光譜超級影像單元，光譜硬件由10通道多光譜傳感器、閃光燈、3200萬像素超光譜攝像頭、超光譜補(bǔ)光燈構(gòu)成，其中3200萬像素超光譜攝像頭+超光譜補(bǔ)光燈構(gòu)成了一個紫外相機(jī)，相當(dāng)于把手機(jī)圖像傳感器的濾光片換成只允許紫外光通過的濾光片。因此，這里的“超光譜”是指超越“肉眼可見”，可以發(fā)現(xiàn)可見光之外(紫外光)的細(xì)節(jié)，帶來肉眼“看不到的真實(shí)”(即紫外光感知)，并非物理定義上的超光譜。
（圖源華為官網(wǎng)：紫外熒光攝影）
在此之后，華為陸續(xù)在旗下旗艦機(jī)型中不斷覆蓋其多通道光譜傳感器，從3通道GRB圖像傳感器躍升到2018年P(guān)20機(jī)型5通道色溫傳感器，再到2020年的P40多光譜8通道色溫傳感器，再來到2021年P(guān)50 Pocket 10通道多光譜傳感器。
（圖源華為發(fā)布會：華為多光譜傳感器的升級）
三、市場的競爭變化
當(dāng)然，多光譜成像對于影視效果的提升隨著華為的興起，行業(yè)嗅探隨著芯片化光譜系統(tǒng)方案的成熟已經(jīng)逐漸在行業(yè)內(nèi)形成一股風(fēng)潮，各大手機(jī)廠商開始在其期間機(jī)型中采用環(huán)境光/多光譜色溫傳感器的布局；
（圖源網(wǎng)絡(luò)-iPhone X中的環(huán)境光傳感器）
如：iPhone X搭載了ams為其定制開發(fā)的6通道多光譜傳感器，包括紫外光、紅光、綠光、藍(lán)光、和兩種近紅外光?？衫迷搨鞲衅鞲兄h(huán)境光CCT水平，進(jìn)而調(diào)整顯示顏色和亮度。至iPhone 14系列，蘋果首次配備雙環(huán)境光傳感器，同時(shí)改善亮度調(diào)節(jié)和后攝曝光。
（來源OPPO：OPPO Find X5 Pro中的13通道光譜傳感器）
OPPO Find X5 Pro在業(yè)界首次搭載13通道光譜傳感器，給相機(jī)系統(tǒng)帶來精準(zhǔn)的色彩表現(xiàn)，同時(shí)也還原更真實(shí)的環(huán)境光源信息，改善白平衡效果，OPPO Find X6 Pro的“健康引擎”可利用近紅外光譜分析皮膚含水量或血氧濃度。
（圖源VIVO：vivo VCS仿生光譜技術(shù)）
VIVO X90則是采用自研VCS仿生光譜技術(shù)。由于普通圖像傳感器的color filter光譜與人眼差異較大，自研VCS仿生光道技術(shù)通過改進(jìn)color fiter，讓傳感器接收的原始信息不斷接近人眼，實(shí)現(xiàn)更好的噪聲表現(xiàn)和色彩還原，前置優(yōu)化光信號。
現(xiàn)階段，華為、蘋果、三星等企業(yè)已申請多項(xiàng)多光譜成像相關(guān)專利。例如，華為的“多光譜色溫傳感器”專利可通過多波段數(shù)據(jù)優(yōu)化拍照色彩；蘋果則探索將紅外光譜用于生物識別增強(qiáng)。小米12S Ultra通過額外光譜傳感器提升AI場景識別精度。
四、多光譜傳感器的分析介紹
（圖源ams：窄帶濾光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖）
多光譜傳感器的技術(shù)原理(非成像)
在上述手機(jī)機(jī)型中均采用的多光譜傳感器，一般采用均窄帶濾波技術(shù)，在傳感器的感光部分開口，開口上方放置窄波長濾光片，從而探測到環(huán)境光源的光線，不同光譜通道實(shí)際就是通過窄波長濾光片來控制特定頻率的光通過。這類傳感器不需要體積龐大的色散元件和光路，因此結(jié)構(gòu)非常緊湊。而此類方案屬于單點(diǎn)的光譜傳感，僅限對整體的光環(huán)境混合探測，無法體現(xiàn)同部的光源、色溫信息和差異。
（來源：Sensors）
多光譜成像芯片的技術(shù)原理
為何說華為Mate70的紅楓原色影像會成為本次的主角，原因在于其對比于往期單點(diǎn)多光譜傳感器在其結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一輪的升級，常規(guī)圖像傳感器通常是在各像素的光電二極管上構(gòu)建紅、綠、藍(lán)3種彩色濾光片，而多光譜成像則是在圖像傳感器的光電二極管上構(gòu)建更多種顏色的濾光片，可分別透過不同波長的光線。結(jié)合光譜恢復(fù)算法，可以和普通相機(jī)一樣，一次拍攝即可獲取二維圖像和更豐富的光譜信息。
五、未來趨勢：從技術(shù)突破到生態(tài)構(gòu)建
盡管前景廣闊，多光譜濾光片在手機(jī)端任然有持續(xù)發(fā)展空間，結(jié)合當(dāng)下熱門的ai計(jì)算成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件計(jì)算調(diào)控與成像系統(tǒng)硬件的支持，將成為手機(jī)影像發(fā)展的一個助推動力，而計(jì)算成像不再滿足于錦上添花，更多的影像表現(xiàn)也成為眾多廠商追求的重點(diǎn)。
當(dāng)下發(fā)展難點(diǎn)：
算法與算力瓶頸：多波段數(shù)據(jù)需更高階的ISP（圖像信號處理器）和AI算法支持，對芯片能效提出新要求。
用戶認(rèn)知度不足：消費(fèi)者對光譜功能的感知較弱，需通過場景化應(yīng)用（如美妝分析、食品安全檢測）建立需求。
（來源:阿里巴巴達(dá)摩院）
六、未來發(fā)展方向可能
1. 光譜+AI融合創(chuàng)新：結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型，將多光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的用戶價(jià)值（如實(shí)時(shí)肌膚診斷報(bào)告）。
2. 開放生態(tài)合作：手機(jī)廠商聯(lián)合醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等行業(yè)，構(gòu)建多光譜應(yīng)用開發(fā)生態(tài)。
3. 成本下探與標(biāo)準(zhǔn)化：通過工藝優(yōu)化（如晶圓級濾光片陣列）降低單價(jià)，推動技術(shù)向中端機(jī)型滲透。
多光譜濾光片與CMOS傳感器的結(jié)合，標(biāo)志著智能手機(jī)成像從“視覺記錄”向“光譜感知”的范式轉(zhuǎn)變。隨著技術(shù)成熟與場景挖掘，這一技術(shù)有望成為下一代移動設(shè)備的標(biāo)配，不僅重塑影像賽道，更將開啟“手機(jī)即科學(xué)儀器”的新時(shí)代。廠商需在硬件迭代、算法優(yōu)化與生態(tài)構(gòu)建三端協(xié)同發(fā)力，方能在這一技術(shù)浪潮中搶占先機(jī)。