堆栈式结构与背面照度技术：CMOS传感器的两大突破

堆栈式结构与背面照度技术：CMOS传感器的两大突破

随着智能手机市场的不断发展，CMOS图像传感器技术也在持续进步。CMOS图像传感器作为智能手机摄像头的核心部件，其性能直接影响到照片的质量。本文将深入探讨CMOS图像传感器的技术原理，包括其工作流程、Bayer阵列滤镜、像素尺寸等关键要素，以及最新技术如背面照度技术和堆栈式结构带来的突破。了解这些技术细节，不仅能让我们更好地理解智能手机摄影背后的科学，还能帮助我们在选购手机时做出明智的选择。

CMOS图像传感器本质上是一块芯片，主要包括感光区阵列（Bayer阵列）、时序控制、模拟信号处理以及模数转换等模块。其中，各模块的作用分别为：

• 感光区阵列：完成光电转换，将光子转换为电子。
• 时序控制：控制电信号的读出、传递。
• 模拟信号处理（ADC）：对信号去噪。

像素阵列占整个芯片的面积最大，像素阵列是由一个个像素组成，它对应到我们看到每张图片中的每个像素。每个像素包括感光区和读出电路，每个像素的信号经由模拟信号处理后，交由ADC进行模数转换后即可输出到数字处理模块。像素阵列的信号读出如下：

1. 每个像素在进行reset，进行曝光。
2. 行扫描寄存器，一行一行的激活像素阵列中的行选址晶体管。
3. 列扫描寄存器，对于每一行像素，一个个的激活像素的列选址晶体管。
4. 读出信号，并进行放大。

CMOS传感器上的主要部件是像素阵列，这是其与传统芯片的主要区别。每个像素的功能是将感受到的光转换为电信号，通过读出电路转为数字化信号，从而完成现实场景数字化的过程。像素阵列中的每个像素结构是一样的，典型的前照式像素结构，其主要结构包括：

1. On-chip-lens:该结构可以理解为在感光元件上覆盖的一层微透镜阵列，它用来将光线聚集在像素感光区的开口上。可以增加光电转化效率，减少相邻像素之间的光信号串扰。
2. Color filter：该结构是一个滤光片，包括红/绿/蓝三种，分别只能透过红色、绿色、蓝色对应波长的光线。该滤光片结构的存在，使得每个像素只能感应一种颜色，另外的两种颜色分量需要通过相邻像素插值得到，即demosaic算法。
3. Metal wiring：可以为金属排线，用于读出感光区的信号（其实就是像素内部的读出电路）。
4. Photodiode：即光电信号转换器，其转换出的电信号会经过金属排线读出。

Photodiode和Metal wiring对CMOS传感器的性能影响最大（比如光电转换效率，读出噪声等），也是目前主流传感器厂商注重提高的工艺。为了方便叙述，下面将Photodiode和Metal wiring简称为Pixel（即包括每个像素内的感光区域和读出电路）。

最简单的Pixel结构只有一个PN结作为photodiode感光，以及一个与它相连的reset晶体管作为一个开关。它的工作方式如下：

1. 在开始曝光之前，该像素的行选择地址会上电，从而RS会激活，连通PN结与column bus。同时列选择器会上电，此时PN结会被加载高反向电压（例如3.3 V）。在Reset（即PN结内电子空穴对达到平衡）完成后，RS将会被停止激活，停止PN结与column bus的连通。
2. 在曝光时间内，PN结内的硅在吸收光线后，会产生电子-空穴对。由于PN结内电场的影响，电子-空穴对会分成两个电荷载体，电子会流向PN结的n+端，空穴会流向PN结的p-sub

现代彩色CMOS的原理是在黑白图像传感器的基础上增加色彩滤波阵列（CFA），从而实现从黑白到彩色的成像。其中，很著名的一种设计就是拜耳色彩滤波阵列（Bayer CFA）。拜耳阵列是由一行RGRGRG……和一行BGBGBG……交错排列而成，每一个像素点只能读取单独的颜色信息。其中绿色像素的采样频率是输出像素的1/2，红、蓝色像素的采样频率是输出像素的1/4。

Bayer CFA的工作原理是通过在每个像素上方设置特定颜色的滤光片，使得每个像素只能透过一种颜色的光，从而记录下该颜色的强度信息。例如，当光线通过红色滤光片时，该像素就只能记录红色光的强度。这样，通过不同颜色的滤光片组合，就可以记录下不同颜色光的强度信息，为后续的色彩还原提供基础。

对于基于拜耳色彩滤波阵列设计的CMOS，需要通过插值算法还原出完整的RGB三个通道分量，以解决图像缺损问题。常用的插值算法有相邻像素插值、双线性插值、三次多项式插值等。

以双线性插值为例，对于只有红色分量的像素：例如R32，通过周围像素的颜色信息进行计算。对于只有绿色分量的像素：例如G33，以及只有蓝色分量的像素：例如B43，也采用类似的方法。通过这种方式，可以还原得到完整的RGB分量，从而得到一幅没有缺损的图像。

然而，这并不是终点。Bayer CFA经过插值之后，CFA的色特性与人眼的视觉特性并不一定重合，所以图像中的像素颜色可能都是偏色的。这可能是光学透镜的光谱特性导致，也可能是Bayer CFA上的彩色滤镜光谱特性导致，跟拍摄的环境光也有很大关系。

在数字摄影时代，传感器是影响成像质量的关键因素之一。传感器尺寸、像素大小与成像质量之间存在密切关系，了解它们之间的关系有助于我们选择合适的摄影设备，以及后期处理图像。

传感器尺寸是指图像传感器靶面对角线的长度，通常以英寸为单位。常见的传感器尺寸有1/2.3英寸、1/1.7英寸、1英寸、2/3英寸等。一般来说，传感器尺寸越大，成像质量越好。这是因为大尺寸传感器能够捕捉到更多的光线信息，从而产生更丰富的色彩和细节。因此，在相同像素数的情况下，大尺寸传感器更能保证成像质量。

像素大小是指每个像素点所占的面积。像素越大，意味着每个像素点能够捕捉到的光线信息越多，从而在成像时能够呈现出更丰富的细节和更真实的色彩。因此，高像素的相机通常能拍摄出更高质量的照片。

成像质量是评价照片质量的重要指标，包括清晰度、色彩还原度、对比度等方面。在传感器尺寸和像素大小都相同的情况下，成像质量主要受到镜头质量和后处理算法的影响。优质的镜头能够更好地汇聚光线，从而提高成像质量；而后处理算法则能对图像进行优化，修正颜色偏差、提高清晰度等。

总的来说，传感器尺寸、像素大小和成像质量之间的关系是相互影响的。大尺寸传感器和高像素能提高成像质量，但同时也需要优质的镜头和先进的后处理算法来共同提升最终的拍摄效果。在实际选择摄影设备时，需要根据自己的需求来综合考虑这些因素。例如，对于专业摄影师来说，可能需要一款大尺寸传感器的高像素相机来保证拍摄效果；而对于普通用户，则可以选择经济实惠的小尺寸传感器相机，再通过后处理来优化图像。

在实际应用中，我们需要根据具体情况进行选择。例如，在暗光环境下拍摄时，大尺寸传感器能更好地吸收光线，提高成像质量；而在拍摄风景等需要展现细节的场景时，高像素相机则能更好地记录场景的细节。此外，后期处理也是提升成像质量的重要手段。通过调整色彩、对比度和清晰度等参数，我们可以进一步优化照片效果，使其更加符合我们的审美和需求。

背面照度技术（BSI）通过将感光区域置于电路层之上，提高了传感器的光敏度和成像质量。这种技术能够实现更高的像素密度和更好的成像效果。X-FAB的180nm CMOS工艺平台（XS018）支持这种技术，能够实现更高的像素密度和更好的成像效果。

堆栈式CMOS传感器是一种将像素、逻辑和存储单元集成在一起的新型传感器技术。相比传统的CMOS传感器，堆栈式CMOS传感器具有多层结构，利用垂直堆叠技术实现了更高的像素密度和更低的噪声水平。

堆栈式CMOS传感器具有更高的像素密度。传统的CMOS传感器的像素是水平布局的，而堆栈式CMOS传感器通过垂直堆叠的方式，将多个像素层叠在一起，从而大大提高了像素密度。这一优点使得堆栈式CMOS传感器在人工智能应用中能够更准确地捕捉和分析图像细节，为深度学习和计算机视觉等领域提供更高的性能。

堆栈式CMOS传感器具有更低的噪声水平。由于堆栈式CMOS传感器的多层结构，每一层的像素都能够通过相互作用来抑制噪声。相比传统的CMOS传感器，堆栈式CMOS传感器在图像采集过程中能够更好地消除噪声，提供更清晰、更真实的图像信息，为人工智能算法的训练和运行提供更可靠的数据基础。

思特威（SmartSens）推出的SC585XS是一款全流程国产化的5000万像素高端手机应用CMOS图像传感器。这款传感器基于28+nm Stack工艺制程打造，具备1.22µm大像素尺寸，搭载了多项先进技术，包括PixGain HDR®、SFCPixel®-2和AllPix ADAF®等，具有高动态范围、低噪声、快速对焦和超低功耗等优势。

• 高动态范围：基于PixGain HDR®技术，SC585XS实现了动态范围的大幅提升，双帧最高动态范围可达88dB，即使在高明暗对比的复杂光线条件下，也能够帮助手机摄像头捕捉到明暗有度、细节丰富的高质量图像。并且，得益于PixGain HDR®技术在同一帧曝光下的高低转换增益图像合成，SC585XS能够在保证高动态范围的同时有效抑制运动伪影的产生，轻松应对运动物体拍摄。

• 低噪声：作为高端手机应用CIS，SC585XS搭载思特威专利SFCPixel®-2技术，通过SF中置设计，获得了更高的灵敏度从而降低了噪声，其读取噪声(RN)＜1e-，与行业同规格竞品相比降低约33%。因此，即使在暗光场景下，SC585XS也能为手机摄像头带来细节清晰、画质细腻的高清图像。

• 快速对焦：光线条件是影响摄像头对焦速度的重要因素，当光线不足，就可能出现对焦失准、慢速、无法对焦等情况。得益于思特威AllPix ADAF®及Sparse PDAF技术，SC585XS实现了各类光线条件下的双模式自适应快速对焦能力。在暗光场景下，SC585XS可开启AllPix ADAF®模式，通过100%全像素对焦，实现高速、精准的对焦效果，保障低光照下的高速抓拍成像清晰准确。在日常光线条件下，SC585XS则可以切换至Sparse PDAF模式，通过部分像素相位检测实现精准对焦，同时显著降低运行功耗。

• 超低功耗：影像拍摄是智能手机的高频高能耗使用场景。SC585XS基于业内先进的28+nm Stack工艺打造，采用了先进的读取电路架构与优异的低功耗设计，能够在保证整体性能的同时，实现超低运行能耗。对比行业同规格竞品，SC585XS在AllPix ADAF®模式下功耗降低约30%，在Sparse PDAF模式下功耗降低约50%。出色的低功耗性能，有利于减少影像拍摄中的整机发烫，大幅提升视频录制最大时长与整机续航能力。

尽管CMOS图像传感器技术已经取得了显著进步，但仍面临一些挑战。例如，堆栈式CMOS传感器的技术成熟度和制造成本问题，以及多层结构带来的热管理难题。然而，随着制造工艺的不断进步和技术创新，这些问题有望逐步得到解决。未来，我们可以期待看到更多高性能、低功耗、低成本的CMOS图像传感器问世，为智能手机摄影带来更多突破和惊喜。