【PConline 杂谈】画质、速度是感光元件发展的两个方向。背照式结构主要改良画质；层积式结构则能提升速度和实现更多功能。速度快到一定程度，也能催生出提升画质的手段。

　　索大好的秘密武器？堆栈式CMOS是什么鬼

　　名词：层积式CMOS

　　别名：堆叠式CMOS、堆栈式CMOS

　　英文：Stacked CMOS

　　虽然英文Stack确实有 堆栈 的意思，但Stacked CMOS的结构与编程中的 堆栈 数据结构没有半毛钱关系。不过， 堆栈式CMOS 这个名词已经被各大手机厂商炒火了，我们现在再强调翻译的正确性也没有太大作用。

　　索尼是最早推出层积式CMOS的厂商，产品子品牌为Exmor RS（这里的 S 代表 Stacked ）。它不仅占据了绝大部分市场份额，同时也致力于推进层积式CMOS技术的进步。所以，层积式CMOS的发展其实就是Exmor RS CMOS的发展。

　　第1代Exmor RS

　　代表产品：IMX135、IMX145（iPhone5s）

　　主要改进：缩小模块尺寸

　　2012年8月，索尼推出第1代层积式CMOS：IMX135、IMX134和ISX014。

　　在背照式CMOS中，像素和相关电路位于同一平面，再下面则是支持基板；而在层积式CMOS中，像素层独立出来（仍然是背部入射结构），相关电路挪至下方替代原有的支持基板。这带来了2个好处：

　　像素层和电路层可以分开制造并贴合，电路层能使用更先进的工艺；

　　表面积利用率更高（元件从平面摆放变成立体堆叠），整个模块的尺寸更小。

　　▲背照式CMOS(左)与层积式CMOS(右)结构对比

　　2013年9月发布的iPhone5S同样搭载了索尼层积式CMOS（IMX145）。与iPhone4S等早期产品相比，IMX145的单像素尺寸增加了0.1 m，模块表面积利用率提高了50%，模块尺寸缩小了20%。

　　▲1/2.3英寸800万像素CMOS规格对比

　　第2代Exmor RS

　　代表产品：IMX214

　　主要改进：4K摄像、SME-HDR

　　2013年4月，索尼推出第2代层积式CMOS：IMX214。与前代产品IMX135相比，IMX214的主要改进有2点，包括：

　　- 引入SME-HDR技术：以往的软件合成HDR不适合拍摄运动对象。而SME-HDR是基于硬件的HDR合成方法，不仅合成效果更好，同时减轻了处理器的压力。作为结果，IMX214实现了1300万像素、每秒30帧的HDR影像输出。

　　- 工艺改进：减少微透镜到感光二极管的距离，提高光线利用率，更适合搭配薄的大光圈镜头（在索尼SLT-A99等产品采用的35mm全画幅约2430万像素CMOS上，这被称作 光聚合 技术）。同时，新工艺还减少了像素间的信号串扰，提高弱光下的色彩饱和度。

　　第3代Exmor RS

　　代表产品：RX100IV、RX10II

　　主要改进：内置DRAM，速度更快

　　如同Intel在芯片制造中的Tick-Tock战略一样，第1代层积式CMOS是结构改进，第2代是工艺改进，第3代再次迎来结构改进 2015年6月，索尼在RX100IV、RX10II上应用了，新一代Exmor RS的主要变化包括：

　　- 感光面积扩大到1英寸（对角线15.864mm）;

　　- 3层结构：从上至下依次为像素层、模数转换器（ADC）等相关电路层和内置DRAM层；

　　- 拆分后，高速处理电路的规模更大，速度更快。

　　▲1是像素部分，2是相关电路，3是内置DRAM

　　传统CMOS（包括第2代层积式CMOS）的图像采集流程是：n列像素信号先进入n个ADC，然后再进入影像处理器（ISP），最后进入缓存；等到全部像素数据进入缓存后，再输出成影像 这种工作流程是果冻效应的根源。

　　第3代Exmor RS因为内置DRAM，图像采集流程变为：n列像素信号先进入n个ADC，然后进入DRAM；等到全部像素数据进入缓存后，再进入ISP进行处理。ADC工作频率的提高和传输整张影像所需时间的减少了，有效降低了果冻效应等图像变形。

　　▲传统CMOS（上）与第3代Exmor RS（下）的图像采集流程对比

　　值得一提的是，RX100III、RX10一次只能读取4列像素。由于高速处理电路的规模更大，因此RX100IV、RX10II一次可以读取8列像素。配合DRAM，最终实现了每秒16张高速连拍、每秒1000帧高速视频拍摄等新特性。

　　TIPS：什么是果冻效应

　　当相机、被摄对象之间存在高速相对位移时（如拍摄高尔夫球挥杆动作、在行驶的车辆上拍摄路边的灯杆等），画面中的直线发生弯曲、图像边缘模糊、部分画面曝光错误，有任一情况都可以称之为果冻效应。

　　果冻效应的根源是感光元件无法做到全部像素同时采集。

　　▲无变形效果（上）与因为采样速度导致的变形效果（下）

　　小结

　　最初的CMOS只是一个光信号采集器，输出模拟信号。2007年2月，索尼公布了 采用列并行AD转换的超高速高画质CMOS 技术，实现了CMOS整合ADC。片上ADC和列并行数字CDS也随之成为索尼Exmor CMOS的立命根本。

　　背照式结构、层积式结构都是为了提高芯片的空间利用率，从平面排布升级到立体堆叠。在这一过程中，不同功能的元件实现了层级独立，制造商可以根据需要应用不同的制造工艺 将尖端制造技术应用在刀刃上，同时控制整体制造成本。

　　第3代Exmor RS其实已经整合了部分ISP功能，也就是RX100IV、RX10II其实有2级ISP。功能整合应该是相机发展的大趋势，在未来，相信会有更多功能被集成到CMOS上。

　　最后的最后，背照式、层积式结构是实现曲面感光元件的先决条件。

标签：结构电路改进索尼