堆栈式CMOS传感器的来源及优势

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“堆栈式CMOS”传感器的来源及优势。实际上，在手机界关于堆栈式CMOS传感器的概念的讨论并不多，倒是影像界的人士更关心一些。既然Find 5这次首次使用了，那接下来也将会有更多的厂商会使用到这项技术，包括苹果、三星、索尼等等，届时看点将会非常丰富，甚至可能会出人意料。比如下一代iPhone的摄像头怎么升级？会升级成啥样？现在，终于有盼头了。  堆栈式CMOS，英文名称叫做“Stacked CMOS”，翻译过来有时也会被称作是“积层式CMOS”，实际上这些概念指的是同一种东西。说到堆栈式CMOS，还是要先讲讲索尼。
从索尼说起
  在传感器领域，排名靠前的几家厂商分别是索尼、松下、OmniVision、Aptina、三星、佳能等，其中索尼的手机摄像头技术令其他几家厂商难以企及，同时市场份额也有着明显差距。 拿2011年的传感器市场份额来看，索尼一家就占了30%以上，超过了第二名一倍还要多。传感器一定程度上彰显出了索尼在光学领域的卓越造诣。

背照式CMOS
对于手机摄像头而言，里面使用到的传感器一般都是CMOS传感器。早期的CMOS有个明显的缺点，就是当电流变化时容易产生热量，最终造成画面出现杂点影响成像质量。这个时候，CMOS是无法和CCD相提并论的。
随着科技的不断进步，CMOS缺点也逐步得到解决。2008年的6月，索尼公司宣布了背照式CMOS传感器，在业界引起了巨大反响。接下来，越来越多的相机开始配备背照式的CMOS，直至今天，CMOS已经得到了非常广泛的应用。特别是在手机上，几乎全部已被CMOS覆盖。

iPhone 4开始采用背照式CMOS

背照式CMOS也就是有时候说的“BSI”，优势是，拍照的时候在夜拍和高感的时候成像效果会更好一些。

为什么背照式CMOS成像更好？
背照式CMOS的设计方式不同，相比传统的CMOS成像效果也更好。传统的表面照射型摄像头传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层，而A/D转换器和放大电路位于光电二极管上层，因此光电二极管离透镜的距离更远，光线更容易损失。同时，这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路，因此直接导致实际能够感光更少。而背照式摄像头传感器解决了这样的问题。背照式CMOS传感器比传统CMOS传感器在灵敏度会上有质的飞跃，结果就是在低光照度下的对焦能力和画质有极大的提升。下面一张图片可以直观看出两者区别。

但是，改变了CMOS的方向意味着承载二极管的板子要非常薄，大概是传统CMOS的百分之一，对生产工艺与微处理的技术要求相当高，这在前几年来讲是有不小难度的，不过科技发展时过境迁，现在技术水平已经完全可以达到要求，因此背照式CMOS也得到广泛应用。特别是高端一点的手机，都会使用背照式CMOS，如小米2、索尼LT26i、苹果iPhone 4等等。

索尼Exmor R CMOS
为了拉升品牌高度，索尼将自家的背照式CMOS统一命名为“Exmor R CMOS”品牌，相信大部分人都已听过。现在主流的旗舰手机，如iPhone 5、三星Galaxy S3、三星Galaxy Note 2、索尼LT26ii等，都使用到了索尼家的传感器产品，当然这里仅仅指的是主摄像头。单纯拿苹果来看，iPhone 4使用的摄像头还是由OmniVision提供，也是背照式，到了4S以后就全面换成了索尼提供，这一定程度反应出了索尼背照式CMOS技术的先进性。另外，出于成本限制，苹果在The New iPad和iPad 4上使用的摄像头传感器并不是由索尼提供，因此拍照水平比较一般。

说回索尼Exmor R CMOS。到现在为止，Exmor R CMOS已经积累了非常好的用户口碑，已经是高端摄像头的代名词，可以说是“功成名就”。就连同样生产传感器的三星，都使用索尼的产品，可见其不可替代性非同一般。

高富帅Exmor R CMOS是怎样炼成的？
除了索尼以外，其他厂家如上面说的松下、OmniVision、Aptina、三星等，都有能力生产背照式CMOS摄像头。但为什么他们的背照式能力不如索尼呢？原因还是核心技术。技术改变命运，技术成就人生啊。下面讲讲高富帅Exmor R CMOS是怎样炼成的。
要了解原因，还需更深层地讨论。索尼家的背照式CMOS使用的是SOI（Silicon on Insulator）晶圆，SOI晶圆有利于进行研磨减薄，越薄就越易于采光，采光能力出色，就可以得到更好的成像效果。其他厂商，如三星、OmniVision等，大部分使用的是普通硅晶圆（体硅晶圆）。厚度上，SOI晶圆可以做到体硅晶圆的1/30左右，成像效果优势可想而知。但是它的成本也要高出3-4倍，总体下来，索尼背照式CMOS的价格也并不低。尽管如此，目前旗舰手机依然对这颗CMOS情有独钟，索尼出品Exmor R CMOS已经成为高端拍照的象征。


一、堆栈式CMOS与索尼Exmor R CMOS 目前拥有“堆栈式CMOS”技术能力的厂商只有索尼一家，前面讲到那么多索尼的CMOS历史，实际上也是为此做准备。上面说过，索尼的背照式CMOS品牌名称为“Exmor R CMOS”，在最新一代堆栈式CMOS中，索尼重新命名，将这部分产品统一称为“Exmor RS CMOS”，区别是多了一个字母“S”，是“stack”的缩写，实际上就是指Stacked CMOS，即堆栈式CMOS。

得益于技术优势，目前市面上出现的堆栈式CMOS，实际上都是索尼的“Exmor RS CMOS”，仅此一家别无他处。堆栈式CMOS是CMOS技术未来发展的方向之一，相信以后也会有其他CMOS厂商做到这种技术水准，不过现在来看索尼已经领先了一大步，核心技术价值得到充分体现。
二、Exmor RS堆栈式CMOS传感器的原理特点今年八月下旬，索尼对外发布了世界第一款全新“堆栈式结构”（stacked structure）的影像传感器，就是“Exmor RS CMOS”。Exmor RS CMOS的特点是高像素化、高性能化以及小型化。


Exmor RS CMOS的原理是，它使用有信号处理电路的芯片替代了原来背照CMOS图像传感器的支持基板，在芯片上重叠形成背照CMOS元件的像素部分，从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。由于像素部分和电路部分分别独立，因此像素部分可针对高画质优化，电路部分可针对高性能优化。
三、Find 5所采用的堆栈式CMOS深度猜测Exmor RS CMOS发布时，一共推出了三款型号的产品：IMX135（1/3.06英寸1313万有效像素）、IMX134（1/4英寸808万有效像素）、ISX014（内置相机型号处理性能，拥有1/4英寸808万有效像素）。与上述三款堆栈式CMOS传感器相对应的，还有三个小型自动对焦成像模组：IU135F3-Z、IU134F9-Z和IUS014F-Z。它们搭载了具有自动对焦功能的镜头组件，拥有1.12μm像素间距，能实现超清新分辨率。其中，IU135F3-Z采用F2.2超大光圈镜片，配备5组5片合成树脂镜片。

综合起来可以了解到，IU135F3-Z参数大致为：1/3.06英寸、1313万有效像素、F2.2大光圈、5片镜片。结合上面OPPO官方对Find 5摄像头的描述，我们基本上就能确定下来，Find 5配备的就是IU135F3-Z模组了，传感器型号为IMX135。
四、Exmor RS堆栈式CMOS的成像画质是怎样改善的？上面讲原理的时候，可以知道Exmor RS堆栈式CMOS体积更小，用在手机等移动产品中更加方便。另外它的画质也得到了改善，怎样做到的呢？
已发布的三款Exmor RS CMOS中，IMX135和IMX134两款型号搭载了“RGBW编码”技术和HDR（高动态视频）拍摄功能，由此来改善拍摄画质。
①RGBW编码技术
RGBW编码技术在原来的红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色RGB像素中增加白色像素点，改善了灵敏度并提高了成像质量，即使在弱光环境下也能拍摄出漂亮清晰图像。

RGBW编码技术实例：拍摄的图片为10lux低照度，左边为原有的背照式CMOS传感器拍摄，右边为Exmor RS堆栈式CMOS传感器拍摄

②HDR拍摄功能
HDR拍摄功能在拍摄同一画面时能设置两种曝光模式，通过适当的信号处理能生成广阔的高动态范围图像，即使对亮光拍摄时也不会产生过曝现象。

HDR拍摄功能实例：左边为原有的背照式CMOS传感器拍摄，右边为Exmor RS堆栈式CMOS传感器拍摄

五、再挖：Exmor RS堆栈式CMOS价格几何？以下价格部分纯粹为猜测。

上面一张图仅供参考，从中看出，Find 5配备的IU135F3-Z模组样品价格大概为8000日元，折合人民币也要接近600元。如此高昂的价格肯定让不少人心惊。当然这里指的是样品价格，估计厂商在批量采购时，价格会低不少，究竟成本多少，我们暂时也难以估量，这可能要问OPPO工程师了。
六、最后总结：①、概念关系不能混：堆栈式CMOS和背照式CMOS的关系
堆栈式和背照式是两码事，是不相干的两种结构方式。堆栈式主要是为了减小体积，当然画质也有所优化；而背照式是针对画质改进而做的一种设计。一款CMOS，可以单独采用背照式或堆栈式设计，也可以两种方式一起使用。举例说明，Exmor R CMOS就是只是背照式设计，而Exmor RS CMOS是在背照式的基础上，再把信号处理电路芯片放到后面去，做成堆栈式的设计，兼具了两种设计结构。
②、堆栈式CMOS与Find 5拍照画质的关系
现在Find 5还没正式开售，发布会上我们见到了官方给出的拍照样片，但现在还无法与主流机型做横向比较。Find 5配备的堆栈式CMOS，是未来、是今后发展方向，但不代表Find 5拍照就一定秒杀现在主流机型。即使以后拿到真机对比了，也不能说明堆栈式CMOS怎样，因为成全照片画质的不仅是CMOS传感器结构，还有CMOS大小、镜头、算法优化等更深入的因素。
拿Find 5来说，它配备的CMOS大小是1/3.06英寸，而目前拍照机皇诺基亚808 pureview是1/1.2英寸，明显诺基亚808比Find 5的传感器不是大了一点半点，可以确定的是808的CMOS不是堆栈式设计，如果以后采用了该设计，可以在现有空间基础上，将CMOS做得更大，成像效果也更优。
另外是算法，苹果iPhone是典型的算法出色的代表。得益于此，虽然iPhone 4S/5摄像头参数不算很突出，但实际拍照表现在众多旗舰机型中名列前茅。