什么是堆疊式相機(jī)傳感器 堆疊圖像傳感器工作原理介紹

大多數(shù)智能手機(jī)的相機(jī)島都比機(jī)身的其他部分厚。然而，即使算上額外的凸起，它們也更薄，并且拍攝的照片和視頻看起來(lái)比幾年前的同行更好。
 
在移動(dòng)攝影的最初幾年，甚至需要更厚的設(shè)備：還記得 2000 年代的傻瓜相機(jī)嗎？如今，所有東西都裝在半英寸?。ㄓ袝r(shí)甚至更?。┑脑O(shè)備中。堆疊圖像傳感器使這一切成為可能。
   

了解數(shù)碼攝影

 
模擬相機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的區(qū)別在于，前者使用感光材料制成的膠片來(lái)記錄圖片，而后者則具有電子傳感器。在該傳感器中，每個(gè)像素（形成數(shù)字圖像的各個(gè)點(diǎn)）都是由傳感器的一小部分（照片中的每個(gè)像素一個(gè)）捕獲的照明信息。
 
數(shù)碼相機(jī)傳感器有兩種類(lèi)型：CCD（電荷耦合器件的縮寫(xiě)）和 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。所有現(xiàn)代智能手機(jī)攝像頭都使用后者，所以這就是我們將在下面解釋的技術(shù)。
 
CMOS 傳感器由幾個(gè)元件組成。光電二極管是最重要的：它在接收光時(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。該信號(hào)由光電二極管旁邊的晶體管存儲(chǔ)，光電二極管將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息并將其發(fā)送到電子電路。
 
該電路負(fù)責(zé)解釋該數(shù)據(jù)并將其與數(shù)十億其他像素一起傳遞到創(chuàng)建最終圖像的圖像信號(hào)處理器 (ISP)。
 

手機(jī)相機(jī)的早期發(fā)展

 
直到 2008 年，CMOS 傳感器都存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：將像素信息發(fā)送到 ISP 所需的布線在光電二極管和鏡頭之間通過(guò)，阻擋了部分光線。CCD 傳感器采用了相同的結(jié)構(gòu)，它對(duì)光更敏感，但對(duì)于 CMOS 來(lái)說(shuō)，這意味著照片更暗、噪音更大、更模糊。
 
這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的想法解決：將光電二極管移動(dòng)到電線上方，使其接收更多的光線，從而提高圖像質(zhì)量。這稱(chēng)為背面照明 (BSI) 傳感器，而不是之前的正面照明傳感器。
 
結(jié)合上下文來(lái)看，iPhone 4 是第一批使用此類(lèi)傳感器的手機(jī)之一，它開(kāi)啟了蘋(píng)果在智能手機(jī)攝影領(lǐng)域的聲譽(yù)。如今，幾乎所有智能手機(jī)攝像頭都使用 BSI 傳感器。
 

堆疊傳感器提高照片質(zhì)量并減小尺寸

 
即使去掉了導(dǎo)線，CMOS 傳感器仍然有需要改進(jìn)的地方。其中之一是負(fù)責(zé)處理晶體管信息的電路。它纏繞在光電二極管周?chē)?。因此，到達(dá)每個(gè)像素的大約一半光線最終到達(dá)傳感器未捕獲任何光線的部分。
   
2012年，第一個(gè)堆疊式CMOS傳感器問(wèn)世。電路不是纏繞在光電二極管周?chē)?，而是放置在其下方。由于它（部分）取代了用于結(jié)構(gòu)剛性的基材，因此沒(méi)有增加厚度。事實(shí)上，從那時(shí)起，索尼和其他采用該技術(shù)的制造商對(duì)堆疊工藝的改進(jìn)導(dǎo)致了更薄的傳感器，從而使更薄的手機(jī)成為可能。
 

更多堆疊怎么樣？

 
通過(guò)將電路移至光電二極管下方，人們會(huì)認(rèn)為頂層將僅由光捕獲部分占據(jù)，對(duì)吧？錯(cuò)誤的。
 
還記得晶體管嗎？它位于光電二極管旁邊，占用了更寶貴的光捕獲空間。解決方案？更多堆疊！
 
工程師以前就這么做過(guò)。2017 年，索尼推出了一款在光電二極管和電路之間配備 RAM 的相機(jī)傳感器，可實(shí)現(xiàn) 960FPS 超慢動(dòng)作視頻。問(wèn)題是將相同的想法應(yīng)用于現(xiàn)有傳感器的一部分。
 
現(xiàn)在，光電二極管終于位于傳感器的最頂部，而且只是光電二極管。這有效地使光電二極管可以捕獲的信號(hào)和晶體管可以存儲(chǔ)的信號(hào)加倍。
   
最直接的效果是每個(gè)像素必須處理的光信息加倍。而且，與攝影中的一切一樣，更多的光線意味著更詳細(xì)的照片。
 
然而，由于晶體管的容量也增加了一倍，因此它可以更好地將來(lái)自光電二極管的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。其可能的應(yīng)用之一是減少圖像噪聲，進(jìn)一步增強(qiáng)照片的外觀。
 

堆疊傳感器共創(chuàng)美好未來(lái)

 
雖然單堆疊傳感器（光電二極管和晶體管位于一層，其下方的電路）已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但雙層傳感器（每個(gè)部件一層）仍然有些新鮮。它們主要用于專(zhuān)業(yè)相機(jī)，第一款配備此類(lèi)傳感器的手機(jī)是索尼 Xperia 1 V，于 2023 年 5 月發(fā)布。
 
這意味著該技術(shù)仍處于起步階段。除了迄今為止移動(dòng)攝影領(lǐng)域取得的其他幾項(xiàng)改進(jìn)之外，堆疊傳感器意味著智能手機(jī)相機(jī)正在走向更光明的未來(lái)，或者我們應(yīng)該說(shuō)是更明亮的照片？