什么是堆叠式相机传感器 堆叠图像传感器工作原理介绍

大多数智能手机的相机岛都比机身的其他部分厚。然而，即使算上额外的凸起，它们也更薄，并且拍摄的照片和视频看起来比几年前的同行更好。
 
在移动摄影的最初几年，甚至需要更厚的设备：还记得 2000 年代的傻瓜相机吗？如今，所有东西都装在半英寸薄（有时甚至更薄）的设备中。堆叠图像传感器使这一切成为可能。
   

了解数码摄影

 
模拟相机和数码相机的区别在于，前者使用感光材料制成的胶片来记录图片，而后者则具有电子传感器。在该传感器中，每个像素（形成数字图像的各个点）都是由传感器的一小部分（照片中的每个像素一个）捕获的照明信息。
 
数码相机传感器有两种类型：CCD（电荷耦合器件的缩写）和 CMOS（互补金属氧化物半导体）。所有现代智能手机摄像头都使用后者，所以这就是我们将在下面解释的技术。
 
CMOS 传感器由几个元件组成。光电二极管是最重要的：它在接收光时会产生电信号。该信号由光电二极管旁边的晶体管存储，光电二极管将信号转换为数字信息并将其发送到电子电路。
 
该电路负责解释该数据并将其与数十亿其他像素一起传递到创建最终图像的图像信号处理器 (ISP)。
 

手机相机的早期发展

 
直到 2008 年，CMOS 传感器都存在一个严重的问题：将像素信息发送到 ISP 所需的布线在光电二极管和镜头之间通过，阻挡了部分光线。CCD 传感器采用了相同的结构，它对光更敏感，但对于 CMOS 来说，这意味着照片更暗、噪音更大、更模糊。
 
这个问题可以通过一个简单的想法解决：将光电二极管移动到电线上方，使其接收更多的光线，从而提高图像质量。这称为背面照明 (BSI) 传感器，而不是之前的正面照明传感器。
 
结合上下文来看，iPhone 4 是第一批使用此类传感器的手机之一，它开启了苹果在智能手机摄影领域的声誉。如今，几乎所有智能手机摄像头都使用 BSI 传感器。
 

堆叠传感器提高照片质量并减小尺寸

 
即使去掉了导线，CMOS 传感器仍然有需要改进的地方。其中之一是负责处理晶体管信息的电路。它缠绕在光电二极管周围。因此，到达每个像素的大约一半光线最终到达传感器未捕获任何光线的部分。
   
2012年，第一个堆叠式CMOS传感器问世。电路不是缠绕在光电二极管周围，而是放置在其下方。由于它（部分）取代了用于结构刚性的基材，因此没有增加厚度。事实上，从那时起，索尼和其他采用该技术的制造商对堆叠工艺的改进导致了更薄的传感器，从而使更薄的手机成为可能。
 

更多堆叠怎么样？

 
通过将电路移至光电二极管下方，人们会认为顶层将仅由光捕获部分占据，对吧？错误的。
 
还记得晶体管吗？它位于光电二极管旁边，占用了更宝贵的光捕获空间。解决方案？更多堆叠！
 
工程师以前就这么做过。2017 年，索尼推出了一款在光电二极管和电路之间配备 RAM 的相机传感器，可实现 960FPS 超慢动作视频。问题是将相同的想法应用于现有传感器的一部分。
 
现在，光电二极管终于位于传感器的最顶部，而且只是光电二极管。这有效地使光电二极管可以捕获的信号和晶体管可以存储的信号加倍。
   
最直接的效果是每个像素必须处理的光信息加倍。而且，与摄影中的一切一样，更多的光线意味着更详细的照片。
 
然而，由于晶体管的容量也增加了一倍，因此它可以更好地将来自光电二极管的电信号转换为数字信息。其可能的应用之一是减少图像噪声，进一步增强照片的外观。
 

堆叠传感器共创美好未来

 
虽然单堆叠传感器（光电二极管和晶体管位于一层，其下方的电路）已经存在了一段时间，但双层传感器（每个部件一层）仍然有些新鲜。它们主要用于专业相机，第一款配备此类传感器的手机是索尼 Xperia 1 V，于 2023 年 5 月发布。
 
这意味着该技术仍处于起步阶段。除了迄今为止移动摄影领域取得的其他几项改进之外，堆叠传感器意味着智能手机相机正在走向更光明的未来，或者我们应该说是更明亮的照片？