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创新不断 索尼首发三层堆叠CMOS
2017-02-14 标签: ICNET  半导体  存储 来源:ICNET原创

近日,索尼发布了业内首个三层堆叠CMOS传感器,相比原先的堆栈式CMOS,新传感器集成了DRAM芯片,可提升设备视频拍摄和连拍性能。目前手机摄影的用户体验已濒临上限,这一最新“黑科技”的问世,无疑将给未来带来极大可能。



从参数上看,这款最新的三层堆叠CMOS采用传统的拜耳阵列,具有2120万有效像素;输出4K分辨率视频,帧率可达60fps;输出1080p和720p视频,帧率最高可达240fps;其新增的DRAM层则具有1G bit的容量(换算后为125 mb)。就性能而言,新CMOS继承了索尼传感器家族优异的画质表现,而集成的DRAM,可提升CMOS的处理速度,拍摄快速移动物体、连拍、录制视频时候的延迟大大减少。除此以外,这款CMOS还具具备输出1000fps超慢速视频的能力。该如何理解这款CMOS的新特性,在此还是有必要回顾一下CMOS相关技术的发展历程。


CMOS的进击之路 从背照式到堆栈式


CMOS是相机(拍照手机)获取光信号的传感器,历经几次重大变革,静态画质和动态性能均获很大的提升。


最初的的CMOS金属电路位于感光二极管前方,电路在像素点的位置留出孔隙供光线进入。可想而知,这样的设计会使进光量由于电路遮挡而大打折扣,而改进策略就是将金属电路转移到感光二极管的下方,这就是所谓的“背照式”设计。尽管背照式的理念很早就已经提出,但受限于半导体工艺制程水平,直到2009年索尼才量产出背照式CMOS。进光量的改善使得照片画质有了质的飞跃,手机摄影也依托背照式CMOS技术而被大众接受。经典手机iPhone 4S的主摄像头即搭载了索尼公司出品的背照式CMOS,其拍摄效果在当时是业界标杆。


传统CMOS与背照式CMOS原理对比【图:索尼官方资料】



背照式设计解决了由于排线层遮挡而引起通光量减少,但此时,位于感光层的处理回路成为画质提升的又一瓶颈,需将像素区域与回路区域完全分离,才能最大程度开发CMOS的潜力。随着半导体工艺制程的进步,像素区域和处理回路可分别在硅晶圆和基板上采用不同的制程工艺打造,两者互不干涉,这就是所谓的“堆栈式”结构。


相比于背照式设计,堆栈式CMOS的通光量进一步提升,像素数量也可以做得更多。由于处理回路可在基板上以更高级别的工艺制程打造,其晶体管数量也可以做得更多,进而提升CMOS的数据处理能力,提高连拍和对焦速度,亦可改良HDR功能。当然,堆栈式结构还能减小CMOS的结构体积,正好切中了智能手机的轻薄化趋势。目前,堆栈式CMOS已被各大手机厂商所采用,手机摄影效果的日益提升也直接抢占了低端数码相机的市场份额,使后者沦为“鸡肋”产品。


背照式与堆栈式CMOS原理对比【图:索尼官网】



集成DRAM 动态场景表现更佳


经过背照式和堆栈式两次结构改良,CMOS的静态画质有了很大提升,然而智能手机在连拍、视频等动态场合的表现却还是不够理想,有时会直接影响照片和视频素材的可用性。针对这一情况,索尼又做了一次重大创新,将DRAM集成在CMOS像素层与回路层的中间,以此来提升手机在动态场合的拍摄表现。


集成DRAM的堆栈式CMOS【图:索尼官网】



相比现有的堆栈式CMOS,集成DRAM可以使影像数据的传输至ISP的速度增快约4倍,极大规避了照片失真的可能性。根据索尼官方给出的对比图,现有堆栈式CMOS在1/30秒下传输速度下的照片效果类似于视频的“果冻效应”,而新款CMOS的传输速度可达1/120秒,没有任何失真。


两种传输速度的效果对比【图:索尼官网】



在视频拍摄方面,集成DRAM带来的优势更大,这款CMOS能够以1080p的分辨率拍摄1000fps超慢速视频,帧率相比现有的堆栈式CMOS提升8倍,实现真正的超级慢动作回放。


意义:革新手机摄影的用户体验


在网络社交日益多元化的今天,单纯的静态照片已经无法满足用户的“炫耀”需求,视频、延时摄影等表现形式已经越来越为大众所熟知并接受。索尼此番发布三层堆叠CMOS,使用户能够在没有专业器材的情况下排出赏心悦目的“大片”,无疑是对手机摄影的一次重大革新。


对于各大手机厂商来说,三层堆叠CMOS给手机摄影的体验创新带来新的可能性,尤其是对于索尼、三星、苹果等大厂而言,又一次用户体验的关键之战即将打响,究竟新CMOS能够在多大程度上令人“意想不到”,还要看实际产品问世之后的具体表现。

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