索大好的秘密武器?堆栈式CMOS是什么鬼

2015-07-28 00:15 出处:PConline原创 作者:ETPHOTOS 责任编辑:liangjiaxian

  【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
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。

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▲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0.1μm,模块表面积利用率提高了50%,模块尺寸缩小了20%。

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▲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。

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▲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。

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▲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。

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▲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。

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