赢在未来的影像革命 解读堆栈式CMOS

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感光元件—影像系统的大脑与心脏

手机拍照人人都会，但其中包含的技术原理恐怕就并非那么普及了。在一套影像系统之中，相机的感光元件（或者我们平常说的“传感器”）无疑是最重要的组成部分，类似于老式相机中的胶卷，它的素质基本上就决定了照片的画面质量。现在比较普及的感光元件主要有CCD和CMOS这两类，对于手机摄像头而言，里面的感光元件一般都是CMOS。

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。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，这就包括小米2、索尼LT26i和苹果iPhone 4等。

为了增加认知度，索尼给自家背照式CMOS起了个名字，叫做Exmor R CMOS，相信大部分人都听过。这个Exmor R CMOS，也就是刚才提到过的旗舰机型们用到的CMOS技术。到现在为止，Exmor R CMOS已经积累了非常好的用户口碑，可以说是“功成名就”。这时候，索尼就计划着研发更先进的CMOS技术了，这就是我们今天要讲到的Exmor RS CMOS，相比前者，Exmor RS CMOS虽然只是多了一个“S”，但差距却不是一点半点。这个“S”，指的是“Stack”，也就是Stacked CMOS，即堆栈式cmos，也可以说是积层式CMOS或者层叠式CMOS。

英雄要问出处！索尼的创新之路

在感光元件领域，排名靠前的几家厂商分别是索尼、松下、OmniVision、Aptina、三星和佳能等，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—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，继背照式CMOS之后，同样由索尼研发出第一块堆栈式CMOS就不足为奇了。

Exmor RS堆栈式CMOS是怎么一回事？简单说，Exmor RS堆栈式CMOS传感器是在背照式Exmor R CMOS传感器的基础上发展而来的。新传感器将原本需紧靠感光组件的电路部份置于感光组件的下方，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，使得设备内部拥有更多的空间。在实现功能多样化的同时，还做到了小型化。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。本质上讲，堆栈式和背照式是两码事，是不相干的两种结构方式，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，而Exmor RS CMOS是兼有了两种设计。

Exmor RS CMOS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）和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。

高画质，不只因为硬件

堆栈式CMOS带来了显著的画质提升，而这也并非纯粹是硬件的功劳。在已的三款Exmor RS CMOS中，IMX135和IMX134两款型号就搭载了“RGBW编码”技术和HDR拍摄功能，由此来改善拍摄画质。

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。而HDR拍摄功能可以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。

全新的RGBW编码技术中，白色像素灵敏度高达127mV，相比传统同规格产品的80-90mV的灵敏度提升超过了50%的幅度。而且这种特殊的结构实际上可以输出基准感光度相差不少的数据，轻松实现了暗部HDR效果。

如此给力的性能可谓是颠覆性的存在，不过由于此项技术刚刚起步，IMX135以及IMX134上市后并没使用研发时新型的RGBW排列像素，而是改用传统的RGBG排列，信噪比也从过去的92mV（绿色）+127mV（白色）变为了普通的84mV。

事实上，无论是三星的GALAXY S4、索尼的Xperia Z、OPPO的Find5、华为Ascend D2、联想K900还是小米2S，它们无一例外都采用了这块IMX135。这些产品的拍照效果都备受肯定，在光线条件良好环境下的效果甚至让我们觉得有一些数码微单相机的感觉，不得不说堆栈式CMOS确实给画质带来了长足的进步。

后话

从某些角度上来讲，堆栈式CMOS已经成为了高画质的代名词，厂商只要选择堆栈式CMOS就等于具备了比较好的照片素质。但我们要清楚的知道，成全照片画质的不仅是CMOS传感器结构，还有CMOS大小、镜头和算法优化等更深入的因素。

拿Find 5来说，它配备的堆栈式CMOS大小是1/3.06英寸，而昔日拍照机皇诺基亚808 Pureview的CMOS尺寸为1/1.2英寸，比Find 5的传感器不是大了一点半点。所以尽管诺基亚808的CMOS不是堆栈式设计，但它的成像还是优于前者。

在可以预见的未来，优势明显的堆栈式CMOS毫无疑问将会成为行业标准，全面替代背照式CMOS。当然，这一愿景的实现离不开技术的持续进步和制造成本的下落。而到了那个时候，想必就不仅仅是感光元件结构的革命了，其他方面的相关技术都会以新的姿态呈现在我们的面前，手机摄像功能强大到令相机汗颜的一天不会太遥远。