Xperia 1V首發(fā)索尼黑科技CMOS傳感器 能打破1英寸大底迷信么？

Xperia 1V首發(fā)索尼黑科技CMOS傳感器能打破1英寸大底迷信么？

Napoleon Chan / 2023-07-06 15:5453399

在5月初，索尼推出了新一代旗艦手機Xperia 1V，它主攝像頭首次搭載了雙層晶體管像素堆疊式CMOS圖像傳感器IMX888，黑科技滿滿。可惜的是索尼手機人氣實在擔(dān)不起宣傳新技術(shù)重任，人氣完全壓不住國內(nèi)一臺又一臺的1英寸底新機。不過近日TechInsights發(fā)表了關(guān)于雙層晶體管像素技術(shù)曝光，加上Xperia1 V上市，讓我們可以更深入了解這一技術(shù)。

技術(shù)原理

其實雙層晶體管像素技術(shù)誕生遠遠早于Xperia 1V，在2021年12月11日舉辦的IEEE國際電子設(shè)備會議上索尼已宣布了這一技術(shù)。按照索尼官方說法，該技術(shù)能夠?qū)ⅰ帮柡托盘柫考s提升至原來的2倍，擴大了動態(tài)范圍并降低噪點，從而顯著提高成像性能”。

在過去10多年時間里，索尼一直是CMOS圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，先是用銅互連技術(shù)代替鋁互聯(lián)技術(shù)，大大降低傳感器的功耗與發(fā)熱量，接著是BSI代替FSI，讓傳感器獲得更高的量子效率，沖擊更高的感光度，堆棧式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了傳感器集成大規(guī)模數(shù)字電路，大大提高傳感器讀取速度，新的雙層晶體管像素技術(shù)可以視為堆棧式結(jié)構(gòu)的進化。

雖然手機CMOS傳感器越做越大，比如說國產(chǎn)安卓旗艦手機已經(jīng)普及了1英寸傳感器——索尼IMX989，但是相比可換鏡頭相機，1英寸依然很小，而且手機傳感器像素高，50MP的IMX989即使像素四合一后，像素尺寸不過3.22μm。因此單個像素大小儼然是制約手機畫質(zhì)的關(guān)鍵因素，要想提升畫質(zhì)，用大傳感器換取大像素最有效辦法，不過在使用1英寸傳感器后手機厚度已大幅度增加，繼續(xù)增大傳感器尺寸真得成板磚了，而雙層晶體管像素正是一項不增加傳感器大小又能增加像素大小的技術(shù)。

CMOS傳感器的像素是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由多個部分組成，雙層晶體管像素是負責(zé)光電轉(zhuǎn)換的光電二極管與控制信號的像素晶體管分離到不同硅片，這樣位于第一層硅片的光電二極管得以占據(jù)像素晶體管空間，在相同時間內(nèi)能夠把更多光子轉(zhuǎn)換成電子，用房產(chǎn)的術(shù)語描述就是“得房率”更高了，畫質(zhì)自然更好。

不過光電二極管和像素晶體管分離只是第一步，由于第二層硅片不用放置光電二極管，不但容納了除了像素晶體管之外的像素晶體管（包含復(fù)位晶體管、選擇晶體管和放大晶體管），而且擁有更多空間放置大尺寸放大晶體管，也就是獲得一個更強勁的ADC，這個ADC既可以用于提升傳感器讀取深度，也能用于提升畫質(zhì)。

雙層晶體管像素技術(shù)聽起來非常美好，可是如何實現(xiàn)呢，TechInsights報告正好為我們揭示它是如何做出來的。TechInsights拆解、分析了索尼Xperia 1V上的IMX888，傳感器的大小為11.37 x 7.69mmm，總像素為4800萬，單個像素間距為1.12 μm ，每一個像素都采用左右光電二極管分列的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)PDAF對焦。整塊傳感器共有三片硅片構(gòu)成，從微透鏡方向數(shù)起（圖中從下向上），分別是第一層CIS（CMOS Image Sensor）、第二層CIS以及ISP，其中第二層CIS與ISP之間通過最新的DBI CU連接起來（Direct Bond Interconnect CU，銅直接鍵合技術(shù)），不過兩層CIS是通過更為傳統(tǒng)的TSV（Through Silicon Via，硅通孔技術(shù)）互聯(lián)。

下圖是兩層CIS連接面的特寫，能夠清晰看到第二層CIS通過金屬觸點與第一層傳輸控制晶體管（TG）相連接，傳輸控制晶體管是少數(shù)保留在第一層CIS的像素晶體管。而且DTI（Deep Trench Isolation，深溝隔離）深度進一步加深，幫助更多光子進入了光電二極管。

換一個角度觀察，黃色方框是單個像素，可以清楚看到它由兩個子像素組成（雙光電二極管PDL與PDR），在像素晶體管放置到第二層CIS后，光電二極管能夠獲得更大的空間。

畫質(zhì)對比

為了驗證雙層晶體管像素技術(shù)畫質(zhì)表現(xiàn)，我們挑選搭載1英寸傳感器IMX989的小米13 Ultra與Xperia 1V做對比，機器固定在三腳架上，在中等照度下拍攝，均使用RAW格式拍攝（小米設(shè)置為Ultra RAW），12MP分辨率，感光度為ISO 400，后期使用Lightroom解碼。

需要特別說明的是，Xperia 1V的RAW大小會鎖定在22.9MB，小米13 Ultra會因感光度變化，RAW大小會在12MB上下浮動，在關(guān)閉Lightroom所有降噪處理后，畫面依然很干凈，幾乎沒有彩色噪點，表現(xiàn)比全畫幅傳感器還好，可以100%肯定小米13 Ultra的RAW是經(jīng)過“調(diào)味”的。因此我們不僅對比在關(guān)閉Lightroom銳化、降噪后兩款機器畫質(zhì)差異，還要開啟AI降噪+增強細節(jié)功能，深挖兩款機器的畫質(zhì)差異，看看雙層晶體管像素技術(shù)能有多神。

在關(guān)閉銳化、降噪后，小米13 Ultra畫面看起來更為干凈，不過在細節(jié)表現(xiàn)二者差異不大。

左：Xperia 1V，右：小米13 Ultra，下圖分別是畫面中心與邊角100%裁切

在使用AI降噪+增強細節(jié)，Xperia 1V明顯拉開了差距，畫面同樣干凈，而且細節(jié)更為豐富真實，如果你把照片放大200%觀看時能更明顯感受到Xperia 1V細節(jié)上的優(yōu)勢，而小米13 Ultra在AI功能加持下畫質(zhì)近乎沒有提升，在強大的算力支持雙層晶體管像素技術(shù)足以讓小底匹敵甚至超越大底。

左：Xperia 1V，右：小米13 Ultra，上方是關(guān)閉銳化、降噪時100%裁切，下圖是使用AI降噪+增強細節(jié)得100%裁切

結(jié)語：好技術(shù) 難普及

無論是從理論還是實測來看，雙層晶體管像素技術(shù)提升畫質(zhì)是相當(dāng)有效的，可不見得它能夠普及。我們知道芯片面積越大成本越高，堆棧式CMOS傳感器增加了至少一層硅片，相當(dāng)于增大了面積，導(dǎo)致成本上揚，結(jié)果至今只有蘋果和三星采用堆棧式傳感器，雙層晶體管像素堆疊式CMOS圖像傳感器使用三層硅片，成本大大飆升，恐怕連蘋果也不愿意使用，結(jié)果我們看到索尼Xperia 1V首發(fā)該傳感器局面。而且當(dāng)下是比拼紙面參數(shù)的年代，1英寸傳感器聽起來比1/1.35英寸雙層晶體管像素堆疊式傳感器更為厲害，更容易吸引消費者買單。

既然雙層晶體管像素技術(shù)成本更高，那單價更高、成本承受力更強的無反相機是否可率先普及呢？對此索尼官網(wǎng)上是把雙層晶體管像素技術(shù)列為“手機圖像傳感器”，堆棧式卻是“圖像傳感器通用”。無反相機傳感器尺寸更大，至少是4/3起，像素數(shù)量也不如手機激進（1.5億像素IMX411可是54*40mm超大傳感器），單個像素更大，轉(zhuǎn)移像素晶體管收益不如手機傳感器明顯，而且傳感器越大，增加層數(shù)時會導(dǎo)致成本上漲更明顯，所以目前只有旗艦或是次旗艦相機才會使用堆棧傳感器，成本激增的雙層晶體管像素技術(shù)只能列為“手機圖像傳感器”。雙層晶體管像素技術(shù)雖然好，但是普及是一件難事。

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