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在5月初，索尼推出了新一代旗艦手機(jī)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(jī)人氣實(shí)在擔(dān)不起宣傳新技術(shù)重任，人氣完全壓不住國(guó)內(nèi)一臺(tái)又一臺(tái)的1英寸底新機(jī)。不過(guò)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(shí)雙層晶體管像素技術(shù)誕生遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于Xperia 1V，在2021年12月11日舉辦的IEEE國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上索尼已宣布了這一技術(shù)。按照索尼官方說(shuō)法，該技術(shù)能夠?qū)ⅰ帮柡托盘?hào)量約提升至原來(lái)的2倍，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍并降低噪點(diǎn)，從而顯著提高成像性能”。

在過(guò)去10多年時(shí)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(shí)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(jìn)化。

雖然手機(jī)CMOS傳感器越做越大，比如說(shuō)國(guó)產(chǎn)安卓旗艦手機(jī)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(jī)，1英寸依然很小，而且手機(jī)傳感器像素高，50MP的IMX989即使像素四合一后，像素尺寸不過(guò)3.22μm。因此單個(gè)像素大小儼然是制約手機(jī)畫(huà)質(zhì)的關(guān)鍵因素，要想提升畫(huà)質(zhì)，用大傳感器換取大像素最有效辦法，不過(guò)在使用1英寸傳感器后手機(jī)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(xiàng)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(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由多個(gè)部分組成，雙層晶體管像素是負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換的光電二極管與控制信號(hào)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(shí)間內(nèi)能夠把更多光子轉(zhuǎn)換成電子，用房產(chǎn)的術(shù)語(yǔ)描述就是“得房率”更高了，畫(huà)質(zhì)自然更好。

不過(guò)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(gè)更強(qiáng)勁的ADC，這個(gè)ADC既可以用于提升傳感器讀取深度，也能用于提升畫(huà)質(zhì)。

雙層晶體管像素技術(shù)聽(tīng)起來(lái)非常美好，可是如何實(shí)現(xiàn)呢，TechInsights報(bào)告正好為我們揭示它是如何做出來(lái)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(wàn)，單個(gè)像素間距為1.12 μm ，每一個(gè)像素都采用左右光電二極管分列的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)PDAF對(duì)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(guò)最新的DBI CU連接起來(lái)（Direct Bond Interconnect CU，銅直接鍵合技術(shù)），不過(guò)兩層CIS是通過(guò)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(xiě)，能夠清晰看到第二層CIS通過(guò)金屬觸點(diǎn)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(jìn)一步加深，幫助更多光子進(jìn)入了光電二極管。

換一個(gè)角度觀察，黃色方框是單個(gè)像素，可以清楚看到它由兩個(gè)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(huà)質(zhì)對(duì)比

為了驗(yàn)證雙層晶體管像素技術(shù)畫(huà)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(duì)比，機(jī)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(shuō)明的是，Xperia 1V的RAW大小會(huì)鎖定在22.9MB，小米13 Ultra會(huì)因感光度變化，RAW大小會(huì)在12MB上下浮動(dòng)，在關(guān)閉Lightroom所有降噪處理后，畫(huà)面依然很干凈，幾乎沒(méi)有彩色噪點(diǎn)，表現(xiàn)比全畫(huà)幅傳感器還好，可以100%肯定小米13 Ultra的RAW是經(jīng)過(guò)“調(diào)味”的。因此我們不僅對(duì)比在關(guān)閉Lightroom銳化、降噪后兩款機(jī)器畫(huà)質(zhì)差異，還要開(kāi)啟AI降噪+增強(qiáng)細(xì)節(jié)功能，深挖兩款機(jī)器的畫(huà)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(huà)面看起來(lái)更為干凈，不過(guò)在細(xì)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(huà)面中心與邊角100%裁切

在使用AI降噪+增強(qiáng)細(xì)節(jié)，Xperia 1V明顯拉開(kāi)了差距，畫(huà)面同樣干凈，而且細(xì)節(jié)更為豐富真實(shí)，如果你把照片放大200%觀看時(shí)能更明顯感受到Xperia 1V細(xì)節(jié)上的優(yōu)勢(shì)，而小米13 Ultra在AI功能加持下畫(huà)質(zhì)近乎沒(méi)有提升，在強(qiáng)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(shí)100%裁切，下圖是使用AI降噪+增強(qiáng)細(xì)節(jié)得100%裁切

結(jié)語(yǔ)：好技術(shù) 難普及

無(wú)論是從理論還是實(shí)測(cè)來(lái)看，雙層晶體管像素技術(shù)提升畫(huà)質(zhì)是相當(dāng)有效的，可不見(jiàn)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(yáng)，結(jié)果至今只有蘋(píng)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(píng)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(tīng)起來(lái)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(fèi)者買單。

既然雙層晶體管像素技術(shù)成本更高，那單價(jià)更高、成本承受力更強(qiáng)的無(wú)反相機(jī)是否可率先普及呢？對(duì)此索尼官網(wǎng)上是把雙層晶體管像素技術(shù)列為“手機(jī)圖像傳感器”，堆棧式卻是“圖像傳感器通用”。無(wú)反相機(jī)傳感器尺寸更大，至少是4/3起，像素?cái)?shù)量也不如手機(jī)激進(jìn)（1.5億像素IMX411可是54*40mm超大傳感器），單個(gè)像素更大，轉(zhuǎn)移像素晶體管收益不如手機(jī)傳感器明顯，而且傳感器越大，增加層數(shù)時(shí)會(huì)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(jī)才會(huì)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(jī)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。