資訊：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？

(資料圖)

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，人氣完全壓不住國內(nèi)一臺又一臺的 1 英寸底新機(jī)。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(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)?" 飽和信號量約提升至原來的 2 倍，擴(kuò)大了動態(tài)范圍并降低噪點(diǎn)，從而顯著提高成像性能 "。

在過去 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，比如說國產(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 3.22 μ m。因此單個像素大小儼然是制約手機(jī)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(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復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由多個部分組成，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(qiáng)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(shí)現(xiàn)呢，TechInsights 報(bào)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 m ，每一個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(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(yàn)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(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(diǎn)，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(jī)器畫質(zhì)差異，還要開啟 AI 降噪 + 增強(qiáng)細(xì)節(jié)功能，深挖兩款機(jī)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(xì)節(jié)表現(xiàn)和差異不大 Xperia 1V。

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(qiáng)細(xì)節(jié)，Xperia 1V 明顯拉開了差距，畫面同樣干凈，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，而小米 13 Ultra 在 AI 功能加持下畫質(zhì)近乎沒有提升，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：好技術(shù) 難普及

無論是從理論還是實(shí)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(yáng)，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(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)的無反相機(jī)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(jī)圖像傳感器 "，堆棧式卻是 " 圖像傳感器通用 "。無反相機(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。