技術(shù)分析18期:背照式和堆棧式攝像頭元件

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  【手機評測】現(xiàn)在 智能手機 的攝像頭無論從硬件,拍照性能上,比以往都有了翻天覆地的變化,以往我們手機的攝像頭還是處于30萬, 200萬像素 的階段,但轉(zhuǎn)眼間, 手機攝像頭 已經(jīng)到了主流的800萬甚至是1300萬了。除了在像素上的提高,另一個攝像頭的核心組件,攝像頭的傳感器也是取得了很大的進步,現(xiàn)在主流的手機的攝像頭均采用了 背照式 和堆棧式兩種類型的傳感器,那么它們之間有什么不同呢,接下來筆者就給大家科普一下。

攝像頭

背照式傳感器

  首先我們先來看一看現(xiàn)在普遍流行的背照式傳感器和傳統(tǒng)型的之間有什么不同。傳統(tǒng)型攝像頭的傳感器的整個光電二極管位于感光芯片的最下層,傳感器的A/D 轉(zhuǎn)換器 和放大電路位于光電二極管的上層位置,所以光電二極管到透鏡的距離是比較遠的,光線到達要求也會更加高。

  除此之外,傳統(tǒng)感光芯片上層的線路連接層還會出現(xiàn)光線的反射,影響到達光電二極管的光線強度,從而使傳感器的受光量減少。所以在一般的情況下,傳統(tǒng)型攝像頭傳感器在日光較為充足的時候拍照是沒什么問題的,但在弱光的情況下表現(xiàn)就會顯得有點“捉襟見肘”了,較難在低光環(huán)境下拍攝出明亮,質(zhì)量好的照片。

背照式和堆棧式攝像頭對比
傳統(tǒng)和背照式 CMOS 結(jié)構(gòu)對比

  為了改善這一種狀況,于是背照式傳感器就有了它存在的意義了,相比起普通的傳感器,搭載背照式傳感器的攝像頭能夠在弱光環(huán)境下,提高約30%—50%的感光能力,能夠在弱光下拍攝更高的質(zhì)量的照片。

背照式和堆棧式攝像頭對比
背照式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

  那么為什么背照式傳感器的感光能力能夠提高這么多呢?那是因為背照式傳感器簡單來說就是比以往的傳感器更薄,具有更佳的畫質(zhì)和更低的噪點等特性。它把感光層與基質(zhì)的位置互換,直接與透光面接觸,因而減少了中間環(huán)節(jié)光線的損失,并且在透光面上每個對應(yīng)的像素表面都改為透鏡的形式,更集中地匯聚了外界的光線到對應(yīng)的像素點上,減少了像素之間多余的光線干擾(也簡稱增加了開口率)。

堆棧式傳感器

  堆棧式傳感器是由索尼最新推出的一款手機攝像頭傳感器,英文名稱叫做“Stacked CMOS”,采用了“堆棧式結(jié)構(gòu)”(stacked structure)。其實背照式和堆棧式傳感器都是由索尼推出的,前者的品牌名稱叫“Exmor R ”,而后者就是“Exmor RS”,所以由此可以看出,堆棧式傳感器是背照式的一個全新升級版本。

背照式和堆棧式攝像頭對比
Exmor RS堆棧式傳感器

背照式和堆棧式攝像頭對比
堆棧式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

  從以上堆棧式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖中我們可以看到,新升級的堆棧式傳感器是將原來傳感器里的 信號 處理電路放到了原來的基板上,在傳感器芯片上重疊形成背照式傳感器的像素部分,因此能夠?qū)崿F(xiàn)在較小的傳感器芯片尺寸上形成大量像素點,可以把騰出來的空間放置更多的像素。另外,傳感器里的像素點和電路是分開獨立的,所以像素點部分可以進行更高的畫質(zhì)優(yōu)化,電路部分亦可進行高性能優(yōu)化。

背照式和堆棧式攝像頭對比
背照式和堆棧式傳感器對比

  而現(xiàn)在,國內(nèi)外眾多手機生產(chǎn)廠商的旗艦智能手機的攝像頭都紛紛采用了堆棧式的傳感器,那么相比起背照式傳感器的攝像頭,堆棧式傳感器又有哪些不同呢?其實,堆棧式傳感器是由背照式所發(fā)展而成的,由上圖可以看出,背照式傳感器是將感光層的光電二極管的位置換了一下,而堆棧式傳感器則是把信號回路位置互換。而且,堆棧式傳感器比背照式的的體積更加小,畫質(zhì)方面也是作了更加好的優(yōu)化。

背照式和堆棧式攝像頭對比
堆棧式感光元的RGBW編碼技術(shù),左為背照式,右為堆棧式

  除此之外,堆棧式傳感器相比起背照式的還擁有兩項技術(shù)來提升畫質(zhì)的。第一個就是堆棧式傳感器加入了RGBW的編碼技術(shù),就是是由原來的R(紅),G(綠),B(藍)三原色像素點中再加入W(白)像素點來提升畫質(zhì),提高傳感器的感光能力的,使攝像頭在暗光環(huán)境下也能夠拍攝出質(zhì)量更高的照片。

背照式和堆棧式攝像頭對比
背照式HDR和堆棧式硬件HDR樣張對比

  第二項就是堆棧式傳感器更加是支持硬件HDR功能,硬件HDR英文名稱叫做“In-cam era HDR”,它實現(xiàn)的原理是能夠精確地單獨控制每一行像素的曝光時間,從而在傳感器層面上就實現(xiàn)原生的高動態(tài)范圍渲染,有別于之前的軟件HDR技術(shù)一樣需要軟件,照相機綜合算法來合成,所以照片生成的速度更快,而且可以實現(xiàn)HDR錄像。

總結(jié)

  從以上的介紹可以看出,堆棧式傳感器是從背照式傳感器進化提升而來的產(chǎn)品,也是由背照式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,堆棧式傳感器吸取了背照式的優(yōu)勢地方,再彌補了其劣勢的地方,進行了更加全面的優(yōu)化升級。除此之外,堆棧式傳感器還可以兼顧背照式結(jié)構(gòu)的設(shè)計,使到攝像頭的拍攝畫質(zhì)有了很大的提高。

  所以到現(xiàn)在,越來越多的手機生產(chǎn)廠商推出的手機的攝像頭采用了堆棧式傳感器,憑借更優(yōu)秀的表現(xiàn),堆棧式傳感器將會成為日后手機攝像頭的主流。

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