堆栈式cmos(堆栈式是什么意思)

前阵子佳能推出搭载佳能首款自研背照式堆栈式CMOS图像传感器的极速旗舰EOS R3，但是很多朋友说堆栈式CMOS已经存在很久了。相信很多人对相机的图像传感器知之甚少。今天我就和大家分享一些关于图像传感器结构的知识。

还是CCD？

数码单反发展初期，有一个“路线之争”，就是选择CCD图像传感器还是CMOS图像传感器。首先，无论哪种图像传感器，原理都是将外界的光信号转化为电信号。通过ADC数模转换器将电信号从模拟信号转换为数字信号，然后通过ISP图像处理器对接收到的数字信号进行处理，最后作为图像输出。

CCD的全称是ChargeCoupled Device，是贝尔实验室在1969年发明的。CMOS的全称是complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体图像传感器，是集成电路的一种设计工艺，有着广泛的用户。相对而言，CCD在初期具有分辨率高、灵敏度好、全局快门的特点，而CMOS具有高集成度、低功耗、低成本的特点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺，可以利用现有的半导体设备，不需要额外投资设备，质量可以随着半导体工艺的提高而提高。随着工艺水平的提高，CMOS图像传感器很快解决了分辨率和灵敏度的劣势，价格和录像在大尺寸元器件上的优势更加明显，直接导致了CMOS的全面胜利。

目前CCD图像传感器多用于一些对特殊领域性能要求高，对成本无所谓的领域。例如，天体摄影将使用冻结的CCD、医用X射线图像和一些需要长时间曝光的科学应用。而那些十几年前在社交平台上吹嘘的二手CCD相机，一般都被归为“工业垃圾”。同样的价格，可以买到同时代的全画幅单反相机，强烈不值得入手。

在单反数字化的早期，家家都在尝试使用CCD作为图像传感器，但在2002年，佳能和柯达相继发布了使用CMOS图像传感器的全画幅单反相机。从那以后，佳能再也没有用CCD作为单反的图像传感器，致力于走CMOS路线。

当然，并不是所有的厂商都选择CCD或者CMOS。适马选择了X3传感器。2002年，适马推出了世界上第一款配备FOVEON X3传感器的数码单反相机SD 9。直到今天，只有适马相机与FOVEON X3传感器可用。

虽然索尼在2003年没有涉足相机市场，但宾得在2003年发布了第一款数码单反相机*ist D，使用的是索尼生产的631万像素CCD。2017年，索尼正式停止开发CCD图像传感器，索尼最后一款CCD单反相机也要追溯到2010年的索尼a390。

后援？堆叠？它们是什么？

如果说CCD和CMOS之争是电路之争，那么背照式CMOS和堆叠式CMOS就是CMOS图像传感器的进化路径。

如前所述，CMOS具有高集成度的特点，因此很多电影摄像机领域的顶级厂商选择将ADC数模转换器集成到CMOS中，以提高峰值输出性能，并获得良好的效果。2007年，索尼推出了Exmor CMOS，它在一个小传感器上实现了集成ADC的功能。2008年，索尼推出了著名的IMX028，就是索尼a900和尼康D3X上用的那个。自此，索尼CMOS的性能逐渐与外接ADC的佳能CMOS拉开了显著的差距。

2008年，索尼继续高歌猛进，推出BSI背照式CMOS，索尼称之为Exmor R，在预照式CMOS时代，拜耳阵列滤光片和光电二极管之间有大量金属线，阻挡了大量光线进入传感器表面。在背照式CMOS结构下，金属布线转移到光电二极管背面，光线不再被阻挡，信噪比大大提高。此外，可以使用更复杂和更大规模的电路来提高传感器的读取速度。最先吃到背照式CMOS红利的不是相机产品，而是苹果的IPHONE 4S，随后1寸卡片机领域开始大规模使用。即使是佳能和松下，他们可以生产自己的CMOS传感器，也采用了索尼的背照式CMOS。

背照式CMOS之后的工艺升级是铜互连工艺。与之前的铝互连工艺相比，电阻降低40%，芯片运行速度提高15%，尺寸更小。同时为芯片增加互连层数提供了可能。也就是说，没有铜互连工艺，就没有后来的叠层CMOS。2012年尼康推出的D600采用了IMX128传感器，相比尼康D3X在速度上有了质的提升。这就是铜互连工艺带来的进步。索尼从Alpha 7R II开始推动这一工艺的升级。

2012年，索尼发布了堆栈式CMOS结构，并将其命名为Exmor RS。这种结构在背照式CMOS的基础上有更多的ADC和内置的DRAM存储芯片，意味着CMOS的读取和处理速度更快。2015年，索尼推出搭载堆栈式CMOS的卡片机RX100 IV，拥有每秒24帧的超高速连拍性能。之后索尼进一步升级了RX100 VII上的堆栈式CMOS，拥有20帧/秒的连拍，不黑屏。

用人类的话来说，这些新技术是:内置ADC提高容忍度，背照式CMOS提高光输入，铜互连技术和堆叠式CMOS提高读取速度。

那么传感器的升级点是什么呢？

虽然索尼在相机/手机的CMOS领域仍然领先于佳能/三星/OV，但相比于安森美半导体，阿莱、索尼、佳能等几个高端品牌的供应商还有很多功课要补，其中我认为最重要的就是佳能研发成功的双增益成像图像传感器技术。

这项技术需要在CMOS中集成两个ADC，一个ADC通道读取14位高增益信号，另一个ADC通道读取14位低增益信号，最后由处理器进行HDR处理，以合成一幅16位高容差图像。赖很早就实现了这个功能，而佳能在相机C70上安装了这个CMOS。目前相机/手机领域还没有这样的产品，但相信随着时间的推移，会有厂商尝试这个功能点。

这就是本期的内容。看完之后，你对传感器有所了解吗？