索尼和三星的CIS技术总结——手机CMOS传感器知识（完结篇）

（一）架构划分

• Gen1架构—背照式技术：

通过翻转晶圆让先制作好的电路部分藏到下面，再于翻转上来的原背部创建包括感光层、彩色滤镜和微透镜在内的集光结构，从而获得更低的像素间串扰、更高的感光能力、更大的电路规模等优势。

• Gen2架构—堆栈式技术：

由于Gen1的感光层除了像素区之外还有电路区，但这两者对于制程工艺的需求差异非常大且后者还占了额外的面积，所以就被分离成两层并堆栈在一起，从而获得了高画质、多功能、小型化的优势。

• Gen3架构—堆栈式 DBI 技术：

在Gen2的基础上，将负责堆栈连接的硅通孔技术换成了 DBI（铜互连）混合键合技术，因此预留给硅通孔的位置就可以省去了，从而实现进一步的小型化（同时还能提高读出速度和生产效率）。

• Gen4架构—三层堆栈式技术：

在Gen2的基础上，在像素层和电路层之间又多堆栈了一个DRAM层，这相当于自带了一个超大的缓存载体，可以一次性接收来自感光层整体曝光的所有信息，从而实现超高的读出速度。

• Gen5架构—堆栈式像素互连技术：

在Gen3的基础上，淘汰旁电路连接方案，直接让每个像素都实现与下面电路层的铜互连，从另一个技术方向实现了超高的读出速度，又兼具Gen3架构的原生优点。

• Gen6架构—三层堆栈式 DBI 技术：

在Gen3的基础上加入DRAM层，这相当于将Gen3的优点与Gen4的优点互相融合了，从而实现了极致的读出速度、极致的连拍速度、极致的HDR视频、极致的“果冻效应”控制能力。

• Gen？—双层晶体管技术：

除光电二极管和传输晶体管之外的其它三类晶体管，直接被分离成层，并用硅通孔技术堆栈在一起。

下面的电路层则通过铜互连堆栈（可见Gen3架构是基础），从而大幅提高了动态范围和信噪比。

• 小结：

Gen1架构算是CIS的里程碑技术节点了，现在很多相机端传感器还在用这个技术。

而从Gen2开始以及往上的那些架构，都在不断地堆料（提升电路性能和加入DRAM层），此外Gen2和Gen3架构还能明显缩小CIS面积。

但在优缺点与成本的综合考量之下，手机端普遍都还是Gen2架构，故近年来卷的都是大底、对焦、HDR等省力高效方案。

如今大底基本已经卷到头（背部凸起所限），所以下面的对焦技术和HDR技术便是关键“战场”了。

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（二）对焦技术

• 1，反差式对焦（简单费时）：

这是种仿人眼的对焦技术，原理最简单同时制造成本也最低。

技术原理类似于晕过去的人在陌生环境中，艰难睁开眼后所见场景由模糊转为清晰、接着转模糊、再转清晰并努力保持住一样。

至于缺点就是太折腾了，耗时过长对于抓拍和录像来说简直就是灾难。

• 2，相位对焦（省时碍事）/ 激光对焦 / TOF 对焦：

相位对焦是基于人眼测距原理的技术，日常人眼之所以能够不失焦皆依赖于这种测距原理，所以在熟悉环境中会倍感轻松（肌肉记忆定焦）。

正因如此，2014年由苹果首发的相位对焦技术，必须要设置一对掩蔽式的仿人眼相位差检测像素。但由于相位差检测像素被屏蔽了一半且数量有限，所以传统相位对焦在暗光环境中会很无力。

这时候无惧暗光环境的激光对焦便应运而生，后来又出现了测距更远的 dTOF 激光对焦模组，以及可以投射面光源从而得以检测相位差的高端 iTOF 对焦镜头。

• 3，全像素双核对焦（有俩遗憾）/ “2×1 OCL”双核对焦：

相位对焦虽然可以和反差式对焦、TOF 对焦一起组成高端的混合对焦，但由于相位对焦的掩蔽式像素并不参与成像，所以2016年三星率先商用的手机端双核对焦就登上了历史舞台。

其基于的还是相位对焦原理，但该技术的“两个眼睛”变成了一个像素里的两个光电二极管，要检测相位差时只要一开一合便可完成，最终成像还能无损合成！可惜其有两大遗憾——像素尺寸不能太小且缺少横向纹理检测能力。

这时候“2×1 OCL”双核对焦就充当了过渡技术，其既非全像素亦非单像素双核，而是将一块大微透镜直接覆盖了两个像素，从而组成了一双“大眼睛”，同时也避免了像素尺寸的限制。

• 4，全像素全向对焦（几乎完美）：

这是基于 Quad Bayer 排列的先进对焦技术，通过一块巨大微透镜直接覆盖四个子像素，从而获得了“米字对焦”能力——不管是左右还是上下亦或是对角线都能有像素参与相位对焦。

此外得益于 Quad Bayer 排列的四像素合一技术，其暗光对焦性能非常强悍，而且又不受像素尺寸的制约，可以说是完美解决了全像素双核对焦留下的两个遗憾。这么牛的技术，自然诞生得比较晚，其直到2020年三月份才由IMX689首发。

不过由于四个子像素共用了一个大微透镜，所以在高像素模式下会遇到 Quad Bayer 排列的解码算法问题，这对于解析力的影响很大——也就是说其最适用的还是像素四合一模式。

• 5，全像素八核对焦（接近完美）：

Quad Bayer 排列在多重曝光HDR技术方面也有独特优势，而与其结合的全像素双核对焦技术便可完美利用这个优势，同时由于合成时等效于拥有八个光电二极管的大像素故得此名。

具体来说就是在进行HDR拍摄时，长曝光、中曝光和短曝光的所有像素皆能获取相位差，这样就可以不受目标物亮度的影响从而实现高速对焦。

这是其它对焦技术皆不具备的优势，此外还没有全像素全向对焦的高像素模式之解析力尴尬，所以优势非常明显——在2020年三月尾由IMX700首发，不过其对像素尺寸依然有要求。

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（三）HDR技术

• A，多曝光HDR（有运动伪影）：

现在普遍使用的是 QBC-HDR 技术和 DOL-HDR 技术，其中前者基于 Quad Bayer 排列能够直接通过片上像素合成来完成多曝光HDR成像，速度快的同时HDR效果还很好。

而基于滚动电子快门特性的后者，则可让曝光与读出交织进行从而实现“准同时”曝光，这就能大幅改善前者所面临的“运动伪影”问题，同时还能保证优秀的HDR效果。

所以现在很多旗舰级的传感器，都拥有 DOL-HDR 技术。但是，多曝光HDR技术由于原理所限，“运动伪影”问题并不能根解，所以后面又出现了单曝光HDR技术。

• B，单曝光HDR（无运动伪影）：

首先就是豪威在OV48C上首发的双原生ISO融合技术，其通过一高一低的两套模拟放大电路，同时读出FD电容的转换增益，最终再将输出的两张照片合成高动态图像。

假如这个技术和双转换增益结合的话，还能成为更强大的HDR技术，因为其代表着有两个转换增益可以选择——这无疑又提高了最终成像的HDR量级。

最后就是三星在HP2上首发的双斜率增益技术了，其通过像素四合一模式，直接将两个转换增益同时应用到双原生ISO融合之中，也就是说最终成像的HDR量级又提高了！

C，动态范围量级（档、EV 和分贝）：

小米14系列这次为了宣传豪威的OV50H，竟然将相机端的动态范围量级搬了出来——其“档”和“EV”的动态范围单位估计看懵了很多不玩相机的用户，下面顺便说说这个单位。

实际上这两个单位是一个意思，只是叫法不同，那么对应的数值是怎么算出来的呢？其实很简单，就是通过求满阱容量和读出噪声之比值，然后再解以2为底的对数即可。现在很多旗舰级的微单原生动态范围才15档，放这可以做个参考。

一般手机传感器用得比较多的还是 dB（分贝）这个动态范围单位，与上面那个单位有简单的换算关系，即动态范围若提高12分贝那就对应提高了两档或者2EV的量级。