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小尺寸CMOS的未来?新发布的Sony Xperia 1 V双层晶体管像素堆栈技术

 人阅读 | 作者yiyi | 时间:2023-07-08 00:33

在上月的5月18日Sony发布了Xperia系列的全新一代旗舰产品,Xperia 1 V。Sony作为目前智能手机圈里最“奇葩”的存在,一直是广大消费者口中频频被调侃的对象,明明手握各种“黑科技”,但却在销量上屡遭滑铁卢,配合相对高昂的售价,被众人调侃为:这不是手机,这是索尼粉丝的“宗教用品”。

不过调侃归调侃,Sony每次旗舰手机的更新换代都是能给手机圈子带来一些新鲜技术的,比如之前的光学可变焦段的手机镜头,或是Xperia Pro-i上的一英寸传感器,别管方向对不对,其探索的精神还是值得肯定的,而本次发布的Xperia 1 V自然也不能丢了传统,自然也是搭载了Sony全新的“黑科技”。

从外观来看,本次Xperia 1 V还是Sony Xperia 1系列的祖传设计,正面配备21:9的4K 120Hz OLED宽屏,这块屏幕不管是大小,还是比例,又或是其4K的分辨率,都是独树一帜的存在。其保留了对称的额头和窄下巴,并且背面和主流的旗舰机不一样,并没有采用“大饼”镜头模组,而采用了竖向镜头模组设计,看起来非常简约。而侧边则采用了V型凹槽设计,可在拍摄或观看时防止手机滑落,稳定握持。

而硬件方面,就是十分普遍的2023年旗舰机器的配置,平平无奇,骁龙8 Gen2处理器,配合上5000mha的电池,对比国产机型十分缓慢的33W充电。但是值得一提的是,Xperia 1 V只有惊人的8.54mm厚和187g的重量,在这个旗舰机普遍奔着半斤重量去的时代,Xperia 1 V能同时兼顾大电池和轻薄,在设计上多多少少有一点“黑科技”了。

而该机最大的卖点,也是本篇要着重挖掘的则是Sony全新的影像传感器“黑科技”——Exmor T双层晶体管像素堆栈式影像传感器。早在2021年末,Sony就公布了这种CMOS传感器技术的存在,而本次所发布的Xperia 1 V则是首次将此项技术推向消费端市场。根据官方的介绍,这枚全新的传感器在不扩大传感器面积同时,还可以让传感器的进光量翻倍。换句话说,这次Xperia 1 V的这款IMX888传感器,虽然只有1/1.35英寸,但进光量是要比那些一英寸的传感器还要大,从而获得更强的影像能力。

相信各位对于Sony影像传感器的实力都看在眼里,作为全世界最大、也是最先进的CMOS制造商,在影像技术上自然是走在最前,而本次所首发的Exmor T双层晶体管像素堆栈式影像传感器,在笔者看来绝对是小尺寸CMOS未来的重点发展方向之一。

自人类的数字影像技术诞生以来,随着技术的进步,从CCD到CMOS,从前CMOS的照式发展到背照式又发展到堆栈式,其解决的问题也是在进步的。比如,前照式CMOS(FSI)主要的问题是,感光面积不足,QE 效率低(QE效率为量子效率,是指成像设备可以转换成电子的入射光子的百分比),因此引入了无缝微透镜,使得相机在弱光环境下的表现获得了巨大的提升;随着技术的进步,高灵敏地捕捉环境光线已经不是问题,新的瓶颈来到了传感器的本底噪声和读出速度,因此背照式CMOS(BSI)出现了,由于背照式将传感器布线移动到了感光元件的后面,使得布线密度可以极大增加,不用担心过密的布线遮挡光线的问题,所以使得CMOS计算能力极大增加,第一个采用次技术的索尼的 a7RII,凭借着 42.4MP 的高像素、高画质和相对的高速展示了背照式传感器的威力。

堆叠式CMOS图像传感器结构

而到了今天,在各家手机影像发展到瓶颈之时,Sony推出了双层晶体管像素堆栈技术,为的就是解决手机影像传感器尺寸小,进光量小的问题。虽然,到2023年,各家手机旗舰的影像传感器已经来到了一英寸大小,但是对比相机还是太小了,而手机内部寸土寸金,传感器尺寸终归还是有上限的,如何在有限的大小提高进光效率呢,Sony交出了自己的解决方法。

双层晶体管像素堆栈技术就是将感光层和和电压读出层分开制造到两片晶圆之上,再通过先进的互联技术将两个层连在一起。由于感光层和电压读出层可以分开设计,因此感光层每个光电二极管可以在总体面积不变的情况下,其体积可以进一步扩大,因而提升了满井容。怎么做到总面积不变,而容量更大呢?打个比方就是,如果有一个杯子,杯口大小是确定的,我想要让它容积更大,那我只能把杯子做得更深。满井容更大就意味着在光线充足时,CMOS将有更好的动态范围和信噪比;

双层晶体管像素堆叠带来的更深的“杯子”

再加上电压读出层和感光层分开,使得感光层可以完全用于感光,大大提升了其面积利用,也就是填充效率(Fill Factor)的参数对比传统CMOS会有一个明显得提升;还是得益于电压读出层的分开,使得读出层的电路密度也可以进一步提升,从而获得一个更小的读出噪声。

Sony的论文中,可以看到感光面积十分巨大

总得来说,在现在这个各家手机厂商都在玩命卷影像的时代,在这个各家旗舰都用上1英寸传感器的时代,Sony的双层晶体管像素堆栈技术似乎给手机影像指出了另一条道路,也许,在摄影圈流传的那句“底大一级压死人”的流行语,该被科技的进步所改变了。

本次Xperia 1 V所使用的主摄CMOS imx888,只有1/1.3但其理论进光量已经和自家的一英寸CMOS基本上持平。现在,我们有理由相信,索尼开发Xperia系列手机,不光只是当做手机产品来卖,同样也有一种给业界宣传的作用,为了展示自家的CMOS技术和影像理念。如果我们顺着这个思路来想,就不难理解为什么Sony供应了大量的手机中的一英寸CMOS(imx989),而自家最新产品却没有搭载这块有口皆碑的产品。所以,与其说Xperia系列手机销量惨淡,倒不如说,Xperia系列更像是Sony的一次“展会”,以一个具体的产品,来展示自己的“黑科技”。

作者:ZongYu 来源:公众号ID:EEPWweixin


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