【相机知识详解】7/10 速度是制胜的关键

        本篇文章包含对果冻效应、前照式与背照式、堆栈式和DRAM层，以及Gen1~Gen6的工艺迭代的介绍与讲解。

如未了解过前面的相关知识，建议先看一下之前的文章

传送门：
CV9177067   前言
CV9266076   基础篇（上）
CV9340341   基础篇（下）
CV9377605   手机中的算法
CV9518899   杂项
CV9529972   CIS的大致组成

CV9710875   对焦计算的原理

在无反时代，CIS一个人担起了所有，因此它的速度直接代表了无反相机的性能

一、果冻效应

        当读出CIS接收到的信息时，需要通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。但在成本制约下，此过程只能以行为单位，逐行读出。该过程所需的时间与ADC的速度和后端芯片对数据处理的速度有关；这种曝光方式称为卷帘快门。

        当某物的像水平扫过CIS时，像的下部（物体的上部）先开始和结束曝光，因此拍摄出的物体的图像会向运动的反方向倾斜，当录制视频频繁出现这种现象时，画面会像果冻一样，因此称为果冻效应。

        当画面的光源闪烁时，例如交流电频闪，就相当于一个以极高速度移动的物体周期性出现，最终在画面中留下条纹。

二、CIS的结构

1.前照式（FSI）与背照式（BSI）：

        在OCL与CFA后，是像素层和电路层（这里的电路层的作用是传导电信号）。有些CIS的像素层上方会先是电路层，而较新的CIS则是先像素层后电路层。

        以往工艺落后时，无法将电路层做在像素层下方，即滤光片后先是电路，后是像素，这种称为前照式，反之称为背照式。

        相比FSI，BSI具有低功耗、低噪声、透光量高（高QE）的优点。近期随着FSI技术的提升，透光量低和高噪声的问题有了较大改善，但功耗依然很高。

        目前绝大多数SONY的CIS均为背照式（截至目前，SONY的A6000系列APS-C画幅相机使用的为前照式），绝大多数Canon的CIS为前照式，这使得即便二者电池的容量相似，但Canon的微单续航要比SONY的新机型短。

 

2.堆栈（Stacked）式：也称堆叠式。

        在非堆栈CIS上，除了像素本身占用面积，还有处理电路（与FSI、BSI中的电路不是同一个），其作用主要是对ADC后的电信号进行预处理，布置在感光区域的外围。

        和CPU一样，它的制程在一定程度上越高越好。普通的CIS在晶圆上进行光刻时，只能采用相同的制程，因此为了提高制程和处理的效率，将处理电路和像素分别制作后堆叠在一起，称为堆叠式传感器。

        堆叠式传感器大幅提高了读取速度，此外由于将处理电路放在了感光区域的下方，因此减小了CIS的体积。

        世界首款堆叠式CIS由SONY开发并首先应用在手机上，SONY给其商标为Exmor RS（BSI为Exmor R）。

        目前堆叠式CIS主要运用在手机CIS上，近年几乎所有手机CIS都为堆叠式；在相机上只有极少数采用堆叠式CIS，其中包含SONY的速度旗舰α1和α9的CIS。

 

3.DRAM层（DRAM，Dynamic RAM）：

        在堆叠式中，电信号的处理速度大幅提升，但若不及时输出，仍会限制读出速度加剧果冻效应。因此加设DRAM层以临时存储数据，可大幅提升读取速度。

        α1采用的CIS中便有DRAM层，因而能做到4ms的读取速度，在民用CMOS微单中首次做到电子快门的闪光灯同步。

 

4.CIS的工艺与结构：

        Gen1为普通的背照式（前照式是最传统的，在Gen1之前），Gen2为普通的堆叠BSI。

        Gen4为Gen2升级，加入第三层堆叠（例如上文提到的DRAM）。Gen3也为Gen2的升级，将硅穿孔（TSV）改成DBI，从只能在芯片周围开孔改为可以在芯片的任意位置开孔。

        Gen5为Gen3升级，可以做到像素级的直连。Gen6在Gen5的基础上做到3层堆叠。具体的我也不会了，看到过的图片都放上了。

图一：SONY采用DBI的CIS不需要专门的TSV区域，因此像素面积占比更高

图二：像素直连可以在像素区域的下方，而TSV只能在像素的周围

        更先进的工艺不会直接影响CIS成像的画质，其根本目的是提高CIS的速度和增加一些其它的功能，从而如在手机上，可以在相同时间内得到更多的图像，达到更好的HDR合成等等。       

        目前手机CIS中，已知的Gen4为imx345、imx400； Gen5为imx563；Gen6为imx445、imx555、imx557.

        对于相机，提升CIS速度的好处不仅仅是减少了果冻效应。由于无反相机的对焦工作也依赖于CIS，因此CIS的速度提升后还可以提高相机追焦、测光等的速度，例如α9可以做到每秒60次对焦测光计算，而α1更是高达120次。

目录：

下一篇涉及机械快门、电子前帘、电子全域快门的讲解
将于2.16左右发布

        我不是专门学这个的，这些知识都是我在购买相机前，以及个人兴趣从网上的文章中学的，结合自己的理解写的这一系列的文章。或因为原文章本身有误，或因为我的记忆或理解出现差错，不能保证文章的内容都是正确的。如果文章中有错误，可以在评论区指出或私信与我讨论。