蘋果高動態(tài)范圍CMOS專利曝光！性能超越專業(yè)電影機(jī)？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）前幾天電子發(fā)燒友網(wǎng)曾報道了近年來智能手機(jī)CMOS圖像傳感器的高動態(tài)范圍趨勢，最近蘋果也獲得了一項名為“具有高動態(tài)范圍和低噪聲的堆疊像素圖像傳感器”的專利，同樣是針對高動態(tài)范圍CMOS。

下面我們簡單看下蘋果的專利里是如何做到高動態(tài)分為CMOS的。

立體堆疊架構(gòu)+LOFIC+電流存儲電路+3T像素

目前傳統(tǒng)的圖像傳感器主要使用4T像素結(jié)構(gòu)，包含四個晶體管：傳輸門、復(fù)位門、選擇門和源極跟隨晶體管，通常是基于單片CMOS工藝制造，所有的晶體管位于同一硅晶圓平面上。

其中，傳輸門的存在，是實現(xiàn)CDS雙關(guān)雙采樣以及降低噪聲的關(guān)鍵，主要是得益于其精準(zhǔn)控制光電荷轉(zhuǎn)移的能力。CDS的核心思想是通過兩次采樣，包括復(fù)位后噪聲采樣+光電荷轉(zhuǎn)移后信號采樣，利用差值計算消除固定模式噪聲（FPN）和熱噪聲（kTC噪聲）。

而另一種方向是采用3T像素的結(jié)構(gòu)，在4T像素基礎(chǔ)上省略了傳輸門，由于結(jié)構(gòu)的簡化，占地面積更小，也更適合高密度像素的設(shè)計。但這樣帶來的就是傳感器噪聲更高，需依賴額外電路或算法補(bǔ)償噪聲。

那么為什么要用3T像素結(jié)構(gòu)？蘋果是通過采用立體堆疊架構(gòu)，加入LOFIC電路以及噪聲補(bǔ)償?shù)碾娐?，在實現(xiàn)高像素密度的同時，兼顧超高動態(tài)范圍以及低噪聲。

具體來看，蘋果這份專利的核心架構(gòu)是立體堆疊，將傳統(tǒng)集成于一體的CMOS傳感器拆分為上下兩層獨立的芯片。

傳感器芯片位于上層，直接面向光線。這一層被極致簡化，專注于最純粹的光電轉(zhuǎn)換任務(wù)，主要包含光電二極管（Photodiode）和LOFIC電路。

邏輯芯片位于下層，負(fù)責(zé)所有復(fù)雜的數(shù)字和模擬信號處理，包括創(chuàng)新的電流存儲電路、列讀出電路以及時序控制邏輯。

這種分離式設(shè)計帶來了顯著優(yōu)勢。首先，兩層芯片可以采用各自最優(yōu)的半導(dǎo)體制程。例如，傳感器層可使用針對光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化的特種工藝，而邏輯層則可采用更先進(jìn)、更成熟的CMOS工藝，以實現(xiàn)更高的晶體管密度和更低的功耗。其次，它為像素下方騰出了寶貴的物理空間，使得集成復(fù)雜的像素級電路（如噪聲感應(yīng)電路）成為可能，這是實現(xiàn)顛覆性降噪的關(guān)鍵前提。最終，這種高度集成化的設(shè)計有助于打造出更纖薄的傳感器模組，完美契合移動設(shè)備對空間寸土寸金的要求。

LOFIC（橫向溢出積分電容）目前市面上已經(jīng)有一些CMOS傳感器應(yīng)用，比如豪威、思特威等都已經(jīng)量產(chǎn)采用LOFIC技術(shù)的CMOS傳感器產(chǎn)品，主打高動態(tài)范圍的特性。

簡單來說，如果將電容形容成一個水池，水池中的水代表進(jìn)光量，那么LOFIC就是通過多個可連通的水池，根據(jù)水量來動態(tài)分配每個水池中的水量，避免溢出或是水太淺，即避免高光過曝和暗光環(huán)境進(jìn)光量不足。

根據(jù)專利文件描述，蘋果設(shè)計了一套精巧的多級電荷存儲系統(tǒng)：

第一級 (低光): 浮動擴(kuò)散節(jié)點 (Floating Diffusion Node, FD) 本身，用于捕捉低光環(huán)境下的微弱信號。

第二級 (中等光): 一個容量較?。s20fF）的電荷存儲電容，通過第一個LOFIC晶體管與FD連接，用于存儲中等強(qiáng)度的光信號。

第三級 (高光): 一個容量較大（約500fF）的電荷存儲電容，通過第二個LOFIC晶體管與小電容串聯(lián)，用于容納高光場景下的大量電荷。

在信號讀出時，系統(tǒng)會依次讀取這三級存儲的電荷量，從而在單次曝光內(nèi)完整記錄下從極暗到極亮的全部光線信息。專利聲稱，該設(shè)計可實現(xiàn)高達(dá) 120dB的動態(tài)范圍，相當(dāng)于近20檔的動態(tài)范圍，而目前頂級的專業(yè)電影攝影機(jī)ARRI ALEXA 35僅為17檔。

這意味著，搭載該技術(shù)的iPhone將能從根本上解決大光比場景的拍攝難題，無需多幀合成的計算攝影，即可獲得光影細(xì)節(jié)無比豐富的“原生HDR”影像。

在降噪方面，蘋果創(chuàng)新地使用了“電流存儲電路”，該電路在每個像素對應(yīng)的邏輯芯片區(qū)域都集成了一個。

電流存儲電路工作原理可以概括為一個精密的“采樣-相減”過程，完全在硬件層面完成：

第一次讀出 （信號+噪聲）: 在曝光結(jié)束后，系統(tǒng)首先進(jìn)行一次常規(guī)讀出，獲取包含了真實光信號和各類噪聲（主要是熱噪聲kTC）的混合信號。

像素重置與噪聲采樣: 隨后，系統(tǒng)立即對像素進(jìn)行重置（Reset），并立刻進(jìn)行第二次、專門的“噪聲讀出”。由于此時沒有光信號，讀出的便是一個純粹的噪聲樣本。這個噪聲信號被邏輯層的“電流存儲電路”通過內(nèi)部的采樣電容精確地“捕獲”并“記憶”下來。

硬件級噪聲消除: 最后，邏輯芯片中的相關(guān)雙采樣（Correlated Double Sampling, CDS）電路，將第一次讀出的（信號+噪聲）值，減去被“電流存儲電路”記住的純噪聲值。

通過這一系列高速操作，噪聲在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之前，就在模擬域被精準(zhǔn)地剝離。這是一種“實時、原位”的物理降噪，相比于后期通過AI算法猜測并涂抹噪聲，其優(yōu)勢是壓倒性的。它能最大程度地保留圖像的原始細(xì)節(jié)，使得即便在極低光照條件下，也能獲得異常純凈、清晰的圖像。

那么應(yīng)用到手機(jī)上，帶來的就是在夜間暗光環(huán)境下，也能夠得到低噪點、純凈的畫面。

量產(chǎn)難題

不過，這一系列技術(shù)要集成到CMOS圖像傳感器上，對制造工藝提出了相當(dāng)高的要求，要實現(xiàn)量產(chǎn)還要解決很多問題。

首先是立體堆疊工藝帶來的良率問題，傳感器芯片與邏輯芯片的堆疊，特別是實現(xiàn)兩者間高密度互聯(lián)的Cu-Cu混合鍵合技術(shù)，是目前半導(dǎo)體制造的尖端領(lǐng)域。它要求兩片晶圓在原子級別的精度上對準(zhǔn)并鍵合，任何微小的偏差都可能導(dǎo)致整個芯片報廢。此外，連接兩層的硅通孔（TSV）蝕刻工藝，其深度和精度也直接影響著良率。這些復(fù)雜工藝在初期必然導(dǎo)致極高的制造成本和較低的良品率。

其次，LOFIC電路的集成，需要在微米級的像素單元內(nèi)，要精確制造多個不同容值的電容器和控制其通斷的微型晶體管，是一項巨大的挑戰(zhàn)。電容值的精確性、漏電控制以及電容間的信號串?dāng)_，都是必須解決的難題，對光刻、蝕刻和薄膜沉積工藝的穩(wěn)定性要求極高。

還有電流存儲電路的一致性問題，由于每個像素之間都有對應(yīng)的電流存儲電路，那么如何確保每個像素的噪聲采樣和消除過程都精準(zhǔn)無誤，保持高度一致，是電路設(shè)計和制造中需要攻克的關(guān)鍵難點。

綜合來看，蘋果這份CMOS專利技術(shù)未來還是有機(jī)會實現(xiàn)量產(chǎn)的。疊層架構(gòu)和LOFIC技術(shù)在汽車和工業(yè)成像領(lǐng)域已有初步應(yīng)用，像豪威、思特威、索尼等廠商都已經(jīng)實現(xiàn)部分產(chǎn)品的量產(chǎn)，證明了其技術(shù)方向的可行性。同時這也說明，高動態(tài)范圍的方向，已經(jīng)成為手機(jī)影像行業(yè)的一個核心方向，未來四到五年，圖像傳感器領(lǐng)域可能又將迎來一輪新的技術(shù)大爆炸。