资讯：Xperia 1V 首发索尼黑科技 CMOS 传感器 能打破 1 英寸大底迷信么？

(资料图)

在 5 月初，索尼推出了新一代旗舰手机 Xperia 1V，它主摄像头首次搭载了双层晶体管像素堆叠式 CMOS 图像传感器 IMX888，黑科技满满。可惜的是索尼手机人气实在担不起宣传新技术重任，人气完全压不住国内一台又一台的 1 英寸底新机。不过近日 TechInsights 发表了关于双层晶体管像素技术曝光，加上 Xperia1 V 上市，让我们可以更深入了解这一技术。

技术原理

其实双层晶体管像素技术诞生远远早于 Xperia 1V，在 2021 年 12 月 11 日举办的 IEEE 国际电子设备会议上索尼已宣布了这一技术。按照索尼官方说法，该技术能够将 " 饱和信号量约提升至原来的 2 倍，扩大了动态范围并降低噪点，从而显著提高成像性能 "。

在过去 10 多年时间里，索尼一直是 CMOS 图像传感器技术领导者，先是用铜互连技术代替铝互联技术，大大降低传感器的功耗与发热量，接着是 BSI 代替 FSI，让传感器获得更高的量子效率，冲击更高的感光度，堆栈式结构实现了传感器集成大规模数字电路，大大提高传感器读取速度，新的双层晶体管像素技术可以视为堆栈式结构的进化。

虽然手机 CMOS 传感器越做越大，比如说国产安卓旗舰手机已经普及了 1 英寸传感器——索尼 IMX989，但是相比可换镜头相机，1 英寸依然很小，而且手机传感器像素高，50MP 的 IMX989 即使像素四合一后，像素尺寸不过 3.22 μ m。因此单个像素大小俨然是制约手机画质的关键因素，要想提升画质，用大传感器换取大像素最有效办法，不过在使用 1 英寸传感器后手机厚度已大幅度增加，继续增大传感器尺寸真得成板砖了，而双层晶体管像素正是一项不增加传感器大小又能增加像素大小的技术。

CMOS 传感器的像素是一个复杂结构，由多个部分组成，双层晶体管像素是负责光电转换的光电二极管与控制信号的像素晶体管分离到不同硅片，这样位于第一层硅片的光电二极管得以占据像素晶体管空间，在相同时间内能够把更多光子转换成电子，用房产的术语描述就是 " 得房率 " 更高了，画质自然更好。

不过光电二极管和像素晶体管分离只是第一步，由于第二层硅片不用放置光电二极管，不但容纳了除了像素晶体管之外的像素晶体管（包含复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管），而且拥有更多空间放置大尺寸放大晶体管，也就是获得一个更强劲的 ADC，这个 ADC 既可以用于提升传感器读取深度，也能用于提升画质。双层晶体管像素技术听起来非常美好，可是如何实现呢，TechInsights 报告正好为我们揭示它是如何做出来的。TechInsights 拆解、分析了索尼 Xperia 1V 上的 IMX888，传感器的大小为 11.37 x 7.69mmm，总像素为 4800 万，单个像素间距为 1.12 m ，每一个像素都采用左右光电二极管分列的结构，以实现 PDAF 对焦。整块传感器共有三片硅片构成，从微透镜方向数起（图中从下向上），分别是第一层 CIS（CMOS Image Sensor）、第二层 CIS 以及 ISP，其中第二层 CIS 与 ISP 之间通过最新的 DBI CU 连接起来（Direct Bond Interconnect CU，铜直接键合技术），不过两层 CIS 是通过更为传统的 TSV（Through Silicon Via，硅通孔技术）互联。下图是两层 CIS 连接面的特写，能够清晰看到第二层 CIS 通过金属触点与第一层传输控制晶体管（TG）相连接，传输控制晶体管是少数保留在第一层 CIS 的像素晶体管。而且 DTI（Deep Trench Isolation，深沟隔离）深度进一步加深，帮助更多光子进入了光电二极管。换一个角度观察，黄色方框是单个像素，可以清楚看到它由两个子像素组成（双光电二极管 PDL 与 PDR），在像素晶体管放置到第二层 CIS 后，光电二极管能够获得更大的空间。画质对比

为了验证双层晶体管像素技术画质表现，我们挑选搭载 1 英寸传感器 IMX989 的小米 13 Ultra 与 Xperia 1V 做对比，机器固定在三脚架上，在中等照度下拍摄，均使用 RAW 格式拍摄（小米设置为 Ultra RAW），12MP 分辨率，感光度为 ISO 400，后期使用 Lightroom 解码。

需要特别说明的是，Xperia 1V 的 RAW 大小会锁定在 22.9MB，小米 13 Ultra 会因感光度变化，RAW 大小会在 12MB 上下浮动，在关闭 Lightroom 所有降噪处理后，画面依然很干净，几乎没有彩色噪点，表现比全画幅传感器还好，可以 100% 肯定小米 13 Ultra 的 RAW 是经过 " 调味 " 的。因此我们不仅对比在关闭 Lightroom 锐化、降噪后两款机器画质差异，还要开启 AI 降噪 + 增强细节功能，深挖两款机器的画质差异，看看双层晶体管像素技术能有多神。

在关闭锐化、降噪后，小米 13 Ultra 画面看起来更为干净，不过在细节表现和差异不大 Xperia 1V。

左：Xperia 1V，右：小米 13 Ultra，下图分别是画面中心与边角 100% 裁切

在使用 AI 降噪 + 增强细节，Xperia 1V 明显拉开了差距，画面同样干净，而且细节更为丰富真实，如果你把照片放大 200% 观看时能更明显感受到 Xperia 1V 细节上的优势，而小米 13 Ultra 在 AI 功能加持下画质近乎没有提升，在强大的算力支持双层晶体管像素技术足以让小底匹敌甚至超越大底。

左：Xperia 1V，右：小米 13 Ultra，上方是关闭锐化、降噪时 100% 裁切，下图是使用 AI 降噪 + 增强细节得 100% 裁切

结语：好技术 难普及

无论是从理论还是实测来看，双层晶体管像素技术提升画质是相当有效的，可不见得它能够普及。我们知道芯片面积越大成本越高，堆栈式 CMOS 传感器增加了至少一层硅片，相当于增大了面积，导致成本上扬，结果至今只有苹果和三星采用堆栈式传感器，双层晶体管像素堆叠式 CMOS 图像传感器使用三层硅片，成本大大飙升，恐怕连苹果也不愿意使用，结果我们看到索尼 Xperia 1V 首发该传感器局面。而且当下是比拼纸面参数的年代，1 英寸传感器听起来比 1/1.35 英寸双层晶体管像素堆叠式传感器更为厉害，更容易吸引消费者买单。

既然双层晶体管像素技术成本更高，那单价更高、成本承受力更强的无反相机是否可率先普及呢？对此索尼官网上是把双层晶体管像素技术列为 " 手机图像传感器 "，堆栈式却是 " 图像传感器通用 "。无反相机传感器尺寸更大，至少是 4/3 起，像素数量也不如手机激进（1.5 亿像素 IMX411 可是 54*40mm 超大传感器），单个像素更大，转移像素晶体管收益不如手机传感器明显，而且传感器越大，增加层数时会导致成本上涨更明显，所以目前只有旗舰或是次旗舰相机才会使用堆栈传感器，成本激增的双层晶体管像素技术只能列为 " 手机图像传感器 "。双层晶体管像素技术虽然好，但是普及是一件难事。