相机笔记et 26-01-04 11:39
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《部分堆叠式CMOS与动态范围提升》
尼康Z6III、ZR,松下S1M2,索尼A7M5都采用了具有更高速度的“部分堆叠式”传感器。

【什么是部分堆叠式CMOS】
所谓“部分堆叠式”(CoW,Chip-On-Wafer)就是在成像区域外侧“贴合”更大规模的信号处理电路,从而加快数据读出速度:24MP(IMX820)是原有型号(IMX410)的约3.5倍,33MP则是约4.5倍。

与之相对的,“全”堆叠式则是在整个成像区域下方都有信号处理电路。类似索尼A9/A1、尼康Z8/Z9、佳能R1/R3/R5M2等产品还会在像素、电路之间加上DRAM,进一步缩短拍摄照片时的滚动时间。

部分堆叠式并非一个新结构:早在2016年,索尼就宣布了一款具有8.3MP 480FPS的Super35画幅全局快门CMOS,并在之后实装在了HDC-4800、HDC-F5500等广电摄像机上。根据论文,这块CMOS就是在上下区域贴合了额外电路,而它本身其实是前照式(FSI)而非今天更常见的背照式(BSI)。2021年,索尼还宣布了一款具有127MP的44×33画幅全局快门CMOS(IMX661),同样是前照式+部分堆栈结构。

【关于动态范围】
通过部分堆叠式结构扩大电路规模,确实可以提升数据读出速度,但也会引入额外噪声。所以,最先使用部分堆叠式CMOS的尼康Z6III(以及同平台下的ZR),动态范围表现是有退步的。

但索尼也给出了补偿办法。我们知道,现在的传感器大多具有一低、一高两个增益点。随着感光度提升,动态范围会有一个跳变点 —— 这也就是我们通常所说的双原生ISO、双基准ISO。

* 索尼CMOS通常基于数字转换,即DCG。还有一些产品基于模拟增益,即DAG。

大多数传感器的双原生ISO只能切换工作,也就是存在LCG(低)和HCG(高)两个区间。随着传感器读出速度变快,部分堆叠式CMOS可以在LCG区间内,以LCG和HCG读取两次并融合,优化LCG区间内暗部画面的表现,进而达到提升动态范围的效果 —— 说得更直白一点,这就是单帧的HDR。

在松下S1M2、索尼A7M5上,只有在机械快门(包含电子前帘)下可以激活DCG融合。DCG融合可以改善LCG低感光度区间内动态范围(在HCG区间内的表现是基本相同的),且在激活DCG融合后,动态范围就不存在跳变点了。

基于DCG的单帧HDR在较小尺寸传感器上已经相当普及了,比如2020年8月发布的小米10 Ultra,其“双原生ISO Fusion”特性就基于豪威OV48C,这块CMOS后来也被用于大疆多款无人机、运动相机上。三星移动传感器的Smart-ISO Pro,松下GH6/GH7/G9M2的“动态范围提升”也源自近似原理。

发布于 北京