堆栈式CMOS相机如何通过多层堆叠实现高速低噪成像？

堆栈式CMOS相机（Stacked CMOS Image Sensor）是一种基于先进半导体堆叠技术的图像传感器，通过将像素阵列层、信号处理逻辑层和电路控制层垂直集成，突破了传统CMOS图像传感器的性能瓶颈，近年来，随着智能手机、自动驾驶、工业视觉等领域对图像质量、速度和功耗的严苛要求，堆栈式CMOS已成为高端图像传感器的主流技术，其核心优势在于通过缩短信号传输距离、优化电路布局，实现了高帧率、高动态范围、低噪声等性能的全面提升。

结构解析：从“单层平面”到“垂直堆叠”的革命

传统CMOS图像传感器通常采用“前照式”（FSI）结构，感光像素位于芯片顶层，下方依次为金属互连层和晶体管层，光线需穿透金属层才能到达感光区域，导致光损失和噪声增加，而背照式（BSI）结构将像素层翻转至芯片背面，直接接收光线，提升了感光效率，堆栈式CMOS则是在BSI基础上进一步发展，将传感器芯片“拆解”为功能独立的两个或多个模块，通过垂直互连技术（Through-Silicon Via, TSV）堆叠集成，典型的三层堆叠结构包括：顶层是像素阵列层（Pixel Array Layer），负责光电转换和信号初步采集；中间是互连层（Interconnect Layer），通过TSV实现像素层与逻辑层的垂直电连接；底层是逻辑处理层（Logic Layer），集成了模数转换器（ADC）、降噪电路、信号处理器等，负责信号的高速处理与控制，这种“像素-处理”分离的结构，相当于将传统传感器中分散的电路功能集中到独立逻辑层，大幅优化了芯片布局。

工作原理：从“横向传输”到“垂直直达”的效率跃迁

传统CMOS传感器中,像素产生的模拟信号需通过横向金属线传输至芯片边缘的ADC，再进行数字化处理，信号传输路径长，易受电路噪声干扰，且难以支持高帧率（通常低于1000fps），堆栈式CMOS的工作流程则截然不同：像素层完成光电转换后，模拟信号通过顶部的TSV直接垂直传输至底层的逻辑层，逻辑层内的ADC将信号数字化，并通过集成的高速信号处理器完成降噪、白平衡、色彩校正等处理，由于信号传输路径缩短至微米级，传输损耗和噪声大幅降低；逻辑层可集成多个ADC（甚至每个像素一个ADC，即“像素级ADC”），实现并行处理，从而支持超高帧率（可达上万fps），堆栈式结构还便于实现全局快门（Global Shutter），通过控制逻辑层同步开启所有像素，避免传统卷帘快门（Rolling Shutter）导致的图像畸变问题（如拍摄快速移动物体时的“倾斜”或“果冻效应”）。

核心优势：性能与能效的双重突破

堆栈式CMOS的优势源于其结构创新,可归纳为以下方面：

1. 高帧率与高速响应：逻辑层集成高速ADC和并行处理单元，信号处理延迟降低至微秒级，支持每秒数千至数万帧的拍摄，适用于高速运动捕捉（如体育摄影、工业流水线缺陷检测）；
2. 高动态范围（HDR）：通过逻辑层控制像素分时多次曝光（如长曝光捕捉暗部细节，短曝光保留高光信息），并结合实时HDR合成算法，动态范围可达120dB以上，远超传统CMOS的60-70dB，能同时呈现亮部和暗部细节；
3. 低噪声与高感光度：像素层与逻辑层分离，减少了电路噪声对感光区域的干扰，同时BSI结构提升了光子收集效率，因此在低光照环境下（如夜景拍摄）仍能保持纯净画质，高感光度（ISO）下的噪点控制显著优于传统传感器；
4. 低功耗与小型化：逻辑层集成度高，减少了外部电路的连接需求，芯片整体功耗降低20%-30%；堆叠结构使传感器面积更小，为设备轻薄化设计提供可能（如智能手机超薄摄像头模组）；
5. 灵活的电路设计：逻辑层可定制化集成AI加速器、专用图像处理引擎等功能模块，支持端侧AI计算（如实时人脸识别、场景识别），推动图像传感器向“感知-计算”一体化发展。

下表对比了传统CMOS与堆栈式CMOS的关键性能参数：

应用场景：从“消费电子”到“高端工业”的全面渗透

堆栈式CMOS凭借其性能优势,已成为多个领域的核心图像解决方案：

• 智能手机：高端机型（如iPhone Pro系列、三星Galaxy S Ultra系列）普遍采用堆栈式传感器，例如索尼IMX989一英寸堆栈式传感器，通过大底高像素与高速处理的结合，实现了夜景拍摄的纯净画质和4K 120fps视频的流畅录制；
• 工业视觉：用于高速生产线的产品缺陷检测（如芯片划痕、包装瑕疵），其高帧率可捕捉毫秒级运动细节，高动态范围能适应车间复杂光照，检测效率提升50%以上；
• 医疗影像：内窥镜、CT设备采用堆栈式传感器，低噪声特性提升了弱光下的成像清晰度，全局快门功能避免了运动伪影（如心跳导致的图像模糊）；
• 汽车电子：自动驾驶系统的激光雷达（LiDAR）和摄像头融合感知，依赖堆栈式传感器的高帧率和低延迟，实时识别道路障碍物与交通信号，响应时间缩短至毫秒级；
• 航空航天：无人机、卫星侦察设备利用堆栈式传感器的小型化和低功耗特性，实现轻量化设计，同时满足高空复杂环境下的成像需求。

FAQs

问题1：堆栈式CMOS相机和传统CMOS相机在结构上有什么核心区别？
解答：核心区别在于信号处理路径的集成方式，传统CMOS传感器将像素阵列、信号处理电路（ADC、降噪电路等）集成在单一芯片内，模拟信号需通过横向金属线从像素区传输至芯片边缘的电路区，路径长、易受干扰；而堆栈式CMOS将芯片拆分为像素层和逻辑层，通过垂直互连技术（TSV）堆叠，像素产生的模拟信号直接垂直传输至底层的逻辑处理层，信号路径缩短至微米级，同时逻辑层可集成高性能处理单元，实现“像素感光-信号处理”的垂直分离，大幅提升效率和性能。

问题2：堆栈式CMOS相机为什么能在智能手机上实现更好的夜景拍摄和视频防抖？
解答：夜景拍摄方面，堆栈式CMOS结合背照式（BSI）结构提升了光子收集效率，同时逻辑层集成的降噪算法可实时处理低光照下的噪点，配合高动态范围技术（分时曝光合成），能同时保留夜景中的暗部细节（如阴影中的建筑）和高光部分（如路灯），避免过曝或欠曝；视频防抖方面，堆栈式传感器支持高帧率拍摄（如4K 120fps），通过“超采样”技术（将多个高帧率帧合成为一帧）提升视频分辨率和稳定性，同时逻辑层集成的陀螺仪传感器数据可实时校正画面抖动，结合光学防抖（OIS）实现“光学+电子”双重防抖，显著提高运动画面（如行走、奔跑）的清晰度。

标签： 背照式 像素电路分离