苹果高动态范围CMOS专利曝光！性能超越专业电影机？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）前几天电子发烧友网曾报道了近年来智能手机CMOS图像传感器的高动态范围趋势，最近苹果也获得了一项名为“具有高动态范围和低噪声的堆叠像素图像传感器”的专利，同样是针对高动态范围CMOS。

下面我们简单看下苹果的专利里是如何做到高动态分为CMOS的。

立体堆叠架构+LOFIC+电流存储电路+3T像素

目前传统的图像传感器主要使用4T像素结构，包含四个晶体管：传输门、复位门、选择门和源极跟随晶体管，通常是基于单片CMOS工艺制造，所有的晶体管位于同一硅晶圆平面上。

其中，传输门的存在，是实现CDS双关双采样以及降低噪声的关键，主要是得益于其精准控制光电荷转移的能力。CDS的核心思想是通过两次采样，包括复位后噪声采样+光电荷转移后信号采样，利用差值计算消除固定模式噪声（FPN）和热噪声（kTC噪声）。

而另一种方向是采用3T像素的结构，在4T像素基础上省略了传输门，由于结构的简化，占地面积更小，也更适合高密度像素的设计。但这样带来的就是传感器噪声更高，需依赖额外电路或算法补偿噪声。

那么为什么要用3T像素结构？苹果是通过采用立体堆叠架构，加入LOFIC电路以及噪声补偿的电路，在实现高像素密度的同时，兼顾超高动态范围以及低噪声。

具体来看，苹果这份专利的核心架构是立体堆叠，将传统集成于一体的CMOS传感器拆分为上下两层独立的芯片。

传感器芯片位于上层，直接面向光线。这一层被极致简化，专注于最纯粹的光电转换任务，主要包含光电二极管（Photodiode）和LOFIC电路。

逻辑芯片位于下层，负责所有复杂的数字和模拟信号处理，包括创新的电流存储电路、列读出电路以及时序控制逻辑。

这种分离式设计带来了显著优势。首先，两层芯片可以采用各自最优的半导体制程。例如，传感器层可使用针对光电转换效率优化的特种工艺，而逻辑层则可采用更先进、更成熟的CMOS工艺，以实现更高的晶体管密度和更低的功耗。其次，它为像素下方腾出了宝贵的物理空间，使得集成复杂的像素级电路（如噪声感应电路）成为可能，这是实现颠覆性降噪的关键前提。最终，这种高度集成化的设计有助于打造出更纤薄的传感器模组，完美契合移动设备对空间寸土寸金的要求。

LOFIC（横向溢出积分电容）目前市面上已经有一些CMOS传感器应用，比如豪威、思特威等都已经量产采用LOFIC技术的CMOS传感器产品，主打高动态范围的特性。

简单来说，如果将电容形容成一个水池，水池中的水代表进光量，那么LOFIC就是通过多个可连通的水池，根据水量来动态分配每个水池中的水量，避免溢出或是水太浅，即避免高光过曝和暗光环境进光量不足。

根据专利文件描述，苹果设计了一套精巧的多级电荷存储系统：

第一级 (低光): 浮动扩散节点 (Floating Diffusion Node, FD) 本身，用于捕捉低光环境下的微弱信号。

第二级 (中等光): 一个容量较小（约20fF）的电荷存储电容，通过第一个LOFIC晶体管与FD连接，用于存储中等强度的光信号。

第三级 (高光): 一个容量较大（约500fF）的电荷存储电容，通过第二个LOFIC晶体管与小电容串联，用于容纳高光场景下的大量电荷。

在信号读出时，系统会依次读取这三级存储的电荷量，从而在单次曝光内完整记录下从极暗到极亮的全部光线信息。专利声称，该设计可实现高达 120dB的动态范围，相当于近20档的动态范围，而目前顶级的专业电影摄影机ARRI ALEXA 35仅为17档。

这意味着，搭载该技术的iPhone将能从根本上解决大光比场景的拍摄难题，无需多帧合成的计算摄影，即可获得光影细节无比丰富的“原生HDR”影像。

在降噪方面，苹果创新地使用了“电流存储电路”，该电路在每个像素对应的逻辑芯片区域都集成了一个。

电流存储电路工作原理可以概括为一个精密的“采样-相减”过程，完全在硬件层面完成：

第一次读出 （信号+噪声）: 在曝光结束后，系统首先进行一次常规读出，获取包含了真实光信号和各类噪声（主要是热噪声kTC）的混合信号。

像素重置与噪声采样: 随后，系统立即对像素进行重置（Reset），并立刻进行第二次、专门的“噪声读出”。由于此时没有光信号，读出的便是一个纯粹的噪声样本。这个噪声信号被逻辑层的“电流存储电路”通过内部的采样电容精确地“捕获”并“记忆”下来。

硬件级噪声消除: 最后，逻辑芯片中的相关双采样（Correlated Double Sampling, CDS）电路，将第一次读出的（信号+噪声）值，减去被“电流存储电路”记住的纯噪声值。

通过这一系列高速操作，噪声在转换成数字信号之前，就在模拟域被精准地剥离。这是一种“实时、原位”的物理降噪，相比于后期通过AI算法猜测并涂抹噪声，其优势是压倒性的。它能最大程度地保留图像的原始细节，使得即便在极低光照条件下，也能获得异常纯净、清晰的图像。

那么应用到手机上，带来的就是在夜间暗光环境下，也能够得到低噪点、纯净的画面。

量产难题

不过，这一系列技术要集成到CMOS图像传感器上，对制造工艺提出了相当高的要求，要实现量产还要解决很多问题。

首先是立体堆叠工艺带来的良率问题，传感器芯片与逻辑芯片的堆叠，特别是实现两者间高密度互联的Cu-Cu混合键合技术，是目前半导体制造的尖端领域。它要求两片晶圆在原子级别的精度上对准并键合，任何微小的偏差都可能导致整个芯片报废。此外，连接两层的硅通孔（TSV）蚀刻工艺，其深度和精度也直接影响着良率。这些复杂工艺在初期必然导致极高的制造成本和较低的良品率。

其次，LOFIC电路的集成，需要在微米级的像素单元内，要精确制造多个不同容值的电容器和控制其通断的微型晶体管，是一项巨大的挑战。电容值的精确性、漏电控制以及电容间的信号串扰，都是必须解决的难题，对光刻、蚀刻和薄膜沉积工艺的稳定性要求极高。

还有电流存储电路的一致性问题，由于每个像素之间都有对应的电流存储电路，那么如何确保每个像素的噪声采样和消除过程都精准无误，保持高度一致，是电路设计和制造中需要攻克的关键难点。

综合来看，苹果这份CMOS专利技术未来还是有机会实现量产的。叠层架构和LOFIC技术在汽车和工业成像领域已有初步应用，像豪威、思特威、索尼等厂商都已经实现部分产品的量产，证明了其技术方向的可行性。同时这也说明，高动态范围的方向，已经成为手机影像行业的一个核心方向，未来四到五年，图像传感器领域可能又将迎来一轮新的技术大爆炸。