相机传感器天梯图：深度剖析CMOS技术演进与未来影像趋势

说到相机传感器，尤其是现在主流的CMOS传感器，它的发展就像一场没有终点的赛跑，各家厂商都在拼命提升技术，目的就是为了让我们拍出的照片和视频更好看，这个“天梯图”不是简单地把传感器型号排个名次，而是要看它们背后的技术是怎么一步步走到今天的，以及未来会去向何方。（来源：根据芯片行业分析机构Yole Développement及多位影像产品评测专家的综合观点整理）

最开始，相机用的是CCD传感器，它画质很好，但有个大问题：又贵又耗电，速度还慢，当CMOS技术出现后，因为它成本低、省电、处理速度快，很快就成了手机和相机的绝对主力，早期的CMOS有个致命伤，就是信噪比不好，照片上的噪点很多，尤其在光线暗的时候，为了解决这个问题，背照式（BSI）技术成了第一个重要的台阶。（来源：索尼半导体解决方案公司官方技术白皮书）

大概在十年前左右，背照式CMOS开始普及，你可以把它想象成把传感器的电路层和感光层调了个个儿，传统的传感器是电路挡在感光元件前面，像屋檐挡住了部分光线，背照式则是让光线直接从背面毫无遮挡地照进来，大大提高了进光量，这让手机在夜晚拍照的能力上了一个大台阶，也让相机的高感光度表现更好了。（来源：索尼在2015年发布的关于背照式CMOS技术的详解）

当背照式技术成为标配后，大家又开始琢磨怎么进一步增加进光量，堆栈式（Stacked）CMOS出现了，这技术有点像盖楼房，传统的传感器是感光层和电路层平铺在同一层，而堆栈式是把它们像三明治一样叠起来，这样做的好处是，给电路部分留出了更多空间，可以集成更复杂、更快的处理电路，直接做在传感器里面，结果就是，传感器的数据读取速度快得惊人。（来源：索尼在2017年国际固态电路会议ISSCC上发布的论文）

这个速度的提升，带来的改变是革命性的，它让相机能够拍摄超慢动作视频（比如每秒1000帧），实现了几乎无黑屏的连续拍照（电子快门），并且大大减少了拍摄视频时的果冻效应，现在高端相机和旗舰手机里的传感器,基本都是堆栈式结构了。

下一个台阶是什么？答案是双层晶体管像素（Stacked Pixel）技术，比如索尼的“Exmor T”，这个技术比堆栈式又进了一步，它是在像素层面做文章，把负责光电转换的光电二极管和负责放大信号的光电晶体管分离开，并上下堆叠起来。（来源：索尼在2021年发布的关于双层晶体管像素传感器的技术公告）

这样做的好处是，光电二极管的面积可以做得更大，从而捕捉到更多的光线，尤其是在暗光环境下，画面的纯净度和动态范围（就是同时记录最亮和最暗细节的能力）得到了质的飞跃，这项技术被认为是近年来传感器领域最重大的突破之一,开始出现在一些最新的手机和高端紧凑型相机上。

除了传感器本身的结构，像素点的排列方式也在创新，比如华为曾经力推的RYYB阵列（用黄色像素替换绿色像素），以及现在很多手机采用的像素四合一技术，像素四合一把四个小像素合并成一个大像素，在暗光下能有效提升亮度，在光线好时又能还原成高像素模式保证细节，这是一种非常聪明的灵活性策略。（来源：多家手机厂商如华为、小米的发布会及技术讲解）

展望未来，传感器的发展趋势已经非常清晰，更大尺寸的传感器会逐渐下放，以前只有专业相机才有的全画幅传感器，现在也开始出现在高端手机和消费级无人机上，因为物理规律决定，底大一级压死人,更大的感光面积是画质的最根本保障。

计算摄影将成为传感器的“另一半大脑”，未来的传感器会与处理器（ISP）和AI算法更深度地结合，传感器负责捕捉最原始的光信息，然后由强大的AI算法进行优化和再创造，实现超越物理极限的效果，比如模拟大光圈虚化、极致夜景、多帧合成的高动态范围照片等。（来源：谷歌、苹果关于计算摄影的技术博客及发布会内容）

面向视频拍摄的优化会越来越重要，支持8K分辨率、高帧率、更优的动态范围（如双增益转换Dual Gain Conversion技术）的传感器将成为高端设备的标配,以满足内容创作者对视频画质的苛刻要求。

相机传感器的天梯图，本质上是一场关于“光”的竞赛，从想方设法让传感器“吃到”更多光，到“消化”光的速度越来越快，再到与AI大脑合作“理解”光,每一步都让我们的影像记录能力向前迈进一大步。