目前主流的互补金属氧化物半导体（CMOS）和成像技术都有哪些，它们各有哪些优劣？ 第1页

1、前照式（FSI）

讲道理背照式有多好什么的总得有个标准吧，所以我们就把前照式作为参考的基准吧。

前照式的问题在于：

金属线路在光电二极管上方，遮挡了部分光线，降低开口率。

同时像素井比较深，所以也容易产生光串扰问题：例如光线经过蓝色透镜后却被红色透镜下的光电二极管吸收。而为了解决这个问题需要加入遮光膜——这会进一步降低开口率。

但也不是没有任何好处，前照式的像素井更深，使得对于波长较长的光会吸收更好。

2、背照式（BSI）

相对于前照式，背照式将金属线路放在了光电二极管下方，这样的结构使得像素井更浅。

这样的好处有：

开口率更大。

金属线路不会遮挡光线，意味着不再受到开口率的制约，读出速度和 CMOS 刷新速度可以做的更快。

像素井比较浅，更不容易产生光串扰问题，遮光膜可以做的更小，进一步提升开口率。

由于上个原因，视场角比传统前照式更大，有利于缩减光学系统的厚度，也有更好的边缘画质。

但也有问题：

像素井比起前照式更浅，对于波长较长的光（例如红光）难以获得和其他波长一样的光电转换性能。

可能也是因为开口率更大了，背照式 CMOS 的单个像素大小似乎计算方式和前照式不一样……

3、那么有没有一种……

还真有，松下的 smart FSI 。

看名字就知道其本身是一种前照式。但因为使用了像素隔离技术避免了困扰了前照式的光串扰问题，使得开口率也得以增加，还有更宽广的视场角（更好的边缘画质），同时还由于有更深的光电二极管，红色的显色性比起当时的背照式会更有优势。

所以，三星的 ISOCELL 并不是第一个做像素隔离的。

当然可惜 smart FSI 已经凉了，甚至都没火过……

4、堆栈式

堆栈式其实是使用不同的工艺，像素区还是背照式：

通过把逻辑计算层也下移至光电二极管下方，进一步提升了 CMOS 的读出速度和刷新时间和开口率

当然像素区还是个背照式，背照式该有的问题还是有的。

5、三星 ISOCELL

参见松下 smart FSI 章节，只是把 FSI 换成了堆栈式。

6、带有 DRAM 的堆栈式

第一款是索尼 xperia XZP 上的 IMX400。

在背照式 CMOS 下面加了一个高速缓存。CMOS 拍下来的照片（这么说只是方便理解）会先预存在 DRAM 里然后再进行读出。

相对于以上的那几种 CMOS 其优势在于：

因为有一个高速缓存，CMOS 的刷新速度可以不受读出速度限制，可以做到接近全域的“无畸变电子快门”和高速连拍。

可以在 CMOS 读出的时候进行片上相位对焦等操作。

问题嘛……像素区还是个背照式……

虽然刷新速度在 CMOS 里面算鹤立鸡群，但和镜间快门甚至焦平面卷帘快门还是有差距。

7、当然除了这些还有常规升级

就算同为前照式，也今非昔比了。

所以前面所说堆栈式，虽然还是背照式结构，但也不会和以前的背照式完全一样。（例如采用更深的光电二极管以获得更强的红色演色性）

8、带有处理器的 CMOS

我只知道 808 PureView 有，因为 41MP 对于传输线路数据量太大，所以诺基亚在 CMOS 上带了一个处理器负责超采样，输出低分辨率的信息，这样传输线路也就不需要那么大的带宽来应付每秒十亿像素的恐怖数据量了。

9、四像素合成

我之所以要说这么个奇葩的名字是因为不同的 CMOS 生产商这个结构还有不同的名字：

三星：Tetracell

意法半导体：4-cell

索尼：Quad Bayer

嗯，就是华为 p20p 上的那个。

四像素合一技术，其实也是使用RGB拜耳滤镜的排列，但是在具体像素上却做了调整。它使用四个同色像素排列在一起，形成一个大的像素。

不同 CMOS 厂家和手机厂商对于这种结构有不同的用法，在这里我放在一块说：

全像素输出模式：也就是说每个像素都单独进行解马赛克（但是不同颜色离得太远细节应该没有普通拜尔准）

集合读取模式：将四个同种颜色的像素进行集合读取，当成一个像素进行解马赛克计算，此时就相当于一个大像素拜尔矩阵。（所以和超采样其实原理不一样）

集合读取再插值模式：在弱光下使用，比集合读取模式细节多，比全像素输出模式噪点少（真是佩服这些厂商）……

高动态范围模式：同色像素分别使用不同的曝光时间，然后将相同曝光时间的集合读取形成单帧 HDR 图像（算是以细节换动态）。

这样做的好处是：随着半导体工业发展，像素可以越做越小，但是其他方面却没法完全跟上（例如显示屏的像素数量）。所以使用这种方式可以保证即能有更高的像素，又可以通过集合读取获得和大像素类似的信噪比。当然超采样是另外一种思路。都算是最大化利用半导体工业发展的红利吧。

10、3CCD

与各位印象里不一样的是，其实 3CCD 技术在数字摄像机中的应用相当有历史。世界上第一台专业数字摄影机就是 3CCD （阿莱的蓝鲱鱼，和洛克希德马丁共同研发，采用三块 12MP CCD，自身没有录制能力 )。

有以下优点：

结构成熟通用性强，实际上 3CCD 技术的前身出现在 CCD 诞生之前，最早是为了彩色胶片摄影设计的。

而由于其的分光镜（里面有滤色片）自动就能将入射光束分为红绿蓝三个颜色，所以直接把胶片换成 CCD 就能直接使用，解决了光电半导体只能区分光强无法区分频率的问题。

同时也不像拜尔矩阵需要猜色，对于光线应用比较完全。

缺点也很明显：

体积庞大，因为需要巨大的棱镜组来完成分光工作。而这个棱镜组体积可能会大于镜头设计的后工作距，所以连光学系统也需要更换（例如 35mm 的摄影机需要使用 70mm 摄影机的镜头）。所以会导致整个摄影机非常巨大和笨重。

相对于拜尔矩阵的结构也比较复杂。阿莱在 2000 年左右就放弃了分光镜摄影机的研发，转向了拜尔结构。

11、X3

前面在提松下 smart FSI 的时候也已经提到了，不同波长的光线，在光电半导体中的吸收位置是不一样的：波长长的比较深，波长短的比较浅。就这样利用不同波长的光穿透能力的不同，在硅板的不同深度分别配置有三层光电二极管阵列，以达到在单个像素下就能将颜色分离。

优势在于：

单个像素原生具 RGB 通道的记录能力，因此不会产生在过滤色彩光的同时将光线内信息一起过滤掉的问题，也不需要像其他类型的传感器需要以计算机插值方式来估算那些没有被记录的色彩。所以也不会出现拜尔结构经常出现的混色现象。

但是也不是没有问题：

首当其冲就是红光衰减，由于红光在吸收前还要经过蓝色和绿色光电二极管，所以等到到达红色二极管的时候能量会衰减。

还有就是有颜色交叉污染的隐患：例如红色光可能会在绿色层被吸收。

弱光下彩噪比较高。

像素还是规则排布的，所以依然无法避免混叠现象（摩尔纹）。

12、其他的一些杂东西

1. focus pixel 实际上就是相位对焦点，也算是苹果的一种概念营销吧。
2. X3 技术上当时就是为了解决拜尔矩阵的缺点去的，但很可惜当时拜尔矩阵结构已经形成规模效应了。所以最好的技术并不一定是赢到最后的技术（比如说拼音输入法）。
3. 拜尔结构我觉得应该会有很多人写吧，我就不写咯……
4. 只要是像素规律排布都会造成摩尔效应（混叠现象，和拜尔矩阵的混色现象不一样），并不只是拜尔矩阵的 CMOS 有。
5. 感谢白龙大大在堆栈式 CMOS 章节的指正。