01 基本传感器（前照式）的结构

这种传感器常见于老式设备、其主要优点是工艺简单和成本低廉。

传感器的感光层是用于接受光线，将光子转换成电子，最终经过读出电路等处理转换成电信号（光强信息）。

在老式传感器中，入射光在经过微透镜、滤光片后，还需要穿过金属走线层，才能照射到光线接受面（感光二极管），如下图所示：

在光线穿过金属走线层时，有可能会被遮挡或散射。

同时，由于光线需要穿过金属走线层中留出的通路才能到达感光二极管，因此传感器的微透镜需要更多的补偿才能做到这一点。

这导致了这种传感器对CRA的友好度也要更差，也带来更高的边缘暗角和色偏，暗光下的成像效果也比较差。

很长一段时间里，针对前照式传感器的优化方案有两种：

一个是使用不同的材料来降低金属走线层的厚度，避免入射光通过走线层时的光线损耗：

另一种则是增加传感器势阱的深度，优化弱光下的表现：

02 背照式传感器

而对技术带来了极大改变的，是背照式传感器（Back Illuminated CMOS Sensor）的出现。

其特点是，将金属走线层和感光层对调，让光线直接进入光电二极管，金属走线层移动到下方。

我们来看看索尼的示意图：

没有了走线层的阻挡，光线可以直接进入光电二极管，极大地避免了光线在感光层之前的损失，提高了光收集效率，进一步提升了成像效果和暗光下的表现。

03 堆栈式传感器

最后来说说未来的发展方向——堆栈式传感器。

单从示意图上说，看起来没有什么明显的优化点，只不过是将像素层和逻辑电路层进行了分离堆叠：

事实上，分离堆叠带来了巨大的优势。

从下图的示意图上看，可以看出，堆栈式传感器通过3D堆叠的方式彻底分离了感光像素层和信号处理层。

感光像素层只包含光电二极管、微透镜、彩色滤镜，本层的用途是纯感光优化。

而电路层由于使用了堆栈式设计，不受像素空间限制，能够带来大量的集成设计，能够集成大量的读出电路，例如集成大量的并行ADC甚至是DRAM缓存。

这些缓存、并行ADC的一个很大的优点是，能够极大地减少读出时间（或是同时将数据存入DRAM里后进行读取），避免由于逐行读出导致的果冻效应。

当然，更高的集成度带来的不止这些。

高速读出，还间接提升了传感器的动态范围、降低噪声、甚至是支持更复杂的片上计算摄影。

总而言之，堆栈式传感器把读出电路从像素平面解放出来，拥有了更多的设计空间和工艺自由度，能实现更强大的功能和更高的并行度。

04 总结

最后简单总结一下吧。

老式传感前照式，先过走线有损失。

感光反转背照式，优先接光是优势。

堆叠传感作分离，电路设计有空余。

提升集成易并行，果冻效应可降低。