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？
那为什么CMOS能如此成功？这背后是技术的一系列演进和权衡。我们不妨来聊聊当下最常见的几种CMOS成像技术，以及它们各自的“脾气”和“长处”。
1. 背照式（BSI BackIlluminated Sensor）CMOS
这是近年来最显著的CMOS技术进步之一。传统的前照式（FSI FrontIlluminated Sensor）CMOS，由于信号读取线路（像素内的晶体管和金属导线）位于光敏层（光电二极管）的上方，会阻挡一部分光线，导致光电转换效率不高，尤其是在光线不足的环境下表现不佳。
背照式顾名思义，就是把这些信号读取线路“搬”到了感光层的下方。这样一来，光线可以直接照射到感光层，减少了信号损耗，大大提高了“量子效率”（QE，即入射光子转化为可输出电子的比例）。
优势：
低光表现极佳： 这是BSI最大的亮点。在昏暗环境下，它能捕捉到更多的光线，画面更明亮、噪点更少。这是为什么很多手机相机在夜拍方面越来越出色的关键原因。
更高的信噪比： 即使在正常光线下，BSI传感器也能产生更纯净的图像，色彩和细节表现更出色。
速度更快： 由于线路布局优化，数据读取效率更高，有利于实现更高的帧率，这对视频录制和高速连拍非常重要。
更小的体积： 理论上，BSI传感器可以做得更薄，这有助于在紧凑的设备（如智能手机）中集成。
劣势：
成本相对较高： 相对于传统的前照式传感器，BSI工艺更复杂，制造难度增加，因此成本也随之上升。
潜在的串扰问题（早期）： 在早期BSI技术发展阶段，由于感光层和线路层靠得更近，有时会产生“串扰”，即相邻像素的光信号互相干扰，影响画面纯净度。不过，随着技术成熟，这个问题已经得到很大程度的解决。
对制造商的技术要求高： BSI技术的良率和性能发挥，很大程度上依赖于制造商在微纳制造上的精细控制能力。
2. DSI（DeepSubmicron）CMOS
DSI这个说法，更多是行业内一种对先进制造工艺的称呼，它不特指某一种特定的技术结构，而是指将CMOS传感器制造的特征尺寸做得更小（低于0.18微米，或者说200纳米以下）。更小的特征尺寸，意味着在同一面积的芯片上可以塞入更多的晶体管和功能单元，或者使得每个像素的尺寸变小。
优势：
更高的像素密度： 允许在有限的传感器面积上集成更多的像素，实现更高的分辨率。这使得我们能够拍摄到更精细的图像，或者在后期裁剪时保留更多细节。
更低的功耗： 更小的晶体管通常意味着更低的电压和更少的能量消耗，这对于依赖电池供电的设备（如智能手机、可穿戴设备）尤为重要。
更快的处理速度： 更小的芯片尺寸和更短的信号传输路径，有助于提高数据处理的速度。
更低的成本（大规模生产）： 当工艺成熟，良率稳定后，更小的制造节点通常意味着在晶圆上可以切割出更多的芯片，摊薄了单位成本。
劣势：
单个像素尺寸变小（早期）： 如果在保持总传感器尺寸不变的情况下提高像素密度，单个像素的面积就会缩小。这会导致每个像素能收集到的光线变少，低光表现和信噪比可能不如大像素传感器。
制造成本和技术门槛高： 先进的半导体制造工艺需要极其昂贵的设备和严苛的环境控制，技术门槛非常高，只有少数顶级制造商能掌握。
设计挑战： 在如此微小的尺度下设计和布线，对工程师的挑战极大，需要精密的物理建模和优化。
3. 堆叠式（Stacked Sensor）CMOS
顾名思义，堆叠式CMOS就是将传感器的不同功能层（如光电二极管层、信号处理层）垂直堆叠起来，而不是像传统传感器那样将它们集成在同一平面上。这通常是将“光电转换层”（Pixel Layer）与“信号处理层”（Circuit Layer）分开制造，然后通过精密的封装技术将它们连接起来。
优势：
显著提升处理速度： 信号处理层可以独立设计和优化，容纳更多的处理单元（如DRAM存储器、ISP图像处理器），极大地提升了数据读取、处理和传输的速度。这使得实现高达960fps甚至更高帧率的慢动作视频成为可能。
更好的低光和动态范围： 分离的制造过程允许对每一层进行专门优化。例如，可以在光电转换层集成更大的像素，或者采用更高效的光电二极管结构，从而提升低光表现和动态范围。
更高的功能集成度： 信号处理层可以集成更多先进功能，如AI图像识别、实时降噪、更高效的自动对焦算法等。
减小传感器整体尺寸： 将功能层堆叠起来，可以在实现更强性能的同时，保持传感器整体尺寸的紧凑。
劣势：
极高的制造成本： 堆叠技术的复杂性带来了极高的制造成本，包括精密的堆叠和互联技术，以及对良率的严格要求。
技术难度巨大： 垂直连接、信号隔离、散热管理等都是巨大的技术挑战。
热量管理： 将处理单元密集地堆叠在传感器附近，会产生更多的热量，需要有效的散热设计来保证性能和可靠性。
4. 混合对焦（Hybrid AF）技术（与CMOS传感器协同工作）
虽然混合对焦不是CMOS传感器本身的一种“结构”技术，但它是现代CMOS成像系统中至关重要的一部分，并且技术迭代非常快。传统的对焦方式主要有两种：相位检测对焦（PDAF）和反差检测对焦。
相位检测对焦（PDAF）： 在CMOS传感器上集成特殊的“相位检测像素”，这些像素能接收来自镜头不同区域的光线，通过计算这些光线到达的时间差来判断景物是否合焦，以及合焦的方向和距离。优点是速度快，适合追踪运动物体。
反差检测对焦： 通过不断调整镜头，直到图像中最清晰（反差最大）的点，以此来判断合焦。优点是精度高，尤其是在弱光下。缺点是速度较慢，且容易在极限位置“拉风箱”。
混合对焦技术就是将这两种方式结合起来。通常，在CMOS传感器上集成一定数量的PDAF像素，同时仍然保留反差检测能力。
优势：
兼顾速度与精度： 结合了PDAF的速度和反差检测的精度，尤其是在光线充足时，对焦又快又准。
弱光对焦能力增强： PDAF像素在弱光下的性能通常不如在光照良好的时候，但结合了反差对焦，可以提供更可靠的弱光对焦。
更好的连续对焦： 对于视频录制和运动场景，混合对焦提供了更平滑、更稳定的连续对焦体验。
劣势：
占用部分像素面积： PDAF像素通常需要特殊的结构，会占用一部分原本用于成像的像素面积，理论上可能会略微降低整体图像质量（但现代技术通过算法和像素设计在很大程度上弥补了这一点）。
算法的复杂性： 需要复杂的算法来协调PDAF和反差检测的切换和协同工作，以达到最佳效果。
总结与趋势
总的来说，CMOS成像技术的进步，正在朝着更高画质、更快速度、更低功耗、更智能的方向发展。
背照式（BSI）已经成为中高端CMOS传感器的标配，为低光表现打下了坚实基础。
先进的制造工艺（DSI）不断缩小特征尺寸，带来更高的像素密度和更低的功耗。
堆叠式传感器通过垂直集成，大幅提升了处理速度和功能集成度，驱动了超慢动作、8K视频等新体验。
混合对焦则在对焦速度和精度上取得了突破，是提升相机和手机拍照体验的关键技术。
未来的CMOS传感器，很可能会继续沿着这些方向深化发展：
更先进的BSI结构： 比如“多层堆叠式BSI”，将光电转换层和信号处理层都进行堆叠，进一步提升性能。
AI深度集成： 将AI处理单元更紧密地集成到传感器层面，实现更强大的实时图像分析、语义分割、超级分辨率等功能。
新的像素结构和材料： 探索能够提高量子效率、扩展动态范围、甚至实现多光谱成像的新型像素设计和材料。
更高的集成度和小型化： 在更小的体积内集成更多功能，满足未来更复杂的应用场景，如VR/AR、无人驾驶等。
这些技术的不断演进，让我们能够捕捉到更清晰、更生动、甚至更多维度世界的图像，极大地丰富了我们的生活和认知。
网友意见
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
- 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。
- 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）。
- 拜尔结构我觉得应该会有很多人写吧，我就不写咯……
- 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。
- 感谢白龙大大在堆栈式 CMOS 章节的指正。
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