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相機革命時代來臨—量子薄膜傳感器挑戰(zhàn)傳統(tǒng)CMOS

本刊記者楊迪娜

進入智能手機時代，人們對手機攝像頭的拍攝功能要求越來越高，傳統(tǒng)的攝像頭采用CMOS材料居多，拍攝時會出現(xiàn)圖片呈現(xiàn)過亮、快速運動時容易抖動等一系列問題。這樣的照相技術(shù)進步緩慢，而新出現(xiàn)的量子薄膜傳感器則能打破這樣的困局，開啟相機革命的“新時代”。

美國量宏科技公司(InVisage)于2015年11月推出其首創(chuàng)產(chǎn)品——Quantum 13相機傳感器。Quantum 13是率先使用電子全局快門技術(shù)的智能手機相機傳感器，其能夠響應(yīng)超高寬動態(tài)，可捕捉帶圖像中從明到暗的所有細(xì)節(jié)。通過與智能手機廠商高通和聯(lián)發(fā)科公司合作，量宏科技公司的傳感器技術(shù)可在它們的系統(tǒng)上運行。那么什么是量子薄膜傳感器？這樣的技術(shù)又會帶來怎樣的革新性變化呢？

什么是量子薄膜傳感器？

量子薄膜(QuantumFilm)是基于納米技術(shù)的一種新型材料，這種黑色材料吸收光的速度比傳統(tǒng)相機采用的硅快8倍。量宏科技公司采用一種新技術(shù)，在CMOS成像器件中加入一層 “QuantumFilm” 的成像薄膜，拍攝時圖像可被直接投影在這個薄膜上，然后再由薄膜下部的CMOS硅器件來負(fù)責(zé)將薄膜接收到的圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于薄膜內(nèi)部采用光感性能優(yōu)秀的量子點結(jié)構(gòu)，因此可吸收的環(huán)境光比例大大提升，相機的動態(tài)范圍也更大。

量子薄膜傳感器的生產(chǎn)過程是，將研發(fā)的量子點覆蓋上溶解液，再涂到傳感器(量宏科技自行研發(fā))上。由于涉及一些機密技術(shù)，只有量宏科技的工廠才能夠?qū)崿F(xiàn)，因此量子薄膜的鋪設(shè)工作只能由量宏科技幫助其合作伙伴完成。

量宏科技總裁兼首席執(zhí)行官李政揚(Jess Lee)表示：Quantum 13傳感器的推出標(biāo)志著智能手機和相機產(chǎn)業(yè)將進入一個新時代！智能手機將首次通過一種全新的材料來捕捉圖像，這種材料不是硅或薄膜，而是量子薄膜。這項技術(shù)可以從根本上改變圖像傳感器和照相機的體系結(jié)構(gòu)，因為它可以在表面的頂層實現(xiàn)真正的光子收集。

量子薄膜傳感器的主要優(yōu)勢

(1) 強大的高動態(tài)范圍拍攝模式

傳統(tǒng)的相機在光線非常強的模式下，捕捉圖像時常常會曝光過度，而新型的量子薄膜傳感器則不會產(chǎn)生這種問題。這是由于它吸收光的范圍要寬于半導(dǎo)體，高亮和陰暗區(qū)域的細(xì)節(jié)均可被覆蓋，攝影里稱這種模式為“高動態(tài)”。高動態(tài)帶來的好處是，可以還原電影膠片的清晰效果，呈現(xiàn)往日美好時光的各種景象。

與傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器相比，這種模式能提高近18 dB的動態(tài)范圍。這意味著無須任何附加的高動態(tài)范圍軟件處理，靜態(tài)和攝像模式都可以達(dá)到這種高性能水平。而傳統(tǒng)情況下，則因為運用了軟件處理，往往會造成圖像失真或時段丟失。

(2) 更小尺寸帶來更大空間

智能手機、平板等移動設(shè)備不僅追求更完美的性能，還追求更精巧的外觀設(shè)計，更薄、更便攜是大勢所趨。而手機攝像頭要做到這一點非常困難，因為攝像頭模組都較厚、占據(jù)的空間很大，連iPhone6的攝像頭也不得不凸出來。量宏科技推出的Quantum 13傳感器可以解決這一難題，它是1300萬像素、1.1 μm的相機傳感器，可以裝入一個8.5 mm×8.5 mm的模塊中。Quantum 13傳感器可以調(diào)節(jié)具有較高入射角度的光，從而達(dá)到4 mm 相機模塊高度。在需要手機完成眾多功能的今天，這種更薄的相機模塊可以使智能手機的相機設(shè)計變得更輕薄。

(3) 全局曝光

傳統(tǒng)CMOS傳感器技術(shù)采用Rolling shutter(卷簾快門)方式，通過傳感器逐行曝光的方式實現(xiàn)拍攝，在曝光開始的時候，傳感器逐行掃描、逐行進行曝光，直至所有像素點都被曝光。因為有先后順序，所以不可能在同一時間點完成所有像素曝光，畫面因此會抖動不清晰。

全局曝光技術(shù)則不同，因為量子薄膜的特性，此傳感器的整個感光層都能打開或關(guān)閉，并進行整幅畫面的曝光，不分先后，因此可以真正捕捉瞬間畫面，把圖像的抖動、顛簸狀態(tài)處理得平穩(wěn)而流暢。搭載Quantum 13傳感器的智能手機還可生成流暢的2K和4K影像，不會出現(xiàn)任何由滾動快門造成的失真現(xiàn)象。

新的技術(shù)革命