CMOS之父，讲透LOFIC

你可能越来越多地听到“LOFIC”这个词，也感受到了大家对它所带来的强大功能兴奋不已。为此，我们采访了现代 CMOS 图像传感器的发明人埃里克·福萨姆（Eric Fossum）教授。事实证明，他早在该概念发展的初期就曾参与其中。今天就由他来为我们解析 LOFIC 的工作原理，以及它对未来的相机意味着什么。

LOFIC 代表横向溢出集成电容（Lateral OverFlow Integration Capacitor）。这是一种全新的像素电路设计方式，能够让像素捕获更多的光线。从概念上讲，它与我们在过去 12 年里见过的双转换增益（Dual Conversion Gain）传感器思路相似，但它承诺带来的效益似乎要巨大得多。

现任达特茅斯学院教授的福萨姆用了一个比喻：捕获光线就像是用一排容器或水桶来收集雨水。

为了涵盖“转换增益”（Conversion Gain）的概念，我们把这个比喻稍微复杂化一点。转换增益指的是每个像素中感光光电二极管产生的光电子数量，与最终读取出的电信号电压大小之间的关系（单位为伏特/电子）。

在 CMOS 传感器中，如果在较小的水桶（较小电容）中捕获光电子，读取时产生的信号就会比在较大水桶（较大电容）中捕获相同数量光电子所产生的信号成比例地更大。

福萨姆建议，你可以在厨房的水槽里把一个烈酒杯（shot glass）嵌套在一个大碗里来演示这个比喻。如果你倒的水足够装满烈酒杯，水就会溢出到外面的大碗里。你会注意到，水位在烈酒杯里上升得很快，而一旦级联溢出到大碗里，水位上升就会变慢。

因此，小水桶非常适合弱光环境（光电子较少）；而要捕获大量光线，你就需要一个大得多的水桶，这样水才不会溢出来。

在 LOFIC 传感器中，我们不再是只有一个水桶，而是同时拥有一个小水桶和一个大水桶。来自光电二极管的电荷首先开始收集在小水桶中；但如果超过了小水桶的容量，它就会溢出到第二个更大的水桶中。（福萨姆在早期的一项专利中将其称为“级联集成”）。

到了读取阶段，我们首先测量小水桶。因为电荷是在小水桶里捕获的（具有高转换增益），所以我们能得到一个强信号，足以压制后续处理过程中可能加入的任何噪声。这能为我们带来非常干净暗部和出色的暗光图像。

接着在 LOFIC 传感器中，我们可以将两个水桶连接在一起，合并它们的容量（从而降低转换增益），并将所有溢出的电荷加入进来。然后我们读取这个合并后的信号。如果我们捕获的光线并不多，只需直接使用第一次的读取结果；但如果小水桶装满了，我们就可以改用第二次合并读取的结果，从而极大地提升对高光的容纳能力。

与双转换增益系统不同，福萨姆指出了 LOFIC 的核心优势：“你不需要提前做出选择。”而且正如他所强调的，这种系统根本没有理由局限于两个水桶。

在实际应用中，这意味着传感器能够承受强得多的光线。而且它能在相对较小的超高像素传感器上实现，说明空间限制并不是问题——至少一旦使用堆叠式传感器制造工艺后就完全不是问题了。

在 DJI 大疆的 Osmo 4P 上，我们看到官方宣称其拥有 17 档的动态范围，这对于一块 1 英寸（Type 1）传感器来说是一个极其惊人的数字。这让它的动态范围足以媲美大得多的传感器（尽管这并不意味着它的画质能完全等同于大底）。从它的实际应用中，你可以看出这种额外的动态范围是如何被利用的。

Osmo 4P 中采用 LOFIC 技术的相机，是唯一需要使用全新 D-Log2 色彩科学预设的相机——D-Log2 正是专门为了容纳更大动态范围而设计的。有趣的是，D-Log2 的基础 ISO（即捕获最大动态范围的设定）似乎是 1600，这表明相比于传统传感器所用 D-Log 预设的 ISO 400 基础感光度，它的曝光设计多捕获了额外 2 档的高光细节。

这展示了 LOFIC 能带来的可能性：选择捕获更多的高光，或者捕获更高质量的图像。

同时，D-Log2 模式还允许你将这块传感器的同一状态一路向下曝光至 ISO 100：虽然这会裁切掉那些额外的高光，但通过增加曝光量捕获了剩余的中间调与暗部，从而大幅提升了影调画质。

这让我们看到了 LOFIC 能为专用相机带来的变革：要么获得更强的高光细节保留，要么在保持与现有传感器相同高光截止点的前提下，获得画质更高的图像。

在经历近十年传感器速度越来越快、但画质并未真正提升的瓶颈期后，LOFIC 技术或许正是我们期待已久的飞跃。

有趣的是，一手发明了几乎所有现代相机所基于的“主动像素 CMOS 图像传感器”的福萨姆，早期就发明了这个概念的雏形；但他当时任职公司的后续继承者们，却将精力投向了更简单的双转换增益系统。后来，日本仙台东北大学的一个团队独立开发出了我们如今看到的 LOFIC 技术，他们在自己的 LOFIC 专利中引用了福萨姆在美光（Micron）时期申请的专利，但提出了更现代化的实现方案。

（来源：编译自dpreview）