攝影小詞典

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哈勃望遠鏡

感光新需求：像素越做越小

上一篇中我們講解了圖像傳感器如何記錄和還原顏色，這次我們基于前兩次連載的小知識，進一步詳細聊一聊圖像傳感器的另一個基礎性能，那就是感光度。

隨著數碼影像技術的普及和發展，圖像感應器整體趨勢是像素越做越高，超高像素仍舊是吸引用戶的一大賣點。但與此同時，圖像感應器的面積卻沒有從根本上越做越大。民用級的數碼相機，圖像傳感器主流還是全畫幅和APS-C畫幅，智能手機的圖像感應器最大也就是1英寸。原先全畫幅圖像感應器2000萬像素就是高像素，而現在同樣面積下5000萬像素才夠勁。在相同面積里塞進更多像素的必然結果就是像素間距的減小。之前我們講過，像素間距影響其感光度性能，從而影響畫質。于是，如何讓密集的一個個小像素提高自身感光性能就成了新時代的技術課題。

哈勃望遠鏡技術造福CMOS

正如連載第一期所述，CMOS在最初階段因為高感性能不如CCD而為人詬病。原理上來說，CMOS是單獨每個像素電荷增幅后輸出，這就造成了每個像素所需電路的層數要比CCD多。電路層加厚等于是加大了每個像素上微透鏡到光電二極管的距離，影響了集光率。且像素越小，電路相對于單個像素的比例就越大，更加顯得像素集光率不夠。大家可以想象一間只有一扇窗戶的房間，站在房間里的時候，肯定是離窗戶越近的位置光線越明亮，像素受光也是這個道理。

改善圖像感應器的這一結構，將礙事的電路層挪到受光部，也就是光電二極管的下面，這就是如今我們所說的“背照式”圖像傳感器。這一想法30多年前就有人提出，但直到20世紀90年代，因為制造技術上的問題，一直很難量產。配合冷卻技術，其應用僅限于天文等專業學術領域，比如哈勃望遠鏡用的就是背照式CCD。

如左圖所示，傳統的像素結構是微透鏡→彩色濾鏡→電路→光電二極管，像素最表層的微透鏡和接收光線并轉換為電信號的光電二極管之間隔著電路層。而背照式的結構為微透鏡→彩色濾鏡→光電二極管→電路，大幅縮短了光電二極管與像素表層的距離。光電二極管離微透鏡近了，除了垂直入射光，傾斜入射光也能夠被像素捕捉到，自然集光能力大幅增強。

Exmor R

集光力提高到2倍

下功夫率先將這一技術民用化的是索尼。雖然索尼公司在光學技術方面不如佳能和尼康等廠商歷史悠久，但在電子技術，特別是半導體生產制造領域卻是有70多年歷史的業界大佬。從20世紀90年代開始就是圖像傳感器的主要制造商，在世界范圍內有很大影響力。索尼公司從2003年開始就著手背照式技術開發，開發過程中面臨集光率提高但產生的噪點也更多等問題。隨著技術問題的逐步解決，索尼于2008年發布了背照式圖像傳感器“Exmor R”，并且于2009年將其運用于自家的影像器材產品上。

豪威推出0.7微米圖像感應器

像素小于1微米

由于智能手機的CMOS尺寸更加受限，于是如何將像素做高并提高單個像素的性能就是技術上競爭比較激烈的地方，堆棧式傳感器也應運而生。基于背照式傳感器，進一步將像素周圍的處理電路移至下層的傳感器結構被稱為堆棧式。加之解決小像素串擾問題的像素隔離技術等新技術的運用，如今智能手機的CMOS傳感器像素已經可以做到低于1微米，像素數可以達到1億。

使用背照式傳感器的尼康Z6樣張

兩大陣營分庭抗禮 表照式與背照式

背照式圖像傳感器雖然在高感光度性能上有很大優勢，但也有技術難度高、造價、散熱、低感光度畫質等方面的不足。最初背照式是較多用于智能手機以及小數碼等圖像傳感器小于APS-C畫幅的機型上。像素在2000萬級別的時代，APS-C畫幅以上的大畫幅機型，本身電路占比沒有那么大，使用背照式被認為沒有明顯的感光度提升效果。但隨著高像素競爭日趨激烈，專業的數碼影像器材也開始積極導入了背照式傳感器。

2015年索尼的全畫幅微單α7RII采用了背照式傳感器，并由此將像素提升至4000萬級別。與索尼相同，尼康也較早導入了背照式傳感器，2017年4000萬像素級別的D850也是背照式傳感器，去年尼康重磅的Z6和Z7也都是背照式。

采用表照式與背照式傳感器成為目前形成的兩大陣營

與這兩大廠商不同， 佳能一直比較保守。同樣是2015年，5000萬像素級別EOS 5DS/R依舊保持表照式，之后微單的重頭戲EOS R也是像素控制在3000萬級別的表照式。與佳能相同，松下LUMIX S1R為4000萬像素級別的表照式。成像素質并不僅由圖像感應器一個結構設計決定，也不完全由像素高低決定。最終畫質是綜合了鏡頭、相機的一整套光學及電子系統的性能。所以圖像傳感器的形式目前是各大廠商仁者見仁智者見智。最終效果很難評定誰優誰劣，都是綜合自家技術力量所得的結果