透過(guò)影像看世界，傳感器進(jìn)化這些年

劉芬

CCD技術(shù)是大多數(shù)早期數(shù)碼相機(jī)的基礎(chǔ)

上期我們講了傳感器“首富”索尼悶聲發(fā)大財(cái)?shù)墓适拢仡櫹鄼C(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳感器一直是攝友關(guān)注的元件，到了手機(jī)時(shí)代，更是如此，但傳感器的發(fā)展不是一蹴而就，我們來(lái)捋一捋它的進(jìn)化過(guò)程。

CCD（電荷耦合器件）傳感器是早期能夠提供優(yōu)秀成像畫(huà)質(zhì)，并且具有高性價(jià)比的相機(jī)圖像傳感器技術(shù)。CCD從傳感器的邊緣讀出，一次一個(gè)像素，每次讀取一個(gè)像素時(shí)將電荷從一個(gè)像素向下級(jí)聯(lián)到下一個(gè)像素。完成此操作的速度取決于施加到芯片的電流，因此快速讀出需要大量功率。

由于小型消費(fèi)類相機(jī)電池的功率限制，這個(gè)過(guò)程相對(duì)緩慢，使得緊湊型相機(jī)中的實(shí)時(shí)取景非常緩慢和滯后。早期數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的基礎(chǔ)是由CCD打下的，從上世紀(jì)90 年代中期一直到 2010年初，CCD的風(fēng)頭都要蓋過(guò)CMOS。

早年的Super CCD畫(huà)質(zhì)確實(shí)艷絕同類

比如當(dāng)時(shí)如日中天的富士Super CCD技術(shù)，它并沒(méi)有采用常規(guī)正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD 大。將像素旋轉(zhuǎn)45 度排列的結(jié)果是可以縮小對(duì)圖像拍攝無(wú)用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。

S3 Pro DSLR中的第二代版本提供的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其同時(shí)代產(chǎn)品，但遮蔽也抑制了圖像質(zhì)量，尤其是在較高的 ISO下，所以也有些被人詬病。

CMOS（互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體），主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS 上共存著帶N（帶- 電）和 P（帶+ 電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。同樣，CMOS 的尺寸大小影響感光性能的效果，面積越大感光性能越好。CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)噪點(diǎn)， 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS 在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而產(chǎn)生過(guò)熱的現(xiàn)象。

CMOS傳感器的生產(chǎn)成本在日后更加平民，佳能于2000 年率先在D30 殘幅APS-C 數(shù)碼單反相機(jī)中采用的CMOS，高ISO圖像質(zhì)量也算過(guò)得去，逐漸贏得了聲譽(yù)。回顧 CCD 時(shí)代，并沒(méi)有內(nèi)在原因說(shuō)明CCD本身在捕捉色彩方面與CMOS 有什么不同，即便是有差異更有可能源于濾色器選擇性和吸收特性的變化，因?yàn)橹圃焐淘噲D通過(guò)使用允許更多光線通過(guò)的濾鏡來(lái)提高低光性能。到2007 年，業(yè)界最大的芯片供應(yīng)商（索尼半導(dǎo)體）的 APS-C 芯片已經(jīng)轉(zhuǎn)向 CMOS，CMOS成為大傳感器相機(jī)的默認(rèn)技術(shù)。

背照式CMOS和堆疊式的迭代

第一款背照式（BSI）CMOS 傳感器出現(xiàn)于2009 年，這項(xiàng)技術(shù)起初主要應(yīng)用于智能手機(jī)和緊湊型相機(jī)傳感器中。BSI 傳感器的制造方式與現(xiàn)有的前照式設(shè)計(jì)大致相同，但它們所構(gòu)建的背襯材料隨后被削掉，傳感器的“背面”被放置成面向鏡頭和接收光。

1600萬(wàn)像素的APS-C CMOS傳感器出現(xiàn)在Pentax K-5、尼康D7000和各種索尼相機(jī)中，向前邁出重要一步

BSI從2014年開(kāi)始涉足大型傳感器，將近十年后，BSI 的使用算是較為普遍了，但是它的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)還是分了很多層次。索尼的視頻機(jī)A7S 前兩代CMOS 傳感器只是采用普通的1220 萬(wàn)像素ExmorCMOS，而A7S3 采用了1210 萬(wàn)像素的背光式Exmor R BSI-CMOS。索尼A7S三代的DXOMARK 傳感器評(píng)分為 86，全畫(huà)幅 35 毫米排名第51 位，傳感器在 ISO1600 和ISO 6400 之間表現(xiàn)優(yōu)秀，甚至優(yōu)于一些使用2400 萬(wàn)像素BSI CMOS 傳感器的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

近幾年涌現(xiàn)的堆疊式CMOS 是前沿技術(shù)，英文名稱叫作Stacked CMOS，也可以翻譯為“積層式CMOS”。它使用有信號(hào)處理電路的芯片替代了原來(lái)背照CMOS圖像傳感器的支持基板，在芯片上重疊形成背照CMOS 元件的像素部分，從而實(shí)現(xiàn)了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點(diǎn)的工藝。

由于像素部分和電路部分分別獨(dú)立，因此像素部分可針對(duì)高畫(huà)質(zhì)優(yōu)化，電路部分可針對(duì)高性能優(yōu)化。這是一個(gè)耗時(shí)且昂貴的過(guò)程，因此只出現(xiàn)在智能手機(jī)和小型相機(jī)的相當(dāng)小的芯片中，以及非常高性能的大型傳感器模型中。

與BSI 一樣，它的主要優(yōu)勢(shì)不是以圖像質(zhì)量的形式出現(xiàn)，而是允許更快、更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。到目前為止，我們看到的示例包括內(nèi)置RAM，允許傳感器在前一張圖像仍在由相機(jī)處理時(shí)捕獲另一張圖像，或者為讀數(shù)提供并行路徑的雙讀數(shù)，堆疊式 CMOS芯片目前支撐著拍攝速度最快的相機(jī)和手機(jī)，其復(fù)雜性和精密性在未來(lái)幾年會(huì)為影像技術(shù)帶來(lái)更長(zhǎng)足的進(jìn)步。