解讀背照式CMOS傳感器

時(shí)代發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步。數碼相機的各種新技術(shù)層出不窮，導致消費者面對廠(chǎng)家宣傳或者是相機參數列表中的一些專(zhuān)業(yè)詞匯，一般都會(huì )感到非常難于理解，以致影響到購機前的判斷。本文就為大家講解一下現在出現率頗高的“背照式CMOS傳感器”，分析一下此技術(shù)是好是壞。

照片怎么來(lái)的？

　　相機的本質(zhì)價(jià)值就在于把我們人眼能看到的景象轉化成可以保存欣賞的平面圖像，把輾轉即逝的瞬間變成永恒。在另一個(gè)角度來(lái)看，這是一種能量流動(dòng)的方式，相機所做的工作就是將光能轉化到介質(zhì)上轉化為信息存儲起來(lái)。

　　其中膠片相機成像是依靠鹵化銀晶體的化學(xué)特性，即遇光就會(huì )發(fā)生化學(xué)變化，再通過(guò)沖洗等一系列過(guò)程得到影像，具體的細節本文不展開(kāi)。

　　科技發(fā)展到了數碼化的時(shí)代，照片的存儲最終是以數字的格式，即是一連串的數值組成的文件。那究竟從自然界的光到數碼圖片文件，中間要經(jīng)過(guò)怎么樣的處理過(guò)程呢？

數碼照片是一些電路和軟件計算出來(lái)的結果

　　照片要以數碼的方式來(lái)表現，一個(gè)非常重要的步驟就是量化，也就是說(shuō)我們需要將自然界的景象轉換成一種可以用數值精確衡量的方式來(lái)表達。實(shí)際上量化過(guò)程的核心部件是影像傳感器，它可以將傳到它身上的不同強弱、不同顏色的光線(xiàn)，通過(guò)轉化成可以感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉換成電荷或者是電壓信息，整個(gè)圖像傳感器點(diǎn)陣上所有的信息出來(lái)再到處理芯片生成數字格式的圖片。

CCD傳感器和CMOS傳感器

　　而現在普遍使用的兩種圖像傳感器就是大家經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)到的CMOS和CCD傳感器了，為了讓大家最終更好地認識背照式CMOS傳感器，小編在此也簡(jiǎn)單說(shuō)一下兩種傳感器的異同以及優(yōu)缺點(diǎn)。如下圖所示，左邊為CCD傳感器的結構，右邊的為CMOS傳感器的機構，黃色的小方塊為像素點(diǎn)。由圖示可以看出，CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數據都會(huì )依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì )鄰接一個(gè)放大器及A/D轉換電路，用類(lèi)似內存電路的方式將數據輸出。簡(jiǎn)單說(shuō)就是對待單個(gè)像素點(diǎn)上得到的電荷數據有不同方法，CCD是全部傳輸出來(lái)再統一處理，CMOS是先分別處理在傳出來(lái)。這兩種方式并不是人們憑空想象出來(lái)的，而是由CCD和CMOS的制作工藝決定的，因為CMOS器件內傳輸數據會(huì )有較高的失真，所以需要先做處理。

CCD傳感器和CMOS傳感器的不同

　　正是由于兩種傳感器處理過(guò)程的不同，所以在早期，CMOS影像傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都比CCD要差，但優(yōu)勢在于具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)，特別適合在像素數提升上有較多的文章可以做。因此，最近幾年芯片級的廠(chǎng)家都放了非常多的精力在CMOS傳感器上，以致現在CMOS傳感器在市場(chǎng)終端產(chǎn)品上占據了非常高的份額，特別是數碼相機方面。

背照式CMOS傳感器基本原理

　　時(shí)間推進(jìn)到了08年6月，索尼公司發(fā)布了背照式CMOS，并冠以Exmor R名稱(chēng)，并且首先用在數款DV產(chǎn)品上。背照式CMOS影像從此開(kāi)始快速發(fā)展，至今已有多個(gè)芯片廠(chǎng)商發(fā)布了該類(lèi)型的產(chǎn)品，越來(lái)越多數碼影像設備采用了此技術(shù)，接下來(lái)小編就詳細講講此項技術(shù)的特點(diǎn)。

　　背照式CMOS傳感器最大的優(yōu)化之處就是將元件內部的結構改變了，即將感光層的元件調轉方向，讓光能從背面直射進(jìn)去，避免了傳統CMOS傳感器結構中，光線(xiàn)會(huì )受到微透鏡和光電二極管之間的電路和晶體管的影響，從而顯著(zhù)提高光的效能，大大改善低光照條件下的拍攝效果。

背照式CMOS傳感器物理結構圖

　　背照式CMOS傳感器的具體結構如上圖所示（源自索尼資料，其他芯片廠(chǎng)家的產(chǎn)品可能在細節上有不同，但大體意思是相同的），橙色的為光線(xiàn)路，黃色線(xiàn)為受光面。左邊的傳統式，明顯看到光線(xiàn)通過(guò)微透鏡后還需要經(jīng)過(guò)電路層才能到達受光面，中途光線(xiàn)必然會(huì )遭到部分損失（包括被阻擋或被減弱）。背照式CMOS傳感器的元件則不同，在改變了結構后，光線(xiàn)通過(guò)微透鏡后就可以直接到達感光層的背面，完成光電反應，從進(jìn)光量上改善了感光過(guò)程。

　　然后我們更細一點(diǎn)分析，由于中間沒(méi)有阻隔，背照式CMOS傳感器的感光面離微透鏡更近了，也就是說(shuō)光線(xiàn)的入射角度和覆蓋的面都能得到優(yōu)化，感光元件就有可能輸出更為優(yōu)秀的信號。

　　綜合以上的因素，背照式CMOS傳感器比傳統CMOS傳感器在靈敏度會(huì )上有質(zhì)的飛躍，結果就是在低光照度下的對焦能力和畫(huà)質(zhì)有極大的提升。

為何這么遲才推出背照式CMOS？

　　為何看上去如此簡(jiǎn)單的改進(jìn)是在傳統CMOS傳感器出現這么久才被制造出來(lái)呢？其實(shí)科學(xué)家們大概在20年之前就想到了，只是因為結構調整后的背照式CMOS傳感器對電子器件的生產(chǎn)工藝和微處理技術(shù)的要求非常高，因為此技術(shù)要求承載二極管的基板要非常薄，大概是傳統正照式CMOS傳感器基板厚度的1/100。因此，芯片廠(chǎng)家在內功不夠的時(shí)候勉強做背照式CMOS傳感器必然會(huì )導致得不償失，可能會(huì )導致更多的噪點(diǎn)產(chǎn)生。

背照式CMOS傳感器生產(chǎn)過(guò)程

新型的背照式CMOS傳感器還有什么優(yōu)點(diǎn)？

　　新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級，至少在兩個(gè)方面有提升。第一個(gè)是在傳感器上的微透鏡性能更為提升，以致經(jīng)過(guò)微透鏡后的光，入射到感光面上的角度更接近垂直，而且微透鏡產(chǎn)生的色散，眩光等不良效果會(huì )減弱，讓最終到達傳感器感光面的光較傳統的好。第二就是在大像素下依舊具有高速的處理能力，這一點(diǎn)歸根到底是對比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點(diǎn)的電荷數據傳輸出來(lái)統一處理，所以在像素大的時(shí)候速度比較難提高，如果強行提高處理的帶寬就會(huì )造成噪點(diǎn)的增加。而CMOS傳感器在每一個(gè)像素點(diǎn)上都已經(jīng)將電荷轉化成了電壓數據，在提高大像素幀率上有比較大的空間。

　　不過(guò)這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)并非被照式CMOS傳感器特有，是當今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的，這就是為什么越來(lái)越多數碼相機采用CMOS傳感器了，畢竟大像素和高速的性能會(huì )直接影響最終消費者的選擇。

用上背照式CMOS傳感器畫(huà)質(zhì)就會(huì )好了嗎？

　　既然背照式CMOS傳感器這么厲害，是不是說(shuō)配備了了它的數碼相機拍照就很牛了呢？其實(shí)不是，決定數碼照片的畫(huà)質(zhì)除了核心部件傳感器外，還有鏡頭以及處理算法等因素。鏡頭的因素大家應該都容易理解，因為光線(xiàn)到達傳感器之前是要通過(guò)鏡頭。而各型號的相機使用的鏡頭不盡相同，具體的質(zhì)素也當然會(huì )有差異。另外一個(gè)就是數據處理的方面，因為從傳感器出來(lái)的數據還是要經(jīng)過(guò)數碼相機內部的處理器來(lái)進(jìn)行處理才能得到最終的照片數據（能輸出RAW格式的相機除外），換句話(huà)說(shuō)就是有了原始材料，還需要做潤色才能出成品。這部分就要看各個(gè)廠(chǎng)家的圖像處理算法了，這就好比不同廚師會(huì )用的烹調方法來(lái)處理食材一樣，最終的圖片就會(huì )用不同的質(zhì)量，不同的風(fēng)格。

　　對比裝備了背照式CMOS傳感器的相機和其他相機的各檔位ISO畫(huà)質(zhì)，大體的結論是在低ISO的時(shí)候，兩者相差不大，但在高ISO時(shí)候的確有一定的提升。另外值得提及的一點(diǎn)就是，裝備了背照式CMOS傳感器的相機在低光環(huán)境的對焦能力大大加強，這是一個(gè)非常重要的提升。