圖解索尼CMOS圖像傳感器的神奇之處

　　毫無(wú)疑問(wèn)，索尼是2014年全球感光元件銷(xiāo)售的大贏家，市場(chǎng)占有率達(dá)到了40%，而他們剛剛推出A7R II更是首款搭載背照式CMOS的全畫(huà)幅相機(jī)。其圖像傳感器技術(shù)已大幅領(lǐng)先。但“大法”傳感器到底有何厲害?他們是怎樣發(fā)展出現(xiàn)在的技術(shù)?FRAMOS Technologies Inc.技術(shù)專(zhuān)家Darren Bessette使用一系列圖文講述了索尼六代圖像傳感器進(jìn)化史。

　　第一代

　　傳統(tǒng)CMOS(左)收集到信號(hào)后會(huì)先通過(guò)CDS(Correlated Double Sampling)雙取樣電路降噪，再?gòu)碾姾赏分袀鬏敵鋈?，最后通過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)碼數(shù)據(jù)。在這個(gè)傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量噪聲。而索尼第一代Exmor傳感器(右)最主要的改進(jìn)就是改變此結(jié)構(gòu)，讓數(shù)據(jù)在傳輸前就進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換前后都有CDS降噪，噪點(diǎn)問(wèn)題得到改善。

　　第二、第三代Exmor

　　第一代、第二代、第三代厚度逐級(jí)減少

　　單來(lái)說(shuō)，這兩代產(chǎn)品主要功勞是縮減了傳感器結(jié)構(gòu)厚度。方法包括將本來(lái)的鋁制布線換成更細(xì)的銅線，然后再減少銅制布線本身的厚度，效果如上圖。過(guò)去光線在通過(guò)金屬布線等結(jié)構(gòu)時(shí)，一些角度較偏或者波長(zhǎng)較短的光線(如藍(lán)綠)會(huì)因反射等原因被浪費(fèi)掉，減少厚度則可大幅改善接收光線的性能。

　　第四代

　　這一代的改進(jìn)重點(diǎn)是加深像素阱，以加強(qiáng)近紅外線(NIR)等長(zhǎng)波長(zhǎng)光線的感光性能，提供更高的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)保存更多電子信息。上圖的PD即是光電二極管(photodiode)，功能是把光線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，做左邊的4代傳感器底部明顯增長(zhǎng)，擁有更多感光的位置。

　　第五代Exmor R

　　終于進(jìn)化到最近常聽(tīng)到的“背照式”(BSI)傳感器。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“背照式”(BSI)傳感器就是把光電二極管放到微透鏡、彩色濾光片下面，而原先的金屬布線層則放到了最后。相較以往“前照式”(FSI)傳感器，這種結(jié)構(gòu)能大幅加強(qiáng)感光能力，同時(shí)降低電路噪聲干擾。

　　第六代Exmor RS

　　由Exmor R變成Exmor RS

　　第五代像素阱深度基于第三代設(shè)計(jì)，所以到第六代索尼改用了類(lèi)似第四代加深像素阱的技術(shù)方案，以改良NIR等光線吸收。索尼第六代傳感器的另一項(xiàng)特點(diǎn)就是變成了“堆棧式”設(shè)計(jì)，把感光平面放到了最上層，信號(hào)處理電路疊放在后面，這樣就能增加像素填滿程度，從而加強(qiáng)整體感光性能及影像素質(zhì)。

　　堆棧式結(jié)構(gòu)提供了更高的像素提升空間，卻有著更緊密小巧的尺寸，連帶鏡頭、機(jī)身等都可以進(jìn)化。在這個(gè)手機(jī)攝影流行的年代，明顯是更為適合。

　　科技就是這樣一步步走來(lái)，CMOS的發(fā)展似乎也相當(dāng)順利，從這個(gè)角度看，淘汰CCD實(shí)在是大勢(shì)所趨。