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背照式CMOS傳感器

發(fā)布時間:2011-03-15

CMOS傳感器的中心議題:
  • 照片的由來
  • CCD傳感器和CMOS傳感器簡介
  • 背照式CMOS傳感器基本原理介紹
  • 背照式CMOS傳感器的優(yōu)點

時代發(fā)展,技術進步。數(shù)碼相機的各種新技術層出不窮,導致消費者面對廠家宣傳或者是相機參數(shù)列表中的一些專業(yè)詞匯,一般都會感到非常難于理解,以致影響到購機前的判斷。本文就為大家講解一下現(xiàn)在出現(xiàn)率頗高的“背照式CMOS傳感器”,分析一下此技術是好是壞。

照片怎么來的?

相機的本質(zhì)價值就在于把我們?nèi)搜勰芸吹降木跋筠D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。在另一個角度來看,這是一種能量流動的方式,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。

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

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

數(shù)碼照片是一些電路和軟件計算出來的結果

照片要以數(shù)碼的方式來表現(xiàn),一個非常重要的步驟就是量化,也就是說我們需要將自然界的景象轉換成一種可以用數(shù)值精確衡量的方式來表達。實際上量化過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,通過轉化成可以感光二極管(photodiode)進行光電轉換成電荷或者是電壓信息,整個圖像傳感器點陣上所有的信息出來再到處理芯片生成數(shù)字格式的圖片。

CCD傳感器和CMOS傳感器

而現(xiàn)在普遍使用的兩種圖像傳感器就是大家經(jīng)常聽說到的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,小編在此也簡單說一下兩種傳感器的異同以及優(yōu)缺點。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。由圖示可以看出,CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個象素中,由最底端部分輸出,再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出;而在CMOS傳感器中,每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路,用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。簡單說就是對待單個像素點上得到的電荷數(shù)據(jù)有不同方法,CCD是全部傳輸出來再統(tǒng)一處理,CMOS是先分別處理在傳出來。這兩種方式并不是人們憑空想象出來的,而是由CCD和CMOS的制作工藝決定的,因為CMOS器件內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)會有較高的失真,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,特別適合在像素數(shù)提升上有較多的文章可以做。因此,最近幾年芯片級的廠家都放了非常多的精力在CMOS傳感器上,以致現(xiàn)在CMOS傳感器在市場終端產(chǎn)品上占據(jù)了非常高的份額,特別是數(shù)碼相機方面。

背照式CMOS傳感器基本原理

時間推進到了08年6月,索尼公司發(fā)布了背照式CMOS,并冠以ExmorR名稱,并且首先用在數(shù)款DV產(chǎn)品上。背照式CMOS影像從此開始快速發(fā)展,至今已有多個芯片廠商發(fā)布了該類型的產(chǎn)品,越來越多數(shù)碼影像設備采用了此技術,接下來小編就詳細講講此項技術的特點。

背照式CMOS傳感器最大的優(yōu)化之處就是將元件內(nèi)部的結構改變了,即將感光層的元件調(diào)轉方向,讓光能從背面直射進去,避免了傳統(tǒng)CMOS傳感器結構中,光線會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,其他芯片廠家的產(chǎn)品可能在細節(jié)上有不同,但大體意思是相同的),橙色的為光線路,黃色線為受光面。左邊的傳統(tǒng)式,明顯看到光線通過微透鏡后還需要經(jīng)過電路層才能到達受光面,中途光線必然會遭到部分損失(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,光線通過微透鏡后就可以直接到達感光層的背面,完成光電反應,從進光量上改善了感光過程。[page]

然后我們更細一點分析,由于中間沒有阻隔,背照式CMOS傳感器的感光面離微透鏡更近了,也就是說光線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(tǒng)CMOS傳感器在靈敏度會上有質(zhì)的飛躍,結果就是在低光照度下的對焦能力和畫質(zhì)有極大的提升。

為何這么遲才推出背照式CMOS?

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


背照式CMOS傳感器生產(chǎn)過程

新型的背照式CMOS傳感器還有什么優(yōu)點?

新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級,至少在兩個方面有提升。第一個是在傳感器上的微透鏡性能更為提升,以致經(jīng)過微透鏡后的光,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,眩光等不良效果會減弱,讓最終到達傳感器感光面的光較傳統(tǒng)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的電荷數(shù)據(jù)傳輸出來統(tǒng)一處理,所以在像素大的時候速度比較難提高,如果強行提高處理的帶寬就會造成噪點的增加。而CMOS傳感器在每一個像素點上都已經(jīng)將電荷轉化成了電壓數(shù)據(jù),在提高大像素幀率上有比較大的空間。

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

用上背照式CMOS傳感器畫質(zhì)就會好了嗎?

既然背照式CMOS傳感器這么厲害,是不是說配備了了它的數(shù)碼相機拍照就很牛了呢?其實不是,決定數(shù)碼照片的畫質(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,因為光線到達傳感器之前是要通過鏡頭。而各型號的相機使用的鏡頭不盡相同,具體的質(zhì)素也當然會有差異。另外一個就是數(shù)據(jù)處理的方面,因為從傳感器出來的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過數(shù)碼相機內(nèi)部的處理器來進行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)(能輸出RAW格式的相機除外),換句話說就是有了原始材料,還需要做潤色才能出成品。這部分就要看各個廠家的圖像處理算法了,這就好比不同廚師會用的烹調(diào)方法來處理食材一樣,最終的圖片就會用不同的質(zhì)量,不同的風格。

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畫質(zhì),大體的結論是在低ISO的時候,兩者相差不大,但在高ISO時候的確有一定的提升。另外值得提及的一點就是,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,這是一個非常重要的提升。



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