玩噱头还是真有用,影像传感器革命

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所谓背照式CMOS传感器就是将它掉转方向,影楼网
让光线首先进入感光二极管,从而增大感光量,显著提高低光照条件下的拍摄效果。索尼的背照式CMOS传感器商品名称为Exmor
R,首先在DV摄像机中得到应用。简介  在传统CMOS感光元件中,感光二极管位于电路晶体管后方,影楼网进光量会因遮挡受到影响。
背照式CMOS传感器所谓背照式CMOS就是将它掉转方向,让光线首先进入感光二极管,从而增大感光量,显著提高低光照条件下的拍摄效果。索尼的背照式CMOS传感器商品名称
影楼学校为Exmor R,首先在DV摄像机中得到应用。   Exmor R
CMOS背面照明技术感光元件,改善了传统CMOS感光元件的感光度。Exmor R
CMOS采用了和普通方法相反、影楼人才网向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术,由于不受金属线路和晶体管的阻碍,开口率(光电转换部分在一个像素中所占的面积比例)可提高至近100%。与其以往1.75μm间隔的表面照射产品相比,全影论坛背面照射产品在灵敏度(S/N)上具有很大优势。图片 2诞生  数码相机的本质,是把人们所看到的景象转换成能够保存的平面图像,把每
背照式CMOS传感器一个精彩的瞬间封装成永恒的回忆。而我们从另一个专业的角度来看全影论坛,就是把光能转化为信息存储起来。这里就要提到量化的核心部件传感器了,传感器的作用就是把传到它身上的不同强度的光线进行光电转换,转换成电压信息最终生成我们想要的数字图片。
  CMOS(Complementary Metal-Oxide
Semiconductor)中文的全称为互补氧化金属半导体影楼人才网,是用于记录光线变化的元件,是最常用的感光器件之一,CMOS被称之数码相机的大脑。
影楼学校CMOS的成分主要由硅和锗两种元素组成,这点与计算机内部的很多芯片相同。在CMOS上共存着带+电和-电的半导体,通过这两种互补的电荷产生的电流,影楼网可以处理成芯片记录,最终达到成像的目的。但是早期的CMOS有个明显的缺点,影楼结婚网由于在电流变化时频率变快,不可避免的会产生热量,最终造成画面出现杂点影响成像质量,在一段时间内造成了CMOS的搁浅。
科技在不断进步,
影楼学校人们追求更高画质的脚步从未停下来。2008年的6月索尼公司宣布了背照式CMOS传感器,并首先装载在旗下的DV中影楼人才网,这在业界引起了很大的反响。时间再推进1年,2009年索尼在旗下的两款新品TX1和WX1中搭载了背照式CMOS传感器,这在CCD当道的市场中无疑是一支奇兵。
背照式CMOS传感器最大的优化之处在于将元件内部的结构改变了全影论坛,背照CMOS将感光层的元件调转方向,让光能从背面直射进去,避免了传统CMOS传感器结构中,光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响,从而显著提高光的效能,大大改善低光照条件下的拍摄效果。综合以上的因素,影楼结婚网背照式CMOS传感器比传统CMOS传感器在灵敏度会上有质的飞跃,结果就是在低光照度下的对焦能力和画质有极大的提升。
  我们所看到的CMOS器件貌似很简单,实际上对生产工艺与微处理的技术要求相当高,改变了CMOS的方向意味着承载二极管的板子要非常薄,影楼网大概是传统CMOS的百分之一,这在当时阻碍了背照式CMOS的诞生。

  对于数码相机来说影像传感器是其技术标准的核心,是数码相机得以日新月异的最根本驱动力,其特性也决定着这个时期数码相机所具有的特性。优秀的影像传感器所具有的独特的物理性质,配合图像处理引擎的自然进化,不断推动数码影像产业向前发展。索尼开发过很多优秀的影像传感器,从SuperHAD
CCD到数码摄像机上使用的ClearVid CMOS以及全画幅Exmor
CMOS传感器。2009年秋季索尼首次在cyber-shot产品线上推出了使用Exmor R CMOS
影像传感器的数码相机产品——WX1和TX1。自此掀起了影像传感器的新革命。

每年都有数百款数码相机和摄像机产品发布,市场中乱哄哄的你方唱罢我登场,甚至是你还没唱罢,下一款产品已经上来把你挤下去了,消费者能够记住的也只是那么非常有限的几款特色产品而已,为了让更多的消费者有兴趣来记住和了解,在同质化现象已经非常严重的数码影像产品线中,各大厂商无不绞尽脑汁给自己的产品增加一些新功能,新特性,也给宣传的时候增添一些新亮点。那么对于消费者来说,这些新的技术到底有没有实际意义呢,就让我们找出近期比较热门的几个一一点评。

表现方式  相机的本质价值就在于把我们人眼能看到的景象转化成可以保存欣赏的平面图像全影论坛
背照式CMOS传感器,把辗转即逝的瞬间变成永恒。在另一个角度来看影楼人才网,这是一种能量流动的方式,相机所做的工作就是将光能转化到介质上转化为信息存储起来。
  其中胶片相机成像是依靠卤化银晶体的化学特性,即遇光就会发生化学变化,再通过冲洗等一系列过程得到影像,具体的细节本文不展开。
  科技发展到了数码化的时代影楼结婚网,照片的存储最终是以数字的格式,影楼网即是一连串的数值组成的文件。那究竟从自然界的光到数码图片文件,中间要经过怎么样的处理过程呢?
  照片要以数码的方式来表现,一个非常重要的步骤就是量化,也就是说我们需要将自然界的景象转换成一种可以用数值精确衡量的方式来表达。
影楼学校实际上量化过程的核心部件是影像传感器,它可以将传到它身上的不同强弱、不同颜色的光线,全影论坛通过转化成可以感光二极管(photodiode)进行光电转换成电荷或者是电压信息,整个图像传感器点阵上所有的信息出来再到处理芯片生成数字格式的图片。基本原理  时间推进到了08年6月,索尼公司发布了背照式CMOS,并冠以Exmor
R名称,并且首先用在数款DV产品上。背照式CMOS影像从此开始快速发展,至今已有多个芯片厂商发布了该类型的产品,影楼人才网越来越多数码影像设备采用了此技术,接下来小编就详细讲讲此项技术的特点。
索尼Exmor R
CMOS的图片处理过程背照式CMOS传感器最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了,影楼网即将感光层的元件调转方向,让光能从背面直射进去,避免了传统CMOS传感器结构中,光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响,
影楼学校从而显著提高光的效能,大大改善低光照条件下的拍摄效果。
  背照式CMOS传感器的具体结构如上图所示(源自索尼资料,其他芯片厂家的产品可能在细节上有不同,但大体意思是相同的),橙色的为光线路,黄色线为受光面。影楼人才网左边的传统式,明显看到光线通过微透镜后还需要经过电路层才能到达受光面,中途光线必然会遭到部分损失(包括被阻挡或被减弱)。背照式CMOS传感器的元件则不同,在改变了结构后,光线通过微透镜后就可以直接到达感光层的背面,完成光电反应,影楼结婚网从进光量上改善了感光过程。
  然后我们更细一点分析,由于中间没有阻隔,背照式CMOS传感器的感光面离微透镜更近了,全影论坛也就是说光线的入射角度和覆盖的面都能得到优化,感光元件就有可能输出更为优秀的信号。
  综合以上的因素,背照式CMOS传感器比传统CMOS传感器在灵敏度会上有质的飞跃,结果就是在低光照度下的对焦能力和画质有极大的提升。产品优势  传统的CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换器以及对应的放大电路,因此,这部分电路会占用更多的像素面积,直接导致光电二极管实际感光的面积变小,感光能力变弱。影楼网CCD的单个像素点不需要A/D转换器和放大电路,光电二极管能获得更大的实际感光面积,开口率更大,因此在小尺寸影像传感器领域,目前CCD仍占据一定优势,而在大尺寸影像传感器领域,由于单个像素点的面积大,A/D转换器和放大电路占用的面积只是整个像素的很小一部分全影论坛,影响不大,因此CMOS传感器也得到了广泛的应用。
  而Exmor R
CMOS将光电二极管“放置”在了影像传感器芯片的最上层,把A/D转换器及放大电路挪到了影像传感器芯片的“背面”,而不是像传统CMOS传感器一样,
影楼学校A/D转换器和放大电路位于光电二极管的上层,“挡住了”一部分光线。这样一来,通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用,开口率得以大幅度提高,即便是小尺寸的影像传感器,也能获得优良的高感光度能力。
  相比较之下,传统的表面照射型CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层,而A/D转换器和放大电路位于光电二极管上层,因此光电二极管离透镜的距离更远影楼人才网,光线更容易损失。同时,这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路,影楼结婚网因此直接导致实际能够感光更少。而Exmor
R背照式CMOS传感器解决了这样的问题。
  过这两个优点并非被照式CMOS传感器特有,是当今新款的CMOS传感器普遍都能做到的影楼网,这就是为什么越来越多数码相机采用CMOS传感器了,
影楼学校毕竟大像素和高速的性能会直接影响最终消费者的选择。

影像传感器面临的挑战

背照式CMOS:实用程度 五星

  在数码相机发展的过程中,人们的要求变得越来越高。早期,用户单纯的追求高像素,目的是为满足了更大幅面的输出。如今当民用级数码相机的像素已经很轻松的超过1000万的时候,对影像传感器的功能提出了更高的要求,高清摄像以及优良的高感光度拍摄能力,已经成为大势所趋。但是对于影像传感器的研发而言,有时候是“互斥”的,难以同时实现。比如,小巧的卡片式数码相机,只能使用尺寸较小的影像传感器,而这种影像传感器的单个像素面积必然要减小,导致它的感光能力变弱。当然,这只是一个泛泛的理论,在数码相机传感器的发展过程中,人们采用了很多方法去弥补这样的不足。采用采用优化微透镜的效率,提高开口率*1的方法,可以在一定程度上弥补这样的弊端。但是,这样的变化只是量变而非质变,面对人们越来越高的要求,影像传感器迫切需要一次革命性的进步。

感光元件生产商索尼首先推出采用背照式CMOS的数码相机TX1,推出之后以其高ISO下的优秀效果赢得了夜拍王的美誉,随后各家采用背照式传感器的产品逐渐多了起来,比如理光的CX3、富士HS11、尼康P100、三星WB5000,还有刚刚发布的佳能IXUS300等等。

Exmor R CMOS的绝对创新**

左侧为普通传感器结构图,右侧为背照式传感器结构图

  索尼Cyber-shot新品——WX1和TX1,首次在数码相机领域采用了一种全新的Exmor
R CMOS传感器。这种Exmor R
CMOS传感器的感光能力是过去同尺寸传感器的两倍,因此在光线不足的环境下拍摄,能够大幅降低噪点,获得更清晰的图像。而在此后的实际测试中也表明,这两款Cyber-shot数码相机不仅提供了最高ISO
3200的高感光度,并且噪点抑制能力相当优秀。同时,这两款数码相机还提供了手持夜景拍摄、全景扫描等一系列先进功能也是对新一代影像传感器的技术延伸。**

背照式传感器和传统传感器设计不同的之处在于把与感光无关的走线与光电二极管分开到芯片的两面,这样不仅可以增加光电元件曝光面积,而且减少光线经过布线层时的损失。如此一来,通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用,开口率得以大幅度提高,即便是小尺寸的影像传感器,也能获得优良的高感光度能力。与以往1.75μm像素间隔的传统传感器相比,Exmor
R CMOS在信噪比上具有很大优势,感光能力号称是过去同尺寸传感器的两倍。

  Exmor R
CMOS传感器的秘密究竟在哪里?在揭晓这个秘密之前,我们不妨先来回顾一下传统CMOS传感器的结构。传统的CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换器以及对应的放大电路,因此,这部分电路会占用更多的像素面积,直接导致光电二极管实际感光的面积变小,感光能力变弱。CCD的单个像素点不需要A/D转换器和放大电路,光电二极管能获得更大的实际感光面积,开口率更大,因此在小尺寸影像传感器领域,目前CCD仍占据一定优势,而在大尺寸影像传感器领域,由于单个像素点的面积大,A/D转换器和放大电路占用的面积只是整个像素的很小一部分,影响不大,因此CMOS传感器也得到了广泛的应用。

背照式传感器大大提升了信噪比,这使得一直以来受传感器面积限制而画质不佳的家用DC能够摘掉中看不中用的帽子,能够在外观设计优秀的基础之上提供更高的画质尤其是高感光画质,实用程度在近年来新技术中名列榜首

  而Exmor R
CMOS的秘诀是,将光电二极管“放置”在了影像传感器芯片的最上层,把A/D转换器及放大电路挪到了影像传感器芯片的“背面”,而不是像传统CMOS传感器一样,A/D转换器和放大电路位于光电二极管的上层,“挡住了”一部分光线。这样一来,通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用,开口率得以大幅度提高,即便是小尺寸的影像传感器,也能获得优良的高感光度能力。

  相比较之下,传统的表面照射型CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层,而A/D转换器和放大电路位于光电二极管上层,因此光电二极管离透镜的距离更远,光线更容易损失。同时,这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路,因此直接导致实际能够感光更少。而Exmor
R背照式CMOS传感器显然一劳永逸地解决了这样的问题。因为这种技术是从硬件结构层面上做了彻底的解决,而不仅仅是优化微透镜、增大开口率这么简单。

Exmor R CMOS的优秀表现**

  通过以下的一组数据,我们可以大概了解这种革命性的影像传感器的表现有多么惊人。和传统的表面照射型传感器相比,Exmor
R
CMOS的灵敏度提高到了2倍,也就是说它对光线的利用效率是原来的2倍,这意味着
6dB灵敏度的提升;同时,Exmor R
CMOS传感器自身的噪声也很低,即使是在全黑环境下,该传感器的噪声抑制水平也比传统表面照射型更好,其噪声比过去的产品要低2dB。所以总的来看,“背面照射技术”使图像信噪比提升了8dB,绝对是个了不起的成绩。

Exmor R CMOS的实际应用**

  实际上在2009年春季Exmor R
CMOS已经首先在索尼的数码摄像机上使用(XR520),但是此次使用在对于画质要求更高的Cyber-shot
DSC-WX1/TX1数码相机上还是具有划时代的意义。在新型影像传感器的支撑下,这两款数码相机给我们带来了哪些新奇的特性呢?首先,优秀的高感光度表现自然是必不可少。支持从ISO100~ISO3200的感光度范围,其对光线的灵敏度比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍,大幅提升了拍摄画质,得到明亮画面的同时更好地降噪,使得在低照度条件下仍然可以获得细节丰富的照片。

  得益于Exmor R
CMOS传感器的高速数据读取,WX1/TX1还提供了两种实用拍摄模式:手持夜景模式和全景模式。手持夜景模式是较高的快门速度下连续拍摄6张曝光不足的照片,然后凭借Bionz处理器对其进行合成,从而得到一张曝光正常的低噪点夜景照片。从实拍来看,你很难相信两款卡片数码相机能够如此轻易地拍摄到高质量的夜景照片,加上两款产品均具备光学防抖功能,这意味着从此你再也不用练习铁手功或者带上三脚架了。而全景拍摄模式同样受益于Exmor
R
CMOS传感器的高速数据读取。在这种模式下,你可以按住快门进行相机的平移或者旋转,相机便自动拍摄多张照片,然后在机内合成形成一张超宽的全景照片,带给用户全新的拍摄体验。

  动态图像的拍摄,Exmor R
CMOS一样相当擅长。WX1/TX1两款数码相机已经提供了1280×720像素、每秒30帧的高清视频拍摄。

·结语

  科技的进步往往来源于优秀的理念Exmor R
CMOS的出现,将传统对于像素的追求引深到对于画质和细节的体现。革命性的物理结构,优秀的硬件指标和实拍表现,巨大的升级空间……Exmor
R
CMOS传感器的出现是影像传感器发展史上一个新的里程碑。它的出现,彻底解决了小尺寸CMOS传感器感光能力弱的
“先天不足”,也给数码影像产业带来一次全新的巨变,也巩固了索尼在影像传感器研发的领导地位。在我们享受Cyber-shot
DSC-WX1/TX1两款产品带给我们的快乐和感动的时候,也向那些研发出最新科技的研发人员致敬吧。

*1:通常,数码相机影像传感器的单个像素并不是所有的面积都参与成像。因为,其中还有一部分跟感光不相关的电路(例如CMOS传感器所具备的A/D转换器、放大电路、时钟电路等)会占用一定的面积,剩下的部分才会“留给“用于感光的光电二极管。实际参与感光的光电二极管面积与单个像素的面积之比便称为开口率。显然,开口率越大,影像传感器实际感光的面积就越大,接收光线的能力就越强,各项性能参数也会越优秀。