透過影像看世界，傳感器進化這些年

劉芬

CCD技術是大多數(shù)早期數(shù)碼相機的基礎

上期我們講了傳感器“首富”索尼悶聲發(fā)大財?shù)墓适?，回顧相機技術的發(fā)展，傳感器一直是攝友關注的元件，到了手機時代，更是如此，但傳感器的發(fā)展不是一蹴而就，我們來捋一捋它的進化過程。

CCD（電荷耦合器件）傳感器是早期能夠提供優(yōu)秀成像畫質(zhì)，并且具有高性價比的相機圖像傳感器技術。CCD從傳感器的邊緣讀出，一次一個像素，每次讀取一個像素時將電荷從一個像素向下級聯(lián)到下一個像素。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。

由于小型消費類相機電池的功率限制，這個過程相對緩慢，使得緊湊型相機中的實時取景非常緩慢和滯后。早期數(shù)碼相機市場的基礎是由CCD打下的，從上世紀90 年代中期一直到 2010年初，CCD的風頭都要蓋過CMOS。

早年的Super CCD畫質(zhì)確實艷絕同類

比如當時如日中天的富士Super CCD技術，它并沒有采用常規(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)果是可以縮小對圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。

S3 Pro DSLR中的第二代版本提供的動態(tài)范圍遠遠超過其同時代產(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（互補性氧化金屬半導體），主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS 上共存著帶N（帶- 電）和 P（帶+ 電）級的半導體，這兩個互補效應所產(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的缺點就是太容易出現(xiàn)噪點， 這主要是因為早期的設計使CMOS 在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而產(chǎn)生過熱的現(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)碼單反相機中采用的CMOS，高ISO圖像質(zhì)量也算過得去，逐漸贏得了聲譽。回顧 CCD 時代，并沒有內(nèi)在原因說明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，因為制造商試圖通過使用允許更多光線通過的濾鏡來提高低光性能。到2007 年，業(yè)界最大的芯片供應商（索尼半導體）的 APS-C 芯片已經(jīng)轉(zhuǎn)向 CMOS，CMOS成為大傳感器相機的默認技術。

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，這項技術起初主要應用于智能手機和緊湊型相機傳感器中。BSI 傳感器的制造方式與現(xiàn)有的前照式設計大致相同，但它們所構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和各種索尼相機中，向前邁出重要一步

BSI從2014年開始涉足大型傳感器，將近十年后，BSI 的使用算是較為普遍了，但是它的圖像質(zhì)量優(yōu)勢還是分了很多層次。索尼的視頻機A7S 前兩代CMOS 傳感器只是采用普通的1220 萬像素ExmorCMOS，而A7S3 采用了1210 萬像素的背光式Exmor R BSI-CMOS。索尼A7S三代的DXOMARK 傳感器評分為 86，全畫幅 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 萬像素BSI CMOS 傳感器的競爭對手。

近幾年涌現(xiàn)的堆疊式CMOS 是前沿技術，英文名稱叫作Stacked CMOS，也可以翻譯為“積層式CMOS”。它使用有信號處理電路的芯片替代了原來背照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，從而實現(xiàn)了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點的工藝。

由于像素部分和電路部分分別獨立，因此像素部分可針對高畫質(zhì)優(yōu)化，電路部分可針對高性能優(yōu)化。這是一個耗時且昂貴的過程，因此只出現(xiàn)在智能手機和小型相機的相當小的芯片中，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)勢不是以圖像質(zhì)量的形式出現(xiàn)，而是允許更快、更復雜的數(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處理時捕獲另一張圖像，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和手機，其復雜性和精密性在未來幾年會為影像技術帶來更長足的進步。