解讀背照式CMOS傳感器

時代發(fā)展，技術進步。數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在出現率頗高的“背照式CMOS傳感器”，分析一下此技術是好是壞。

照片怎么來的？

　　相機的本質價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)展到了數碼化的時代，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，中間要經過怎么樣的處理過程呢？

數碼照片是一些電路和軟件計算出來的結果

　　照片要以數碼的方式來表現，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據都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經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，用類似內存電路的方式將數據輸出。簡單說就是對待單個像素點上得到的電荷數據有不同方法，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器件內傳輸數據會有較高的失真，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，以致現在CMOS傳感器在市場終端產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

　　時間推進到了08年6月，索尼公司發(fā)布了背照式CMOS，并冠以Exmor R名稱，并且首先用在數款DV產品上。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)布了該類型的產品，越來越多數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。

　　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的飛躍，結果就是在低光照度下的對焦能力和畫質有極大的提升。

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，只是因為結構調整后的背照式CMOS傳感器對電子器件的生產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生。

背照式CMOS傳感器生產過程

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據傳輸出來統(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碼相機拍照就很牛了呢？其實不是，決定數碼照片的畫質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，具體的質素也當然會有差異。另外一個就是數據處理的方面，因為從傳感器出來的數據還是要經過數碼相機內部的處理器來進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方法來處理食材一樣，最終的圖片就會用不同的質量，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，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。