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哈勃望遠(yuǎn)鏡

感光新需求：像素越做越小

上一篇中我們講解了圖像傳感器如何記錄和還原顏色，這次我們基于前兩次連載的小知識(shí)，進(jìn)一步詳細(xì)聊一聊圖像傳感器的另一個(gè)基礎(chǔ)性能，那就是感光度。

隨著數(shù)碼影像技術(shù)的普及和發(fā)展，圖像感應(yīng)器整體趨勢(shì)是像素越做越高，超高像素仍舊是吸引用戶的一大賣點(diǎn)。但與此同時(shí)，圖像感應(yīng)器的面積卻沒有從根本上越做越大。民用級(jí)的數(shù)碼相機(jī)，圖像傳感器主流還是全畫幅和APS-C畫幅，智能手機(jī)的圖像感應(yīng)器最大也就是1英寸。原先全畫幅圖像感應(yīng)器2000萬像素就是高像素，而現(xiàn)在同樣面積下5000萬像素才夠勁。在相同面積里塞進(jìn)更多像素的必然結(jié)果就是像素間距的減小。之前我們講過，像素間距影響其感光度性能，從而影響畫質(zhì)。于是，如何讓密集的一個(gè)個(gè)小像素提高自身感光性能就成了新時(shí)代的技術(shù)課題。

哈勃望遠(yuǎn)鏡技術(shù)造福CMOS

正如連載第一期所述，CMOS在最初階段因?yàn)楦吒行阅懿蝗鏑CD而為人詬病。原理上來說，CMOS是單獨(dú)每個(gè)像素電荷增幅后輸出，這就造成了每個(gè)像素所需電路的層數(shù)要比CCD多。電路層加厚等于是加大了每個(gè)像素上微透鏡到光電二極管的距離，影響了集光率。且像素越小，電路相對(duì)于單個(gè)像素的比例就越大，更加顯得像素集光率不夠。大家可以想象一間只有一扇窗戶的房間，站在房間里的時(shí)候，肯定是離窗戶越近的位置光線越明亮，像素受光也是這個(gè)道理。

改善圖像感應(yīng)器的這一結(jié)構(gòu)，將礙事的電路層挪到受光部，也就是光電二極管的下面，這就是如今我們所說的“背照式”圖像傳感器。這一想法30多年前就有人提出，但直到20世紀(jì)90年代，因?yàn)橹圃旒夹g(shù)上的問題，一直很難量產(chǎn)。配合冷卻技術(shù)，其應(yīng)用僅限于天文等專業(yè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域，比如哈勃望遠(yuǎn)鏡用的就是背照式CCD。

如左圖所示，傳統(tǒng)的像素結(jié)構(gòu)是微透鏡→彩色濾鏡→電路→光電二極管，像素最表層的微透鏡和接收光線并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電二極管之間隔著電路層。而背照式的結(jié)構(gòu)為微透鏡→彩色濾鏡→光電二極管→電路，大幅縮短了光電二極管與像素表層的距離。光電二極管離微透鏡近了，除了垂直入射光，傾斜入射光也能夠被像素捕捉到，自然集光能力大幅增強(qiáng)。

Exmor R

集光力提高到2倍

下功夫率先將這一技術(shù)民用化的是索尼。雖然索尼公司在光學(xué)技術(shù)方面不如佳能和尼康等廠商歷史悠久，但在電子技術(shù)，特別是半導(dǎo)體生產(chǎn)制造領(lǐng)域卻是有70多年歷史的業(yè)界大佬。從20世紀(jì)90年代開始就是圖像傳感器的主要制造商，在世界范圍內(nèi)有很大影響力。索尼公司從2003年開始就著手背照式技術(shù)開發(fā)，開發(fā)過程中面臨集光率提高但產(chǎn)生的噪點(diǎn)也更多等問題。隨著技術(shù)問題的逐步解決，索尼于2008年發(fā)布了背照式圖像傳感器“Exmor R”，并且于2009年將其運(yùn)用于自家的影像器材產(chǎn)品上。

豪威推出0.7微米圖像感應(yīng)器

像素小于1微米

由于智能手機(jī)的CMOS尺寸更加受限，于是如何將像素做高并提高單個(gè)像素的性能就是技術(shù)上競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的地方，堆棧式傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。基于背照式傳感器，進(jìn)一步將像素周圍的處理電路移至下層的傳感器結(jié)構(gòu)被稱為堆棧式。加之解決小像素串?dāng)_問題的像素隔離技術(shù)等新技術(shù)的運(yùn)用，如今智能手機(jī)的CMOS傳感器像素已經(jīng)可以做到低于1微米，像素?cái)?shù)可以達(dá)到1億。

使用背照式傳感器的尼康Z6樣張

兩大陣營分庭抗禮 表照式與背照式

背照式圖像傳感器雖然在高感光度性能上有很大優(yōu)勢(shì)，但也有技術(shù)難度高、造價(jià)、散熱、低感光度畫質(zhì)等方面的不足。最初背照式是較多用于智能手機(jī)以及小數(shù)碼等圖像傳感器小于APS-C畫幅的機(jī)型上。像素在2000萬級(jí)別的時(shí)代，APS-C畫幅以上的大畫幅機(jī)型，本身電路占比沒有那么大，使用背照式被認(rèn)為沒有明顯的感光度提升效果。但隨著高像素競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，專業(yè)的數(shù)碼影像器材也開始積極導(dǎo)入了背照式傳感器。

2015年索尼的全畫幅微單α7RII采用了背照式傳感器，并由此將像素提升至4000萬級(jí)別。與索尼相同，尼康也較早導(dǎo)入了背照式傳感器，2017年4000萬像素級(jí)別的D850也是背照式傳感器，去年尼康重磅的Z6和Z7也都是背照式。

采用表照式與背照式傳感器成為目前形成的兩大陣營

與這兩大廠商不同， 佳能一直比較保守。同樣是2015年，5000萬像素級(jí)別EOS 5DS/R依舊保持表照式，之后微單的重頭戲EOS R也是像素控制在3000萬級(jí)別的表照式。與佳能相同，松下LUMIX S1R為4000萬像素級(jí)別的表照式。成像素質(zhì)并不僅由圖像感應(yīng)器一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，也不完全由像素高低決定。最終畫質(zhì)是綜合了鏡頭、相機(jī)的一整套光學(xué)及電子系統(tǒng)的性能。所以圖像傳感器的形式目前是各大廠商仁者見仁智者見智。最終效果很難評(píng)定誰優(yōu)誰劣，都是綜合自家技術(shù)力量所得的結(jié)果