这次闲聊设备,我们聊一聊CMOS,且聊且写,不保证一定不会跑题。Orz

感光元件的话题也算是多少年的老生常谈,我记得从最早CCD到CMOS到X3到各种未来的技术,有太多太多可聊,这次我们先从最基础的聊起。

谈起CMOS,谁都知道,感光元件,把入射到相机内的光,转化成为我们能看到的数字照片,目前绝大多数相机成像使用的感光元件都是CMOS,长什么样呢?看下图:

Sony-A99-full-frame-Exmor-CMOS-sensor

图中三个不同尺寸的感光元件,显而易见的区别就在于尺寸,然而出了尺寸,好像看起来都差不多,一块闪着七彩祥光的感光元件,无数的金属针脚在周围。这个时候我需要你做一件事情,就是掏出显微镜,来把感光元件表面放大放大再放大。长什么样?看下边:

cmosmicrograph-3

好吧,实际这张图片是黑白的,否则你应该能够看出这些点的不同色彩。最常见的CMOS是通过一个固定的像素点色彩阵列来组成的,每4个点为一组,其中对角的两个为绿色,另外两个分别是红色和蓝色,没错,这就是我们常说的RGB色彩,这次色彩来自于每一个像素点上覆盖的彩色滤镜,一会儿我们会讲到,所以英文名管这种技术叫 Mask(遮罩),翻译过来我们就直接叫它马赛克了,确实看起来也很像,就是我们经常从人家墙上敲下来拿走玩的那个马赛克,让我来画一个图给你看:

sensor-mask

没错,上边的就是你可以看到的感光元件上边的马赛克阵列,一大片,下边则是放大了以后的一组,对角绿色、其它为蓝色和红色,一组为4个点构成。而我们常说的多少多少万像素,形容的就是有多少个这样的点,比如说2000万像素,那么就会有500万个这样的小块平铺组成。

接下来,让我们再进一步的解析一下,如果我们从这些像素点里拿出来1个,比如说红色,去看它的结构是怎么设计的。在此,我们已经进入了一个极其微观的世界,用索尼的A7R感光元件来举例子,3600万像素,每一个像素点的尺寸多少呢?不到5 micron,没概念?1 Micron是1/1000000米,也就是1/1000毫米,所以5 micron的尺寸就意味着1毫米内可以放200个这样的像素点,是不是很神奇?

别看一个像素点这么这么小,但是它的结构可一点都不简单,接下来我来帮你把这个像素点放大N倍,看看它的结构是什么样的。

cmos-structure-without-innerlens

我们来把一个像素点竖过来看它的纵深结构,按照数字标记我们一个一个来说。

  1. 像素点上的镜片
    在每一个像素点的上方,会有一个小的镜片,没错,即使这么小的一个小点上也有一个像你镜头里的那种镜片,这个镜片的作用我们一会提到。
  2. 彩色滤镜
    是的,每一个像素点不同的颜色就是因为这个彩色的滤镜,光线通过这个滤镜的时候,就会被过滤成红、绿、蓝三种不同的颜色。
  3. 导线,电流传输装置
    感光元件转换好的电流,就会通过这些电缆一样的东西传输给相机的CPU处理器来做下一步处理。
  4. 电容和晶体管放大器
    这个小小的装置,就是用来把像素点产生的电流存储起来,如果需要的时候放大信号,然后传输给导线的。可是电流到底哪里来?于是我们终于说到5了。
  5. 光敏二极管
    这个部分就是光转化成电的地方,一个对光线敏感的二极管,将接收到的光子转换成为电流信号,存储到电容里(4),如果光线非常弱的情况下,再由电容的好伙伴晶体管放大器来把电压增强,发送给导线,传输给相机的CPU。

那么,翻回头来说,1里边的镜片是干什么用的?是用来调整光线入射角度的,从图片右侧我们能够看到,黄色的光线入射进来,你可以想象是无数个光子噼里啪啦的落进来,如果直线落下来,必然会有很多都被下边的导线层挡住,能够到达光敏二极管的只有其中的一部分,半路拦下的就浪费掉了。所以这时候,镜片像一个聚光镜一样,把入射光线汇聚起来,让更多的光子可以通过狭窄的开口照进来。

然而,图中我们能看到,仍然还是有一部分的光子要被导线部分挡住,于是,一个小小的革新就出现了。

内置镜片

在滤镜后边,再增加一个镜片,进一步地改变光线的角度。这样几乎就可以彻底躲开电路的区域了,然而CMOS的厚度也会随之增加一些,为内置镜片与留一些空间,如下图。

cmos-structure-with-innerlens

索尼Exmor

大概CMOS的结构我们已经了解了,那索尼的Exmor到底有什么区别?

sony-exmor-r

首先我们来说说Exmor结构上的改动之一,减少电路导线结构的厚度,增加光敏二极管的体积。如上图,左侧是我们之前介绍的传统CMOS结构,右侧是索尼的Exmor感光元件结构,通过增加光敏二极管的体积,可以让入射光线更好的转化成为电信号,从而降低信号噪音。

当然Exmor感光元件的设计还不仅仅如此,还有很多非常棒的科技,例如数模双降噪等等,以后我们有时间再仔细介绍。

索尼Exmor R

接下来我们说说索尼感光元件另外一个巨大的改进,背照式CMOS。

为什么叫背照式?即使你听我讲完这个结构的变化可能你也不太明白为什么叫背照式,因为确实不是在背后有灯来照射之类的。

sony-exmor-bsi

看上图,右侧索尼Exmor R的重大改变就是把光敏二极管和导线传输的位置对调了,在彩色滤镜后边,直接放置了二极管,这样能够通过滤镜的光线可以直接毫无干扰地照射进来并且转换成电流,极大地提高了光信号收集能力,从而也大大减少了信号噪音。

同时,因为光线的入射角度不再是一个问题,所以整个CMOS的厚度可以进一步降低。

Exmor R技术对于那些极高像素密度的感光元件来说,提升非常明显,例如2000万像素的1英寸感光元件、4200万像素全画幅感光元件和很多小尺寸的手机感光元件等等。

(未完待续)