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CCD?CMOS?背照式?堆栈式?图像传感器结构小科普

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发表于 2022-7-4 08:54:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
CCD还是CMOS?
在数码单反刚开始发展的早期,曾经有过一次“路线之争”,就是选择CCD图像传感器还是CMOS图像传感器。首先,无论是哪种图像传感器,原理都是将外界射入的光信号转换为电信号,电信号由ADC数模转换器将模拟信号转换为数字信号,再由ISP图像处理器对接收到的数字信号进行处理,最终输出为一幅图像。
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CCD的全称是ChargeCoupled Device,电荷耦合器件图像传感器,于1969年由美国贝尔实验室发明。CMOS的全称是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互补式金属氧化物半导体图像传感器,是一种集成电路的设计工艺,用户非常广泛。相对而言,CCD在初期具备分辨率高,灵敏度好,全域快门的特点,而CMOS则具备集成度高,功耗低,成本低的特点。与CCD产品相比,CMOS是标准工艺制程,可利用现有的半导体设备,不需额外的投资设备,且品质可随著半导体技术的提升而进步。随着工艺水平的提高,CMOS图像传感器迅速解决了分辨率和灵敏度的劣势,并且在大尺寸元件上的价格优势和视频录制方面的优势更加的明显,直接导致了CMOS的全面胜出。

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目前CCD图像传感器大多出现在一些对特殊领域性能要求特别高,同时对成本很无所谓的领域中还有应用。比如天文摄影会用到冷冻CCD,医疗X光影像以及一些需要长时间曝光的科学应用上。而那些在社交平台上吹嘘的十几年前的二手CCD照相机,一般都已经属于“工业废品”级别,同样的价格可以购买同年代的全画幅单反相机了,强烈不值得入手。
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在单反数码化的初期,各家都有尝试过使用CCD来作为图像传感器,但在2002年,佳能和柯达就先后发布了使用CMOS图像传感器的全画幅单反相机,此后佳能也再也没有使用CCD作为单反的图像传感器,专心致志的走CMOS路线。
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当然也不是所有厂商都选择了CCD或者CMOS,适马就选择了FOVEON X3的传感器。2002年适马推出了世界上第一台搭载FOVEON X3传感器的数码单反相机SD 9,直到今天也只有适马还有FOVEON X3传感器的相机有售。
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虽然在2003年索尼还没有涉足相机市场,但2003年宾得发布的自家第一款数码单反相机*ist D就是使用的索尼生产的631万像素CCD。2017年,索尼正式停止研发CCD图像传感器,同时索尼的最后一款CCD单反相机也要追溯到2010年的索尼a390。
背照式?堆栈式?都是什么?
如果说CCD与CMOS之争是线路之争,那么背照式CMOS和堆栈式CMOS就是CMOS图像传感器的进化之路。
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上面我们提到了CMOS具备集成度高的特点,所以电影摄影机领域就有不少顶级厂商选择将ADC数模转换器集成到CMOS中,以提高峰值输出性能并得到了不错的成绩。索尼在2007年推出了Exmor CMOS,在小尺寸传感器上实现了集成ADC这一特性,2008年索尼推出了著名的IMX028,就是索尼a900、尼康D3X上用的那款。从这时候起,索尼CMOS的性能逐步与外置ADC的佳能CMOS拉开了明显的差距。
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2008年,索尼继续高歌猛进,推出了BSI背照式CMOS,索尼将之称为Exmor R。在前照式CMOS时代中,Bayer阵列滤镜与光电二极管间存在大量金属连线,阻隔了大量进入传感器表面的光线。在背照式CMOS结构下,金属连线转移到光电二极管的背面,光线不再被阻挡,信噪比大幅度提高,而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。第一个吃到背照式CMOS红利的并不是相机类产品,而是苹果的IPHONE 4S,随后1英寸卡片机领域开始大规模使用,就连能够自产CMOS传感器的佳能和松下都采用索尼的背照式CMOS。
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在背照式CMOS之后到来的工艺升级是铜互连工艺,与之前的铝互连工艺比,电阻降低了40%,芯片运行速度提升了15%,尺寸还更小,同时为芯片增加互连层数提供了可能性。也就是说没有铜互连工艺,就不会有后来的堆栈式CMOS。2012年尼康推出的D600上就采用了IMX128传感器,相对于尼康D3X在速度上有了质的提升,这就是铜互连工艺带来的进步。索尼则是从Alpha 7R II上开始宣传这一工艺的升级。
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2012年,索尼发布了堆栈式CMOS结构,并命名为Exmor RS。这一结构在背照式CMOS的基础上具备了更多的ADC,并内置了DRAM存储芯片,也就是说CMOS的读取和处理速度更快了。2015年索尼推出了搭载堆栈式CMOS的卡片机RX100 IV,具备24张/秒的超高速连拍性能,之后索尼在RX100 VII上又进一步升级了堆栈式CMOS,具备无黑屏的20张/秒连拍。
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用人话讲这几个新工艺分别是,内置ADC提高宽容度,背照式CMOS提高进光量,铜互连工艺和堆栈式CMOS提高读取速度。
那么传感器还有什么升级点呢?
虽然在相机/手机CMOS领域索尼相对于佳能/三星/OV还有不少领先,但和几个高端品牌比如阿莱的供应商ON Semiconductor相比,索尼、佳能等等品牌还有不少功课要补,其中我认为最重要的就是佳能已经成功研发了的双增益成像影像传感器技术。
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这项技术需要CMOS中集成双ADC,一个ADC通道读取14bit高增益信号,一个ADC通道读取14bit低增益信号,最后通过处理器进行HDR合成出16bit的高宽容度画面。阿莱在很早之前就实现了这一功能,而佳能则在摄像机C70上搭载了这样的CMOS,目前相机/手机领域还没有这样的产品出现,不过我相信随着时间的推移,慢慢就会有厂商去尝试这一功能点的。

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