所謂背照式CMOS傳感器就是將它掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn)入感光二極管，從而增大感光量，增大感光量低光照條件下的拍攝效果。索尼的背照式CMOS傳感器商品名稱為Exmor R，首先在DV攝像機(jī)中得到應(yīng)用。
發(fā)展沿革
誕生
CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）中文的全稱為互補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體，是用于記錄光線變化的元件，是最常用的感光器件之一，CMOS被稱之?dāng)?shù)碼相機(jī)的大腦。CMOS的成分主要由硅和鍺兩種元素組成，這點與計算機(jī)內(nèi)部的很多芯片相同。在CMOS上共存著帶+電和-電的半導(dǎo)體，通過這兩種互補(bǔ)的電荷產(chǎn)生的電流，可以處理成芯片記錄，最終達(dá)到成像的目的。但是早期的CMOS有個明顯的缺點，由于在電流變化時頻率變快，不可避免的會產(chǎn)生熱量，最終造成畫面出現(xiàn)雜點影響成像質(zhì)量，在一段時間內(nèi)造成了CMOS的擱淺。科技在不斷進(jìn)步，人們追求更高畫質(zhì)的腳步從未停下來。2008年的6月索尼宣布了背照式CMOS傳感器，并首先裝載在旗下的DV中，這在業(yè)界引起了很大的反響。時間再推進(jìn)1年，2009年索尼在旗下的兩款新品TX1和WX1中搭載了背照式CMOS傳感器，這在CCD當(dāng)?shù)赖氖袌鲋袩o疑是一支奇兵。
我們所看到的CMOS器件貌似很簡單，實際上對生產(chǎn)工藝與微處理的技術(shù)要求相當(dāng)高，改變了CMOS的方向意味著承載二極管的板子要非常薄，大概是傳統(tǒng)CMOS的百分之一，這在當(dāng)時阻礙了背照式CMOS的誕生。
最新應(yīng)用
佳能IXUS HS系列數(shù)碼相機(jī)是背照式CMOS傳感器的最新應(yīng)用。“HS SYSTEM”將高感光度下可抑制噪點產(chǎn)生的“高感光度圖像感應(yīng)器”與佳能獨有的影像處理器“DIGIC”相結(jié)合，從而在高感光度下也可拍出低噪點的漂亮照片，在現(xiàn)有數(shù)碼相機(jī)不擅長的昏暗場景中也可發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢，擴(kuò)大了用戶的拍攝范圍。
其中的“高感光度圖像感應(yīng)器”指的就是佳能HS系列的數(shù)碼相機(jī)采用的背照式CMOS傳感器，這一應(yīng)用使得小型數(shù)碼相機(jī)在夜間的拍攝品質(zhì)得到大幅度的提升。
功能特點
傳統(tǒng)的CMOS傳感器每個像素點都要搭配一個對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器以及對應(yīng)的放大電路，因此，這部分電路會占用更多的像素面積，直接導(dǎo)致光電二極管實際感光的面積變小，感光能力變?nèi)酢CD的單個像素點不需要A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領(lǐng)域，目前CCD仍占據(jù)一定優(yōu)勢，而在大尺寸影像傳感器領(lǐng)域，由于單個像素點的面積大，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路占用的面積只是整個像素的很小一部分，影響不大，因此CMOS傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。
不過這個優(yōu)點并非背照式CMOS傳感器特有，是當(dāng)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(shù)碼相機(jī)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。
相比較之下，傳統(tǒng)的表面照射型CMOS傳感器的光電二極管位于整個芯片的最下層，而A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管上層，因此光電二極管離透鏡的距離更遠(yuǎn)，光線更容易損失。同時，這些線路連接層還會阻塞從色彩濾鏡到達(dá)光電二極管的光路，因此直接導(dǎo)致實際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS傳感器解決了這樣的問題。
Exmor R CMOS將光電二極管“放置”在了影像傳感器芯片的最上層，把A/D轉(zhuǎn)換器及放大電路挪到了影像傳感器芯片的“背面”，而不是像傳統(tǒng)CMOS傳感器一樣，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管的上層，“擋住了”一部分光線。這樣一來，通過微透鏡和色彩濾鏡進(jìn)來的光線就可以最大限度地被光電二極管利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優(yōu)良的高感光度能力。
產(chǎn)品簡介
在傳統(tǒng)CMOS感光元件中，感光二極管位于電路晶體管后方，進(jìn)光量會因遮擋受到影響。所謂背照式CMOS就是將它掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn)入感光二極管，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。索尼的背照式CMOS傳感器商品名稱為Exmor R，首先在DV攝像機(jī)中得到應(yīng)用。
Exmor R CMOS背面照明技術(shù)感光元件，改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術(shù)，由于不受金屬線路和晶體管的阻礙，開口率（光電轉(zhuǎn)換部分在一個像素中所占的面積比例）可提高至近100%。與其以往1.75μm間隔的表面照射產(chǎn)品相比，背面照射產(chǎn)品在靈敏度（S/N）上具有很大優(yōu)勢。
表現(xiàn)方式
相機(jī)的本質(zhì)價值就在于把我們?nèi)搜勰芸吹降木跋筠D(zhuǎn)化成可以保存欣賞的平面圖像，把輾轉(zhuǎn)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(jī)所做的工作就是將光能轉(zhuǎn)化到介質(zhì)上轉(zhuǎn)化為信息存儲起來。
其中膠片相機(jī)成像是依靠鹵化銀晶體的化學(xué)特性，即遇光就會發(fā)生化學(xué)變化，再通過沖洗等一系列過程得到影像，具體的細(xì)節(jié)本文不展開。
科技發(fā)展到了數(shù)碼化的時代，照片的存儲最終是以數(shù)字的格式，即是一連串的數(shù)值組成的文件。那究竟從自然界的光到數(shù)碼圖片文件，中間要經(jīng)過怎么樣的處理過程呢？
照片要以數(shù)碼的方式來表現(xiàn)，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(zhuǎn)換成一種可以用數(shù)值精確衡量的方式來表達(dá)。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(qiáng)弱、不同顏色的光線，通過轉(zhuǎn)化成可以感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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(shù)字格式的圖片。
CCD和CMOS
而現(xiàn)在普遍使用的兩種圖像傳感器就是大家經(jīng)常聽說到的CMOS和CCD傳感器了，為了讓大家最終更好地認(rèn)識背照式CMOS傳感器，左邊為CCD傳感器的結(jié)構(gòu)，右邊的為CMOS傳感器的機(jī)構(gòu)，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(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)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(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。簡單說就是對待單個像素點上得到的電荷數(shù)據(jù)有不同方法，CCD是全部傳輸出來再統(tǒng)一處理，CMOS是先分別處理再傳出來。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(nèi)傳輸數(shù)據(jù)會有較高的失真，所以需要先做處理。
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（電荷耦合裝置，電荷耦合器件）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(shù)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(xiàn)在CMOS傳感器在市場終端產(chǎn)品上占據(jù)了非常高的份額，特別是在數(shù)碼相機(jī)方面。
基本原理
時間推進(jìn)到了08年6月，索尼發(fā)布了背照式CMOS，并冠以Exmor R名稱，并且首先用在數(shù)款DV產(chǎn)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(chǎn)品，越來越多數(shù)碼影像設(shè)備采用了此技術(shù)，接下來小編就詳細(xì)講講此項技術(shù)的特點。背照式CMOS傳感器最大的優(yōu)化之處就是將元件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變了，即將感光層的元件調(diào)轉(zhuǎn)方向，讓光能從背面直射進(jìn)去，避免了傳統(tǒng)CMOS傳感器結(jié)構(gòu)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傳感器的具體結(jié)構(gòu)(源自索尼資料，其他芯片廠家的產(chǎn)品可能在細(xì)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(jīng)過電路層才能到達(dá)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(jié)構(gòu)后，光線通過微透鏡后就可以直接到達(dá)感光層的背面，完成光電反應(yīng)，從進(jìn)光量上改善了感光過程。
然后我們更細(xì)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(zhì)的飛躍，結(jié)果就是在低光照度下的對焦能力和畫質(zhì)有極大的提升。
主要改進(jìn)
為何看上去如此簡單的改進(jìn)是在傳統(tǒng)CMOS傳感器出現(xiàn)這么久才被制造出來呢？其實科學(xué)家們大概在20年之前就想到了，只是因為結(jié)構(gòu)調(diào)整后的背照式CMOS傳感器對電子器件的生產(chǎn)工藝和微處理技術(shù)的要求非常高，因為此技術(shù)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(nèi)功不夠的時候勉強(qiáng)做背照式CMOS傳感器必然會導(dǎo)致得不償失，可能會導(dǎo)致更多的噪點產(chǎn)生。
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(jīng)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(chǎn)生的色散，眩光等不良效果會減弱，讓最終到達(dá)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(shù)據(jù)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(qiáng)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(jīng)將電荷轉(zhuǎn)化成了電壓數(shù)據(jù)，在提高大像素幀率上有比較大的空間。
既然背照式CMOS傳感器這么厲害，是不是說配備了了它的數(shù)碼相機(jī)拍照就很牛了呢？其實不是，決定數(shù)碼照片的畫質(zhì)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(yīng)該都容易理解，因為光線到達(dá)傳感器之前是要通過鏡頭。而各型號的相機(jī)使用的鏡頭不盡相同，具體的質(zhì)素也當(dāng)然會有差異。另外一個就是數(shù)據(jù)處理的方面，因為從傳感器出來的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部的處理器來進(jìn)行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)(能輸出RAW格式的相機(jī)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(diào)方法來處理食材一樣，最終的圖片就會用不同的質(zhì)量，不同的風(fēng)格。
對比裝備了背照式CMOS傳感器的相機(jī)和其他相機(jī)的各檔位ISO畫質(zhì)，大體的結(jié)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(jī)在低光環(huán)境的對焦能力大大加強(qiáng)，這是一個非常重要的提升。
參考資料 >