背照式CMOS SENSOR解析

时代发展，技术进步。数码相机的各种新技术层出不穷，导致消费者面对厂家宣传或者是相机参数列表中的一些专业词汇，一般都会感到非常难于理解，以致影响到购机前的判断。所以我们数码相机频道特撰写“拒绝专业术语”系列文章，力求用通俗易懂的文字为各位网友解释常见又不太易懂的数码相机技术专业术语，让大家在购机前能清楚明白相关技术。本期就为大家讲解一下现在出现率颇高的“背照式CMOS传感器”，分析一下此技术是好是坏。

照片怎么来的？

相机的本质价值就在于把我们人眼能看到的景象转化成可以保存欣赏的平面图像，把辗转即逝的瞬间变成永恒。在另一个角度来看，这是一种能量流动的方式，相机所做的工作就是将光能转化到介质上转化为信息存储起来。

其中胶片相机成像是依靠卤化银晶体的化学特性，即遇光就会发生化学变化，再通过冲洗等一系列过程得到影像，具体的细节本文不展开。

科技发展到了数码化的时代，照片的存储最终是以数字的格式，即是一连串的数值组成的文件。那究竟从自然界的光到数码图片文件，中间要经过怎么样的处理过程呢？

数码照片是一些电路和软件计算出来的结果

照片要以数码的方式来表现，一个非常重要的步骤就是量化，也就是说我们需要将自然界的景象转换成一种可以用数值精确衡量的方式来表达。实际上量化过程的核心部件是影像传感器，它可以将传到它身上的不同强弱、不同颜色的光线，通过转化成可以感光二极管(photodiode)进行光电转换成电荷或者是电压信息，整个图像传感器点阵上所有的信息出来再到处理芯片生成数字格式的图片。

CCD传感器和CMOS传感器

而现在普遍使用的两种图像传感器就是大家经常听说到的CMOS和CCD传感器了，为了让大家最终更好地认识背照式CMOS传感器，小编在此也简单说一下两种传感器的异同以及优缺点。如下图所示，左边为CCD传感器的结构，右边的为CMOS传感器的机构，黄色的小方块为像素点。由图示可以看出，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。简单说就是对待单个像素点上得到的电荷数据有不同方法，CCD是全部传输出来再统一处理，CMOS是先分别处理在传出来。这两种方式并不是人们凭空想象出来的，而是由CCD和CMOS的制作工艺决定的，因为CMOS器件内传输数据会有较高的失真，所以需要先做处理。

CCD传感器和CMOS传感器的不同

正是由于两种传感器处理过程的不同，所以在早期，CMOS影像传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都比CCD要差，但优势在于具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点，特别适合在像素数提升上有较多的文章可以做。因此，最近几年芯片级的厂家都放了非常多的精力在CMOS传感器上，以致现在CMOS传感器在市场终端产品上占据了非常高的份额，特别是数码相机方面。

背照式CMOS传感器基本原理

时间推进到了08年6月，索尼公司发布了背照式CMOS，并冠以Exmor R名称，并且首先用在数款DV产品上。背照式CMOS影像从此开始快速发展，至今已有多个芯片厂商发布了该类型的产品，越来越多数码影像设备采用了此技术，接下来小编就详细讲讲此项技术的特点。

背照式CMOS传感器最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，即将感光层的元件调转方向，让光能从背面直射进去，避免了传统CMOS传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响，从而显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄效果。

背照式CMOS传感器物理结构图

背照式CMOS传感器的具体结构如上图所示（源自索尼资料，其他芯片厂家的产品可能在细节上有不同，但大体意思是相同的），橙色的为光线路，黄色线为受光面。左边的传统式，明显看到光线通过微透镜后还需要经过电路层才能到达受光面，中途光线必然会遭到部分损失（包括被阻挡或被减弱）。背照式CMOS 传感器的元件则不同，在改变了结构后，光线通过微透镜后就可以直接到达感光层的背面，完成光电反应，从进光量上改善了感光过程。

然后我们更细一点分析，由于中间没有阻隔，背照式CMOS传感器的感光面离微透镜更近了，也就是说光线的入射角度和覆盖的面都能得到优化，感光元件就有可能输出更为优秀的信号。

综合以上的因素，背照式CMOS传感器比传统CMOS传感器在灵敏度会上有质的飞跃，结果就是在低光照度下的对焦能力和画质有极大的提升。

为何这么迟才推出背照式CMOS？

为何看上去如此简单的改进是在传统CMOS传感器出现这么久才被制造出来呢？其实科学家们大概在20年之前就想到了，只是因为结构调整后的背照式CMOS传感器对电子器件的生产工艺和微处理技术的要求非常高，因为此技术要求承载二极管的基板要非常薄，大概是传统正照式CMOS传感器基板厚度的

1/100。因此，芯片厂家在内功不够的时候勉强做背照式CMOS传感器必然会导致得不偿失，可能会导致更多的噪点产生。

背照式CMOS传感器生产过程

新型的背照式CMOS传感器还有什么优点？

新型背照式CMOS传感器得益于电子器件的制作工艺升级，至少在两个方面有提升。第一个是在传感器上的微透镜性能更为提升，以致经过微透镜后的光，入射到感光面上的角度更接近垂直，而且微透镜产生的色散，眩光等不良效果会减弱，让最终到达传感器感光面的光较传统的好。第二就是在大像素下依旧具有高速的处理能力，这一点归根到底是对比CCD传感器而言的。CCD传感器是需要将各像素点的电荷数据传输出来统一处理，所以在像素大的时候速度比较难提高，如果强行提高处理的带宽就会造成噪点的增加。而CMOS传感器在每一个像素点上都已经将电荷转化成了电压数据，在提高大像素帧率上有比较大的空间。

不过这两个优点并非被照式CMOS传感器特有，是当今新款的CMOS传感器普遍都能做到的，这就是为什么越来越多数码相机采用CMOS传感器了，毕竟大像素和高速的性能会直接影响最终消费者的选择。

用上背照式CMOS传感器画质就会好了吗？

既然背照式CMOS传感器这么厉害，是不是说配备了了它的数码相机拍照就很牛了呢？其实不是，决定数码照片的画质除了核心部件传感器外，还有镜头以及处理算法等因素。镜头的因素大家应该都容易理解，因为光线到达传感器之前是要通过镜头。而各型号的相机使用的镜头不尽相同，具体的质素也当然会有差异。另外一个就是数据处理的方面，因为从传感器出来的数据还是要经过数码相机内部的处理器来进行处理才能得到最终的照片数据（能输出RAW格式的相机除外），换句话说就是有了原始材料，还需要做润色才能出成品。这部分就要看各

个厂家的图像处理算法了，这就好比不同厨师会用的烹调方法来处理食材一样，最终的图片就会用不同的质量，不同的风格。

对比装备了背照式CMOS传感器的相机和其他相机的各档位ISO画质，大体的结论是在低ISO的时候，两者相差不大，但在高ISO时候的确有一定的提升。另外值得提及的一点就是，装备了背照式CMOS传感器的相机在低光环境的对焦能力大大加强，这是一个非常重要的提升。

CCD 和CMOS 感光元件的区别

Mr.OH! 在第二讲中概略地介绍了CCD 与CMOS，但对于大多数的同学来说，看得到的却是一颗颗已经整合好的晶片组合！内部详细的结构，以及到底是如何运作产生我们看到的一幅幅数位照片，且我们撇开复杂的技术文字，透过图片比较，来看这两种不同类型，作用却又相同的影像感光元件。

Olympus E1 CCD 感光套件（包含超音波除尘器）

放大器位置和数量

比较CCD 和CMOS 的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处，Mr.OH! 会在下一讲CCD 感光元件工作原理（上），提及完整的感光元件作业流程。此讲中，Mr.OH!简单地解释：CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将每一行中每一个画素（pixel）的电荷信号依序传入『缓冲器（电荷储存器）』中，由底端的线路导引输出至CCD 旁的放大器进行放大，再串联ADC（类比数位资料转换器）输出；相对地，CMOS 的设计中每个画素旁就直接连着『放大器』，光电讯号可直接放大再经由BUS 通路移动至ADC 中转换成数位资料。CCD与CMOS的比较

由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个画素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的资料。

CCD 与CMOS 电路结构之完整比较（摘录自SHARP 月刊）

差异分析

整体来说，CCD 与CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括ISO 感光度、制造成本、解析度、杂讯与耗电量等，不同类型的差异：ISO 感光度差异：由于CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在相同画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失；相对地CCD 采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个画素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。解析度差异：在第一点『感光度差异』中，由于CMOS 每个画素的结构比CCD 复杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS 感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万画素/ 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅24mm-by-36mm 这样的大小。杂讯差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC 放大器，如果以百万画素计，那么就需要百万个以上的ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS 最终计算出的杂讯就比较多。耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD 的电量远高于CMOS。其他差异：IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在数位变焦放大之中，CMOS 必须仰赖x,y 画面定位放大处理，否则由于个别画素放大器之误差，容易产生画面不平整的问题。制造机具上，CCD 必须特别订制的机台才能制造，也因此生产高画素的CCD 元件产生不出日本和美国，CMOS 的生产一般记忆体/处理器机台即可担负。Fill Factor CMOS 开创新未来

CMOS 完整3D透视与平面结构，位于最上层的为MicroLens 微型聚光镜片尽管CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。由于数位影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得CCD 与CMOS 两者的差异逐渐缩小。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入照相手机的行动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合，藉由后续的影像处理修正杂讯以及画质表现，特别是Canon 系列的EOS D30 、EOS 300D 的成功，足见高速影像处理晶片已经可以胜任高画素CMOS 所产生的影像处理时间与能力的缩短；另外，大尺寸全片幅则以Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 这一系列的数位机身为号召，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。

本文来自：我爱研发网(https://www.360docs.net/doc/632707599.html,) - R&D大本营

详细出处：https://www.360docs.net/doc/632707599.html,/S_TXT/2005_5/TXT385.htm