摄影小词典

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哈勃望远镜

感光新需求：像素越做越小

上一篇中我們讲解了图像传感器如何记录和还原颜色，这次我们基于前两次连载的小知识，进一步详细聊一聊图像传感器的另一个基础性能，那就是感光度。

随着数码影像技术的普及和发展，图像感应器整体趋势是像素越做越高，超高像素仍旧是吸引用户的一大卖点。但与此同时，图像感应器的面积却没有从根本上越做越大。民用级的数码相机，图像传感器主流还是全画幅和APS-C画幅，智能手机的图像感应器最大也就是1英寸。原先全画幅图像感应器2000万像素就是高像素，而现在同样面积下5000万像素才够劲。在相同面积里塞进更多像素的必然结果就是像素间距的减小。之前我们讲过，像素间距影响其感光度性能，从而影响画质。于是，如何让密集的一个个小像素提高自身感光性能就成了新时代的技术课题。

哈勃望远镜技术造福CMOS

正如连载第一期所述，CMOS在最初阶段因为高感性能不如CCD而为人诟病。原理上来说，CMOS是单独每个像素电荷增幅后输出，这就造成了每个像素所需电路的层数要比CCD多。电路层加厚等于是加大了每个像素上微透镜到光电二极管的距离，影响了集光率。且像素越小，电路相对于单个像素的比例就越大，更加显得像素集光率不够。大家可以想象一间只有一扇窗户的房间，站在房间里的时候，肯定是离窗户越近的位置光线越明亮，像素受光也是这个道理。

改善图像感应器的这一结构，将碍事的电路层挪到受光部，也就是光电二极管的下面，这就是如今我们所说的“背照式”图像传感器。这一想法30多年前就有人提出，但直到20世纪90年代，因为制造技术上的问题，一直很难量产。配合冷却技术，其应用仅限于天文等专业学术领域，比如哈勃望远镜用的就是背照式CCD。

如左图所示，传统的像素结构是微透镜→彩色滤镜→电路→光电二极管，像素最表层的微透镜和接收光线并转换为电信号的光电二极管之间隔着电路层。而背照式的结构为微透镜→彩色滤镜→光电二极管→电路，大幅缩短了光电二极管与像素表层的距离。光电二极管离微透镜近了，除了垂直入射光，倾斜入射光也能够被像素捕捉到，自然集光能力大幅增强。

Exmor R

集光力提高到2倍

下功夫率先将这一技术民用化的是索尼。虽然索尼公司在光学技术方面不如佳能和尼康等厂商历史悠久，但在电子技术，特别是半导体生产制造领域却是有70多年历史的业界大佬。从20世纪90年代开始就是图像传感器的主要制造商，在世界范围内有很大影响力。索尼公司从2003年开始就着手背照式技术开发，开发过程中面临集光率提高但产生的噪点也更多等问题。随着技术问题的逐步解决，索尼于2008年发布了背照式图像传感器“Exmor R”，并且于2009年将其运用于自家的影像器材产品上。

豪威推出0.7微米图像感应器

像素小于1微米

由于智能手机的CMOS尺寸更加受限，于是如何将像素做高并提高单个像素的性能就是技术上竞争比较激烈的地方，堆栈式传感器也应运而生。基于背照式传感器，进一步将像素周围的处理电路移至下层的传感器结构被称为堆栈式。加之解决小像素串扰问题的像素隔离技术等新技术的运用，如今智能手机的CMOS传感器像素已经可以做到低于1微米，像素数可以达到1亿。

使用背照式传感器的尼康Z6样张

两大阵营分庭抗礼 表照式与背照式

背照式图像传感器虽然在高感光度性能上有很大优势，但也有技术难度高、造价、散热、低感光度画质等方面的不足。最初背照式是较多用于智能手机以及小数码等图像传感器小于APS-C画幅的机型上。像素在2000万级别的时代，APS-C画幅以上的大画幅机型，本身电路占比没有那么大，使用背照式被认为没有明显的感光度提升效果。但随着高像素竞争日趋激烈，专业的数码影像器材也开始积极导入了背照式传感器。

2015年索尼的全画幅微单α7RII采用了背照式传感器，并由此将像素提升至4000万级别。与索尼相同，尼康也较早导入了背照式传感器，2017年4000万像素级别的D850也是背照式传感器，去年尼康重磅的Z6和Z7也都是背照式。

采用表照式与背照式传感器成为目前形成的两大阵营

与这两大厂商不同， 佳能一直比较保守。同样是2015年，5000万像素级别EOS 5DS/R依旧保持表照式，之后微单的重头戏EOS R也是像素控制在3000万级别的表照式。与佳能相同，松下LUMIX S1R为4000万像素级别的表照式。成像素质并不仅由图像感应器一个结构设计决定，也不完全由像素高低决定。最终画质是综合了镜头、相机的一整套光学及电子系统的性能。所以图像传感器的形式目前是各大厂商仁者见仁智者见智。最终效果很难评定谁优谁劣，都是综合自家技术力量所得的结果