透过影像看世界，传感器进化这些年

刘芬

CCD技术是大多数早期数码相机的基础

上期我们讲了传感器“首富”索尼闷声发大财的故事，回顾相机技术的发展，传感器一直是摄友关注的元件，到了手机时代，更是如此，但传感器的发展不是一蹴而就，我们来捋一捋它的进化过程。

CCD（电荷耦合器件）传感器是早期能够提供优秀成像画质，并且具有高性价比的相机图像传感器技术。CCD从传感器的边缘读出，一次一个像素，每次读取一个像素时将电荷从一个像素向下级联到下一个像素。完成此操作的速度取决于施加到芯片的电流，因此快速读出需要大量功率。

由于小型消费类相机电池的功率限制，这个过程相对缓慢，使得紧凑型相机中的实时取景非常缓慢和滞后。早期数码相机市场的基础是由CCD打下的，从上世纪90 年代中期一直到 2010年初，CCD的风头都要盖过CMOS。

早年的Super CCD画质确实艳绝同类

比如当时如日中天的富士Super CCD技术，它并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD 大。将像素旋转45 度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。

S3 Pro DSLR中的第二代版本提供的动态范围远远超过其同时代产品，但遮蔽也抑制了图像质量，尤其是在较高的 ISO下，所以也有些被人诟病。

CMOS（互补性氧化金属半导体），主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS 上共存着带N（带- 电）和 P（带+ 电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。同样，CMOS 的尺寸大小影响感光性能的效果，面积越大感光性能越好。CMOS的缺点就是太容易出现噪点， 这主要是因为早期的设计使CMOS 在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而产生过热的现象。

CMOS传感器的生产成本在日后更加平民，佳能于2000 年率先在D30 残幅APS-C 数码单反相机中采用的CMOS，高ISO图像质量也算过得去，逐渐赢得了声誉。回顾 CCD 时代，并没有内在原因说明CCD本身在捕捉色彩方面与CMOS 有什么不同，即便是有差异更有可能源于滤色器选择性和吸收特性的变化，因为制造商试图通过使用允许更多光线通过的滤镜来提高低光性能。到2007 年，业界最大的芯片供应商（索尼半导体）的 APS-C 芯片已经转向 CMOS，CMOS成為大传感器相机的默认技术。

背照式CMOS和堆叠式的迭代

第一款背照式（BSI）CMOS 传感器出现于2009 年，这项技术起初主要应用于智能手机和紧凑型相机传感器中。BSI 传感器的制造方式与现有的前照式设计大致相同，但它们所构建的背衬材料随后被削掉，传感器的“背面”被放置成面向镜头和接收光。

1600万像素的APS-C CMOS传感器出现在Pentax K-5、尼康D7000和各种索尼相机中，向前迈出重要一步

BSI从2014年开始涉足大型传感器，将近十年后，BSI 的使用算是较为普遍了，但是它的图像质量优势还是分了很多层次。索尼的视频机A7S 前两代CMOS 传感器只是采用普通的1220 万像素ExmorCMOS，而A7S3 采用了1210 万像素的背光式Exmor R BSI-CMOS。索尼A7S三代的DXOMARK 传感器评分为 86，全画幅 35 毫米排名第51 位，传感器在 ISO1600 和ISO 6400 之间表现优秀，甚至优于一些使用2400 万像素BSI CMOS 传感器的竞争对手。

近几年涌现的堆叠式CMOS 是前沿技术，英文名称叫作Stacked CMOS，也可以翻译为“积层式CMOS”。它使用有信号处理电路的芯片替代了原来背照CMOS图像传感器的支持基板，在芯片上重叠形成背照CMOS 元件的像素部分，从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。

由于像素部分和电路部分分别独立，因此像素部分可针对高画质优化，电路部分可针对高性能优化。这是一个耗时且昂贵的过程，因此只出现在智能手机和小型相机的相当小的芯片中，以及非常高性能的大型传感器模型中。

与BSI 一样，它的主要优势不是以图像质量的形式出现，而是允许更快、更复杂的数据处理。到目前为止，我们看到的示例包括内置RAM，允许传感器在前一张图像仍在由相机处理时捕获另一张图像，或者为读数提供并行路径的双读数，堆叠式 CMOS芯片目前支撑着拍摄速度最快的相机和手机，其复杂性和精密性在未来几年会为影像技术带来更长足的进步。