图解索尼CMOS图像传感器的神奇之处

毫无疑问，索尼是2014年全球感光元件销售的大赢家，市场占有率达到了40%，而他们刚刚推出A7R II更是首款搭载背照式CMOS的全画幅相机。其图像传感器技术已大幅领先。但“大法”传感器到底有何厉害?他们是怎样发展出现在的技术?FRAMOS Technologies Inc.技术专家Darren Bessette使用一系列图文讲述了索尼六代图像传感器进化史。

第一代

传统CMOS(左)收集到信号后会先通过CDS(Correlated Double Sampling)双取样电路降噪，再从电荷通路中传输出去，最后通过ADC模数转换器转成数码数据。在这个传输过程中会产生大量噪声。而索尼第一代Exmor传感器(右)最主要的改进就是改变此结构，让数据在传输前就进行ADC转换，并且转换前后都有CDS降噪，噪点问题得到改善。

第二、第三代Exmor

第一代、第二代、第三代厚度逐级减少

单来说，这两代产品主要功劳是缩减了传感器结构厚度。方法包括将本来的铝制布线换成更细的铜线，然后再减少铜制布线本身的厚度，效果如上图。过去光线在通过金属布线等结构时，一些角度较偏或者波长较短的光线(如蓝绿)会因反射等原因被浪费掉，减少厚度则可大幅改善接收光线的性能。

第四代

这一代的改进重点是加深像素阱，以加强近红外线(NIR)等长波长光线的感光性能，提供更高的动态范围，同时保存更多电子信息。上图的PD即是光电二极管(photodiode)，功能是把光线转换成电信号，做左边的4代传感器底部明显增长，拥有更多感光的位置。

第五代Exmor R

终于进化到最近常听到的“背照式”(BSI)传感器。简单来说，“背照式”(BSI)传感器就是把光电二极管放到微透镜、彩色滤光片下面，而原先的金属布线层则放到了最后。相较以往“前照式”(FSI)传感器，这种结构能大幅加强感光能力，同时降低电路噪声干扰。

第六代Exmor RS

由Exmor R变成Exmor RS

第五代像素阱深度基于第三代设计，所以到第六代索尼改用了类似第四代加深像素阱的技术方案，以改良NIR等光线吸收。索尼第六代传感器的另一项特点就是变成了“堆栈式”设计，把感光平面放到了最上层，信号处理电路叠放在后面，这样就能增加像素填满程度，从而加强整体感光性能及影像素质。

堆栈式结构提供了更高的像素提升空间，却有着更紧密小巧的尺寸，连带镜头、机身等都可以进化。在这个手机摄影流行的年代，明显是更为适合。

科技就是这样一步步走来，CMOS的发展似乎也相当顺利，从这个角度看，淘汰CCD实在是大势所趋。