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技术文章
背照式CMOS传感器结构和原理
点击次数:1418 发布时间:2012-06-05 返回

背照式CMOS传感器详细解读
  
  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zui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zui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zui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,zui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ExmorR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zui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hqew.com/tech/cgq/200010150006/16911.html"target="_blank">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

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