探寻背照式感光元件

在高像素化不断发展的同时,消费级数码相机的另一大趋势,背照式感光元件 正日益受到关注。与以往的CMOS感光元件相比,索尼开发的CMOS感光元件—— Exmor R可以对斜向进入的光线进行更为有效的利用,获得噪点更少的影像,因而 被多家厂商的消费级数码相机所采用,并荣获“Camera Grand Prix 2010”的“摄 影记者俱乐部大奖”。接下来,我们将通过实际拍摄比较,来验证背照式感光元件究 竟能获得怎样的效果。虽然背照式感光元件目前仅用于消费级数码相机,但相信今后将有可能用于单反相机领域。我们也将对其今后的发展进行展望。

背照式CMOS感光元件风光无限

去年的Camera Grand Prix上,索尼的背照式CMOS感光元件“Exmor R”荣获了摄影 记者俱乐部大奖。同时,使用索尼开发的背照式CMOS感光元件的消费级数码相机也 已陆续进入市场。已经可以感受到背照式CMOS感光元件具备的强大普及力量。

为什么会出现背照式

传统表面照射型CMOS上,由于入射光受到传送信号用的布线的遮挡,光线无 法有效到达光电二极管。为解决这一问题, 背照式CMOS感光元件将光电二极管与布 线的位置进行了反转。这样,光线就不再 受到布线遮挡,可以非常高效地传递到光 电二极管上。其效果使得光电转换效率提 升,对感光度及动态范围也可起到积极作 用。虽然这一思路在20年前就已出现,但要真正实现背照式CMOS,就必须将半导 体晶片厚度削薄至3-4微米。这一点一直是技术上的壁垒,在很长时间内未能得到突破。如果无法有效降低半导体晶片厚度, 那么不必要的光线将有可能到达光电二极 管深处,并最终造成噪点。作为参考,常规 半导体处理器的厚度约为100微米左右, 由此也可体会到仅有3-4微米厚度的背照 式CMOS是何其纤薄的。

另一方面,传统表面照射型CMOS只要保证受光面平整即可,对背面的均一性并无特殊要求。而背照式CMOS则必须严格保证正反两面均极其平整。这一点也同样带来了技术上的难度。

与传统表面照射型CMOS感光元件的结构比较

由于传统CMOS感光元件的布线位于彩色滤光片与光电二极管之间,因此部分光线难以到达受光面。 而背照式感光元件的布线与光电二极管的位置与传统方式正好相反,光线从背面进入,即使是斜向进 入的光线也可以很轻松地到达受光面

索尼花费如此心血研发得到的背照式 CMOS与传统CMOS相比,其开口效率将 获得30~40%的有效提升,而这一数值与相 同尺寸的CCD感光元件基本相当。那么, 为什么还要如此费力制造背照式CMOS, 而不是直接采用CCD感光元件呢?这主 要是由于CMOS在高速信号读取方面相比 CCD具有明显优势,如果要实现高清视频 等功能,就必须依靠CMOS所具有的高速特性。

当然,CMOS的高速特性不仅可用于 视频拍摄,也同样可以对拍摄静止影像提 供帮助。比如,如果希望在手持拍摄状态 下,将通过高速连拍获得的2张影像进行合成以获得单张拍摄无法实现的高动态范 围影像时,就必须用到可高速读取信号的 CMOS感光元件。

也就是说,CMOS的高速特性不仅 可用于视频拍摄及高速连拍,也同样可以 为提高动态范围起到帮助作用。甚至, CMOS的高速特性还可提升反差AF的对焦 速度。在比较CCD与CMOS时我们可以发 现,包括高速特性在内,传统CMOS在很多 方面都可胜出CCD,但唯一在开口效率(轴 上的射瞳轴外入射瞳的面积比)上却不如 CCD。而背照式CMOS的出现则正好克服 了这一弱点,使CMOS真正成为全方位超 越CCD的感光元件。

Exmor R CMOS感光元件

近期,根据索尼公司的消息,它们已经 确认研发成功第二代的背照式CMOS 元件,将会在2011年内加入全新的数 码相机产品中。本次研发出的新元件 依然为小尺寸,只能安装在消费级数码 相机上。
[/column] 背照式感光元件的优势及将来的可能性

近期,根据索尼公司的消息,它们已经 确认研发成功第二代的背照式CMOS 元件,将会在2011年内加入全新的数 码相机产品中。本次研发出的新元件 依然为小尺寸,只能安装在消费级数码 相机上。

背照式感光元件在性能方面看来似乎 全是优点,那是否就真的没有缺点呢?根 据索尼的说法,目前其最大的弱点还在 于成本方面。背照式设计使制造工数激 增,原材料也无法使用普通硅材,这些都 使得制造成本增加。因此,短时间仍然无 法在所有消费级数码相机上普及背照式 CMOS。在成本较低的产品上,今后仍将 继续使用CCD及传统CMOS感光元件。

还有人会问“背照式CMOS既然如此 优秀,是否能将其同样运用到单反用全画 幅及APS-C画幅这样的大型感光元件上 呢?”相对于消费级数码相机所使用的小 型感光元件,由于单反相机所使用的感光 元件尺寸较大,其受布线影响而对入射光 造成的遮挡影响就显得相对较小。即使换 成背照式设计,也无法获得成像效果的巨大变化。不过,如果将来单反相机的像素 数提升至1亿像素左右,则单个像素将变 得极为细小,此时使用背照式设计将可获 得相对较为明显的效果表现。但就目前来 说,可以认为单反级别的大型感光元件尚 无使用背照式设计的可能。那么,比单反 感光元件稍小的相机领域是否会用感光元 件?目前的背照式CMOS均为1/2.3-1/2.4 英寸级别的小型款式,而理光GRD及佳能 PowerShot G11这样的高性能镜身一体机 上所搭载的则是是1/1.7英寸级别的的感 光元件。应该说,在这一级别上,还是有可 能使用背照式CMOS的。目前,各方面对 于这一问题均处于“不置可否”的状态,相 信将来值得期待。毕竟背照式CMOS如今 才刚刚起步,相信今后必将逐步发挥出其 真正的性能优势。