佳能日本于12月7日举办技术研讨会、向传媒介绍该公司数码单反所使用的大型CMOS图形传感器。 这是佳能第三次举办介绍该公司产品所使用技术的研讨会。这次介绍的是该公司主力数码单反产品所使用的大型CMOS传感器及其开发内幕。
担任技术研讨会讲师的,是佳能公司相机开发中心副部长——原田义仁先生。
佳能的数码单反现在所使用的传感器,有350D、20D所用的APS-C规格,有1D2N所用的APS-H规格、还有1Ds2和5D所用的35mm全幅等共三种规格。
相比于APS-C规格和便携数码相机所使用的小型传感器、制造商光刻机一次曝光就可以完成,APS-H以上规格则需要两次以上的曝光,从而使得量产效率降低。
因此,普及型数码单反机选用的是APS-C规格。
| 佳能公司相机开发中心副部长 原田义仁 先生 |
CMOS传感器的发展史 |
对于传感器大型化有何优点,讲师列举介绍到“更高的信噪比、变宽的动态范围,使得色调更加丰富;景深变化幅度变大使得深度表现改善”等。
关于像素的感度高低,同一时间内取得同样光量的前提下、像素大小越大就越能拾取更多的光,这就提高了像素感度。 而且、像素在同一时间内拾取的光量越多、就越能积累噪声以外的信息,这样就可以使得噪声不再显著,从而提高像素的信噪比。
动态范围也是如此,传感器的像素越大、能收集光的能力就越大,能比小像素传感器获取更多的信息量。这就使得像素数相同的传感器、 传感器面积越大、明暗部分的表现更丰富。
提及景深深度的差异,讲师出示了国际象棋棋盘的俯瞰照片作为示范。使用同样的光圈,1/1.8英寸传感器拍摄的照片,最远的棋子都很清晰地表现出来, 而使用大型图像传感器的相机所拍摄的照片,传感器面积越大景深就越浅,可以看出远处棋子虚化表现。
| 丰富的色调~~高感度(像素面积大的一方、能拾取更多的光电子) |
丰富的色调~~信噪比优秀(如果能蓄积足够的光、噪声就变得不显著了) |
丰富的色调~~宽广的动态范围(容器有高度、才能毫不溢出地积蓄光) |
·CCD与CMOS的比较
讲师花费最多的时间解说的,还是CCD传感器与CMOS传感器的差异。 CCD被称作“非增幅传感器”。垂直入射的光电子不经改动地以电荷的形式传给水平CCD、一直传导到输出放大器、在那里转换为电压信号。 由于从很久以前开始、CCD就被用作高画质图像传感器,使得CCD有着丰富的技术积累,噪声比较小、信噪比也很高这样的种种优点。 但相反,由于电荷的转换是最后一起完成的、所需要的瞬间峰值电量就很大,并行输出也很困难。这样就难以进行高速化。 而且,把外围电路移到芯片上的尝试也很困难。
CCD与CMOS的比较
而CMOS则被称作“增幅型传感器”,针对每个像素入射的光电子都一一有放大器将其转换为电压信号,可以依次输出。 因此,峰值电量要求很低,也适于并行输出,方便高速化处理。当然、外围电路移入芯片内部也容易实现。
由于CCD要通过水平CCD将电荷一起输出,所以在使用CCD传感器的EOS-1D上,就采用了将水平CCD左右分割来实现两通道并行读取的高速化;
此外还有将水平CCD纵向设置两枚,来实现双通道输出的数码摄像机MV1等尝试,不过都很难实现大量生产,MV1还存在水平CCD的良品率很低的问题,传输效率也成为瓶颈。
与此相反,CMOS每个像素的电荷都被转换为电压信号输出,很容易实现多通道同时输出。1Ds2等佳能的高端产品实现了8通道输出。
而且、16乃至更多通道并行输出的技术已经在开发。
| 高速输出的例子(与CCD进行比较) |
佳能历代数码单反的速度性能比较 |
CMOS传感器的缺点,则是各像素之间参差不齐,也容易发生随机噪声。因此过去很少被用于面向高画质产品的图像传感器。 佳能则是采用“传感器芯片内除噪技术”来对此加以改善的。 通过同时去除固定模式噪声(FPN)和随机噪声(RN),使得CMOS的画质不逊于CCD传感器。 因此、佳能在D30以后、在要求高画质的数码相机上均采用CMOS图像传感器。
| 传感器芯片内处在技术(原理) |
使用植入式图像二极管解决暗电流问题 |
此外、为了解决暗电流问题,佳能也煞费苦心。 暗电流是CMOS上由于些微的结晶缺陷或漏电流产生的。 在长时间曝光等像素电荷累积时间很长的情况下、以及CMOS温度容易上升的情况下容易带来噪声。 对此问题,除了在半导体工艺管理上加强、以降低缺陷率以外,佳能还采用了“埋入式图像二极管”的构造来减少噪声发生的机率;
所谓“埋入式图像二极管”、就是将图像二极管植入CMOS底部的硅晶的方法。 暗电流一般发生在硅晶表面、过去那种廉价的CMOS传感器一般是将图像二极管配置于硅晶之上、因此很容易受到暗电流的影响; 用这样的方法,就使得暗电流带来的噪声大幅度减少了。这种思路在CCD系列上早就得到应用,而在CMOS传感器上应用、佳能还是第一个尝螃蟹的人。
谈到未来,佳能表示会针对用户的需求开发相应规格的图像传感器、并在努力提高像素性能的前提下加强像素微细技术, 同时还会开发能应用于CMOS传感器的电子快门技术等。
| 佳能传感器开发历史 |
使用CMOS传感器和使用CCD传感器的数码单反相 |
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