增强型影像传感器
来源:用户上传
作者: 本刊编辑部
近两年，随着背照式CMOS的发展和普及，越来越多的数码相机抛弃了传统的CCD。2011年初，富士发布了EXR CMOS来代替原先的Super CCD EXR，将新型CMOS影像传感器推到了新的高度。
在2009~2010年，背照式CMOS（BSI-CMOS）和富士的Super CCD EXR技术为提升数码相机的感光性能作出了极大的贡献，带来了更高的画面质量以及全新的拍摄性能。而2011年初富士发布的EXR CMOS技术是在Super CCD EXR技术的基础上将背照式CMOS技术与EXR技术相结合产生的新型CMOS。富士EXR CMOS按照光线入射的顺序分为4层结构，第1层是微透镜阵列，负责光线的聚集与传导。第2层是色彩滤镜阵列，负责给光线着色。第3层是感光二极管，负责将经过微透镜和色彩滤镜着色后的光线转换为电信号。第4层是电路晶体管（也称“传输电路”），负责光电转换信号的传输。
斜向排布感光元件
富士在影像传感器方面，最擅长于对感光二极管本身及其排列方式进行改良,而针对感光二极管的优化也是整个EXR CMOS产品的基础。富士将感光二极管由传统的正方形改为八边形,接下来，将之前普遍采用横竖排列的感光二极管扭转45°成为斜向，并且以蜂窝状形式排列。蜂窝状排列的八边形感光二极管由于其单位面积较正方形更大，所以感光面积也较大，其感光性能得到明显提高。而且由于近似于圆形的八边形感光二极管的单位像素更接近传统胶片中幼细的银盐颗粒，所以提升了分辨率的整体表现。另外，八边形感光二极管呈蜂窝状的排列使得相邻像素之间排列更紧密、间隙更小，提高了光线的利用率，更使得影像的分辨率得到显著提升。
改进色彩滤镜
EXR技术除了对感光二极管进行优化外，还特别对色彩滤镜的排布方式进行了改良。与传统CCD或CMOS色彩滤镜在横纵轴方向按照红绿蓝3色间隔排列的顺序不同，富士的EXR CMOS技术将感光二极管上方的色彩滤镜中红色、绿色和蓝色3原色的排列进行了重新分布。其色彩滤镜的具体排列方式是，按照斜向45°的顺序，将奇数列像素的色彩滤镜统一设置为绿色，再将偶数列的前两个色彩滤镜设置为红色，而紧接着的两个色彩滤镜设置为蓝色。经过对色彩滤镜排列顺序的调整，使得EXR CMOS具备了两种新的拍摄特性――超宽动态范围（DR）和高感光度低噪点（SN）。在实现超宽动态范围功能时，富士的EXR CMOS将斜向45°的相邻像素和横纵两个相邻队列分别设置为A、B两个通道。实际拍摄时，富士的EXR CMOS中的A、B两个通道各司其职，分别对影像中的高光和低光进行“先后”处理，以不同的电荷累积时间来实现不同的感光度，再将A和B两组通道所采集的图像信息进行合并，并生成对高光和低光细节进行全面捕捉的图像。与超宽动态范围相类似，富士的EXR CMOS在实现高感光度低噪点功能上采用了将两个相同颜色且相邻的像素进行合并为一个像素的方式。在入射光线一定的情况下，两个像素接收同等的光线，在合并为一个像素后，其单个像素的感光能力翻了一倍，相当于入射光线加强了一倍，从而得到了在弱光环境下的高感光性能更佳和影像噪点更低的特性。
背照式CMOS
以上都是EXR CMOS与其前辈Super CCD EXR共有的特性，不同的是，富士将这些原先CCD上的排列与合成技术都引入到CMOS影像传感器当中。此外，富士也借鉴了背照式CMOS的高通光能力的特性。在传统CMOS影像传感器中，感光二极管位于传输电路的下方，入射光线必须先经过传输电路后才能传送至感光二极管，而传输电路会对入射的光线产生阻挡和削弱，使得感光二极管的感光量减小。用户在使用搭载此类CMOS的数码相机时，就必须相应提高感光度来拍摄，以获得足够的曝光。背照式CMOS与传统CMOS不同，它将位于感光二极管上方并阻碍入射光线的传输电路放置于感光二极管的下方，入射光线经过微透镜和色彩滤镜之后即可到达感光二极管，完成光信号转换为电信号的过程，再由下方的传输电路输送给相机中的影像处理器。由于没有传输电路对入射光线的阻挡，所以背照式CMOS与传统CMOS相比，其感光能力可提高近1倍。而采用背照式CMOS影像传感器之后，在同等环境光线条件下相机使用比以往更低的感光度拍摄即可获得足够的曝光量。
从整体上讲，富士的EXR CMOS技术继承了历经数代发展的Super CCD技术的优势，通过改变了感光二极管形状使影像传感器的感光能力提升了近1倍。同时，蜂窝状斜向45°分布感光二极管的排列方式，提升了影像的分辨率水平；而从Super CCD EXR上延续而来的色彩滤镜的排列以及合并方式，带来了优秀的高动态范围和高感光度低噪点拍摄功能；现在，富士更借鉴了背照式CMOS的传输电路与感光二极管的换位排布方式，将其引入EXR CMOS之中，可实现比传统CMOS高出约两倍的高动态范围以及高感光度低噪点的表现。因此，可以说富士EXR CMOS拥有比传统背照式CMOS和Super CCD EXR更优秀的感光性能表现。富士公司是否会开放EXR CMOS技术，为其他相机厂商提供EXR CMOS还是个未知数。但是EXR COMS的设计理念必将被整个行业的其他厂商所借鉴，进而引发数码相机影像传感器技术的整体提升。
CMOS与CCD的区别
CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端的部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行电压转变，形成电子信号。而CMOS的工艺导致数据在传送距离较长时会产生噪声，因此必须先放大，再整合各个像素的数据。所以每个像素都会旁边都会连接一个放大器及A/D转换电路。
这两者各有优劣，CCD由于只使用一个“放大器”处理数据，因此这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，当数据量大的时候就发生信号“拥堵”，特别是在用于视频拍摄时可能会受到影响。而CMOS每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，更适合进行视频拍摄。另外，CMOS工作所需要的电压比CCD低很多，功耗大约只有CCD的1/3，因此使用CMOS的产品更加省电。
不过，早期受到工艺的限制CMOS的感光能力和噪点控制能力都不及CCD，这导致CMOS的综合画质受到影响，但是背照式CMOS等产品的推出改善了这一状况。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-368821.htm
