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

背照式相机的主要特征

探寻背照式感光元件的真正实力
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。

索尼第二代背照射即将登场

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。


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。

同等像素数机型间的实拍对比搭载背照式CMOS感光元件的索尼Cyber-shot DSC-HX5C 具有1/2.4英寸型、1020万有效像素,对比机型则是搭载同等 像素数CMOS感光元件(有效像素约为929万像素)的机型及 搭载新款1/1.7英寸型CCD感光元件(约1000万有效像素)的 2款机型。下面,我们将在标准感光度、ISO400、ISO1600这3 种模式下进行实拍对比。

1/2.4英寸型1020万像素 背照式 CMOS感光元件

标准感光度为ISO125,在消费级数码机型中稍稍偏高。但高光 溢出控制效果与S95相当,非常优秀。

3款机型中噪点最少,但可能由于降噪处理的影响,细节有所损 失,有涂抹感。

在此感光度下,其他机型也已因降噪处理而造成细节大量损失, 因此噪点最少的HX5C看上去效果最好。
目前有多款搭载背照式CMOS的机型可供测试选择,这里我 们选择的是感光元件原厂厂商所生产的、目前市场上评价最高的 索 尼Cyber-shot DSC-HX5C(以 下 简 称HX5C)。 第 一 回 合 的 对 手是具有同等像素数、搭载1000万像素级别感光元件的机型。我 们选择的对比机型分别是搭载1/2.3英寸传统CMOS感光元件的 理光CX2(以下简称CX2),以及在消费级数码相机领域中拥有较大感光元件—— 1/1.7英寸型CCD的佳能Power Shot S95(以下 简称S95)这两款机型,并分别在标准感光度、ISO400、ISO1600 这3种感光度下进行对比拍摄。曝光模式均设定为程序自动曝光 模式,以1/3EV为步进值进行包围曝光,选择与肉眼所见最为接近 的一张进行比较。 首先,使用最低标准感光度进行拍摄比较。比 较重点是对背照式感光元件较为有利的噪点及动态范围。
1/2.3英寸型929万像素 CMOS感光元件

标准感光度为ISO80。将其暗部效果调整为与其他对比机型相 同时,高光部位的溢出略微明显。

在3台对比机型中噪点最多,但噪点均为亮度噪点,因此并未对画面造成恶劣影响。在消费级数码相机领域中,属于较为常见的画质表现。

提升到ISO1600后,除了明显的明度噪点外,彩色噪点也开始大量出现,其表现已经很难说是在可用程度了。
1/1.7英寸型约1000万像素 CCD感光元件

标准感光度为ISO80。考虑到HX5C在标准感光度下仍然存在 一定的细节丢失现象,可以认为三款机型中,S95在标准感光度 下具有最高画质表现。

噪点多于HX5C,同样仅为亮度噪点,所以感觉并不特别明显。 同时,物体边缘清晰,在该感光度下比较时,甚至效果比HX5C 更为讨好。

在该感光度下,必然会出现彩色噪点,使画面感觉粗糙。降噪所 造成的边缘软化现象也较为明显。
标准感光度下3台机型均不会出现噪点问题,这一点彼此间没 有什么明显差别。不过在灰阶还原上则出现了差别。CX2的高光 部位出现溢出,HX5C与S95则较好地控制了高光溢出。将感光度 提升到ISO 400后,CX2画面最为粗糙,HX5C则噪点最少。HX5C 的噪点少于搭载有高端感光元件的S95,这其中虽然有使用背照式 感光元件的功劳,但可能因为降噪处理的介入,HX5C的细节损失也要多于S95。因此,单就照片效果来说,S95的画面看上去效果 更好。当感光度再度提升到ISO1600时,S95的画面也已显得相 当粗糙,而HX5C则仍未出现明显噪点,效果相当强劲。CX2的画 面上已经出现大量彩色噪点。在该感光度下,S95的降噪所造成 的细节损失程度与HX5C基本相当,但由于HX5C的噪点更少,所以 HX5C画质显得相对更为良好。
与高像素及Micro 4/3机型间的实拍对比将采用背照式CMOS感光元件的索尼Cyber-shot DSC-HX5C 与高像素机型(有效像素1410万)及Micro 4/3机型(有效像 素1230万)进行比较,并同样分别在标准感光度、ISO400、 ISO1600这3种方式下进行实拍对比。

对比拍摄的第二回合,是与最新款高像素机型及Micro 4/3机 型间的比较。最新款高像素机型选用的是松下的1/2.33英寸型、 采用1410万有效像素CCD感光元件的LUMIX FX700。Micro 4/3 派出的代表则是奥林巴斯 PEN E-PL2(以下简称E-PL2)。高感光 度降噪均设定为“标准”。这3款机型中,E-PL2的感光元件尺寸最 大,在噪点控制及动态范围方面具有相当优势。我们原本希望能看看背照式CMOS能在多大程度上接近这2款高像素机型。但从 结果来看,任何感光度下E-PL2在画质上均获得了压倒性胜利。这 也是理所当然的结果,毕竟,感光元件尺寸相差如此之多时,已经 无法进行公平的对决了。
1/2.4英寸型1020万像素 背照式CMOS感光元件

在此画面中,画面中心深处的落叶细节不甚清晰,感觉互相已 经融为一体。

可以看出,HX5C拍摄的画面虽然噪点很少,但轮廓锐利度欠 佳,细节不够清晰。

样片中噪点控制理想,令人无法想象这是ISO1600下的效果。 低感光度下过度降噪的不适感也已消失,画质相当令人满意。
作为主角的HX5C也如前页第一回合中所感受到的一样,从低 感光度开始,降噪处理所造成的细节损失让人无法忽略不计。
1/2.33英寸型 1410万像素 CCD感光元件

标准感光度虽然是ISO80,但借助于高像素优势,细节部位均获 得了相当良好的表现。可感受到噪点极少。

在如此高像素下,单个像素尺寸应该已经相当小,但与之相对 的,噪点却比较少,而且细节损失也很小。

画面相当粗糙,已无法作为可常用画质使用。ISO400之前虽然 仍可根据各人爱好进行选择,但在此感光度下,HX5C明显表现 出更加良好的画质。
Micro 4/3型1230万像素 高速Live MOS感光元件

标准感光度ISO 100。虽然这款机型的像素数低于FX700,但 由于镜头完全匹配Micro 4/3像素大小,所以理所当然的细节部 位分辨率相当高。

相比ISO100时虽然噪点有所增加,但仍然处于可用范围。降噪 处理也未导致轮廓变软。

噪点虽然相应增加,但令人感觉“Micro 4/3的ISO1600竟然表 现如此良好”,完全处于可用范围。也可以看出在微单、单电领 域,ISO 1600成像没有问题。
比如,标准感光度的“比较A”中,在E-PL2及FX700拍摄的画 面上可清晰看到画面中的树叶,而HX5C则呈现出画面中树叶融为 一体的表现。ISO400的“比较D”的画面细节也同样出现这样的 问题,HX5C上已经看不出水果纹路。令人感觉就是噪点虽然少, 但细节随之模糊起来。
不过, 感光度提升到ISO1600后,HX5C的画质开始真正发挥威力。在此感光度下,其他机型都已因为降噪影响导致明显的细节损失,而且即使如此也无法完全消除噪点。与之相对的是, HX5C作为消费级数码相机,在此感光度下的低噪点水平表现出压 倒性优势。因降噪而造成的细节损失在此感光度下也并不明显。 其效果虽然仍不如E-PL2,但在消费级数码相机领域中,已是相当优秀的表现,也能令人切实感受到背照式CMOS的巨大优势。