帮你认识你手中的机器：浅叙 Sony 六代感光元件的进化过程

感光元件是光学信号转化为数码信号的核心部件，非常重要。在 2014 年 Sony 是全球感光元件销售大赢家，市场占有率为40%，而他们早前推出的 A7RII，更是首部备有全画幅背照式 CMOS 的相机，虽然早前他们声称将会停产 CCD，但是其感光元件技术，在近年可说相当领先。但到底有什么厉害的？他们是怎样发展出今天的技术？来自 FRAMOS Technologies Inc. 的技术专家 Darren Bessette（戳我看英文原文），以一系列图文讲解 Sony 六代感光元件的变化

原文地址：https://www.framos.com/en/news/news/single-view/article/what-is-sonys-technology-anyway.html


以下则把这六代的变化，作简单总结描述︰

第一代

从下图看到，传统 CMOS (左) 收集到信号之后，会通过 CDS (correlated double sampling) 减噪，再于电荷通路中传输出去，最后透过 ADC (数码类比转换器) 转成数码资料，在这个传输的过程中，会制造大量垃圾信息。而第一代 Exmor 最主要就是改变此结构，让影像资料在传输前已进行 ADC，并且转换前后都有 CDS 减噪，改善垃圾信息问题。



第二及第三代

简单来说，这两代目的都是缩减感光元件结构的厚度，方法包括将本来的铝线改为铜线，然后再减少铜线的厚度，减少情况如同下图。过去光线在通过金属结构时，一些角度较偏的位置，都会因为反射等原因而消失，减少厚度则可以大幅度改善感光度。

由第一代到第二代到第三代，厚度大大减少了。



第四代
这一代则是让 Pixel Well 变深，以加强近红外线 (NIR) 等长波的感光度，提供更高动态范围，及保存更多电子信息等。下图的 PD 即是光电二极体 (photodiode)，功能是把光线转换成信号，明显增长了更多感光的位置。




第五代 (Exmor R)

终于变成了近年经常听到的“背照式”(BSI)，简单来说，就是把感光的 PD 直接放到微透镜、彩色滤光片之后，之后才到非感光的金属，相比以往的“前照式”(FSI)，能大幅加强感光的能力与反应。大家可以看看下图。


第六代 (Exmor RS)

第五代的 pixel well 深度基于第三代来设计，所以到第六代则进行加深以改善 NIR 等吸收。另外一个重点就是变成“堆叠式”感光元件， 把 BSI 像素叠在信息处理电路上，增加像素填满的程度，加强整体的感光度及影像质量，更高的像素，却有更紧密细小的设计，连带镜头、机身等都可以进化。明显是为更适合在这个手机摄影流行的年代。

大家可以看到下图，由 Exmor R 变成 Exmor RS︰



话说回来，Sony 在近日发布了新一代的“全域快门 CMOS” IMX250/252，像素尺寸只有 3.45 µm，据称是业内最细，敏感度更高，而且会产生更少垃圾信息，甚至红外线的感光度亦有提高，主要用作拍摄高速移动物件。

科技就是这样一步步走来，CMOS 的发展似乎也相当顺利，从这个角度看，淘汰 CCD 实在颇为合理啊。