卓越影像的魅力

　　文/張健浪

　　索尼高端CMOS感應(yīng)器技術(shù)引領(lǐng)未來

　　作為數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)產(chǎn)品的核心，影像感應(yīng)器對產(chǎn)品的成像品質(zhì)有著決定性的影響。而感應(yīng)器領(lǐng)域一直存在CCD和CMOS兩大體系，其中CCD為絕對主力，目前市場上所有的

消費類相機(jī)都是采用CCD感應(yīng)器，為影像感應(yīng)器中的絕對主流，在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的便是索尼公司。而CMOS感應(yīng)器的應(yīng)用狀況非常有趣，它在占據(jù)極少數(shù)低端數(shù)碼相機(jī)和攝像頭的同時、也在專業(yè)的數(shù)碼單反市場占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，并成功地壓縮CCD感應(yīng)器在數(shù)碼單反市場的生存空間。

　　看到CMOS感應(yīng)器存在的潛力，索尼很早就投身于CMOS感應(yīng)器的開發(fā)，經(jīng)過多年的努力，索尼在05年初正式將自己的高端CMOS感應(yīng)器芯片率先用于PC1000E便攜數(shù)碼攝像機(jī)，隨后又應(yīng)用在HDR-HC1E高清HDV數(shù)碼攝像機(jī)產(chǎn)品中，由此宣布索尼全面進(jìn)軍CMOS感應(yīng)器市場！而更引人注目的成果是索尼推出千萬像素規(guī)模、APS-C規(guī)格的大尺寸CMOS感應(yīng)器，并用于索尼DSC-R1高端消費相機(jī)以及其它品牌的高端數(shù)碼單反相機(jī)產(chǎn)品中，此舉意味著索尼CMOS感應(yīng)器真正進(jìn)入到高端市場。2006年1月，索尼接著推出創(chuàng)新設(shè)計的“ClearVid CMOS Sensor”新一代CMOS感應(yīng)器芯片，無論是自身的技術(shù)實力還是產(chǎn)品

　　一、認(rèn)識CMOS與CCD感應(yīng)器

　　在介紹CMOS技術(shù)之前，我們有必要了解CMOS與CCD之異同。CMOS的全稱為“Complementary Metal Oxide Semiconductor(互補型金屬氧化物半導(dǎo)體)”，它是一種常規(guī)半導(dǎo)體器件、生產(chǎn)方式與CPU、GPU和內(nèi)存芯片并沒有多少區(qū)別。CCD (Charge Coupled Device，電荷耦合器件)其實也是半導(dǎo)體器件，但它的結(jié)構(gòu)比較特殊，難以用常規(guī)方法生產(chǎn)。而在基本的影像捕獲原理上，這兩者其實沒有什么差異，都是采用感光元器件作為影像捕獲的基本手段，而它們所用的感光元件也都是相同的感光二極管(photodiode)，在拍攝數(shù)碼照片或者數(shù)碼影像時，物體的光線會照射到CCD或者CMOS感應(yīng)器上，而感應(yīng)器中的感光二極管在接受光線照射后會產(chǎn)生相應(yīng)的電流輸出，且電流強度與光照強度一一對應(yīng)。這樣，CMOS和CCD便完成了光信號到電信號的改變，再經(jīng)過DSP的合成、處理，便能夠生成一幅幅以數(shù)碼格式存儲的圖像或動態(tài)影像。不過，雖然CMOS與CCD感應(yīng)器的基本原理都相同，但兩者的邏輯結(jié)構(gòu)、物理設(shè)計以及詳細(xì)工作流程卻有極大的差異，也正是這些方面的差異導(dǎo)致CMOS與CCD呈現(xiàn)出截然不同的性能特點。

　　二、CMOS感應(yīng)器的技術(shù)優(yōu)勢

　　由于存在捕獲光信號能力差、圖像分辨率較低以及噪聲嚴(yán)重這三方面缺陷，導(dǎo)致早期CMOS感應(yīng)器很難與CCD相提并論、而只能停留在攝像頭市場。但這些缺陷并非不可克服，且CMOS感應(yīng)器在制造難度和成本、芯片集成度以及功耗等方面都擁有自己的技術(shù)優(yōu)勢：

　　1，CMOS感應(yīng)器更容易制造、成本也遠(yuǎn)低于CCD產(chǎn)品——CMOS感應(yīng)器采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)，很容易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，加之CMOS的每個感光元件相互獨立，即便有若干個元件出問題、也不會影響感應(yīng)器的完整性。而CCD感應(yīng)器采用電荷傳遞的方式傳送電信號，只要有其中的一個感光元件無法工作，信號傳輸將無法繼續(xù)，一整排的圖像信號將因此缺失，情況嚴(yán)重的話將導(dǎo)致整枚感應(yīng)器芯片將因此報廢。顯然，CMOS的成品率要比CCD高出許多，這就決定了CMOS在制造成本方面擁有絕對的優(yōu)勢、其售價可做到只相當(dāng)于同級CCD的三分之一左右。

　　2，CMOS感應(yīng)器可輕松實現(xiàn)較高的集成度。由于采用半導(dǎo)體工藝制造，廠商可以將時鐘發(fā)生器、DSP處理芯片等周邊電路與CMOS感應(yīng)器本身整合在一起，從而實現(xiàn)整個圖像捕獲模塊的小型化，也有效降低OEM客戶的設(shè)計難度，同時設(shè)計出體積更小的圖像捕獲裝置也就成為可能——其中，CMOS被廣泛用于拍攝手機(jī)的微型攝像頭中便是一個最佳例證。而CCD感應(yīng)器就無法實現(xiàn)這一點，由于制造工藝不同，CCD感應(yīng)器本體與周邊電路無法整合，后者必須以獨立的形式存在，平臺設(shè)計難度大、也無法實現(xiàn)整個模塊小型化，伸縮彈性遠(yuǎn)無法與CMOS相比擬。

　　3，CMOS感應(yīng)器采用主動式圖像采集方式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷直接由晶體管放大輸出，這種做法雖然導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲，但也令CMOS感應(yīng)器擁有超低功耗的優(yōu)點。而CCD感應(yīng)器的圖像采集方式為被動式，必須借助外來電壓才能讓每個感光元件中的電荷移<!>動，這個外加電壓的強度通常都達(dá)到12～18V，此舉也導(dǎo)致CCD感應(yīng)器在工作中需要耗費較多的能源(最高可達(dá)同規(guī)模CMOS感應(yīng)器的十倍之多)，發(fā)熱量也明顯高于CMOS產(chǎn)品。由于需要外來電壓，CCD感應(yīng)器也就需要包括Power IC在內(nèi)的電源管理電路，設(shè)計難度也遠(yuǎn)高于CMOS產(chǎn)品。

　　綜上所述，CMOS感應(yīng)器在制造成本、功能集成、功耗特性等三方面對于CCD有絕對的優(yōu)勢，而CCD則在捕光靈敏度、像素規(guī)模及噪聲控制等方面完全優(yōu)于CMOS。在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，CMOS與CCD都保持這樣的特性相安無事，兩者都在各自的領(lǐng)域高速成長。但隨著時間的推移，這樣的格局開始出現(xiàn)了變化——在過去數(shù)年間，CMOS感應(yīng)器的成像品質(zhì)獲得飛躍性的提高、大尺寸高端產(chǎn)品達(dá)到與CCD相當(dāng)?shù)乃�平，中小尺寸產(chǎn)品的品質(zhì)也得到明顯的改善，被主流數(shù)碼相機(jī)采用指日可待，而這一切便得益于CMOS感應(yīng)器領(lǐng)域出現(xiàn)的技術(shù)提升：1)通過增大感應(yīng)器尺寸、增強相機(jī)的光學(xué)輸入能力，成功解決了CMOS感應(yīng)器捕光靈敏度弱和分辨率較低的難題--雖然大尺寸CMOS成本較高、但CMOS的低成本優(yōu)勢很好彌補了這一缺陷；2)CMOS感應(yīng)器噪聲較為嚴(yán)重，各廠商通過對放大器邏輯進(jìn)行改進(jìn)、引入專門的降噪技術(shù)等措施很好地緩解噪聲現(xiàn)象，最終使之達(dá)到不遜于CCD的高水平。

　　三、革命性的突破

　　深入了解索尼CMOS感應(yīng)器技術(shù)

　　作為全球最有影響力的CCD廠商，索尼進(jìn)入高性能CMOS感應(yīng)器領(lǐng)域并不讓人感到意外，畢竟隨著技術(shù)的進(jìn)步，克服CMOS存在成像品質(zhì)差、噪聲高等問題都可以得到一一克服。目前在高端數(shù)碼單反領(lǐng)域，CMOS感應(yīng)器獲得相當(dāng)成功的實踐，終端用戶對CMOS也頗為認(rèn)可，且CMOS低成本、高集成度、低功耗的優(yōu)勢也獲得充分體現(xiàn)。雖然在該領(lǐng)域索尼不占先機(jī)，但憑借感應(yīng)器領(lǐng)域深厚的技術(shù)積淀以及創(chuàng)新能力，索尼最終打造出一流品質(zhì)的CMOS影像感應(yīng)器產(chǎn)品，且應(yīng)用范圍從數(shù)碼相機(jī)拓展到數(shù)碼攝錄機(jī)領(lǐng)域，而終端用戶對這些產(chǎn)品的評價都甚為積極。

　　在提高CMOS光信號靈敏度方面，索尼采取雙管齊下的方案、在努力提高CMOS開口率(開口率：有效感光區(qū)域與整個感光元件的面積比值)的同時，增大感應(yīng)器尺寸。提高開口率的途徑很簡單，就是將周邊電路占據(jù)的面積盡可能縮小、從而增大感光二極管占據(jù)的面積比例——索尼的技術(shù)改進(jìn)卓有成效，將CMOS感應(yīng)器的開口率提高20%，動態(tài)范圍提高56%，捕光能力明顯優(yōu)于常規(guī)型CMOS產(chǎn)品。尺寸方面，索尼針對高端數(shù)碼相機(jī)的CMOS感應(yīng)器直接動用APS-C(21.5x14.4mm)尺寸，在獲得卓越光信號獲取能力的同時，將成像規(guī)模提高到1080萬像素！在這兩項措施的共同作用下，索尼CMOS感應(yīng)器達(dá)到極高的輸出品質(zhì)：在同等光線條件下，索尼CMOS每個像素點的感光能力是普通CCD的5倍。因此在低照度下圖像噪點更低、靈敏度高，同時也可以支持更高速的快門速度，減小因為抖動而帶來的對拍攝的影響！索尼在05年下半年推出的高端消費旗艦DSC-R1機(jī)型便采用該類型的CMOS感應(yīng)器，相比上一代的DSC-F828機(jī)型，DSC-R1在大尺寸輸出時圖像清晰銳利，足以滿足一般出版和印刷的需要。

　　在降低圖像噪音方面，索尼CMOS技術(shù)也表現(xiàn)得令人滿意。以其他廠商光從后期處理修補的方式不同，索尼采用四通道傳輸技術(shù)來解決問題——常規(guī)CMOS感應(yīng)器都是在模數(shù)轉(zhuǎn)換工作完畢后，將紅、藍(lán)、綠、綠四個像點合成為一個像素作輸出，而索尼四通道傳輸技術(shù)則不是如此：每個像素中的紅、藍(lán)、綠、綠四個像點的數(shù)據(jù)以獨立的四個通道形態(tài)傳輸給DSP處理芯片，DSP接收到這些像點后、會首先對每個像點作專門的降噪處理，之后才將它們合成為一個完整的彩色像素——這項技術(shù)也被索尼稱為“像素級精細(xì)處理”。得益于該項技術(shù)，索尼DSC-R1數(shù)碼相機(jī)擁有更杰出的噪聲控制能力，即便是在ISO800的高感光度模式下拍攝，相片中的噪點明顯小于采用類似技術(shù)規(guī)格CCD感應(yīng)器的機(jī)型。四通道傳輸還有一個額外的優(yōu)點就是：四路并行的優(yōu)勢讓CMOS到DSP的數(shù)據(jù)輸出速度比常規(guī)方案快出四倍，令相機(jī)的響應(yīng)速度更快、畫面抓拍更及時！此外，常規(guī)型CMOS感應(yīng)器在水平驅(qū)動頻率提高之后，耗電量會出現(xiàn)一定的提升、信噪比則出現(xiàn)明顯的下降，而索尼的4通道CMOS也有效避免了這一缺陷，在水平驅(qū)動頻率達(dá)30MHz時，該款CMOS感應(yīng)器仍可以保持出色的圖像輸出品質(zhì)。

　　2006年1月，索尼接著推出被稱為“ClearVid CMOS Sensor”的改良型CMOS感應(yīng)器。同第一代技術(shù)相比，ClearVid CMOS Sensor的主要改進(jìn)就在于像素點的安排——之前索尼CMOS/CCD感應(yīng)器都采用規(guī)則的矩形排列，而ClearVid CMOS Sensor則在傳統(tǒng)CMOS的像素排列基礎(chǔ)上將像素點的方向旋轉(zhuǎn)了45度，此舉的好處就在于可以在不影響影像品質(zhì)的前提下，大大提高了靈敏度。ClearVid CMOS Sensor首先針對的是數(shù)碼攝錄機(jī)市場，但進(jìn)入到高端消費相機(jī)和數(shù)碼單反市場只是遲早的問題！也許你認(rèn)為消費機(jī)采用的CCD已經(jīng)足夠好了，但CMOS在成本和功耗方面都有很大的優(yōu)勢，如果在消費機(jī)中引入CMOS感應(yīng)器，那么用戶將能買到價格更低、拍攝時間更長的相機(jī)，積極意義顯而易見。

　　除了感應(yīng)器技術(shù)本身外，對應(yīng)的影像處理器(DSP)也相當(dāng)重要。一款優(yōu)秀的影像處理器往往能有效提升感應(yīng)器的圖像品質(zhì)，對CMOS而言情況尤為如此--在這方面，索尼的“增強型影像處理器(Enhanced Imaging Processor)”頗值得稱道，該款芯片不僅具備強大的降噪能力，而且可以對輸出圖像作大量的精細(xì)化修正，例如可提升極暗及極亮的感光度、平衡光暗度、突顯影像層次感等等，具備強大的高動態(tài)范圍信號處理能力更是它的一大看點——如果采用傳統(tǒng)的信號處理器，那么來自CMOS感應(yīng)器豐富的高動態(tài)范圍信號就無法獲得及時處理，而索尼增強型影像處理器采用一套獨特的運算規(guī)則、將原始的影像信號分離成為“圖像信號”和“亮度信號”，影像處理器分別處理并加以合成，這樣就可以保證高動態(tài)范圍信號的快速處理。

　　四、總結(jié)

　　CMOS感應(yīng)器的流行給數(shù)碼相機(jī)市場增添了新鮮的血液，憑借卓越的技術(shù)力量，索尼公司帶來了一流的CMOS感應(yīng)器產(chǎn)品，并在數(shù)碼單反、高端消費相機(jī)以及數(shù)碼攝像機(jī)中獲得成功的運用。如前所述，CMOS除了可實現(xiàn)更出色的影像品質(zhì)外，還有利于降低數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)的成本以及功耗，加上CMOS在集成度方面更具優(yōu)勢，相應(yīng)的產(chǎn)品可以做得更小——例如HDR-HC1E便是目前最小的支持HDV 1080i格式的高清分辨率的數(shù)碼攝像機(jī)，CMOS感應(yīng)器起到最為關(guān)鍵的作用。在可見的將來，CMOS感應(yīng)器將發(fā)揮越來越重要的角色，而CMOS技術(shù)水平也將不斷提升，作為感應(yīng)器市場的領(lǐng)導(dǎo)者，索尼公司在CMOS領(lǐng)域的動向值得我們關(guān)注，相信不需要太長的時間，我們也將看到基于索尼CMOS的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。