卓越影像的魅力

　　文/张健浪

　　索尼高端CMOS感应器技术引领未来

　　作为数码相机、数码摄像机产品的核心，影像感应器对产品的成像品质有着决定性的影响。而感应器领域一直存在CCD和CMOS两大体系，其中CCD为绝对主力，目前市场上所有的 消费类相机都是采用CCD感应器，为影像感应器中的绝对主流，在该领域占据主导地位的便是索尼公司。而CMOS感应器的应用状况非常有趣，它在占据极少数低端数码相机和摄像头的同时、也在专业的数码单反市场占据主导优势，并成功地压缩CCD感应器在数码单反市场的生存空间。

　　看到CMOS感应器存在的潜力，索尼很早就投身于CMOS感应器的开发，经过多年的努力，索尼在05年初正式将自己的高端CMOS感应器芯片率先用于PC1000E便携数码摄像机，随后又应用在HDR-HC1E高清HDV数码摄像机产品中，由此宣布索尼全面进军CMOS感应器市场！而更引人注目的成果是索尼推出千万像素规模、APS-C规格的大尺寸CMOS感应器，并用于索尼DSC-R1高端消费相机以及其它品牌的高端数码单反相机产品中，此举意味着索尼CMOS感应器真正进入到高端市场。2006年1月，索尼接着推出创新设计的“ClearVid CMOS Sensor”新一代CMOS感应器芯片，无论是自身的技术实力还是产品

竞争力都向前迈进了一大步。

　　一、认识CMOS与CCD感应器

　　在介绍CMOS技术之前，我们有必要了解CMOS与CCD之异同。CMOS的全称为“Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补型金属氧化物半导体)”，它是一种常规半导体器件、生产方式与CPU、GPU和内存芯片并没有多少区别。CCD (Charge Coupled Device，电荷耦合器件)其实也是半导体器件，但它的结构比较特殊，难以用常规方法生产。而在基本的影像捕获原理上，这两者其实没有什么差异，都是采用感光元器件作为影像捕获的基本手段，而它们所用的感光元件也都是相同的感光二极管(photodiode)，在拍摄数码照片或者数码影像时，物体的光线会照射到CCD或者CMOS感应器上，而感应器中的感光二极管在接受光线照射后会产生相应的电流输出，且电流强度与光照强度一一对应。这样，CMOS和CCD便完成了光信号到电信号的改变，再经过DSP的合成、处理，便能够生成一幅幅以数码格式存储的图像或动态影像。不过，虽然CMOS与CCD感应器的基本原理都相同，但两者的逻辑结构、物理设计以及详细工作流程却有极大的差异，也正是这些方面的差异导致CMOS与CCD呈现出截然不同的性能特点。

　　二、CMOS感应器的技术优势

　　由于存在捕获光信号能力差、图像分辨率较低以及噪声严重这三方面缺陷，导致早期CMOS感应器很难与CCD相提并论、而只能停留在摄像头市场。但这些缺陷并非不可克服，且CMOS感应器在制造难度和成本、芯片集成度以及功耗等方面都拥有自己的技术优势：

　　1，CMOS感应器更容易制造、成本也远低于CCD产品——CMOS感应器采用标准的CMOS半导体芯片制造技术，很容易实现大批量生产，加之CMOS的每个感光元件相互独立，即便有若干个元件出问题、也不会影响感应器的完整性。而CCD感应器采用电荷传递的方式传送电信号，只要有其中的一个感光元件无法工作，信号传输将无法继续，一整排的图像信号将因此缺失，情况严重的话将导致整枚感应器芯片将因此报废。显然，CMOS的成品率要比CCD高出许多，这就决定了CMOS在制造成本方面拥有绝对的优势、其售价可做到只相当于同级CCD的三分之一左右。

　　2，CMOS感应器可轻松实现较高的集成度。由于采用半导体工艺制造，厂商可以将时钟发生器、DSP处理芯片等周边电路与CMOS感应器本身整合在一起，从而实现整个图像捕获模块的小型化，也有效降低OEM客户的设计难度，同时设计出体积更小的图像捕获装置也就成为可能——其中，CMOS被广泛用于拍摄手机的微型摄像头中便是一个最佳例证。而CCD感应器就无法实现这一点，由于制造工艺不同，CCD感应器本体与周边电路无法整合，后者必须以独立的形式存在，平台设计难度大、也无法实现整个模块小型化，伸缩弹性远无法与CMOS相比拟。

　　3，CMOS感应器采用主动式图像采集方式，感光二极管所产生的电荷直接由晶体管放大输出，这种做法虽然导致严重的噪声，但也令CMOS感应器拥有超低功耗的优点。而CCD感应器的图像采集方式为被动式，必须借助外来电压才能让每个感光元件中的电荷移<!>动，这个外加电压的强度通常都达到12～18V，此举也导致CCD感应器在工作中需要耗费较多的能源(最高可达同规模CMOS感应器的十倍之多)，发热量也明显高于CMOS产品。由于需要外来电压，CCD感应器也就需要包括Power IC在内的电源管理电路，设计难度也远高于CMOS产品。

　　综上所述，CMOS感应器在制造成本、功能集成、功耗特性等三方面对于CCD有绝对的优势，而CCD则在捕光灵敏度、像素规模及噪声控制等方面完全优于CMOS。在相当长的一段时间内，CMOS与CCD都保持这样的特性相安无事，两者都在各自的领域高速成长。但随着时间的推移，这样的格局开始出现了变化——在过去数年间，CMOS感应器的成像品质获得飞跃性的提高、大尺寸高端产品达到与CCD相当的水平，中小尺寸产品的品质也得到明显的改善，被主流数码相机采用指日可待，而这一切便得益于CMOS感应器领域出现的技术提升：1)通过增大感应器尺寸、增强相机的光学输入能力，成功解决了CMOS感应器捕光灵敏度弱和分辨率较低的难题--虽然大尺寸CMOS成本较高、但CMOS的低成本优势很好弥补了这一缺陷；2)CMOS感应器噪声较为严重，各厂商通过对放大器逻辑进行改进、引入专门的降噪技术等措施很好地缓解噪声现象，最终使之达到不逊于CCD的高水平。

　　三、革命性的突破

　　深入了解索尼CMOS感应器技术

　　作为全球最有影响力的CCD厂商，索尼进入高性能CMOS感应器领域并不让人感到意外，毕竟随着技术的进步，克服CMOS存在成像品质差、噪声高等问题都可以得到一一克服。目前在高端数码单反领域，CMOS感应器获得相当成功的实践，终端用户对CMOS也颇为认可，且CMOS低成本、高集成度、低功耗的优势也获得充分体现。虽然在该领域索尼不占先机，但凭借感应器领域深厚的技术积淀以及创新能力，索尼最终打造出一流品质的CMOS影像感应器产品，且应用范围从数码相机拓展到数码摄录机领域，而终端用户对这些产品的评价都甚为积极。

　　在提高CMOS光信号灵敏度方面，索尼采取双管齐下的方案、在努力提高CMOS开口率(开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值)的同时，增大感应器尺寸。提高开口率的途径很简单，就是将周边电路占据的面积尽可能缩小、从而增大感光二极管占据的面积比例——索尼的技术改进卓有成效，将CMOS感应器的开口率提高20%，动态范围提高56%，捕光能力明显优于常规型CMOS产品。尺寸方面，索尼针对高端数码相机的CMOS感应器直接动用APS-C(21.5x14.4mm)尺寸，在获得卓越光信号获取能力的同时，将成像规模提高到1080万像素！在这两项措施的共同作用下，索尼CMOS感应器达到极高的输出品质：在同等光线条件下，索尼CMOS每个像素点的感光能力是普通CCD的5倍。因此在低照度下图像噪点更低、灵敏度高，同时也可以支持更高速的快门速度，减小因为抖动而带来的对拍摄的影响！索尼在05年下半年推出的高端消费旗舰DSC-R1机型便采用该类型的CMOS感应器，相比上一代的DSC-F828机型，DSC-R1在大尺寸输出时图像清晰锐利，足以满足一般出版和印刷的需要。

　　在降低图像噪音方面，索尼CMOS技术也表现得令人满意。以其他厂商光从后期处理修补的方式不同，索尼采用四通道传输技术来解决问题——常规CMOS感应器都是在模数转换工作完毕后，将红、蓝、绿、绿四个像点合成为一个像素作输出，而索尼四通道传输技术则不是如此：每个像素中的红、蓝、绿、绿四个像点的数据以独立的四个通道形态传输给DSP处理芯片，DSP接收到这些像点后、会首先对每个像点作专门的降噪处理，之后才将它们合成为一个完整的彩色像素——这项技术也被索尼称为“像素级精细处理”。得益于该项技术，索尼DSC-R1数码相机拥有更杰出的噪声控制能力，即便是在ISO800的高感光度模式下拍摄，相片中的噪点明显小于采用类似技术规格CCD感应器的机型。四通道传输还有一个额外的优点就是：四路并行的优势让CMOS到DSP的数据输出速度比常规方案快出四倍，令相机的响应速度更快、画面抓拍更及时！此外，常规型CMOS感应器在水平驱动频率提高之后，耗电量会出现一定的提升、信噪比则出现明显的下降，而索尼的4通道CMOS也有效避免了这一缺陷，在水平驱动频率达30MHz时，该款CMOS感应器仍可以保持出色的图像输出品质。

　　2006年1月，索尼接着推出被称为“ClearVid CMOS Sensor”的改良型CMOS感应器。同第一代技术相比，ClearVid CMOS Sensor的主要改进就在于像素点的安排——之前索尼CMOS/CCD感应器都采用规则的矩形排列，而ClearVid CMOS Sensor则在传统CMOS的像素排列基础上将像素点的方向旋转了45度，此举的好处就在于可以在不影响影像品质的前提下，大大提高了灵敏度。ClearVid CMOS Sensor首先针对的是数码摄录机市场，但进入到高端消费相机和数码单反市场只是迟早的问题！也许你认为消费机采用的CCD已经足够好了，但CMOS在成本和功耗方面都有很大的优势，如果在消费机中引入CMOS感应器，那么用户将能买到价格更低、拍摄时间更长的相机，积极意义显而易见。

　　除了感应器技术本身外，对应的影像处理器(DSP)也相当重要。一款优秀的影像处理器往往能有效提升感应器的图像品质，对CMOS而言情况尤为如此--在这方面，索尼的“增强型影像处理器(Enhanced Imaging Processor)”颇值得称道，该款芯片不仅具备强大的降噪能力，而且可以对输出图像作大量的精细化修正，例如可提升极暗及极亮的感光度、平衡光暗度、突显影像层次感等等，具备强大的高动态范围信号处理能力更是它的一大看点——如果采用传统的信号处理器，那么来自CMOS感应器丰富的高动态范围信号就无法获得及时处理，而索尼增强型影像处理器采用一套独特的运算规则、将原始的影像信号分离成为“图像信号”和“亮度信号”，影像处理器分别处理并加以合成，这样就可以保证高动态范围信号的快速处理。

　　四、总结

　　CMOS感应器的流行给数码相机市场增添了新鲜的血液，凭借卓越的技术力量，索尼公司带来了一流的CMOS感应器产品，并在数码单反、高端消费相机以及数码摄像机中获得成功的运用。如前所述，CMOS除了可实现更出色的影像品质外，还有利于降低数码相机和数码摄像机的成本以及功耗，加上CMOS在集成度方面更具优势，相应的产品可以做得更小——例如HDR-HC1E便是目前最小的支持HDV 1080i格式的高清分辨率的数码摄像机，CMOS感应器起到最为关键的作用。在可见的将来，CMOS感应器将发挥越来越重要的角色，而CMOS技术水平也将不断提升，作为感应器市场的领导者，索尼公司在CMOS领域的动向值得我们关注，相信不需要太长的时间，我们也将看到基于索尼CMOS的产品不断涌现。