当你打开相机,光线穿过镜头投射到感光传感器上,变成电信号,经过模数转换器以及放大器转变为数字图像,再到图像处理器中加工处理,图像就呈现在了屏幕上。再按下快门键,就变成了我们相册里的一张相片。
光电效应
德国物理学家赫兹发现了光电现象,而爱因斯坦提出了正确的解释。简单来说,光照到金属时会有电子向外逸出,这就是光电效应。光信号会带来电信号的改变,如此一来光就变成了电,人们利用这个原理发明了感光元件。我们熟知的感光元件有CCD和CMOS,本期就来讲一讲其中之一的CMOS。
CMOS
互补金属氧化物(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)的缩写,就是CMOS。CMOS本质上就是一块芯片,在计算机领域,它作为主板上一块可读写的RAM芯片,用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。在数字影像领域,CMOS作为一种低成本感光元件技术被发展出来。市面上常见的数码产品,其感光元件大部分都是CMOS。除了这两方面,它还被用于专业的集成电路与设计制造领域。
底大一级压死人
CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件,单说CMOS,有些人可能会觉得有点陌生。但在摄影圈里有这么一句流行的话,相信不少人都听过,那就是“底大一级压死人,一寸大底一寸金。”这句话里的“底”指的就是感光传感器CMOS。
忽略算法和其他一些因素,这句话可以说是对的。CMOS的尺寸的确是越大越好,尺寸大小决定了有多少光被捕捉,尺寸大,就意味着更大的感光面积,可以显著提升暗光下的成像质量。举个简单的例子,当你眯起眼睛时看到的风景和睁大眼睛时看到的风景哪个更好?毫无疑问是后者。CMOS上有非常多的微小光敏物质感光元件,每个元件都被称为一个像素,CMOS尺寸越大,像素越多。像素越多自然越好,但一个尺寸下达到一定数量后,再继续增加像素的数量就是没有意义的。这样会导致单一像素的面积变小,面积越小对光线的色彩等信息的判断就越不准确。而同等像素下,尺寸越大,单一像素的面积也就越大,感光的能力就会越强。当然,光因为底大就说这个摄像头好,那就是“耍流氓”。CMOS需要与合适的影像处理器(ISP)、光学镜头以及ai算法相配合,才能有最好的成像效果。
CMOS的种类
目前市场上的CMOS分为三种结构:前照式(FSI)、背照式(BSI)以及堆栈式,也可叫做积层式(Stack)。传统的cmos主要由以下几个组件构成:
1、微透镜(microlenses):在每个cmos物理像素上极小的透镜,作用是汇聚光线。
2、彩色滤光片(colorfilters):因为CMOS上的光电二极管只能感受光线的变化,但无法感受颜色,所以其捕捉的图像类似于黑白照片。为了让相机能拍出彩色,我们会在CMOS上覆盖彩色滤光片来区分颜色。它将射入光的颜色以RGB的模式分解,我们有时能听到的拜耳(bayer)排列、RGGB、RYYB等就是这些滤镜的排列方式。(关于排列会在之后的文章中讲解)
3、金属排线:一般来说会有多层排线,用于传输信号。
4、光电二极管:简单来讲就是像素,是一种将光转换成电流或电压的光电探
测器,也就是CMOS中的感光部分。
传统的前照式结构下,光线经过微透镜和彩色滤光片后,会先从光电二极管前方的金属排线之间进入,再聚集在光电二极管上。这种结构就导致金属排线会阻挡和折射部分光线,光电二极管吸收和利用的光线会变少到70%甚至更少,甚至金属排线造成的反射还有可能会串扰旁边的像素,导致颜色失真。因为前照式的这个缺点,背照式结构诞生了。与前照式的不同在于其金属排线的位置在光电二极管下方,因此光线几乎没有受到干扰就到达了光电二极管,极大地提升了光线利用率,最明显的改善就是提升了暗光下的成像质量。
前文讲到的前照式和背照式,都属于非堆栈式结构。堆栈式cmos首先由索尼应用在了ExmorRS上,它的体积更小,功能和尺寸甚至还更佳。其实,它诞生的初衷并不是为了缩小体积。因为CMOS与cpu一样,需要用光刻机在硅片上进行蚀刻,形成像素区域和处理电路区域,前者是蚀刻像素的地方,后者是管理这些像素的控制电路。
这两个区域在一个硅片上,而像素区域的制造工艺可以使用65nm的制程,与其在一起的处理电路区域也会使用同样的制程。但是对处理电路的区域来说65nm的制程是不太够用的,使用45nm的制程会更好。不过一个硅片上无法使用两种制程,因此便将处理电路区域和像素区域分开,用两个硅片使用不同的制程制造,再堆叠在一起,这样就形成了堆栈式CMOS。这样做不仅提升了像素区域的大小,还增强了处理电路的性能,更是减小了摄像头的体积。
最后
本篇CMOS就此告一段落,关于文章中提到的RGGB、RYYB等排列是什么,另一种感光传感器CCD又与CMOS有什么不同,我们会在接下来的文章中详细讲解。
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