前照式、背照式和堆栈式感光器的区别
夏昆冈 于 2013.08.17 10:07:34 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:09.61/1249

经常看到手机、卡片相机的宣传中提到一个很时髦的词“背照式”,而最近半年又出现了一个更时髦的词汇叫“堆栈式”,它们都与感光器的结构有关,那么它们代表了什么意思呢?

  • 先说说最古老的的感光器的感光单元结构,它从上至下的层分布为微透镜、色彩滤镜、金属连接层、基板的受光面,这种结构存在一个问题,它的金属连接层会形成一个坑,从而限制了入光角度,它像一口井,而受光面在井底,因此这个结构被俗称为了“像素井”。井越深,井底的光线就越少,因为斜射的光线难以照射到井底,因此位于井底的受光面受光效率是不高的。针对这种不足,有过很多补救的方法,最常见的就是改良微透镜,让光线均匀的折射到井底,但这些设计始终是实际效果低于预期。

    • 注:每一个像素对应一个感光单元。
  • 对老结构改良的结果就是出现了背照式,对应的英文是Backside illumination,缩写为BSI。它的结构特点是将金属连接层放置到了基板的下面,这样一来,井消失了,起码井变浅了。它直接的好处就是可以接受更大角度的入射光,受光效率获得了质的飞跃。这种设计理论上可以显著的提高成像质量,而实际应用,在高感光度方面相对确实有很大的进步。 既然这种叫Backside illumination,那以前的就叫Frontside illumination,缩写FSI,中文名词为前照式。

  • 以为背照式就算登顶了吗,非也。感光单元的基板上不全是受光区,还有相当大的面积是电路板。很显然,如果移除电路板,受光区就可以更大,于是新的设计就是将电路板放到受光区下面,形成堆叠的结构,这种设计,叫做Stacked,中文名叫堆栈式。它可以显著的增加每个单元的受光面积,面积越大,受光也就越多,代表输入信号也越强。但厂商更乐意将这种技术用到提高像素方面,因为即便缩小感光单元,受光面积依然可以保持不变,意味着画质不会下降,同样规格的感光器上可以放置更多的感光单元,从而提高了像素密度和总像素数量,第一颗堆栈式感光器的总像素达到了1300万,而画质也有了显著的提升。从结构上说,堆栈式应该属于背照式的一种。

    从前照式到背照式,再到堆栈式,这种结构的进化就能带来成像质量的进步,结合其他技术,例如更高级的制造工艺更好的透镜设计等,小型感光器的进步可以用“飞跃”二字形容。我们最近测试的几款基于堆栈式感光器的手机,均提供了相对突出的画质,尤其是三星Galaxy S4表现出众。

    为什么只是小型感光器受益?去查阅单反、微单的宣传资料,几乎没有提及背照式、堆栈式什么的,这也让很多人反过来觉得手机、卡片机上的这些XX式都是忽悠。这是认识误区。

    其实与像素密度有关,像素密度越高,结构改进的效果就越突出。小型感光器的像素密度远远高于各种“大底[大面积的感光器]”,感光单元非常小,它的像素井井口狭窄,它的基板上的受光区占比小,因此通过这些结构改造,可以获得立竿见影的效果。大型感光器的像素密度低,感光单元面积大,像素井问题、受光区占比的问题都变得不那么突出,因此将背照式、堆栈式的技术运用技术,并无法获得像小型感光器那么显著的效果,对于大型感光器,提高制造工艺等其他方法也许更加行之有效。不过,随着新一轮的像素大战开打,这些技术会很快出现在各种大底上。

  • 索尼RX100 II,采用1英寸规格的Exmor R CMOS感光器,在索尼的感光器命名规则当中,R代表的就是背照式,这应该是第一款采用背照式设计的大底,因为它的总像素达到了2020万,感光单元面积要远远小于主流的大底,新的结构设计就有了用武之地。

    前一代RX100同样采用1英寸感光器,像素密度也相同,主要区别是前照式。通过对比两者的差别,可以感受到背照式的进步。国外的一些测试显示,RX100 II的背照式感光器获得了一些明显的进步,但还称不上质变。

    总结和展望

    • 堆栈式结构优于背照式
      背照式优于古老的前照式
      背照式和堆栈式都是结构优化
      结构优化的结果就是更高的受光效率或面积
      像素密度越高、感光单元面积越小,受益越明显

    随着去除低通滤镜的设计风潮兴起以及诺基亚PureView这类无损数字变焦技术的出现,还有普通消费者对高像素的盲目崇拜,使得高像素的需求也越来越大,因此背照式、堆栈式这种设计会越来越多的出现在各种变态高像素的大底上,这些技术也会闪烁出更灿烂的光芒。

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