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【新技研】有FAB不一定就是真男人——佳能的工艺之殇

关键中的关键——微透镜

传统胶片依靠单纯的化学反应实现感光,感光部分的整体剖面是一个平面,入射的光线除了表面的反射损耗以外,大部分光都能被利用到。而CCD/CMOS传感器原理和结构复杂得多,像素的概念实际是最小感光单元意思,数码相机的传感器上,每一个感光单元构造就像一口深井:

【新技研】有FAB不一定都是真男人---佳能的工艺之殇
从侧面剖开传感器,就是这个样子

像素结构剖面,这就是一口井,入射光经微透镜汇聚,穿过单色滤镜,才能到达像素点,在D4的传感器中,这一路径长度为9.6微米(D4像素这口深井,深度为9.6微米),D800则只有7微米。

可以看到,整块传感器中很多部分其实并不参与感光,加上同样存在的表面反射和内部电路阻挡,入射光的效率会降低到40%。提高入射光的效率是各大厂商奋斗的目标,光的利用率提升了,色纯、动态范围,高感光性能都可以获得提升。

【新技研】有FAB不一定都是真男人---佳能的工艺之殇
红框框里面才是每个“像素”真正的大小

现在以chipworks提供的尼康D4传感器图片作为案例,标明Pixel的红方块就是CMOS中真正可以感光的区域,四周的T1、包括VSS,都是辅助用的晶体管或者接口的位置,对比蓝框和红框会发现,一个像素所在的区域中,很大一部分面积无法用来感光,这是巨大的浪费。传感器厂商很早就意识到这一问题,纷纷使用微透镜将射到图内红蓝框之间区域的光汇聚到像素这口深井中。

【新技研】有FAB不一定都是真男人---佳能的工艺之殇
电子显微镜下D600 CMOS的微透镜

每一次微透镜改进,对传感器性能都能有不小的提升,佳能从500D到550D的升级文档曾经就描述过这一提升:

【新技研】有FAB不一定都是真男人---佳能的工艺之殇

过去500D的传感器中微透镜之间是有间隙的,同时光路比较长使得光路只能覆盖像素点的中央区域(开口太小),效率极低;在550D中微透镜间不再有间隙,光路也更短,覆盖了整个像素区域,入射光效率得到了大幅提升,直接剿灭了因为500D闹得沸沸扬扬的“像素提升会带来画质下降”的说法。

【新技研】有FAB不一定都是真男人---佳能的工艺之殇

DXOmark的数据忠实的记录了这一改进,500D因为像素大幅提升导致的发色数下降,在550D/600D上得到了修正,高感光性能也着实提高了一档,只是,动态范围仍未改善。

【新技研】有FAB不一定都是真男人---佳能的工艺之殇

同一时期,尼康相机传感器由CCD转向了CMOS,低端传感器的工艺也从350纳米时代推进到了180纳米。我们在对比尼康相机数据是惊奇的发现,半导体工艺的升级给尼康传感器的三大指标带来了稳步提升,并且远远超过了佳能传感器的表现,难道微透镜不仅仅是覆盖率和开口大小的问题?

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