感光元件雜談 part-2 @ 咚拍拍嘻拍拍

今天在網路上找尋有關 BIRTV 的相關報導，逛 Sony China 網站上看到了一篇探討關於感光元件演進過程的文章。

以下為轉貼文（經簡轉繁處理）

Sony自2007年歲末推出了XDCAM EX系列的第一款攝錄一體機PMW-EX1。PMW-EX1一經問世，立刻在業界引起了前所未有的關注，因為使手持式攝錄一體機的圖像質量有了質的提升和飛躍。可以說PMW-EX1在手持式攝錄一體機中進行了一場革命，是手持式攝像機發展過程中的一個里程碑。

在SD時代，1/3英寸的手持式攝像錄一體機可以拍出令人滿意的圖像。但在HD時代，小尺寸成像器就嚴重制約了圖像質量的提升，成為圖像質量提高的瓶頸。為甚麼？因為所謂高解析度圖像，首先其分辨率就要達到1920x1080，即使是小高清HDV也要達到1440x1080或1280x720，是SD像素的3倍以上。所以同樣尺寸的感光元件，作為SD感光元件時每個像素的感光面積比作為HD感光元件時多的多。從而同樣尺寸的感光元件，作為SD感光元件時的靈敏度要比作為HD感光元件時的靈敏度要高的多。所以，1/3英寸的感光元件在SD時代能拍出很好的圖像，如Sony的DSR-PD170，其最低照度要求為1.5lx。但在HD時代，採用1/3英寸感光元件的攝像機靈敏度就顯得差強人意了，目前來講最低照度要求都在3lx或更差。大家知道，在PMW-EX1問世以前，手持式攝像機領域長期以來採用的最大感光元件尺寸只有1/3英寸。因此，長期以來手持式攝影機的圖像質量沒有甚麼大的提升，沒有質的變化。而PMW-EX1的出現徹底改變了手持式攝錄一體機的狀況。

那麼為甚麼多少年以來沒有廠家在手持式機器上使用1/3英寸以上的感光元件呢？其實不是廠家不願意，而是技術上一直沒有過關。大尺寸的感光元件，尤其是 CCD，功耗很大，用在手持式攝錄一體上，散熱問題無法解決，而且因散熱問題導致的大量圖像噪訊也無法解決。所以1/3英寸以上的感光元件一直都只能用在肩扛式的大機器上，而與手持式攝影機無緣。而Sony一直在努力解決這個問題。 Exmor CMOS感光元件技術是Sony多年來CMOS成像技術研究的結晶。它成功地降低了功耗並且大幅度提高了信噪比。Sony在PMW-EX1上第一次使用了 Exmor CMOS技術，從而使PMW-EX1成為了第一款使用1/2英寸感光元件的革命性的手持式攝影機。而正因為採用了Exmor CMOS技術，XDCAM EX才有了眾多的革命性突破，比如說每片CMOS的有效像素達到1920x1080（非插補），且靈敏度達到F10，最低照度要求僅為0.14lx；水平解析度超過1000條電視線等等。

自從CCD感光元件發明之日，Sony就開始致力於CCD感光元件的開發和研究。當時由於其技術複雜，很難商業化，很多攝影機廠商放棄了對CCD的研究。而Sony當時就認識到CCD的誕生將意味著真空管感光元件時代的結束，新的成像時代的開始。從而Sony繼續對CCD感光元件進行漫長而艱辛的研究和開發，最終於1979年推出了第一款商業化CCD。繼而為民用視頻、安防攝像機和廣播級視頻開發了不同檔次的成像器產品。目前Sony已經成為全球高質量成像器的第一生產商。

CMOS最早是用在計算機CPU和內存上的，是主板上一塊可讀寫的存儲芯片，用於存儲計算機系統的時鐘信息和硬件配置信息等。隨著CMOS技術的發展，CMOS也逐漸應用到攝影機系統中作為成像器，也就是CMOS感光元件。由於CMOS感光元件採用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，從而繼承了CMOS低功耗，小型化的特點，非常適用於小型的手持式攝像機。相對於CCD，CMOS 具有沒有垂直拖尾、讀取速度快，容易進行功能擴展、功耗小等優勢。

幾十年來，CCD都是高質量成像器市場的主導，而CMOS成像器一直只能用於民用產品之中，如電腦攝像頭，收集攝像頭。因為長期以來，CCD較CMOS具有明顯的高信噪比、高靈敏度、沒有幾何失真等優點。但是近幾年來CMOS技術的發展使得CCD與CMOS的差距越來越小，尤其是ClearVid CMOS技術和Exmor CMOS技術的出現。目前，Sony專業CMOS已經在從專業個人視頻到廣播級攝像機得到了廣泛而成功地應用。比如說，革命性的XDCAM EX系列產品就是由於Exmor CMOS技術的使用。

下面簡單介紹一下Exomr CMOS技術。

圖一：傳統CMOS結構
如圖一，在傳統CMOS感光元件中，只有一個A/D模數轉換器將CMOS感光元件的最終信號轉成數字信號。而在之前感光元件的所有微線上的信號都是模擬信號。這些模擬信號在傳輸過程中極容易感染高頻噪聲，從而降低圖像質量。

圖二：Exmor CMOS結
為瞭解決模擬信號感染噪音的問題，Sony工程師經過多年的研究，最終成功地在CMOS感光元件的每列都集成了一個A/D模數轉換器。XDCAM EX攝像機的每片成像器都具有1920(H)x1080(V)個有效像素，也就具有1920個A/D模數轉換器。這個技術就是所謂的Exmor技術。

如圖二，Exmor CMOS技術極大地抑制了噪音，因為信號在每列的時候就被轉成了數字信號。眾所周知，數字信號比模擬信號抗噪音感染的能力要強得多。在模擬信號中，基本上不可能分辨出哪些是需要的信號，哪些是不需要的信號（噪音）。相反，在數字信號中很容易做到這一點。總之，在每列像素都安置一個A/D模數轉換器，極大降低了噪聲感染，從而極大地提高了信噪比。