关于CMOS的技术改进路径

来源: 2012-04-30 10:07:56 [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读:

最近的一些读书报告,收集起来科普一下,供讨论。

CMOS画质由两个因素决定:一是光电转换效率QE;二是信噪比SNR。

QE目前佳能最高的是S100的那片CMOS,QE达到53%。5D2和5D3的好像在48%左右。

 

在QE越来越接近量子极限后,目前对ISO100画质影响最大的是信噪比。这里Sony/Nikon和佳能的技术途径是下面两个时期:

第一阶段:从2000年代起,尼康,佳能在外部ADC电路设计下,SNR的技术天花板已经到头,毕竟外部读出电路有电磁干扰,温度噪声这一系列的白 噪声,噪声地板和CMOS的逐行读出方式决定了噪声电平和起伏(banding)。这时能做的就是提高信号电平,就如同在安静的室内可以听到人的低语,进 入闹市就得提高声音来喊才能让对方听清。这个阶段的解决方案就是增大像元尺寸,提高光子收集数量来提高信号读出电平。

这个思维方式导致的就是用无缝透镜,背光电路(把电路元件移出到光电转换面的后面)这一系列的工艺改进。但这个思路的症结就是害怕高像素导致的像元 尺寸缩小。提高像素密度在这个时代是个当然的死胡同。如果按照这个电路设计水平,超过24MP的像素就会严重降低采光面积,降低信号电平,导致弱光性能下 降。

第二阶段:Sony的EXMOR CMOS采用的片上ADC,缩短了CMOS到ADC的读出线路,没有了外部电路的干扰,读出噪声电平马上降低了整整一个数量级。这就好比人从喧闹的闹市走入安静的室内,轻声说话都可以清晰可辨。

之所以叫这一代是技术革命就是改变了过去12年多佳能尼康的传统思路,降低读出噪声后对信号电平的依赖就弱化了很多。这就造成Sony敢于在APS上用24MP,而全幅上用36MP,他们不怕信号电平低,而且片上ADC的读出噪声特征非常一致,消除了banding。

这两个不同的解决方案可以说是thinking out of box(跳出常规的思考)。当一个技术途径走到头后不再拘泥于榨干最后一点工艺进步,而干脆从另一头来找解决办法,结果就是导致了今天CMOS技术的大幅 度进步。过去新一代机身有半档到一档的进步就很了不起了。但一旦换用新思路,这个2.5档以上的飞跃就改变了过去每代机型的数量上的渐近从而带来了质量上 的飞跃。