cmos技术-CMOS大革命！影像传感器技术和市场现在是个什么样的状况？

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为什么谈CMOS

数字时代，摄影机、摄像机和照相机的技术原理都越来越类似，简单的讲无非是：1.获取以模拟信号形式存在的光波并数字化，这是影像传感器，也就是CMOS干的事。以前还有CCD，现在基本只在高端的广播级摄像机上才有，CMOS是比CCD更加简易的结构，技术壁垒更低，成本更低，良率更高，这也加速了现在影像传感器的高速普及。CMOS决定了影像的分辨率、原始宽容度、原始信噪比、帧率等等，可谓塑造了影像的“骨干”。2.影像处理器或者通用的DSPcmos技术，也就是各个厂家的：DIGIC、Bionz、VENUS、EXPEED、TruePic。这些花哨的名字背后其实就是一块DSP半导体芯片和可擦写的固件，这部分对CMOS传过来的影像数字信号进行处理和编码压缩，可谓修剪了影像的“形”。3.影像信号最后的出路要么是通过各种接口传输出去，要么是写入到各种存储卡或SSD中，或者在未来直接入云。以前的储存介质还有磁带和硬盘，这些带机械结构的存储介质已从影像主机上消失，这也进一步简化了影像主机的技术壁垒。上面任何一个话题都可以写一本完整的书，我们今天就先以CMOS为切入点，看看CMOS经历了哪些革命才发展到今天的现状。

先用数字与图表说话

艺术是令人感动的，技术是令人兴奋的，而数字是让人冷静下来理性思考的。本着这个原则，我们在探讨技术前先以数字说话，看看影像世界最为核心的CMOS市场都有哪些玩家？

2012年CMOS影像传感器市场份额（Source: Yole Developpement）

索尼是CMOS市场的传统领头羊cmos技术，只不过在2012年前后，索尼的领先优势并不明显，比老二老三多不了几个百分点。

2014年CMOS影像传感器市场份额（Source: Yole Developpement）

到2014年，得益于手机CMOS和微单/无反相机CMOS的增长，索尼和三星都在市场份额上取得了进步，分别增加到27%和19%。索尼在2013年开始加强微单产品线，并着重发力全画幅微单。彼时三星在数码相机市场上也是雄心勃勃，于稍后的2014年发布了当时最强的NX1无反相机。它采用了世界首款2800万像素背照式APS-C感光元件，并支持最高15fps连拍和H.265格式4K视频拍摄，单次充电可拍摄最多500张照片，远超其他竞争对手。

2015年和2016年CMOS影像传感器市场份额（Source: Yole Developpement）

2015年和2016年见证了索尼CMOS市场份额的飙升，几乎是增长到2012年的两倍！达到了创纪录的42%，也就是几乎占据了全年116亿美金市场份额的一半，接近49个亿美金。一方面索尼的手机CMOS出现在了几乎所有手机厂家的旗舰型号上。另一方面，索尼微单产品线也在全球数码相机市场下降的大趋势下逆流而上，不断增长。同期的其它厂家似乎都不怎么好过，曾经雄心壮志的三星放弃了相机业务，但凭借出售CMOS依然保持着老二的市场份额。在巅峰时期占据9%市场份额的佳能跌的厉害，降到3%，和松下尼康保持在同一水平，基本上也就自产自用了。

这一上一下，索尼也算是创造了市场“奇迹”

CMOS所在半导体行业是一个很特殊的行业，研发生产的成本比其它行业高很多，技术壁垒也高，特别容易产生巨头垄断，强者越强，弱肉强食，CPU行业的Intel就是一个明显的例子。所以，未来CMOS市场大概是个什么状况，大家心里也基本有谱了。索尼一方面因极高的销售额会投入大规模的研发资金，保持自己的技术领先地位，“黑科技”会层出不穷。另一方面，具有准垄断地位的索尼在价格方面也就具备了更大的话语权，微单这几年杠杠的价格就侧面说明了这一点。对于消费者，这到底是好消息还是坏消息？！

再谈谈技术，看看索尼CMOS这几年是如何练就葵花宝典的？

在2007年索尼发布了首款Exmor成像器，最大变化是每列像素内置了模数转换器（ADC）。传统方式是每列像素产生的信号汇聚以后再传输到单个或数个ADC之中。而Exmor每列像素拥有独立的ADC，可以分布式地完成模数转换，而且不用像传统的ADC那样高负载，可以在低频率下运行，有效减少了噪声，提高了信噪比。而且Exmor输出的是数字信号，抗干扰性更好，降低了传输过程中噪声产生的可能性。

传统CMOS（左）与每列像素内置ADC的ExmorCMOS（图片来源索尼半导体）

ExmorCMOS被用在了15年发布的A7R2之前的所有全画幅微单型号上，包括A7一代二代，A7S一代二代，A7R一代。在专业摄像机和摄影机领域，这个成熟的ExmorCMOS技术应用最多，除了新发布的一英寸成像器摄像机采用下一代技术，其它几乎全部是Exmor，包括大家耳熟能详的HDV、NXCAM、XDCAM和FS系列机型。

2008年索尼推出了采用背照式技术的Exmor R成像器。传统成像器的拜尔阵列滤镜与光电二极管间存在大量金属连线，阻隔了进入成像器表面的大量光线。在背照式结构下，金属连线转移到光电二极管的背面，光线不再被阻挡，光电转换效率大大提高。

传统CMOS（左）与背照式ExmorRCMOS（右）（图片来源索尼半导体）

ExmorRCMOS最初先应用在手机成像器中，后来面积越做越大，做到了1英寸，开始应用到民用的黑卡和专业的单片摄像机上。2015年索尼推出了A7R2，采用有效像素约为4240万，35mm全画幅Exmor R CMOS背照式成像器，取消了低通滤镜功能，实现记录更出色分辨率和清晰度的高品质影像。在背照式设计的基础上还加入无隙芯片镜片技术和纳米抗反射涂层，从而提高了成像器的光线收集效率，实现了高分辨率、高感低噪和高动态范围。A7R2还采用了铜布线技术，与铝线相比，铜线的导电电阻大约低40%，让芯片运行速度提高15%，可靠性大大提高。

传统铝布线CMOS（左）与铜布线背照式ExmorRCMOS（右）（图片来源索尼）

在2012年索尼发布了堆栈式（Stack）结构的CMOS，将其命名为Exmor RS。上一代背照式结构将滤镜与光电二极管之间连线转移到光电二极管背面，但光电二极管周边依然存在大量电路。于是堆栈式结构将这些电路转移到光电二极管背面，进一步提高了成像器表面的采光面积。而且这种新结构可以降低生产难度，把像素层和电路层两块不同工艺、不同类型芯片单独生产然后再贴合。

传统背照式ExmorRCMOS（左）与堆栈式ExmorRSCMOS（右）（图片来源索尼半导体）

Exmor RS依然先小再大，先从1英寸的RX100四代和RX10二代开始使用（包括最新的RX0）。后来又用到全画幅的A9上，通过Exmor RS拉开了9系和7系的差距。

前面讲到ExmorRS的新结构可以把像素层和电路层分开，这在意想不到的方面又开了一扇窗，这就是在两层之间加入缓存层。新增加的缓存层可以把像素层光电二极管读取的信号直接读取并缓存，这大大提升了CMOS的读取速率。

堆栈式ExmorRSCMOS（左）与加入DRAM层的三层堆栈式ExmorRSCMOS（图片来源索尼半导体）

加入DRAM层的索尼三层堆栈式CMOS横断面（图片来源索尼半导体）

三层堆栈式CMOS带来至少两方面的好处：一是可以提高单帧画面的读取速度，这是摄影中高速连拍的基础，也为视频拍摄中降低果冻效应打好基础。另一方面，如果缓存容量足够大，超高速拍摄将会更加简单。

（图片来源索尼半导体）

索尼3层堆栈式CMOS成像器超级慢动作效果

视频时长1分38秒，请自主选择WIFI下观看

三层堆栈式Exmor RSCMOS在A9中的应用偏向摄影，在电路层与像素层之间新增一层，不仅有内置高速信号处理电路因而在规模和功能方面可以得到大幅增强，还有内置的集成内存可以短时间存储产生的大量数据，读取速度相比前作提升约20倍。

A9的三层堆栈式Exmor RSCMOS

三层堆栈式Exmor RSCMOS在黑卡系列的应用偏向视频，使得黑卡系列获得了“速度大师”的美名。