key visual 1

Origin
原点

敢于走前人未曾踏足的“荆棘之路”矢志不移地成为图像传感器领域的先驱

从日常的一个场景到旅游、运动会、婚礼等特殊活动,无论男女老少,拿起智能手机进行视频拍摄,这已经司空见惯了。

现在大家能使用手头的小型设备,用视频的形式记录那些特别的瞬间并轻松进行共享。这之所以能实现要归功于“图像传感器”。图像传感器是半导体的一种,相当于人眼的视网膜。它是一个很小的部件,能够将进入相机镜头的光线转换为电信号,从而生成“电子图像”。

索尼的图像传感器的历史,可以说艰辛、成功和进化交织。其中的一页,就是距今十年前的2012年所诞生的“堆栈式CMOS图像传感器”。

变革性的堆栈技术凭借其特别的结构,实现了图像传感器的小型化、且画质更高、功能性更强。现如今,索尼大约9成的图像传感器均采用了堆栈技术。并且,在堆栈技术的基础上,索尼又开发出很多具有划时代意义的图像传感器产品。

在讲述堆栈技术的开发故事之前,让我们先探讨一下索尼为什么要制造图像传感器?下面介绍的就是开发契机。

key visual 2

挑战电子“眼”— CCD

现如今, “堆栈式CMOS图像传感器”已经被广泛应用于社会生活中的各种场景,智能手机是一个代表性的例子。索尼正式涉足图像传感器的开发,是在半个多世纪之前。

在看到CCD作为电子“眼”的巨大前景后,索尼于1970年春季开始推进了这项持续多年及至现代的图像传感器的研究开发。

当时,索尼先开发了CCD图像传感器。CCD是“Charge Coupled Device(电荷耦合器件)”的缩写,是指铺设在设备上被称为“像素”的元件将电荷(电气)像水桶接力一样进行传递,并作为电信号进行传输的一种原始形式的半导体。索尼考虑把这种结构用于图像传感器,开始推进研究,其想法是“将镜头捕获的光转换为电信号,然后再从信号转换为一张照片”。

CCD图像传感器的结构示意图

如果能够廉价地制作出CCD图像传感器,那么价格便宜的摄像机就会诞生,普通人也能轻松拥有和使用摄像机。我们基于这一想法推进了研发项目,首先是在1978年推出的CCD图像传感器产品“ICX008”,该产品成功实现了商品化。该产品被搭载在全日空公司大型喷气式客机的CCD彩色相机中,并在飞机上放映飞机起降的实况。之后,经过进一步的研究开发和不断地改善生产的成品率,期盼已久的民用相机一体型8毫米摄像机“CCD-V8”于1985年诞生。

CCD-V8
CCD-V8
CCD-TR55
CCD-TR55

1989年,兼具高功能和小型化、以“护照大小”为宣传口号而发售的一体型8毫米摄像机“CCD-TR55”大受欢迎,创下了热销记录。至此,确立了索尼在图像传感器领域的领先地位。

key visual 3

在CCD图像传感器尚在蓬勃发展的情况下,决心转变投资方向

虽然索尼凭借CCD图像传感器一举成为市场引领者之一,但是公司还是做出转向发展CMOS图像传感器的重要决定。

CMOS是“Complementary Metal-Oxide Semiconductor(互补式金属氧化物半导体)”的缩写。在这种CMOS图像传感器的结构中,每一个像素都附带有受光元件和将电荷转换为电压并使之增幅的功能(放大器)。

与水桶接力方式进行信号传输的CCD图像传感器相比,CMOS图像传感器由于其结构上的原因,可以比CCD更快地传输信号,而且还具有低电压、低耗电的特点。也就是说,从原理上来看,CMOS图像传感器更适合于拍摄视频动画及高清晰的影像。但是,在CMOS图像传感器中,各个像素中产生的噪点会被分别增幅,因此存在“信号中容易出现噪点”的缺点。

CCD图像传感器与CMOS图像传感器:特点比较

索尼开始推进CMOS图像传感器的开发是在1996年,当时互联网及支持高清播放的液晶显示器刚刚开始普及。在密切关注这一动向发展的过程中,索尼判断CMOS图像传感器在今后是必要的选择。

尽管索尼是后面才推进CMOS图像传感器研究开发的公司之一,但我们认为“如果要在未来继续成为图像传感器的领先者之一,现在就应该向CMOS转型”,因此于2004年停止了CCD图像传感器的增产投资,转而加快对CMOS图像传感器进行开发的投资。

20年来向实现世界突破性的技术进行挑战

尽管索尼从2000年起发布了一些CMOS图像传感器,但是由于图像较暗而且容易产生噪点,因此在数码相机和摄像机等产品中,依然以搭载具有高感光度、高画质特性的CCD图像传感器为主流。

CMOS图像传感器的根本问题和它的基本结构有关。在CMOS图像传感器中,将光转换为电信号的受光元件(光电二极管)被配置在传输信号的金属配线层的下方。在这种结构的情况下,入射光会被配线层遮挡,有损感光度。

若是这样,“如果能够在光线的入射一侧配置光电二极管,光线就不会被遮挡”―― 因此,索尼开始关注这种通过从“背面”进行照射来有效收集光线的方法。这种“背照式结构”的想法本身,在业界已经被提倡了20多年,但是由于与半导体制造的传统工艺方法有很大不同,因此此前从未实现。

CMOSの断面構造比較

致力于实现背照式CMOS图像传感器的研发项目是从2002年开始启动的。经过大规模的反复试验,在7年后的2009年,索尼成功实现了背照式CMOS图像传感器的量产化,实现全球性的突破,并向市场推出了搭载有该背照式CMOS图像传感器的高清手持数码摄像机“HDR-XR520V”、“HDR-XR500V”。

HDR-XR520V
HDR-XR520V

索尼率先实现商业化的背照式CMOS图像传感器,实现了明亮、噪点少而且优质的影像,在业界备受瞩目。

而那个时候,索尼的半导体团队已经开始朝向下一个目标迈进。想要把背照式CMOS图像传感器搭载到手机的镜头上……一位富有经验的技术人员参与了进来,他是索尼的CMOS图像传感器向下一代飞跃的关键人物……。

他就是被称为“堆栈式CMOS图像传感器之父”的梅林拓。