尼康CMOS传感器技术
在传统专业相机领域,尼康与佳能的技术和地位旗鼓相当,但进入数码时代之后,尼康在产品开发上明显落后于佳能,主要原因在于尼康缺乏图像传感器的核心技术,不得不受制于索尼,而由于制作工艺和成本问题,索尼一直都没有将大尺寸CCD作为业务重点,以至于尼康几年来推出的多款数码单反相机一直在使用同一款CCD,给外界以技术落后、竞争力缺乏的不良印象。其实,早在佳能、索尼先后进行高端CMOS研发工作时,尼康就意识到自身的潜在危机,遂决定开始自行研发高端CMOS图像传感器。2003年7月,尼康公司宣布推出410万像素的D2H数码单反相机,它所采用的便是尼康独立开发的“LBCAST”CMOS传感器。尽管尼康在去年推出的D2X转用索尼的CMOS,但并不代表LBCAST就此终结,有迹象表明,尼康目前已在该领域获得突破性成果,这意味着未来的数码单反相机市场将出现更加激烈的竞争,而佳能垄断的时代也将成为过去。
LBCAST的全称为“Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array”,直译为“侧插式电荷累积传感器阵列”,它在原理上仍隶属于CMOS体系,都是采用X-Y方式寻址,每个感光元件都包含感光二极管及放大器、模数转换器等信号检测作用的晶体管。但尼康的LBCAST方案与其他厂商的CMOS技术存在以下几个方面的区别:首先,常规CMOS中的检测晶体管都采用MOSFET晶体管(metallic oxide semiconductor field effecttransistor,金属氧化物半导体场效应晶体管),而LBCAST则采用JFET类型的晶体管(Junction Field EEffect Transistor,结合型场效应晶体管),加上LBCAST的电荷积累部分采取侧面嵌入的方式,JFET便成为理想的增幅放大元件,其放大率的均匀性也明显优于常规的CMOS,因此在固定噪声抑制方面,LBCAST比常规CMOS技术有了明显的改观。其次,LBCAST将感光元件中的多个晶体管合而为一,基本像点由感光二极管与JFET晶体管构成,传感器的开口率也因此获得较大幅度的提升。如此一来,LBCAST就可有效提高感光灵敏度,一定程度上弥补了CMOS技术的缺陷。第三,LBCAST传感器中的每个像素采取双通道提取方式,响应速度优于同时期的其他所有CCD/CMOS技术—凭借LBCAST的这一优势,尼康的D2H相机创下每秒连拍8张图像的速度纪录,后来尼康与索尼在CMOS领域进行技术合作,源自LBCAST的多通道传输技术也被索尼进一步发扬光大,这在前文我们就有过详细讨论。
尽管在技术上仍隶属于CMOS体系,但LBCAST更多时候都被看作是介于CCD和CMOS之间的第三种图像传感器。LBCAST感光元件结构简单,甚至可媲美CCD,同时又保留CMOS传感器的工作模式,它在品质上同样表现出相应的特征。尼康声称,由于灵敏度更高,LBCAST的暗电流远远小于CMOS,在光照不足条件下进行拍摄,图像的暗部噪声明显小于CMOS;在固定噪声方面,LBCAST同样优于常规的CMOS,原因就在于JFET晶体管可保持较一致的放大特性,当然它在这方面还是无法与CCD相比拟;而在随机噪声方面,LBCAST的表现极为出色,它的随机噪声水平明显低于CMOS,更远低于CCD传感器。当然,随机噪声在整体噪声水平中占据的比例并不大,这方面的优点难以让LBCAST技术在噪声控制方面高人一等。除了上述特点之外,LBCAST还拥有传感器模块构造简单,布线容易,产品制造的成品率也比较高,工作能耗比常规CMOS低出25%,尽管产品初期它在噪声控制方面有所不足,但仍具有相当好的发展潜力。可在随后的两年,LBCAST一直陷于沉寂,尼康没有推出更高像素规模的后续型号传感器,作为D2H升级版的D2Hs数码单反相机也只是更换了更快的图像处理器。更为不解的是,尼康在去年九月份推出的D2X机型改用索尼的CMOS产品,LBCAST技术几乎悄无声息。但最近几个月又传出新的消息:尼康在LBCAST领域获得突破性进展,该公司已经成功开发出APS画幅、1360万像素的大尺寸LBCAST传感器样品,而“24毫米×36毫米”全画幅的LBCAST传感器更拥有惊人的2100万像素。在噪声控制上,LBCAST也获得质的改进,据称其暗部噪声可达到优于D2X的水准,加上LBCAST固有的低耗电量、响应速度更快的优势,LBLBCAST也获得质的改进,据称其暗部噪声可达到优于D2X的水准,加上LBCAST固有的低耗电量、响应速度更快的优势,LBCAST已然在高端CMOS竞争中后来居上。目前,尼康正处于新一代专业级数码单反相机的紧张研发阶段,LBCAST付诸实用指日可待,而届时尼康也有望一举摆脱长期以来在数码单反相机市场处于被动的局面。