相机技术的又一次飞跃?简析曲面传感器

索尼近几年在传感器方面突飞猛进,单反、摄像机上的我们暂时不评价,但这几年来手机拍照从纯记录性质飞跃到能够有创作空间甚至挤占了大量卡片机市场,就主要是索尼传感器的功劳。近期索尼那边又有了新消息传出,传闻中的曲面传感器可能将会投入商用,不少摄影爱好者高呼黑科技,这个技术究竟会带来什么样的进步?且看煮机评析。

说到传感器,就不免谈到成像原理。

镜头的成像有点类似于我们小学学过的小孔成像,光线通过镜头,投射在感光元件上。传统的胶片就开始发生化学反应,而现代的电子元件则是将光信号转化为电信号。

都说单反穷三代,穷三代的穷就来自于顶级镜头。顶级镜头除开提供更大的光圈和防抖性能以外,很重要一点就是对于相场的校正。镜头成像后,汇聚的光线不一定在同一个平面上。这时候会出现的问题是:桶状畸变、枕状畸变、边角失光。

上图就是畸变的典型照片之一。由于汇聚的光线所投射的每一个点不一定在它应当在的位置上,会稍微有一点点偏移。因此就出现了畸变。我们再仔细看这张图还会发现,边角处有明显变暗的情况,这里是镜头和 CMOS 共同造成的。

感光元件感受到光线需要通过上图中的「深井」,这样就要求光线尽量垂直入射。而边角处光线不免会斜射入感光元件。并且越是靠边,分到的光线就越少。因此,绝大部分镜头都会出现边缘变暗,画质劣化的情况。

如何解决这个问题,镜头方面大部分厂商给出的答案是修正光路,尽量让投射后成像在同一平面上,并且增加边缘光线;而机身方面则是计算好不同焦段不同光圈的镜头,利用机内处理,进行校正。手机也是如此,我们看到的照片都是经过手机预处理的照片,但放大了仔细看,边角画质还是会比中央画质要差。

但这样带来的问题就是,镜头设计成本提高带来的价格上的增加,以及镜片数量的增加带来的进光量的减少。更大的光圈意味着光路更难修正,手机上,同样焦段,镜头光圈越大,边缘成像往往会降低更多。同样采用索尼 IMX214 传感器的两款国产手机,光圈为 F1.8 的那款比光圈为 F2.0 的那款边缘画质下降的就要多一些。

索尼给这个问题一个新的解决办法。既然相场平坦成本太高,我们干脆把传感器做成曲面的吧!

从专利申请事件上来看,索尼从 2011 年就开始研发曲面传感器了。而在今年,索尼已经拿出了曲面传感器实物,这说明了这项专利并不是用于防御或者用于储备的专利,而是,索尼黑科技。

拍摄设备用上曲面传感器后能大幅降低镜头设计难度。现在镜头的设计就像打靶,让你打几环就得打几环,位置偏差的越多,画质就越差。但对于曲面传感器而言,只需要先设计镜头,然后测试出镜头后投射的相场的曲率,根据相场确定传感器的弯曲程度。如果曲面传感器研发顺利,那与之相应的拍摄设备的研发就像先开枪,后画靶一样。镜片的减少可以增加进光量,降低相机/摄像头厚度。

而可能索尼自己在着手研发时都没想到的是:弯曲 CMOS 造成的张力改变了感光区硅元件的能级差,降低暗电流导致的噪信号。暗电流是一个像素没有受光时固有的电流。

What’s more, the strain induced on a CMOS sensor by bending it alters the band gap of the silicon devices in the sensor region, lowering the noise created by “dark current” — the current that flows through a pixel even when it is receiving no external light.

简单点说就是曲面传感器拍出来噪点更少。

根据最新泄露的信息,索尼第一款曲面传感器的性能也非常好。能够在 ISO640 的情况下提供 10.8 档动态范围,作为对比,佳能那块 1800W 像素的「祖传 CMOS」的最高宽容度也只有约 11.5 档。而索尼这块传感器仅仅是 2/3″规格的,面积约为 APS-C 画幅的 1/8,也就是说索尼这块曲面传感器用 1/8 的面积提供了接近单反的画质!拍照有句话叫做底大一级压死人,但搭配上曲面传感器,底大了三级,都还压不住。

但曲面传感器也是有缺陷的,目前看来,曲面传感器只能应用在与之配套的镜头上,如果搭配了其他镜头,很可能会出现奇怪的畸变。从索尼申请的专利来看,也都是与不可更换镜头相机设计。

而这恰恰都是手机需要的:不可更换镜头、更大光圈、更好高感。如果手机能引入曲面传感器,画质又能有一次新的飞跃,在优化得当的情况下,可能达到目前中高端卡片机的水平,甚至高感会更强。到那个时候,用手机拍摄星空也许就真的是爱好者都能轻松办到的事情了。而这个时候,可能不会太远。

文/煮机网  作者 7931


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