【无聊研究】索尼sony大法好 专业设备系列(感光器)

5号小编

3月 17, 2015 ,
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索尼大法系列其他专辑(摄像机监视器投影机转播车音频器材电池感光器

 

索尼是全球最大的数字影像传感器(CCD/CMOS)生产商

这方面说实话我不算太熟,说不对的地方也希望得到相关人士的指点哈!

每次手机发布会,只要讲到相机,索尼基本上都会出场,又能激动了哈!

说到CCD/CMOS,索尼绝对是霸主!据调查,两种感光原件的市场占有率均超过50%!

(2014年索尼夏季相机新品A5100发布会上的PPT)

01 第1张

A.CCD

02 第2张

1972年,索尼研究员越智成之,用一个8×8共64像素的CCD,拍摄下了索尼(SONY)公司社名的第一个英文字母「S」。

为了早日量产CCD,索尼的工程师也是蛮拼的…

就连索尼当时的社长,曾说过:“我们的竞争对手不是电机生产商!而是生产胶卷相机的伊士曼柯达!”,被誉为CCD小子的岩间和夫,因为肠癌住院治疗,CCD量产时依然想要跑去工厂看看…最后他去工厂参观的梦想可惜没有实现…但今天所有的数码相机、摄影机都因为这片CCD,让我们看到另一个美妙的世界。

《Sony History》第11章:技術の「芽」、電子の「眼」(技术的「嫩芽」,电子的「眼睛」)
(以下内容为笔者摘译)
索尼在CCD量产之后,别家的CCD也跟着量产了,CCD录像机如竹笋般出现。
但是突然有一天,索尼自家CCD生产线的良品率突然就大跌(灰尘杂质影响),原本计划1987年6月上市的「CCD-V90」不得不推迟,CCD的外售项目也受到影响,大家都很怀疑索尼到底能不能行,报纸媒体各种唱衰《被灰尘杂质虐出翔的电子眼相机(ゴミに潰された電子の眼)》、《新型相机给灰尘跪了(新鋭機種もゴミに負けた)》。
其实,被灰尘困扰的不仅仅是索尼一家,别家也同样饱受其苦,仿佛一瞬间,CCD就如同没被发明过一样,在电子领域中销声匿迹。
但是索尼鹿儿岛工厂(这个厂现在还在运作生产)为了解决问题,马不停蹄,暑假也不放了,夜以继日查找问题,最终数十个灰尘源被清查出来,CCD成品率也在8月的某一天,奇迹般地恢复了!索尼的CCD还是回来了!
痛定思痛,这次痛苦的教训也狠狠地刻在了索尼工程师们的心中,也是之后索尼成为为数不多高成品率量产CCD厂商之一的根本动力。

这也许就是索尼CCD能独树一帜、鹤立鸡群的原因吧!

03 第3张

接任社长工作的大贺典雄亲手贴在岩间和夫墓碑上的25万像素CCD。

(岩间和夫在上个世纪五十年代曾作为索尼技术研究的指挥者之一,成果包括江崎二极管以及享誉世界的特丽珑电视;后来在70年代索尼半导体在MOS开发斗争中溃败之际,受命回国,指导CCD的研制工作,并接任社长职务,为索尼第四任社长。其为CCD殚精竭虑,在索尼CCD投入量产之时病倒入院,1982年8月24日死于肠癌,享年62岁)

1989年6月,为了解决CCD光线聚集的问题,索尼还率先开发出了直径仅有7微米CCD片上微透镜。

CCD黑科技就不多说了,F35那个CCD已经给我们示范了…

04 第4张

由于CCD的量产,搭载CCD的“数码相机”也跟着出来了,数码单反的雏形-索尼马维卡,1981年。

B.CMOS

索尼是进入CMOS最晚的,也是进步最快的,这个和索尼在CCD多年打拼也不无关系。

索尼称其CMOS作Exmor CMOS。

05 第5张

「EX」代表Exceed(超越) 、Express(表现) 、Experience(经验、体验)

「mor」则来源于英文单词more(更多、更好、更强) 。

两个词组合而成的「Exmor」,表现了要为人们带来超越传统影像的优秀体验,感受影像带来的感动。

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Exmor指的是:

CMOS中每列并列独立的模拟CDS+数模转换+数字CDS的标志性的降噪读出回路。

带来的好处:高速地低噪点读出

06 第6张

目前Exmor有如下几种:

Exmor(例如IMX094、IMX128等)

Exmor APS HD(IMX071不解释…)

Exmor R(背照式,多见于索尼自家产品如handycam、Cyber-shot、视频会议、安防等)

Exmor R for Mobile(背照式的移动版,例如iPhone4S用的IMX145等)

Exmor R for PC(VAIO)

Exmor RS for Mobile(堆叠式,背照式的移动版的改进版,例如IMX135、IMX214等)

Exmor 3CMOS(手持小高清等)

Exmor Super35(电影机专用,F65RS、F55、F5、F3、FS7、FS700、FS100)

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目前Exmor有如下几种:

Exmor(例如IMX094、IMX128等)

Exmor APS HD(IMX071不解释…)

Exmor R(背照式,多见于索尼自家产品如handycam、Cyber-shot、视频会议、安防等)

Exmor R for Mobile(背照式的移动版,例如iPhone4S用的IMX145等)

Exmor R for PC(VAIO)

Exmor RS for Mobile(堆叠式,背照式的移动版的改进版,例如IMX135、IMX214等)

Exmor 3CMOS(手持小高清等)

Exmor Super35(电影机专用,F65RS、F55、F5、F3、FS7、FS700、FS100)

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探问索尼 揭开Exmor R技术背后的秘密

(日文原文:インタビュー:ソニーの裏面照射CMOSセンサー「Exmor R」開発者に聞く)

平山郁夫:最后,是一个材料机械强度的问题:我们知道CCD和CMOS都是在一个晶圆上刻制完成的。以外传统的CCD和CMOS,我们在一块700微米厚(0.7mm)的硅晶圆上制作这个芯片。现在,背照射式CMOS,要求我们在整个厚度只有8个微米的单晶硅晶圆上制作芯片,这个难度在当初是不可想象的。简单一句话,现在,我们能够克服“背照射式”CMOS自身的特性和工艺上的难点,使之投入普通环境下的大规模商业应用,已经是完成了一个相当艰巨的工作。

索尼背照式CMOS生产过程中,使用的自家开发的用于检测硅晶圆的装置,其性能可以达到在人造卫星上,看到地面上的一颗1日元硬币(d=20mm)的水平。

(日文原文:ソニーの裏面照射型CMOSセンサー工場を訪ねる)

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英文原文《Side view vol.68:Sony’s Stacked CMOS Image Sensor Solves All Existing Problems in One Stroke(索尼堆栈式CMOS传感器将所有现存问题一举击破)》:

(以下内容为笔者摘译)

堆叠式CMOS最先出现在索尼推出的移动终端用CMOS上,Exmor RS为其注册商标。

堆叠式出现的初衷其实不是为了减少整个镜头模组的体积,这个只是其附带好处而已。

CMOS的制作和CPU的制作类似,需要特殊的光刻机对硅晶圆进行蚀刻,形成像素区域(Pixel Section)和处理回路区域(Circuit Section)。像素区域就是种植像素的地方,而处理回路顾名思义,就是管理这一群像素的电路。

为了提高像素集合光的效率,需要引入光波导管。光波导管的干刻过程中,硅晶圆和像素区域会有损伤,此时则要进行一个叫做“退火(annealing process)”的热处理步骤,让硅晶圆和像素区域从损伤中恢复回来,这时候需要将整块CMOS加热。好了,问题来了,这么一热,同在一块晶圆上的处理回路肯定有一定的损伤了,原先已经“打造”好了的电容电阻值,经过退火后肯定改变了,这种损伤必定会对电信号读出有一定影响。

这么一来,处理回路躺着都中枪,像素区域的“退火”是必须的。
还有一个问题,索尼目前建有的移动终端用CMOS的制程是65纳米,这个65纳米的工艺对于CMOS的像素区域的“种植”是完全足够的。但是处理回路区域的“打造”,65纳米是不够的,如果能有30纳米(实际提升至45nm制程)的工艺去打造电路,那么处理回路上的晶体管数量就几乎翻番,其对像素区域的“调教”也就会有质的飞跃,画质肯定相应变好。但因为是在同一块晶圆上制作,像素和回路区域需要在同一个制程下制作。

处理回路:“怎么吃亏的总是我!”

如此鱼和熊掌不可兼得的事情,假如解决了多好!于是索尼的工程师打起了晶圆的基板 (BOSS登场)的主意。

先来看这张结构图。原来处理回路是和像素区域在同一块晶圆上打造的。

07 第7张

那么不妨把处理回路放到那里去?

首先利用晶圆和基板的热传导系数差异,通过加热将两者分开。

像素区域放到65纳米制程的机器上做,处理回路则放到制程更高(45nm)的机器上做。

然后在拼在一起,堆栈式CMOS也就这样诞生了。

上边遇到的两个问题:

①像素“退火”时回路区域躺着中枪。

②在同一块晶圆上制作时的制程限制。

均迎刃而解!

堆叠式不仅继承了背照式的优点(像素区域依然是背照式),还克服了其在制作上的限制与缺陷。由于处理回路的改善和进步,摄像头也将能提供更多的功能,比如说硬件HDR,慢动作拍摄等等。

像素与处理回路分家的同时,摄像头的体积也会变得更小,但功能和性能却不减,反而更佳。像素区域(CMOS的尺寸)可以相应地增大,用来种植更多或者更大的像素。处理回路也会的到相应的优化(最重要不会在“退火”中枪了)。

同样,索尼的顶级CMOS技术都放到了自家的电影机上,例如最初提到的F65,那块CMOS十分逆天。首先是Q67斜交排列的8K分辨率,66.6%的像素利用率(Q67名字的由来)用两倍像素密度实现了拜尔滤色片四倍像素密度才能达到的分辨率,让4K-RGB输出成为可能,并且能有效避免拜耳排列造成的伪色;其次,F65的CMOS单位像素比竞品小上不少,但通过优秀的工艺和技术,使宽容度并不比别人差。

就在F65发布的2011年,索尼也发布了使用和F65的CMOS同样技术的“次世代Exmor”的样品:总像素1930万,有效像素1770万,画幅为24.3×12.8mm(比APS-C的24.9×16.6mm小一圈),以12bit全片120fps高速“连拍”输出时,功耗只有3W。(ソニー、1,770万画素で120枚/秒の超高速CMOSセンサーを開発)

C.ReRAM(可变电阻式记忆体)
ReRAM(可变电阻式记忆体)也许会成为取代NAND的次世代记忆介质。

三星、富士通、东芝等具有生产闪存能力的都在这方面有所突破。
索尼在这方面也有不少研究,并且与镁光达成的合作。
索尼试制了一个4MB容量的ReRAM芯片

08 第8张

试验中,读取速度高达2.3Gb/s,写入速度也有216Mb/s

(読み出し速度2.3GB/s、書き込み速度216MB/s の高速化を実現した4 メガビット抵抗変化型メモリ)
索尼也在2012年获得的日本全国发明表彰「21世纪发明奖」
Sony Japan | 平成24年度全国発明表彰「21世紀発明賞」を受賞

D.隧道二极管(江崎二极管)
如果说,索尼拿个日本国内的奖,不算什么大的本事,好!那拿诺贝尔奖!
虽然不是公司拿的,但好歹江崎君弄出这玩意的时候还在东通工干活的吧!

隧道二极管是一种可以高速切换的半导体,其切换速度可到达微波频率的范围,其原理是利用量子穿隧效应。

隧道二极管是江崎玲于奈1958年8月时发明的,当时他在东京通讯工业株式会社(现在的索尼)。

1973年时江崎玲于奈和布赖恩·约瑟夫森因为发现上述半导体中的量子穿隧效应而获得诺贝尔物理奖。

 

索尼大法系列其他专辑(摄像机监视器投影机转播车音频器材电池感光器

8bc3e11e13a2add142cf1853ff127be7_r 第9张

索尼一开始是做啥的?

答:白色家电。

东(s)通(o)工(ny)牌的电热毯和电饭煲(东京通信工业株式会社,就是现在索尼)

5号小编

我是非常厉害的小编,知道很多你不知道的四驱车秘密

《【无聊研究】索尼sony大法好 专业设备系列(感光器)》有一个想法
  1. CCD早就过时了好不好,SONY自己都 不用了, CCD 的耗电量是CMOS的10倍 之多!
    并且早在几年前,CMOS的各项性能参数全面超越了CCD, 所以CCD就别提了,在摄像、照像领域今后都是CMOS的天下

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