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图像传感器

追求数码单反相机的终极形态。创造新价值的秘诀在于不断挑战的姿态

December 12, 2022

数码单反相机已经成为许多人轻松享受旅行和兴趣爱好不可缺少的伙伴。另一方面,专业用户需要比胶片单反相机更加强大的性能,因此,实现进一步的高分辨率和高速性迫在眉睫。索尼全尺寸无反光镜单反相机α™(Alpha™)的旗舰型号“α1”凭借压倒性的分辨率与高速性,获得了众多专业摄影师的好评。那么大家是否了解,这款“α1”搭载了与过去截然不同的新技术呢?为了“α1”而新开发的背照结构的堆栈式CMOS图像传感器实现了约5,010万的有效像素和14bit250fps,同时还能消除每次按下快门时发生的EVF(Electronic View Finder)黑视(画面变暗、什么都看不见的状态)现象。特别是在拍摄快速移动的被摄体时,在黑视现象发生的瞬间,被摄体就可能偏离画面中心,因此,专业摄影师通常会采用一只眼观察取景器、另一只眼直接肉眼持续追踪被摄体的拍摄方式。通过消除黑视现象,避免在按下快门时EVF变暗的瞬间,摄影师只需透过取景器,就能在维持画面构图的同时追踪被摄体。开发出这项改变拍摄方式的创新型新技术的正是索尼半导体解决方案公司(下称SSS)负责图像传感器研究与开发的冈田千丈。此次,我们向冈田了解了他在研发新技术时的心得。

Okada Chihiro

Sony Semiconductor Solutions Corporation
Research Division 1

个人信息:2006年入职索尼株式会社后,从事数码静态相机的开发。主要负责画质相关的规格讨论、信号处理开发。2011年开始,调动至索尼半导体解决方案株式会社,负责图像传感器的模拟电路设计。2015年开始,从事α1所搭载的ΔΣADC的开发,中途作为设计组长负责系统设计。2019年开始,调动至研究开发部门,负责下一代测距传感器的开发至今。

“仅仅实现高速化的图像传感器真的是我们需要的吗”想要创造出真正有价值的技术

数码相机的一般构造是用1个图像传感器处理拍摄用和EVF用的2个影像。在追踪被摄体时,CMOS图像传感器持续将影像读取到EVF上,在按下快门的瞬间,切换为静态图像用的驱动模式。EVF用的影像和静态图像所需的分辨率完全不同,因此,会发生CMOS图像传感器切换动作模式的情况。而在这个时候发生的黑视,是构造上难以避免的现象。另外,过去的数码相机,EVF用影像是以60fps的帧率呈现的,所以,有专业摄影师指出了“影像卡顿”的问题。鉴于此,“α1”就采用了一种新型的架构,这样既能呈现流畅的EVF影像,也避免了黑视现象。

拍摄时无黑视 拡大 拡大アイコン

如果要问传统的数码单反相机能否实现无黑视,答案是不行的。采用传统构造时,为尽可能减少动作切换的时间,可以通过2种模式驱动EVF来实现。即准备2个不同读取速度的影像,在黑视的瞬间,切换为读取速度较慢的影像,从而来补全黑视期间的影像。 但此时,2个EVF影像的读取速度存在偏差,为尽可能缩小这一偏差,必须一直以2倍速驱动读取速度较快的影像。(例如,要用60fps显示EVF影像,就需要以120fps拍摄影像)这是因为如果将不同速度的动作组合在一起,边界处的帧就会因为不一致而无效,最终导致速度减半。而以2倍的速度驱动,自然也就需要2倍的耗电量。对于以外出携带为前提的数码单反相机来说,这是一个关系到便利性的关键问题。而且α1为了进一步提升拍摄体验,需要呈现120fps的EVF影像。这就意味着需要以240fps驱动影像。 因此,研发以120fps的高帧率持续读取EVF用图像,同时避免高耗电的机制成为紧迫的课题。冈田便被选中来解决这项课题。

让EVF的读取速度达到120fps的方法本身是简单的。我们已经清楚,用ΔΣADC代替过去使用的单斜率ADC(电子模拟转换电路),就能维持高速的读取速度。自然,作为开发的必要条件,ΔΣADC也得到越来越多的使用。但是冈田开始思考“仅仅实现高速化的图像传感器真的是我们需要的吗”。采用ΔΣADC可以实现高速的读取速度,但是另一方面,开发费增加、芯片价格上涨。冈田并不认为只能实现高速读取的图像传感器会让客户满意。他认为如前面提到的那样,以传统构造,用倍速的240fps驱动EVF影像,“在耗电量2倍的情况下,即使实现了高速和无黑视,也不具备吸引力,算不上是一个成功的项目”。

数码单反相机的终极形态
实现视频与静态图像的融合

此次的项目,从客户角度来看,可能只是一次高速、高效率CMOS图像传感器的开发,因此,冈田认为必须设计只有本传感器的架构才能实现的、与客户价值直接关联的规格,他希望“以120fps的高帧率实现无黑视,同时,作为图像传感器提供新的价值”。ΔΣADC具备即使在2种不同驱动模式下,读取速度也不会显著变化的特性,所以,冈田认为只要巧妙利用这一特性,就能在维持耗电量的同时,实现120fps的EVF无黑视。他介绍说“统一2种驱动模式的读取速度的这个想法是在2006年左右产生的。当时想的是按照较慢的驱动模式进行统一。而这一次,我们是按照较快的速度进行统一的,这是与当初想法的不同之处。我在大量查阅了当时的论文等资料后获得了灵感”。在经过1个月的苦思冥想之后,冈田最终想到了一个新的像素设计方案。过去无法统一的2种驱动模式的读取速度,按照较快的速度实现了统一。最终,在不增加耗电量的情况下,成功实现了120fps高帧率下的无黑视。但是,为了实现这一点,除了CMOS图像传感器,还需要在相机上进行复杂控制。此次开发的新架构可实现高精细、高速的读取,且能够维持耗电量不变,这些都与客户价值直接相关,但是需要在相机上进行复杂的控制。由于客户并没有预想在相机上进行控制的情况,因此,如果冒然将这样的样品拿给客户,很可能被客户否决。于是,冈田与α的产品开发团队进行了多次会议,讨论规格问题。双方研究了在相机上的控制方面需要哪些合作,这种事前对规格的讨论,可以说是推动新架构采用的生命线。

30 fps

250fps

就这样,冈田与开发团队构建的新架构创造出新的客户价值,α的产品开发团队甚至表示“现在,我们终于可以将视频与静态图像融合了”。视频与静态图像的融合是数码单反相机所追求的终极形态,也就是说可以截取拍摄中的视频的任意一帧图片使用,且其品质也不逊色于静态图像。此次的“α1”还算不上终极形态,但是从高帧率下的视频读取性能、与静态图像之间的无缝切换这两点来看,可以说是让数码单反相机距离终极形态更进一步的了不起成就。

α1

从粒子天体物理学的研究
转向图像传感器

学生时代,冈田受身为理科教员的父亲的影响,考虑向自然和理科方向发展。对于感兴趣的事物就会完全沉浸其中,因为这样的性格,在进入大学研究室后,冈田开始积极地研读各种书籍和论文。他曾经在一个月的时间里,独自思考新架构设计,由此就可以窥见他极强的求知欲和忍耐力,能够专注于事物、反复思考直至成功。冈田非常珍惜独自思考的时间,在吸收了过去的资料和论文、大学和产品开发团队的市场数据等各种信息后,像拼图一样,将各种信息的碎片拼接起来,最终创造出真正有价值的东西,在这一过程中,他发现了研究开发的乐趣和意义。

令人意外的是,冈田在进入大学研究室后,才对半导体产生了浓厚兴趣。冈田在大学从事的是粒子天体物理学的研究,大家可能会觉得他是从不同领域转来的、有着截然不同的经历,但是冈田向我们介绍说“一听说天文、宇宙,人们往往会认为我们需要一整晚盯着望远镜,但事实并非如此,我们会在大型望远镜上安装冷却相机,一整晚自动拍摄,之后我们再使用拍摄到的影像进行研究。这个拍摄装置也是我们学生自制的,因此,这个过程中也涉及了图像传感器。为了研究,我们想方设法拍摄更好的影像,然后在这个过程中就产生了‘图像传感器奇妙无穷’的想法。这样的人大有人在,SSS内就有好几人”。的确,如果考虑“捕捉光线”这个图像传感器固有的特性,那么可以说宇宙与半导体有着非常密切的关系。

想要了解新事物
想要尝试新事物

“始终保持学习的姿态和挑战的姿态”,这就是冈田工作的姿态和动力。通过了解新事物、尝试新事物,感受自身的成长和工作中的喜悦。他入职后一开始被分配到索尼株式会社负责相机产品企划的部门在那里积累的知识和人脉为日后新架构的开发提供了巨大助力,但在当时,与图像传感器开发团队的成员打交道时,他产生了强烈的“从事更学术性的工作、参与研究开发”的想法,于是在入职第3年,提出了调动到SSS图像传感器开发部团队的申请。虽然是自己的期望,但因为是与过去完全不同的技术领域,因此,在刚调动时,他完全跟不上其他人的脚步,经历了一段非常辛苦的时期。但是,冈田拥有积极的挑战精神和集中力,他并不把辛苦当做辛苦,作为开发团队的一员积累了实力。他的这种性格非常适合目前所属的研究部门,“我非常幸运,得到了一个可以随时挑战的环境”,他在这里如鱼得水一般,全身心投入到创新研究中。

冈田表示“此次的开发是在明确了条件的情况下开始的,但作为研究人员,我还希望能自己探索课题、开展研究”。他希望通过以发掘市场与客户需求为起点的提案型图像传感器开发,为用户提供新的体验与价值,为了发现还未显现的需求,除了查阅论文、杂志,冈田还时常走访大学研究室,收集信息。我们相信冈田的这种时刻学习、不断挑战的姿态,将成为新价值诞生的源泉。