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5000万够不够?未来全幅像素增长趋势

色影无忌
梁爽
梁爽
2015-02-12

  佳能在CP+2015前隆重推出自家高像素机型EOS 5DS/EOS 5DS R,其自主研发生产的CMOS传感器有效像素高达约5060万有效像素,总像素更是达到约5300万,这一指标一举打破尼康/索尼的3600万有效像素的记录。

 

EOS 5DS/EOS 5DS R给佳能带来前所未有的超高解析力(目前135全幅中最高像素)

 

EOS 5DS/EOS 5DS R的约5060万有效像素传感器

  对此小编在《火力全开 佳能全线反攻打响》中猜测佳能是以EOS 70D、EOS 7D Mark II的传感器工艺作为基础,扩大到全画幅上进行生产。事实上对于这种猜测绝非YY,CMOS传感器的生产工艺其实跟很多半导体产品一样,如CPU、GPU、闪存颗粒等等,都是现在小尺寸上试验新技术新工艺,等成熟后就将其逐步应用到更大尺寸(或更高性能)的产品上。

 

Chipworks的佳能、尼康、索尼三家传感器工艺对比

  Chipworks曾在2012年公布佳能、尼康(瑞萨)、索尼等几家传感器的工艺,详细内容可以参考《Chipworks公布尼康单反图像传感器型号》,该报告提到尼康D800搭载的索尼IMX094传感器采用0.18微米制程技术生产,像素尺寸达到4.75微米。是当时Chipworks公司分析测试的全画幅数码单反相机中有最小的像素尺寸。而当时佳能的EOS-1DX、EOS 5D MarkIII等全画幅产品还在采用0.5微米工艺(500纳米),索尼和瑞萨(尼康D3、D4、D700等)已经逐步从0.35纳米过度到0.25纳米。为此很多网友以此来喷佳能工艺落后索尼很多了。

 

  那么传感器的工艺到底有多重要?我们知道现在CPU、GPU的工艺发展相当快了,大佬Intel更是将工艺飙到14nm!对CPU、GPU有了解的同学都知道,半导体工艺提升,可以用更小的面积实现更复杂的架构设计,同时还能降低功耗(发热),提升频率(超频更容易),性能提升。所谓多少纳米技术,可以理解为在芯片上刻画的精细程度。然而在CMOS图像传感器上,其精细程度远没到CPU那么极端,所以我们看到即便是索尼,在制造CMOS影像传感器(尤其大尺寸)其工艺也挺“落后”的,可以说“用不上”那么精细的工艺。但大家要清楚现在用不上不代表未来不用,随着传感器像素越来越高,以及内置相位检测点,传感器结构越来越复杂,工艺上其实也需要一定提升,只不过不是那么快那么新潮,比如D800的高像素传感器的工艺还是比D3X先进一些。

 

 

同像素 传感器性能提升,带来更好的色深、宽容度、动态范围

  至于工艺对于传感器画质是否影响?小编认为答案是肯定的,关键在于这种改善的程度,是否有大家想象那么大。我们这里以索尼传感器进化为例!我们选择尼康的D3X(2008年)、D600(2012年)、D750(2014年)在DxO Mark的测试结果进行对比。之所以选择他们是因为同品牌的三款产品有效像素相近,均为2400万,差异在三者的传感器工艺、处理器算法等方面上。

 

动态范围对比 我们可以看到D600/D750明显优于D3X

高感对比 D600/D750也优于D3X,尤其ISO400之后差距稍微拉大

影调范围  D600/D750也优于D3X

色深方面D600/D750也优于D3X

  从DXO的实测来看,D600/D750凭借工艺的改进确实传感器性能比D3X更为优秀,所以说传感器也如人,不服老是不行的。另外我们也可以看到D750的传感器虽然是D600/D610的改进型(读取速度更快 支持60p视频),但在画质上并没在D600面前占什么便宜,这也印证了同工艺的产品即使有所改进也是微调某方面性能改进,画质本身没什么改善。(索尼 α7与索尼 α7II同理

 

 

  回到佳能,我们可以看到绝对是工艺上有了进步,才会在EOS 70D上实现两倍于有效像素的光电二极管数量。如此高密度工艺制造约5060万像素的全幅芯片,自然不是问题。那么佳能现今量产能实现多高像素?还能有哪些像素段位?索尼又能制造多高像素?小编觉得这些问题我们没必要非要弄清传感器工艺,只要保持单位像素单元尺寸不变(近似),扩大至全画幅,便会大体预测出理想情况下的像素数!

 

推算像素表格(点击放大)

注:以上仅仅是根据单位像素尺寸相似情况下扩大传感器尺寸进行推算,不一定是两者工艺有关联

佳能EOS 750D/EOS 760D搭载新型约2420万有效像素CMOS

  如果按比例EOS 70D放大到全画幅,其像素非常接近EOS 5DS/EOS 5DS R,以此类推我们会发现,佳能如果以最新的EOS 750D/EOS 760D为基础扩大,最高可实现6195万像素,而约5060万以下能实现4608万像素、3865万像素、3123万像素三档,需要注意的是这些都是运算的理论值,实际成品其总像素数/有效像素要低于这些数值200-400万不等。佳能推出5Ds是想让5D系列开枝散叶,犹如当年1D和1Ds那样,那么EOS 5D Mark III的后续机EOS 5D Mark IV将偏重高感速度型,其有效像素不会高很多,应该在3000万像素以下,实际产品应该在2500万-2800万有效像素。至于EOS-1DX的后续机则是高感速度型的新巅峰,像素增加不会很多,大约在200-400万之间,这样的话EOS-1DX的后续机有效像素在2000万-2200万之间,也就是在EOS-1Ds Mark III/EOS 5D Mark II和EOS 6D之间,但大家要注意EOS-1DX后续机在保证比EOS-1DX更高(或相当)连拍速度的同时可实现与当年的EOS-1Ds Mark III同等像素,这才是真正达成当年EOS-1DX倡导的“高速”和“高分辨率”合二为一的理念!要知道当年EOS-1DX出来,被厂商宣称是二合一新旗舰,很多人都质疑其像素低于EOS-1Ds Mark III/EOS 5D Mark II/EOS 5D Mark II,如何兼顾高分辨率?佳能方面当时的解释是由连拍速度与像素数的均衡决定的。(与像素更高的1Ds Mark III相比)从噪声角度来看,EOS-1Ds Mark III的最高常用感度为ISO1600,EOS 1DX则为ISO51200,无法同日而语。而且由于像素变大、色彩的再现性也得以提升。说白了还是吹高感,在两者像素差距不大时候,较高ISO区间EOS-1DX能够逆袭反超罢了。当然有同学会发现EOS-1DX后续机如果做到2000万-2200万有效像素,只是做到当年的“二合一”,同期仍然是佳能全画幅产品线中像素最低的一款!

 

  有眼尖的朋友会问6195万像素那个能实现吗?小编觉得这只是理论数据,如果考虑到画质因素,像素尺寸还是会大点,有效像素顶多5800万左右,这款产品还需要传感器技术进一步成熟,相信会成为5Ds后续机的一个选择。

 

 

索尼为尼康D810提供的约3635万有效像素传感器(无光学低通滤镜)

D810的传感器经过尼康精心调教

  至于佳能的对立面——索尼/尼康,先说尼康如果按照D3200进行推算全画幅也可能造出最高5400万像素的传感器(实际产品应该在5000万上下),但显然尼康即使自己和瑞萨合作遇到困难,也可以选择“索尼大法”,如果按照D7000“衍生”D800作为推算依据,那么使用D7100/α6000的传感器扩大到全画幅,可达5420万的高像素(实际产品在5100万左右)。有网友可能会说为何佳能用老产品EOS 70D计算,而到了索尼却用较新的D7100/α6000算?道理其实很简单,大家可以看一下表格,其实2400万像素的APS-C传感器,索尼/东芝有两三种,而最老一代要追溯到α77/NEX-7的时代,所以我们可以推测索尼此类工艺已经成熟,制造5000万像素全画幅传感器已经不是问题。除了最高这一档,往下到3600万之间,还有4522万像素这一档(实际产品在4200万左右),将来该传感器会用来替代目前的2400万全画幅机型。

  

前照式与背照式对比

背照式与堆栈式对比

以往大尺寸传感器由于先天尺寸因素 单位像素感光面积较大 所以没必要采用工艺复杂的背照式(甚至堆栈式),因为并不明显,如今像素大幅提升像素尺寸越来越小急需设计结构改善

  有人会说你这样算没意思,你看三星的NX1/NX500的APS-C背照式传感器已经高达2820万有效像素(总像素约3070),而索尼1英寸Exmor R CMOS更是高达约2020万像素!(手机搭载的1/2.3索尼堆栈式传感器也达到2100万像素)按照这样算全画幅像素理论值可分别达6345万像素和8080万像素,这样的像素规模已经达到现今中画幅后背的级别。对于这种传统马赛克结构传感器,如果做到如此高像素就要采用新的工艺及结构,那么背照式、堆栈式的设计可能会应用到全画幅传感器上,以拯救急剧减少的单位像素感光面积。不过小编已经有些厌烦这种单纯堆积像素的模式,非常期待有撷取所有RGB色光的新型大尺寸传感器出现,已达成真正全色彩图像拍摄的目的。

 

 

传统马赛克与适马X3对比  X3可谓“真彩”传感器  不过工艺过于复杂,高感、读取速度等方面均不理想

 

传感器更大 可以承受飙像素!

  至于中画幅传感器由于CMOS的介入,自然水涨船高,像飞思IQ250、哈苏H5D-50C、理光(宾得)645Z等产品虽然达到5000万像素像素,但考虑到较大的传感器尺寸,其单位像素尺寸也有5.3微米,这一指标比D800还要大一点。如果索尼这块“645残幅”CMOS的尺寸能做到标准“645”的水准,那么几亿像素、几十亿也不是什么天方夜谭。

 

 

尼康D800的普通低通滤镜与D800E“无效”低通滤镜   索尼 α7R的低通设计

佳能对EOS 5DS R“无效”低通的解析

  我们知道很多中画幅机型由于像素极高,很早就摘掉低通滤镜以获得最强解析力,在全画幅乃至APS-C圈中,还要从尼康D800E的试水开始,此后各家推出的高像素机型,均采用无效低通滤镜或无低通滤镜的设计来释放高像素的威力,犹如脱缰野马。

 

佳能EOS 5DS 的样张 局部放大 满足数毛党!

  从上文论述我们不难看出,马赛克刷像素依然有很大提升空间,全画幅3600万像素、5000万像素绝不是尽头仅仅是让大家觉得“高”的开始!未来厂商要做的事情还有很多,比如读取速度、图像处理速度、缓存容量等等,更高的像素会给传感器应用带来更多可能性,比如:多种剪裁(数码缩放)、四合一缩像(如8000万的sRAW也可达2000万)、双像素AF普及(无反淘汰单反)等等。总之未来是一片光明。

 

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