佳能在2010年制造出1.2億像素的CMOS感應(yīng)器，引起了人們的關(guān)注。此后研發(fā)組接到的下一個任務(wù)是要研發(fā)性能翻倍的具有2.5億像素的感應(yīng)器。像素要更細(xì)微，周邊電路要更高速。這樣的難關(guān)研發(fā)組是怎樣攻克的呢？

——像素高達(dá)2.5億，距18千米遠(yuǎn)的飛機機身上寫的字也能識別。這個CMOS感應(yīng)器是在什么時間點開始研發(fā)的呢？

領(lǐng)木達(dá)也
佳能早在2010年就已制造出1.2億像素的CMOS感應(yīng)器。1.2億像素相當(dāng)于人的視覺細(xì)胞數(shù)。而接下來的富有挑戰(zhàn)性的項目就是在此基礎(chǔ)上還要實現(xiàn)性能翻倍，以展現(xiàn)更大的優(yōu)勢。就這樣，我們開始了2.5億像素的影像感應(yīng)器的研發(fā)工作。

高田健司
像素數(shù)只增加到1.3億、1.4億這種水平的話，很快就能被別的公司追上來，所以要搞就搞個翻倍的出來，目標(biāo)朝著世界第一去（笑）。

領(lǐng)木
不僅是增加像素數(shù)，為了實現(xiàn)美麗的圖像，我們還下功夫提高了每個像素自身的性能。費了很大的勁兒，但是我認(rèn)為達(dá)到了當(dāng)初設(shè)定的目標(biāo)性能。

對拍攝的影像（左側(cè)照片）進(jìn)行電子變焦，然后再運用圖像處理技術(shù)。人眼難以識別的約18千米遠(yuǎn)正在飛行的飛機上的文字可以識別（右側(cè)照片）
（使用樣機拍攝的照片。樣機上用的是EF800mm遠(yuǎn)攝鏡頭與電子變焦。）

——2.5億像素這個目標(biāo)是不是相當(dāng)?shù)挠须y度啊？

領(lǐng)木
感應(yīng)器芯片的大小是受限制的，必須在有限的尺寸里容納下所有的要素。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要3個部門的緊密合作，這3個部門是：對CMOS感應(yīng)器上的像素構(gòu)造進(jìn)行研發(fā)的部件設(shè)計部門；對制造工藝進(jìn)行研發(fā)的過程研發(fā)部門；以及生產(chǎn)工廠。

鳥居慶大
當(dāng)時過程方面有兩大課題：一個課題是要在與之前同樣面積的芯片上放進(jìn)兩倍的像素，為此要更加細(xì)微化；另一個課題是變小了的像素怎么能吸收進(jìn)光。

木戶滋
CMOS感應(yīng)器的像素單元由很多半導(dǎo)體元件構(gòu)成，所以需要對像素單元進(jìn)行均勻地制造。也就是說，要讓導(dǎo)入的光均勻地照射在所有像素上。所以與存儲卡等其它半導(dǎo)體相比，CMOS感應(yīng)器在制造中同時要求細(xì)微化和均勻化的程度更高。因此在工廠制造階段想提高其成品率變得更難。

鳥居
例如，之前的話，有1微米的塵埃混入則不合格，而這次由于更加細(xì)微化，有0.1微米的塵埃混入就會成為不合格品。

——像素是2.5億時，處理的數(shù)據(jù)量也翻倍是吧。

領(lǐng)木
毎秒拍5張的話，也就是1秒鐘要處理來自12億5,000萬像素的信號，所以周邊電路需要高速工作。CMOS感應(yīng)器的制作過程由形成電子回路的過程和形成像素的過程這兩部分組成，在讓這兩部分匹配上我們花了很大力氣。

——什么地方需要花力氣了呢？

搭載了2.5億像素CMOS感應(yīng)器（右側(cè)照片）的樣品相機（左側(cè)照片）
（裝載EF35mm F1.4L USM鏡頭時）

領(lǐng)木
對于電子回路的話，應(yīng)該采用與以往相比能以更低電壓進(jìn)行高速運轉(zhuǎn)的周邊電子回路的制作過程。可是這樣的條件在像素的制作過程中如果采用，有可能對像素的特性帶來不良影響。在研發(fā)初期，我們曾試著采用過新的高速回路制作過程制作芯片，結(jié)果像素的特性完全出不來。即使拍攝黑色畫面也會發(fā)生無數(shù)的白色光痕。

我們把芯片實際切開觀察了截斷面，發(fā)現(xiàn)如果在像素制作過程中使用周邊電子回路制作過程中使用的溫度，那么對于像素制作過程而言這個溫度是不夠的。

大貫裕介
基于這樣的結(jié)果，我們擔(dān)任像素工作的組進(jìn)行了模擬測試，找到了一個大致基準(zhǔn)，即在什么樣的條件下能使周邊電子回路制作過程和像素制作過程都能成功，然后向電子回路設(shè)計組和制作工藝組進(jìn)行了提案。

鳥居
設(shè)計、制造工藝、工廠這三者密切合作，各擔(dān)任人員能碰頭見面，我認(rèn)為這是大有好處的。

2017年元旦報紙上的佳能廣告里，刊登了色彩鮮艷的平等院鳳凰堂的照片。其實這張平等院鳳凰堂的照片是在午夜時分拍攝的。午夜里也能拍出像白晝一樣的照片，為了實現(xiàn)這樣超高感光度的感應(yīng)器，研發(fā)者們下了怎樣的功夫呢？

——元旦報紙上的平等院鳳凰堂的照片初看好像就是經(jīng)常會見到的風(fēng)景照片，沒想到竟然是在夜里拍攝的。這個感應(yīng)器的性能讓我感到吃驚。

佳能首個超高感光度多用途相機“ME20F-SH”

赤堀博男
佳能在2013年研發(fā)了一款專用于拍攝視頻的35mm全畫幅超高感光度CMOS感應(yīng)器。該感應(yīng)器可在只有一炷香亮度的黑暗室內(nèi)（照度0.05x0.01lux）實現(xiàn)視頻的拍攝。

此后，在2015年佳能又研發(fā)出更成熟的可在0.0005lux以下拍攝彩色視頻的感應(yīng)器，并發(fā)售了搭載該感應(yīng)器的佳能首個超高感光度多用途相機“ME20F-SH”。廣告里的平等院鳳凰堂照片正是使用這款相機拍攝的。

——與市場上銷售的數(shù)碼單反相機相比，它的感光度確實有很大的優(yōu)勢呀。

午夜中的平等院鳳凰堂的照片

赤堀
與佳能數(shù)碼單反相機的較高端機型“EOS-1D X Mark Ⅱ”相比，像素尺寸達(dá)到了7.5倍以上。在ISO感光度方面，一般來說3200左右是拍攝的上限，但是超高感光度CMOS感應(yīng)器達(dá)到了400萬。

以往我們一般的作業(yè)方式是：由事業(yè)部先定規(guī)格，然后由研發(fā)部按照事業(yè)部的要求進(jìn)行感應(yīng)器的研發(fā)。但是今后我們（研發(fā)部門）想自己主動考慮技術(shù)上的路線圖，積極向事業(yè)部提出新的影像感應(yīng)器提案。這個超高感光度感應(yīng)器就是為此而走的第一步。

所以如果只是“ISO感光度提高到1.XX倍”的話，在技術(shù)上沒有什么震撼力。所以為了能有震撼力，而且能與我們擁有的技術(shù)相吻合，還能與市場需求相吻合，我們在研發(fā)中的口號是“實現(xiàn)超過數(shù)碼單反較高端機的ISO感光度！”。

——為了提高感光度，你們下了什么樣的功夫呢？

單個像素內(nèi)的構(gòu)造

赤堀
CMOS感應(yīng)器的像素內(nèi)的構(gòu)造是這樣的：感應(yīng)器各像素內(nèi)的微透鏡把到達(dá)該像素的光進(jìn)行較大限度的獲取，并送至能檢測光的光電二極管。

為了能達(dá)到高感光度，需要讓每個像素尺寸變大，這樣就可以增加對光的吸收量。剛才也說過了，我們把像素的尺寸擴(kuò)大到了以往單反相機的約7.5倍以上。但是這樣一來，不僅出現(xiàn)讀取信息費時間這個感光面積大就必然會有的難題，而且大尺寸微透鏡的設(shè)計，以及在批量生產(chǎn)方面等等，都碰到了難題，進(jìn)行了一番苦斗。

設(shè)計了光電二極管內(nèi)的多級臺階勢能構(gòu)造

例如，在讀取信息方面，我們下了不少功夫。所謂的讀取信息，具體說來就是通過光電二極管把光轉(zhuǎn)變成電子，然后經(jīng)由晶體管，誘導(dǎo)至讀取的電子回路。我們利用了（佳能）在研發(fā)觀測天體用的巨大CMOS感應(yīng)器時積累的技術(shù)，為了能讓電子便于流動，我們想到了把像素內(nèi)做成多級臺階的勢能構(gòu)造。但是臺階數(shù)、形狀、角度等等，坡道的構(gòu)造可以有幾萬種。于是我們通過龐大量的模擬測試進(jìn)行了優(yōu)化，終于使大尺寸像素也能高效地讀取信息。
 

木戶

與其它感應(yīng)器相比，超高感光度感應(yīng)器發(fā)出的電平較高，因此即使受到丁點兒塵埃或金屬的污染，也會帶來很大的影響。所以（對超高感光度感應(yīng)器）進(jìn)行批量生產(chǎn)的工廠，需要徹底控制這些污染。

所以搞新的嘗試總之就是要經(jīng)過設(shè)計、工藝、制造三方的反復(fù)試驗反復(fù)失敗。我們相關(guān)的研發(fā)人員真的是一起合作進(jìn)行了反復(fù)的試驗。

一般的CMOS感應(yīng)器在拍攝高速移動的電車等時，由于受其感光原理的限制，拍攝出的被攝體有時會發(fā)生扭曲。如果是搭載了全域快門功能的CMOS感應(yīng)器，就能防止這種現(xiàn)象。但是全域快門的研發(fā)可并不是一帆風(fēng)順的。研發(fā)者們靠什么樣的思路轉(zhuǎn)換解決了寬動態(tài)范圍與全域快門的矛盾？

——你們研發(fā)出了搭載“全域快門功能”的CMOS感應(yīng)器，那么這個“全域快門功能”究竟是什么呢？

大貫
數(shù)碼相機和攝像機等機器在記錄影像時，根據(jù)照射在CMOS感應(yīng)器像素上的光的強弱，電子會相應(yīng)地積蓄，而讀取此電子，就可以得到圖像數(shù)據(jù)。

一般的CMOS感應(yīng)器采用的是卷簾快門，以“行”為單位進(jìn)行像素的曝光和電子的讀取。因此，較初曝光的行和較后曝光的行之間會產(chǎn)生時間差。其結(jié)果是當(dāng)拍攝正在行駛的電車或是正在旋轉(zhuǎn)的螺旋槳時，被攝體有時會發(fā)生扭曲，還有當(dāng)在拍攝過程中使用閃光燈的話，有時會發(fā)生圖像的上部和下部亮度不同的現(xiàn)象（flashband現(xiàn)象）。

——哦，我也曾看到過扭曲的電車的影像，原來原因是出于此啊。

大貫
如果是全域快門的話，由于所有的像素是在同一時間點曝光，所以扭曲或是上下亮度不同的現(xiàn)象（flashband現(xiàn)象）就不會發(fā)生了。

卷簾快門和全域快門的比較

——那么這個是怎么實現(xiàn)的呢？

大貫
你可以把CMOS感應(yīng)器的每個像素看作是水桶一樣的東西。卷簾快門方式的CMOS感應(yīng)器的話，它的每個像素只有一個用來接受光的光電二極管這樣一個水桶，需要從這個水桶依次讀取電子。

而全域快門方式的CMOS感應(yīng)器的話，除了有接受光的光電二極管這個水桶外，還有第二個水桶，就是臨時存儲光電二極管電子的存儲器。把所有光電二極管水桶的電子在同一時間點輸送到存儲器水桶，這樣就實現(xiàn)了全域快門。

但是在這個方法上我們遇到了很大的問題。

——是什么問題？

大貫
在單個像素里要有兩個水桶（二極管水桶和存儲器水桶），那么每個水桶自然就要小了。

比如如果是10L的水桶的話，可以表現(xiàn)從“沒有水”到“水滿10L”的狀態(tài)，而如果是5L的水桶，那么與10L的水桶相比，能表現(xiàn)的狀態(tài)就會少了。

影像感應(yīng)器的一個重要性能指標(biāo)是叫做動態(tài)范圍的東西。它指的是信號的較小值與較大值的比率，你把它想成就是水桶的大小可能比較容易理解。越是大的水桶，也就是動態(tài)范圍大的話，亮度和顏色的表現(xiàn)力也就越大。

所以全域快門和動態(tài)范圍是一對互不兩立的矛盾，需要想辦法解決。為了解決這個難題，我們開發(fā)了新的驅(qū)動方式。

在此之前，我們考慮的是全域快門方式的光電二極管水桶和存儲器水桶做成一樣大，而后來考慮新的驅(qū)動方式時，在光電二極管水桶和存儲器水桶的大小上，以及在（電子的）輸送方法上下了功夫。

——這個想法是怎么產(chǎn)生的？

大貫
從各種工種中選出一些人員，由選出的人員一起研究討論怎樣既能實現(xiàn)全域快門又能實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的問題。大家的工種不同，討論時也有討論不到一起去的時候，但也正是由于各自的領(lǐng)域不同，彼此都尊重對方的發(fā)言，不會輕易否定，所以才有了各種不同的看問題的角度，在此基礎(chǔ)上形成方案，方案出來后又馬上嘗試。我們就是這樣反復(fù)進(jìn)行了各種嘗試。這其中的一個嘗試，就是新驅(qū)動方式。

這一技術(shù)不是憑空產(chǎn)生的，而是大家一起千辛萬苦思考解決方法，較終才誕生出來的。

影像感應(yīng)器的需求量急劇增加，這些需求主要來自工業(yè)機械、汽車等新領(lǐng)域。如何才能夠迅速研發(fā)出這些領(lǐng)域所需求的感應(yīng)器，并投入市場呢？面對與一般消費者完全不同的市場，研發(fā)者們已經(jīng)開始了新的挑戰(zhàn)。

——此前佳能自己研發(fā)的影像感應(yīng)器都是用于自己公司生產(chǎn)的數(shù)碼相機等中，但是聽說今后要把影像感應(yīng)器對外銷售是吧。

高田
佳能在2015年1月設(shè)立了銷售推進(jìn)項目，要在今后嘗試影像感應(yīng)器的對外銷售。超多像素、超高感光度的感應(yīng)器，它主要是為了宣傳佳能的技術(shù)，其對象是一些相對比較小眾的市場。

而另一方面，全域快門是今后成為工業(yè)用相機主流的拳頭產(chǎn)品。

——請具體說明一下好嗎？

高田
現(xiàn)在不僅是日本的制造業(yè)，包括美國等國家的制造業(yè)都有一個動向在擴(kuò)大，就是把曾經(jīng)去國外建的工廠又重新搬回國內(nèi)。但是為了能在這些人工費用高的發(fā)達(dá)國家進(jìn)行制造，實現(xiàn)自動化以降低成本是必需的。因此，對自動進(jìn)行產(chǎn)品檢查的相機等的工業(yè)用相機的需求今后應(yīng)該是有很大增長的。

除了工業(yè)用相機領(lǐng)域以外，在汽車領(lǐng)域的需求應(yīng)該也會增加。在負(fù)責(zé)制訂汽車國際標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇上，從2017年6月開始，相機與監(jiān)視器組合來替代后視鏡使用已經(jīng)在國際上被認(rèn)可，另外，也正在討論是否要強制要求在汽車上安裝緊急情況時的自動剎車裝置。在這些用途方面，影像感應(yīng)器起著重要的作用。

——面向一般消費者的商品企劃與面向工業(yè)用途的商品企劃也不一樣吧？

高田
面向一般消費者的相機，是人來使用的。可是工業(yè)用、汽車用的相機是嵌入到機器里被使用的。工業(yè)機器要保證在365天每天24小時運轉(zhuǎn)也不能壞，而汽車則需要在炎炎烈日下或是零度以下的嚴(yán)酷環(huán)境也能正常工作。

佳能制造的影像感應(yīng)器的畫質(zhì)我想是毋庸置疑的，但是今后除了畫質(zhì)外，在耐久性、耐環(huán)境性能方面展現(xiàn)出自己優(yōu)勢應(yīng)該也會變得重要起來。

大貫
迄今為止影像感應(yīng)器都是為了用來記錄人眼所捕捉到的影像。但是今后將逐漸用于超過人眼的用途。例如用來觀察可視光以外的范圍，例如在極其黑暗或極其明亮的地方拍攝，再例如捕捉超高速運動物體的影像等。在這些“感知”用途上應(yīng)該可以大顯身手。

——也就是說影像感應(yīng)器的作用會發(fā)生很大變化是吧。那么為了研發(fā)這樣的新產(chǎn)品，研發(fā)者們應(yīng)該怎樣做呢？另外，想和什么樣的人一起工作呢？

高田
要以世界范圍的市場為目標(biāo)，有成為“世界第一”的雄心。這可能是很重要的吧。

木戶
剛才話題也說到，面向一般消費者與面向工業(yè)這二者，在對影像感應(yīng)器規(guī)格上的要求是不一樣的。所以需要順應(yīng)變化，要有勇于投入到新領(lǐng)域的積極向上的精神。

赤堀
產(chǎn)品研發(fā)是整個團(tuán)隊來進(jìn)行的工作，所以要相互關(guān)注彼此的狀況，在此基礎(chǔ)上推進(jìn)才能夠順利。我想和這樣的人一起工作，就是不僅對自己的專業(yè)領(lǐng)域，對周圍其他領(lǐng)域的技術(shù)也能夠正確理解，而且有溝通能力的人。

鳥居
我擔(dān)任的是制造工藝技術(shù)。但是我在進(jìn)入佳能之前，對半導(dǎo)體可以說是一無所知。我們半導(dǎo)體組里，半導(dǎo)體專業(yè)出身的人有沒有10%都不好說。今后的半導(dǎo)體行業(yè)，除了生物以外的所有領(lǐng)域，例如物理、化學(xué)、電氣等，都會和它有關(guān)系。所以希望有各種不同視野的人加入進(jìn)來。

大貫
我在大學(xué)學(xué)的是機械專業(yè)，進(jìn)入佳能時對半導(dǎo)體也是完全不懂。CMOS感應(yīng)器現(xiàn)在也不僅是用在數(shù)碼相機上了，所以有不同的技術(shù)背景是會有好處的。剛才鳥居說“除了生物以外”，可是CMOS感應(yīng)器在醫(yī)療方面的應(yīng)用現(xiàn)在也在發(fā)展，今后也許生物方面的知識也會派上用場。我們想要這樣的畢業(yè)生來加入，就是不管自己在學(xué)校學(xué)的是什么專業(yè)，總之進(jìn)入佳能是因為有想要干的事。

領(lǐng)木
10年來我一直從事CMOS感應(yīng)器的研發(fā)，在工作中我認(rèn)識到：意想不到的問題肯定會發(fā)生。可是單靠一個人能解決的問題真的是很少。只有靠周圍人的幫助，才能夠解決。讓周圍的人加入進(jìn)來，自己也幫助周圍的人。為此要學(xué)習(xí)各種知識。我確實感到這種彼此合作彼此照顧（Give and take）的精神很重要。

在采訪中也談到CMOS感應(yīng)器的用途不僅停留在數(shù)碼相機，而是正在擴(kuò)展到各種領(lǐng)域。人們用相機記錄影像留住記憶的行為，在CMOS感應(yīng)器的用途里已經(jīng)只占一小部分了。當(dāng)電子設(shè)備認(rèn)知現(xiàn)實世界并作用于現(xiàn)實世界時，幾乎可以說在其中一定是要有影像感應(yīng)器存在的。

現(xiàn)在數(shù)碼相機的市場確實是在縮小，但是遠(yuǎn)大于此的巨大市場已經(jīng)誕生。圍繞這個市場，全世界正在展開激烈的競爭。

在急速擴(kuò)大的市場中，怎樣才能抓住多樣化的用戶需求？

在佳能，設(shè)計、工藝、制造等各部門在進(jìn)行著緊密的合作。這對于掌握用戶需求并迅速進(jìn)行產(chǎn)品化來說是有很大好處的。今后究竟會誕生出怎樣的感應(yīng)器？讓我們拭目以待吧。

采訪與撰稿
山路 達(dá)也（Yamaji Tatsuya）
生于1970年。曾擔(dān)任雜志社編輯工作，后獨立成為自由撰稿人/編輯人。目前活躍在IT、科學(xué)、環(huán)境領(lǐng)域，從事采訪和寫作活動。
著書有《Apple、Google成為神的日子》（與他人合著）、《新超傳導(dǎo)入門》、《Google的72小時》（與他人合著）、《彈言》（與他人合著）等。

此次“訪談”的研發(fā)人員