视网膜结构与CMOS结构的微妙联系

自古以来人们一直对生物界中“眼睛”这个器官抱有兴趣。19世纪,在研究中麦克斯韦创造性的提出了人眼的感色原理:RGB混合;并由此创造了彩色摄影术。上个世纪电子显微镜诞生之后,人类得以从微观角度深入研究视网膜的感光原理。这方面的研究也启发了人们对数字感光元件的研究,CMOS的结构也和高等动物的眼睛有很多相似之处。

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如上面所示,那正是人眼的结构。

不过我们主要对视网膜感兴趣,下面有一张人眼视网膜的剖面的电镜照片。大家都会理所当然的认为光线是从上面照下来,引起视觉细胞的反应的。不过这个图和大家开了个玩笑,它是上下颠倒的。也就是说,光是从下面入射的,上面的栅格状结构确实是感光细胞;但光线要先穿过下面那些错综复杂的信号传递细胞,也就是视神经网。根据解剖学资料,下面这层错综复杂的细胞结构会预先处理临近一些视锥细胞的感知,然后把信号传递到主要的视神经,进而送到大脑皮层。现在生理学上的一些研究指出了,视网膜的结构与大脑也有一定的相似之处,甚至可以算作大脑的低级延伸结构,它有低阶的处理能力(这解释了为什么看黑白相间的转盘会看出色彩一类的视觉问题,那些问题并没什么物理上的特别之处,物理上根本不会给出看见彩色的预测)。

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CMOS的结构与视网膜结构有很多类似之处,最主要的就是:在感光的光电二极管之上布置有数据传输的电路,每个像素都配备可以进行前端处理的放大器。光先穿过一些复杂电路层,然后才开始参加光电转化。

说到单个细胞的感光,那么多说两句。人有视锥细胞和视杆细胞两种视网膜细胞,视锥细胞提供了良好光线条件下的感色能力和较好的分辨力。视杆细胞提供了良好的夜视能力,但是不能辨色。下面是两种细胞的感光特性曲线。

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你可以看见虚线是视杆细胞,实线是视锥细胞的曲线。视锥细胞的曲线峰值接近5500Å,视杆细胞的曲线峰值则接近5000Å。这两种细胞都对绿色区很敏感——这就是我们对绿色敏感的原因。另外,视杆细胞对红色很不敏感,这解释了为什么你在晚上很难看清红色东西。

下面是视杆细胞的电镜照片。你可以更仔细地看见构成视网膜的栅格结构由更细小的横向栅格构成。

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OS区内的这些栅格内部有对光敏感的蛋白质(通常是一种叫视紫质的东西)。大体的感光原理在生物学上或许不清楚,不过物理上倒是很容易说明:光子与蛋白质的某个不太稳定的键相互作用,然后有些微妙的能量变化,进而传导出去。你会发现光从下面穿到上面还要经过一些无关紧要的细胞器之类的东西(那些带褶皱的像草履虫一样的东西就是线粒体,为视杆细胞提供能量)。好在,他们对感光影响不算大。

尽管说影响不大,不过只要是有东西总会有影响,更何况这些细胞器下面还有传递信息的神经细胞交缠呢!

大自然在一种最高级的无脊椎动物上修正了这个理论上不算问题的问题。我们不谈高级的哺乳动物,在无脊椎动物里面,大家都会公认章鱼是最高级的这类动物的。这是章鱼的眼睛的结构:

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众所周知章鱼的神经系统高度发达,它的眼睛也跟脊椎动物的结构差不多。但是不要以为章鱼的眼睛是从我们的祖先那里进化来的。章鱼生活在水下,能接收到的光线很少,因此就需要眼睛有更高的感光效率。于是就造就了这自然的巧合——一个结合了高级哺乳动物眼睛的结构优势,又有独特的先进感光层的眼睛。章鱼跟我们有一样的角膜,晶状体(LL处),视网膜等结构,但章鱼那独特视网膜完全不一样:它的细胞结构和我们是反的。也就是说,光线直接照到那些“栅格”(R处,上图的OS区) ,感光细胞的下面才是神经系统。这个结构比我们高级多了。这不就是背照式CMOS的结构么! 但这样的结构或许不够好,又或许是历史的沿革,否则我们作为发达程度最高的动物,大自然早该让我们用这结构了。

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在A7RII之前的全画幅传感器不用背照式CMOS的原因是什么?实际上背照式传感器的结构不太适合大型CMOS。没有最好的制造工艺,背照式CMOS会有很多制造困难。回头看,生物上我们眼睛不是“背照式”的原因又是什么?那就只能去问自然了。也许是为了避免搞出来有缺陷的眼睛吧哈哈哈。

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