感光元件

感光元件是數(shù)碼相機(jī)的核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。有兩種主要類(lèi)型的光敏元件：CCD(電荷耦合)CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)功能作為手機(jī)新的拍攝功能，和你平時(shí)看到的低端不一樣（10萬(wàn)-130萬(wàn)像素）數(shù)碼相機(jī)相同。大部分手機(jī)的數(shù)碼相機(jī)感光元件基本都是CMOS。感光元件也叫圖像傳感器。

感光元件

感光元件的發(fā)展（CCD、CMOS、Exmor R CMOS）

CCD是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的鮑爾和史密斯于1969年發(fā)明的。到了80年代，CCD圖像傳感器雖然存在缺陷，但由于不斷研究，最終克服了困難，并在80年代后半期制造出了高分辨率高質(zhì)量的CCD。90年代制造出百萬(wàn)像素的高分辨率CCD，CCD的發(fā)展更是迅猛CCD發(fā)展至今已有20多年。進(jìn)入90年代中期后，CCD技術(shù)發(fā)展迅速，同時(shí)CCD的單位面積越來(lái)越小。但為了在縮小CCD面積的同時(shí)提高畫(huà)質(zhì)，索尼在1989年開(kāi)發(fā)了SUPER HAD CCD這種新的光敏元件依靠CCD模塊內(nèi)部放大器的放大作用，在CCD面積減小時(shí)提高圖像質(zhì)量。后來(lái)新的 STRUCTURE CCD陸續(xù)出現(xiàn)、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術(shù)（專(zhuān)為SONY F828設(shè)計(jì)）富士數(shù)碼相機(jī)使用超級(jí)CCD（Super CCD）Super CCD SR。

對(duì)于CMOS來(lái)說(shuō)，便于大規(guī)模生產(chǎn)，速度快、低成本將是數(shù)碼相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向。在佳能等公司的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推出，高動(dòng)態(tài)范圍CMOS器件應(yīng)運(yùn)而生這項(xiàng)技術(shù)不需要百葉窗、光圈、自動(dòng)增益控制和伽馬校正的需要使其接近CCD的成像質(zhì)量。此外，由于CMOS固有的可塑性，可以在不增加太多成本的情況下制造具有高像素的大型CMOS感光體。相對(duì)于CCD的停滯不前，CMOS作為一個(gè)新生事物顯示出了強(qiáng)大的生命力。C MOS感光器作為數(shù)碼相機(jī)的核心部件，已經(jīng)逐漸取代CCD感光器，有望在不久的將來(lái)成為主流感光器。

Exmor R CMOS背光技術(shù)傳感器提高了傳統(tǒng)CMOS傳感器的靈敏度。Exmor R CMOS采用與普通方法相反的方法、向沒(méi)有布線層的一側(cè)照射光的背面照射技術(shù)具有低開(kāi)口率的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗皇芙饘匐娐泛途w管的阻礙（像素中光電轉(zhuǎn)換部分的面積比）可以增加到將近100%與其以往1.與間隔為75μm的表面輻照產(chǎn)品相比，背面輻照產(chǎn)品更敏感（S/N）上具有很大優(yōu)勢(shì)。索尼Cyber-新拍攝產(chǎn)品——WX1和TX1首次在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域采用了全新的Exmor R CMOS傳感器。這款Exmor RCMOS傳感器的感光度是過(guò)去同尺寸傳感器的兩倍，因此在光線不好的環(huán)境下拍攝時(shí)，可以大大降低噪點(diǎn)，獲得更清晰的圖像。在此后的實(shí)際測(cè)試中，也表明這兩種賽博-Shot數(shù)碼相機(jī)不僅提供高達(dá)ISO 3200的高感光度，而且具有出色的噪聲抑制能力。同時(shí)這兩款數(shù)碼相機(jī)還提供手持夜拍、全景掃描等一系列高級(jí)功能也是新一代圖像傳感器的技術(shù)延伸。傳統(tǒng)的CMOS傳感器需要每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)A/d轉(zhuǎn)換器和相應(yīng)的放大電路，因此，這部分電路會(huì)占用更多的像素面積，直接導(dǎo)致光電二極管的實(shí)際感光面積變小，感光能力變?nèi)酢CD的單個(gè)像素不需要/d轉(zhuǎn)換器和放大電路，光電二極管可以獲得更大的實(shí)際感光面積和更大的開(kāi)口率，所以在小尺寸圖像傳感器領(lǐng)域，CCD還是占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，而在大尺寸圖像傳感器領(lǐng)域，由于單個(gè)像素面積大，a/d轉(zhuǎn)換器和放大電路只占整個(gè)像素的一小部分，影響不大，所以CMOS傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。

而Exmor R CMOS將光電二極管“放置”在圖像傳感器芯片的頂層，放置一個(gè)/d轉(zhuǎn)換器和放大電路移至圖像傳感器芯片“背面”取代傳統(tǒng)的CMOS傳感器/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管的上層，“擋住了”一部分光線。這樣，通過(guò)微透鏡和濾色器進(jìn)入的光可以最大限度地被光電二極管利用，孔徑比可以大大提高即使小尺寸的圖像傳感器也可以獲得極好的高靈敏度。

相比之下，傳統(tǒng)表面照明CMOS傳感器的光電二極管位于整個(gè)芯片的最底層，而a/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管的上層，所以光電二極管離鏡頭更遠(yuǎn)，光線更容易丟失。同時(shí)，這些布線連接層也會(huì)阻擋從彩色濾光片到光電二極管的光路，直接導(dǎo)致感光度降低。Exmor R背照式CMOS傳感器解決了這個(gè)問(wèn)題。

CCD

光敏元件可移動(dòng)光學(xué)防抖(CCD防抖)

電荷 耦合3356器件由高靈敏度的半導(dǎo)體材料制成，由許多感光單元組成，通常以百萬(wàn)像素計(jì)。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)光敏單元都會(huì)將模塊上的電荷反射出來(lái)，也就是將光線轉(zhuǎn)化為電荷；所有光敏單元產(chǎn)生的信號(hào)相加形成一幅完整的畫(huà)面。然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，壓縮后存儲(chǔ)在相機(jī)內(nèi)部的閃存或內(nèi)置硬盤(pán)卡中。能夠生產(chǎn)CCD的公司有：索尼、飛利浦、柯達(dá)、松下、富士、夏普，大部分是日本廠商。

CMOS

互補(bǔ) 金屬-oxide  半導(dǎo)體和CCD一樣，是數(shù)碼相機(jī)中可以記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造工藝和一般的電腦芯片沒(méi)什么區(qū)別它主要是由硅和鍺構(gòu)成的半導(dǎo)體，這使得它在CMOS上與N共存（帶–電）和P（帶+電）由這兩種互補(bǔ)效應(yīng)產(chǎn)生的電流可以被處理芯片記錄并解釋成圖像。但是CMOS的缺點(diǎn)是太容易出現(xiàn)雜波。除了CCD和CMOS，還有富士公司獨(dú)家推出的 SUPER CCDSUPER CCD沒(méi)有使用傳統(tǒng)的方形二極管，而是使用八角形二極管像素呈蜂窩狀排列，單位像素的面積大于傳統(tǒng)CCD。將像素旋轉(zhuǎn)45度的結(jié)果，可以減少對(duì)圖像拍攝無(wú)用的冗余空間，聚光的效率比較高，使得效率提高后的光感、提高了信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。SUPER CCD的排列結(jié)構(gòu)比普通CCD更緊湊，像素利用率更高，也就是說(shuō)在相同尺寸下，SUPER CCD的光敏二極管光吸收程度更高，使得靈敏度更高、提高了信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。

尺寸：光敏器件的面積大小

像素：像素?cái)?shù)目越多、單個(gè)像素的尺寸越大，捕獲的光子越多，光敏性越好

信噪比：信噪比越高，采集的圖像就越清晰。

尺寸標(biāo)示

有兩種方法來(lái)標(biāo)記感光元件的大小，即光學(xué)格式（OF，Optical Format格式格式）和尺寸類(lèi)型。

光學(xué)格式

光學(xué)格式一般用感光元件的對(duì)角線長(zhǎng)度比來(lái)表示，即OF=對(duì)角線長(zhǎng)度/1英寸=對(duì)角線長(zhǎng)度/16mm。需要注意的是，這里的1寸不等于通常的25.4mm，但是16mm，也就是感光元件是12.8mm×9.在6mm時(shí)，它是一個(gè)1英寸的光敏元件。這種標(biāo)記方法多用于長(zhǎng)寬比為4∶3的袖珍數(shù)碼相機(jī)和消費(fèi)類(lèi)數(shù)碼相機(jī)光敏元件的尺寸范圍從1/5英寸到2/3英寸不等。

尺寸類(lèi)型

數(shù)碼單反相機(jī)的感光元件長(zhǎng)寬比為3∶2，其尺寸標(biāo)注方法不同，一般以感光元件的尺寸類(lèi)型標(biāo)注。主要分為全畫(huà)幅Full Frame（接近或等于135幀，比如佳能1Ds系列、5D Mark II的36.0mm×24.0毫米，尼康D3、D700的36.0mm×23.9mm，尼康D3x、索尼α900和第35條.9mm×24mm，佳能5D 35.8mm×23.9mm等）APS-H尺寸（佳能1D系列28.1mm×18.7mm，鏡頭焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.3）APS-C尺寸（如23.6mm×15.8mm、22.2mm×14.8mm、20.7mm×13.8mm等，則鏡頭焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為1.5、1.6和1.7）奧林巴斯、松下數(shù)碼單反相機(jī)使用的感光元件尺寸為17.3mm×13.0mm，長(zhǎng)寬比為4∶3，鏡頭焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.根據(jù)相機(jī)的結(jié)構(gòu)，有兩種系統(tǒng)，稱(chēng)為4/3系統(tǒng)和微型4/3系統(tǒng)。

1996年由尼康拍攝、佳能、美能達(dá)、富士、柯達(dá)五公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的APS系統(tǒng)(Advanced Photo System，即高級(jí)拍照系統(tǒng))問(wèn)世。APS系統(tǒng)在原來(lái)135膠片系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有了很大的改進(jìn)，包括相機(jī)、感光材料、沖印設(shè)備、配套產(chǎn)品等全面創(chuàng)新，大幅縮小膠片尺寸，采用全新智能卡帶設(shè)計(jì)，融入數(shù)碼技術(shù)，成為能夠記錄拍攝數(shù)據(jù)、具有輔助信息的智能電影系統(tǒng)。APS系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)攝影系統(tǒng)的巨大變革，應(yīng)該有很好的發(fā)展前景。可惜生不逢時(shí)由于數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，APS系統(tǒng)很快被淘汰。

APS系統(tǒng)中有三種負(fù)幀可供選擇，即：APS-H、APS-C和APS-P。APS-H為30.2mm×16.7mm是APS膠片能拍的最大畫(huà)幅；APS-c是左右各一部分，也就是25.5mm×16.7mm，長(zhǎng)寬比接近135幀的:2；APS-p是上下塊的一部分，是30.2mm×9.5mm，屬于超寬屏幕邊框。

數(shù)碼單反相機(jī)感光元件尺寸標(biāo)注方法借鑒APS標(biāo)準(zhǔn)，使感光元件尺寸接近APS-C尺寸的20.7mm×13.8mm（適馬用）22.2mm×14.8mm、22.3mm×14.9mm（兩種尺寸的佳能）23.0mm×15.5mm（富士用）23.4mm×15.6mm（賓得K20D）23.5mm×15.6mm（索尼α700）23.5mm×15.7mm（索尼α350、賓得K200D、K10D、K-m）23.6mm×15.8mm（尼康，叫DX格式，還有索尼Alpha 300、α200）等都稱(chēng)為APS-c畫(huà)幅，而佳能EOS-28用于1D系列.1mm×18.7mm的叫APS-H畫(huà)幅。

對(duì)于有效像素相同的感光元件，尺寸越大，每個(gè)像素的單位面積越大，感光性能越好，可以記錄更多的圖像細(xì)節(jié)。

應(yīng)用功能

有效像素為1400萬(wàn)的CCD感光元件

與傳統(tǒng)相機(jī)相比，傳統(tǒng)相機(jī)使用“膠卷”作為記錄信息的載體，數(shù)碼相機(jī)“膠卷”就是它的成像感光器件，和相機(jī)是一體的。感光器是數(shù)碼相機(jī)的核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。數(shù)碼相機(jī)的核心成像部件有兩種：一個(gè)是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一個(gè)是CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）器件。手機(jī)用的數(shù)碼相機(jī)的感光元件基本都是CMOS。

傳統(tǒng)CCD中的每個(gè)像素由一個(gè)二極管組成、控制信號(hào)路徑和電量傳輸路徑。SUPER CCD采用蜂窩八角二極管，取消了原有的控制信號(hào)通路，只需要一個(gè)方向的功率傳輸通路，光電二極管空間更大。

SUPER CCD的輸出像素會(huì)高于有效像素，因?yàn)镃CD對(duì)綠色不是很敏感，所以是基于g－B－R－G來(lái)合成。實(shí)際上每個(gè)合成像素都有一部分真實(shí)像素是共享的，所以畫(huà)質(zhì)和理想狀態(tài)有一定差距，這也是為什么一些高端專(zhuān)業(yè)數(shù)碼相機(jī)用3CCD分別感受RGB三色光的原因。SUPER CCD通過(guò)改變像素之間的排列關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)R、G、b像素等效，合成像素時(shí)也是三個(gè)像素為一組。所以傳統(tǒng)的CCD是合成四個(gè)像素，但實(shí)際上三個(gè)就夠了，浪費(fèi)了一個(gè)，SUPER CCD發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，三個(gè)就能合成一個(gè)像素。也就是說(shuō)，CCD每四個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)計(jì)算四次；SUPER CCD每三個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)也是四次計(jì)算，所以SUPER CCD像素的利用率比傳統(tǒng)CCD高，產(chǎn)生的像素更多。

同樣分辨率的CMOS比CCD便宜，CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量比CCD低。CMOS用于CCD的主要優(yōu)點(diǎn)是非常省電與二極管組成的CCD不同，CMOS電路幾乎沒(méi)有靜態(tài)功耗，只有電路接通時(shí)才有功耗。這使得CMOS的功耗只有普通CCD的1/3，這有助于提高人民和給人的壞印象是數(shù)碼相機(jī)是電動(dòng)老虎。CMOS的主要問(wèn)題是在處理快速變化的圖像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而過(guò)熱。如果暗電流抑制得好，問(wèn)題不大如果沒(méi)有很好的抑制，是非常容易出現(xiàn)雜點(diǎn)的。

CMOS和CCD在圖像數(shù)據(jù)掃描方式上有很大的區(qū)別。例如，如果分辨率為300萬(wàn)像素，CCD傳感器可以連續(xù)掃描300萬(wàn)個(gè)電荷掃描方法很簡(jiǎn)單，就像把一個(gè)桶從一個(gè)人傳給另一個(gè)人，最后一次數(shù)據(jù)掃描完成后信號(hào)才能放大。CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)放大器，將電荷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此，CMOS傳感器可以逐像素放大信號(hào)，可以省去任何無(wú)效的傳輸操作，因此可以用很少的能耗快速掃描數(shù)據(jù)，降低噪聲。這是佳能 像素內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)。

電荷耦合器件圖像傳感器（充電 耦合 設(shè)備）它由高靈敏度的半導(dǎo)體材料制成，可以將光轉(zhuǎn)換成電荷，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)壓縮后的數(shù)字信號(hào)由相機(jī)中的閃存或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，因此數(shù)據(jù)可以很容易地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并可以在計(jì)算機(jī)的幫助下根據(jù)需要和想象修改圖像 的處理手段。CCD是由許多感光單元組成的，所有感光單元產(chǎn)生的信號(hào)加起來(lái)形成一幅完整的畫(huà)面。

與傳統(tǒng)底片相比，CCD在視覺(jué)上更接近人眼的工作模式。而人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)感知的視桿細(xì)胞和負(fù)責(zé)顏色感知的視錐細(xì)胞組成，它們共同作用形成視覺(jué)感知。經(jīng)過(guò)35年的發(fā)展，CCD的大致形狀和工作方式已經(jīng)定型。CCD 主要由馬賽克狀的網(wǎng)格組成、聚光透鏡和襯墊底部的電子電路矩陣。目前有能力生產(chǎn)CCD 的公司有：SONY、Philps、Kodak、松下電器、富士膠片和夏普大多是日本廠商。

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS（互補(bǔ) 金屬-氧化物半導(dǎo)體）它和CCD一樣，是一種半導(dǎo)體，可以記錄數(shù)碼相機(jī)中的光線變化。但是CMOS的缺點(diǎn)是太容易出現(xiàn)雜波， 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使得CMOS在處理快速變化的圖像時(shí)過(guò)熱，因?yàn)殡娏髯兓l繁。

像光敏器件成像主要有兩個(gè)因素：一個(gè)是光敏器件領(lǐng)域；第二是感光器件的色深。

兩種光敏元件的區(qū)別

從兩種感光元件的工作原理可以看出，CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好但由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)廠商能夠掌握，所以制造成本居高不下，尤其是大CCD，非常昂貴。同時(shí)，近幾年CCD從30萬(wàn)像素發(fā)展到600萬(wàn)像素，像素的提升已經(jīng)到了極限。

同樣分辨率下，CMOS比CCD便宜，但CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量比CCD低。到目前為止，市面上的消費(fèi)級(jí)和高端數(shù)碼相機(jī)大多采用CCD作為傳感器；CMOS傳感器在部分相機(jī)中作為低端產(chǎn)品使用任何一家相機(jī)廠商如果使用CCD傳感器，廠商都會(huì)不遺余力地將其作為賣(mài)點(diǎn)進(jìn)行宣傳，甚至戲稱(chēng)為“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間，是否擁有C CD傳感器成為了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。

CMOS圖像傳感器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗比CCD低為了提供出色的圖像質(zhì)量，CCD付出了較高的功耗為了使電荷傳輸順暢，降低噪聲，需要通過(guò)高壓差來(lái)提高傳輸效果。但是CMOS圖像傳感器將每個(gè)像素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，在讀取之前將其放大，并使用3.3V電源可以驅(qū)動(dòng)，功耗比CCD低。CMOS圖像傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與外圍電路的高度集成，可以將ADC和信號(hào)處理器集成在一起，從而大大減小其尺寸比如CMOS圖像傳感器只需要一套電源，而CCD需要三四套電源由于ADC和信號(hào)處理器的工藝與CCD不同，因此很難減小CCD套件的尺寸。然而，CMOS圖像傳感器首先要解決的問(wèn)題是降低噪聲CMOS圖像傳感器能否在未來(lái)改變長(zhǎng)期被CCD壓制的命運(yùn)，是一個(gè)重要的關(guān)鍵。

影響光敏元件的因素

對(duì)于數(shù)碼相機(jī)，對(duì)圖像傳感器成像有兩個(gè)主要因素：一個(gè)是光敏元件的面積；第二是感光元件的色深。

面積

光敏元件的面積越大，圖像就越大在同等條件下，可以記錄更多的圖像細(xì)節(jié)，像素之間的干擾也小，所以圖像質(zhì)量更好。但是隨著數(shù)碼相機(jī)向時(shí)尚化小型化方向發(fā)展，感光元件的面積只能越來(lái)越小。

色彩深度

感光元件除了面積，還有一個(gè)重要的指標(biāo)，就是色深，也就是色位，也就是用多少個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)記錄三原色。非專(zhuān)業(yè)數(shù)碼相機(jī)的感光元件一般都是24位，采樣的時(shí)候高端點(diǎn)是30位，錄制的時(shí)候還是24位專(zhuān)業(yè)數(shù)碼相機(jī)的成像設(shè)備至少是36位的，據(jù)說(shuō)已經(jīng)有48位的C CD了。對(duì)于24位設(shè)備，感光單元能記錄的最大亮度值為2 ^ 8=256，每個(gè)原色用一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)表示可記錄的最大顏色數(shù)為256x256x256，約167700種。對(duì)于36位設(shè)備，感光單元能記錄的最大亮度值為2 ^ 12=4096，每個(gè)原色用一個(gè)12位二進(jìn)制數(shù)表示，能記錄的最大顏色數(shù)為4096x4096x4096，約687億。例如，如果拍攝對(duì)象最亮部分的亮度是最暗部分的400倍，使用24位感光元件的數(shù)碼相機(jī)拍攝，如果在弱光部分曝光，所有亮度高于256倍的部分都會(huì)曝光過(guò)度，導(dǎo)致層次和亮點(diǎn)丟失如果在高光部分曝光，低于一定亮度的部分都會(huì)曝光不足如果使用使用36位光敏元件的專(zhuān)業(yè)數(shù)碼相機(jī)。