感光元件

感光元件是数码相机的核心，也是最关键的技术。有两种主要类型的光敏元件：CCD(电荷耦合)CMOS（互补金属氧化物半导体）内置数码相机功能作为手机新的拍摄功能，和你平时看到的低端不一样（10万-130万像素）数码相机相同。大部分手机的数码相机感光元件基本都是CMOS。感光元件也叫图像传感器。

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感光元件

感光元件的发展（CCD、CMOS、Exmor R CMOS）

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CCD是由美国贝尔实验室的鲍尔和史密斯于1969年发明的。到了80年代，CCD图像传感器虽然存在缺陷，但由于不断研究，最终克服了困难，并在80年代后半期制造出了高分辨率高质量的CCD。90年代制造出百万像素的高分辨率CCD，CCD的发展更是迅猛CCD发展至今已有20多年。进入90年代中期后，CCD技术发展迅速，同时CCD的单位面积越来越小。但为了在缩小CCD面积的同时提高画质，索尼在1989年开发了SUPER HAD CCD这种新的光敏元件依靠CCD模块内部放大器的放大作用，在CCD面积减小时提高图像质量。后来新的 STRUCTURE CCD陆续出现、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828设计）富士数码相机使用超级CCD（Super CCD）Super CCD SR。

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对于CMOS来说，便于大规模生产，速度快、低成本将是数码相机关键器件的发展方向。在佳能等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推出，高动态范围CMOS器件应运而生这项技术不需要百叶窗、光圈、自动增益控制和伽马校正的需要使其接近CCD的成像质量。此外，由于CMOS固有的可塑性，可以在不增加太多成本的情况下制造具有高像素的大型CMOS感光体。相对于CCD的停滞不前，CMOS作为一个新生事物显示出了强大的生命力。C MOS感光器作为数码相机的核心部件，已经逐渐取代CCD感光器，有望在不久的将来成为主流感光器。 www.qwbaike.cn

Exmor R CMOS背光技术传感器提高了传统CMOS传感器的灵敏度。Exmor R CMOS采用与普通方法相反的方法、向没有布线层的一侧照射光的背面照射技术具有低开口率的优点，因为它不受金属电路和晶体管的阻碍（像素中光电转换部分的面积比）可以增加到将近100%与其以往1.与间隔为75μm的表面辐照产品相比，背面辐照产品更敏感（S/N）上具有很大优势。索尼Cyber-新拍摄产品——WX1和TX1首次在数码相机领域采用了全新的Exmor R CMOS传感器。这款Exmor RCMOS传感器的感光度是过去同尺寸传感器的两倍，因此在光线不好的环境下拍摄时，可以大大降低噪点，获得更清晰的图像。在此后的实际测试中，也表明这两种赛博-Shot数码相机不仅提供高达ISO 3200的高感光度，而且具有出色的噪声抑制能力。同时这两款数码相机还提供手持夜拍、全景扫描等一系列高级功能也是新一代图像传感器的技术延伸。传统的CMOS传感器需要每个像素对应一个A/d转换器和相应的放大电路，因此，这部分电路会占用更多的像素面积，直接导致光电二极管的实际感光面积变小，感光能力变弱。CCD的单个像素不需要/d转换器和放大电路，光电二极管可以获得更大的实际感光面积和更大的开口率，所以在小尺寸图像传感器领域，CCD还是占据一定的优势，而在大尺寸图像传感器领域，由于单个像素面积大，a/d转换器和放大电路只占整个像素的一小部分，影响不大，所以CMOS传感器也得到了广泛的应用。

而Exmor R CMOS将光电二极管“放置”在图像传感器芯片的顶层，放置一个/d转换器和放大电路移至图像传感器芯片“背面”取代传统的CMOS传感器/D转换器和放大电路位于光电二极管的上层，“挡住了”一部分光线。这样，通过微透镜和滤色器进入的光可以最大限度地被光电二极管利用，孔径比可以大大提高即使小尺寸的图像传感器也可以获得极好的高灵敏度。

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相比之下，传统表面照明CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最底层，而a/D转换器和放大电路位于光电二极管的上层，所以光电二极管离镜头更远，光线更容易丢失。同时，这些布线连接层也会阻挡从彩色滤光片到光电二极管的光路，直接导致感光度降低。Exmor R背照式CMOS传感器解决了这个问题。

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CCD

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光敏元件可移动光学防抖(CCD防抖) www.qwbaike.cn

电荷 耦合3356器件由高灵敏度的半导体材料制成，由许多感光单元组成，通常以百万像素计。当CCD表面受到光线照射时，每个光敏单元都会将模块上的电荷反射出来，也就是将光线转化为电荷；所有光敏单元产生的信号相加形成一幅完整的画面。然后转换成数字信号，压缩后存储在相机内部的闪存或内置硬盘卡中。能够生产CCD的公司有：索尼、飞利浦、柯达、松下、富士、夏普，大部分是日本厂商。 www.qwbaike.cn

CMOS

互补 金属-oxide  半导体和CCD一样，是数码相机中可以记录光线变化的半导体。CMOS的制造工艺和一般的电脑芯片没什么区别它主要是由硅和锗构成的半导体，这使得它在CMOS上与N共存（带–电）和P（带+电）由这两种互补效应产生的电流可以被处理芯片记录并解释成图像。但是CMOS的缺点是太容易出现杂波。除了CCD和CMOS，还有富士公司独家推出的 SUPER CCDSUPER CCD没有使用传统的方形二极管，而是使用八角形二极管像素呈蜂窝状排列，单位像素的面积大于传统CCD。将像素旋转45度的结果，可以减少对图像拍摄无用的冗余空间，聚光的效率比较高，使得效率提高后的光感、提高了信噪比和动态范围。SUPER CCD的排列结构比普通CCD更紧凑，像素利用率更高，也就是说在相同尺寸下，SUPER CCD的光敏二极管光吸收程度更高，使得灵敏度更高、提高了信噪比和动态范围。

尺寸：光敏器件的面积大小

像素：像素数目越多、单个像素的尺寸越大，捕获的光子越多，光敏性越好

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信噪比：信噪比越高，采集的图像就越清晰。 www.qwbaike.cn

尺寸标示

有两种方法来标记感光元件的大小，即光学格式（OF，Optical Format格式格式）和尺寸类型。

光学格式

光学格式一般用感光元件的对角线长度比来表示，即OF=对角线长度/1英寸=对角线长度/16mm。需要注意的是，这里的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时，它是一个1英寸的光敏元件。这种标记方法多用于长宽比为4∶3的袖珍数码相机和消费类数码相机光敏元件的尺寸范围从1/5英寸到2/3英寸不等。 www.qwbaike.cn

尺寸类型

数码单反相机的感光元件长宽比为3∶2，其尺寸标注方法不同，一般以感光元件的尺寸类型标注。主要分为全画幅Full Frame（接近或等于135帧，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条.9mm×24mm，佳能5D 35.8mm×23.9mm等）APS-H尺寸（佳能1D系列28.1mm×18.7mm，镜头焦距转换系数为1.3）APS-C尺寸（如23.6mm×15.8mm、22.2mm×14.8mm、20.7mm×13.8mm等，则镜头焦距转换系数分别为1.5、1.6和1.7）奥林巴斯、松下数码单反相机使用的感光元件尺寸为17.3mm×13.0mm，长宽比为4∶3，镜头焦距转换系数为2.根据相机的结构，有两种系统，称为4/3系统和微型4/3系统。 www.qwbaike.cn

1996年由尼康拍摄、佳能、美能达、富士、柯达五公司联合开发的APS系统(Advanced Photo System，即高级拍照系统)问世。APS系统在原来135胶片系统的基础上有了很大的改进，包括相机、感光材料、冲印设备、配套产品等全面创新，大幅缩小胶片尺寸，采用全新智能卡带设计，融入数码技术，成为能够记录拍摄数据、具有辅助信息的智能电影系统。APS系统是对传统摄影系统的巨大变革，应该有很好的发展前景。可惜生不逢时由于数码相机的出现和快速发展，APS系统很快被淘汰。

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APS系统中有三种负帧可供选择，即：APS-H、APS-C和APS-P。APS-H为30.2mm×16.7mm是APS胶片能拍的最大画幅；APS-c是左右各一部分，也就是25.5mm×16.7mm，长宽比接近135帧的:2；APS-p是上下块的一部分，是30.2mm×9.5mm，属于超宽屏幕边框。 www.qwbaike.cn

数码单反相机感光元件尺寸标注方法借鉴APS标准，使感光元件尺寸接近APS-C尺寸的20.7mm×13.8mm（适马用）22.2mm×14.8mm、22.3mm×14.9mm（两种尺寸的佳能）23.0mm×15.5mm（富士用）23.4mm×15.6mm（宾得K20D）23.5mm×15.6mm（索尼α700）23.5mm×15.7mm（索尼α350、宾得K200D、K10D、K-m）23.6mm×15.8mm（尼康，叫DX格式，还有索尼Alpha 300、α200）等都称为APS-c画幅，而佳能EOS-28用于1D系列.1mm×18.7mm的叫APS-H画幅。 www.qwbaike.cn

对于有效像素相同的感光元件，尺寸越大，每个像素的单位面积越大，感光性能越好，可以记录更多的图像细节。 www.qwbaike.cn

应用功能

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有效像素为1400万的CCD感光元件 www.qwbaike.cn

与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为记录信息的载体，数码相机“胶卷”就是它的成像感光器件，和相机是一体的。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机的核心成像部件有两种：一个是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一个是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。手机用的数码相机的感光元件基本都是CMOS。 www.qwbaike.cn

传统CCD中的每个像素由一个二极管组成、控制信号路径和电量传输路径。SUPER CCD采用蜂窝八角二极管，取消了原有的控制信号通路，只需要一个方向的功率传输通路，光电二极管空间更大。

SUPER CCD的输出像素会高于有效像素，因为CCD对绿色不是很敏感，所以是基于g－B－R－G来合成。实际上每个合成像素都有一部分真实像素是共享的，所以画质和理想状态有一定差距，这也是为什么一些高端专业数码相机用3CCD分别感受RGB三色光的原因。SUPER CCD通过改变像素之间的排列关系来实现R、G、b像素等效，合成像素时也是三个像素为一组。所以传统的CCD是合成四个像素，但实际上三个就够了，浪费了一个，SUPER CCD发现了这一点，三个就能合成一个像素。也就是说，CCD每四个点合成一个像素，每个点计算四次；SUPER CCD每三个点合成一个像素，每个点也是四次计算，所以SUPER CCD像素的利用率比传统CCD高，产生的像素更多。 www.qwbaike.cn

同样分辨率的CMOS比CCD便宜，CMOS器件产生的图像质量比CCD低。CMOS用于CCD的主要优点是非常省电与二极管组成的CCD不同，CMOS电路几乎没有静态功耗，只有电路接通时才有功耗。这使得CMOS的功耗只有普通CCD的1/3，这有助于提高人民和给人的坏印象是数码相机是电动老虎。CMOS的主要问题是在处理快速变化的图像时，由于电流变化过于频繁而过热。如果暗电流抑制得好，问题不大如果没有很好的抑制，是非常容易出现杂点的。

CMOS和CCD在图像数据扫描方式上有很大的区别。例如，如果分辨率为300万像素，CCD传感器可以连续扫描300万个电荷扫描方法很简单，就像把一个桶从一个人传给另一个人，最后一次数据扫描完成后信号才能放大。CMOS传感器的每个像素都有一个放大器，将电荷转换为电信号。因此，CMOS传感器可以逐像素放大信号，可以省去任何无效的传输操作，因此可以用很少的能耗快速扫描数据，降低噪声。这是佳能 像素内电荷转移技术。 www.qwbaike.cn

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电荷耦合器件图像传感器（充电 耦合 设备）它由高灵敏度的半导体材料制成，可以将光转换成电荷，并通过AD转换芯片转换成数字信号压缩后的数字信号由相机中的闪存或内置硬盘卡保存，因此数据可以很容易地传输到计算机，并可以在计算机的帮助下根据需要和想象修改图像 的处理手段。CCD是由许多感光单元组成的，所有感光单元产生的信号加起来形成一幅完整的画面。 www.qwbaike.cn

与传统底片相比，CCD在视觉上更接近人眼的工作模式。而人眼的视网膜是由负责光强感知的视杆细胞和负责颜色感知的视锥细胞组成，它们共同作用形成视觉感知。经过35年的发展，CCD的大致形状和工作方式已经定型。CCD 主要由马赛克状的网格组成、聚光透镜和衬垫底部的电子电路矩阵。目前有能力生产CCD 的公司有：SONY、Philps、Kodak、松下电器、富士胶片和夏普大多是日本厂商。

互补金属氧化物半导体CMOS（互补 金属-氧化物半导体）它和CCD一样，是一种半导体，可以记录数码相机中的光线变化。但是CMOS的缺点是太容易出现杂波， 这主要是因为早期的设计使得CMOS在处理快速变化的图像时过热，因为电流变化太频繁。 www.qwbaike.cn

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像光敏器件成像主要有两个因素：一个是光敏器件领域；第二是感光器件的色深。 www.qwbaike.cn

两种光敏元件的区别

从两种感光元件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好但由于制造工艺复杂，只有少数厂商能够掌握，所以制造成本居高不下，尤其是大CCD，非常昂贵。同时，近几年CCD从30万像素发展到600万像素，像素的提升已经到了极限。 www.qwbaike.cn

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同样分辨率下，CMOS比CCD便宜，但CMOS器件产生的图像质量比CCD低。到目前为止，市面上的消费级和高端数码相机大多采用CCD作为传感器；CMOS传感器在部分相机中作为低端产品使用任何一家相机厂商如果使用CCD传感器，厂商都会不遗余力地将其作为卖点进行宣传，甚至戏称为“数码相机”之名。一时间，是否拥有C CD传感器成为了人们判断数码相机档次的标准之一。 www.qwbaike.cn

CMOS图像传感器的一个优点是功耗比CCD低为了提供出色的图像质量，CCD付出了较高的功耗为了使电荷传输顺畅，降低噪声，需要通过高压差来提高传输效果。但是CMOS图像传感器将每个像素的电荷转换成电压，在读取之前将其放大，并使用3.3V电源可以驱动，功耗比CCD低。CMOS图像传感器的另一个优点是与外围电路的高度集成，可以将ADC和信号处理器集成在一起，从而大大减小其尺寸比如CMOS图像传感器只需要一套电源，而CCD需要三四套电源由于ADC和信号处理器的工艺与CCD不同，因此很难减小CCD套件的尺寸。然而，CMOS图像传感器首先要解决的问题是降低噪声CMOS图像传感器能否在未来改变长期被CCD压制的命运，是一个重要的关键。

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影响光敏元件的因素 www.qwbaike.cn

对于数码相机，对图像传感器成像有两个主要因素：一个是光敏元件的面积；第二是感光元件的色深。

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面积

光敏元件的面积越大，图像就越大在同等条件下，可以记录更多的图像细节，像素之间的干扰也小，所以图像质量更好。但是随着数码相机向时尚化小型化方向发展，感光元件的面积只能越来越小。 www.qwbaike.cn

色彩深度

感光元件除了面积，还有一个重要的指标，就是色深，也就是色位，也就是用多少个二进制数来记录三原色。非专业数码相机的感光元件一般都是24位，采样的时候高端点是30位，录制的时候还是24位专业数码相机的成像设备至少是36位的，据说已经有48位的C CD了。对于24位设备，感光单元能记录的最大亮度值为2 ^ 8=256，每个原色用一个8位二进制数表示可记录的最大颜色数为256x256x256，约167700种。对于36位设备，感光单元能记录的最大亮度值为2 ^ 12=4096，每个原色用一个12位二进制数表示，能记录的最大颜色数为4096x4096x4096，约687亿。例如，如果拍摄对象最亮部分的亮度是最暗部分的400倍，使用24位感光元件的数码相机拍摄，如果在弱光部分曝光，所有亮度高于256倍的部分都会曝光过度，导致层次和亮点丢失如果在高光部分曝光，低于一定亮度的部分都会曝光不足如果使用使用36位光敏元件的专业数码相机。