[科普中國]-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)。

數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展道路，可以說就是感光元件的發(fā)展道路。數(shù)碼相機(jī)的核心成像部件有兩種：一種是廣泛使用的CCD（電荷耦合）元件；另一種是CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）器件。與傳統(tǒng)相機(jī)相比，傳統(tǒng)相機(jī)使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數(shù)碼相機(jī)的“膠卷”就是其成像感光元件。

感光元件就是數(shù)碼相機(jī)的不用更換的“膠卷”，而且是與相機(jī)一體，所以稱為是數(shù)碼相機(jī)的心臟很確切。

綜述感光元件是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能。將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)。與光敏二極管，光敏三極管等“點(diǎn)”光源的光敏元件相比，感光元件是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的一種功能器件。

感光元件主要有兩種：CCD(電荷耦合)、CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。作為手機(jī)新型的拍攝功能，內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)功能與平時(shí)所見到的低端的（10萬--130萬像素）數(shù)碼相機(jī)相同。大多數(shù)手機(jī)中數(shù)碼相機(jī)的感光元件基本上都是CMOS的。感光元件又叫圖像傳感器。1

發(fā)展歷史CCD是1969年由美國的貝爾研究室所鮑爾和史密斯開發(fā)出來的。進(jìn)入80年代，CCD影像傳感器雖然有缺陷，由于不斷的研究終于克服了困難，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品質(zhì)的CCD。到了90年代制造出百萬像素之高分辨率CCD，此時(shí)CCD的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，算一算CCD 發(fā)展至今也有二十多個(gè)年頭了。進(jìn)入90年代中期后，CCD技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，同時(shí)，CCD的單位面積也越來越小。但為了在CCD面積減小的同時(shí)提高圖像的成像質(zhì)量，SONY于1989年開發(fā)出了SUPER HAD CCD，這種新的感光元件是在CCD面積減小的情況下，依靠CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升成像質(zhì)量。以后相繼出現(xiàn)了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術(shù)（專為SONY F828所應(yīng)用）。而富士數(shù)碼相機(jī)則采用了超級(jí)CCD（Super CCD）、Super CCD SR。

對(duì)于CMOS來說，具有便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快、成本較低，將是數(shù)字相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向。在CANON等公司的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動(dòng)態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對(duì)快門、光圈、自動(dòng)增益控制及伽瑪校正的需要，使之接近了CCD的成像質(zhì)量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對(duì)于CCD的停滯不前相比，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為數(shù)碼相機(jī)的核心部件，CMOS感光器以已經(jīng)有逐漸取代CCD感光器的趨勢(shì)，并有希望在不久的將來成為主流的感光器。

Exmor R CMOS背面照明技術(shù)感光元件，改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術(shù)，由于不受金屬線路和晶體管的阻礙，開口率（光電轉(zhuǎn)換部分在一個(gè)像素中所占的面積比例）可提高至近100%。與其以往1.75μm間隔的表面照射產(chǎn)品相比，背面照射產(chǎn)品在靈敏度（S/N）上具有很大優(yōu)勢(shì)。索尼Cyber-shot新品——WX1和TX1，首次在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域采用了一種全新的Exmor R CMOS傳感器。這種Exmor RCMOS傳感器的感光能力是過去同尺寸傳感器的兩倍，因此在光線不足的環(huán)境下拍攝，能夠大幅降低噪點(diǎn)，獲得更清晰的圖像。而在此后的實(shí)際測(cè)試中也表明，這兩款Cyber-shot數(shù)碼相機(jī)不僅提供了最高ISO 3200的高感光度，并且噪點(diǎn)抑制能力相當(dāng)優(yōu)秀。同時(shí)，這兩款數(shù)碼相機(jī)還提供了手持夜景拍攝、全景掃描等一系列先進(jìn)功能也是對(duì)新一代影像傳感器的技術(shù)延伸。傳統(tǒng)的CMOS傳感器每個(gè)像素點(diǎn)都要搭配一個(gè)對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器以及對(duì)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)致光電二極管實(shí)際感光的面積變小，感光能力變?nèi)?。CCD的單個(gè)像素點(diǎn)不需要A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實(shí)際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領(lǐng)域，CCD仍占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，而在大尺寸影像傳感器領(lǐng)域，由于單個(gè)像素點(diǎn)的面積大，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路占用的面積只是整個(gè)像素的很小一部分，影響不大，因此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”在了影像傳感器芯片的最上層，把A/D轉(zhuǎn)換器及放大電路挪到了影像傳感器芯片的“背面”，而不是像傳統(tǒng)CMOS傳感器一樣，A/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。這樣一來，通過微透鏡和色彩濾鏡進(jìn)來的光線就可以最大限度地被光電二極管利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優(yōu)良的高感光度能力。

相比較之下，傳統(tǒng)的表面照射型CMOS傳感器的光電二極管位于整個(gè)芯片的最下層，而A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管上層，因此光電二極管離透鏡的距離更遠(yuǎn)，光線更容易損失。同時(shí)，這些線路連接層還會(huì)阻塞從色彩濾鏡到達(dá)光電二極管的光路，因此直接導(dǎo)致實(shí)際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS傳感器解決了這樣的問題。

分類CCDCharge Coupled Device，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，即把光線轉(zhuǎn)變成電荷；所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。而后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過壓縮后保存在相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡中。有能力生產(chǎn)CCD 的公司分別為：索尼、飛利浦、柯達(dá)、松下、富士、夏普，大半是日本廠商。2

CMOSComplementary Metal-Oxide Semiconductor，和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電） 和 P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。 除了CCD和CMOS之外，還有富士公司獨(dú)家推出的SUPER CCD，SUPER CCD并沒有采用常規(guī)正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果是可以縮小對(duì)圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。SUPER CCD在排列結(jié)構(gòu)上比普通CCD要緊密，此外像素的利用率較高，也就是說在同一尺寸下，SUPER CCD的感光二極管對(duì)光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。

區(qū)別兩種感光元件的不同之處

由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，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價(jià)格非常高昂。同時(shí)，這幾年來，CCD從30萬像素開始，一直發(fā)展到600萬，像素的提高已經(jīng)到了一個(gè)極限。

在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝像頭使用CCD感應(yīng)器，廠商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。

CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付出代價(jià)即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng)，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小，例如，CMOS影像傳感器只需一組電源，CCD卻需三或四組電源，由于ADC與訊號(hào)處理器的制程與CCD不同，要縮小CCD套件的體積很困難。但CMOS影像傳感器首要解決的問題就是降低噪聲的產(chǎn)生，未來CMOS影像傳感器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命，往后技術(shù)的發(fā)展是重要關(guān)鍵。

應(yīng)用功能與傳統(tǒng)相機(jī)相比，傳統(tǒng)相機(jī)使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數(shù)碼相機(jī)的“膠卷”就是其成像感光器件，而且是與相機(jī)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：一種是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）器件。用于手機(jī)中數(shù)碼相機(jī)的感光元件基本上都是CMOS的。

傳統(tǒng)CCD中的每個(gè)像素由一個(gè)二極管、控制信號(hào)路徑和電量傳輸路徑組成。SUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，原有的控制信號(hào)路徑被取消了，只需要一個(gè)方向的電量傳輸路徑即可，感光二極管就有更多的空間。

SUPER CCD的輸出像素會(huì)比有效像素高，因?yàn)镃CD對(duì)綠色不很敏感，因此是以G－B－R－G來合成。各個(gè)合成的像素點(diǎn)實(shí)際上有一部分真實(shí)像素點(diǎn)是共用，因此圖象質(zhì)量與理想狀態(tài)有一定差距，這就是為什么一些高端專業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)使用3CCD分別感受RGB三色光的原因。而SUPER CCD通過改變像素之間的排列關(guān)系，做到了R、G、B像素相當(dāng)，在合成像素時(shí)也是以三個(gè)為一組。因此傳統(tǒng)CCD是四個(gè)合成一個(gè)像素點(diǎn)，其實(shí)只要三個(gè)就行了，浪費(fèi)了一個(gè)，而SUPER CCD就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，只用三個(gè)就能合成一個(gè)像素點(diǎn)。也就是說，CCD每4個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)計(jì)算4次；SUPER CCD每3個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)也是計(jì)算4次，因此SUPER CCD像素的利用率較傳統(tǒng)CCD高，生成的像素就多了。

相同分辨率CMOS價(jià)格比CCD便宜，CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電，不像由二極管組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是電老虎的不良印象。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。

CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續(xù)掃描300萬個(gè)電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個(gè)人傳給另一個(gè)人，并且只有在最后一個(gè)數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號(hào)放大。CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大，采用這種方法可節(jié)省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描，同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。

工作原理電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。

CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD 更接近于人眼對(duì)視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。 CCD經(jīng)過長達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn) CCD 的公司分別為：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fujifilm和Sharp，大半是日本廠商。

互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。然而，CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。

規(guī)格參數(shù)尺寸：感光器件的面積大小

像素：像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，捕獲的光子越多，感光性能越好

信噪比：信噪比越高,收集到的圖像就會(huì)越清晰。

尺寸標(biāo)示感光元件的尺寸有兩種標(biāo)示方法，即光學(xué)格式（OF，Optical Format）和尺寸類型。

光學(xué)格式光學(xué)格式一般用感光元件的對(duì)角線長度比例來表示，即OF=對(duì)角線長度/1英寸=對(duì)角線長度/16mm。需要注意的是，這里的1英寸并不等于通常的25.4mm，而是16mm，即感光元件為12.8mm×9.6mm時(shí)，它是1英寸感光元件。這種標(biāo)示方法多用于長寬比為4∶3的袖珍數(shù)碼相機(jī)和消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)上，感光元件尺寸從1/5英寸到2/3英寸不等。

尺寸類型數(shù)碼單反相機(jī)的感光元件長寬比多為3∶2，其尺寸標(biāo)示方法有所不同，一般用感光元件尺寸類型標(biāo)示。主要分為全畫幅Full Frame（接近或等于135畫幅，如佳能1Ds系列、5D Mark II的36.0mm×24.0mm，尼康D3、D700的36.0mm×23.9mm，尼康D3x、索尼α900的35.9mm×24mm，佳能5D的35.8mm×23.9mm等）、APS-H尺寸（佳能1D 系列的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，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)所用的感光元件尺寸為17.3mm×13.0mm，長寬比為4∶3，鏡頭焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.0。從相機(jī)的結(jié)構(gòu)上分類，有兩種系統(tǒng)，分別稱為4/3系統(tǒng)和微型4/3系統(tǒng)。

1996年由尼康、佳能、美能達(dá)、富士、柯達(dá)五大公司聯(lián)合開發(fā)的APS系統(tǒng)(Advanced Photo System，即先進(jìn)照片系統(tǒng))問世。APS系統(tǒng)在原135膠片系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大改進(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，大幅度縮小膠片尺寸，使用新的智能暗盒設(shè)計(jì)，融入數(shù)字技術(shù)，成為能記錄拍攝數(shù)據(jù)、輔助信息的智能型膠片系統(tǒng)。APS系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)攝影體系的一次重大變革，本應(yīng)有較好的發(fā)展前景。遺憾的是它生不逢時(shí)，由于數(shù)碼相機(jī)的問世與迅猛發(fā)展，APS系統(tǒng)很快被淘汰。

APS系統(tǒng)共有三種底片畫幅可供選擇，即：APS-H、APS-C和APS-P。APS-H為30.2mm×16.7mm，是APS膠卷可攝取的最大畫幅；APS-C是左右各擋去一部分，為25.5mm×16.7mm，長寬比接近135畫幅的3:2；APS-P是上下各擋去一部分，為30.2mm×9.5mm，屬于超寬銀幕畫幅。

數(shù)碼單反相機(jī)的感光元件尺寸標(biāo)示方法借用了APS標(biāo)準(zhǔn)，把感光元件尺寸接近APS-C尺寸的20.7mm×13.8mm（適馬用）、22.2mm×14.8mm、22.3mm×14.9mm（上兩種尺寸佳能用）、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（尼康用，稱為DX格式，以及索尼α300、α200）等都稱為APS-C畫幅，而佳能EOS-1D系列所用的28.1mm×18.7mm稱為APS-H畫幅。

對(duì)于相同有效像素的感光元件，一般其尺寸越大，每個(gè)像素的單位面積也越大，感光性能就越好，就能記錄更多的圖像細(xì)節(jié)。

尺寸對(duì)照

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影響因素綜述影響感光元件的因素：

對(duì)于數(shù)碼相機(jī)來說，影像感光元件成像的因素主要有兩個(gè)方面：一是感光元件的面積；二是感光元件的色彩深度。

面積感光元件面積越大，成像較大，相同條件下，能記錄更多的圖像細(xì)節(jié)，各像素間的干擾也小，成像質(zhì)量越好。但隨著數(shù)碼相機(jī)向時(shí)尚小巧化的方向發(fā)展，感光元件的面積也只能是越來越小。

色彩深度除了面積之外，感光元件還有一個(gè)重要指標(biāo)，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二進(jìn)制數(shù)字來記錄三種原色。非專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)的感光元件一般是24位的，高檔點(diǎn)的采樣時(shí)是30位，而記錄時(shí)仍然是24位，專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)的成像器件至少是36位的，據(jù)說已經(jīng)有了48位的CCD。對(duì)于24位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^8=256級(jí)，每一種原色用一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)字來表示，最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對(duì)于36位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^12=4096級(jí)，每一種原色用一個(gè)12位的二進(jìn)制數(shù)字來表示，最多能記錄的色彩是4096x4096x4096約687億種。舉例來說，如果某一被攝體，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光元件的數(shù)碼相機(jī)來拍攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是亮度高于256倍的部位，均曝光過度，層次損失，形成亮斑，如果按高光部位來曝光，則某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光元件的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，就不會(huì)有這樣的問題。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

孫銳 - 教授 - 合肥工業(yè)大學(xué)