相機傳感器技術簡介

　　(2019-10-14)河南鄭州科技市場IT產品配送網-鄭州電腦手機測評中心

　　攝友們喜歡相機指標，并樂在其中，因為除了技術，機器的性能確實也很重要。否則為什么全幅機型一直比APS-C的機型至少貴數千元。影響照片畫質的元素很多，作為成像最重要的元件——傳感器(CCD/CMOS)作用尤為明顯，也是非常考驗廠商技術實力的技術。很多消費者在挑選相機的時候，總是把像素值看得很重要，甚至到了非千萬像素不買的地步，這是對數碼相機成像原理的不熟悉所造成的。其實像素值主要就體現在傳感器上，而傳感器的技術也在不停進步!搞懂傳感器技術，就能幫助你選擇更適合自己的相機。

　　傳感器和膠片的區別

　　數碼相機和傳統相機的區別在于，傳統相機是用膠片來保存影像，而數碼相機是把影像保存在存儲卡，但實際上，和膠片對應的成像元件是傳感器。

　　傳統相機讓影像通過鏡頭投射到膠片的感光材料——銀鹽上，并產生化學變化形成可沖洗的底片。而數碼相機成像的整個過程屬于光電轉換。數碼相機通過使用傳感器，將光線轉換成電子訊號，經圖像處理引擎及相關電路處理，生成高質量的數碼影像，保存到存儲介質中。

　　從原理上來說，數碼相機拍攝圖像的像素數就是傳感器上光敏單元的數量。在相同尺寸的感光元件中，像素越小，光敏單元面積就越大，容納電荷的能力就越強，動態范圍就加大。換句話說，寬容度就大，從而能感受到更細微的光線變化，畫面層次更豐富。相反，像素如果增大，光敏單元面積就要縮水，儲存電荷的能力就會下降，很容易出現電荷溢出等現象，導致畫面出現噪點，這就需要更新的技術支持來抵消這些缺點。

　　很多消費者抱怨買了千萬高像素像素機型之后，拍攝效果反而沒有以前七八百萬像素相機成像效果好。原因就在于很多廠商為了追求眼球效應，一味提升像素指標，尋求數字上的競爭力，但又不增大感光元件面積，在噪點和色彩優化上也沒有作為。

　　CCD和CMOS的對峙

　　目前使用比較廣泛的傳感器有兩大類——CCD和CMOS。它們在制造上的主要區別是，CCD集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導體材料上。它們的核心都是感光二極管，感光二極管在接受光線照射之后能夠產生輸出電流，而電流的強度與光照的強度對應。在周邊元件的組成上，CCD與CMOS不相同，前者除了感光二極管之外，包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，而CMOS感光元件的構成就比較復雜，除于感光二極管之外，還包括放大器與模數轉換電路。

　　目前CCD感光元件在技術上比較成熟，成像質量好，是現階段應用最廣泛的感光元件，不過，由于采用以行為單位的電流信號，只要有一個感光元件無法正常工作，一整行的圖像信號將因此丟失，功耗相對較高。CMOS感光元件以點為單位的電荷信號，即使損壞也不會影響到其它單元，成本和功耗都可以控制在很低的范圍內，不過由于感光單元中大部分被放大器和模數轉換單元占據，所以傳統CMOS感光元件開口率(有效感光區域與整個感光元件的面積比值)低，光利用效率差，噪點控制是難題。

　　為了取得突破，廠商最近幾年在感光元件的研發以及生產工藝改良上的投入幾乎都是大手筆。CCD感光元件雖然技術成熟，但生產線的利用率不高，每提升百萬像素都需要對生產線進行相改造，而且到了一定限度之后，由于受到制造工藝的限制，短時間內很難再有所突破。

　　相比之下，CMOS采用的是標準工藝制程，可以利用現有的半導體制造流水線，無需追加投資設備就可以投產，并且芯片本身的品質也隨半導體技術的進步而提高。像素越高的CMOS感光元件，制造工藝的優勢就越明顯，利用0.18微米的制造工藝就可以輕松得到1600萬像素的CMOS感光元件，而根據摩爾定律，集成電路里晶體管數量每18個月翻一番。

　　佳能 是CMOS堅定的支持者

　　要問誰才是CMOS感光元件堅定的支持者，那非佳能莫屬。佳能在EOS系列數碼單反相機上一直堅持使用CMOS作為感光元件。早在2000年，佳能就推出第一臺采用CMOS感光元件的數碼單反相機EOS D30，并且運用了如雜波去除技術、像素內電荷完全傳送技術，成功克服了CMOS感光元件原有的種種缺陷，得到專業人士的認可。

　　經過這么多年的發展，佳能在感光元件方面積累了雄厚的技術力量和豐富的經驗，不僅可以以較低的成本制造出較大尺寸的CMOS感光元件，并且可以將影像處理電路集成在里面。在常用的三款不同規格的大型CMOS感光元件中，技術含量最高的是EOS 1Ds Mark Ⅲ和EOS 5D Mark Ⅱ采用的35mm全畫幅CMOS感光元件，確立了應用“分割曝光技術”，將超微小模式分兩、三次傳送的特有方式。通過大尺寸感光元件，能夠捕捉更多的光信號，使圖像的色彩和層次更豐富，帶來更寬的動態范圍和信噪比，保留更多的細節，并且在信號輸出速度上大幅提升。

　　富士Super CCD　EXR的新理念

　　富士是除了索尼、佳能、松下之外，少有的幾個掌握感光元件設計和生產的廠商之一，從1999年推出第一代Super CCD感光元件開始，富士數碼相機就成為市場上最具特色，也是最有賣點的產品。

　　2009年初剛剛發布的Super CCD EXR，已經是富士開發的第九代Super CCD。從最初的把馬賽克式排列改成蜂巢式排列，到推出一大一小兩個感光點的SR，再到今天把兩個同色感光點斜向排列在一起，只為一個目的，那就是真實還原。

　　Super CCD EXR采用了全新的紅、綠、藍間隔交錯的蜂窩狀排列，利用雙重曝光控制技術，通過控制不同的曝光時間以實現不同的感光度。在這種全新的結構中，“A”和“B”兩組捕捉通道“先后”同時工作，最終“A”和“B”兩組通道所采集的圖像信息合并生成最終圖像。這一技術使圖像捕捉實現了對高光和低光細節的全面捕捉，解決了高ISO、動態范圍等技術難題。

　　SuperCCD EXR能否一鳴驚人，還得看近期用戶的反饋

　　從目前已經上市，使用Super CCD EXR感光元件的數碼相機F200 EXR拍攝出來的照片來看，色彩艷麗，層次以及細節過渡自然，對高光和暗部進行適當曝光后，細節保存完好，畫面對比度沒有受到任何影響，而在家庭用戶最頭疼的夜景環境下拍攝，畫面噪點的控制已經接近數碼單反相機。

　　索尼Exmor CMOS引入DC

　　采用Exmor CMOS感光元件的索尼HX1，是本月曝光率最高的一款數碼相機。因為在此之前，Exmor CMOS感光元件僅配備在索尼α系列數碼單反相機上的。

　　傳統CMOS感光元件會將每個像素收集到的電荷信號導入CDS電路中然后傳遞到全矩陣共用的模數轉換器上進行處理，而索尼Exmor CMOS感光元件為每一列配備了獨立的模數轉換器，更重要的是曝光時，單個像素可根據需要改變CDS電路增益(相當于改變ISO)，這對于CMOS寬容度不足應對高光能力較差和提高動態范圍都有明顯的好處，而且這個處理是直接在像素上完成的，相比使用機內算法或者導出使用軟件處理將能夠保留更多的細節。

　　此次索尼HX1所配備1/2.4英寸的Exmor CMOS感光元件，是索尼數碼單反相機所使用的Exmor CMOS感光元件的小型化版本。將CMOS技術成功引入到消費級數碼相機上，意義重大，一方面肯定了CMOS感光元件在民用市場應用的價值，另一方面，在技術上克服傳統CMOS感光元件的弊端，將其性能優勢進一步放大，對CMOS感光元件在中高端產品中的普及應用，起到積極的推動作用。

　　Exmor R CMOS的絕招

　　除了剛下放的Exmor CMOS技術，最近索尼的數碼攝像機Handycam系列上應用了Exmor R CMOS影像傳感器，相比Exmor CMOS，增加了“R”字樣的新傳感器采用了背照射技術，感光度比傳統的CMOS影像傳感器提高了約2倍。由于可以更為有效地利用光線，在弱光條件下，如夜間場景，用戶可以體驗到質量更高的影像畫面。

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