[科普中国]-感光元件

感光元件是数码相机的核心，也是最关键的技术。

数码相机的发展道路，可以说就是感光元件的发展道路。数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷耦合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物半导体）器件。与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光元件。

感光元件就是数码相机的不用更换的“胶卷”，而且是与相机一体，所以称为是数码相机的心脏很确切。

综述感光元件是利用光电器件的光电转换功能。将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，感光元件是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。

感光元件主要有两种：CCD(电荷耦合)、CMOS（互补金属氧化物半导体）。作为手机新型的拍摄功能，内置的数码相机功能与平时所见到的低端的（10万--130万像素）数码相机相同。大多数手机中数码相机的感光元件基本上都是CMOS的。感光元件又叫图像传感器。1

发展历史CCD是1969年由美国的贝尔研究室所鲍尔和史密斯开发出来的。进入80年代，CCD影像传感器虽然有缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD的单位面积也越来越小。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量，SONY于1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光元件是在CCD面积减小的情况下，依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。而富士数码相机则采用了超级CCD（Super CCD）、Super CCD SR。

对于CMOS来说，具有便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发展方向。在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态范围CMOS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。

Exmor R CMOS背面照明技术感光元件，改善了传统CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术，由于不受金属线路和晶体管的阻碍，开口率（光电转换部分在一个像素中所占的面积比例）可提高至近100%。与其以往1.75μm间隔的表面照射产品相比，背面照射产品在灵敏度（S/N）上具有很大优势。索尼Cyber-shot新品——WX1和TX1，首次在数码相机领域采用了一种全新的Exmor R CMOS传感器。这种Exmor RCMOS传感器的感光能力是过去同尺寸传感器的两倍，因此在光线不足的环境下拍摄，能够大幅降低噪点，获得更清晰的图像。而在此后的实际测试中也表明，这两款Cyber-shot数码相机不仅提供了最高ISO 3200的高感光度，并且噪点抑制能力相当优秀。同时，这两款数码相机还提供了手持夜景拍摄、全景扫描等一系列先进功能也是对新一代影像传感器的技术延伸。传统的CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换器以及对应的放大电路，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实际感光的面积变小，感光能力变弱。CCD的单个像素点不需要A/D转换器和放大电路，光电二极管能获得更大的实际感光面积，开口率更大，因此在小尺寸影像传感器领域，CCD仍占据一定优势，而在大尺寸影像传感器领域，由于单个像素点的面积大，A/D转换器和放大电路占用的面积只是整个像素的很小一部分，影响不大，因此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”在了影像传感器芯片的最上层，把A/D转换器及放大电路挪到了影像传感器芯片的“背面”，而不是像传统CMOS传感器一样，A/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。这样一来，通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用，开口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像传感器，也能获得优良的高感光度能力。

相比较之下，传统的表面照射型CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层，而A/D转换器和放大电路位于光电二极管上层，因此光电二极管离透镜的距离更远，光线更容易损失。同时，这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路，因此直接导致实际能够感光更少。而Exmor R背照式CMOS传感器解决了这样的问题。

分类CCDCharge Coupled Device，它使用一种高感光度的半导体材料制成，由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，即把光线转变成电荷；所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。而后转换成数字信号，经过压缩后保存在相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡中。有能力生产CCD 的公司分别为：索尼、飞利浦、柯达、松下、富士、夏普，大半是日本厂商。2

CMOSComplementary Metal-Oxide Semiconductor，和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而CMOS的缺点就是太容易出现杂点。 除了CCD和CMOS之外，还有富士公司独家推出的SUPER CCD，SUPER CCD并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。SUPER CCD在排列结构上比普通CCD要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，SUPER CCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。

区别两种感光元件的不同之处

由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，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。同时，这几年来，CCD从30万像素开始，一直发展到600万，像素的提高已经到了一个极限。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄像头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD套件的体积很困难。但CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。

应用功能与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光器件，而且是与相机一体的。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：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。用于手机中数码相机的感光元件基本上都是CMOS的。

传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。SUPER CCD采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。

SUPER CCD的输出像素会比有效像素高，因为CCD对绿色不很敏感，因此是以G－B－R－G来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。而SUPER CCD通过改变像素之间的排列关系，做到了R、G、B像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统CCD是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而SUPER CCD就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。也就是说，CCD每4个点合成一个像素，每个点计算4次；SUPER CCD每3个点合成一个像素，每个点也是计算4次，因此SUPER CCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了。

相同分辨率CMOS价格比CCD便宜，CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电，不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是电老虎的不良印象。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。

CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。例如，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。

工作原理电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fujifilm和Sharp，大半是日本厂商。

互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

规格参数尺寸：感光器件的面积大小

像素：像素数目越多、单一像素尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好

信噪比：信噪比越高,收集到的图像就会越清晰。

尺寸标示感光元件的尺寸有两种标示方法，即光学格式（OF，Optical Format）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例来表示，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英寸并不等于通常的25.4mm，而是16mm，即感光元件为12.8mm×9.6mm时，它是1英寸感光元件。这种标示方法多用于长宽比为4∶3的袖珍数码相机和消费级数码相机上，感光元件尺寸从1/5英寸到2/3英寸不等。

尺寸类型数码单反相机的感光元件长宽比多为3∶2，其尺寸标示方法有所不同，一般用感光元件尺寸类型标示。主要分为全画幅Full Frame（接近或等于135画幅，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，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，镜头焦距转换系数分别为1.5、1.6和1.7）。奥林巴斯、松下数码单反相机所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2.0。从相机的结构上分类，有两种系统，分别称为4/3系统和微型4/3系统。

1996年由尼康、佳能、美能达、富士、柯达五大公司联合开发的APS系统(Advanced Photo System，即先进照片系统)问世。APS系统在原135胶片系统的基础上进行了较大改进，包括相机、感光材料、冲印设备、配套产品等全面创新，大幅度缩小胶片尺寸，使用新的智能暗盒设计，融入数字技术，成为能记录拍摄数据、辅助信息的智能型胶片系统。APS系统是对传统摄影体系的一次重大变革，本应有较好的发展前景。遗憾的是它生不逢时，由于数码相机的问世与迅猛发展，APS系统很快被淘汰。

APS系统共有三种底片画幅可供选择，即：APS-H、APS-C和APS-P。APS-H为30.2mm×16.7mm，是APS胶卷可摄取的最大画幅；APS-C是左右各挡去一部分，为25.5mm×16.7mm，长宽比接近135画幅的3:2；APS-P是上下各挡去一部分，为30.2mm×9.5mm，属于超宽银幕画幅。

数码单反相机的感光元件尺寸标示方法借用了APS标准，把感光元件尺寸接近APS-C尺寸的20.7mm×13.8mm（适马用）、22.2mm×14.8mm、22.3mm×14.9mm（上两种尺寸佳能用）、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（尼康用，称为DX格式，以及索尼α300、α200）等都称为APS-C画幅，而佳能EOS-1D系列所用的28.1mm×18.7mm称为APS-H画幅。

对于相同有效像素的感光元件，一般其尺寸越大，每个像素的单位面积也越大，感光性能就越好，就能记录更多的图像细节。

尺寸对照

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影响因素综述影响感光元件的因素：

对于数码相机来说，影像感光元件成像的因素主要有两个方面：一是感光元件的面积；二是感光元件的色彩深度。

面积感光元件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光元件的面积也只能是越来越小。

色彩深度除了面积之外，感光元件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光元件一般是24位的，高档点的采样时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，据说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256约16,77万种。对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级，每一种原色用一个12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约687亿种。举例来说，如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光元件的数码相机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高于256倍的部位，均曝光过度，层次损失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光元件的专业数码相机，就不会有这样的问题。

本词条内容贡献者为:

孙锐 - 教授 - 合肥工业大学