相機(jī)傳感器技術(shù)簡介

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

　　攝友們喜歡相機(jī)指標(biāo)，并樂在其中，因為除了技術(shù)，機(jī)器的性能確實也很重要。否則為什么全幅機(jī)型一直比APS-C的機(jī)型至少貴數(shù)千元。影響照片畫質(zhì)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(shù)實力的技術(shù)。很多消費者在挑選相機(jī)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(shù)碼相機(jī)成像原理的不熟悉所造成的。其實像素值主要就體現(xiàn)在傳感器上，而傳感器的技術(shù)也在不停進(jìn)步!搞懂傳感器技術(shù)，就能幫助你選擇更適合自己的相機(jī)。

　　傳感器和膠片的區(qū)別

　　數(shù)碼相機(jī)和傳統(tǒng)相機(jī)的區(qū)別在于，傳統(tǒng)相機(jī)是用膠片來保存影像，而數(shù)碼相機(jī)是把影像保存在存儲卡，但實際上，和膠片對應(yīng)的成像元件是傳感器。

　　傳統(tǒng)相機(jī)讓影像通過鏡頭投射到膠片的感光材料——銀鹽上，并產(chǎn)生化學(xué)變化形成可沖洗的底片。而數(shù)碼相機(jī)成像的整個過程屬于光電轉(zhuǎn)換。數(shù)碼相機(jī)通過使用傳感器，將光線轉(zhuǎn)換成電子訊號，經(jīng)圖像處理引擎及相關(guān)電路處理，生成高質(zhì)量的數(shù)碼影像，保存到存儲介質(zhì)中。

　　從原理上來說，數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像的像素數(shù)就是傳感器上光敏單元的數(shù)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(qiáng)，動態(tài)范圍就加大。換句話說，寬容度就大，從而能感受到更細(xì)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(xiàn)電荷溢出等現(xiàn)象，導(dǎo)致畫面出現(xiàn)噪點，這就需要更新的技術(shù)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(jī)型之后，拍攝效果反而沒有以前七八百萬像素相機(jī)成像效果好。原因就在于很多廠商為了追求眼球效應(yīng)，一味提升像素指標(biāo)，尋求數(shù)字上的競爭力，但又不增大感光元件面積，在噪點和色彩優(yōu)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(qū)別是，CCD集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導(dǎo)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(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度與光照的強(qiáng)度對應(yīng)。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(gòu)成就比較復(fù)雜，除于感光二極管之外，還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

　　目前CCD感光元件在技術(shù)上比較成熟，成像質(zhì)量好，是現(xiàn)階段應(yīng)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(nèi)，不過由于感光單元中大部分被放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元占據(jù)，所以傳統(tǒng)CMOS感光元件開口率(有效感光區(qū)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(fā)以及生產(chǎn)工藝改良上的投入幾乎都是大手筆。CCD感光元件雖然技術(shù)成熟，但生產(chǎn)線的利用率不高，每提升百萬像素都需要對生產(chǎn)線進(jìn)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(nèi)很難再有所突破。

　　相比之下，CMOS采用的是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線，無需追加投資設(shè)備就可以投產(chǎn)，并且芯片本身的品質(zhì)也隨半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步而提高。像素越高的CMOS感光元件，制造工藝的優(yōu)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(jù)摩爾定律，集成電路里晶體管數(shù)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(shù)碼單反相機(jī)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(shù)碼單反相機(jī)EOS D30，并且運用了如雜波去除技術(shù)、像素內(nèi)電荷完全傳送技術(shù)，成功克服了CMOS感光元件原有的種種缺陷，得到專業(yè)人士的認(rèn)可。

　　經(jīng)過這么多年的發(fā)展，佳能在感光元件方面積累了雄厚的技術(shù)力量和豐富的經(jīng)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(guī)格的大型CMOS感光元件中，技術(shù)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(yīng)用“分割曝光技術(shù)”，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(tài)范圍和信噪比，保留更多的細(xì)節(jié)，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(shè)計和生產(chǎn)的廠商之一，從1999年推出第一代Super CCD感光元件開始，富士數(shù)碼相機(jī)就成為市場上最具特色，也是最有賣點的產(chǎn)品。

　　2009年初剛剛發(fā)布的Super CCD EXR，已經(jīng)是富士開發(fā)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(lán)間隔交錯的蜂窩狀排列，利用雙重曝光控制技術(shù)，通過控制不同的曝光時間以實現(xiàn)不同的感光度。在這種全新的結(jié)構(gòu)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(shù)使圖像捕捉實現(xiàn)了對高光和低光細(xì)節(jié)的全面捕捉，解決了高ISO、動態(tài)范圍等技術(shù)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(jīng)上市，使用Super CCD EXR感光元件的數(shù)碼相機(jī)F200 EXR拍攝出來的照片來看，色彩艷麗，層次以及細(xì)節(jié)過渡自然，對高光和暗部進(jìn)行適當(dāng)曝光后，細(xì)節(jié)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(huán)境下拍攝，畫面噪點的控制已經(jīng)接近數(shù)碼單反相機(jī)。

　　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(shù)碼相機(jī)。因為在此之前，Exmor CMOS感光元件僅配備在索尼α系列數(shù)碼單反相機(jī)上的。

　　傳統(tǒng)CMOS感光元件會將每個像素收集到的電荷信號導(dǎo)入CDS電路中然后傳遞到全矩陣共用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行處理，而索尼Exmor CMOS感光元件為每一列配備了獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，更重要的是曝光時，單個像素可根據(jù)需要改變CDS電路增益(相當(dāng)于改變ISO)，這對于CMOS寬容度不足應(yīng)對高光能力較差和提高動態(tài)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(jī)內(nèi)算法或者導(dǎo)出使用軟件處理將能夠保留更多的細(xì)節(jié)。

　　此次索尼HX1所配備1/2.4英寸的Exmor CMOS感光元件，是索尼數(shù)碼單反相機(jī)所使用的Exmor CMOS感光元件的小型化版本。將CMOS技術(shù)成功引入到消費級數(shù)碼相機(jī)上，意義重大，一方面肯定了CMOS感光元件在民用市場應(yīng)用的價值，另一方面，在技術(shù)上克服傳統(tǒng)CMOS感光元件的弊端，將其性能優(yōu)勢進(jìn)一步放大，對CMOS感光元件在中高端產(chǎn)品中的普及應(yīng)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(shù)，最近索尼的數(shù)碼攝像機(jī)Handycam系列上應(yīng)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(shù)，感光度比傳統(tǒng)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(zhì)量更高的影像畫面。

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