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安装在电路板上的感光耦合元件芯片
数码相机主板上的感光元件,具有600万像素

感光元件,是一种将光学影像转换成电子信号的设备,广泛应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号,如摄像管video camera tube)。如今,图像传感器主要分为感光耦合元件charge-coupled device, CCD)和互补式金属氧化物半导体有源像素传感器CMOS Active pixel sensor)两种。

目录

CCD和CMOS的对比编辑

 
Canon公司的CMOS图像传感器

如今,大多数数码相机采用了CCD或CMOS感光元件。这两种类型的感光元件都能够完成選取影像、转换电子訊號的任务。

CCD感光元件是一个基于模拟信号的设备。当光投射到其表面时,将有信号电荷产生。电荷信号可以转换成电压,并按指定的时序将图像信息输出。数码相机主板上的其他电路将把这信号转换成数字信号,以便微处理器进行处理。[1]

而CMOS图像传感器是一类利用CMOS半导体的有源像素传感器。每个光电传感器附近都有相应的电路直接将光能量转换成电压信号。与CCD不同的是,它并不涉及信号电荷。在主板上可能也需要模拟数字转换器将它的输出信号转换成数字信号。[1]

上述两种影像传感技术,在影像品質上并没有太大的优劣之分。CCD传感器在接收强光照射时,对于“纵向涂片”(vertical smear)效应过于敏感,导致信号过载;高端的CCD则通过技术手段缓解了这一问题。不过,CMOS传感器则会因为果冻效应rolling shutter)产生一些不必要的效应。[2]

同等条件下,CMOS图像传感器所用的元件数相对更少,从而功耗较低,数据吞吐速度也比CCD更高。由于数码相机CMOS图像传感器可以直接制作在主板电路上,因此它的信号传输距离较CCD短,电容、电感和寄生延迟降低。另外,資料输出采用X-Y寻址方式,速度更快。CCD的数据输出速率一般不超过每秒70百万像素,而CMOS则可以达到每秒100百万像素。[2]然而,CCD图像传感器在工艺、制造方面更加成熟,因此在市场上与CMOS图像传感器并驾齐驱。[3][4]此外,CMOS的制造成本比CCD传感器低。

有一种混合CCD/CMOS架构,由CMOS資料输出集成數位電路与一片CCD图像传感衬底接合在一起。这项技术是为红外线观察而发展,现在转而用于基于的探测器技术。[5]另外一个途径是采用非常精细的CMOS技术来实现将CCD以CMOS的结构安装。通过在单独的多晶硅(poly-silicon)栅极之间安置非常小的间隙,这项技术有望实现。上述的混合传感器尚处于研究阶段,可以推动CCD和CMOS两种不同技术的共同发展。

但是由於CMOS成像技術不斷提升,消費型數碼相機以及數碼中片幅產品都廣泛採用CMOS,使CCD在市場的佔有率於2010年代起不斷下降,穩執CCD牛耳的索尼更宣布於2017年停產CCD。

性能参数编辑

画幅表示(英寸) 实际大小(mm) 对角线长度(mm)
1/2.3 5.38×4.39 7.2
1/1.8 7.17×5.32 8.9
1/1.7 5.6×7.4 9.5
1/1.63 5.9×7.84 9.8
2/3 8.8×6.6 11
1 13.2×8.8 16
4/3 18×13.5 22.4
1.5 18.7×14 23.4

[6]

有许多参数被用来评价图像传感器的性能,包括动态范围信噪比以及低光照灵敏度等。对于同等级别的传感器,当其尺寸提高后,信噪比和动态范围一般都会得到提升。

颜色的分辨编辑

彩色图像传感器,按其对色彩的分辨方式可分成以下几大类:

  • 拜爾(Bayer)傳感器,一種廉價也最常見的圖像傳感器,使用拜爾濾色鏡讓不同的像素點只對紅、藍、綠三原色光中的其中一種感光,這些像素點交織在一起,然後通過demosaicing內插來恢復原始影像。
  • Foveon X3 传感器,用于某些適馬(Sigma)及宝丽来数码照相机。它的每一像素点都有三重传感器,可以对所有颜色感光。
  • 3CCD 传感器,如某些松下数码照相机,通过双色棱镜分光,并采用3块独立的CCD传感器,一般认为图像还原品质最好但价格比较昂贵。

专用的图像传感器编辑

热成像仪多光谱图像multispectral image)、喉镜laryngoscopy)、伽马相机gamma camera)、X射线传感器以及一些天文学的研究应用领域,还采用了专用的图像传感器。

數位相機中使用的感光元件列表编辑

寬度 高度 長徑比 實際像素 百萬像素 相機示例
32 32
1:1
1024 0.001 Cromemco Cyclops (1975)
100 100
1:1
10,000 0.01 柯達 Prototype (1975)
640 480   307,200 0.3 蘋果 QuickTake 100 (1994)
832 608   505,856 0.5 佳能 Powershot 600 (1996)
1,024 768   786,432 0.8 奧林巴斯 D-300L (1996)
1024 1024
1:1
1,048,576 1.0 尼康 NASA F4英语Nikon NASA F4 (1991)
1,280 960   1,228,800 1.3 富士 DS-300 (1997)
1,280 1,024
5:4
1,310,720 1.3 富士 MX-700, 富士MX-1700 (1999), 徕卡 Digilux (1998), 徕卡 Digilux Zoom (2000)
1,600 1,200   1,920,000 2 尼康 Coolpix 950, 三星 GT-S3500
2,012 1,324   2,663,888 2.74 尼康D1
2,048 1,536   3,145,728 3 佳能 PowerShot A75, 尼康 Coolpix 995
2,272 1,704   3,871,488 4 奧林巴斯 Stylus 410, 康泰時 i4R
2,464 1,648   4,060,672 4.1 佳能 EOS-1D
2,560 1,920   4,915,200 5 奧林巴斯 E-1, 索尼 Cyber-shot DSC-F707, 索尼 Cyber-shot DSC-F717
2,816 2,112   5,947,392 5.9 奧林巴斯 Stylus 600 Digital
3,008 2,000   6,016,000 6 尼康D40, D50, D70, D70s, 賓得士 K100D, 柯尼卡美能達 Dynax 7D, 柯尼卡美能達Dynax 5D
3,072 2,048   6,291,456 6.3 佳能 EOS 10D, 佳能 EOS 300D
3,072 2,304   7,077,888 7 奧林巴斯 FE-210, 佳能 PowerShot A620
3,456 2,304   7,962,624 8 佳能 EOS 350D
3,264 2,448   7,990,272 8 奧林巴斯 E-500, 奧林巴斯 SP-350, 佳能 PowerShot A720 IS, 諾基亞701, HTC Desire HD, iPhone 4S
3,504 2,336   8,185,344 8.2 佳能 EOS 30D, 佳能 EOS-1D Mark II, 佳能 EOS-1D Mark II N
3,520 2,344   8,250,880 8.25 佳能 EOS 20D
3,648 2,736   9,980,928 10 佳能 PowerShot G11, 佳能 PowerShot G12, 佳能 PowerShot S90, 佳能 PowerShot S95, 尼康 CoolPix P7000, 尼康 CoolPix P7100, 奧林巴斯 E-410, 奧林巴斯 E-510, 松下Lumix DMC-FZ50, 富士 FinePix HS10, 三星 EX1
3,872 2,592   10,036,224 10 尼康D40x, 尼康D60, 尼康D3000, 尼康D200, 尼康D80, 賓得士K10D, 賓得士K200D, 索尼α100
3,888 2,592   10,077,696 10.1 佳能 EOS 40D, 佳能 EOS 400D, 佳能 EOS 1000D
4,064 2,704   10,989,056 11 佳能 EOS-1Ds
4,000 3,000   12,000,000 12 佳能 Powershot G9, 富士 FinePix S200EXR, 尼康 Coolpix L110, 柯達 Easyshare Max Z990
4,240 2,832   12,007,680 12 索尼 α7S, 索尼 α7SII
4,256 2,832   12,052,992 12.1 尼康D3, 尼康D3S, 尼康D700, 富士FinePix S5 Pro
4,272 2,848   12,166,656 12.2 佳能 EOS 450D, 佳能 EOS 1100D
4,032 3,024   12,192,768 12.2 奧林巴斯 PEN E-P1
4,288 2,848   12,212,224 12.2 尼康D2X, 尼康D300, 尼康D300s, 尼康D90, 尼康D5000, 賓得士K-x
4,900 2,580   12,642,000 12.6 RED ONE Mysterium
4,368 2,912   12,719,616 12.7 佳能 EOS 5D
5,120 2,700   13,824,000 13.8 RED Mysterium-X
7,920 (2,640 × 3) 1,760   13,939,200 13.9 適馬 SD14, 適馬 DP1
4,672 3,104   14,501,888 14.5 賓得士K20D, 賓得士K-7
4,752 3,168   15,054,336 15.1 佳能 EOS 50D, 佳能 EOS 500D, 適馬 SD1
4,896 3,264   15,980,544 16.0 佳能 EOS-1D Mark IV, 富士 X-Pro1, 富士 X-E1
4,928 3,262   16,075,136 16.1 尼康D7000, 尼康D5100, 賓得士K-5
4,992 3,328   16,613,376 16.6 佳能 EOS-1Ds Mark II
4,080 4,080
1:1
16,646,400 16.6 哈蘇 503CWD
5,184 3,456   17,915,904 17.9 佳能 EOS-1D X, 佳能 EOS 7D, 佳能 EOS 60D, 佳能 EOS 100D, 佳能 EOS 550D, 佳能 EOS 600D, 佳能 EOS 650D, 佳能 EOS 700D, 佳能 EOS 1200D, 佳能 EOS 1300D
4,928 3,696   18,200,000 18.2 索尼 Cyber-shot DSC-HX20
5,270 3,516   18,529,320 18.5 徕卡M9, RED Dragon
5,472 3,648   19,961,856 19.9 佳能 EOS-1D X Mark II, 佳能 EOS 6D, 佳能 EOS 7D Mark II, 佳能 EOS 70D
5,616 3,744   21,026,304 21.0 佳能 EOS-1Ds Mark III, 佳能 EOS 5D Mark II
5,760 3,840   22,118,400 22.1 佳能 EOS 5D Mark III
6,000 4,000   24,000,000 24 佳能 EOS 77D, 佳能 EOS 80D, 佳能 EOS 200D, 佳能 EOS 750D, 佳能 EOS 760D, 佳能 EOS 800D, 尼康D7100, 尼康D7200, 尼康D5200, 尼康D5300, 尼康D5500, 尼康D5600, 索尼α99, 索尼α7, 索尼α7II, 索尼 α7III, 索尼 α9 , 索尼α6000, 索尼α6300, 索尼α6400, 索尼α6500
6,016 4,016   24,160,256 24.2 尼康D600, 尼康D610, 尼康D750
6,048 4,032   24,385,536 24.4 尼康D3X, 賓得士K-3, 索尼α850, 索尼α900
6,240 4,160   25,958,400 26.0 佳能 EOS 6D Mark II, 佳能 EOS RP
5,140 5,140
1:1
26,419,600 26.4 徠卡S1 (1997)
6,720 4,480   30,105,600 30.1 佳能 EOS 5D Mark IV, 佳能 EOS R
4,872 6,496   31,648,512 31.7 哈蘇 H3DII-31
7,360 4,912   36,152,320 36.2 尼康D800, 尼康D800E, 尼康D810, 賓得士K-1, 索尼 α7R
7,500 5,000   37,500,000 37.5 徕卡S2
7,212 5,142   39,031,344 39.0 哈蘇 H3DII-39, Phase One P40+
7,216 5,412   39,052,992 39.1 徕卡 RCD100
7,264 5,440   39,516,160 39.5 賓得士645D
7,320 5,484   40,142,880 40.1 Phase One P40+, Phase One IQ140
7,728 5,368 10:7 41,483,904 41.5 諾基亞808 PureView
7,952 5,304   42,177,408 42.2 索尼 α7RII, 索尼 α7RIII, 索尼 α99II
8,256 5,504   45,441,024 45.4 尼康D850, 尼康z7
8,368 5,584   46,726,912 46.7 松下 Lumix DC-S1R, 徕卡 Q2
8,176 6,132   50,135,232 50.1 哈蘇 H3DII-50, 哈蘇 H4D-50, 哈蘇 H5D-50
8,688 5,792   50,320,896 50.3 Canon EOS 5DS / 5DS R
8,256 6,192   51,121,152 51.1 Pentax 645Z, 富士GFX 50S, 富士GFX 50R
8,272 6,200   51,286,400 51.3 哈蘇 H6D-50C, X1D-50c
8,280 6,208   51,402,240 51.4 Phase One IQ150, Phase One IQ250, Phase One IQ3 50MP
11,250 5,000 9:4 56,250,000 56.3 Better Light英语Better Light 4000E-HS
8,956 6,708   60,076,848 60.1 哈苏 H4D-60, 哈苏 H5D-60
8,984 6,732   60,480,288 60.5 Phase One P65+, Phase One IQ160, Phase One IQ260, Phase One IQ3 XF 60MP
10,320 7,752   80,000,640 80 Leaf Aptus-II 12英语Leaf (Israeli company), Leaf Aptus-II 12R英语Leaf (Israeli company)
10,328 7,760   80,145,280 80.1 Phase One IQ180, Phase One IQ280, Phase One XF IQ3 80MP
9,372 9,372
1:1
87,834,384 87.8 徕卡 RC30
11,600 8,700   100,920,000 100.9 哈苏 H6D-100C
11,608 8,708   101,082,464 101.1 Phase One FX IQ1 100MP, Phase One FX IQ3 100MP, Phase One XF IQ4 100MP Trichromatic
11,648 8,736   101,756,928 101.8 富士GFX 100
12,600 10,500
6:5
132,300,000 132.3 Phase One PowerPhase FX/FX+
18,000 8,000 9:4 144,000,000 144 Better Light英语Better Light 6000-HS/6000E-HS
14,204 10,652   151,301,008 151.3 Phase One XF IQ4 150MP
21,250 7,500 17:6 159,375,000 159.4 Seitz 6x17 Digital
16,352* 12,264*   200,540,928 200.5 哈苏 H4D-200MS
18,000 12,000   216,000,000 216 Better Light英语Better Light Super 6K-HS
24,000 15,990   383,760,000 383.8 Better Light英语Better Light Super 8K-HS
30,600 13,600 9:4 416,160,000 416.2 Better Light英语Better Light Super 10K-HS
62,830 7,500 ~ 25:3 471,225,000 471.2 Seitz Roundshot D3 (80 毫米鏡頭)
62,830 13,500 ~ 5:1 848,205,000 848.2 Seitz Roundshot D3 (110 毫米鏡頭)
38,000 38,000
1:1
1,444,000,000 1,444 Pan-STARRS PS1
157,000 18,000 ~ 26:3 2,826,000,000 2,826 Better Light英语Better Light 300毫米鏡頭

参考文献编辑

  1. ^ 1.0 1.1 王忠立,刘佳音,贾云得. 基于CCD与CMOS的图像传感器技术. 光学技术. 2003, 29 (3). 
  2. ^ 2.0 2.1 熊平. CCD与CMOS图像传感器特点比较. 半导体光电. 2004, 25 (1). 
  3. ^ CCD vs CMOS 互联网档案馆存檔,存档日期2011-04-08. from Photonics Spectra 2001
  4. ^ Sensors By Vincent Bockaert
  5. ^ A High-Performance Imaging Breakthrough
  6. ^ 《毫米与英寸:认清影像传感器尺寸背后的实质》. 中国摄影报. 2012年2月: 6.