感光元件:分類概述,綜述,CCD,CMOS,套用功能,工作原理,規格參數,尺寸標示

感光元件是數位相機的核心，也是最關鍵的技術。數位相機的發展道路，可以說就是感光元件的發展道路。數位相機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（互補金屬氧化物半導體）器件。與傳統相機相比，傳統相機使用“膠捲”作為其記錄信息的載體，而數位相機的“膠捲”就是其成像感光元件，感光元件就是數位相機的不用更換的“膠捲”而且是與相機一體，所以稱為是數位相機的心臟很確切。

基本介紹

中文名：感光元件
外文名：Image sensor
地位：數位相機的核心
種類：CCD，CMOS

分類概述,綜述,CCD,CMOS,套用功能,工作原理,規格參數,尺寸標示,光學格式,尺寸類型,尺寸對照,成像因素,區別,影響因素,綜述,面積,色彩深度,發展歷史,

分類概述

綜述

感光元件主要有兩種：CCD(電荷耦合)、CMOS（互補金屬氧化物半導體）。作為手機新型的拍攝功能，內置的數位相機功能與平時所見到的低端的（10萬--130萬像素）數位相機相同。大多數手機中數位相機的感光元件基本上都是CMOS的。感光元件又叫圖像感測器。

CCD

Charge Coupled Device，它使用一種高感光度的半導體材料製成，由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，即把光線轉變成電荷；所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。而後轉換成數位訊號，經過壓縮後保存在相機內部的閃速存儲器或內置硬碟卡中。有能力生產CCD 的公司分別為：索尼、飛利浦、柯達、松下、富士、夏普，大半是日本廠商。

CMOS

Complementary Metal-Oxide Semiconductor，和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的製造技術和一般計算機晶片沒什麼差別，主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電）和 P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而CMOS的缺點就是太容易出現雜點。除了CCD和CMOS之外，還有富士公司獨家推出的SUPER CCD，SUPER CCD並沒有採用常規正方形二極體，而是使用了一種八邊形的二極體，像素是以蜂窩狀形式排列，並且單位像素的面積要比傳統的CCD大。將像素旋轉45度排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用的多餘空間，光線集中的效率比較高，效率增加之後使感光性、信噪比和動態範圍都有所提高。SUPER CCD在排列結構上比普通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的感光二極體對光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動態範圍都有所提高。

套用功能

與傳統相機相比，傳統相機使用“膠捲”作為其記錄信息的載體，而數位相機的“膠捲”就是其成像感光器件，而且是與相機一體的。感光器是數位相機的核心，也是最關鍵的技術。數位相機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（互補金屬氧化物導體）器件。用於手機中數位相機的感光元件基本上都是CMOS的。

傳統CCD中的每個像素由一個二極體、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。SUPER CCD採用蜂窩狀的八邊二極體，原有的控制信號路徑被取消了，只需要一個方向的電量傳輸路徑即可，感光二極體就有更多的空間。

SUPER CCD的輸出像素會比有效像素高，因為CCD對綠色不很敏感，因此是以G－B－R－G來合成。各個合成的像素點實際上有一部分真實像素點是共用，因此圖象質量與理想狀態有一定差距，這就是為什麼一些高端專業級數位相機使用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係，做到了R、G、B像素相當，在合成像素時也是以三個為一組。因此傳統CCD是四個合成一個像素點，其實只要三個就行了，浪費了一個，而SUPER CCD就發現了這一點，只用三個就能合成一個像素點。也就是說，CCD每4個點合成一個像素，每個點計算4次；SUPER CCD每3個點合成一個像素，每個點也是計算4次，因此SUPER CCD像素的利用率較傳統CCD高，生成的像素就多了。

相同解析度CMOS價格比CCD便宜，CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電，不像由二極體組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒有靜態電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助於改善人們心目中數位相機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，由於電流變化過於頻繁而過熱。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雜點。

CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。例如，如果解析度為300萬像素，那么CCD感測器可連續掃描300萬個電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個人傳給另一個人，並且只有在最後一個數據掃描完成之後才能將信號放大。CMOS感測器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此，CMOS感測器可以在每個像素基礎上進行信號放大，採用這種方法可節省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。

工作原理

電荷藕合器件圖像感測器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導體材料製成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器晶片轉換成數位訊號，數位訊號經過壓縮以後由相機內部的閃速存儲器或內置硬碟卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，並藉助於計算機的處理手段，根據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生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。

CCD和傳統底片相比，CCD 更接近於人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。 CCD經過長達35年的發展，大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的格線、聚光鏡片以及墊於最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產 CCD 的公司分別為：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fujifilm和Sharp，大半是日本廠商。

互補性氧化金屬半導體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。然而，CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象。

規格參數

尺寸：感光器件的面積大小

像素：像素數目越多、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,收集到的圖像就會越清晰。

尺寸標示

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

光學格式

光學格式一般用感光元件的對角線長度比例來表示，即OF=對角線長度/1英寸=對角線長度/16mm。需要注意的是，這裡的1英寸並不等於通常的25.4mm，而是16mm，即感光元件為12.8mm×9.6mm時，它是1英寸感光元件。這種標示方法多用於長寬比為4∶3的袖珍數位相機和消費級數位相機上，感光元件尺寸從1/5英寸到2/3英寸不等。

尺寸類型

數碼單眼相機的感光元件長寬比多為3∶2，其尺寸標示方法有所不同，一般用感光元件尺寸類型標示。主要分為全畫幅Full Frame（接近或等於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，鏡頭焦距轉換係數為1.3）、APS-C尺寸（如23.6mm×15.8mm、22.2mm×14.8mm、20.7mm×13.8mm等，鏡頭焦距轉換係數分別為1.5、1.6和1.7）。奧林巴斯、松下數碼單眼相機所用的感光元件尺寸為17.3mm×13.0mm，長寬比為4∶3，鏡頭焦距轉換係數為2.0。從相機的結構上分類，有兩種系統，分別稱為4/3系統和微型4/3系統。

1996年由尼康、佳能、美能達、富士、柯達五大公司聯合開發的APS系統(Advanced Photo System，即先進照片系統)問世。APS系統在原135膠片系統的基礎上進行了較大改進，包括相機、感光材料、沖印設備、配套產品等全面創新，大幅度縮小膠片尺寸，使用新的智慧型暗盒設計，融入數位技術，成為能記錄拍攝數據、輔助信息的智慧型型膠片系統。APS系統是對傳統攝影體系的一次重大變革，本應有較好的發展前景。遺憾的是它生不逢時，由於數位相機的問世與迅猛發展，APS系統很快被淘汰。

APS系統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膠捲可攝取的最大畫幅；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，屬於超寬銀幕畫幅。

數碼單眼相機的感光元件尺寸標示方法借用了APS標準，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。

對於相同有效像素的感光元件，一般其尺寸越大，每個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節。

尺寸對照

格式	寬度	長度	對角線	面積	焦距乘數	代表機型
中畫幅	44.0	33.0	55.0	1452	0.7	賓得645D
Red Epic	14.6	27.7	31.3	404	1.3	Red Epic
35電影機	13.7	24.4	28	334	1.4	Red One
Super 35mm	13.8	24.6	28.0	339	1.4	佳能C300
APS-C	15.0	22.0	27.3	329	1.5	APS-C格式單眼
1.5"	14.0	18.7	23.4	262	1.9	佳能G1 X
4/3	13.5	18.0	22.4	243	2.0	4/3及M4/3相機
尼康CX	8.8	13.2	15.8	116	2.7	尼康1系列
Super 16	7.4	12.5	14.5	93	3.0	Super 16膠捲
2/3"	6.6	8.8	11.0	58	4.0	富士X1-
1/1.7"	5.6	7.4	9.5	42	4.6	佳能G12
1/1.8"	5.3	7.2	8.9	38	4.8	高端便攜相機
1/2"	4.8	6.4	8.0	31	5.4	攝像頭
1/2.5"	4.3	5.8	7.2	25	6.0	低端便攜相機
1/3"	3.6	4.8	6.0	17	7.2	攝像頭

成像因素

像感光器件成像的因素主要有兩個方面：一是感光器件的面積；二是感光器件的色彩深度。

區別

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的優勢在於成像質量好，但是由於製造工藝複雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致製造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。同時，這幾年來，CCD從30萬像素開始，一直發展到600萬，像素的提高已經到了一個極限。

在相同解析度下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數的消費級別以及高端數位相機都使用CCD作為感應器；CMOS感應器則作為低端產品套用於一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產的攝像頭使用CCD感應器，廠商一定會不遺餘力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數位相機”之名。一時間，是否具有CCD感應器變成了人們判斷數位相機檔次的標準之一。

CMOS影像感測器的優點之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優異的影像品質，付出代價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影像感測器將每一畫素的電荷轉換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅動，電源消耗量比CCD低。CMOS影像感測器的另一優點，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號處理器整合在一起，使體積大幅縮小，例如，CMOS影像感測器只需一組電源，CCD卻需三或四組電源，由於ADC與訊號處理器的製程與CCD不同，要縮小CCD套件的體積很困難。但CMOS影像感測器首要解決的問題就是降低噪聲的產生，未來CMOS影像感測器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命，往後技術的發展是重要關鍵。

影響因素

綜述

影響感光元件的因素

對於數位相機來說，影像感光元件成像的因素主要有兩個方面：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節，各像素間的干擾也小，成像質量越好。但隨著數位相機向時尚小巧化的方向發展，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，感光元件還有一個重要指標，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二進制數字來記錄三種原色。非專業型數位相機的感光元件一般是24位的，高檔點的採樣時是30位，而記錄時仍然是24位，專業型數位相機的成像器件至少是36位的，據說已經有了48位的CCD。對於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，每一種原色用一個8位的二進制數字來表示，最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對於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，每一種原色用一個12位的二進制數字來表示，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位感光元件的數位相機來拍攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是亮度高於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位感光元件的專業數位相機，就不會有這樣的問題。

發展歷史

感光元件的發展（CCD、CMOS、Exmor R CMOS）

CCD是1969年由美國的貝爾研究室所鮑爾和史密斯開發出來的。進入80年代，CCD影像感測器雖然有缺陷，由於不斷的研究終於克服了困難，而於80年代後半期製造出高解析度且高品質的CCD。到了90年代製造出百萬像素之高解析度CCD，此時CCD的發展更是突飛猛進，算一算CCD 發展至今也有二十多個年頭了。進入90年代中期後，CCD技術得到了迅猛發展，同時，CCD的單位面積也越來越小。但為了在CCD面積減小的同時提高圖像的成像質量，SONY於1989年開發出了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組件內部放大器的放大倍率提升成像質量。以後相繼出現了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術（專為SONY F828所套用）。而富士數位相機則採用了超級CCD（Super CCD）、Super CCD SR。

對於CMOS來說，具有便於大規模生產，且速度快、成本較低，將是數字相機關鍵器件的發展方向。在CANON等公司的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動態範圍CMOS器件已經出現，這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要，使之接近了CCD的成像質量。另外由於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。相對於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。作為數位相機的核心部件，CMOS感光器以已經有逐漸取代CCD感光器的趨勢，並有希望在不久的將來成為主流的感光器。

Exmor R CMOS背面照明技術感光元件，改善了傳統CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS採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，由於不受金屬線路和電晶體的阻礙，開口率（光電轉換部分在一個像素中所占的面積比例）可提高至近100%。與其以往1.75μm間隔的表面照射產品相比，背面照射產品在靈敏度（S/N）上具有很大優勢。索尼Cyber-shot新品——WX1和TX1，首次在數位相機領域採用了一種全新的Exmor R CMOS感測器。這種Exmor RCMOS感測器的感光能力是過去同尺寸感測器的兩倍，因此在光線不足的環境下拍攝，能夠大幅降低噪點，獲得更清晰的圖像。而在此後的實際測試中也表明，這兩款Cyber-shot數位相機不僅提供了最高ISO 3200的高感光度，並且噪點抑制能力相當優秀。同時，這兩款數位相機還提供了手持夜景拍攝、全景掃描等一系列先進功能也是對新一代影像感測器的技術延伸。傳統的CMOS感測器每個像素點都要搭配一個對應的A/D轉換器以及對應的放大電路，因此，這部分電路會占用更多的像素麵積，直接導致光電二極體實際感光的面積變小，感光能力變弱。CCD的單個像素點不需要A/D轉換器和放大電路，光電二極體能獲得更大的實際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像感測器領域，CCD仍占據一定優勢，而在大尺寸影像感測器領域，由於單個像素點的面積大，A/D轉換器和放大電路占用的面積只是整個像素的很小一部分，影響不大，因此CMOS感測器也得到了廣泛的套用。

而Exmor R CMOS將光電二極體“放置”在了影像感測器晶片的最上層，把A/D轉換器及放大電路挪到了影像感測器晶片的“背面”，而不是像傳統CMOS感測器一樣，A/D轉換器和放大電路位於光電二極體的上層，“擋住了”一部分光線。這樣一來，通過微透鏡和色彩濾鏡進來的光線就可以最大限度地被光電二極體利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像感測器，也能獲得優良的高感光度能力。

相比較之下，傳統的表面照射型CMOS感測器的光電二極體位於整個晶片的最下層，而A/D轉換器和放大電路位於光電二極體上層，因此光電二極體離透鏡的距離更遠，光線更容易損失。同時，這些線路連線層還會阻塞從色彩濾鏡到達光電二極體的光路，因此直接導致實際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS感測器解決了這樣的問題。

感光元件