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系列型號
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(nèi)置的數(shù)碼相機功能與平時所見到的低端的（10萬--130萬像素）數(shù)碼相機相同。大多數(shù)手機中數(shù)碼相機的感光元件基本上都是CMOS的。感光元件又叫圖像傳感器。
CMOS
Complementary Metal-Oxide Semiconductor，和CCD一樣同為在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅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(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。然而CMOS的缺點就是太容易出現(xiàn)雜點。除了CCD和CMOS之外，還有富士公司獨家推出的 SUPER CCD，SUPER CCD并沒有采用常規(guī)正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果是可以縮小對圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。SUPER CCD在排列結(jié)構(gòu)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的感光二極管對光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。
配置參數(shù)
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，這里的1英寸并不等于通常的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。這種標示方法多用于長寬比為4∶3的袖珍數(shù)碼相機和消費級數(shù)碼相機上，感光元件尺寸從1/5英寸到2/3英寸不等。
尺寸類型
數(shù)碼單反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（接近或等于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(zhuǎn)換系數(shù)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(zhuǎn)換系數(shù)分別為1.5、1.6和1.7）。奧林巴斯、松下數(shù)碼單反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(zhuǎn)換系數(shù)為2.0。從相機的結(jié)構(gòu)上分類，有兩種系統(tǒng)，分別稱為4/3系統(tǒng)和微型4/3系統(tǒng)。
1996年由尼康、佳能、美能達、富士、柯達五大公司聯(lián)合開發(fā)的APS系統(tǒng)(Advanced Photo System，即先進照片系統(tǒng))問世。APS系統(tǒng)在原135膠片系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了較大改進，包括相機、感光材料、沖印設(shè)備、配套產(chǎn)品等全面創(chuàng)新，大幅度縮小膠片尺寸，使用新的智能暗盒設(shè)計，融入數(shù)字技術(shù)，成為能記錄拍攝數(shù)據(jù)、輔助信息的智能型膠片系統(tǒng)。APS系統(tǒng)是對傳統(tǒng)攝影體系的一次重大變革，本應(yīng)有較好的發(fā)展前景。遺憾的是它生不逢時，由于數(shù)碼相機的問世與迅猛發(fā)展，APS系統(tǒng)很快被淘汰。
APS系統(tǒng)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膠卷可攝取的最大畫幅；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，屬于超寬銀幕畫幅。
數(shù)碼單反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。
對于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(jié)。
功能特點
應(yīng)用功能
有效像素為1400萬的CCD感光元件
傳統(tǒng)CCD中的每個像素由一個二極管、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。SUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，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，感光二極管就有更多的空間。
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(zhì)量與理想狀態(tài)有一定差距，這就是為什么一些高端專業(yè)級數(shù)碼相機使用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(guān)系，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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)CCD高，生成的像素就多了。
相同分辨率CMOS價格比CCD便宜，CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電，不像由二極管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒有靜態(tài)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，這有助于改善人們心目中數(shù)碼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，由于電流變化過于頻繁而過熱。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(xiàn)雜點。
CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續(xù)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，并且只有在最后一個數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個像素基礎(chǔ)上進行信號放大，采用這種方法可節(jié)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(shù)據(jù)掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。
工作原理
清潔感光元件表面
CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負責光強度感應(yīng)的桿細胞和色彩感應(yīng)的錐細胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。CCD經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn)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(shù)碼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(xiàn)雜點, 這主要是因為早期的設(shè)計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。
成像因素
感光元件
區(qū)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(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，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(fā)展到600萬，像素的提高已經(jīng)到了一個極限。
感光元件
CMOS影像傳感器的優(yōu)點之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，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影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優(yōu)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影像傳感器只需一組電源，CCD卻需三或四組電源，由于ADC與訊號處理器的制程與CCD不同，要縮小CCD套件的體積很困難。但CMOS影像傳感器首要解決的問題就是降低噪聲的產(chǎn)生，未來CMOS影像傳感器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命，往后技術(shù)的發(fā)展是重要關(guān)鍵。
影響因素
綜述
影響感光元件的因素
對于數(shù)碼相機來說，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(jié)，各像素間的干擾也小，成像質(zhì)量越好。但隨著數(shù)碼相機向時尚小巧化的方向發(fā)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(shù)字來記錄三種原色。非專業(yè)型數(shù)碼相機的感光元件一般是24位的，高檔點的采樣時是30位，而記錄時仍然是24位，專業(yè)型數(shù)碼相機的成像器件至少是36位的，據(jù)說已經(jīng)有了48位的C CD。對于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(shù)字來表示，最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對于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(shù)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(shù)碼相機來拍攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是亮度高于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(yè)數(shù)碼相機，就不會有這樣的問題。
發(fā)展沿革
CCD是1969年由美國的貝爾研究室所鮑爾和史密斯開發(fā)出來的。進入80年代，CCD影像傳感器雖然有缺陷，由于不斷的研究終于克服了困難，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品質(zhì)的CCD。到了90年代制造出百萬像素之高分辨率CCD，此時CCD的發(fā)展更是突飛猛進，算一算CCD發(fā)展至今也有二十多個年頭了。進入90年代中期后，CCD技術(shù)得到了迅猛發(fā)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(zhì)量，SONY于1989年開發(fā)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(nèi)部放大器的放大倍率提升成像質(zhì)量。以后相繼出現(xiàn)了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術(shù)（專為SONY F828所應(yīng)用）。而富士數(shù)碼相機則采用了超級CCD（Super CCD）、Super CCD SR。
感光元件
Exmor R CMOS背面照明技術(shù)感光元件，改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采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(shù)，由于不受金屬線路和晶體管的阻礙，開口率（光電轉(zhuǎn)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(chǎn)品相比，背面照射產(chǎn)品在靈敏度（S/N）上具有很大優(yōu)勢。索尼Cyber-shot新品——WX1和TX1，首次在數(shù)碼相機領(lǐng)域采用了一種全新的Exmor R CMOS傳感器。這種Exmor RCMOS傳感器的感光能力是過去同尺寸傳感器的兩倍，因此在光線不足的環(huán)境下拍攝，能夠大幅降低噪點，獲得更清晰的圖像。而在此后的實際測試中也表明，這兩款Cyber-shot數(shù)碼相機不僅提供了最高ISO 3200的高感光度，并且噪點抑制能力相當優(yōu)秀。同時，這兩款數(shù)碼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傳感器的技術(shù)延伸。傳統(tǒng)的CMOS傳感器每個像素點都要搭配一個對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器以及對應(yīng)的放大電路，因此，這部分電路會占用更多的像素面積，直接導致光電二極管實際感光的面積變小，感光能力變?nèi)?。CCD的單個像素點不需要A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領(lǐng)域，CCD仍占據(jù)一定優(yōu)勢，而在大尺寸影像傳感器領(lǐng)域，由于單個像素點的面積大，A/D轉(zhuǎn)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傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。
而Exmor R CMOS將光電二極管“放置”在了影像傳感器芯片的最上層，把A/D轉(zhuǎn)換器及放大電路挪到了影像傳感器芯片的“背面”，而不是像傳統(tǒng)CMOS傳感器一樣，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管的上層，“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管利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優(yōu)良的高感光度能力。
相比較之下，傳統(tǒng)的表面照射型CMOS傳感器的光電二極管位于整個芯片的最下層，而A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管上層，因此光電二極管離透鏡的距離更遠，光線更容易損失。同時，這些線路連接層還會阻塞從色彩濾鏡到達光電二極管的光路，因此直接導致實際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS傳感器解決了這樣的問題。
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