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感光元件

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安裝在電路板上的感光耦合元件晶片
數位相機主板上的感光元件,具有600萬像素

感光元件,是一種將光學影像轉換成電子訊號的設備,廣泛應用在數位相機和其他電子光學設備中。早期的感光元件採用類比訊號,如攝像管video camera tube)。如今,感光元件主要分為感光耦合元件charge-coupled device, CCD)和互補式金屬氧化物半導體主動像素傳感器CMOS Active pixel sensor)兩種。

CCD和CMOS的對比[編輯]

Canon公司的CMOS感光元件

如今,大多數數位相機採用了CCD或CMOS感光元件。這兩種類型的感光元件都能夠完成選取影像、轉換電子訊號的任務。

CCD感光元件是一個基於類比訊號的設備。當光投射到其表面時,將有訊號電荷產生。電荷訊號可以轉換成電壓,並按指定的時序將圖像信息輸出。數位相機主板上的其他電路將把這訊號轉換成數位訊號,以便微處理器進行處理。[1]

而CMOS感光元件是一類利用CMOS半導體的主動像素傳感器。每個光電傳感器附近都有相應的電路直接將光能量轉換成電壓訊號。與CCD不同的是,它並不涉及訊號電荷。在主板上可能也需要類比數位轉換器將它的輸出訊號轉換成數位訊號。[1]

上述兩種影像傳感技術,在影像品質上並沒有太大的優劣之分。CCD傳感器在接收強光照射時,對於「縱向塗片」(vertical smear)效應過于敏感,導致訊號過載;高端的CCD則通過技術手段緩解了這一問題。不過,CMOS傳感器則會因為果凍效應rolling shutter)產生一些不必要的效應。[2]

同等條件下,CMOS感光元件所用的元件數相對更少,從而功耗較低,數據吞吐速度也比CCD更高。由於數位相機CMOS感光元件可以直接製作在主板電路上,因此它的訊號傳輸距離較CCD短,電容、電感和寄生延遲降低。另外,資料輸出採用X-Y尋址方式,速度更快。CCD的數據輸出速率一般不超過每秒70百萬像素,而CMOS則可以達到每秒100百萬像素。[2]然而,CCD感光元件在製程、製造方面更加成熟,因此在市場上與CMOS感光元件並駕齊驅。[3][4]此外,CMOS的製造成本比CCD傳感器低。

有一種混合CCD/CMOS架構,由CMOS資料輸出集成數位電路與一片CCD圖像傳感基板接合在一起。這項技術是為紅外線觀察而發展,現在轉而用於基於的探測器技術。[5]另外一個途徑是採用非常精細的CMOS技術來實現將CCD以CMOS的結構安裝。通過在單獨的多晶矽(poly-silicon)閘極之間安置非常小的間隙,這項技術有望實現。上述的混合傳感器尚處於研究階段,可以推動CCD和CMOS兩種不同技術的共同發展。

但是由於CMOS成像技術不斷提升,消費型數位相機以及數位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。

性能參數[編輯]

畫幅表示(英寸) 實際大小(mm) 對角線長度(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]

有許多參數被用來評價感光元件的性能,包括動態範圍信噪比以及低光照靈敏度等。對於同等級別的傳感器,當其尺寸提高後,信噪比和動態範圍一般都會得到提升。

顏色的分辨[編輯]

彩色感光元件,按其對色彩的分辨方式可分成以下幾大類:

  • 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 傳感器,用於某些適馬(Sigma)及寶麗來數位照相機。它的每一像素點都有三重傳感器,可以對所有顏色感光。
  • 3CCD 傳感器,如某些松下數位照相機,通過雙色稜鏡分光,並採用3塊獨立的CCD傳感器,一般認為圖像還原品質最好但價格比較昂貴。

專用的感光元件[編輯]

熱成像儀多光譜圖像multispectral image)、喉鏡laryngoscopy)、伽馬相機gamma camera)、X射線傳感器以及一些天文學的研究應用領域,還採用了專用的感光元件。

數位相機中使用的感光元件列表[編輯]

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 4:3 aspect ratio 307,200 0.3 蘋果 QuickTake 100 (1994)
832 608 4:3 aspect ratio 505,856 0.5 佳能 Powershot 600 (1996)
1,024 768 4:3 aspect ratio 786,432 0.8 奧林巴斯 D-300L (1996)
1024 1024
1:1
1,048,576 1.0 尼康 NASA F4英語Nikon NASA F4 (1991)
1,280 960 4:3 aspect ratio 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), 徠卡 Digilux (1998), 徠卡 Digilux Zoom (2000)
1,600 1,200 4:3 aspect ratio 1,920,000 2 尼康 Coolpix 950, 三星 GT-S3500
2,012 1,324 3:2 aspect ratio 2,663,888 2.74 尼康D1
2,048 1,536 4:3 aspect ratio 3,145,728 3 佳能 PowerShot A75, 尼康 Coolpix 995
2,272 1,704 4:3 aspect ratio 3,871,488 4 奧林巴斯 Stylus 410, 康泰時 i4R
2,464 1,648 3:2 aspect ratio 4,060,672 4.1 佳能 EOS-1D
2,560 1,920 4:3 aspect ratio 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 4:3 aspect ratio 5,947,392 5.9 奧林巴斯 Stylus 600 Digital
3,008 2,000 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 6,291,456 6.3 佳能 EOS 10D, 佳能 EOS 300D
3,072 2,304 4:3 aspect ratio 7,077,888 7 奧林巴斯 FE-210, 佳能 PowerShot A620
3,456 2,304 3:2 aspect ratio 7,962,624 8 佳能 EOS 350D
3,264 2,448 4:3 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 8,250,880 8.25 佳能 EOS 20D
3,648 2,736 4:3 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 10,077,696 10.1 佳能 EOS 40D, 佳能 EOS 400D, 佳能 EOS 1000D
4,064 2,704 3:2 aspect ratio 10,989,056 11 佳能 EOS-1Ds
4,000 3,000 4:3 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 12,007,680 12 索尼 α7S, 索尼 α7SII
4,256 2,832 3:2 aspect ratio 12,052,992 12.1 尼康D3, 尼康D3S, 尼康D700, 富士FinePix S5 Pro
4,272 2,848 3:2 aspect ratio 12,166,656 12.2 佳能 EOS 450D, 佳能 EOS 1100D
4,032 3,024 4:3 aspect ratio 12,192,768 12.2 奧林巴斯 PEN E-P1
4,288 2,848 3:2 aspect ratio 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 16:9 aspect ratio 12,642,000 12.6 RED ONE Mysterium
4,368 2,912 3:2 aspect ratio 12,719,616 12.7 佳能 EOS 5D
5,120 2,700 16:9 aspect ratio 13,824,000 13.8 RED Mysterium-X
7,920 (2,640 × 3) 1,760 3:2 aspect ratio 13,939,200 13.9 適馬 SD14, 適馬 DP1
4,672 3,104 3:2 aspect ratio 14,501,888 14.5 賓得士K20D, 賓得士K-7
4,752 3,168 3:2 aspect ratio 15,054,336 15.1 佳能 EOS 50D, 佳能 EOS 500D, 適馬 SD1
4,896 3,264 3:2 aspect ratio 15,980,544 16.0 佳能 EOS-1D Mark IV, 富士 X-Pro1, 富士 X-E1
4,928 3,262 3:2 aspect ratio 16,075,136 16.1 尼康D7000, 尼康D5100, 賓得士K-5
4,992 3,328 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 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 4:3 aspect ratio 18,200,000 18.2 索尼 Cyber-shot DSC-HX20
5,270 3,516 3:2 aspect ratio 18,529,320 18.5 徠卡M9, RED Dragon
5,472 3,648 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 21,026,304 21.0 佳能 EOS-1Ds Mark III, 佳能 EOS 5D Mark II
5,760 3,840 3:2 aspect ratio 22,118,400 22.1 佳能 EOS 5D Mark III
6,000 4,000 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 24,160,256 24.2 尼康D600, 尼康D610, 尼康D750
6,048 4,032 3:2 aspect ratio 24,385,536 24.4 尼康D3X, 賓得士K-3, 索尼α850, 索尼α900
6,240 4,160 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 30,105,600 30.1 佳能 EOS 5D Mark IV, 佳能 EOS R
4,872 6,496 4:3 aspect ratio 31,648,512 31.7 哈蘇 H3DII-31
7,360 4,912 3:2 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 37,500,000 37.5 徠卡S2
7,212 5,142 4:3 aspect ratio 39,031,344 39.0 哈蘇 H3DII-39, Phase One P40+
7,216 5,412 4:3 aspect ratio 39,052,992 39.1 徠卡 RCD100
7,264 5,440 4:3 aspect ratio 39,516,160 39.5 賓得士645D
7,320 5,484 4:3 aspect ratio 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 3:2 aspect ratio 42,177,408 42.2 索尼 α7RII, 索尼 α7RIII, 索尼 α99II
8,256 5,504 3:2 aspect ratio 45,441,024 45.4 尼康D850, 尼康z7
8,368 5,584 3:2 aspect ratio 46,726,912 46.7 松下 Lumix DC-S1R, 徠卡 Q2
8,176 6,132 4:3 aspect ratio 50,135,232 50.1 哈蘇 H3DII-50, 哈蘇 H4D-50, 哈蘇 H5D-50
8,688 5,792 3:2 aspect ratio 50,320,896 50.3 Canon EOS 5DS / 5DS R
8,256 6,192 4:3 aspect ratio 51,121,152 51.1 Pentax 645Z, 富士GFX 50S, 富士GFX 50R
8,272 6,200 4:3 aspect ratio 51,286,400 51.3 哈蘇 H6D-50C, X1D-50c
8,280 6,208 4:3 aspect ratio 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英語Better Light 4000E-HS
8,956 6,708 4:3 aspect ratio 60,076,848 60.1 哈蘇 H4D-60, 哈蘇 H5D-60
8,984 6,732 4:3 aspect ratio 60,480,288 60.5 Phase One P65+, Phase One IQ160, Phase One IQ260, Phase One IQ3 XF 60MP
10,320 7,752 4:3 aspect ratio 80,000,640 80 Leaf Aptus-II 12英語Leaf (Israeli company), Leaf Aptus-II 12R英語Leaf (Israeli company)
10,328 7,760 4:3 aspect ratio 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 徠卡 RC30
11,600 8,700 4:3 aspect ratio 100,920,000 100.9 哈蘇 H6D-100C
11,608 8,708 4:3 aspect ratio 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 4:3 aspect ratio 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英語Better Light 6000-HS/6000E-HS
14,204 10,652 4:3 aspect ratio 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* 4:3 aspect ratio 200,540,928 200.5 哈蘇 H4D-200MS
18,000 12,000 3:2 aspect ratio 216,000,000 216 Better Light英語Better Light Super 6K-HS
24,000 15,990 3:2 aspect ratio 383,760,000 383.8 Better Light英語Better Light Super 8K-HS
30,600 13,600 9:4 416,160,000 416.2 Better Light英語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英語Better Light 300毫米鏡頭

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 王忠立,劉佳音,賈雲得. 基於CCD與CMOS的圖像傳感器技術. 光學技術. 2003, 29 (3). 
  2. ^ 2.0 2.1 熊平. CCD與CMOS圖像傳感器特點比較. 半導體光電. 2004, 25 (1). 
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  4. ^ Sensors By Vincent Bockaert
  5. ^ A High-Performance Imaging Breakthrough. [2020-06-26]. (原始內容存檔於2017-01-02). 
  6. ^ 《毫米與英寸:認清影像傳感器尺寸背後的實質》. 中國攝影報. 2012年2月: 6 [2013-10-18]. (原始內容存檔於2012-12-13).