2024年5月8日发(作者：弭司辰)

数码相机感光元件

感光元件是数码相机的核心，也是最关键的技术。

数码相机的发展道路，可以说就是感光元件的发展道路。数码相机的核心成像部件有两种：

一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其

成像感光元件，感光元件就是数码相机的不用更换的“胶卷”而且是与相机一体，所以称为是

数码相机的心脏很确切。

CCD图像传感器（Charged Coupled Device）于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由

日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前

主流应用的500万像素。CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用

于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等

多项影像输入产品上。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、

处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性

能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像

畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品

化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD工作原理

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成

数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构

相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是

MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电

路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能

处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排

列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导

体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造

技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在

CMOS上共存着带N（带-电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流

即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图

像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主

动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)

CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有TTL和CMOS），尤

其是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算

工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能

转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯

号转变为数字信号输出。 相对于其他逻辑系列,CMOS逻辑电路具有一下优点:

1、允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计 2、逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强

3、静态功耗低 4、隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大,从而使CMOS期间驱动

同类逻辑门的能力比其他系列强得多

X3

Foveon X3是全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图传感器阵列。一般采用CCD或

者CMOS的数码相机是在同一像素上可记录RGB三种颜色，而Foveon X3采用三层感光元

件，每层只记录RGB的其中一个颜色通道

优点

传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色

彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深度来感应色彩，

最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线

的吸收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，目前已经有了使用这种技术的ＣＭＯＳ图像

传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。 Foveon X3的三个感光层在不同的深度

撷取RGB色光，于是可以确保RGB色光都被撷取100%。分层感光会有几个主要的优势，

例如，影像更鲜锐、色彩细节增加可以避免不必要的纹状效应等。

4.富士Super CCD EXR

在当今的数码相机市场，图像传感器像素的大小始终是评价一台数码相机的重要指标之

一，甚至经常被作为决定该相机成像质量的基本标尺。在两款优异的拥有1200万像素的机

型FinePix F50fd和FinePix F100fd之中，富士胶片的工程师们在增加CCD像素密度的同

时非常高效的控制了图像的噪点并且优化了图像的感光度，富士胶片在这方面取得了巨大的

成功。富士的最终目标是全面提高影像的成像质量，在提高图像传感器分辨率的同时，通过

“自然影像技术”以保证超高画质。

EXR的超宽动态范围技术原理图

Super CCD EXR采用非常灵活和高精度的曝光控制同时对同一场景进行两次拍摄：一次

以高感光度而另一次以低感光度进行拍摄。然后将两次拍摄的效果合并最终获得完美的高宽

容度效果。类似于Super CCD SR,全新的EXR传感器采用的“双重曝光控制”通过控制不同

的曝光时间（电荷累积时间）以实现不同的感光度。在这种崭新的结构中，“A”和“B”两

组捕捉通道“先后”同时工作，最终“A”和“B”两组通道所采集的图像信息合并并生成最

终图像。这种电子控制使图像捕捉实现了对高光和低光细节的全面捕捉。与SR所不同的是，

单位像素点的尺寸大小是完全一致的，这就意味着EXR在宽动态范围方面的潜力超越

SUPECCD SR。

2024年5月8日发(作者：弭司辰)

数码相机感光元件

感光元件是数码相机的核心，也是最关键的技术。

数码相机的发展道路，可以说就是感光元件的发展道路。数码相机的核心成像部件有两种：

一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其

成像感光元件，感光元件就是数码相机的不用更换的“胶卷”而且是与相机一体，所以称为是

数码相机的心脏很确切。

CCD图像传感器（Charged Coupled Device）于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由

日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前

主流应用的500万像素。CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用

于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等

多项影像输入产品上。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、

处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性

能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像

畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品

化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD工作原理

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成

数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构

相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是

MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电

路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能

处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排

列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导

体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造

技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在

CMOS上共存着带N（带-电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流

即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图

像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主

动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)

CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有TTL和CMOS），尤

其是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算

工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能

转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯

号转变为数字信号输出。 相对于其他逻辑系列,CMOS逻辑电路具有一下优点:

1、允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计 2、逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强

3、静态功耗低 4、隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大,从而使CMOS期间驱动

同类逻辑门的能力比其他系列强得多

X3

Foveon X3是全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图传感器阵列。一般采用CCD或

者CMOS的数码相机是在同一像素上可记录RGB三种颜色，而Foveon X3采用三层感光元

件，每层只记录RGB的其中一个颜色通道

优点

传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色

彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深度来感应色彩，

最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线

的吸收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，目前已经有了使用这种技术的ＣＭＯＳ图像

传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。 Foveon X3的三个感光层在不同的深度

撷取RGB色光，于是可以确保RGB色光都被撷取100%。分层感光会有几个主要的优势，

例如，影像更鲜锐、色彩细节增加可以避免不必要的纹状效应等。

4.富士Super CCD EXR

在当今的数码相机市场，图像传感器像素的大小始终是评价一台数码相机的重要指标之

一，甚至经常被作为决定该相机成像质量的基本标尺。在两款优异的拥有1200万像素的机

型FinePix F50fd和FinePix F100fd之中，富士胶片的工程师们在增加CCD像素密度的同

时非常高效的控制了图像的噪点并且优化了图像的感光度，富士胶片在这方面取得了巨大的

成功。富士的最终目标是全面提高影像的成像质量，在提高图像传感器分辨率的同时，通过

“自然影像技术”以保证超高画质。

EXR的超宽动态范围技术原理图

Super CCD EXR采用非常灵活和高精度的曝光控制同时对同一场景进行两次拍摄：一次

以高感光度而另一次以低感光度进行拍摄。然后将两次拍摄的效果合并最终获得完美的高宽

容度效果。类似于Super CCD SR,全新的EXR传感器采用的“双重曝光控制”通过控制不同

的曝光时间（电荷累积时间）以实现不同的感光度。在这种崭新的结构中，“A”和“B”两

组捕捉通道“先后”同时工作，最终“A”和“B”两组通道所采集的图像信息合并并生成最

终图像。这种电子控制使图像捕捉实现了对高光和低光细节的全面捕捉。与SR所不同的是，

单位像素点的尺寸大小是完全一致的，这就意味着EXR在宽动态范围方面的潜力超越

SUPECCD SR。