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数码摄影入门(四)图像传感器综述

来源:中国摄影协会    摄影入门_摄影艺术_中国摄影协会      发布时间:2019-10-08 15:31:32

通过前几篇文章,相信大家可能对数码图像和色彩有了一定的认识。从这篇文章开始,我们将会对大家拍摄使用的“武器”--数码相机进行全方位的介绍。首先我们来了解一下数码相机的核心部件--图像传感器。

一、图像传感器的历史
与传统相机不同,数码相机并不是使用胶片来感光,而是使用图像传感器来捕捉图像。图像传感器的历史可以说非常的悠久:早在1873年,当时科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流,这是电子影像发展的开始。以后陆续有组织和学者研究电子影像,发明了几种不同类型的图像传感器。其中重要的发明有20世纪50年代诞生的光学倍增管(Photo Multiplier Tube,简称PMT)和70年代出现的电荷耦合装置(Charge Coupled Device,简称CCD)。
20世纪末,又有三种新型的图像传感器问世了,它们分别是互补氧化金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,简称CMOS)、接触式图像传感器(Contact lmage Sensor,简称CIS)和LBCAST传感器系统(Lateral Buried Charge Accumulator, Sensing Transistor Array)。

二、PMT
PMT是最早出现的图像传感器,从五十年代发展到现在,技术已经非常成熟,是目前性能最好的传感器。它就像一个圆柱体小灯泡,直径约一寸,长度约二寸;内置多个电极,将进入的光信号转化为电信号,即使很微弱的光线也可准确补捉。其最高动态范围可达4.2,相对于其它类型只能达到3.2-3.6的传感器,PMT要胜出不少;而且它非常耐用,可以运作十万小时以上。但是由于其造价相当高,只能应用于专业的印刷、出版业扫描仪及工程分析仪等。
类似小灯泡的传感器“PMT”

数码摄影入门系列(四)图像传感器综述

三、CCD
CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的,与电脑晶片CMOS技术相似,也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料,由大量独立的感光二极管组成,一般这些感光二极管按照矩阵形式排列(富士公司的Super CCD除外)。CCD的感光能力比PMT低,但近年来CCD技术有了长足的进步,又由于CCD的体积小、造价低,所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是CCD。
贝尔实验室研究员Tony.Tyson利用CCD进行天文研究:

数码摄影入门系列(四)图像传感器综述

索尼F828采用的“4色CCD”:

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四、CMOS
CMOS技术已发展了数十年,CPU和内存便是由CMOS组成。但直到1998年它才被用于制作图像传感器。CMOS的优点是结构比CCD简单,耗电量只有普通CCD的1/3左右,而且制造成本比CCD要低。自从佳能公司在专业数码单反相机EOS D30中采用了CMOS以来,已经有越来越多的数码单反相机使用它,目前数码单反相机中几乎有一半采用CMOS作为图像传感器。
佳能数码单反相机EOS D30采用的CMOS传感器:

数码摄影入门系列(四)图像传感器综述

佳能的大部分数码单反相机都是采用了CMOS传感器,适马的SD10也是采用了Foveon X3技术的CMOS,尼康也在今年联合索尼开发出了千万像素级别的CMOS芯片,用在了他们的顶级数码单反相机D2X上。几年前人们还称CMOS是“未来的传感器”,如今CMOS已改变了这种身份,甚至可以和CCD分庭抗礼,我们只能感叹科学技术的日新月异。
尼康D2X上所使用的CMOS:

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五、CIS
CIS是一种基于CMOS技术的传感器,由于结构关系,CIS技术通常只用于扫描仪。CIS扫描仪将光源、聚焦镜片及感应器一同固定于一个外罩内,不须调节、预热,所以比CCD扫描仪起动快。CIS扫描仪体积比CCD扫描仪更小,而制造成本也更少。但CIS技术还不成熟,容易产生较大的噪点,所以应用不太广泛。
CIS传感器工作示意图:

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六、LBCAST
LBCAST也是一种基于CMOS技术的传感器,这是尼康从1993年开始研发的一种新型传感器。它是被用来作为取代CCD的摄影元件,着眼于CMOS的未来发展,进行了自主改进。和COMS一样,LBCAST也使用了X-Y图像寻址放大方式来读取信号,这使其色彩的动态范围和色域相对于CCD而言更大,婚纱摄影,而由于使用了便电压和小的JFET集成电路结构来进行光电信号的传输,则使信噪比相比COMS有了很大的提高,并因此有效控制了图像噪点,而在传输速度上也由于使用了独立的管线流水线而更为迅速。
尼康D2H上采用的LBCAST传感器:

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目前,因为LBCAST、CMOS每个像素使用的元件较多,体积尚未缩小到能够用于袖珍相机的地步,所以尚未用于镜头一体型的数码相机。

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