感光元件
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感測器（CMOS Active pixel sensor）兩種。
CMOS與CCD的對比
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如今，大多數數位相機採用了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半導體的主動像素感測器。每個光電感測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感測器在接收強光照射時，對於「縱向塗片」（vertical smear）效應過於敏感，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感測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感測器低。
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，現在轉而用於基於矽的探測器技術。[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。上述的混合感測器尚處於研究階段，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，目前的消費電子產品市場上已經沒有了CCD的蹤影。
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 |
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。對於同等級別的感測器，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，然後通過去馬賽克（demosaicing）內插來恢復原始影像。
- Foveon X3 感測器，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感測器，可以對所有顏色感光。
- 3CCD 感測器，如某些松下數位照相機，或者是攝像機（Camcorder），通過雙色稜鏡分光，並採用3塊獨立的CCD感測器，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]在熱成像儀、多光譜圖像（multispectral image）、喉鏡（laryngoscopy）、伽馬相機（gamma camera）、X射線感測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 | 
|
307,200 | 0.3 | 蘋果 QuickTake 100 (1994) |
| 832 | 608 |
|
505,856 | 0.5 | 佳能 Powershot 600 (1996) |
| 1,024 | 768 |
|
786,432 | 0.8 | 奧林巴斯 D-300L (1996) |
| 1024 | 1024 | 1:1
|
1,048,576 | 1.0 | 尼康 NASA F4 (1991) |
| 1,280 | 960 |
|
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 |
|
1,920,000 | 2 | 尼康 Coolpix 950, 三星 GT-S3500 |
| 2,012 | 1,324 | 
|
2,663,888 | 2.74 | 尼康D1 |
| 2,048 | 1,536 |
|
3,145,728 | 3 | 佳能 PowerShot A75, 尼康 Coolpix 995 |
| 2,272 | 1,704 |
|
3,871,488 | 4 | 奧林巴斯 Stylus 410, 康泰時 i4R |
| 2,464 | 1,648 |
|
4,060,672 | 4.1 | 佳能 EOS-1D |
| 2,560 | 1,920 |
|
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 |
|
5,947,392 | 5.9 | 奧林巴斯 Stylus 600 Digital |
| 3,008 | 2,000 |
|
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 |
|
6,291,456 | 6.3 | 佳能 EOS 10D, 佳能 EOS 300D |
| 3,072 | 2,304 |
|
7,077,888 | 7 | 奧林巴斯 FE-210, 佳能 PowerShot A620 |
| 3,456 | 2,304 |
|
7,962,624 | 8 | 佳能 EOS 350D |
| 3,264 | 2,448 |
|
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 |
|
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 |
|
8,250,880 | 8.25 | 佳能 EOS 20D |
| 3,648 | 2,736 |
|
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 |
|
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 |
|
10,077,696 | 10.1 | 佳能 EOS 40D, 佳能 EOS 400D, 佳能 EOS 1000D |
| 4,064 | 2,704 |
|
10,989,056 | 11 | 佳能 EOS-1Ds |
| 4,000 | 3,000 |
|
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 |
|
12,007,680 | 12 | 索尼 α7S, 索尼 α7SII |
| 4,256 | 2,832 |
|
12,052,992 | 12.1 | 尼康D3, 尼康D3S, 尼康D700, 富士FinePix S5 Pro |
| 4,272 | 2,848 |
|
12,166,656 | 12.2 | 佳能 EOS 450D, 佳能 EOS 1100D |
| 4,032 | 3,024 |
|
12,192,768 | 12.2 | 奧林巴斯 PEN E-P1 |
| 4,288 | 2,848 |
|
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 | 
|
12,642,000 | 12.6 | RED ONE Mysterium |
| 4,368 | 2,912 |
|
12,719,616 | 12.7 | 佳能 EOS 5D |
| 5,120 | 2,700 |
|
13,824,000 | 13.8 | RED Mysterium-X |
| 7,920 (2,640 × 3) | 1,760 |
|
13,939,200 | 13.9 | 適馬 SD14, 適馬 DP1 |
| 4,672 | 3,104 |
|
14,501,888 | 14.5 | 賓得士K20D, 賓得士K-7 |
| 4,752 | 3,168 |
|
15,054,336 | 15.1 | 佳能 EOS 50D, 佳能 EOS 500D, 適馬 SD1 |
| 4,896 | 3,264 |
|
15,980,544 | 16.0 | 佳能 EOS-1D Mark IV, 富士 X-Pro1, 富士 X-E1 |
| 4,928 | 3,262 |
|
16,075,136 | 16.1 | 尼康D7000, 尼康D5100, 賓得士K-5 |
| 4,992 | 3,328 |
|
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 |
|
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 |
|
18,200,000 | 18.2 | 索尼 Cyber-shot DSC-HX20 |
| 5,270 | 3,516 |
|
18,529,320 | 18.5 | 徠卡M9, RED Dragon |
| 5,472 | 3,648 |
|
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 |
|
21,026,304 | 21.0 | 佳能 EOS-1Ds Mark III, 佳能 EOS 5D Mark II |
| 5,760 | 3,840 |
|
22,118,400 | 22.1 | 佳能 EOS 5D Mark III |
| 6,000 | 4,000 |
|
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 |
|
24,160,256 | 24.2 | 尼康D600, 尼康D610, 尼康D750 |
| 6,048 | 4,032 |
|
24,385,536 | 24.4 | 尼康D3X, 賓得士K-3, 索尼α850, 索尼α900 |
| 6,240 | 4,160 |
|
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 |
|
30,105,600 | 30.1 | 佳能 EOS 5D Mark IV, 佳能 EOS R |
| 4,872 | 6,496 |
|
31,648,512 | 31.7 | 哈蘇 H3DII-31 |
| 7,360 | 4,912 |
|
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 |
|
37,500,000 | 37.5 | 徠卡S2 |
| 7,212 | 5,142 |
|
39,031,344 | 39.0 | 哈蘇 H3DII-39, Phase One P40+ |
| 7,216 | 5,412 |
|
39,052,992 | 39.1 | 徠卡 RCD100 |
| 7,264 | 5,440 |
|
39,516,160 | 39.5 | 賓得士645D |
| 7,320 | 5,484 |
|
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 |
|
42,177,408 | 42.2 | 索尼 α7RII, 索尼 α7RIII, 索尼 α99II |
| 8,256 | 5,504 |
|
45,441,024 | 45.4 | 尼康D850, 尼康z7 |
| 8,368 | 5,584 |
|
46,726,912 | 46.7 | 松下 Lumix DC-S1R, 徠卡 Q2 |
| 8,176 | 6,132 |
|
50,135,232 | 50.1 | 哈蘇 H3DII-50, 哈蘇 H4D-50, 哈蘇 H5D-50 |
| 8,688 | 5,792 |
|
50,320,896 | 50.3 | Canon EOS 5DS / 5DS R |
| 8,256 | 6,192 |
|
51,121,152 | 51.1 | Pentax 645Z, 富士GFX 50S, 富士GFX 50R |
| 8,272 | 6,200 |
|
51,286,400 | 51.3 | 哈蘇 H6D-50C, X1D-50c |
| 8,280 | 6,208 |
|
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 4000E-HS |
| 8,956 | 6,708 |
|
60,076,848 | 60.1 | 哈蘇 H4D-60, 哈蘇 H5D-60 |
| 8,984 | 6,732 |
|
60,480,288 | 60.5 | Phase One P65+, Phase One IQ160, Phase One IQ260, Phase One IQ3 XF 60MP |
| 10,320 | 7,752 |
|
80,000,640 | 80 | Leaf Aptus-II 12, Leaf Aptus-II 12R |
| 10,328 | 7,760 |
|
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 |
|
100,920,000 | 100.9 | 哈蘇 H6D-100C |
| 11,608 | 8,708 |
|
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 |
|
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 6000-HS/6000E-HS |
| 14,204 | 10,652 |
|
151,301,008 | 151.3 | Phase One XF IQ4 150MP |
| 21,250 | 7,500 | 17:6 | 159,375,000 | 159.4 | Seitz（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 6x17 Digital |
| 16,352* | 12,264* |
|
200,540,928 | 200.5 | 哈蘇 H4D-200MS |
| 18,000 | 12,000 |
|
216,000,000 | 216 | Better Light Super 6K-HS |
| 24,000 | 15,990 |
|
383,760,000 | 383.8 | Better Light Super 8K-HS |
| 30,600 | 13,600 | 9:4 | 416,160,000 | 416.2 | Better Light Super 10K-HS |
| 62,830 | 7,500 | ~ 25:3 | 471,225,000 | 471.2 | Seitz（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Roundshot D3 (80 毫米鏡頭) |
| 62,830 | 13,500 | ~ 5:1 | 848,205,000 | 848.2 | Seitz（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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 300毫米鏡頭 |
參考文獻
[編輯]- ^ 1.0 1.1 王忠立，劉佳音，賈雲得. 基于CCD与CMOS的图像传感器技术. 光學技術. 2003, 29 (3).
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- ^ A High-Performance Imaging Breakthrough. [2020-06-26]. （原始內容存檔於2017-01-02）.
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