光电传感器

李兴涛

数字摄影的原理是将外部景物转换为电子数字信号，经数字相机的影像处理器处理后存
储在存储介质中，在这一过程里，光电传感器承担着最重要的任务，因而也成为数字相机的
核心部件，它的性能直接决定着数字相机的成像质量，也在某种程度上左右着数字相机的档
次与价格。
光电传感器是一种十分复杂的电子产品，又称影像传感器、光电转换器等，如果单纯从
技术的角度来说，我们可以罗列出许多与光电传感器有关的知识，比如光电传感器结构、影
像转换方式、输入输出方式等，这些科技成果中凝聚着无数电子工程师的智慧和汗水，但对
于一般的摄影师或摄影爱好者来说，纯电子工程学的知识过于专业和复杂，非常难以掌握。
我们所要着重阐述的，是与具体拍摄密切相关的光电传感器知识，系统地掌握这些知识，对
于科学地选购相机和正确地进行拍摄都有帮助。
（1）光电传感器的分类
光电传感器是由大量的光电二极管所组成的，这种光敏元件根据光的强弱将其转化为大
小不同的电荷，然后根据顺序和时间的先后，依次对这些电荷进行采集。从光电传感器的发
展史来看，厂商们除了努力将传感器设计得更小外，还着力于优化光电传感组件的结构，以
使其获得更高的性能。根据光电传感组件的结构不同，可将其分为 CCD 和 CMOS 两种，
它们有着各自不同的特征。
CCD 的全称是 The Charged Coupled Device（电荷耦合器件），它和互联网等现代技
术一样，也是由军方率先展开研究，并用于军事目的的。上个世纪 70 年代，美苏两个超级
大国展开了激烈的太空竞赛，侦察卫星是当时竞赛的一个热点，当时的侦察卫星通过携带底
片盒登上太空，拍完照片后用降落伞返回地球，底片盒在着陆时容易损坏，而且效率较差。
后来，美国 NASA 与美国贝尔电话公司合作研制了第一代 CCD，取代了当时的真空管摄影。
CCD 真正开始应用于数字相机是 1981 年索尼公司开发的“玛维卡”上，由于当时 CCD 的
像素只有 28 万，难以满足高质量数字摄影的需求，因此在今后的很长一段时间里，索尼公
司一直侧重于 CCD 的研究。
传统相机所使用的胶片由片基（原纸）、乳剂层（感光膜）、结合膜（底层）、保护层和
防光晕层（背面层）等五层不同物质组成，和胶片一样，CCD 也是由数个层组成的。CCD
的第一层叫微型镜头，该层相当于在 CCD 的感光层上戴了一副眼镜，其面积大于感光层的
面积，因而能够加大感光层的采光量，使画面的质量得到提高。
CCD 的第二层叫分层滤色片，由于感光层上的光敏元件只能感受光线而不能感受色彩，
所以必须通过滤色片来给光电转换后的电信号加上颜色信息。分层滤色有两种方式——
RGB 原色分色法和 CMYK 补色分色法。RGB 原色分色法是将光线分解为 RED（红）、GREEN
（绿）、BLUE（蓝）三原色，再对这三种颜色进行重新组合，得到与外部景物相同的色彩。
CMYK 补色分色法将青（C）、洋红（M）、黄（Y）、黑（K）四种颜色加以调节，以得到新
的颜色，这种方法在印刷业中运用较多，我们在图书彩页的边角处经常能够看到 CMYK 的
字样。
CMYK 补色分色法调节出来的颜色要少于 RGB 原色分色法，但由于比 RGB 原色分层
滤色片多了一种滤色器，因此在颜色的分辨上更为仔细；RGB 分层滤色片虽然画质锐利，
颜色逼真，但却有高噪声的缺点。这种区别带来了不同相机最高感光度的区别，采用 RGB- 24 -
分层滤色片的数字相机最高感光度一般不超过 400，而采用 CMYK 分层滤色片的相机则可
达到 800 以上。
CCD 的第三层是感光层，其主要成分是硅晶半导体，这是数字相机最为核心的部件。
感光层上的光敏元件多采用矩阵式排列，每一光敏元件附近都有一个电荷存储区，其构造复
杂，集成度低，采用了时钟信号和偏压技术，使耗电量和制造成本大大增加。
CCD 的基本原理是由光敏元件（硅晶半导体）通过光电效应将外部光线转换为电荷并
存储在电荷存储区内，光线越强，电荷也就越多，数字相机会根据电荷的大小来判断光线的
强弱，然后再通过 CCD 组件上的线路将其传输至我们即将介绍的影像处理器，就能还原
CCD 所存储的电荷，构成一幅完整的画面。
CCD 在其发展过程中，主要有线型 CCD（Linear）、面型 CCD（Area）和超级 CCD
（Super）三种类型，线型 CCD 是最原始的产品，它每次只能拍摄图像的一条线，经过数
百次的拍摄才能组合出完整的图像，因此主要用于平面扫描仪及传真机。很明显，如果将线
型 CCD 利用在数字相机上将导致极慢的拍摄速度，也无法拍摄运动物体。面型 CCD 又称
矩阵 CCD，其表面有无数个光敏元件，能够同时感受光线，具有速度快、质量高的特点，
因而被广泛应用于数字相机、摄像机等产品上，是目前数字相机市场上的主流。
如前所述，光电组件结构的优化是 CCD 研究中的重中之重，正是在这一理念的指导下，
富士公司开发出了性能卓越的超级 CCD（Super CCD），它在原理上与面型 CCD 并无本质
区别，只是将面型 CCD 中的四边形光敏元件换成了八角形，但正是这一小小的革新使光敏
元件的排列更为紧密，在 CCD 面积相同的情况下，能够具有更高的像素值。但其缺陷在于，
由于受到面积大小不变的影响，线路布局的干扰较高，噪声更大，不过新一代的设计已经能
够通过影像处理器来降低噪声。
除了上述三种 CCD 外，美国 Foveon 公司的多层感色 CCD 技术（Foveon X3）也值得
一提，传统 CCD 上覆盖的滤色板是单色滤色板，每一个光敏元件只能感应一种色光，而多
层感色 CCD 技术依照光线的吸收波长逐层感色，使每一个光敏元件能够感应多重色光，虽
然无法提升像素，但大大提升了 CCD 的色彩还原能力。
索尼公司于 2003 年 7 月 15 日公布了先进的 RGBE 四色滤光镜 CCD 技术，它在传统
的三色滤光镜上增加了深黄绿色（Emerald）滤光镜，同时改进了索尼数字相机影像处理器
的算法，有效地提高了色彩还原的精确度，使色彩更加自然，更加符合人眼的视觉效果。根
据索尼公司公布的数据，四色滤光镜 CCD 的色彩误差降低了大约 50%，而 CCD 的耗电量
降低了 30%，拍摄速度也有所提高。目前，索尼的四色滤光镜只用在索尼的部分高端机型
上，其他厂家还无法“享用”到这一先进技术。
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CMOS 的全称是 Comlementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体
集成电路），和 CCD 一样，CMOS 也是可以记录光线变化的半导体，两者的研究几乎同时
起步，外观也十分相似，但制作技术却有天壤之别。CMOS 的材质是硅锗半导体，工作原
理在于：在 CMOS 上共存着带负电和正电的半导体，两者产生互补效应，所产生的电流被
数字相机内的影像处理器记录并还原成影像。
由于受到工艺水平的限制，起步阶段的 CMOS 光敏性能很差，分辨率低，噪声居高不
下，这些远远落后于 CCD 的缺点使其在较长时间内没有得到重视和发展。后来，在集成电
路设计技术和工艺水平提高的情况下，CMOS 的诸种缺点现在都已得到克服，并且具有了
不少 CCD 无法比拟的优势，采用 CMOS 的佳能 EOS D30 的诞生，应该被视作 CMOS 进
军高端市场的里程碑，现在甚至有人预言 CMOS 迟早要取代 CCD 成为数字产业界的主流
光电传感器件。
CMOS 与 CCD 相比的一个重要优点是省电，这与它的加工方式有很大关系。CMOS
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周彧：《索尼四色滤光镜 CCD 技术》，《中国摄影报》2002 年 8 月 19 日，第 7 版。- 25 -
的每一个光敏元件都附带一个将电荷转换为电子信号的转换器，它可以在每一个像素的基础
上进行信号放大，而不是像 CCD 那样必须在所有图像数据扫描完成后才能进行放大。CMOS
的这种信号放大方式能够节省一些无效的传输操作，因而大大地节省了电能，一些省电性能
极好的 CMOS 耗电量仅为 CCD 的 1/8 到 1/10。不过，CMOS 的信号转换器属于模拟电路，
很难让每个放大器所得到的结果保持一致，这对 CMOS 的图像品质有着一定的负面影响。
CMOS 还是一种可塑性极强的光电传感器，除了应用数字相机外，还在传真机、扫描
仪、数字摄像机、安全侦测系统、摄像头以及可拍照手机等方面得到广泛应用。