数码相机图像传感器知识

史晓琳

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(Willoughbysmit)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”

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。

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：

    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。

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。


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，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。

    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。