光电传感器面积与成像质量

李兴涛

CCD 的面积（尺寸），即 CCD 的大小，一般来说，CCD 的面积越大，受光面就越多，
捕获的光线也就越多，感光性能越好，噪声越低。
目前市面上各种消费级数字相机 CCD 的长宽比均为 4：3，总面积都在 1"（12.8mm×
9.6mm，对角线为 16mm）以下，比较常见的有 1/3.2"、1/3"、1/2.7"、1/2"、1/1.8"和 2/3"
等。所谓的 1/2"，指的是对角线长度是 1"CCD 的一半，即 8mm，面积约为 1 寸 CCD 的 1/4，
1/4" 的对角线是 1"的 1/4，即 4mm。在数字相机中，等同于传统底片面积的 CCD 所使用
的长宽比由 4：3 放成了 3：2，因此不以英寸为表达方式，而是改称为“全画幅”或“相当
于 35mm 胶片大小”（36×24mm），比全画幅小一号的称作 APS（25.1×16.7mm），再小
一号的是 APS-C（23.7×15.6mm），APS 画幅主要用于单镜头反光数字照相机。
需要注意的是，并不是说 CCD 面积越大，成像质量也就越好，我们必须综合比较 CCD
的面积和像素这两和要素来进行判断，如果面积增大了，但是像素却没有增加很多，那么成
像质量未必获得提高。那么，如果两只 CCD 面积相同，是不是像素越高，成像质量也就越
好呢，仍然未必。当像素大量增加时，单个像素即感光元件的感光面积缩小了，给曝光不足
带来了可能。如果在增加 CCD 像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个
像素面积不减小的基础上增大 CCD 的总面积。
此外，CCD 上的每个像素之间都分布着传导线路，制造技术越精密，线路所占的空间
也就越小，这就给数字相机制造技术带来了两个方面的后果：一是 CCD 总面积不变，像素
数量也不变，而单个像素的感光面积得到扩大；二是像素数量增加，而 CCD 总面积却得到
了减少，从而催生了小型化的高像素数字相机。
目前，大尺寸的 CCD 加工制造起来比较困难，成本也非常高，因此 CCD 尺寸较大的
数字相机价格也较高，感光器件的大小还直接影响着数字相机的体积与重量，在消费级数字
相机超薄、超轻化的趋势下，一味增大 CCD 面积的做法是不可取的。
近年来，为了补足 APS-C 以下的 CCD 尺寸空间，日本 Olympus 公司生产并主导推广
了一种新的 4/3 系统，这种 CCD 的面积比一般消费级数字相机的 1 寸型 CCD 大 1/3（22.5
×16mm）），但比例不是 3：2 而是 4：3，因此仍然采用了英寸的称法，命名为 4/3 或是 1
又 1/3 系统。在 4/3 系统诞生之前，各厂商开发的单反数字相机（DSLR）无一例外地由 35mm
胶片相机演变而来，其外观和 35mm 单反胶片机无异，而我们在谈论镜头的焦距时，也会
强行要求自己将其换算成“相当于 35mm 相机的„„”，似乎用传统衡量现代已经成了一个
真理。4/3 系统则对画质、尺寸大小和系统扩展性三者之间的平衡进行了详细研究，号称“最
适合 DSLR 的全新架构”。
4/3 系统因采用 4/3 型图像传感器而得名，其最大的特点就是能够充分发挥镜头和传感
器的性能。这里似乎有一个潜台词，即成熟的 35mm 系统结构反而束缚了相机的性能，事
实也的确如此。大多数为 35mm 胶片相机所设计的镜头，由于成像圈较大，入射光线无法
垂直照射到感光元件上，这对于 35mm 胶片相机来说并不是什么大的问题，因为无论从何
种角度入射的光线，胶片都一样感光。而数字相机所使用的图像传感器则有着完全不同的结- 26 -
构，传感器上的每个感光点都是以矩阵形式排列（SuperCCD 除外），每个像素的有效感光
部分都是被放在一个凹槽的底部，而上方则覆盖着 RGB 三色滤镜。正是由于这个凹槽的存
在，以一定角度斜射到图像传感器上的光线，会被凹槽的边缘遮挡，就不能很好地将光线照
射到有效的感光部分上，造成的结果就是亮度不足，色彩还原效果不佳。越到镜头边缘，光
线的入射角度就越大，凹槽遮挡的光线也就越多，这也就是产生边缘成像劣化的原因。
数字相机专用镜头的设计必须使图像传感器的边缘和中央一样感光，如果要使用和
35mm 胶片同样大小的图像传感器，并且使光线能够垂直照射到传感器上的话，那么镜头的
口径必须做得非常巨大，镜头卡口的尺寸也要相应加大，这种方案几乎没有实用价值。因此，
要解决这一问题就必须在感光元件尺寸上略作妥协。4/3 型图像传感器是为解决这一难题而
设计的单反数字相机专用传感器，它实际的感光面积为 18×13.5mm，大约是 2/3 型图像传
感器实际感光面积（8.8x6.6mm）的 4 倍，但是和目前中低档 DSLR 所普遍采用的 APS 尺
寸图像传感器的感光面积（23.7x15.6mm）相比，还是显得小了一些。
在相同的像素下，感光面积越大，噪点水平就越低。而 4/3 型图像传感器，正好在像素、
噪点以及感光面积三方面达到了一个较为合理的平衡——在目前 500-800 万的像素水平下，
ISO800 的影像具有“实用价值”，即噪点水平在可接受的范围内。
（3）光电传感器的维护
消费级数字照相机，其光电传感器是封闭在照相机内部的，平时不可能碰触到它，对它
的保护较为容易。对专业单反数字照相机而言，因为照相机的镜头可以卸下，打开照相机的
B 门就可以直接接触光电传感器，光电传感器裸露的机会较多，因此，光电传感器也容易吸
附灰尘而变脏，吸附的灰尘会在拍摄的画面中显示出来，特别是亮白的背景下，光电传感器
的脏点会非常清楚，轻微的脏点我们可以在计算机图像处理时将它处理掉，如果脏点较为严
重时，就必须清洗光电传感器，清洗时一般使用无水酒精和乙醚的混合溶液，将照相机快门
设置到 B 门，按住快门将快门打开，能看到光电传感器，用镊子夹着脱脂棉花，沾上配置
好的清洗溶液，在影像传感器上轻轻的擦拭几遍，可以将光电传感器上的灰尘和杂质清洗掉，
而清洗溶液的挥发速度极快，不会留下任何痕迹。但是清洗时要特别小心，稍有不慎会损坏
光电传感器，使照相机再也无法使用。最好将照相机送专业维修站去清洗，不过清洗价格较
高。