2024年3月14日发(作者：联想驱动管理)

提到数码相机，不得不说到就是数码相机的心脏——感光元件。与传统相机相比，

传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光元

件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技

术。数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展道路。目前数码相机的核心成像部件有

两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器

件。

感光元件工作原理

电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的

半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经

过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给

计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组

成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组

件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网

膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过

长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛

克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司

分别为：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。

互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD

一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什

么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–

电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读

成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理

快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

两种感光元件的不同之处

由两种感光元件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造

工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格

非常高昂。同时，这几年来，CCD从30万像素开始，一直发展到现在的600万，像素的提

高已经到了一个极限。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD

来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为

感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄

想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相

机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，

付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。

但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即

可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，

可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组电

源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD套件的

体积很困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来CMOS影像

传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。

影响感光元件的因素

对于数码相机来说，影像感光元件成像的因素主要有两个方面：一是感光元件的面

积；二是感光元件的色彩深度。

感光元件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的

干扰也小，成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光元件的面积也只

能是越来越小。

除了面积之外，感光元件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是

用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光元件一般是24位的，高

档点的采样时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，

据说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有

2^8=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256

约16,77万种。对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级，

每一种原色用一个12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7

亿种。举例来说，如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24

位感光元件的数码相机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高于256备的部位，

均曝光过度，层次损失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝

光不足，如果用使用了36位感光元件的专业数码相机，就不会有这样的问题。

感光元件的发展

CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代，CCD影像传感器虽

然有缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质

的CCD。到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算一

算CCD 发展至今也有二十多个年头了。进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，同

时，CCD的单位面积也越来越小。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量，SONY

与1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光元件是在CCD面积减小的情况下，依靠

CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW

HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。而富士数码相机则采用了超级CCD（Super

CCD）、Super CCD SR。

对于CMOS来说，具有便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器

件的发展方向。目前，在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动

态范围CMOS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需

要，使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS

感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事物而展示出了