传感器开发的里程碑

我们正在回顾相机技术在 DPReview 25 年历史中发生的变化，并关注过去 25 年取得的里程碑。在本文中，我们将指出我们在传感器领域看到的重大进步，同时也试图解释所带来的改进。

CCD(电荷耦合器件)传感器是第一种能够提供有用的良好效果并且价格适中以包含在消费产品中的图像传感器技术。

CCD 从传感器的边缘读出，一次一个像素，每次读取一个像素时将电荷从一个像素向下级联到下一个像素。完成此操作的速度取决于施加到芯片的电流，因此快速读出需要大量功率。

由于小型消费类相机电池的功率限制，这个过程相对缓慢，使得紧凑型相机中的实时取景非常缓慢和滞后。CCD 构成了早期数码相机市场的基础，从 90 年代中期一直到 2010 年代初，尽管在此期间这项技术不断发展，像素越来越小，性能越来越好。

但与此同时，一项竞争技术 CMOS(互补金属氧化物半导体)正在开发中。它们依次将每个像素的输出传送到公共导线，这意味着电荷不必通过所有相邻像素即可离开芯片。这允许读数运行得更快而无需大量功率。CMOS 传感器的生产成本也较低。佳能于 2000 年率先在其 D30 APS-C 数码单反相机中采用了 CMOS。在接下来的几年中，性能不断提高，佳能以出色的高 ISO 图像质量赢得了声誉。

尽管一些摄影师深情回顾 CCD 时代的色彩再现，但并没有内在原因说明 CCD 本身在捕捉色彩方面与 CMOS 有什么不同。任何差异更有可能源于滤色器选择性和吸收特性的变化，因为制造商试图通过使用允许更多光线通过的滤镜来提高低光性能。

到 2007 年，业界最大的芯片供应商(索尼半导体)的 APS-C 芯片已经转向 CMOS，CMOS 成为大传感器相机的默认技术。

CMOS 的快速读出变得越来越重要，无论是对于佳能 EOS 5D Mk II 等相机中的视频捕捉，还是随着无反光镜时代的临近，实时取景将成为大传感器相机拍摄体验的核心。

2009 年推出了第一款背照式(BSI) CMOS 传感器，这项技术起初主要有利于智能手机和紧凑型相机传感器中的微小像素。BSI 传感器的制造方式与现有的前照式设计大致相同，但它们所构建的背衬材料随后被削掉，传感器的“背面”被放置成面向镜头和接收光。这意味着您在每个像素的感光部分前面没有布线和电路，从而增加了光吸收。这些优势在大型传感器中不太明显，因此三分之四、APS-C 和全画幅 BSI 芯片要再过几年才会问世。

16MP APS-C 传感器出现在 Pentax K-5、Nikon 的 D7000 和各种 Sony 型号中，代表了向前迈出的重要一步，它比之前的 12MP 芯片增加了 DR 的改进。

CMOS 设计的持续发展带来了持续的收益。新设计允许包含更多模数转换器 (ADC)，并将这些 ADC 放置在更靠近像素的位置。这最大限度地减少了在捕获读出电压之前可能潜入的电子噪声量，并且大量的 ADC 意味着每个 ADC 都不必如此快速地工作以提供快速读出。ADC 添加的噪声量与其速度有关，因此该设计可显着降低读取噪声。

这些设计的进一步改进不断降低读取噪音，预示着一个时代的来临，在这个时代，您可以期望大多数相机捕捉到比典型 JPEG 中包含的动态范围大得多的动态范围，这意味着 Raw 文件中有更多可利用的信息。

BSI 从 2014 年开始涉足大型传感器。在大型传感器中，布线在大得多的像素中所占的比例要小得多，因此 BSI 对图像质量的改善要小得多。不过，它确实带来了优势。首先是改善像素接受光线的角度。这在传感器的角落特别有用，光线可能会以非常锐角照射到传感器，很难重新定向到 FSI 传感器的凹陷光敏区域。其次，将布线移到像素后面可以实现更复杂的电路，这意味着可以进一步增加 ADC 的数量并加快读出速度，而不会增加噪声。

将近十年后，BSI 的使用仍然不是普遍的，因为它没有提供主要的图像质量优势。

首批将双转换增益与索尼的低读取噪声设计相结合的传感器之一使 a7S 在高 ISO 下具有出色的性能。

改善动态范围的另一项进步是双转换增益传感器。这些首先出现在尼康 1 系列相机中使用的 Aptina 传感器中。它们在每个像素内提供多种读出模式选择：一种在低 ISO 下最大化动态范围，另一种具有较小的 DR 容量但提供较低的读取噪声，在 DR 不太重要的高 ISO 下提供更好的阴影性能。

当这项技术被授权给索尼半导体时，它与现有的高 DR 设计相结合，以创建在基本 ISO 下具有出色 DR 并提升高 ISO 性能的传感器。这些双模式设计并不总是由制造商宣传，但双增益的采用使原始 a7S 具有出色的高 ISO 性能(尽管您可能听说过，但不是大像素)。这是大多数当代相机所达到的状态。

堆叠式 CMOS 是当前制造技术的前沿，它进一步采用 BSI 方法，创建半导体层，将它们从背衬上削掉，然后将它们连接在一起，以允许设计具有更复杂和精密的电路。这是一个耗时且昂贵的过程，因此只出现在智能手机和小型相机的相当小的芯片中，以及非常高性能的大型传感器模型中。与 BSI 一样，它的主要优势不是以图像质量的形式出现，而是允许更快、更复杂的数据处理。到目前为止，我们看到的示例包括内置 RAM，允许传感器在前一张图像仍在由相机处理时捕获另一张图像，或者为读数提供并行路径的双读数，

堆叠式 CMOS 芯片目前支撑着一些拍摄速度最快的相机，以及一些卷帘快门最低的相机，这促使尼康生产出一款没有机械快门的旗舰相机 Z9。堆叠式传感器的复杂性和精密性在未来几年只会增加。

所有这些都把我们带到了今天。大多数消费类相机中的传感器都非常出色，在基本 ISO 下有大量的 DR，在高 ISO 下噪音非常小，除了它们捕获的光的噪音。现代传感器具有极低的电子噪声，通常会记录超过 50% 的照射光，这意味着当前的技术距离最大改进还不到一步。可能有一些方法可以通过扩展到较低的 ISO 来提高智商，或者在解释颜色的方式上取得突破。但它可能需要另一项重大技术变革才能看到图像质量的重大变化。