IT之家攝影學院

今天IT之家攝影學院正式開課，第一課讓我們從相機和手機拍照部分最重要的元件開始說起——影像感測器。

現在，大家都喜歡用手裡的手機拍照。有些攝影師也因為不願背著沉重的器材，繼而也選擇使用智能手機進行攝影。不過，手機終究是手機，使手機拍照畫質被相機拍照畫質甩開距離的因素是什麼呢？沒錯，就是影像感測器。手機受限於機身大小限制，不能在機身里安裝像相機一樣大的影像感測器，所以只要這種物理差距存在，手機在專業拍照領域就永遠趕不上相機。所以，手機拍照「秒殺單反」「超越單反」」虛化比單反還美「這種廣告語就是耍流氓。那麼如此重要的影像感測器到底是什麼呢？

影像感測器，是數碼相機的核心，也是最關鍵的技術。在傳統的相機中，膠片是一種感光材料，經過某種特定的化學藥品處理後，它會把拍攝到的影像記錄下來。數碼相機中，影像感測器代替了膠片的位置，形成了電子影像。

在相機還未數碼化的年代，大家拍照都是靠膠捲相機來完成的。膠捲在那個年代，就代替了現今影像感測器的位置。只不過，膠捲「感測器」是一次性的，每拍攝一張照片，就要更換一次「感測器」。

一、相機成像原理

不論是膠片還是電子影像感測器，都是相機中最根本最重要的部件。就像我們要想看見東西，只有眼球不行，還要有視網膜。影像感測器就像人眼的視網膜。

相機成像原理

人眼成像原理（類比相機）

我們明白了什麼是影像感測器，以及了解了它的基本作用之後，還需要明白，影像感測器也是有不同類型的。就像我們經常聽到的」全畫幅「」半畫幅「等等，究竟是什麼意思呢。字面意思理解，這個」全「和」半「是指感測器的大小，那麼影像感測器都有哪些不同的大小類型呢？

二、影像感測器大小類型

全畫幅是針對傳統35mm膠捲的尺寸來說的。

膠捲相機時代，不同大小的膠捲就相當於現在不同大小的電子影像感測器，全畫幅數碼電子影像感測器尺寸和35mm膠捲的尺寸相同。以此為基礎，」半畫幅「等等，就比較好理解了。

電子影像感測器的不同大小規格

攝影師中，有句話廣為流傳：」底大一級壓死人。「這句話也側面印證了，感測器越大畫質越好這個事實。實際上，如哈蘇、富士也推出過比全畫幅相機感測器還大的中畫幅相機。大家千萬別被這個」中「字矇騙了，

中畫幅，指介於36×24mm的小畫幅及4×5英寸的大畫幅之間的成像尺寸。對，尺寸比全畫幅還要大。

更大的畫幅也意味著更高的價格，哈蘇的中畫幅相機價格不菲，也不是一般攝影愛好者的首選器材，單單這塊感測器，就幾乎有一般手機機身的一半大小。

有中畫幅，就有大畫幅。

一張4X5英寸散頁片的面積是35mm膠片（全畫幅尺寸）的13倍，一張5X7散頁片的面積是35mm膠片的25倍，一張8X10散頁片的面積是35mm膠片的50倍。這麼大的畫幅帶來的取景優勢和畫質優勢就不必多說。（有時候真的是貧窮限制了我的構圖能力）

通過下面這張圖可以直觀的看出各個畫幅感測器的大小區別。

可以看出，連指甲蓋大小都沒有的手機感光元件就不要和專業相機比畫質了。

各個大小不同的畫幅在取景上究竟有什麼不同呢？

這張圖可以說明，在固定焦段鏡頭下，畫幅對於構圖的重要性。（關於焦段和畫幅的具體關係，會在以後關於焦段的文章中詳細說明）

三、影像感測器製作工藝類型

1、電荷藕合組件圖像感測器CCD（Charge Coupled Device）。CCD是半導體組件，於1970年由美國貝爾(Bell)實驗室發明。CCD其實是一組可以進行"光電轉換"的光電體，當光通過鏡頭聚焦形成影像後，CCD便會將影像的光訊號轉換為電訊號（電壓）。光量愈大，釋放出的電子數量愈多，電訊號亦愈強，像素的顯示則會愈亮。在CCD上組成畫面的最小單位被稱為像素，每個光電體亦即等於一個像素。每塊CCD所含像素的數目與大小都與影像質素有著直接關係。像素愈高，輸出的影像質素便愈高。

2、互補性氧化金屬半導體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor），和CCD一樣同為在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的製造技術和一般計算機晶元沒什麼差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電）和P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶元紀錄和解讀成影像。市面上大多數手機都採用這種感測器。

相比之下CCD比較簡單純粹，而CMOS內部擁有更加複雜的電路，具備更多的變數，更好的擴展性以及更多的干擾因素。但是CCD的製造成本要高於CMOS，可能在某些機型上，CCD感測器的表現好於CMOS，但是CMOS更低的成本更大的利潤率使得相機製造行業也更快地淘汰了CCD感測器。現在中畫幅以及以上畫幅相機上，還在使用CCD感測器。

CCD感測器和CMOS感測器優劣對比：

1、ISO感光度差異：由於CMOS每個像素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一像素的感光區域的表面積，因此相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低於CCD。

2、成本差異：CMOS應用半導體工業常用的MOS製程，可以一次整合全部周邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地CCD採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢傳輸通道和外加ADC等周邊，CCD的製造成本相對高於CMOS。

3、解析度差異：在第一點「感光度差異」中，由於CMOS每個像素的結構比CCD複雜，其感光開口不及CCD大，相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業界的CMOS感光原件已經可達到1400萬像素/全畫幅的設計，CMOS技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特別是全畫幅24mmX36mm這樣的大小。

4、噪點差異：由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個ADC放大器，如果以百萬像素計，那麼就需要百萬個以上的ADC放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪點就比較多。

5、耗電量差異：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使CCD的電量遠高於CMOS。

簡而言之，CCD感測器製造工藝相對落後，可拓展性低，功耗大，所以在手機這種寸土寸金的設備上來說，CCD所帶來的畫質提升顯然微不足道，巨大的功耗會讓手機待機時間更短。所以手機製造行業普遍使用CMOS感測器。現代數碼相機使用CMOS取代CCD也是同理。

不過，智能手機遍地開花的今天，相機的日常拍攝地位已經被降低。手機體積小，還可以就地簡單的後期調整為大家帶來了不少方便，相信隨著科技的進步，手機攝像頭的畫質通過物理或計算演算法的升級，還會繼續提升。IT之家也會為大家帶來更多有關手機的攝影知識跟攝影教程。

通過今天的講解，相信大家對相機的根本元件——影像感測器有了初步的了解，以後的攝影課堂還會為大家帶來更多的相關知識，歡迎大家持續關注。

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