近年来CMOS感应器在相机的应用上更是广泛流行,如尼康、富士、宾得、飞思等数码相机厂商采用的都已经是索尼的COMS传感器。传感器的尺寸大部分的摄影初学者对感光元件尺寸的表示方法大惑不解,例如全画幅,中画幅之类的感光元件是使用汉字来表示的;又诸如APS-C画幅,APS-H画幅的感光元件是使用英文缩写进行标注的;而更多的相机则使用的是诸如1/1.8英寸,1/2.3英寸这样的分数表示。
为什么我们在谈到较大尺寸感光元件时会使用毫米做单位,而谈到小尺寸感光元件时却使用分数和英寸?首先我们来谈谈“全画幅尺寸”从胶片过渡到数码摄影时代后,我们把采用与135胶卷相同尺寸的感光元件的数码单反相机称为“全画幅数码相机”。所以全画幅数码单反相机的感光元件尺寸为36×24mm,↓如下图↓:我们知道生产全画幅的感光元件成本更高,为了降低生产成本,并进一步抢占中低端相机市场,相机厂商开始使用较小尺寸的感光元件,在一些低端的卡片相机上,厂商们出于成本考虑,将传感器做的非常小,例如1/2.3英寸的传感器,它的尺寸仅为6.16×4.62mm,在面积上只达到全画幅的3.2%。
或许厂商认为把它叫做全画幅的3.2%不够好听,所以将其叫做1/2.3英寸,又是分数又是英寸,无非就是想让它听起来更大一些。需要注意的是,说明书上标注的传感器尺寸例如1/3.6英寸,它并不是传感器的某一条边的长度,而是传感器对角线的长度。↓常见的数码相机图像传感器尺寸表↓↓常见的数码相机图像传感器尺寸对比↓大尺寸传感器的优势所在一般情况下我们认为,决定数码相机成像质量硬件因素有3个,即图像传感器(CCD/CMOS)、镜头以及图像处理器。
要讲三个因素中,谁最重要,似乎不太好讲,因为三个因素中,任何一个因素的硬件素质不达标,都会降低最终的图像质量。不过,如果我们进一步分析,可以看到图像传感器(CCD/CMOS)是其中最重要的因素,而传感器尺寸的大小又是其中的决定性因素。接下来我们就来看看大尺寸传感器的主要优点。1. 容许更大的像场,获得更大的通光量像场是指在照相机中,以胶片或图像传感器的有效对角线为直径所形成的一个圆,像场越大,感光器件上能够获得的光线总量越多,形成的图像质量越好。
例如数码相机APS尺寸的传感器,其长宽尺寸为24mm×16mm,对角线为28.8mm,像场面积为652.9mm²,传感器受光面积为384mm²,而全画幅的传感器,其长宽尺寸为34mm×26mm,对角线为43.3mm,像场面积为1470mm²,传感器受光面积为864mm²。全画幅传感器的实际受光面积是APS尺寸的2.25倍,不难看出,全画幅传感器的成像素质要高于APS画幅。
↓(如下图:全画幅与APS画幅的像场对比)↓2. 更高的感光度,获得在弱光环境下的优质图像高感光度使用在环境光线差的场合,比如阴雨天、舞台或夜景等。但过高的感光度容易使图像质量下降,主要表现在缺乏层次、噪点增多、画面变脏,造成这种情况的主要原因是传感器的灵敏度和信噪比不足,光线不好时为了达到一定的曝光量,需要加大电信号的增益量,噪声信号也随之被放大,这种噪声信号,就是指传感器在捕捉、放大以及处理光信号的过程中所产生的粗糙部分;通俗的讲,就是CCD/CMOS无法处理较慢的快门速度所带来的巨大工作量,致使某些像素失去控制。
因此噪声的大小是衡量数码相机成像质量的重要指标。为了提高像素数而不增加成本、数码相机厂商在消费类产品上采取的办法是:缩小单个像素的面积,增加像素的密度。目前,数字图像传感器CCD和CMOS的最小像素尺寸分别为1.43微米和1.12微米。受半导体薄膜材料物理性质与数字图像传感器传统结构的限制,这样的像素尺寸已接近物理极限。
若继续缩小尺寸,像素将失去感光功能。据说2015年底,美国阿拉巴马大学华人教授宋金会带领的科研团队,成功研制出像素尺寸仅为50纳米的新型图像传感器,大幅度突破了当前数字图像传感器像素尺寸为1000纳米的极限,是否实际投入工业应用领域,尚不得而知。图像传感器感光单元(单个像素)的面积大小,是影响噪声大小的最主要因素。
两款数码相机,如果像素数相同,传感器尺寸较小的机型,容易产生图像噪声。大尺寸的图像传感器意味着更强的感光性能,大大提高了在弱光环境下的成像质量。↓(如下图:同样数量的像素在不同尺寸传感器上的面积对比)↓3. 容纳更多的像素数数量,获得更清晰的图像像素(pixel):在图像处理中,要把连续图像取样为离散图像,也即数字化和量化才能进行处理,其取样点便称作 “像素”。
简而言之,“像素”是用来计算数字图像的最小单位,同样尺寸的数字图像,像素数量越多,图像越清晰。在数码相机中,我们通常说的像素值,指的是数码相机的传感器上包含的感光单位的数量,一般以百万像素为单位,它决定着输出的数字图像的像素值。分辨率(resolution):是指单位长度内像素的多少,也就是像素精度,目前国际上都是计算一英寸长度内像素的多少。
图片的分辨率越大,图片的清晰度越高,图片的分辨率越小,图片的清晰度越低。由此我们可以得知,图像传感器的尺寸越大,意味着可以容纳的像素数量越多,图像的分辨率越高,成像会更加清晰。这也是为什么如今的数码相机厂商会不断尝试推出极高像素的全画幅相机,如2015年上市的佳能 EOS 5DsR有效像素高达5060万,而SONY最新上市的α7R IV有效像素更是树立了6100万的标杆。
4. 更高的动态范围,获得更好的图片细节动态范围好的图像传感器,能够准确记录影像从亮部到暗部的复杂变化,而图像传感器的动态范围,在很大程度上取决于单个像素的大小即受光面积的大小。较大的像素面积,能捕捉到微弱的光信号,同样,较大的像素体积也能容纳更多的电荷,在拍摄环境光比强烈时,更能记录下丰富的细节。尺寸较小的图像传感器,则意味着更高的像素密度、更小的像素面积,单个像素的面积过小则会产生“光线溢出”现象,所谓光线溢出,是指明亮景物的光线向暗部渗透的现象。
图像传感器上的像素通过感应光线来产生电荷,当某个像素(感光单元)受到太多的光照、电荷被充满之后,继续产生的电荷会溢出到邻近的像素去。从照片上看,就像是亮部景物的光线 “污染”了旁边的细节。5. 更快的快门速度,在动态条件下更易获得清晰图像在光圈大小和感光度一定的情况下,为了获得合适的曝光量,具有决定意义的就是快门速度。
如快门速度不够快,拍摄物体又处于运动状态时,则不易获得清晰的图像。在被拍摄物体、环境光线、光圈大小和感光度都已经确定的情况下,增大传感器的受光量则能够提高快门速度,从而获得更清晰的图像。总之,有一句俗语在摄影爱好者中广为流传,那就是“底大一级压死人”!说的其实就是更大尺寸的传感器拥有更优秀的成效素质。
随着无反时代的到来,数码相机的选择也越来越多,作为摄影爱好者而言,在经济条件允许的情况还是尽量购置一套适合自己的全画幅系统吧。参考文献:[1] 邹异松, 刘玉凤, 白廷柱. 光电成像原理[M]. 北京理工大学出版社, 1997.[2] 金宝智.图像传感器: CCD 与CMOS 的对比[J]. 现代电视技术, 2005. 5[3] 杨琪. CMOS在专业摄像机领域的应用前景分析[J]. 科技信息(学术版), 2007(12).[4] 史斐翡, 郭根生. 如何正确看待数码相机的高像素[J]. 影像技术, 2008, 20(2).[5] 王树刚, 余新. 浅谈光电耦合器CCD和CMOS的区别[J]. 科技信息, 2009(14):311-311.[6] 韩振雷, HANZhen-lei. CCD和CMOS图像传感器的异同剖析[J]. 影像技术, 2009, 21(4): 39-42.[7] 王旭东, 叶玉堂. CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势[J]. 电子设计工程, 2010, 18(11): 178-181.[8] 张文芳. 高帧频CMOS相机数据采集关键技术研究[D]. 西安工业大学, 2012.[9] 乘风. 认清专业术语——背照式CMOS传感器详解[J]. 软件指南, 2012(8):52-53.没有愚蠢的问题,只有无趣的回答,但愿我的回答足够有趣而严谨。
红米首发IMX686,在拍照性能上和华为系的IMX600有什么差别?
IMX686是索尼最新的图像传感器,6400万像素,quadbayer阵列,1500万像素四合一输出,1/1.7英寸CMOS,支持QPDF四像素对焦技术。IMX600是索尼、华为、分研联合开发的图像传感器。它是手机领域唯一的RYYB CMOS,光输入比RGGB彩色阵列CMOS可以提高40%。IMX600的传感器尺寸为1/1.7英寸,相比市面上的1/2.8英寸可谓庞然大物。单位像素1μm,支持四合一技术,在专业模式下可以提供102400的超高感光度。