我们将回顾DPReview 25年历史中相机技术的变化,并关注过去25年进展中的里程碑。在这篇文章中,我们将介绍我们在传感器方面所看到的重大进步,同时也试图解释所带来的改进。

CCD技术是大多数早期数码相机的基础。

其他方法:超级CCD

本文主要介绍在大多数相机中使用的技术,但这些技术的一些变体也值得一提。第一种是富士的超级CCD技术,该技术在每个像素处都使用了一个大的和部分掩模的光电二极管。掩模像素捕获较少的光线,因此不太容易过度曝光,捕捉到否则会丢失的高光信息。第二代版本在S3专业单反提供的动态范围远远超出其同时代,但掩蔽抑制图像质量,特别是在更高的iso。

第一种图像传感器技术是CCD(电荷耦合器件)传感器,它提供了有用的良好结果,并且价格足够便宜,可以用于消费产品。

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,电荷从一个像素向下级联到下一个像素。这样做的速度是由应用到芯片上的电流决定的,所以快速读取需要大量的电力。

由于小型消费相机电池的功率限制,这个过程相对较慢,使得紧凑型相机的实时取景非常缓慢和滞后。从90年代中期到2010年代初,ccd形成了早期数码相机市场的基础,尽管在这段时间内,这项技术不断发展,像素越来越小,性能越来越好。

但是,第一款1000美元以下的单反是由CMOS传感器驱动的。

其他方法:Foveon X3

也许最著名的非拜耳传感器是多层Foveon X3设计。这些都是CMOS传感器,但没有在传感器前使用彩色滤镜。相反,他们读出了在传感器中三个深度释放的光电子,并根据光子到达每个深度所需的波长(颜色),重新组合颜色信息。然而,虽然只有红色光子可以穿透到传感器的最深处,但其中一些光子会被吸收到更深的地方(绿色光子也是如此,可以到达中间层),这意味着这个微弱的、嘈杂的红色信号会被考虑到所有其他的计算中。事实证明,优化设计的有效性是困难的,特别是对于较深的层,而且它不能利用一些现在在其他地方很常见的降噪功能。其结果是传感器能够捕捉到更高的空间分辨率的颜色,但噪声明显更高,这意味着它们在强光下表现最好。

与此同时,与之竞争的技术CMOS(互补金属氧化物半导体)正在开发中。它们将每个像素的输出依次传递到公共导线上,这意味着电荷不需要通过所有邻近的像素才能离开芯片。这使得读数运行得更快,而不需要大量的电力。CMOS传感器的生产成本也更低。佳能在2000年的D30 APS-C单反中率先采用了CMOS技术。在接下来的几年里,性能将继续提高,佳能获得了卓越的高ISO图像质量的声誉。

没有内在的原因,为什么CCD本身捕获颜色与CMOS有任何不同

虽然有些摄影师满怀深情地回顾CCD时代的色彩再现,但并没有内在的原因说明CCD本身在捕捉色彩方面与CMOS有任何不同。任何差异更有可能源于滤色片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色片来提高弱光性能。

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

小传感器CMOS的早期尝试并不总是成功,所以在大多数大传感器相机转向CMOS后很长一段时间内,CCD仍然主导着紧凑型相机。

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

即使是像索尼RX100 II这样的中等尺寸像素,也没有转向BSI图像质量有了巨大的提高。

2009年推出了第一个后端照亮(BSI)CMOS传感器这项技术最初主要适用于智能手机和紧凑型相机传感器的小像素。BSI传感器的制造方式与现有的正面照明设计大致相同,但它们所基于的支撑材料随后被剃去,传感器的“背面”被放置,因此它面向镜头并接收光线。这意味着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。这些优点在大型传感器上不那么明显,所以Four Thirds、APS-C和全帧BSI芯片在几年内都不会出现。

1600万像素APS-C传感器出现在宾得K-5、尼康D7000和各种索尼型号上,这代表了重大的进步,比之前的1200万像素芯片在DR方面增加了更多的改进。

CMOS设计的持续发展带来了持续的收益。新的设计允许包含更多的模数转换器(adc),并将这些adc放置在更接近像素的位置。这最大限度地减少了在读取电压被捕获之前可能潜入的电子噪声,而且大量的adc意味着每个adc都不必工作得那么快来提供快速读取。adc增加的噪声量与它们的速度有关,因此这种设计显著降低了读噪声。

这些设计的进一步改进不断降低读取噪声,预示着一个时代的到来,在这个时代,你可以期望大多数相机捕获比典型JPEG中包含的更宽的动态范围,这意味着Raw文件中有更多可利用的信息。

传感器开发的故事并不仅仅是佳能和索尼半导体部门的故事。三星是第一个将BSI技术引入APS-C的品牌,2014年推出NX1。它的BSI芯片提供了快速传感器相位检测和4K视频的速度,而不是改善弱光性能。

BSI从2014年开始进入大型传感器领域。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在图像质量方面的改善要小得多。不过,它确实带来了好处。首先是提高像素接受光线的角度。这在传感器的角落特别有用,在那里,光线可能以非常锐角撞击传感器,很难重定向到FSI传感器的凹进式光敏区域。其次,移动像素后面的线路可以实现更复杂的电路,这意味着进一步增加adc的数量,并且在不增加噪声的情况下读取速度更快。

近十年后,BSI的使用仍然不普遍,因为它没有提供主要的图像质量好处。

首批将双转换增益与索尼低读噪声设计相结合的传感器之一,使a7S在高ISO下表现出色。

另一个改进动态范围的进步是双转换增益传感器。这些传感器首次出现在尼康1系列相机中使用的Aptina传感器上。它们的特点是在每个像素内选择读取模式:一种模式在低iso下最大化动态范围,另一种模式具有较小的DR容量,但提供较低的读取噪声,在高iso下提供更好的阴影性能,其中DR不太关键。

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,创造出在基本ISO下具有出色的DR的传感器,并提高了高ISO性能。制造商并不总是宣传这些双模设计,但采用双增益是最初的a7S具有出色的高ISO性能的原因(尽管你可能听说过它的大像素)。这是大多数当代相机已经达到的状态。

尼康Z9的传感器足够快,完全依靠电子快门。它也有单独的缓冲全分辨率图像和自动对焦和实时视图。这很可能只是堆叠架构的开始。

其他方法:超级CCD EXR

富士继续发展超级CCD概念,最终推出了超级CCD EXR。这以稍微偏移的像素行为特征,Bayer过滤器模式在成对的行中重复(所以你有一对相邻的红色和蓝色像素)。偏移行本应在全分辨率模式下提高分辨率捕获,但重复的过滤器模式也意味着行可以很容易地组合。这使半分辨率的低光模式或半分辨率的高DR模式成为可能,在这种模式下,交替的行可以提前读出(这是原始超级CCD设计的突出优势)。虽然它不再被使用,但这种三模方法与最新的方法有直接的相似之处Quad Bayer和Tetracell传感器正被用于智能手机。

堆叠CMOS是目前最先进的制造技术,它将BSI方法更进一步,创建半导体层,将它们从衬底上剥离,然后将它们连接在一起,从而实现更复杂和更复杂的电路设计。这是一个耗时且昂贵的过程,因此只出现在智能手机和紧凑型相机的相当小的芯片上,以及非常高性能的大型传感器模型上。与BSI一样,它的主要好处并不在于图像质量,而是允许更快、更复杂的数据处理。到目前为止,我们看到的例子包括内置内存,允许传感器捕捉另一个图像,而前一个图像仍在由相机处理,或双读数,提供平行路径的读数,一个全质量的图像和二次馈送自动对焦和取景器更新。

堆叠的CMOS芯片目前支撑着一些拍摄速度最快的相机,以及一些最低滚动快门的相机,这促使尼康生产了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复杂性在未来几年只可能会上升。

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下具有大量的DR,在高ISO下几乎没有噪音,除了它们捕获的光线的噪音。现代传感器的电子噪声非常低,通常能捕捉到超过50%的入射光,这意味着目前的技术距离最大程度的改进只有不到一步之遥。也许有办法通过扩展到更低的iso来提高智商,或者在解释颜色的方式上取得突破。但要看到图像质量的巨大变化,可能还需要另一项重大技术变革。


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