里程碑：传感器技术的演进历程

我们回顾了DPReview成立25年来相机技术的变化，关注了过去25年进展的重要里程碑。在这篇文章中，我们将指出我们在传感器方面所见到的重大进步，同时试图解释所带来的改进。

首个能够提供有用好结果且足够便宜以纳入消费产品的图像传感器技术是CCD（电荷耦合器件）传感器。

CCD从传感器的边缘逐个像素地读出，每次读取一个像素时将电荷级联从一个像素传递到下一个像素。这可以完成的速度取决于施加在芯片上的电流，因此快速读出需要大量的功率。

由于小型消费相机电池的功率限制，这个过程相对较慢，使得紧凑相机的实时取景相对较慢和滞后。CCD在90年代中期至2010年代初构成了早期数字相机市场的基础，尽管在此期间，这项技术的不断发展仍在进行中，像素变得更小，性能变得更好。

与此同时，一项竞争性技术CMOS（互补金属氧化物半导体）正在被开发。这些传感器逐个将每个像素的输出传递到一个公共线上，意味着电荷不必经过所有相邻像素才能离开芯片。这使得读出速度可以更快，而无需大量的功率。CMOS传感器的生产成本也较低。佳能在2000年的D30 APS-C数码单反相机上率先采用了CMOS技术。在接下来的几年里，性能将继续提高，佳能在优秀的高ISO图像质量方面赢得了声誉。

尽管一些摄影师对CCD时代的色彩再现怀有美好回忆，但从本质上讲，CCD本身捕捉颜色的方式与CMOS并无不同。任何差异更有可能源自于颜色滤光片选择性和吸收特性的变化，因为制造商为了提高低光性能而使用了允许更多光线通过的滤光片。

到2007年，行业最大的芯片供应商（Sony Semiconductor）已经在其APS-C芯片上转向了CMOS技术，而在大画幅传感器相机中，CMOS技术成为了默认技术。

CMOS的快速读出变得越来越重要，既用于诸如佳能EOS 5D Mk II等相机的视频捕捉，也用于即将到来的无反时代中，即将成为大画幅传感器相机拍摄体验的核心的实时取景。

2009年，首批背照式（BSI）CMOS传感器问世，这项技术起初主要有利于智能手机和紧凑相机传感器中的微小像素。BSI传感器的制造方式与现有的正面照明设计类似，但是它们所构建的背景材料被削减，传感器的“背面”被放置在面向镜头的位置以接收光线。这意味着在每个像素的光敏部分前面没有布线和电路，增加了光吸收。这些优势在大型传感器上不太明显，因此四三、APS-C和全画幅的BSI芯片需要几年时间才能问世。

CMOS设计的持续发展导致了持续的进步。新设计允许纳入更多的模数转换器（ADC），并且可以将这些ADC放置得更靠近像素。这将在读取电压被捕获之前可能渗入的电子噪声降至最低，并且大量的ADC意味着每个ADC不需要工作得太快以实现快速读出。ADC引入的噪声量与其速度有关，因此这种设计显著降低了读出噪声。

对这些设计的进一步改进不断降低了读出噪声，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获的动态范围明显比 typ在Typ中包含的动态范围要宽得多，这意味着Raw文件中有更多可利用的信息。

从2014年开始，BSI技术在大型传感器上得以应用。在大型传感器中，布线在更大的像素中占比较小，因此BSI在图像质量方面改进不大。然而，它仍然带来了一些优势。首先，它改善了像素接收光线的角度。这在传感器的角落尤其有用，因为光线可能以非常锐角击中传感器，很难将其引导到FSI传感器的凹陷光敏区域中。其次，将布线放在像素后面允许更复杂的电路，意味着ADC的数量进一步增加，并且可以在不增加噪声的情况下实现更快的读出。

然而，由于在近10年后，BSI在大传感器上仍不普及，因为它并没有提供主要的图像质量优势。

为了提高动态范围，双转换增益传感器也出现了。这些首次出现在尼康1系列相机中使用的Aptina传感器中。它们在每个像素内部提供了一种选择的读出模式：一种在低ISO下最大化动态范围，另一种在低ISO时具有较低的动态范围，但提供较低的读出噪声，在高ISO下具有更好的阴影表现，此时动态范围不太重要。

当这项技术被授权给Sony Semiconductor后，它与现有的高动态范围设计相结合，创造了在基本ISO下具有优异动态范围并在高ISO性能方面提升的传感器。虽然这些双模式设计并不总是由制造商公开宣传，但正是双增益的采用使得最初的a7S具有出色的高ISO性能（与您可能听到的不同，不是由于其大像素）。这是大多数当代相机达到的状态。

叠层CMOS是目前切割边缘的制造技术，它甚至将BSI方法推向更远，创建了半导体层，将它们从其背板上刮下，然后将它们连接在一起，以实现更复杂和复杂的电路设计。这是一项耗时且昂贵的过程，因此仅出现在智能手机和紧凑相机中的相对较小的芯片以及非常高性能的大传感器模型中。与BSI一样，它的主要优势不在于图像质量，而在于更快速和更复杂的数据处理。迄今为止，我们所看到的一些例子包括内置的RAM，允许传感器在相机仍在处理上一张图像时捕获另一张图像，或者提供并行路径用于完整质量图像的读出，以及用于自动对焦和取景器更新的辅助馈送。

堆叠CMOS芯片目前支持一些拍摄速度最快的相机，以及一些具有最低卷帘快门的相机，这使得尼康能够生产一款没有机械快门的旗舰相机Z9。堆叠传感器的复杂性和精密性在未来几年内很可能会不断提高。

这一切都带我们来到了现在。大多数消费相机的传感器表现出色，基本ISO下有巨大的动态范围，在高ISO下几乎没有噪声，除了它们捕捉到的光线的噪声。现代传感器具有极低的电子噪声，通常可以注册超过50%的光线，这意味着当前技术距离最大改进不足一档。通过扩展到较低的ISO或在色彩解释方式上的突破，可能会有提高图像质量的方法。但是，我们可能需要另一项重大技术变革才能实现图像质量的大幅改进。