前照式CMOS、背照式 CMOS 和堆叠式 CMOS 有何区别？
大多数现代数码相机都使用 CMOS 技术捕捉光线，但并非所有 CMOS 传感器的性能都相同。我们将剖析各种类型的 CMOS 传感器，并将它们与 CCD 和 Foveon 芯片区分开来。数码相机的核心是图像传感器，在数字时代，我们见证了几种不同类型的传感器技术的演进。目前大多数相机采用的是互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的某种变体。与数码摄影早期常见的电荷耦合器件（CCD）传感器相比，这些 CMOS 芯片具有一些显著优势，包括更高的能效和更好的散热控制。这些改进为可换镜头相机实现 4K 视频（及更高规格）拍摄铺平了道路。但 CMOS 传感器不止一种类型。如果您正在选购新的无反相机，可能会被不同的架构搞得眼花缭乱，并不清楚为什么堆叠式 CMOS 和全局快门相机的价格比基础型号高出许多。继续阅读，深入了解各种 CMOS 类型的差异。架构差异在很大程度上，数字传感器的构建理念相似，尽管芯片结构存在差异。成像器包含光敏像素和一个滤镜，滤镜上有红、绿、蓝方块组成的重复图案以添加色彩。大多数传感器使用 4×4 色彩滤镜阵列（CFA），称为拜耳 CFA（以其发明者命名），但某些富士机型使用更复杂的 6×6 X-Trans CFA。您可能还会遇到四拜耳传感器，这种类型在高像素智能手机、运动相机和无人机中很常见。这些传感器拥有高像素数（常见为 48MP），但通过像素合并技术输出较低分辨率的图像。这一功能也以略有不同的方式进入可换镜头相机（ILC）传感器。例如，奢侈定价的徕卡 M11 依靠像素合并技术拍摄 60MP、36MP 或 18MP 分辨率的照片。CMOS 芯片与早期的 CCD 在几个重要方面有所不同。例如，CMOS 芯片以所谓的滚动电子快门逐像素读取数据，而不是像 CCD 那样一次性读取所有数据。但有一些技术优势促使摄影行业放弃 CCD。例如，CMOS 芯片将模数转换器（ADC）集成在板上，而不是放在单独的单元中。这有助于芯片比 CCD 消耗更少的功率并产生更少的热量，这对低光图像质量和电池寿命都有好处。前照式 CMOS、背照式 CMOS、堆叠式 CMOS 和全局快门CMOS 传感器主要有四种类型。基本的 CMOS 设计至今仍在入门级和中端相机中使用 —— 这些机型在高端机型出现几代后才会获得最新功能。改进的背照式（BSI）CMOS 设计在概念上与普通 CMOS 相似，但这些芯片的组件排列不同。简而言之，像素在芯片上的位置更靠前，逐行读取速度更快。这一变化带来了实际优势：一般来说，背照式 CMOS 在图像噪点方面大约好一个光圈档。这意味着背照式 CMOS 在 ISO 12800 时的噪点与类似的 CMOS 芯片在 ISO 6400 时的噪点相当。这也意味着配备背照式芯片的 APS-C 和 Micro Four Thirds 相机能与全画幅 CMOS 相机在更平等的基础上竞争。这些不是硬性规定，但它们是很好的指导原则。更快的读取速度使背照式 CMOS 机型能够使用全电子快门，并允许更快的自动对焦响应，以实现更高的连拍速率。富士 X-T3 是第一款真正利用这些功能的消费级相机。它于 2018 年首次亮相，配备全电子快门，支持 20fps 对焦。对于大多数背照式 CMOS 相机，您仍然需要使用机械快门来可靠地冻结运动主体，但静音电子快门在人像和其他静止主体拍摄中很有用。堆叠式 CMOS 芯片在背照式 CMOS 概念的基础上进一步改进。它们采用类似的组件排列，但设计还将图像信号处理器及其超高速 DRAM 内存堆叠到同一硅片中。这使得读取速度更快。2019 年推出的首款主流堆叠式 CMOS 相机索尼 a9 引起了轰动，它提供了无中断的拍摄体验 —— 您可以用它以 20fps 的速度拍摄照片，同时不会丢失场景视图。由于这项技术使这种类型的摄影成为可能，堆叠式 CMOS 芯片已成为专业人士在边线或新闻箱中拍摄时使用的高端 ILC 的实际标准。我们已经看到一些相机达到 30fps（索尼 a1 和佳能 EOS R3），而尼康 Z 9 由于其堆叠芯片和双处理器，能够以 120fps 的速度拍摄 11MP 照片。超快的读取和处理能力还能实现更好的自动对焦。堆叠芯片现在在对焦速度、准确性和主体识别方面超过了背照式 CMOS 传感器。所有这些共同作用，确保堆叠相机不仅能连续拍摄大量照片，还能连续拍摄大量合焦的照片。全局快门 CMOS 传感器则更进一步。它不仅快速扫描传感器，而且能瞬间完成。迄今为止，我们测试过一款配备这种技术的消费级相机，即索尼 a9 III。其实现方式支持全分辨率下 120fps 的跟踪、前所未闻的 1/80,000 秒闪光同步速度，以及完美冻结瞬间的能力。然而，速度是有代价的。噪点和动态范围更接近经典 CMOS 芯片的水平，但动作摄影师可能会认为为了速度而牺牲一些图像质量是值得的。总之，CMOS 芯片是当今数码相机的主流基本选择。升级到配备背照式 CMOS 传感器的机型可以提高读取速度并改善低光成像。堆叠式 CMOS 芯片进一步推动速度极限，并在相机成像时让您的主体保持完美视图。最后，如果您想完美冻结运动且不介意牺牲一点图像质量，则需要转向全局快门。CCD、Foveon、单色和全光谱相机我们之前提到过 CCD 传感器。这些芯片在 21 世纪初是消费相机的标准，但近年来已被 CMOS 取代。前者仍有支持者，但除了低端紧凑型相机外，现代消费机型中已看不到这种传感器。
Foveon 是另一种传感器类型，仅适用于适马 X3、Merrill 和 Quattro 相机。Foveon 芯片通过三层感光层而非色彩滤镜阵列以不同方式记录颜色。优点是这些相机不需要插值来填充缺失的颜色，这意味着它们可以比相同像素数的拜耳传感器捕捉更多细节。但也有缺点：RAW 处理应用程序不支持许多 Foveon 相机的文件，并且照片在中等 ISO 下会显示严重噪点。如今市场上只有一款 Foveon 机型，即适马 dp Quattro。我们错过了这款相机的评测，但确实看过现已停产的 Quattro H，它具有许多相同的功能，并且 Foveon 传感器比 APS-C 稍大。单色相机是另一种变体。徕卡制造了一些特殊型号，它们放弃了色彩滤镜阵列，专门捕捉黑白图像。M10 Monochrom 和 Q2 Monochrom 价格高得惊人，但单色专家可能会发现它们物有所值。这些相机在细节上表现出优势，很像 Foveon 芯片，但在高 ISO 下优于彩色选项 —— 去掉拜耳滤镜几乎使到达传感器的光量增加了一倍。您不会在当地的大型百货商店找到全光谱红外相机，但它们确实存在。消费相机的传感器上有一个滤镜来阻挡不可见光。但像 KolariVision 和 MaxMax 这样的公司可以移除这个滤镜，或卖给您一台预先改装的相机，它可以看到红外和紫外波长。风景专家喜欢使用这些传感器拍摄超现实、像外星一样的地球场景。
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