前照式CMOS、背照式 CMOS 和堆叠式 CMOS 有何区别？

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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。