我们将回顾相机技术在DPReview 25年历史中的变化方式，并关注过去25年进展中的里程碑。在这篇文章中，我们将指出我们在传感器领域看到的重大进步，同时也试图解释它们带来的改进。
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| CCD技术是大多数早期数码相机的基础。 |
其他方法:超级CCD本文主要关注大多数相机中使用的技术，但这些技术的一些变体也值得提及。第一个是富士的超级CCD技术，它在每个像素上都使用了一个大的和部分屏蔽的光电二极管。被遮挡的像素捕获较少的光，因此不太容易过度曝光，捕获否则会丢失的高光信息。第二代版本的S3 Pro数码单反提供了远远超过同时代的动态范围，但掩模抑制了图像质量，特别是在高iso下。 |
CCD(电荷耦合器件)传感器是第一个提供有用的良好结果并且价格合理的图像传感器技术，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，电荷从一个像素级联到下一个像素。这可以做到的速度是由施加到芯片的电流决定的，所以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，这一过程相对较慢，并且使紧凑型相机的实时取景相当缓慢和滞后。从90年代中期到2010年代初，ccd构成了早期数码相机市场的基础，尽管在此期间，这项技术不断发展，像素越来越小，性能越来越好。
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| 但第一款低于1000美元的单反相机是由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。这些是CMOS传感器，但在传感器前面不使用彩色滤光片。相反，他们读出传感器在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进一步吸收(绿色光子也一样，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所有其他计算考虑在内。事实证明，优化设计的有效性是很困难的，特别是对于更深的层，而且它不能利用现在在其他地方常见的一些降噪功能。结果是，传感器可以捕捉到更高的空间分辨率的颜色，但噪音明显更高，这意味着它们在明亮的光线下表现最好。 |
与此同时，一种与之竞争的技术，CMOS(互补金属氧化物半导体)正在开发中。这些将每个像素的输出依次传递到公共导线上，这意味着电荷不必通过所有邻近的像素才能离开芯片。这使得读出运行更快，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年率先采用了CMOS，推出了D30 APS-C单反相机。在接下来的几年里，性能将继续提高，佳能获得了优秀的高ISO图像质量的声誉。
CCD本身捕捉色彩的方式与CMOS不同，这并没有内在的原因
虽然有些摄影师怀念CCD时代的色彩再现，但CCD本身与CMOS捕捉色彩的方式并没有什么内在的原因。任何差异更可能源于滤光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光片来提高弱光性能。
到2007年，业界最大的芯片供应商索尼半导体(Sony Semiconductor)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。
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| 小型传感器CMOS的早期尝试并不总是成功的，所以在大多数大型传感器相机转向CMOS之后，CCD继续主导着紧凑型相机。 |
CMOS的快速读出变得越来越重要，无论是对佳能EOS 5D Mk II等相机的视频捕捉，还是随着无反光镜时代的到来，对大传感器相机的拍摄体验越来越重要的实时取景。
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| 即使在索尼的RX100 II等中等像素上，转向BSI也没有带来任何效果图像质量的巨大提升。 |
2009年推出了第一款背面照明(BSI) CMOS传感器，这项技术最初主要用于智能手机和紧凑型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大致相同，但它们所构建的背景材料随后被削去，传感器的“背面”被放置，使其面向镜头并接收光线。这意味着你不需要在每个像素的光敏部分前面安装电线和电路，从而增加光吸收。这些优势在大型传感器中不太明显，所以四分之三、APS-C和全画幅BSI芯片在几年内都不会出现。
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| 1600万像素APS-C传感器出现在Pentax K-5、尼康D7000和索尼的各种型号上，代表了一个重要的进步，比之前的1200万像素芯片在DR上有了一个停止的改进。 |
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放置在更靠近像素的位置。这最大限度地减少了在捕获读出电压之前可能潜入的电子噪声的数量，并且大量的adc意味着每个adc都不必如此快速地工作以提供快速读出。adc增加的噪声量与其速度有关，因此该设计可显著降低读取噪声。
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，你可以期待大多数相机捕捉到比典型的JPEG更宽的动态范围，这意味着原始文件中有更多可利用的信息。
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| 传感器发展的故事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年推出了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，而不是改进弱光性能。 |
BSI从2014年开始进入大型传感器领域。在大型传感器中，布线在更大的像素中所占的比例要小得多，因此BSI对图像质量的改善要小得多。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，在那里光线可能会以一个非常尖锐的角度照射到传感器，这很难重新定向到FSI传感器的凹进的光敏区域。其次，将布线移到像素后面允许更复杂的电路，这意味着adc数量的进一步增加和更快的读出，而不会增加噪声。
近十年后，BSI的使用仍然没有普及，因为它没有提供主要的图像质量优势。
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| 作为首款结合双转换增益和索尼低读噪声设计的传感器之一，a7S在高ISO下表现出色。 |
提高动态范围的另一个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传感器中。它们具有每个像素内的读出模式选择:一个在低iso下最大化动态范围，另一个具有较小的DR容量，但提供更低的读取噪声，在高iso下提供更好的阴影性能，其中DR不那么关键。
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，创造了在基础ISO下具有出色DR的传感器，并提高了高ISO性能。这些双模设计并不总是由制造商宣传，但采用双增益是原始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所达到的状态。
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| 尼康Z9的传感器速度足够快，完全依赖于电子快门。它还为全分辨率图像、自动对焦和实时取景提供了单独的缓冲。像这样的实现很可能只触及了堆叠架构所能实现的表面。 |
其他方法:超级CCD EXR富士胶片继续发展超级CCD的概念，最终与超级CCD EXR。这具有稍微偏移的像素行，拜耳过滤器模式跨行复制(因此您有一对红色和一对蓝色像素彼此相邻)。偏移行应该提高全分辨率模式下的分辨率捕获，但是重复的过滤器模式也意味着行可以很容易地组合。这使半分辨率低光模式或半分辨率高DR模式，其中交替行读出早(给原来的超级CCD设计的高光优势)。尽管这种三模式传感器已经不再使用，但它与最新的Quad Bayer和Tetracell传感器在智能手机中的使用方式有直接的相似之处。 |
堆叠式CMOS是当前最尖端的制造技术，它将BSI方法进一步发展，创建半导体层，将它们从背面剥离，然后将它们连接在一起，从而允许设计更复杂和复杂的电路。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中，以及非常高性能的大型传感器型号中。像BSI一样，它的主要优点不是图像质量的形式，而是允许更快和更复杂的数据处理。到目前为止，我们看到的例子包括内置的RAM，允许传感器在前一张图像仍由相机处理时捕获另一张图像，或者双读出提供并行读出路径，一个用于全质量图像，第二个用于自动对焦和取景器更新。
目前，一些拍摄速度最快的相机和一些卷帘式快门最低的相机都采用了堆叠式CMOS芯片，这让尼康大胆地推出了旗舰相机Z9，这款相机没有机械快门。堆叠式传感器的复杂性和精密性在未来几年只会上升。
所有这些把我们带到了今天。大多数消费类相机的传感器都非常出色，在基本ISO下有大量的DR，在高ISO下噪点很少，除了它们捕捉到的光的噪点。现代传感器的电子噪音非常低，通常会记录50%以上的光线，这意味着目前的技术距离最大改进只有不到一站的距离。也许有办法通过扩展到较低的iso来提高智商，或者在颜色的解释方式上取得突破。但我们可能需要另一项重大技术变革才能看到图像质量的大幅改善。
非常感谢bobn2在本文准备过程中的输入和更正。
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