介紹一篇電腦王雜誌的文章 http://www.techbang.com.tw/?page_id=16927 文中講得很詳細 摘要一下，有興趣者請看原文 感光元件，就是數位相機裡用來取代底片的那一小塊半導體元件，在這小小的晶片上， 排列著數以千萬計稱為「像素」的小單位，用來感測影像。 以 Canon EOS 5D 來說，它的感光元件是 135 底片的大小，也就是 36mm * 24mm，而 它的解析度是 4368 * 2912，我們可以這樣算出水平方向的像素邊長： 36 (mm) / 4368 = 8.24 (um) 垂直方向亦同： 24 (mm) / 2912 = 8.24 (um) 8.2um 是多大？人的頭髮大概是 80-100um 粗，所以在頭髮的斷面裡大概可以排下十 個以上的像素。8.2um的像素大小將近是Nokia N95的四倍。 感光元件的大小，跟相機的售價成正相關，但真正決定影像品質的，其實是像素的大 小。像素越大，影像的品質就越好。在低照度的場景中，大像素的相機更能拍出清晰、 低雜訊且有用的影像，而在高動態範圍的場合下，大像素能保留更多影像的細結。這 一切的關鍵，其實是光電二極體。 光電二極體是影像感測器用來感應入射光線強度的關鍵，它背後的原理就是我們物理 課都學過的「光電效應」 如果我們能有個辦法來累積這些被光所打出來的電子，就可以測量入射光的強度。至 於如何用光電二極體來累積這些電子呢？實務上的做法是：讓光電二極體變成一個電 容器。 光電二極體是一個用半導體製程做在晶片上的二極體，它有個 PN 接面，所謂PN接面 就是P型半導體和N型半導體的接合面。當光照射在PN接面上時，因為前述的光電效應， 會在接面附近打出一個可以自由移動的電子。至於這個電子所空下來的座位，我們稱 之為電洞。 擁有PN接面的二極體在被施加逆向偏壓時，會變得像個電容器。所謂逆向偏壓，就是 我們對二極體施加一個電壓，而這個電壓的方向是讓二極體不會導通的方向，也就是 對半導體的負極加以比正極高的電壓。施加逆偏壓後，會有一些電荷因為二極體變成 電容器的關係，而被保存在PN接面附近，即使把偏壓移除後亦然。以上這個動作，稱 之為光電二極體的reset。 光電二極體被reset後，因為電荷保留在上面，所以會有個電壓。此時，如果光電二 極體的PN接面受到光線照射，就會開始產生因光電效應而來的電子。這些產生出來的 電子，會漸漸中和掉reset時被保留在PN接面附近的電子，因此光電二極體上的電壓 就會隨著光線照射而下降。光線越強，下降得越快，照得越久，下降得越多。正因如 此，我們可以利用這個原理，把光電二極體做成相機中的感光元件。 光電二極體被reset時，那個電容器的大小決定了能有多少電荷被保留在PN接面附近， 等著被光子打出來的電子給中和掉，或者，換個角度來想，這個光電二極體能夠感應 多少被光子打出來的電子。 如果這個容量很小，那麼當入射光線很強時，沒多久電荷就被打光光了，用專用的術 語來說，叫做光電二極體「飽和」了。 光亮會讓光電二極體飽和，在黑暗中，如果沒有光線，就沒光電效應，也就沒有電子 會被打出來。但溫度越高，會有越來越多的電子不待光子的激發，就變成光電二極體 的訊號，或者說，雜訊。 這種雜訊只有在溫度降到絕對零度時才會消失，因此稱之為熱雜訊。而且因為它的出 現與入射光無關，就算在黑暗中也會發生，因此它對影像感測器所造成的影響主要是 暗電流的增加，也就是在黑暗中仍會造成影像讀數。雖然暗電流的成因還有其它的因 素，但熱雜訊是主要的凶手。 不管用什麼樣的影像感測器，數位相機的雜訊表現都會受到溫度的影響，溫度越高雜 訊越大。 除了熱雜訊外，在影像感測器中另一個雜訊的大宗來源是讀取雜訊。所謂讀取雜訊， 就是每次從像素中將電荷讀出時，所引入的不確定性，它的單位是電子的數量。如果 一個像素的讀取雜訊是 30 顆電子，代表我在從這個像素中讀出一個強度為1000顆電 子的訊號時，有可能讀到1030，也有可能讀到970，而且可能每次都不一樣。 當然，除了讀取雜訊和熱雜訊外，在影像感測器中還有各式各樣的的雜訊來源，像是 reset雜訊（這個也和溫度有關），光子照射隨機雜訊（和入射光強度有關），以及 後段電路像CMOS感測器的像素放大器或列放大器另外引入的電路雜訊等。 以上大部份的雜訊，都與像素的電荷容量無關，甚至某些雜訊還與像素的電荷量呈負 相關。如果像素的電荷容量比較大，雖然雜訊的強度不變，但相對來講，雜訊佔有整 個訊號的比例就降低了。 除了雜訊外，另一個與像素大小有關的參數就是動態範圍。動態範圍決定了一台相機 所能拍攝的影像中，最亮的部份和最暗的部份能有多大的差距。 這其中的關鍵，就是光電二極體那個電容器的大小，它有個專有名詞叫做「full well capacity」。FWC的單位是電子，它代表著這個像素的光電二極體最多能儲存多少經 由光電效應打出來的電子，再多它也存不下來，只能丟掉，而且萬一丟得不好還會不 小心漏到旁邊的像素去，造成影像品質的劣化。FWC幾乎完全取決於光電二極體的面 積大小，也就是說，像素越大，FWC就越大。 像素的尺寸決定影像的品質。而在同樣的解析度下，越大尺寸的感測器能擁有越大的 像素。這就是為什麼同樣是一千多萬像素的機器，E-P1拍出來的影像品質大勝所有的 高階隨身機，因為它擁有這個體積的機種中，最大的像素尺寸，4.3um。 --

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