影像感測器是什麼？手機相機把光變成電的原理

生活中的例子：「電子的眼睛」到處都有

手機背面的圓形小窗後面，有鏡頭，鏡頭後方還放著一顆小晶片。這顆晶片就是影像感測器。鏡頭收集光線、形成影像，影像感測器再把這個影像變成電的訊號。

除了手機和數位相機，影像感測器也用在很多地方。例如看車子周圍的鏡頭、監視器、門口對講機、電腦的網路攝影機。在工廠裡，也用在檢查生產線上產品有沒有刮傷的檢測相機。

原理1：光的粒子讓電子能夠移動

光的行為，就像一小團一小團能量的集合。這一小團稱為光子。這裡為了簡化，把光當成「粒子的流動」來說明。光越亮，每秒抵達的粒子就越多。

矽晶體中的電子，平常用來把原子彼此連結起來，不能自由移動。光的粒子打到電子時，電子得到粒子的能量，就變成可以自由移動的狀態。像這樣，光讓物質中的電子能夠移動的現象，稱為內光電效應。電子離開後也會留下「洞」，但這裡只追蹤電子。

讓電子能夠移動所需的能量，每種材料都是固定的（就是「半導體是什麼？」裡提到的「高低差」）。看得見的光的粒子，在矽中擁有足以越過這道高低差的能量。所以，矽能把可見光有效地變成電子。

負責把能移動的電子收集起來、不讓它跑掉並存放起來的元件，是光二極體。兩種性質不同的矽相接的交界處，會產生把電子拉到同一個地方的電力。靠著這股力量，光產生的電子會聚集在一個小小的「蓄水池」裡。

接收光線、累積電子的時間，稱為曝光。曝光期間，光二極體會依照照到的光量累積電子。在暗的地方拉長曝光時間就能拍得比較亮，是因為電子累積的時間變長了。

原理2：把電子的個數變成數字

累積的電子，還不能直接變成照片。這裡用手機使用的方式（後面會說明的CMOS）來說明。像素裡的小電路，會把電子的量變成電壓。電壓是推動電流的力道，是容易測量的量。電子越多，電壓的變化就越大。

接著，再把這個電壓換成整數。把連續變化的電壓，換成一格一格的數字，稱為AD轉換（類比數位轉換）。例如，換成「0到1,023的整數中的某個數」這樣的形式。這樣一來，每個像素的亮度就變成了數字。

把數千萬個像素的數字，照像素的排列方式排好，就是照片的原始資料。手機會對這張數字表做顏色的計算、減少粗糙感等處理，完成我們平常看到的照片。

原理3：顏色要怎麼分辨？

光二極體只知道照到的光有多少。因為不管是紅光還是藍光，產生電子的方式都一樣。所以，要在每個像素上方，放一層只讓特定顏色的光通過的小小有色薄膜。這層薄膜稱為彩色濾光片。

濾光片的排列方式中，用得最廣的是拜耳陣列。以2×2的4個像素為一組，放2個綠、紅和藍各1個，再往橫向、縱向重複排列。這是柯達的布萊斯·拜耳想出來的排法，1976年在美國取得專利。綠色比較多，是因為人眼對綠光最敏感。亮度和細微的花紋，主要從綠色像素讀取。

用這種排法，1個像素只量1種顏色的亮度。例如紅色像素，沒有綠和藍的值。所以，要從周圍綠色和藍色像素的值，推算出缺少的2種顏色來補上。這個計算稱為去馬賽克（色彩內插）。

因為是推算，也有不順利的時候。拍攝細條紋的衣服時，可能出現實際上不存在的彩色暈染或花紋。相機的影像處理會檢查輪廓的方向等，來減少這類錯誤。

原理4：不浪費光線的巧思

像素的面積，並不是全部都能接收光。因為像素裡還有讀出電子用的電晶體和配線。所以在每個像素上方，各放一個把光集中到受光部的小凸透鏡。這稱為微透鏡。

晶片的做法也有巧思。一般的晶片，是在矽晶圓的表面做出電晶體，再往上疊好幾層金屬配線（「半導體晶片是怎麼做出來的？」）。從正面讓光進來的傳統做法，稱為前照式。這種做法中，光必須穿過配線的縫隙，有一部分會被配線擋住。

於是出現了新的做法：把晶片翻過來，把晶圓磨薄到幾µm（微米。1 µm是1 mm的1,000分之1），讓光從沒有配線的背面進來。這稱為背照式。Sony在2009年量產這種方式的CMOS影像感測器，最早用在攝影機「Handycam」上。根據該公司當時的發表，感度約為以往產品的2倍。

背照式要從背面貼上一片晶圓，來支撐磨薄的晶片。把這片支撐用的晶圓，換成處理訊號的電路晶片，就是堆疊式。Sony在2012年1月發表開發成果，同年10月開始出貨第一個產品。因為像素和電路上下疊在一起，晶片可以做小，電路也能增加。

3種構造的差異，整理在「前照式、背照式與堆疊式影像感測器的差異」的表格中。

CMOS和CCD：讀出方式的差異

影像感測器有2種方式，差別在於讀出電子的方法。其中一種是CCD。它把每個像素的電子，像水桶接力一樣一格一格傳給旁邊，在出口用1個電路統一變成電壓。CCD在1969年由美國的貝爾實驗室發明，2位發明者獲得2009年的諾貝爾物理學獎。

另一種是CMOS影像感測器。CMOS是製作電晶體電路的一種方式的名稱，和CPU等用的是同一種（「電晶體是什麼？」）。這種方式在每個像素裡把電子變成電壓，再用每一直行的電路同時並行讀出。

CMOS方式的優點是讀出快、耗電少。AD轉換和影像處理的電路，也能放在同一顆晶片或疊上去的晶片上。不過，過去CCD造成照片粗糙的雜訊比較少，所以重視畫質的用途會選CCD。

之後，CMOS也不斷改良，減少了雜訊。現在，手機和數位相機的感測器幾乎都是CMOS。CCD則用在天文觀測、科學量測等部分領域。差異整理在「CMOS影像感測器與CCD的差異」的表格中。

像素越大，越適合暗處的原因

在同樣亮度的地方拍很多次，1個像素累積的電子數，每次都會有一點不同。因為光的粒子像雨滴一樣，在零散的時間抵達。這種偶然造成的起伏，稱為散粒雜訊。這是暗的照片看起來粗粗的主要原因之一。

起伏的大小有固定的關係。平均累積100個電子的像素，起伏約為±10個，是平均的10%。平均是1萬個的話，起伏約為±100個，只有1%。用數學的說法，起伏的大約值是平均個數的平方根（乘2次會等於那個數的值）。

也就是說，1個像素收集到的光的粒子越多，起伏所占的比例越小，拍起來越平滑。像素越大、整個感測器越大，能收集的光就越多。手機的夜景模式中，有的會拍好幾張再疊合。這也是為了收集更多光的巧思。這裡為了簡化，省略了電路加入的雜訊等。

「5,000萬像素」是什麼的數量？

「50MP」的MP是百萬像素（megapixel），也就是100萬像素的意思。50MP表示感測器大約有5,000萬個像素。如果是寬高比4:3的畫面，算起來橫向約8,200個、縱向約6,100個。

在同樣大小的感測器上塞進更多像素，每個像素就會變小。於是每個像素分到的光變少，上一節說的起伏比例就變大。增加像素數，可能拍得更細緻，但在光線少的場合可能比較吃虧。

所以高像素的手機感測器中，有的會在相鄰的4個像素上放同一顏色的濾光片。在暗的場景，把這4個像素的訊號合起來，當成1個大像素處理。這種合併的做法，稱為像素合併。

例如Apple在2022年推出的iPhone 14 Pro，使用4800萬像素的感測器。平常把4個像素合成1個，拍出1200萬像素的照片。依設定不同，也能不合併，直接用4800萬像素拍攝。

讀出的順序與變形

很多CMOS影像感測器，會從最上面一列開始，一列一列依序讀出像素。配合這個順序，曝光的開始和結束也會一列一列稍微錯開。這種方式稱為捲簾快門。所以拍攝快速移動的電車或旋轉的螺旋槳時，可能會拍成傾斜或彎曲的樣子。

也有讓所有像素同時曝光，把電子暫時存放在像素裡再讀出的方式。這稱為全域快門。移動的物體不會變形，但像素的電路要多出存放用的部分。用在工廠的檢測相機等。2023年，Sony發表了搭載這種感測器的相機「α9 III」。

製造影像感測器的公司

影像感測器的大廠有Sony、三星電子、OmniVision等。Sony集團中，由Sony半導體解決方案公司（Sony Semiconductor Solutions）負責製造。手機用的部分，根據調查公司TechInsights和Counterpoint在2024年的調查，Sony居首。

根據該公司的說法，前面介紹的背照式和堆疊式，都是Sony在全世界最先量產的。該公司在2022年公開的文章中提到，自家的影像感測器約9成是堆疊式。

常見的誤解

從數字來看

只考慮散粒雜訊的話，合併4個像素讓光變成4倍，起伏的比例也只會變成一半。因為4的平方根是2。這也是收集光的巧思只能一點一點見效的原因。

進一步學習

• 用表格看差異：CMOS影像感測器與CCD的差異、前照式、背照式與堆疊式影像感測器的差異、捲簾快門與全域快門的差異
• 下一步的用語：量子效率（光的粒子中變成電子的比例）、暗電流（沒有光也會產生的電子）。
• 再進一步：飽和電子數（1個像素能存放的電子上限）、相關雙重取樣（抵消讀出雜訊的方法）。
• 用數字試試看：用能隙與波長換算工具，可以確認矽能變成電子的光的波長上限（約1,100 nm）。用影像、聲音、影片資料量計算工具，可以從像素數計算照片的資料量。
• 從基礎讀起：「半導體是什麼？」「電晶體是什麼？」