光电二极管与CMOS
光电二极管
光电二极管是一种将光转换为电流的半导体器件， 光越强，电流越大。（光电效应）
CMOS
CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写。它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术，也可以指用这种技术制造出来的芯片。
CMOS 图像传感器
使用 CMOS 工艺制作的图像传感器 （CMOS 多代指 CMOS 图像传感器）。
CMOS 结构
光电二极管产生的光电流会在像素的电容中积累电荷。 CMOS 是一个曝光量传感器，曝光量指物体受到的光照强度 E在时间 t 内的积分，曝光量用H表示：
H=Et
E为传感器受到光线照射的强度（单位为lx (勒克斯)）t为传感器受到光线照射的时间（单位为sec (秒)）曝光量H的单位是Iux·s (勒克斯·秒)，是国际统一单位
CMOS 结构分类
CMOS 成像原理
凸透镜成像
CMOS成像
镜头（等效为凸透镜）将入射光均匀汇聚在CMOS上，曝光时间结束后，可得到一个倒立的像。
RAW文件
RAW文件记录了 CMOS 每个像素的原始信息。（RAW文件不是图像）
位深：像素点的采样深度，单位是 bit，例如：
10bit：色深为
2
10
2^{10}
210 采样范围 0 - 102312bit：色深为
2
12
2^{12}
212 采样范围 0 - 409514bit：色深为
2
14
2^{14}
214 采样范围 0 - 16383
注意 存储格式：P0, P1，P2，... 有了 RAW 文件，还需要知道CMOS尺寸（图像尺寸）才能转换为图像数据。
MIPI RAW
MIPI RAW是一种图像数据格式，用于传输图像传感器捕获的原始图像数据。
MIPI RAW 文件格式
mipi raw x：传输的是 x 位bit raw
x可以是 6/7/8/10/12/14/16/20/24例如 mipi raw10 传输的是 10 bit 的 RAW 文件
数据格式
曝光与曝光三要素
曝光量（EV，Exposure Value）：曝光量指传感器受到的光照强度 E在时间 t 内的积分，可以直观的体现在图片的亮度上：
曝光量 H=Et
E：光强（单位是勒克斯）t：曝光时间（单位是秒）
勒克斯的定义 被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。
快门速度：曝光时间（影响 t）光圈：镜头的受光面积（影响 E）ISO：感光度（像素的电子增益）
快门速度
快门（S，shutter）：快门是摄像器材中用来控制曝光时间的装置，类似一个开关。快门打开，传感器开始曝光；快门关闭，传感器结束曝光。
在相机中使用快门速度控制曝光时间，快门速度单位是“秒”。常见的快门速度有：1、 1/2、1/4、1/8 、1/15、 1/30、 1/60、 1/125、 1/250、 1/500、 1/1000、 1/2000 等。快门速度在数值上等于曝光时间。
光圈
光圈（A，aperture）是相机用来控制镜头孔径大小的部件。光圈的大小通常用f值表示，光圈 f值 = 镜头的焦距 / 光圈口径 。f值越小光圈就越大，进光量也越大。光圈除了影响进光量，也会影响景深。
景深：对焦点的前后范围中，影像清晰的深度。
光圈越大（f值越小），景深越浅
ISO（感光度）
感光度（ISO）：传感器对于光的敏感程度，是CMOS传感器的电子增益（注意：ISO并不会影响进光量）。
如何理解： CMOS接收到强度 1 lux 的光照射，曝光 1s 后，得到 1 Iux·s 的光，假设反映到CMOS传感器的数值是 ISO * EV：
当 ISO 为 1 时，数值为 1当 ISO 为 10 时，数值为 10当 ISO 为 100 时，数值为 100
根据 ISO 的测定方法不同，有多种感光度表示方法，各国有各自的感光度标准。并非向上面的公式展示的简单的乘积关系。
ISO 对画质的影响
曝光量相同的情况下，ISO 越高，图像噪点越多
原因：提高 ISO 相当于放大光信号，在放大有用的光信号的同时，也会放大一些无用的信号，这些无用的信号就是噪点，就好比在放大声音时，背景的杂音也会被放大一样。 （更深入的解释可以参考这篇文章：【硬核】深入解读ISO和噪点 信噪比与动态范围 从CMOS传感器原理到实测数据）
这个时候看到手机相机中的专业模式，是不是就没那么一头雾水了：
手机相机的“专业模式”
CMOS的尺寸（画幅）
CMOS 的尺寸也会影响进光量。相同像素的情况下，CMOS 尺寸越小，单个像素的面积就越小，成像质量也就更差。
全画幅CMOS和手机CMOS对比
CMOS 的特性
CMOS 的特性
CMOS图像传感器采用逐行控制。以逐行扫描的方式读取数据，每一行的数据依次被读出。这种逐行读出方式会导致读出延迟，从而会限制连拍速度。由于逐行读出的延迟，当拍摄快速移动的物体时，不同行的数据可能在不同的时间点被读出。这会导致图像出现扭曲，类似于果冻的拉伸效果，因此被称为 “果冻效应”。由于电容的漏电特性，存储在电容中的电荷会随着时间逐渐减少。如果电源断开，CMOS中的数据会丢失。
果冻效应
全局快门 CMOS
全局快门（全域快门）的 CMOS 可以同时将数据读出到缓存中，完全避免了果冻效应。
使用Sony A9M3拍摄照片（全局快门相机），120帧/s 2460万 14bit RAW
每秒数据读出量： 24,600,000 × 14 × 120 = 41,328,000,000 bit = 4.83 GB
CMOS 色彩滤波阵列
计算机的色彩表示方法
将红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三原色的色光以不同的比例相加混色，以合成产生各种色彩光。这种表示模式又称为 RGB。是计算机中最基础的色彩模式。
滤光片
可以选择性地透过指定波长（颜色）的光的光学滤镜。
三传感器模式
使用三个 CMOS，分别使用滤光片接收 红、绿、蓝 三种颜色的光，最后通过计算，合成为彩色图片。
缺点：成本高，体积大
CFA 色彩滤波阵列
拜尔阵列
1974年，柯达公司的工程师 Bryce Bayer提出了一个全新方案，在图像传感器前面，设置一层彩色滤光片阵列（Color Filter Array，CFA） ，有间隔的在每个像素上放置单一颜色的滤镜。 这样，每个通道能得到一个部分值空缺的图片，然后通过各种插值手段填充空缺的值，进而得到彩色图像。（Bayer 阵列）
传统的拜尔阵列采用 RGGB 排列，即一个红像素、两个绿像素和一个蓝像素组成一个2×2的矩阵：
反马赛克算法 / 去伪色算法（Demosiac）：通过各种插值手段填充空缺的值，进而得到彩色图像的算法。
拜尔阵列（Bayer）对应的去马塞克算法是 debayer。有了 RAW 文件，还需要知道 CMOS 的色彩滤波阵列才能利用去马赛克算法还原为彩色图像。
其他色彩滤波阵列
Fujifilm X-Trans 阵列
其他感光元件
CCD
全面详细解析CMOS和CCD图像传感器 拍立得相纸
拍立得相纸贵在哪？即刻成像的秘密全在纸片中【四象Vol.170】_哔哩哔哩_bilibili 胶片（胶卷）
胶片冲洗原理：从曝光到冲洗（黑白，彩色负片，电影卷，反转片） 撕拉片
撕拉片_百度百科
参考资料
关于卷帘快门逐行曝光所造成的“果冻效应”浅谈
摄影基础入门：5分钟读懂光圈是什么？光圈大小和景深的关系！
终于有人把景深说清楚了！5分钟搞懂景深的真正用法！新手摄影入门必学_哔哩哔哩_bilibili
键摄者说（二）——解读常见传感器的CFA排列
拜耳阵列（Bayer Pattern）
手机到底超没超越相机，他们的差距究竟在哪里_原创_新浪众测
MIPI CSI-2笔记（18） – 数据格式（RAW图像数据）
【硬核】深入解读ISO和噪点 信噪比与动态范围 从CMOS传感器原理到实测数据
【当我学会了曝光三要素⚠️ - 莎莎爱摄影📷 | 小红书 - 你的生活指南】