CMOS

概述

CMOS 意为 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor（互补金属氧化物半导体），它是一种半导体技术，构成了摄像技术中图像传感器的基础。CMOS 传感器将通过镜头入射的光线转换为电信号，然后处理成数字图像。如今，几乎所有的数字电影摄影机——包括 ARRI（ALEXA 系列）、RED 和 Sony 的型号——都基于 CMOS 传感器。

CMOS 是继较早的 CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）之后，第二种主要的传感器类型。CCD 传感器将每个像素的电荷依次传输到中央放大器，而 CMOS 传感器则为每个像素配备了自己的放大和读取电路（Active-Pixel Sensor，APS，有源像素传感器）。这使得逻辑电路、放大器和模数转换器可以直接集成在同一芯片上。

工作原理

在有源像素设计中，每个像素将光电二极管收集到的电荷在原地转换为放大的电压。信号按行和列读取，通过列放大器并行处理，并在芯片上进行数字化。这种架构的优点包括：

• 低功耗：每次只需激活一行像素进行读取，芯片工作电压较低。
• 高读取速度：通过列的并行处理和片上数字化，可以实现高帧率。
• 高集成度：转换器、时钟和处理逻辑与像素阵列位于同一基板上。

逐行扫描 vs. 全局快门

CMOS 传感器的读取方式决定了图像的运动表现：

大多数 CMOS 传感器——尤其是在电影领域——采用逐行扫描，因为这样可以获得高图像质量。全局快门 CMOS 传感器例如用于部分 Sony、Blackmagic 和 AJA 摄影机。

片场应用

在片场实际应用中，需要注意的是，逐行扫描在极快的摄影机运动或快速移动的拍摄对象时可能导致失真；此外，在闪烁的光源下（例如未调光的 LED 或荧光灯）可能会出现亮度条带。ARRI 自 ARRIFLEX D-20（2005 年）和第一台 ALEXA（2010 年）以来，一直与半导体制造商 onsemi 合作开发其 CMOS 传感器；据制造商称，ALEXA 35 可实现约 17 档的动态范围。如今，CMOS 传感器被认为是实现电影般画质、高动态范围和良好低光性能的标准。