光电二极管

概述

感光单元（也称“传感器单元”，源自sensor element）是数字图像传感器（CMOS 或 CCD）最小的光敏结构单元。电影摄影机或照相机的传感器上，数百万个这样的单元以网格状排列。每个感光单元收集入射光并将其转换为电荷——这是所有数字成像的物理基础。

在片场理解的关键点：感光单元并非等同于像素。感光单元是传感器上的物理组件；像素是在转换和处理（去马赛克）后才产生的数字图像点。只要信号是模拟的，就应称之为感光单元，而非像素。

感光单元的构造

单个感光单元通常由多个层叠加而成：

• 微透镜：将入射光以漏斗状聚焦到光敏区域，从而提高光线利用率。
• 彩色滤光片：在彩色传感器上，每个单元上方都有一个红色、绿色或蓝色的滤光片（彩色滤光阵列）。拜耳模式很常见，其中绿色滤光片的数量是红色或蓝色滤光片的双倍。
• 光电二极管：实际的光敏元件，将光子转换为电荷。
• 读出电路：相关的电子元件，负责传输收集到的电荷。

由于单个光电二极管对颜色不敏感，仅测量亮度，因此彩色滤光片生成色彩信息。每个图像点所缺少的颜色值将在之后从相邻单元插值得到（去马赛克）。

在片场的重要性

感光单元的大小是影响图像质量的关键参数，因此也影响着布光计划：

• 感光度：较大的感光单元收集更多光线，在弱光或高 ISO 值下能提供更低噪点的图像——这对于低光拍摄和紧凑的布光非常重要。
• 动态范围：单元最大可存储的电荷量（满井容量）取决于其物理尺寸，并决定了细节可以有多亮而不至于过曝。
• 分辨率与感光度的权衡：在给定的传感器面积下，更多的感光单元意味着更高的分辨率，但单个单元尺寸更小。相反，更高的感光度和动态范围则需要更大的单元，因此单元数量倾向于更少。这解释了为何一些电影摄影机故意选择中等分辨率搭配大感光单元。

实际应用意味着：拥有大感光单元的传感器更能容忍光线不足，为布光提供更多空间；而具有小单元的高分辨率传感器则需要更多的光线或更精细的曝光控制。