自 90 年代以來，相機傳感器技術從 CCD 發展到當今最先進的堆棧式 COMS 技術。在本文中，我們將回顧近 25 年中相機傳感器技術發生的變化和重大進步。
CCD
CCD（電荷耦合器件）傳感器是第一種能夠提供良好效果並且價格適中，可以在消費類產品中使用的圖像傳感器技術。
CCD 從傳感器的邊緣開始讀取，一次一個像素，每次讀取一個像素時將電荷從一個像素向下級聯到下一個像素。完成此操作的速度取決於施加到晶片的電流，因此快速讀出需要大量功率。
由於小型消費類相機電池的功率限制，這個過程相對緩慢，使得緊湊型相機中的實時取景非常緩慢和滯後。CCD 構成了早期數位相機市場的基礎，從 90 年代中期一直到 2010 年代初，在此期間這項技術不斷發展，性能越來越好。
富士的 Super CCD 技術，它在每個像素上都使用了一個大的和一個部分遮蔽的光電二極體。遮蔽的像素捕獲的光線較少，因此不太容易過度曝光。S3 Pro 相機中的第二代版本提供的動態範圍遠遠超過其同時代產品，但在較高的 ISO 下，遮蔽像素的問題抑制了圖像質量。
CMOS
與此同時，一項競爭技術 CMOS（互補金屬氧化物半導體）正在開發中。它們依次將每個像素的輸出傳送到公共導線，這意味著電荷不必通過所有相鄰像素即可進行傳輸。這樣可以讀取得更快而無需大量功率。CMOS 傳感器的生產成本也較低。佳能於 2000 年率先在其 D30 APS-C 數碼單眼相機中採用了 CMOS。在接下來的幾年中，性能不斷提高，佳能以出色的高 ISO 圖像質量贏得了聲譽。
儘管一些攝影師難以忘懷 CCD 的色彩，但並沒有任何證據說明 CCD 本身在捕捉色彩方面與 CMOS 有什麼不同。兩者差異更有可能是源於濾色器選擇性和吸收特性的區別，因為製造商試圖通過使用允許更多光線通過的濾鏡來提高低光性能。
到 2007 年，業界最大的晶片供應商，索尼半導體的 APS-C 晶片已經轉向 CMOS，CMOS 成為大傳感器相機的主要技術。
採用 CMOS 技術的小型傳感器在早期嘗試並不太成功，因此在大多數大型傳感器相機轉向 CMOS 很久之後，CCD 技術繼續主導著緊湊型相機。
CMOS 的快速讀出變得越來越重要，無論是對於佳能 EOS 5D II 等相機中的視頻，還是隨著無反時代的臨近，實時取景成為大傳感器相機拍攝體驗的核心。
背照式 CMOS
2009 年推出了第一款背照式（BSI）CMOS 傳感器，這項技術起初主要是因為有利於智慧型手機和緊湊型相機。背照式傳感器的製造方式與現有的前照式設計大致相同，但在每個像素的感光部分前面沒有布線和電路，從而增加了光吸收。這些優勢在大型傳感器中不太明顯，因此 M43 、APS-C 和全畫幅背照式晶片要再過幾年才會問世。
CMOS 設計持續發展，新設計包含更多模數轉換器 (ADC)，並將這些 ADC 放置在更靠近像素的位置。這最大限度地減少了在讀出數據之前可能潛入的電子噪聲量，並且大量的 ADC 意味著每個 ADC 都不必如此快速地工作以提供快速讀出。ADC 產生的噪聲量與其工作速度有關，因此該設計可顯著降低讀取噪聲。
這些設計的進一步改進不斷降低讀取噪音，預示著一個時代的來臨，在這個時代，您可以期望大多數相機捕捉到比典型 JPEG 中包含的動態範圍大得多的動態範圍，這意味著 Raw 文件中有更多可利用的信息。
不僅僅是佳能和索尼半導體部門在開發傳感器。三星是第一個將背照式技術引入 APS-C 的廠家，2014 年的 NX1。它的背照式晶片提供了快速傳感器相位檢測和 4K 視頻的速度，而不只是改進低光性能。
背照式 CMOS 技術從 2014 年開始涉足大型傳感器。在大型傳感器中，布線占的比例要比小型傳感器小得多，因此背照式 CMOS 技術對圖像質量的改善並不明顯。不過，它確實帶來了優勢。首先是改善像素接受光線的角度。這在傳感器的角落特別有用。其次，將布線移到像素後面可以實現更複雜的電路，這意味著可以進一步增加 ADC 的數量並加快讀出速度，而不會增加噪聲。
將近十年後，大型傳感器中，背照式 CMOS 技術的使用仍然不是普遍的，因為它並沒有明顯的圖像質量改進。
改善動態範圍的另一項進步是雙轉換增益傳感器。這種技術首先出現在尼康 1 系列相機中使用的 Aptina 傳感器中。它們在每個像素內提供多種讀出模式選擇：一種在低 ISO 下最大化動態範圍，另一種具有較小的動態範圍但提供較低的讀取噪聲，在動態範圍不太重要的高 ISO 下提供更好的陰影性能。
當這項技術被授權給索尼半導體時，它與現有的高動態範圍設計相結合，以開發在基本 ISO 下具有出色動態範圍並提升高 ISO 性能的傳感器。雙增益的採用使索尼 a7S 具有出色的高 ISO 性能。
堆棧式 CMOS
堆疊式 CMOS 是當前傳感器製造技術的前沿，它進一步採用背照式方法，創建半導體層，將它們連接在一起，設計具有更複雜和精密的電路。這是一個耗時且昂貴的過程，因此只出現在智慧型手機和小型相機的相當小的傳感器晶片中，以及非常高性能的大型傳感器模型中。與背照式 CMOS 一樣，它的主要優勢不是以圖像質量的形式出現，而是允許更快、更複雜的數據處理。
堆疊式 CMOS 傳感器晶片目前支撐著一些拍攝速度最快的相機，以及一些捲簾快門（果凍效應）最低的相機，比如索尼 A1/A9/A9 II、尼康 Z9、佳能 R3。
今天，大多數消費類相機中的傳感器都非常出色，在基本 ISO 下有大量的動態範圍，在高 ISO 下噪音非常小。現代傳感器具有極低的電子噪聲，通常會記錄超過 50% 的照射光，這意味著當前的技術距離極限值已不再遙遠。但可能需要另一項重大技術變革才能看到圖像質量的重大變化。
原文作者：Richard Butler，發表於：dpreview，有改編及刪減，不當之處，敬請諒解。