较真要点

查证者 | 看风景的蜗牛君，中国科学院光学博士

随着科技的发展，越来越多的场合开始使用绚丽的灯光来烘托气氛，比如演唱会、酒吧、展览，以及随处可见的灯光秀。面对如此绚烂的光束，不少朋友纷纷掏出手机，想记录下这样精彩的场面，比如：

结果突然镜头中的某个“灯”看了你一眼：

紧接着相机就不对劲了，出现了莫名其妙的线条：

图 | “FEST jak CHCEŠ 2015 - Laser damage CMOS sensor on Canon 5D mark II.”视频截图

如果你也有类似的经历，那么恭喜你，你经历了一场人类现代最先进的武器之一——低配版的激光武器攻击，而且防守失败了。没错，虽然名字叫“灯光秀”，但这些灯光中有不少是货真价实的激光，甚至有些地方的灯光秀压根儿就是激光秀。

一、这些光束照在身上毫无感觉，为何会把相机打坏呢？

这是因为激光是一种准直性（也就是大家理解的平行度）很好的光，被透镜聚焦的效率非常高。聚焦的过程，可以简单理解为把照射到大面积上的光的能量全部集中到很小的一个点上，能量密度陡增。

不少朋友小时候曾经玩过放大镜吧？用放大镜聚焦阳光，可以轻松地将纸张、木屑点燃，就是因为放大镜将能量汇聚到了中心很小的范围内，从而让能量密度提高了成百上千倍。

但实际上，放大镜的聚焦效率并不高。这是因为太阳光不是平行光，放大镜的加工质量往往很一般，手持过程也无法稳定控制放大镜到木板的距离。一般来说，光束准直性越好、透镜质量越高（像差小、透过率高）、对焦越准，聚焦效率越高。相机对激光的聚焦效率可比放大镜高多了。工业生产中，对激光的聚焦甚至能够把能量密度提高百万倍以上。

所以大家应该能够理解，为什么被激光直射一下，相机就可能会坏掉了吧？因为被聚焦的激光能量密度太高，直接把相机感光元件的像素点打坏了。

二、被激光打坏的像素至多也不过是小范围的几个点，为何会出现长长的一条都坏掉呢？

没错，其实激光对相机的损伤有很多种类，如果只是打坏了个别像素，或是一小块像素区域，这种损伤叫做“点损伤”。但还有另外一种常见的损伤，叫作“线损伤”，表现就如同前文图中的样式，一条或几条平直的线条一起坏，这显然不是点损伤精准连成直线导致的。要解释清楚“线损伤”，就免不了得啰嗦几句感光芯片的原理。

相机中用于感光成像的芯片通常有CCD和CMOS两类。CCD是charge coupled device的缩写，意思为“电荷耦合器件”，它的基本原理是入射的光子会产生光电效应、激发电荷，通过统计每个像素位置电荷的多少，反向计算出光子的数目，因此CCD是一种模拟器件，可以忠实准确地还原图像。

图 | CCD传感器的宏观细节图

CMOS是complementary metal oxide semiconductor的缩写，意思是“互补金属氧化物半导体”（这个名字原意是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片，本文中专指该工艺技术制造的感光芯片），工作原理也离不开光电效应，早期由于CMOS噪声高等缺点，CCD应用更为广泛。后来随着光刻工艺的不断提高，CMOS的质量稳步提升、成本大幅度降低，因此目前应用范围已远超CCD，大家买到的绝大多数手机、相机的感光元件基本都是CMOS。

说完CCD和CMOS的工作原理，终于可以进入正题了。由于CCD和CMOS都是行/列扫描的工作模式，当汇聚的激光能量太大时，CCD中的像素不仅会损坏，而且此过程激发出的电荷还可能涌向行/列中的其他像素，从而导致同行/列的像素损坏。但是CMOS由于工作原理上只读取每个位置的电压值，并不存在电荷积累，不会殃及同行/列邻居们，所以面对激光时稳定性要比CCD强得多 [1] 。可实际上激光仍可能对CMOS造成线损伤，这是为什么呢？目前已有的研究认为，这极有可能是因为聚焦的激光能量密度太高，以至于将CMOS行/列的信号读取线给熔断了 [2] ，造成了开路，从而导致整行/列都无法正常工作。

三、镜头没开启拍摄的情况下，激光是否仍然可能对相机造成损坏？

答案是可能的。相机是有快门的，机械快门当然能够很好地保护感光芯片（连机械快门都被打穿的情况就不考虑了，那已经是极度危险的极端情况了）；但是有的相机（例如大部分手机）没有机械快门，只有电子快门。所谓的“电子快门”就是不拍摄时不通电、不读取信号，但是对光没有遮挡，所以仍然可能被激光损伤感光芯片。

相比起激光，其他灯光的准直性要差很多，聚焦效率没这么高，所以对灯光拍摄一般没什么风险。但是对大家来说比较困难的一点可能在于，面对灯光秀那么复杂的场景、那么多五彩斑斓的光源，可能很难完全规避开激光、只拍摄普通灯光。

总结一下，激光被聚焦后有可能会损伤相机，CCD比CMOS更易损伤，拍摄时单反和手机同样可能被损伤，不拍摄时带机械快门的单反相机比只有电子快门的手机相机更不易受损伤。

其实我觉得，对活动的主办方来说，是有相关的义务提醒大家注意激光风险的，甚至从安全的角度，这些激光压根儿就不该射入人群之中。因为与相机类似，人眼也同样是一个镜头，也有一个透镜（晶状体）和感光底片（视网膜），对相机有危险的激光对人眼同样也有危险。而且损坏了相机，无非就是换个新的；但是如果损伤了视网膜，可是一辈子的事。

写到这里，笔者还想表达一些其他方面的隐忧。近年来自动驾驶技术发展地如火如荼，其中要用到的核心设备就是激光雷达。这种设备通常采用近红外光做光源，人眼虽然看不到，但不代表它对人眼或相机没有损伤，需要引起注意。

参考文献

[1]Schwarz B, Ritt G, Koerber M, et al. Laser-induced damage threshold of camera sensors and micro-optoelectromechanical systems[J]. Optical Engineering, 2017, 56(3): 034108.

[2]Damage Mechanisms in Visible Band Cameras Subjected to Continuous Wave Laser Attack(D), Sacha Casken, Cranfield University(2014).

本文编辑：fycfeng

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