數(shù)碼攝像機(jī)的感光器件概念及工作原理

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1、數(shù)碼攝像機(jī)的感光器件概念及工作原理 數(shù)碼攝像機(jī)的感光器件 也即數(shù)碼攝像機(jī)感光成像的部件， 能把光線轉(zhuǎn)變成電荷， 通 過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 目前數(shù)碼攝像機(jī)的核心成像部件有兩種： 一種是廣泛使 用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是 CMO（互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）器件。 感光器件的概念及工作原理 電荷藕合器件圖像傳感器 CCD（ Charge Coupled Device ），它使用一種高感光度 的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷， 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 數(shù)字信號(hào) 經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存， 因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸 給計(jì)算機(jī)，并

2、借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。 CCD由許多感光單位 組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在 組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對(duì)視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng) 膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。 CCD經(jīng)過 長(zhǎng)達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。 CCD的組成主要是由一個(gè)類似馬賽 克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn) CCD的公司 分別為：SONY Philip

3、s、Kodak、Matsushita、Fuji 和 Sharp，大半是日本廠商。 目前主要有兩種類型的 CCD光敏元件，分別是線性 CCD和矩陣性CCD線性CCD用 于高分辨率的靜態(tài)照相機(jī)，它每次只拍攝圖象的一條線，這與平板掃描儀掃描照片的方法相 同。這種CCD精度高，速度慢，無法用來拍攝移動(dòng)的物體，也無法使用閃光燈。 矩陣式CCD它的每一個(gè)光敏元件代表圖象中的一個(gè)像素，當(dāng)快門打開時(shí)，整個(gè)圖 象一次同時(shí)曝光。通常矩陣式 CCD用來處理色彩的方法有兩種。一種是將彩色濾鏡嵌在 CCD 矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。 典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。這 兩種排列

4、方式成像的原理都是一樣的。 在記錄照片的過程中，相機(jī)內(nèi)部的微處理器從每個(gè)像 素獲得信號(hào)，將相鄰的四個(gè)點(diǎn)合成為一個(gè)像素點(diǎn)。 該方法允許瞬間曝光， 微處理器能運(yùn)算地 非?？臁＿@就是大多數(shù)數(shù)碼相機(jī) CCD的成像原理。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成，其中包含著數(shù)學(xué)計(jì)算， 因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無法達(dá)到如刀刻般的銳利。 互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體 CMOSComplementary Metal-Oxide Semiconductor ）和 CCD 一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。 CMOS勺制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什 么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在 CM

5、O上共存著帶N （帶- 電）和P （帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀 成影像。然而，CMOS勺缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn)，這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使 CMO在處理 快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。 除了 CCD和CMOS^外，還有富士公司獨(dú)家推出的 SUPEFCCD SUPEFCCD并沒有采 用常規(guī)正方形二極管， 而是使用了一種八邊形的二極管， 像素是以蜂窩狀形式排列， 并且單 位像素的面積要比傳統(tǒng)的 CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果是可以縮小對(duì)圖像拍攝無用 的多余空間， 光線集中的效率比較高， 效率增加之后使感光性、 信噪比和

6、動(dòng)態(tài)范圍都有所提 傳統(tǒng)CCD中的每個(gè)像素由一個(gè)二極管、控制信號(hào)路徑和電量傳輸路徑組成。 SUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，原有的控制信號(hào)路徑被取消了，只需要一個(gè)方向的電量傳輸 路徑即可，感光二極管就有更多的空間。 SUPER CCD在排列結(jié)構(gòu)上比普通 CCD要緊密，此 外像素的利用率較高，也就是說在同一尺寸下， SUPERCCD勺感光二極管對(duì)光線的吸收程度 也比較高，使感光度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。 那為什么SUPER CC的輸出像素會(huì)比有效像素高呢？我們知道 CCC對(duì)綠色不很敏 感，因此是以G- B- R- G來合成。各個(gè)合成的像素點(diǎn)實(shí)際上有一部分真實(shí)像素點(diǎn)是共用，

7、 因此圖象質(zhì)量與理想狀態(tài)有一定差距，這就是為什么一些高端專業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)使用 3CCD分 別感受RGB三色光的原因。而 SUPER CCD通過改變像素之間的排列關(guān)系，做到了 R、G B 像素相當(dāng)，在合成像素時(shí)也是以三個(gè)為一組。 因此傳統(tǒng)CCD是四個(gè)合成一個(gè)像素點(diǎn)， 其實(shí)只 要三個(gè)就行了，浪費(fèi)了一個(gè)，而SUPERCCD就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，只用三個(gè)就能合成一個(gè)像素點(diǎn)。 也就是說，CCD每4個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)計(jì)算 4次；SUPER CCD! 3個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像 素，每個(gè)點(diǎn)也是計(jì)算 4次，因此SUPERCCD像素的利用率較傳統(tǒng) CCD高，生成的像素就多了。 兩種感光器件的不同之處 由兩種感

8、光器件的工作原理可以看出， CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造 工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型 CCD價(jià)格 非常高昂。 在相同分辨率下，CMO價(jià)格比CCD便宜，但是 CMOS#件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比 CCD 來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用 CCD作為 感應(yīng)器；CMOS應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝 像頭使用CCD感應(yīng)器，廠商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相 機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有 CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。 CMO

9、S針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電，不像由二極管組成的 CCD CMOS電路 幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得 CMOS勺耗電量只有 普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是 ”電老虎”的不良印象。CMO主 要問題是在處理快速變化的影像時(shí)， 由于電流變化過于頻繁而過熱。 暗電流抑制得好就問題 不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。 CMO與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為 300 萬像素，那么CCD專感器可連續(xù)掃描 300萬個(gè)電荷，掃描的方法非常簡(jiǎn)單， 就好像把水桶從 一個(gè)人傳給另一個(gè)人，并且只有在最后一個(gè)數(shù)

10、據(jù)掃描完成之后才能將信號(hào)放大。 CMOS專感 器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)的放大器。因此， CMO傳感器可以在每個(gè)像 素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大，采用這種方法可節(jié)省任何無效的傳輸操作， 所以只需少量能量消耗 就可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描，同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。 影響感光器件的因素 對(duì)于數(shù)碼相機(jī)來說，影像感光器件成像的因素主要有兩個(gè)方面： 一是感光器件的面 積；二是感光器件的色彩深度。 感光器件面積 越大，成像較大，相同條件下， 能記錄更多的圖像細(xì)節(jié)， 各像素間的 干擾也小，成像質(zhì)量越好。但隨著數(shù)碼相機(jī)向時(shí)尚小巧化的方向發(fā)展， 感光器件的面積也只

11、能是越來越小。 除了面積之外，感光器件還有一個(gè)重要指標(biāo)， 就是色彩深度，也就是色彩位，就是 用多少位的二進(jìn)制數(shù)字來記錄三種原色。非專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)的感光器件一般是 24位的，高 檔點(diǎn)的采樣時(shí)是 30位，而記錄時(shí)仍然是24位，專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)的成像器件至少是 36位的, 據(jù)說已經(jīng)有了 48位的CCD對(duì)于24位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有 2人8=256級(jí)，每一種原色用一個(gè) 8位的二進(jìn)制數(shù)字來表示， 最多能記錄的色彩是 256x256x256 約16,77萬種。對(duì)于36位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有 2X2=4096級(jí)， 每一種原色用一個(gè) 12位的二進(jìn)制數(shù)字來表示，最多能記錄的色彩是 4096x4096x4096約68.7 億種。舉例來說，如果某一被攝體，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的 400倍，用使用24 位感光器件的數(shù)碼相機(jī)來拍攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是亮度高于 256倍的部位， 均曝光過度，層次損失， 形成亮斑，如果按高光部位來曝光， 則某一亮度以下的部位全部曝 光不足，如果用使用了 36位感光器件的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，就不會(huì)有這樣的問題