數(shù)碼攝像機的感光器件概念及工作原理

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1、數(shù)碼攝像機的感光器件概念及工作原理 數(shù)碼攝像機的感光器件 也即數(shù)碼攝像機感光成像的部件， 能把光線轉變成電荷， 通 過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號。 目前數(shù)碼攝像機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（互補金屬氧化物導體）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 的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷， 通過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號， 數(shù)字信號 經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存， 因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸 給計算機，并

2、借助于計算機的處理手段，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CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在 組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。 CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng) 膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。 CCD經(jīng)過 長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。 CCD的組成主要是由一個類似馬賽 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，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，無法用來拍攝移動的物體，也無法使用閃光燈。 矩陣式CCD它的每一個光敏元件代表圖象中的一個像素，當快門打開時，整個圖 象一次同時曝光。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，相機內(nèi)部的微處理器從每個像 素獲得信號，將相鄰的四個點合成為一個像素點。 該方法允許瞬間曝光， 微處理器能運算地 非?？?。這就是大多數(shù)數(shù)碼相機 CCD的成像原理。因為不是同點合成，其中包含著數(shù)學計算， 因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無法達到如刀刻般的銳利。 互補性氧化金屬半導體 CMOSComplementary Metal-Oxide Semiconductor ）和 CCD 一樣同為在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導體。 CMOS勺制造技術和一般計算機芯片沒什 么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在 CM

5、O上共存著帶N （帶- 電）和P （帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀 成影像。然而，CMOS勺缺點就是太容易出現(xiàn)雜點，這主要是因為早期的設計使 CMO在處理 快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。 除了 CCD和CMOS^外，還有富士公司獨家推出的 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45度排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用 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、動態(tài)范圍都有所提 傳統(tǒng)CCD中的每個像素由一個二極管、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。 SUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，原有的控制信號路徑被取消了，只需要一個方向的電量傳輸 路徑即可，感光二極管就有更多的空間。 SUPER CCD在排列結構上比普通 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勺感光二極管對光線的吸收程度 也比較高，使感光度、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。 那為什么SUPER CC的輸出像素會比有效像素高呢？我們知道 CCC對綠色不很敏 感，因此是以G- B- R- G來合成。各個合成的像素點實際上有一部分真實像素點是共用，

7、 因此圖象質量與理想狀態(tài)有一定差距，這就是為什么一些高端專業(yè)級數(shù)碼相機使用 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系，做到了 R、G B 像素相當，在合成像素時也是以三個為一組。 因此傳統(tǒng)CCD是四個合成一個像素點， 其實只 要三個就行了，浪費了一個，而SUPERCCD就發(fā)現(xiàn)了這一點，只用三個就能合成一個像素點。 也就是說，CCD每4個點合成一個像素，每個點計算 4次；SUPER CCD! 3個點合成一個像 素，每個點也是計算 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)勢在于成像質量好，但是由于制造 工藝復雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型 CCD價格 非常高昂。 在相同分辨率下，CMO價格比CCD便宜，但是 CMOS#件產(chǎn)生的圖像質量相比 CCD 來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費級別以及高端數(shù)碼相機都使用 CCD作為 感應器；CMOS應器則作為低端產(chǎn)品應用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝 像頭使用CCD感應器，廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相 機”之名。一時間，是否具有 CCD感應器變成了人們判斷數(shù)碼相機檔次的標準之一。 CMO

9、S針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電，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， 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。 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 300萬個電荷，掃描的方法非常簡單， 就好像把水桶從 一個人傳給另一個人，并且只有在最后一個數(shù)

10、據(jù)掃描完成之后才能將信號放大。 CMOS專感 器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此， CMO傳感器可以在每個像 素基礎上進行信號放大，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 就可以進行快速數(shù)據(jù)掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉送技術。 影響感光器件的因素 對于數(shù)碼相機來說，影像感光器件成像的因素主要有兩個方面： 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節(jié)， 各像素間的 干擾也小，成像質量越好。但隨著數(shù)碼相機向時尚小巧化的方向發(fā)展， 感光器件的面積也只

11、能是越來越小。 除了面積之外，感光器件還有一個重要指標， 就是色彩深度，也就是色彩位，就是 用多少位的二進制數(shù)字來記錄三種原色。非專業(yè)型數(shù)碼相機的感光器件一般是 24位的，高 檔點的采樣時是 30位，而記錄時仍然是24位，專業(yè)型數(shù)碼相機的成像器件至少是 36位的, 據(jù)說已經(jīng)有了 48位的CCD對于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，每一種原色用一個 8位的二進制數(shù)字來表示， 最多能記錄的色彩是 256x256x256 約16,77萬種。對于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， 每一種原色用一個 12位的二進制數(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，就不會有這樣的問題