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数码相机感光芯片工作原理 提到 数码 相机，不得不说到 就是数码相机的心脏感光器件。与传统相机相 比，传 统相 机使用“胶卷”作为其记录信息的载体， 而数 码相 机的 “胶 卷”就是 其成像感光器件，而且是与 相机一 体的，是数码相机的心脏。感光器是 数码 相机的核心，也是 最关键的技术。数码相机的发展 道路，可以说就是 感光器的发展 道路。目前数码相机的核心成像部 件有两 种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一 种是C MOS（互补金属氧化物导体）器件。 1、感光器件的概 念及 工作原理 2、两种感光器 件的不 同之处 3、影响感光 器 件的 因素 4、感光器件 的发展 感光器件 工作 原理 电荷藕合 器件图 像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一 种 高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过 模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后 由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻 而 易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手 段， 根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组 成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时 ，每个感光 单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单 位所 产生的信号 加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CCD和传 统 底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的 视网膜 是由 负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工 合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运 作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似 马赛克的 网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目 前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Ph ilps、Kodak、 Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂 商。 互补性氧化金属半 导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconduct or）和CC D一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是 利用硅和锗 这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（ 带电） 和 P（带+电）级的半导体，这两 个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的 缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因 为早期的设计使CMO S在处理快速变化的影像时，由于电流 变化过于频繁而会产生过热的现象。 两种元件不同之 处 由两种感光器件的工 作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是 由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致 制造成本 居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。 在相同分 辨率下，CMOS价格比 CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质 量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数 的消费级别以及高 端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS 感应器则作为低 端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像 头厂商生产的 摄想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力 地以其作为 卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一 时间，是 否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次 的标准之一。 CMOS影像传感器的 优点之 一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品 质， 付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅， 噪 声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器 将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3 . 3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传 感器 的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与 讯号处 理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影 像传感器 只需一组电源，CCD却需三或四组电源，由于AD C与讯号处理 器的制程与CCD不同，要缩小CCD套件的体 积很困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降 低噪声的产生， 未来CMOS影像传感器是否可以改变长久 以来被CCD压抑的 宿命，往后技术的发展是重要关键。 影像感光器件因素 对于数码相机来说 ，影 像感光器件成像的因素主要有两个方面：一是感光器件的 面积；二是感光器件的色彩深度。 感光器件面积越大， 成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素 间 的干扰也小，成像质量越好。但随着数码相机向时尚小 巧化 的方向发展，感光器件的面积也只能是越来越小。 除了面积之外，感光 器件 还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相 机 的感光器件一般是24位的，高档点的采样时是30位，而 记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是 36 位的，据说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言 ，感 光单元能记录的光亮度值最多有28=256级，每一种 原色用 一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x2 56x256约16,77万种。对于36位的器件而言，感 光单元能记录的光亮度值最多有212=4096级，每一种原色 用一个12 位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是 4096x4096x4 096约68.7亿种。举例来说，如果某一被摄 体，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 数码相机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高 于256备的部位，均曝光过度，层次损失， 形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位 全部曝光不足，如 果用使用了36位感光器件的专业数码相 机，就不会有这样 的问题。 感光器件的发展 CCD是1969年由美 国的贝尔研究室所 开发出来的。进入80年代，CCD影像传感 器虽然有缺陷， 由于不断的研究终于克服了困难，而于80 年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。到了90年代制造出百万像素之 高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛 进，算一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。进入90年 代中期后，CC D技术得到了迅猛发展，同时，CCD的单位面 积也越来越小 。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成 像质量，SON Y与1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光器件是 在CCD面积减小的情况下，依靠CCD组件内部放 大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW STRUCTU RE CCD、 EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所 应用 ）。而富士数码相机则采用了超级CCD（Super CCD）、S up er CCD SR。 对于CMOS来说，具有便于大规模 生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发 展方向。目前，在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器 件不断推陈出新，高动态范围CMOS器件已经出现，这一 技术 消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需 要，使之 接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的 可塑性，可 以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不 上升多少。相 对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事 物而展示出了蓬 勃的活力。作为数码相机的核心部件，CM OS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势，并有希望 在不久的将来成为主 流的感光器。二、CCD尺寸 说到CCD的尺寸 ，其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CCD和CM OS。感光器件的面积大小，CCD/CMOS面积越大，捕获的光子 越多，感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS是数码相机 用 来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。 CCD上感光组件 的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其 表 面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上 的所 有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面 。 如果分解CCD ，你 会发现CCD的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第 二层 是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。 第一 层“微 型镜头” 我们 知道 ，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CC D的 采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率 的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感 光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的 开 口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。 第二层是“分色 滤色片” CCD的 第二层 是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原 色分 色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺 点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原 色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通 过 红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Gr een 和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色 调节而 成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成 ，他们分 别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK 更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。 原色 CCD的优势 在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大 家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在I SO感光 度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个 Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分 影像 的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的 感 光度，一般都可设定在800以上 第三层：感光层 CCD的第三 层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转 换 成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还 原。 传统的照 相机 胶卷尺寸为35mm，35mm为胶卷的宽度（包括齿孔部分 ），35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换算到数码相机， 对角长度 约接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。在单反数码相机中，很 多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼 康德D100，CC D/CMOS尺寸面积达到23.7 x 15.6，比起消费 级数码相机要大 很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为 36 x 24mm，达到了35mm的面积，所以成像也相对较好。 现 在市面上 的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1 /2.7英 寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸越大，感光面积 越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于 1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前 者 的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事， 但