数码相机感光芯片工作原理

1、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CMOS（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（ChargeCoupledDevice）

2、，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

3、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：SONYPhilps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本厂商。互补性氧化金属半导体CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS勺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CMOSt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

4、而，CMOS勺缺点就是太容易由现杂点，这主要是因为早期的设计使CMOS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由，CCD勺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介格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CC陈说要低一些。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；CMO时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应器，厂商一定会不遗余力地以

5、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应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。CMOSM象传感器的优点之一是电源消耗量比CC6氐，CCD为提供优异的影像品质，付由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CMO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CCDf氐。CMOSM象传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将AD*讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS像传感器只需一组电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小C

6、CD®件的体积很困难。但目前CMO影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来CMO滞像传感器是否可以改变长久以来被CCDS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：一是感光器件的度。感光器件面积越大，更多的图像细节，各像素但随着数码相机向时尚小积也只能是越来越小。除了面积之外，感光面积；二是感光器件的色彩深成像较大，相同条件下，能记录间 的干扰也小，成像质量越好。巧化 的方向发展，感光器件的面器件 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

7、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 位的器件而言值最多有2A8=256级，每一种字来表示，最多能记录的色彩是种。对于36 位的器件而言，感， 感 光单元能记录的光亮度原色用 一个 8 位的二进制数256x2 56x256 约 16,77 万光单元能记录的光亮度值最多有2A12=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4096x4096x4096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

8、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CCDM1969年由美国的贝尔研究室所开发由来的。进入80年代，CC期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勺发展更是突飞猛进，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，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD勺单位面积也越来越小。但为了在CCD

9、面积减小的同时提高图像的成像质量，SONY与1989年开发生了SUPERHADCCD这种新的感光器件是在CCD®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NEWSTRUCTURECCD、EXVIEWHADCCD四色滤光技术(专为SONYF828所应用)。而富士数码相机则采用了超级CCD(SuperCCD)、SuperCCDSR。对于CMOSB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CANO簿公司的不断努力下，新的CMO需件不断推陈由新，高动态范围CMOS1件已经由现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控

10、制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOSt天的可塑性，可以做由高像素的大型CMO撼光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比，CMO酢为新生事物而展示由了蓬勃的话力。作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD光器的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。二、CCDR寸说到CCD勺尺寸，其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CC济口CMOSo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±感光组件的表面具有储存电

11、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±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CCD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勺第二层是“分色滤色片”，目前有两种分

12、色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMY及卜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RGBE个字母分别就是Red,Green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)o在印刷业中，CMYKM为适用，但其调节由来的颜色不及RGB勺多。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ISO感光度上多半不会超

13、过400。相对的，补色CCD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勺第三层是“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35mm35mm为胶卷的宽度(包括齿孔部分)，35mm交卷的感光面积为36x24mm。换算到数码相机，对角长度约接近35mmfi勺,CCD/CMOSt寸越大。在单反数码相机中，很多都拥有接近35mm勺CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D10QCCD/CMOJR寸面积达到23.7x15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMO软寸为36x24mm,达到了35mm勺面积，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/CMOSt素增加固然是件好事，但这也