數(shù)碼相機(jī)感光芯片工作原理

1、數(shù)碼相機(jī)感光芯片工作原理提到數(shù)碼相機(jī)，不得不說到就是數(shù)碼相機(jī)的心臟感光器件。與傳統(tǒng)相機(jī)相比，傳統(tǒng)相機(jī)使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數(shù)碼相機(jī)的“膠卷”就是其成像感光器件，而且是與相機(jī)一體的，是數(shù)碼相機(jī)的心臟。感光器是數(shù)碼相機(jī)的核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展道路，可以說就是感光器的發(fā)展道路。目前數(shù)碼相機(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CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）器件。1、感光器件的概念及工作原理2、兩種感光器件的不同之處3、影響感光器件的因素4、感光器件的發(fā)展感光器件工作原理電荷藕合器件圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）

2、，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)

3、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：SONYPhilps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本廠商?；パa(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）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CMOSt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

4、而，CMOS勺缺點(diǎn)就是太容易由現(xiàn)雜點(diǎn)，這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS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。兩種元件不同之處由兩種感光器件的工作原理可以看由，CCD勺優(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，CMOS介格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CC陳說要低一些。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；CMO時(shí)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)的攝想頭使用CCD應(yīng)器，廠商一定會(huì)不遺余力地以

5、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。CMOSM象傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CC6氐，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付由代價(jià)即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMO影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng)，電源消耗量比CCDf氐。CMOSM象傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)，是與周邊電路的整合性高，可將AD*訊號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小，例如，CMOS像傳感器只需一組電源，CCD卻需三或四組電源，由于ADC與訊號(hào)處理器的制程與CCD不同，要縮小C

6、CD®件的體積很困難。但目前CMO影像傳感器首要解決的問題就是降低噪聲的產(chǎn)生，未來CMO滯像傳感器是否可以改變長(zhǎng)久以來被CCDS抑的宿命，往后技術(shù)的發(fā)展是重要關(guān)鍵。影像感光器件因素對(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：一是感光器件的度。感光器件面積越大，更多的圖像細(xì)節(jié)，各像素但隨著數(shù)碼相機(jī)向時(shí)尚小積也只能是越來越小。除了面積之外，感光面積；二是感光器件的色彩深成像較大，相同條件下，能記錄間 的干擾也小，成像質(zhì)量越好。巧化 的方向發(fā)展，感光器件的面器件 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

7、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 位的器件而言值最多有2A8=256級(jí)，每一種字來表示，最多能記錄的色彩是種。對(duì)于36 位的器件而言，感， 感 光單元能記錄的光亮度原色用 一個(gè) 8 位的二進(jìn)制數(shù)256x2 56x256 約 16,77 萬光單元能記錄的光亮度值最多有2A12=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

8、攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是亮度高于256備的部位，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。感光器件的發(fā)展CCDM1969年由美國(guó)的貝爾研究室所開發(fā)由來的。進(jìn)入80年代，CC期像傳感器雖然有缺陷，由于不斷的研究終于克服了困難，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品質(zhì)的CCD。到了90年代制造出百萬像素之高分辨率CCD，此時(shí)CCD勺發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，算一算CCD發(fā)展至今也有二十多個(gè)年頭了。進(jìn)入90年代中期后，CCD技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，同時(shí)，CCD勺單位面積也越來越小。但為了在CCD

9、面積減小的同時(shí)提高圖像的成像質(zhì)量，SONY與1989年開發(fā)生了SUPERHADCCD這種新的感光器件是在CCD®積減小的情況下，依靠CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升成像質(zhì)量。以后相繼出現(xiàn)了NEWSTRUCTURECCD、EXVIEWHADCCD四色濾光技術(shù)(專為SONYF828所應(yīng)用)。而富士數(shù)碼相機(jī)則采用了超級(jí)CCD(SuperCCD)、SuperCCDSR。對(duì)于CMOSB說，具有便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快、成本較低，將是數(shù)字相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向。目前，在CANO簿公司的不斷努力下，新的CMO需件不斷推陳由新，高動(dòng)態(tài)范圍CMOS1件已經(jīng)由現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對(duì)快門、光圈、自動(dòng)增益控

10、制及伽瑪校正的需要，使之接近了CCD的成像質(zhì)量。另外由于CMOSt天的可塑性，可以做由高像素的大型CMO撼光器而成本卻不上升多少。相對(duì)于CCD的停滯不前相比，CMO酢為新生事物而展示由了蓬勃的話力。作為數(shù)碼相機(jī)的核心部件，CMOS感光器以已經(jīng)有逐漸取代CCD光器的趨勢(shì)，并有希望在不久的將來成為主流的感光器。二、CCDR寸說到CCD勺尺寸，其實(shí)是說感光器件的面積大小，這里就包括了CC濟(jì)口CMOSo感光器件的面積大小，CCD/CMOS面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS數(shù)碼相機(jī)用來感光成像的部件，相當(dāng)于光學(xué)傳統(tǒng)相機(jī)中的膠卷。CCD±感光組件的表面具有儲(chǔ)存電

11、荷的能力，并以矩陣的方式排列。當(dāng)其表面感受到光線時(shí)，會(huì)將電荷反應(yīng)在組件上，整個(gè)CCD±的所有感光組件所產(chǎn)生的信號(hào)，就構(gòu)成了一個(gè)完整的畫面。如果分解CCD,你會(huì)發(fā)現(xiàn)CCD的結(jié)構(gòu)為三層，第一層是“微型鏡頭”，第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。第一層“微型鏡頭”我們知道，數(shù)碼相機(jī)成像的關(guān)鍵是在于其感光層，為了擴(kuò)展CCD的采光率，必須擴(kuò)展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因?yàn)閭鞲衅鞯拈_口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。第二層是“分色濾色片”CCD勺第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分

12、色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMY及卜色分色法這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。首先，我們先了解一下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識(shí)別的顏色，都可以通過紅、綠和藍(lán)來組成，而RGBE個(gè)字母分別就是Red,Green和Blue,這說明RGB分色法是通過這三個(gè)通道的顏色調(diào)節(jié)而成。再說CMYK，這是由四個(gè)通道的顏色配合而成，他們分別是青(C)、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)o在印刷業(yè)中，CMYKM為適用，但其調(diào)節(jié)由來的顏色不及RGB勺多。原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，在ISO感光度上多半不會(huì)超

13、過400。相對(duì)的，補(bǔ)色CCD了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感光度，一般都可設(shè)定在800以上第三層：感光層CCD勺第三層是“感光片”，這層主要是負(fù)責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。傳統(tǒng)的照相機(jī)膠卷尺寸為35mm35mm為膠卷的寬度(包括齒孔部分)，35mm交卷的感光面積為36x24mm。換算到數(shù)碼相機(jī)，對(duì)角長(zhǎng)度約接近35mmfi勺,CCD/CMOSt寸越大。在單反數(shù)碼相機(jī)中，很多都擁有接近35mm勺CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D10QCCD/CMOJR寸面積達(dá)到23.7x15.6，比起消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMO軟寸為36x24mm,達(dá)到了35mm勺面積，所以成像也相對(duì)較好?，F(xiàn)在市面上的消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四種。CCD/CMOS寸越大，感光面積越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300萬像素相機(jī)效果通常好于1/2.7英寸的400萬像素相機(jī)（后者的感光面積只有前者的55%）。而相同尺寸的CCD/CMOSt素增加固然是件好事，但這也