數(shù)碼相機(jī)之芯

1、數(shù)碼相機(jī)之芯圖像傳感器原理與最新技術(shù)數(shù)碼相機(jī)作為一種時(shí)尚計(jì)算機(jī)外設(shè)，以其強(qiáng)大的功能、方便的使用和越來越接近普通相機(jī)的拍攝效果，逐漸進(jìn)入尋常百姓家。而數(shù)碼相機(jī)中的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（圖像傳感器）是數(shù)碼相機(jī)的最基本的組成部份，同時(shí)它也是決定數(shù)碼相機(jī)品質(zhì)的重要因素，但它的結(jié)構(gòu)與原理你知道嗎？數(shù)碼相機(jī)中的圖像傳感器又稱影像傳感器或光電傳感器，其作用是將接收到的光（圖像）信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)。目前數(shù)碼相機(jī)使用的圖像傳感器有占主導(dǎo)地位的CCD和新開發(fā)的CMOS兩種類型。CCD圖像傳感器CCD的感光作用與普通相機(jī)中的膠片相當(dāng)，在數(shù)碼相機(jī)中起著十分重要的作用。它接受從攝影透鏡來的光信號(hào)。并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由CCD

2、產(chǎn)生的電信號(hào)被輸出并轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像。目前絕大多數(shù)碼相機(jī)采用的是CCD圖像傳感器，或稱為CCD光電耦合器件。它可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成惟一對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。CCD電荷耦合器是數(shù)碼相機(jī)的心臟，負(fù)責(zé)捕捉影像的重要工作。它最初是為攝影機(jī)設(shè)計(jì)的，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其分辨率逐步提高，色彩還原日趨逼真。1. CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理CCD是電荷耦合器件（Change Coupled Device）的英文縮寫，它具有光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移的功能。它的主要特點(diǎn)是由光電變換所產(chǎn)生的電荷可以在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下自行轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式又稱為電荷的自行掃描。CCD圖像傳感器從外形上看是一種大規(guī)模集成電路，景物在其感光

3、面上成像，感光面是由一排排的像素單元構(gòu)成的。整個(gè)感光面少則幾十萬個(gè)像素單元，多則達(dá)數(shù)百萬個(gè)像素單元。每個(gè)像素單元都可以把照射其上的光通量（光能）變成相應(yīng)的電荷，拍攝景物時(shí)整個(gè)感光面上的各個(gè)像素單元都產(chǎn)生了與光圖像相對(duì)應(yīng)的電荷。這就是CCD由光圖像變成光電荷的過程。CCD在驅(qū)動(dòng)脈部的作用下將一排排的電荷按水平和垂直排列的順序輸出，就變成了代表圖像的電信號(hào)。實(shí)際上，CCD感光面的尺寸是與照片相應(yīng)的。普通的CCD長寬之比約為4：3。CCD的像素影響數(shù)是橫向數(shù)乘以縱向數(shù)，CCD的像素?cái)?shù)越多，其圖像的清晰度越高，而成本也相應(yīng)越高。CCD的微觀結(jié)構(gòu)CCD中的每個(gè)像素單元是由一個(gè)光電二極管、一個(gè)場效應(yīng)晶體管

4、和電荷輿的電極等部分構(gòu)成，此外在光電二極管的上面，還沒有微型透鏡和彩色濾光器光電二極管的功能是產(chǎn)生電荷，它所產(chǎn)生電荷的量是與光照強(qiáng)弱及積累的時(shí)間成正比。數(shù)字相機(jī)在拍攝景物時(shí)，在暴光期間，景物之光射入相機(jī)，照射到CCD上，光電二極管產(chǎn)生電荷并積累電荷，每個(gè)光電二極管產(chǎn)生的電荷在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下全部轉(zhuǎn)移到垂直CCD中去。然后再按水平方向排列的順序輸出電荷信號(hào)，直到將整個(gè)CCD感光面上的信號(hào)全部輸出，完成一幅照片的信號(hào)轉(zhuǎn)移。2. CCD圖像傳感器的主要類別CCD圖像傳感器根據(jù)像素排列的情況，通常分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。近年來日本富士公司又研制出一種超級(jí)CCD。線陣CCD線陣CCD每次只拍攝

5、圖像的一條線，這與臺(tái)式掃描儀圖片的方法相同，速度很慢，分辨率較高，獲得一幅完整的圖像需要的時(shí)間長。此外，使用線陣CCD掃描的數(shù)碼相機(jī)需要一個(gè)保持靜止的目標(biāo)，無法使用線陣CCD來拍攝移動(dòng)物體。室內(nèi)照明或明亮的陽光是線陣CCD必需的，線陣CCD無法使用閃光燈，線陣CCD主要用于高分辨率的室內(nèi)掃描數(shù)碼相機(jī)。面陣CCD面陣CCD是平面陣列CCD的簡稱，又稱為區(qū)域陣列CCD，面陣CCD是包含一個(gè)光敏元件矩陣，而不是單條線的CCD元件。面陣CCD光電轉(zhuǎn)換器件的作用是將圖像光能量信息轉(zhuǎn)換為電子模擬量信息，并將每個(gè)像素上的電子模擬量信息通過串行掃描的方法自動(dòng)傳輸出來，矩陣中的每個(gè)元件代表圖像中的一個(gè)像素，當(dāng)快

6、門按動(dòng)時(shí)，整個(gè)圖像同時(shí)曝光，同時(shí)被拍攝。超級(jí)CCDCCD像素的增加存在著技術(shù)瓶頸在面積固定的一塊CCD上面，如果排列更多的像素單元，即意味著每一個(gè)像素單元的尺寸更小，帶來的直接后果是像素單元的靈敏度、信噪比以及動(dòng)態(tài)范圍等都將有所損失，從某種意義上講，如果要保證一定水平的圖像質(zhì)量，CCD像素?cái)?shù)不能無限制地增加，如何在保證圖像質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步增加像素?cái)?shù)，一直是數(shù)碼相機(jī)CCD開發(fā)商的主攻方向。Fujifilm（富士膠片）公司不僅是傳統(tǒng)膠片的重要生產(chǎn)廠商，也是數(shù)碼相機(jī)CCD的主要提供者。1999年第四季度，F(xiàn)ujifilm公司在日本、美國、歐洲三地相繼發(fā)布了參照人眼視覺原理開發(fā)的Super CCD

7、技術(shù)，并于2000年3月推出了采用Supper CCD的第一款數(shù)碼相機(jī)Fujifilm MX-4700型采用一塊1.47cm240萬像素的超級(jí)CCD，將數(shù)碼影像發(fā)展到一個(gè)新水平。與傳統(tǒng)CCD相比，Super CCD有兩點(diǎn)根本的不同。它的像素單元呈八角形，并且像素單元陣列排列呈45度角，整個(gè)CCD上的像素排列如蜂窩狀。所以有人稱之為“蜂窩狀的CCD”。雖然看起來只是一點(diǎn)形狀上小小的改變，但它對(duì)CCD的表現(xiàn)卻帶來質(zhì)的飛躍。三線CCD三線CCD是通過3個(gè)濾光器分別分離出紅、綠、藍(lán)三色。然后，由CCD同時(shí)捕捉所有的三色，從而有效地消除分色問題。一般三線CCD多用于高檔數(shù)字相機(jī)，以產(chǎn)生高分辨率圖像和光譜

8、色階交織傳輸CCD交織傳輸CCD是利用單獨(dú)的陣列攝取圖像和進(jìn)行電量轉(zhuǎn)化，它允許在拍攝下一幅時(shí)讀取當(dāng)前圖像，從這一特性可以看出交織傳輸CCD通常用于數(shù)碼攝像機(jī)。3. CCD的信號(hào)傳輸方式CCD的信號(hào)傳輸方式，又稱為電荷傳輸方式或信號(hào)讀出方式。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可人為幀傳送方式（簡稱FT）和掃描方式（簡稱L）兩大類。L方式中又分隔行掃描方式和逐行掃描方式。FT幀傳送方式多用在高像素的高檔數(shù)碼相機(jī)中，如佳能EOS D2000型數(shù)碼相機(jī)?，F(xiàn)在的普及型數(shù)碼相機(jī)上主要采用逐行掃描2方式。FT和2差別在有無傳輸通路。FT方式的每個(gè)受光元件兼起傳輸通路的作用，而2方式則有專用的傳輸通路。兩類相機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)就是由這

9、種差別引起的。從CCD的感光靈敏度來看，F(xiàn)T幀傳送方式要有利得多。2掃描方式為防止靈敏度下降，每個(gè)像素都備有以聚光為目的的微透鏡。FT方式?jīng)]有傳輸通路、微透鏡 ，因而每一像素面積增大、生產(chǎn)成本降低。FT方式的靈敏度特性高于IL方式。隔行掃描和逐行掃描兩種方式的靈敏度相比較，隔行IL方式大于逐行IL方式。靈敏度與受光元件面積成正比例。受光元件的面積，如果FT方式為1，則隔行掃描方式約為2/3，逐行方式約為1/2。幀傳送方式（FT）是面向高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)碼相機(jī)的方式，但目前使用的CCD幾乎都采用IL掃描方式，IL方式因而有良好的生產(chǎn)業(yè)績。目前CCD的信號(hào)讀出方式尚存在不盡人意之處，對(duì)于FT方式來說，

10、由于像素傳輸通路是合用的，只要有一個(gè)像素有缺陷，那么縱向一列的信息就接收不到，因此，生產(chǎn)過程中成品率低，制造成本高。此外，如果要使顯示再生，則需要配備存儲(chǔ)器。因此，CCD整體的封裝尺寸變大。對(duì)于IL方式來說，受光部分和傳輸通路都要占用面積，因而靈敏度難以提高。隨著像素的增加，生產(chǎn)的成品率也可能降低，如奧林巴斯C-2500 Zoom數(shù)碼相機(jī)為確保靈敏度而采用了250萬像素的1.69cm CCD。CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器和CCD在20年前幾乎是同時(shí)起步的。由于CCD器件有光照靈敏高、噪音低、像素小等優(yōu)點(diǎn)，所以在過去它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大

11、、信噪比小，分辨率低等缺點(diǎn)，一直無法和CCD技術(shù)抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術(shù)難關(guān)現(xiàn)己找到相應(yīng)解決的途徑，改善了CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量，目前CMOS單元面積的像素?cái)?shù)己可與CCD單元面積的像素?cái)?shù)相比，CMOS圖像傳感器也可以做到高分辨率。如果能將CMOS黑白與彩色圖像傳感器的信噪比提高10dB，光照靈敏度再提高4-5陪，那么CMOS圖像傳感器取代CCD器件就指日可待了。1. CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)與原理CMOS圖像傳感器和CCD傳感器一樣都是用于感受光線變化的半導(dǎo)體器件，它的中文因定譯名為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。它的光電轉(zhuǎn)換功能

12、與CCD相似，使用的光敏元件及其排列方式與CCD基本相同，區(qū)別主要在于光電轉(zhuǎn)換后信息傳送的方式不同。實(shí)際制作時(shí)，生產(chǎn)廠家通常將CMOS光電傳感器與圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器等集成在同一芯片上，使CMOS對(duì)獲得的圖像信息讀出及處理變得簡單而快捷。CMOS傳感器的每個(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，CMOS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。CMOS主要是利用“硅”和“鍺”這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，通過CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管實(shí)現(xiàn)其基本的

13、功能。這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀影像。2. CMOS與CCD的區(qū)別光電轉(zhuǎn)換方式不同CMOS和CCD使用相同的感光元件，具有相同的靈敏度和光譜特性，但光電轉(zhuǎn)換后的信息讀取方式不同。CCD存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位的實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，光通過光敏二極管轉(zhuǎn)化為電荷，然后，電荷通過CCD芯片傳遞到轉(zhuǎn)換器，這個(gè)傳送的過程有信號(hào)放大、電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出，需要有時(shí)鐘控制電路以及三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。相對(duì)而言，CMOS的每個(gè)像素都具有一個(gè)放大器，能夠放在每個(gè)像素的信號(hào)。這就造成了比CCD更快的數(shù)據(jù)讀取速度，因?yàn)楹笳咝枰絺魉碗娮?。更重要的是，CMOS

14、傳感器不需要CCD必需的多種操作電壓，所以能夠在芯片上集成更多的外圍電路，并讓整個(gè)相機(jī)的體積更加輕巧。CMOS經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡單。電路結(jié)構(gòu)不同CCD僅有輸出模擬電信號(hào)，輸出的電信號(hào)還需經(jīng)后續(xù)地址譯碼器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器處理，并且還須提供三組不同電壓的電源和同步時(shí)鐘控制電路，集成度非常低。使用CCD的數(shù)碼相機(jī)通常有六片芯片，有的多達(dá)八片，最少的也有三片，制作成本較高。CMOS的加工采用半習(xí)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程，可以將數(shù)碼相機(jī)的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器及控制器等都可集成到一

15、塊芯片上，還具有附加DRAM的優(yōu)點(diǎn)。只需要一只芯片就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)的所有功能，因此采用CMOS光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體成本會(huì)很低。速度更快CCD需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢;而CMOS采集光信號(hào)的同時(shí)還可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信號(hào)，速度比CCD快很多。耗電量更省CCD一般需要三組電源供電，耗電量較大。CMOS只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，省電是它的主要優(yōu)勢(shì)，CMOS電路幾乎沒有表態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗，耗電量只有普通CCD的十分之一左右。CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)，有助于改善人們心目中的數(shù)碼相機(jī)是“電老虎”的不良印

16、象。消除噪聲稍差CCD制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采PN結(jié)或二氧化硅隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，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，容易出現(xiàn)雜點(diǎn)，對(duì) 圖像質(zhì)量影響很大，這個(gè)弱點(diǎn)使CMOS很長一段時(shí)間無法進(jìn)入實(shí)用。圖像傳感器技術(shù)新發(fā)展1. 使用Foveon X3技術(shù)的CCD圖像傳感器美國FOVQON公司近來發(fā)表了多層感色CCD技術(shù)，VPS技術(shù)。使用VPS技術(shù)、整個(gè)像素點(diǎn)的信號(hào)可以被合在一起，這合起來的信號(hào)就加同由傳感器上一個(gè)大像素點(diǎn)獲得的信號(hào)。應(yīng)用了VPS技術(shù)，通過由整合在圖像傳感

17、器中的集成電路進(jìn)行控制，像素點(diǎn)的大小和結(jié)構(gòu)都是可以靈活變化的。將小的像素點(diǎn)組合成大的像素點(diǎn)，增加了信噪比，這可以讓數(shù)碼相機(jī)在低噪度條件下拍出噪點(diǎn)很小的圖片。還可以讓數(shù)碼相機(jī)有更高的拍攝幀速度，提高了聚集系統(tǒng)的性能。X3技術(shù)通過傳感器上像素點(diǎn)大小的變化，可以完成不同的拍攝任務(wù)。比如，進(jìn)行動(dòng)態(tài)影像拍攝時(shí)，將像素點(diǎn)變大，降低傳感器的分辨率;拍攝靜態(tài)圖像時(shí)，則將像素點(diǎn)變小，提高分辨率。2. 富士第三代Super CCD 3技術(shù)富士公司于2002年正式推出了第三代Super CCD。具有更高的信噪比和ISO 800/1600的感光度。新一代Super CCD3傳感器，結(jié)合以前優(yōu)勢(shì)又加入了像素加算信號(hào)處理

18、能力。這項(xiàng)技術(shù)利用相機(jī)內(nèi)建的信號(hào)處理計(jì)算機(jī)整合第一次拍攝所得的照片，以RGB三色之每4個(gè)像素為一個(gè)計(jì)算機(jī)依據(jù)，整合出該圖像在ISO1600高感光靈敏度時(shí)應(yīng)有的表現(xiàn)。運(yùn)用計(jì)算原理可提高并修正圖像在低光亮下應(yīng)有的色彩，有效避免了電子干擾所帶來的噪音。水平/垂直像素混合運(yùn)算是Super CCD3又一項(xiàng)技術(shù)，也是全球首次采用水平/垂直像素混合運(yùn)算技術(shù)。這種方式可以讓300萬有效像素的CCD跨過一般在QVGA動(dòng)畫拍攝（320*240像素）速度被限制在15fps的門檻，使得數(shù)碼相機(jī)在VGA的解析度下（640*480）可以達(dá)到最大30fps的拍攝能力，并能有效提高感光度達(dá)4倍以上。3. 索尼HAD CCD技術(shù)HAD CCD是索尼獨(dú)特的構(gòu)造，由于它采用了一層正孔蓄積層，可以使感測(cè)器表面常有的暗電流問題獲得解決，另外，也提高了感光度。在上世紀(jì)90年代后期，CCD的單位面積也越來越小，1989年開發(fā)的微小鏡片技術(shù)，己經(jīng)無法再提升感亮度，如果將CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升，將會(huì)使噪音也被提高，畫質(zhì)會(huì)受到明顯的影響，于是索尼在將以前使用的微小鏡片進(jìn)行技術(shù)改良，提升光利用率，開發(fā)將鏡片的形狀電優(yōu)化技術(shù)，即索尼SUPER HAD CCD技術(shù)。索尼在1998年開發(fā)出“EXV IEW HAD CCD”技術(shù)，可以將以前未能有效利用的近紅外線光有效轉(zhuǎn)換成為影像資料使用，讓感亮度