數(shù)碼攝像機(jī)的感光器件概念及工作原理

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1、數(shù)碼攝像機(jī)的感光器件概念及工作原理數(shù)碼攝像機(jī)的感光器件 也即數(shù)碼攝像機(jī)感光成像的部件,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。目前數(shù)碼攝像機(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CMO(互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)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(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,數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)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(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

2、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(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)過長達(dá)35年的發(fā)展,大致的形狀和運(yùn)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:SONY Philips、Kodak、Matsushita、Fuji 和 Sharp,大半是

3、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(jī),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(gè)光敏元件代表圖象中的一個(gè)像素,當(dāng)快門打開時(shí),整個(gè)圖象一次同時(shí)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。這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。在記錄照片的過程中,相機(jī)內(nèi)部的微處理器從每個(gè)像素獲得信號,將相鄰的四

4、個(gè)點(diǎn)合成為一個(gè)像素點(diǎn)。該方法允許瞬間曝光,微處理器能運(yùn)算地非常快。這就是大多數(shù)數(shù)碼相機(jī) CCD的成像原理。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成,其中包含著數(shù)學(xué)計(jì)算, 因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無法達(dá)到如刀刻般的銳利?;パa(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOSComplementary Metal-Oxide Semiconductor )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CMO上共存著帶N (帶-電)和P (帶+電)級的半導(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。然而,CMO

5、S勺缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn),這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使 CMO在處理 快速變化的影像時(shí),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(dú)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(zhuǎn)45度排列的結(jié)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、 信噪比和動態(tài)范圍都有所提傳統(tǒng)CCD中的每個(gè)像素由一個(gè)二極管、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。SUPERCCD采用蜂窩狀的八邊二極管,原有的控制信

6、號路徑被取消了,只需要一個(gè)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(jié)構(gòu)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(gè)合成的像素點(diǎn)實(shí)際上有一部分真實(shí)像素點(diǎn)是共用,因此圖象質(zhì)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(jī)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(guān)系,做到了R、

7、G B像素相當(dāng),在合成像素時(shí)也是以三個(gè)為一組。因此傳統(tǒng)CCD是四個(gè)合成一個(gè)像素點(diǎn), 其實(shí)只要三個(gè)就行了,浪費(fèi)了一個(gè),而SUPERCCD就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn),只用三個(gè)就能合成一個(gè)像素點(diǎn)。 也就是說,CCD每4個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素,每個(gè)點(diǎn)計(jì)算4次;SUPER CCD! 3個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素,每個(gè)點(diǎn)也是計(jì)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光器件的工作原理可以看出,CCD的優(yōu)勢在于成像質(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,CMO價(jià)格比CCD便宜,但是 C

8、MOS#件產(chǎn)生的圖像質(zhì)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(fèi)級別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器;CMOS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)的攝像頭使用CCD感應(yīng)器,廠商一定會不遺余力地以其作為賣點(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感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。CMOS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(shí)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(jī)是”電老虎”的不良印象。

9、CMO主要問題是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。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(diǎn)。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(gè)電荷,掃描的方法非常簡單, 就好像把水桶從 一個(gè)人傳給另一個(gè)人,并且只有在最后一個(gè)數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號放大。CMOS專感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號的放大器。因此,CMO傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)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(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描,同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全

10、轉(zhuǎn)送技術(shù)。影響感光器件的因素對于數(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(xì)節(jié), 各像素間的 干擾也小,成像質(zhì)量越好。但隨著數(shù)碼相機(jī)向時(shí)尚小巧化的方向發(fā)展, 感光器件的面積也只 能是越來越小。除了面積之外,感光器件還有一個(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對于24位的器件而言,感光單

11、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(gè) 8位的二進(jìn)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(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(jī),就不會有這樣的問題

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