感光器件工作原理

1、上海群安電子有限公司雙 絞 線 傳 輸 器 生 產(chǎn) 廠 家 感光器件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(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)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。CCD  

2、0; 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

3、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(dòng)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?？臁＿@就是大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)CCD的成像原

4、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。CMOS    互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（Complementary 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的制造技術(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CMOS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，CMOS的缺點(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CMOS

5、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。    除了CCD和CMOS之外，還有富士公司獨(dú)家推出的SUPER CCD，SUPER CCD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(dòng)態(tài)范圍都有所提高。    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。SUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，原有的控制

6、信號路徑被取消了，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。SUPERCCD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，SUPER CCD的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(dòng)態(tài)范圍都有所提高。      那為什么SUPER CCD的輸出像素會(huì)比有效像素高呢？我們知道CCD對綠色不很敏感，因此是以GBRG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SUPERCCD通

7、過改變像素之間的排列關(guān)系，做到了R、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SUPER CCD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每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SUPER CCD像素的利用率較傳統(tǒng)CCD高，生成的像素就多了兩種元件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。  

8、  在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但是CMOS器件產(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感應(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(huì)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

9、CMOS的耗電量只有普通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。CMOS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)。此外，CMOS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傳感器可連續(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)行信號放大，采用

10、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)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。影像感光器件因素對于數(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。

11、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，感光單元能記錄的光亮度值最多有28=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212=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

12、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(huì)有這樣的問題感光器像素?cái)?shù)碼攝像機(jī)感光器件的像素，以Pixel作為單位，其性能和工作原理與數(shù)碼相機(jī)一樣。感光器件的像素即為經(jīng)計(jì)算，CCD或者CMOS器件直接的成像大小。數(shù)碼攝像機(jī)是通過感光器件，把光子轉(zhuǎn)化成電子，然后存進(jìn)記憶體內(nèi)的。像素越高的數(shù)碼攝像機(jī)能產(chǎn)生的圖像分辨率也相對高。  多數(shù)的數(shù)碼攝像機(jī)都采用了CCD（電荷耦合元件）做為其感光器件，一些底端的數(shù)碼攝像機(jī)會(huì)采用CMOS。而接近專業(yè)級的數(shù)碼

13、攝像機(jī)是用3CCD作為其感光器件。    單CCD的感光器像素即其感光器件的像素。3CCD的像素計(jì)算方法簡單，每個(gè)CCD的像素乘以三，最后得出的就是數(shù)碼攝像機(jī)的總像素。在選購數(shù)碼攝像機(jī)的時(shí)候，不能只看像素，還要注意CCD的尺寸大小，譬如說1/6寸的3CCD可能表現(xiàn)能力并不比1/4寸單CCD理想，因?yàn)镃CD的大小決定了進(jìn)光量，也決定了圖像的清晰度。    但是普遍來說，3CCD的成像質(zhì)量是要比單CCD的成像質(zhì)量高，而因?yàn)镃CD感光器件的價(jià)格昂貴，所以3CCD的數(shù)碼攝像機(jī)也會(huì)比較昂貴。    一般3CCD數(shù)碼

14、攝像機(jī)的像素，每個(gè)CCD在3445萬個(gè)之間，也就是說，總像素是在102135萬之間。而民用單CCD的像素反而比3CCD的要高，像索尼、松下、夏普這些數(shù)碼攝像機(jī)的制造大商，可以把民用數(shù)碼攝像機(jī)的總像素提高到300萬，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼相機(jī)的級別。    隨著數(shù)碼科技越來越發(fā)達(dá)，3CCD數(shù)碼攝像機(jī)越來越被影視專業(yè)重視。其畫質(zhì)清晰，價(jià)格相對低廉，而方便攜帶，使很多省市級電視臺(tái)用以拍攝外景的好工具，而在一定程度上，3CCD的數(shù)碼攝像機(jī)也成為很多電視臺(tái)的重要工具。而單CCD的數(shù)碼攝像機(jī)也由于輕巧方便和價(jià)格低廉，吸引了很多消費(fèi)者的目光。   

15、 現(xiàn)在很多商家都把昂貴的3CCD裝上消費(fèi)級的數(shù)碼攝像機(jī)上，這樣就可以讓消費(fèi)者嘗嘗專業(yè)的味道圖像感光器數(shù)量圖像感光器數(shù)量即數(shù)碼攝像機(jī)感光器件CCD或CMOS的數(shù)量。多數(shù)的數(shù)碼攝像機(jī)采用了單個(gè)CCD（電荷耦合元件）做為其感光器件，一些低端的數(shù)碼攝像機(jī)會(huì)采用CMOS，由于使用CMOS作感光器件的數(shù)碼攝像機(jī)比較少，在這里就不作討論。而接近專業(yè)級的數(shù)碼攝像機(jī)是用3CCD作為其感光器件。3CCD影像感應(yīng)器以特制的光學(xué)菱鏡，能將光源分成紅、綠、藍(lán)叁原色光，這叁原色光分別經(jīng)過叁塊獨(dú)立CCD影像感應(yīng)器處理，顏色的準(zhǔn)確程度及影像素質(zhì)比使用一塊CCD影像感應(yīng)器大為改善。3CCD影像感應(yīng)器  &#

16、160; 可以說，單CCD和3CCD的區(qū)別在于兩者的取光。數(shù)碼攝像機(jī)所拍攝到的影像，是通過光所產(chǎn)生出來的。我們知道，任何顏色都能由三原色調(diào)出來，而我們看到的光也是從三原色混合而產(chǎn)生的。即光是由原色所構(gòu)成，這三種原色分別為紅色、綠色及藍(lán)色。而所謂3CCD的數(shù)碼攝像機(jī)是通過特有的三棱鏡把光線分解為3種顏色（紅、綠、藍(lán)），然后經(jīng)過三塊獨(dú)立的CCD影像感應(yīng)器處理。確保達(dá)到高分辯率及精確的色彩重現(xiàn)效果。而現(xiàn)市面上大部分都是單CCD攝像機(jī)，即通過4種輔助顏色把色彩重現(xiàn)。但從輔助顏色轉(zhuǎn)化成原色必須通過數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行演繹，而演繹的過程卻會(huì)引致色彩誤差。但是3CCD影像感應(yīng)器幾乎可以原封不動(dòng)地顯示影像的原色，所

17、以不會(huì)因經(jīng)過攝像機(jī)演繹而出現(xiàn)色彩誤差的情況。    單CCD和3CCD幾乎可以作為劃分“專業(yè)”和“非專業(yè)”數(shù)碼攝像機(jī)的標(biāo)志。理論上3CCD的成像和感光度都要比單CCD的優(yōu)秀。除了CCD的個(gè)數(shù)，在選擇數(shù)碼攝像機(jī)時(shí)，還應(yīng)該注意感光器件得出寸大小。但是一般而言，喜歡用數(shù)碼攝像機(jī)拍攝家庭錄影帶，或用作旅游記錄的用戶，單CCD的數(shù)碼攝像機(jī)已經(jīng)足夠了。而3CCD因?yàn)槠涑上竦膬?yōu)秀，加上價(jià)錢比起膠卷攝像機(jī)便宜，所以很受專業(yè)用戶，如電視臺(tái)，或者獨(dú)立電影制作者的青睞圖像感光器尺寸由于數(shù)碼攝像機(jī)的圖像感光器件有兩種：CCD和CMOS。圖像感光器的尺寸，也即感光器件的面積大小，這里就包括

18、了CCD和CMOS。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是數(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上感光組件的表面具有儲(chǔ)存電荷的能力，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上的所有感光組件所產(chǎn)生的信號，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”

19、60;   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的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYK補(bǔ)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別的顏

20、色，都可以通過紅、綠和藍(lán)來組成，而RGB三個(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)。在印刷業(yè)中，CMYK更為適用，但其調(diào)節(jié)出來的顏色不及RGB的多。    原色CCD的優(yōu)勢在于畫質(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)超過400。相對的，補(bǔ)色CCD多了一個(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的第三層是“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，并將信號傳送到影