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1、关于数码相机 CCD（电荷藕合）元件的理论知识提到数码相机，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。感光器件工作原理电荷藕合器件图像传感器CCD （Charge Coupled Device），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
2、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，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似
3、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： SONY 、Philps 、Kodak 、 Matsushita 、Fuji 和 Sharp ，大半是日本厂商。V4 x+ U“ 8 互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor） 和 CCD 一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS 的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 CMOS 上共存着带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
4、片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 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。; Q% : a; d u两种元件不同之处由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD 的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。同时，这几年来，CCD 从 30 万像素开始，一直发展到现在的600 万，像素的提高已经到了一个极限。“ U; 8 Y, y$ V0 |2 p在相同分辨率下，CMOS 价格比 CCD 便宜，但是CMOS 器件产生的图像质量相比CC
5、D 来说要低一些。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； CMOS感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 感应器，厂商一定会不遗余力地以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 感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD 低， CCD 为提供优异的影像品质，付出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CMOS 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
6、比CCD 低。 CMOS 影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC 与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小， 例如，CMOS 影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 CCD套件的体积很困难。但目前CMOS 影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来CMOS 影像传感器是否可以改变长久以来被CCD 压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。7 Q2 v9 h$ u1 N) S9 Q T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：一是感光器件的面积；二是感光器件的色彩深度。3 H, f( s; Z2
7、D1 感光器件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光器件的面积也只能是越来越小。除了面积之外，感光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，感光单元能记录的光亮度值最多有28=256 级，每一种原色用一个8 位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x
8、256约 16,77 万种。对于36 位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有212=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。CCD 是 1969 年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80 年代，
9、 CCD 影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 的发展更是突飞猛进，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 的单位面积也越来越小。但为了在 CCD 面积减小的同时提高图像的成像质量，SONY 与 1989 年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光器件是在CCD 面积减小的情况下，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NEW STRUCTURE CCD、EXV
10、IEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。而富士数码相机则采用了超级CCD （Super CCD ）、 Super CCD SR。6 v E+ k* 5 S“ e: v对于 CMOS 来说，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CANON 等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态范围CMOS 器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD 的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS 感光器而成本却不上升多少。相对于 CCD 的停滞不前相比，
11、 CMOS 作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件，CMOS 感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。( P2 4 p1 z$ _# h# ! x$ o$ y* Z % W u1 说到 CCD 的尺寸，其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CCD 和 CMOS 。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是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。 s; R 1 j6 Q P% a D2 R7 y F2 w* : m1 f“ R5 1 k8 H( w如果分解C
12、CD ，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 。, B/ ) b/ J( m5 O0 e: m第一层 微型镜头 . + R4 M 9 T* E, y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。M第二层是 分色滤色片 CCD 的第二层是 分色滤色片 ，目前有两种分色方式，一是RGB 原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种
13、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 RGB 三个字母分别就是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)。在印刷业中，CMYK 更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB 的多。- P5 6 3 f: T R X; f+ D0 l# 7 v6 o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
14、码相机，在ISO 感光度上多半不会超过400 。 相对的， 补色 CCD 多了一个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_/ N* a: Q第三层：感光层CCD 的第三层是 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。* g传统的照相机胶卷尺寸为35mm ，35mm 为对角长度，35mm 胶卷的感光面积为36 x 24mm 。换算到数码相机，对角长度约接近35mm的， CCD/CMOS尺寸越大。在单反数码相机中，很多都拥有接近35m
15、m 的 CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100 ，CCD/CMOS尺寸面积达到 23.7 x 15.6 ，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的 CMOS 尺寸为 36 x 24mm ，达到了35mm 的面积，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尺寸越大，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/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会
16、导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难， 成本也非常高。 因此，CCD/CMOS尺寸较大的数码相机，价格也较高。 感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小，而越专业的数码相机，CCD/CMOS尺寸也越大。9 t: F3 F! g K$ z5 L8 y0 i8 k + M# R3 ( J+ N3 U4 u d% , ePpi 和 dpi（每英寸点数）经常都会出现混用现象。从技术角度说， 像素 （P）只存在于计算机显示领域，而 点 （d）只出现于打印或印刷领域。请读者注意分辨。分辨率和图象的像素有直接的关系，我们来算一算，一张分辨率为640 x 480 的图片，那它的分辨率就达到了307 ，
