机电一体化 数码照相机

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1、数码照相机介绍摘要：数码相机也称数字相机，风靡了整个世界。数码相机是数字时 代的一个重要标志，它集光学技术、传感技术、微电子技术以及计算 机技术和机械技术的优势于一体，采用光电转换器，将光信息转换成 电信息，再加以特定处理并进行存储，是一个典型的光机电一体化产 品，大有取代传统相机的趋势。本文旨在介绍数码相机的工作原理及 其组成部分，重点介绍其光电成像技术，以使人们对数码相机有进一 步的认识。关键词：工作原理；组成部分；光电成像前言数码相机，简称：Digital Camera (DC)，又名：数字式相机。数码相机， 是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机。按用途分为：单反 相机，

2、卡片相机，长焦相机和家用相机等。随着科学技术的发展，数码相机也有 了飞速的进步。本在则通过介绍数码相机的工作原理和组成部分，分析其光电成 像技术，让人们对数码相机有更好的认识。1 数码相机的概念数码相机是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机。数码 相机与普通照相机在胶卷上靠溴化银的化学变化来记录图像的原理不同，数字相 机的传感器是一种光感应式的电荷耦合-zh-cn：器件；zh-tw:组件-(CCD)或 互补金属氧化物半导体(CMOS)。在图像传输到计算机以前，通常会先储存在数码 存储设备中(通常是使用闪存；软磁盘与可重复擦写光盘(CD-RW)已很少用于 数字相机设备)。2 数码相

3、机工作原理数码相机是集光学、机械、电子一体化的产品。它集成了影像信息的转换、 存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。 光线通过镜头或者镜头组进入相机，通过成像元件转化为数字信号，数字信号通 过影像运算芯片储存在存储设备中。数码相机的成像元件是CCD或者CMOS，该 成像元件的特点是光线通过时，能根据光线的不同转化为电子信号。数码相机最 早出现在美国， 20 多年前，美国曾利用它通过卫星向地面传送照片，后来数码 摄影转为民用并不断拓展应用范围。3 数码相机的组成数码相机由镜头，图像传感器,A/D转换器，微处理器等部分组成(见图3-1)， 各个部分功能介绍如下：液晶

4、显示屏移动存储 器图3-1数码相机结构示意图3.1镜头一般来说，数码相机的成像系统包括镜头、光圈、快门和感光成像器件 4 个 部件，其中核心部件就是感光成像器件，它也是所有部件中价格最为昂贵的，可 以称作数码相机的“心脏”。目前数码相机的感光元件主要有两大类：电荷耦合 器件CCD和互补金属氧化物半导体器件CMOS。CCD是目前比较成熟的成像器件， 一般市场上的主流的高档数码相机使用的都是CCD图像传感器。CCD芯片的作用 就是在数码相机的成像系统中将光信号转化为电信号。 CDD 芯片综合性能的好坏 直接影响数码相机成像质量的好坏。CCD的像素已经由开始的30万，100万，200 万， 400

5、万， 700 万发展到现在的千万级。目前市场主流数码相机一般的像素都 到达710万到900万。CCD的尺寸由最初的1/3寸发展到流行的1 /2.5寸， 1/1.9寸，4/3寸，可以说尺寸的大小很大程度上决定了像素的多少，同时影 响着噪声的控制。一般尺寸大的在相同像素的情况下噪声要小。镜头的变焦能力 大大加强，家用的 3倍， 4倍到目前索尼做到的 20倍，具有了望远功能，大大 的加强了拍照距离。3.2 图象传感器图像传感器的作用是将光信号转变为电信号。它是数码相机的核心部件，其 质量决定了数码相机的成像质量。图象传感器的体积通常很小，但却包含了几十 万个乃至上钱万个具有感光特性的二极管一一光电二

6、极管。每个光电二极管即为 一个像素。当有光线照射时，光电二极管就会产生电荷累积，光线越多，电荷累 积的就越多，然后这些累积的电荷就会被转换成相应的像素数据。图像传感器分为两类：(1) 电荷耦合器件(CCD)：电路复杂，读取信息需在同步信号控制下一位一 位地实地转移后读取，信息读取复杂，速度慢；要三组电源供电，耗电量大，但 技术成熟，成像质量好。(2) 互补金属氧化物半导体(CMOS)：电路简单，信息直接读取，速度较快， 只需使用一个电源，耗电两小，为CCD的1/8到1/10；但个光电传感元件、 电路之间距离近，相的光、电、磁干扰较严重，对图象质量影响很大。3.3 A/D 技术色彩深度也就是色彩

7、位数，数码相机的色彩深度指标反映了数码相机能正确 记录的色调有多少，色彩位数值越高，色彩分辨能力越高，就越能真实地还原亮 部及暗部的细节，从而该数码影像的色调层次就越丰富。数码相机的色彩深度取 决于数码相机的 A/D 转换部件。A/D 转换部件也叫模/数转换部件，它用于将 CCD 生成的模拟电信号转换为 计算机可以识别的信号。一般主要用转换速度和量化精度来衡量一个 A/D 转换 部件的优劣。转换速度指每秒钟 A/D 集成电路可以实现的将模拟量转换为数字 量的次数。量化精度就是转换的精度，是指每次采样(将模拟量转换为数字量的 过程)可以达到的离散的电平等级。对于数码相机来说，采样值实际上就是表示

8、 每一个“点”所表示的颜色，所以量化精度的大小将直接影响数码图像的色彩表 现。一般，数码相机中的A/D转换的量化精度可以达到16位、24位或32位， 对于普通人来说， 24 位的色彩就可以达到“真彩色”了，也就是说肉眼难以区 分24位的色彩与真实色彩的区别。所以，数码相机一般分为16位、 24 位和32 位，绝大部分为24位。A/D转换部件在数码相机中的作用不亚于CCD，它的性 能好坏将直接影响数码相机的照片质量和数码相机的功能。3.4 微处理器与专用影像处理引擎数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻辑控制以及图像的压 缩处理等操作必须有一套完整的控制体系。数码相机通过MPU (Mi

9、croprocessor Unit) 实现对各个操作的统一协调和控制。和传统相机一样，数码相机的曝光控制可以分为手动和自动,手动曝光就是由摄影者调节光圈大小、快门速度。自动 曝光方式又可以分为程序式自动曝光、光圈优先式曝光和快门优先式曝光。MPU 通过对 CCD 感光强弱程度的分析,调节光圈和快门,又可通过机械或电子控制调 节曝光。一般而言,数码相机采用的微处理器模块的系统结构（如图3-2）所示,包括 图像传感器数据处理和图像传感器时钟生成器等功能模块。图像传感J器数据一閹像传感;器捽制：图像传感器数据处理DSPDRAM控制器謔示控制器NTSC I/PAL r* !LCD音频数宅尸竅 副弊专忌

10、丁星J 器时钟吐XIN # PLLxoutJPEG维玛器USB等接Flash Memory InltrfacfiDRAMFlash Memory图 3-2 微处理器模块结构当初数码相机像素不太高，操作性能也不强大，所以Micro CPU就负担起影 像处理工作。随着感光元件的像素的提高与功能日益强大，传统的 Micro CPU 就显得力不从心。这时各个相机生产厂家都集中自己的资源开发出专用的影像处 理引擎，专门负责影像处理、场景模式、面部对焦、追踪对焦、各种滤镜效果、 涂鸦的功能的实现。影像处理引擎的首要工作是把感光元件传输的信号处理成图像。这个过程包 括：反马赛克，白平衡，色彩还原，降噪，抗锯

11、齿和锐化。4 相机的光电成像原理光电成像的核心是光电转换器（图象传感器），其种类分为CCD和CMO S两种。而CCD又分线型和面型两大类。线型CCD芯片的最大特点是分辨率 高，可拍摄1 0 0 0万以上像素水平影像。一般数码相机都采用线型CCD。 4.1 CCD 器件的基本组成单元CCD 器件的基本组成单元是金属氧化物半的 MOS 电容导体电容, 如图 1 所示, 在 P 型硅衬底上覆盖二氧化硅绝缘层, 在二氧化硅上装配一金属电极, 就构成了金属一氧化物一半导体（MOS）电容.在MOS单元中，（1）当加在半导 体上的电压 UG=0 时, P 型半导体中的多数载流子（空穴） 是均匀分布的. （2

12、）当 0UGUTH 时， 在半导体与氧化物界面的电势差的作用下 ， 半导体内少数载流子 （电子） 聚集形成电荷密度很高、厚度大约 10- 2 Lm 的“反型层”（此部分载流 子已成为电子），这说明MOS单元能够积累电荷.（4）当在MOS单元的金属栅 与硅底之间加电压 U G 时能够形成“势阱”（在 MO S 单元中可以积累电荷的部 分）. 如果光照射到硅片时， 光子的入射形成电子空穴对 . 多数载流子（空穴）被栅极排斥, 而少数载流子（电子） 则积累于“势阱”中,积累的电荷量正比于光 的照射强度. 光入射引起的电荷积累总量正比于入射光子流速率、受光面积和入 射时间. 即对选定的受光面积, 由光

13、入射引起的电荷积累和入射光强与照射时 间的乘积成正比.4.2由基本MOS单元构成CCD器件，实现信号的传输由基本MOS单元就可构成CCD器件，根据构成方式的不同，CCD器件可分 为线阵和面阵两类.线阵CCD是由一维排列的MO S单元构成，常见的有256、 512、1024、2048等.而面阵CCD是由矩阵排列的MO S单元的构成，如512X 512、1024X1024等.图2为三相驱动的电荷传输过程.当U 1所连接的电极 下积累有电荷，此时U2、U 3均为“负”极性.首先U2由负跳变为正，原先 积累于U 1下的电荷部分向U2下势阱转移，为两个MOS单元所共有随之U 1的极性变为负，电荷全部移到

14、U 2下的势阱中.接着U 3由负变为正，此时 电荷变为U 2、U 3下的M OS单元所共有.如此不断地进行直到阵列的边缘，馈 送至输出电路形成输出信号. 面阵 CCD 器件的电荷读出将按一列列的顺序进行. 将输出信号再经过放大、A 6D转换等处理，最后得到数字信号，即可进行存储 或直接传输至计算机.图2电荷在相邻的MO S单元中迁移示意图4.3 数码相机的数据处理数据处理以微处理器为中心。根据数码相机采用的图象传感器的不同，数据 流的处理有些差异。在采用CCD的数码相机中，CCD数据以模拟数据输出， 需要经过模数转换和光学黑电平钳位等处理过程；在采用CMOS的数码相机系 统中，由于CMOS器件

15、采用数字接口，模拟接口的电路省略，直接进行数据读 取。图象传感器的数据被读出后，系统将其进行针对镜头的边缘畸变的运算修 正，然后经过坏像素处理后，被系统送去进行白平衡处理。由于图象传感器在制 造和使用老化过程中回出现一些个别的像素点性能偏离或不能正常感光的现象， 这些像素点被称为坏像素。微处理器通常会做相应的计算进行修正，但这一修正 过程是有限的。伽马校正和色彩合成处理是使数码相机获得良好的彩色图象的必 要的图象处理过程。在没有进行色彩合成以前，数码相机获得的图象数据有红色、 绿色和蓝色三通道的图象数据构成，经过色彩合成处理后，将获得彩色的混合图 象。为了能够进行针对镜头的自动对焦控制，在色彩合成处理后，需要针对图象 进行边缘检测（锐度检测）和伪色彩检测（伪色彩抑制）。之后，用于浏览的图 象数据流被送至LCD控制器，需要存储的图象数据被进行JPEG压缩后存入 存储器中。至此，整个数码相机的图象数据处理完成。为了让数码相机系统稳定 的工作，在整个系统中还需要具备一个系统状态的检测控制电路，其主要用于检 测供电系统的运行状况和各部分用户接口的运行状态。5 总结数码相机是集光学、机械、电子一体化的产品。它集成了影像信息的转换、 存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。 通过本文对数码相机工作原