感光器件

提到數位相機，不得不說到就是數位相機的心臟——感光器件。與傳統相機相比，傳統相機使用“膠捲”作為其記錄信息的載體，而數位相機的“膠捲”就是其成像感光器件，而且是與相機一體的，是數位相機的心臟。感光器是數位相機的核心，也是最關鍵的技術。數位相機的發展道路，可以說就是感光器的發展道路。目前數位相機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CMOS（互補金屬氧化物導體）器件。

基本介紹

• 中文名：感光器件
• 外文名：Photosensitive devices

工作原理

電荷藕合器件圖像感測器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導體材料製成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器晶片轉換成數位訊號，數位訊號經過壓縮以後由相機內部的閃速存儲器或內置硬碟卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，並藉助於計算機的處理手段，根據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CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。

CCD

CCD和傳統底片相比，CCD 更接近於人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。 CCD經過長達35年的發展，大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的格線、聚光鏡片以及墊於最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產 CCD 的公司分別為：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本廠商。

CCD類型

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

線性CCD用於高解析度的靜態照相機，它每次只拍攝圖像的一條線，這與平板掃瞄器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

矩陣式CCD，它的每一個光敏元件代表圖像中的一個像素，當快門打開時，整個圖像一次同時曝光。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，相機內部的微處理器從每個像素獲得信號，將相鄰的四個點合成為一個像素點。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運算地非常快。這就是大多數數位相機CCD的成像原理。因為不是同點合成，其中包含著數學計算，因此這種CCD最大的缺陷是所產生的圖像總是無法達到如刀刻般的銳利。

CMOS

互補性氧化金屬半導體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的製造技術和一般計算機晶片沒什麼差別，主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電） 和 P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象。

SUPER CCD

除了CCD和CMOS之外，還有富士公司獨家推出的SUPER CCD，SUPER CCD並沒有採用常規正方形二極體，而是使用了一種八邊形的二極體，像素是以蜂窩狀形式排列，並且單位像素的面積要比傳統的CCD大。將像素旋轉45度排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用的多餘空間，光線集中的效率比較高，效率增加之後使感光性、信噪比和動態範圍都有所提高。

SUPER CCD特點

傳統CCD中的每個像素由一個二極體、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。SUPER CCD採用蜂窩狀的八邊二極體，原有的控制信號路徑被取消了，只需要一個方向的電量傳輸路徑即可，感光二極體就有更多的空間。SUPER CCD在排列結構上比普通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的感光二極體對光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動態範圍都有所提高。

那為什麼SUPER CCD的輸出像素會比有效像素高呢？我們知道CCD對綠色不很敏感，因此是以G－B－R－G來合成。各個合成的像素點實際上有一部分真實像素點是共用，因此圖像質量與理想狀態有一定差距，這就是為什麼一些高端專業級數位相機使用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係，做到了R、G、B像素相當，在合成像素時也是以三個為一組。因此傳統CCD是四個合成一個像素點，其實只要三個就行了，浪費了一個，而SUPER CCD就發現了這一點，只用三個就能合成一個像素點。也就是說，CCD每4個點合成一個像素，每個點計算4次；SUPER CCD每3個點合成一個像素，每個點也是計算4次，因此SUPER CCD像素的利用率較傳統CCD高，生成的像素就多了。

CMOS與CCD的不同之處

質量好

由兩種感光器件的工作原理可以看出，CCD的優勢在於成像質量好，但是由於製造工藝複雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致製造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。

在相同解析度下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數的消費級別以及高端數位相機都使用CCD作為感應器；CMOS感應器則作為低端產品套用於一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產的攝像頭使用CCD感應器，廠商一定會不遺餘力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數位相機”之名。一時間，是否具有CCD感應器變成了人們判斷數位相機檔次的標準之一。

省電

CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電，不像由二極體組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒有靜態電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助於改善人們心目中數位相機是"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，由於電流變化過於頻繁而過熱。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雜點。

圖像數據掃描方法

此外，CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。例如，如果解析度為300萬像素，那么CCD感測器可連續掃描300萬個電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個人傳給另一個人，並且只有在最後一個數據掃描完成之後才能將信號放大。CMOS感測器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此，CMOS感測器可以在每個像素基礎上進行信號放大，採用這種方法可節省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。

影響感光器件的因素

對於數位相機來說，影像感光器件成像的因素主要有兩個方面：一是感光器件的面積；二是感光器件的色彩深度。

面積

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節，各像素間的干擾也小，成像質量越好。但隨著數位相機向時尚小巧化的方向發展，感光器件的面積也只能是越來越小。

色彩深度

除了面積之外，感光器件還有一個重要指標，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二進制數字來記錄三種原色。非專業型數位相機的感光器件一般是24位的，高檔點的採樣時是30位，而記錄時仍然是24位，專業型數位相機的成像器件至少是36位的，據說已經有了48位的CCD。對於24位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^8=256級，每一種原色用一個8位的二進制數字來表示，最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對於36位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^12=4096級，每一種原色用一個12位的二進制數字來表示，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位感光器件的數位相機來拍攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是亮度高於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位感光器件的專業數位相機，就不會有這樣的問題。

感光器件的發展

發展歷程

CCD是1969年由美國的貝爾研究室所開發出來的。進入80年代，CCD影像感測器雖然有缺陷，由於不斷的研究終於克服了困難，而於80年代後半期製造出高解析度且高品質的CCD。到了90年代製造出百萬像素之高解析度CCD，此時CCD的發展更是突飛猛進，算一算CCD 發展至今也有二十多個年頭了。進入90年代中期後，CCD技術得到了迅猛發展，同時，CCD的單位面積也越來越小。但為了在CCD面積減小的同時提高圖像的成像質量，SONY與1989年開發出了SUPER HAD CCD，這種新的感光器件是在CCD面積減小的情況下，依靠CCD組件內部放大器的放大倍率提升成像質量。以後相繼出現了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術（專為SONY F828所套用）。而富士數位相機則採用了超級CCD（Super CCD）、Super CCD SR。

光芒前程

對於CMOS來說，具有便於大規模生產，且速度快、成本較低，將是數字相機關鍵器件的發展方向。目前，在CANON等公司的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動態範圍CMOS器件已經出現，這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要，使之接近了CCD的成像質量。另外由於CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對於CCD的停滯不前相比，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為數位相機的核心部件，CMOS感光器以已經有逐漸取代CCD感光器的趨勢，並有希望在不久的將來成為主流的感光器。感光元件