CCDCMOS的成像原理

下面这张是常见CCD相机成像过程的简单描述，现说明一下：

1、用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过相机的镜头透射到CCD上。

2、当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。

3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电  信号收集起来，统一输出到放大器。

4、经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高   低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。

5、不过单依靠第4步所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色    彩校正、白平衡处理（视用户在相机中的设定而定）等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件。

6、最后，图像文件就被写入到存储器上（内置或外置存储器）。

目前市面上大部分相机使用的影像传感器是CCD（Chagre Couled Device），即电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。它是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的，通常以百万像素（megapixel）为单位。相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指这台相机的CCD上有多少感光组件。光线透过镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到A/D上，模拟电信号经过A/D处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片就诞生了。CCD通常用在相机、DV和扫描仪上，作为感光的组件。（关于CCD到底长得什么模样以及它的组件放大图片，见下图）

传统CCD排列为矩阵，然而这样的作法却限制了在有效面积内提升分辨率的能力。1/1.8CCD的理想值大约为六百万像素，而在成本和制造良品率的考虑下降低至四百万是合理值。因此，有些厂商很聪明的想出改变CCD的排列顺序，藉此想在此范围内增强分辨率。由此产生了一种比较特殊的CCD，叫SUPER CCD。它是富士公司独创的，并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。（关于两种CCD的排列对比见下图）

随着用户的要求不断提高，传统的CCD技术已经没有办法满足现在使用者对数字影像的需求。为了迎合用户需求，占领市场，近几年一些厂商又推出了几种新的CCD技术：

2002年初，富士发布第三代Super CCD。2003年初，富士发布第四代Super CCD（见下图）：

2002年2月，美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术之前，一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版（见下图），下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。

然而，蜂窝技术（美国又称为马赛克技术）的缺点在于：分辨率无法提高，辩色能力差以及制作成本高昂。也因此，这些年来高阶CCD的生产一直被日本所垄断。新的X3技术让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理（见下图），依光线的吸收波长逐层感色，对应蜂窝技术一个像素只能感应一个颜色的缺点，X3的同样一个像素可以感应3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。

X3还有一项特性，那就是支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize)。透过“群组像素”的搭配（见下图）。X3可以达到超高ISO值（必须消减分辨率），高速VGA动画录像。比Super CCD更强悍的在于X3每一个像素都可以感应三个色彩值，就理论上来说X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCD III还来得更精致。

2003年中期，SONY发布4色感应CCD。传统的CCD为三原色矩阵，新的SONY CCD将浅绿色加入。新一代的CCD不仅在省电及功率上做文章，对色彩的表现也有了更多的提高。SONY公司一改以往三色CCD的传统，创新推出一个具备“新颜色”的四色过滤CCD，命名为ICX456。（4色分布情况见下图，左图为传统CCD的3色分布，右图为ICX456的4色分布）新增的E这个颜色是Emerald（应该翻译成祖母绿吧）。不同于以往三个原色RGB，E这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。应用的效果有点类似喷墨打印机加装淡蓝和洋红这两种淡色，以期能够增强混色能力与效果，此外配合新色阶的CCD，SONY也开发了新的图像处理器，不仅有效的减少了30％的功率消耗，更加快了处理速度和绿色色阶分析能力。

这项发明的特点在于传统的DC主要使用3色过滤矩阵，对每一个光点（或称像素）产生3种不同颜色的强度：红色（R），绿色（G）和蓝色（B）数据，再将这些数据整合发色，形成我们所看到的影像。然而，根据实验指出人类视觉系统对绿色的敏感度要高于其它两种，这也使传统的CCD矩阵对颜色的配比采取了红和蓝各25％，绿色50％的现象。可是颜色差别仍无法在这样的配比中得到修正，起因则是人类的视觉比较接近模拟效果，而非切割成数字阶层。为了让风景的颜色更加逼真，SONY这项技术有效的将深绿、浅绿分别导引取样，对绿色的忠实再现有很大的助益。

后面补充说明一下CCD的基础结构：很多用户以为CCD只是一块芯片而已。但实际上CCD是和处理器做成一个完整的组件（见下图）。这样的设计可以确保DC的组件化，降低维修和检查的成本（也就是说可以运用计算机检测组件运作，一旦自我检查出特定组件问题，直接更换整个组件，而不需要再一个个去测试单体，简单省事，这也是DC维修费用居高不下的一个原因）

如果切开CCD，会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是微型镜头，第二层是分色滤色片，以及第三层感光汇流片。为什么“镜头”会直接做在CCD上呢？其实，这应该是英语翻译上的问题，具体原因我也不太清楚。ON-CHIP MICRO LENS是1980年初由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准体积。因此必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光面积反而使画质变差。所以开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣质品。为改善这个问题，SONY率先在每一个感光二极管上（单一像素）装置了微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样，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。如此一来，可以同时兼顾单一像素的大小，又可在规格上提高了开口率，使感光度大幅提升。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CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊。不过以产量来看，原色和补色CCD的比例大约在2：1左右。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。因此一般采用原色CCD的DC，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，但却牺牲了部分分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在 800以上。（关于这两种分色方式见下图）

CCD的第三层是感光汇流片，这层主要是负责将穿透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。

最后说一下CMOS：

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互补性金属氧化物半导体，其在微处理器、闪存和特定用途集成电路（ASIC）的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样都是可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所作成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。

因为CMOS结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，从而生产成本可以降低。从原理上讲，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但目前CMOS技术发展还不成熟，这种高质量的CMOS还只应用于专业级别的数码相机上，许多低档入门型的数码相机使用的是廉价低档的CMOS，其成像质量比较差。最大的缺点就是太容易出现噪点, 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。所以目前如果购买消费级数码相机还是要选择以CCD为影像传感器的。

CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。如果分解CCD，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”。第一层“微型镜头”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。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。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。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35mm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。

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