发布时间 : 星期四 文章CCD和CMOS图像传感器更新完毕开始阅读
CCD和CMOS图像传感器
CCD的工作原理
CCD的工作方式
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、SANYO和Sharp，泰半是日本厂商。 分解CCD 结构可以发现，为了帮助 CCD 能够组合呈彩色影像，网格被发展成具有规则排列的色彩矩阵，这些网格以红R、绿G和蓝B滤镜片所组成（三原色CCD），亦有补色CCD （为CMYG .. Y黄色）。每一个CCD组件由上百万个 MOS电容所构成（光点的多寡端看CCD 的画素而定）。当数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压，这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接收的
光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可能有超过10万个电子被积存起来。
以市面上常见的IL 型 CCD 为例，曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位缓存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来。这些强弱不一的讯号，会被送入一个 DSP 也就是数字影像处理单元。在这个单元之中有一个A/D 模拟数字讯号转换器。这个转换器能将信号的连续范围配合色块码赛克的分布，转换成一个2D的平面表示系列，它让每个画素都有一个色调值，应用这个方法，再由点组成网格，每一个点（画素）现在都有用以表示它所接受的光量的二进制数据，可以显示强弱大小，最终再整合影像输出。 四种类型的 CCD
因应不同种类的工作需求，业界发展出四种不同类型的 CCD ：Linear 线性、Interline扫瞄、全景 Full-Frame和 Frame-Transfer 全传。
线型CCD是以一维感光点构成，透过步进马达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使用 2维CCD的数字相机来得慢。这型CCD 大多用于平台式扫描仪之上。
CCD 的三層結構：
上：增光鏡片、中：色塊網格
下：感應線路
Interline 扫瞄型 CCD 的曝光步骤（STEP 1. - 见左图）和前面介绍的相同，所不同处在于读取电荷的方式。Interline CCD 透过垂直传送带（STEP 2.）从暂存矩阵中读出讯号，再向下转移至底部水平转换记录器（STEP 3.），然后电荷在搬到放大器中（橘色圆圈），之后在到DSP里读出水平光电位置行列，最后产生电子信号代表一张完整的数字影像。清空缓存器后，再重新设定光电位置以便接收下一张影像。IL 型 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储存于缓存器中，组件可以继续拍摄下一张照片，因此速度较快，目前的反应速度以已经可达每秒 15张以上。但 IL 的缺点则是暂存区占据了感光点的面积，因此动态范围（Dynamic Range - 系统最亮与最暗之间差距所能表现的程度）较小。不过，由于其速度快、成本较低，因此市面上超过 86％以上的数字相机都以 IL 型 CCD 为感光组件。
Full-Frame 全像 CCD 是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点，FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门（无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了FF CCD的连续拍摄能力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。 富士 SUPER CCD 蜂窝技术
从上述的文章中我们可以了解，CCD 的感光点排列是影响 CCD 感光范围和动态能力的关键。早期的 CCD 都是井然有序的『耕田』状。当CCD 技术到了日本富士手中，工程师开始省思 CCD 一定要这样排列吗？为了兼具 IL 的低成本设计，又要能兼顾 FF 的大感光面积，富士提出了一个跌破专家眼镜的折衷方案Super CCD。SuperCCD 是目前市面上唯一使用蜂巢式结构的CCD，其藉助八边形几何构造和间断排列，以IL 的方式为基本，争取最大限度的CCD有效面积利用率。但，早先的技术让通道过于拥挤，产生了不良的噪声，时至今日 SUPER CCD 已经发展进入第三代，几乎所有不良的缺点都已经改进。 BIT 与 BITE
在上一讲中，我们了解了CCD 的运作方式，这一讲我
FT CCD 運行方式示意圖 （感謝 Nikon 提供相關資料） FF CCD 運行方式示意圖 （感謝 Nikon 提供相關資料） 们将更深入的来研究 A/D 转换器是如何来处理 CCD 感光所传来的讯号。这个部分有点类似计算机概论的课程，数字影像和传统影像不同，数字影像必须将传统影像中的银盐分子化作数字信号来表示。网友可以试着用WORDPAD 或 记事本这类的小软件直接阅读 JPG 影像档案，你们会发现这些档案的背后都是由数字（机械码）所构成的，没有适合的解读软件搭配，例如：ACDSEE 5.0 这些数字对同学们来说是没有意义的。读图软件可以透过计算机来编译这些数字和排列，才能真正在屏幕上的正确位置，显示出正确的色彩和强弱。 那数字相机是如何将光转化成每一张计算机可阅读的数字照片？事实上数字照片都是由画素构成的，每个画素能够记录 BIT （位）的范围取决于A/D转换器的设计。如果它仅提供一个3BIT的色阶深度，
利用二進位位元制來表示灰階梯度 那对于每个画素来说，就有来自8个不同灰阶等级（2的3次方）中一个的数据，可以被记录下来。但事实上，这样的变化还是太小，在连续色调影像中需要更多的色阶分色，才能更逼真的表达真实影像。过去，普遍的网络和标准级数位相机，都具有至少 8BIT（256灰阶 - 2的8次方）的处理器，这是大多数计算机屏幕所能显示的范围。而消费和专业级的数字相机，需要更高的解像力，因此每个红、绿和蓝色输出至少要达到 10BIT以上（1024灰阶）才行，而四百万画素以上的数字相机，大多以配置到 12Bit 的 A/D 处理器（例如：Minolta DiMAGE F100 / 7Hi)。更高阶的处理器如： 14BIT 的数位相机，已有 Panasonic、SONY等，厂家推出。
计算机阅读图文件的限制 很遗憾，不是 A/D 转换器的 BIT 数越多，显示的影像就成等比例的精确。尽管高BIT的 A/D 转换器对画质的改善确有帮助。但实际上在计算机屏幕上的显示，却受限于后来的数字影像加工处理过程，不得不被减少、处理或压缩多余的 BIT 数据，以产生可被计算机一般模式下所接受的影像格式。 一般的计算机都可以显示 24BIT 的全彩 JPEG 档案。换言之，就是R、G、B 三原色各使用 8BIT 的色彩频道，这样JPEG 的色彩组成可达1677万色之谱，达到人眼范围的极限。也就是说，数字相机只要配置 8BIT 的 A/D
10BIT 和 12BIT 輸出至 24BIT 全彩JPEG比較（8BIT單色） 转换器，就足敷所需。可是既然计算机只能接受 8BIT 的色彩数据，为何数字相机要开发到 14BIT 以上的转换器呢？ 关键有二：一是配合数字相机厂商开发了自己的档案格式，例如：RAW 档案，RAW可以充份的纪录下这款数字相机在拍摄这张照片时所有的原始数据，由于并没有统一的 RAW 档格式，各家厂商可以依据自身数字相机的设计，摆脱 JPEG 规格的束缚，让色彩和画质表现达到完美。二是增加合并数字影像计算时的参考数据，部分数字相机的 DSP 程序中具有增强的解像力的功能，这个程序主要是参照取样画素之邻近画素之表现，做一统计而成。因此，BIT 的越高的 A/D 转换器就具有更多的取样参数，相对的合并计算出的 24BIT JPEG 档案的表现，要比单纯的 JPEG 档来得好。 绿色视觉和红外线干扰
另一个可能困扰网友的问题是，为什么在四色色块马赛克中，除了三原色 RGB 外，要有两个绿色呢？这是因为，大多数的人类视觉都集中在绿色前后的光谱波段上面。相对于 CCD 或 CMOS 由于对光子的反应较为敏感，因此可以感应到红外、紫外这两个人
眼所看不到的波长。特别是红外线，会影像拍摄品质的表现。因此，大多数的CCD 都覆盖上了一层 MASK 以抵挡过量的红外线。 CCD ISO 感光能力
使用 CCD 作为感光组件的数字相机，无法像传统相机一样选择底片来换成较高（ISO 1600）或较低（ISO 50）的感光能力。一般消费级数位相机通常具有相当于 ISO 100～120左右的感光能力。新技术的进步，让 CCD可以拥有媲美高感度底片之 ISO 1600 的感光能力。CCD 提高 ISO 的能力通常分为韧体和软件处理上的设计，例如：简化来自特定区域 CCD上的
画素信号来提高 ISO 表现（因为CCD无法在物理上增大感光面积，只好联合矩阵在处理上『模拟』大感光面积的方式，所以ISO 越高就必须相对的降低分辨率 - 见下图），但这也相对的降低了影像的色调范围。而软件处理则是根据数据运算，取得合理的曝光表现，但通常也会伴随着噪声的产生。 同样，数字相机最大的ISO值主要是取决于最低的可接受的信噪比（S/N）。克服 S/N 的最大关键乃是位
于 CCD 组件中的『电极暗电流 - Black level』电荷。暗电流是指在没有入射光的情况下CCD所仍具有之电荷量，理想的CCD其暗电流应该是零，但部分游离电荷会残存在电极之间，导致没有光线下CCD还是『感应』到些许的『电荷』存在，形成了『看到了』的杂像！S/N的强度还会随温度增高而增加（每增加 10℃，S/N可能增加 1倍）。因此，在连续使用数字相机过久的情况下，机体温度过热会导致画面的噪声增加。