《電子技術(shù)應(yīng)用》
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數(shù)碼攝像機(jī)傳感器類型有哪些

2017-03-24

數(shù)碼攝像機(jī)的感光元件也即數(shù)碼攝像機(jī)感光成像的部件,能把光線轉(zhuǎn)變成電荷,通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。目前數(shù)碼攝像機(jī)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(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體)器件。
  感光元件工作原理:
  電荷藕合器件圖像傳感器CCD(ChargeCoupledDevice),它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成,能把光線轉(zhuǎn)變成電荷,通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī),并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段,根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成,通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí),每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起,就構(gòu)成了一幅完整的畫面。
  CCD和傳統(tǒng)底片相比,CCD更接近于人眼對(duì)視覺(jué)的工作方式。只不過(guò),人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞,分工合作組成視覺(jué)感應(yīng)。CCD經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)35年的發(fā)展,大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn)CCD的公司分別為:SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本廠商。
  互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS(Complementarymetal-OxideSemiconductor)和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)什么差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體,使其在CMOS上共存著帶N(帶–電)和P(帶+電)級(jí)的半導(dǎo)體,這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而,CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn),這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí),由于電流變化過(guò)于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱的現(xiàn)象。
  兩種元件不同區(qū)別:
  由兩種感光元件的工作原理可以看出,CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好,但是由于制造工藝復(fù)雜,只有少數(shù)的廠商能夠掌握,所以導(dǎo)致制造成本居高不下,特別是大型CCD,價(jià)格非常高昂。同時(shí),這幾年來(lái),CCD從30萬(wàn)像素開(kāi)始,一直發(fā)展到現(xiàn)在的600萬(wàn),像素的提高已經(jīng)到了一個(gè)極限。

  在相同分辨率下,CMOS價(jià)格比CCD便宜,但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來(lái)說(shuō)要低一些。到目前為止,市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器;CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上,若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝想頭使用CCD感應(yīng)器,廠商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣點(diǎn)大肆宣傳,甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間,是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。
  CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低,CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì),付出代價(jià)即是較高的電源消耗量,為使電荷傳輸順暢,噪聲降低,需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓,讀取前便將其放大,利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng),電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優(yōu)點(diǎn),是與周邊電路的整合性高,可將ADC與訊號(hào)處理器整合在一起,使體積大幅縮小,例如,CMOS影像傳感器只需一組電源,CCD卻需三或四組電源,由于ADC與訊號(hào)處理器的制程與CCD不同,要縮小CCD套件的體積很困難。但目前CMOS影像傳感器首要解決的問(wèn)題就是降低噪聲的產(chǎn)生,未來(lái)CMOS影像傳感器是否可以改變長(zhǎng)久以來(lái)被CCD壓抑的宿命,往后技術(shù)的發(fā)展是重要關(guān)鍵。
  影響感光元件因素:
  對(duì)于數(shù)碼相機(jī)來(lái)說(shuō),影像感光元件成像的因素主要有兩個(gè)方面:一是感光元件的面積;二是感光元件的色彩深度。
  感光元件面積越大,成像較大,相同條件下,能記錄更多的圖像細(xì)節(jié),各像素間的干擾也小,成像質(zhì)量越好。但隨著數(shù)碼相機(jī)向時(shí)尚小巧化的方向發(fā)展,感光元件的面積也只能是越來(lái)越小。
  除了面積之外,感光元件還有一個(gè)重要指標(biāo),就是色彩深度,也就是色彩位,就是用多少位的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)記錄三種原色。非專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)的感光元件一般是24位的,高檔點(diǎn)的采樣時(shí)是30位,而記錄時(shí)仍然是24位,專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)的成像器件至少是36位的,據(jù)說(shuō)已經(jīng)有了48位的CCD。對(duì)于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(jí),每一種原色用一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示,最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬(wàn)種。對(duì)于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(jí),每一種原色用一個(gè)12位的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示,最多能記錄的色彩是4096x4096x4096約68.7億種。舉例來(lái)說(shuō),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位感光元件的數(shù)碼相機(jī)來(lái)拍攝的話,如果按低光部位曝光,則凡是亮度高于256備的部位,均曝光過(guò)度,層次損失,形成亮斑,如果按高光部位來(lái)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位感光元件的專業(yè)數(shù)碼相機(jī),就不會(huì)有這樣的問(wèn)題。

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