CCD的成像原理

(2010-01-14 09:59:13)转载
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CCD是数码相机用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。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。一般来说，CCD的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比也就越低。那么CCD的构成是怎样的，它又是如何工作的呢？下面就来了解一下。

CCD(图)
如果分解CCD，你会发现它的结构分为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”，第三层是“感光层”。
第一层：“微型镜头”
我们知道，数码相机成像的关键在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但仅靠这种方法容易导致画质下降。而“微型镜头”就相当于在感光层前面加上了一副眼镜，因此感光面积不再由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：“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。这两种方法各有利弊。RGB，即三原色分色法，几乎所有人类眼睛可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB就是Red，Green和Blue这三个英文单词打头字母的组合，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成的。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成的，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，缺点是有噪声问题。因此一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400；与之相对的是，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。

CCD的构成和工作原理(图)
第三层：感光层
CCD的第三层是“感光层”，这层主要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，并最终将影像还原。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36x24mm。换算到数码相机上，对角长度越接近35mm的，CCD尺寸越大。在单反数码相机中，很多都拥有接近35mm的CCD尺寸，例如尼康的D100，CCD尺寸面积达到23.7x15.6mm，比一般的消费级数码相机要大很多，所以成像也相对较好。
现在市面上消费级数码相机的CCD主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。由于CCD尺寸越大，感光面积就越大，成像效果也就越好，因此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，像素增加固然是件好事，但也会导致单个像素的感光面积缩小，因此存在曝光不足的可能。如果想在增加CCD像素的同时，又维持相同的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。由于目前更大尺寸的CCD加工制造比较困难，成本也非常高，因此CCD尺寸较大的数码相机，价格也较高。
此外，CCD的大小也直接影响到数码相机的体积重量，因此超薄、超轻的数码相机一般CCD尺寸也小，而专业级的数码相机，相应的CCD尺寸也越大。
一． 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，大半是日本厂商。
二．CCD 的三层结构
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元件由上百万个 MOS电容所构成（光点的多寡端看CCD 的画素而定）。当数位相机的快门开启，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矽材料释放出电子〈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矽层暂存起来。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暂存器中，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 也就是数位影像处理单元。在这个单元之中有一个A/D 类比数位讯号转换器。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位数据，可以显示强弱大小，最终再整合影像输出。

三．四种类型的 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。
Linear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的数位相机来得慢。这型CCD 大多用于平台式扫描器之上。
Interline 扫瞄型 CCD的曝光步骤（STEP 1. - 见图）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位影像。清空暂存器后，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暂存器中，元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％以上的数位相机都以 IL 型 CCD 为感光元件。

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的数位相机在传送电荷资讯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。

Frame-Transfer 全传 CCD的架构则是介于 IL 和 FF 之间的产品，它分成两个部分上半部分是感光区，下半部则是暂时存储区。整体来说 Frame-Transfer CCD 非常的类似 Full-Frame CCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FT CCD 运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本身则可以继续曝光拍照。这个设计，让FT 同IL 一样可以使用电子快门，但同时也可增加感光面积和速度。FT CCD 主要是由 荷兰 Philips 公司开发，后来技术移转给 SANYO 公司发展成 VPMIX 技术。三洋对 VPMIX 的改良相当成功，使它的数位相机能兼具静态和动画的拍摄能力（可达30 fps的拍摄速度，在动画运用上非常出色）。

四．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。