1、数码相机之芯图像传感器原理与最新技术数码相机作为一种时尚计算机外设，以其强大的功能、方便的使用和越来越接近普通相机的拍摄效果，逐渐进入寻常百姓家。而数码相机中的光电转换系统（图像传感器）是数码相机的最基本的组成部份，同时它也是决定数码相机品质的重要因素，但它的结构与原理你知道吗？数码相机中的图像传感器又称影像传感器或光电传感器，其作用是将接收到的光（图像）信号转变为模拟电信号。目前数码相机使用的图像传感器有占主导地位的 CCD 和新开发的 CMOS 两种类型。CCD 图像传感器CCD 的感光作用与普通相机中的胶片相当，在数码相机中起着十分重要的作用。它接受从摄影透镜来的光信号。并把它转换成电信
2、号。由 CCD 产生的电信号被输出并转变为图像。目前绝大多数码相机采用的是 CCD 图像传感器，或称为 CCD 光电耦合器件。它可以将光信号转换成惟一对应的电信号。CCD 电荷耦合器是数码相机的心脏，负责捕捉影像的重要工作。它最初是为摄影机设计的，随着技术的不断进步，其分辨率逐步提高，色彩还原日趋逼真。1. CCD 图像传感器的结构和工作原理CCD 是电荷耦合器件（Change Coupled Device）的英文缩写，它具有光电转换、电荷存储和电荷转移的功能。它的主要特点是由光电变换所产生的电荷可以在驱动脉冲作用下自行转移运动，这种运动方式又称为电荷的自行扫描。CCD 图像传感器从外形上看是
3、一种大规模集成电路，景物在其感光面上成像，感光面是由一排排的像素单元构成的。整个感光面少则几十万个像素单元，多则达数百万个像素单元。每个像素单元都可以把照射其上的光通量（光能）变成相应的电荷，拍摄景物时整个感光面上的各个像素单元都产生了与光图像相对应的电荷。这就是 CCD 由光图像变成光电荷的过程。CCD 在驱动脉部的作用下将一排排的电荷按水平和垂直排列的顺序输出，就变成了代表图像的电信号。实际上，CCD 感光面的尺寸是与照片相应的。普通的 CCD 长宽之比约为 4：3。CCD的像素影响数是横向数乘以纵向数，CCD 的像素数越多，其图像的清晰度越高，而成本也相应越高。CCD 的微观结构CCD
4、中的每个像素单元是由一个光电二极管、一个场效应晶体管和电荷舆的电极等部分构成，此外在光电二极管的上面，还没有微型透镜和彩色滤光器光电二极管的功能是产生电荷，它所产生电荷的量是与光照强弱及积累的时间成正比。数字相机在拍摄景物时，在暴光期间，景物之光射入相机，照射到 CCD 上，光电二极管产生电荷并积累电荷，每个光电二极管产生的电荷在驱动信号的作用下全部转移到垂直CCD 中去。然后再按水平方向排列的顺序输出电荷信号，直到将整个 CCD 感光面上的信号全部输出，完成一幅照片的信号转移。2. CCD 图像传感器的主要类别CCD 图像传感器根据像素排列的情况，通常分为线阵 CCD 和面阵 CCD 两大类
5、。近年来日本富士公司又研制出一种超级 CCD。线阵 CCD线阵 CCD 每次只拍摄图像的一条线，这与台式扫描仪图片的方法相同，速度很慢，分辨率较高，获得一幅完整的图像需要的时间长。此外，使用线阵 CCD 扫描的数码相机需要一个保持静止的目标，无法使用线阵 CCD 来拍摄移动物体。室内照明或明亮的阳光是线阵 CCD 必需的，线阵 CCD 无法使用闪光灯，线阵 CCD 主要用于高分辨率的室内扫描数码相机。面阵 CCD面阵 CCD 是平面阵列 CCD 的简称，又称为区域阵列 CCD，面阵 CCD 是包含一个光敏元件矩阵，而不是单条线的 CCD 元件。面阵 CCD 光电转换器件的作用是将图像光能量信息
6、转换为电子模拟量信息，并将每个像素上的电子模拟量信息通过串行扫描的方法自动传输出来，矩阵中的每个元件代表图像中的一个像素，当快门按动时，整个图像同时曝光，同时被拍摄。超级 CCDCCD 像素的增加存在着技术瓶颈在面积固定的一块 CCD 上面，如果排列更多的像素单元，即意味着每一个像素单元的尺寸更小，带来的直接后果是像素单元的灵敏度、信噪比以及动态范围等都将有所损失，从某种意义上讲，如果要保证一定水平的图像质量，CCD 像素数不能无限制地增加，如何在保证图像质量的前提下，进一步增加像素数，一直是数码相机 CCD 开发商的主攻方向。Fujifilm（富士胶片）公司不仅是传统胶片的重要生产厂商，也是
7、数码相机 CCD 的主要提供者。1999 年第四季度，Fujifilm 公司在日本、美国、欧洲三地相继发布了参照人眼视觉原理开发的 Super CCD 技术，并于 2000 年 3 月推出了采用 Supper CCD 的第一款数码相机Fujifilm MX-4700 型采用一块 1.47cm240 万像素的超级 CCD，将数码影像发展到一个新水平。与传统 CCD 相比，Super CCD 有两点根本的不同。它的像素单元呈八角形，并且像素单元阵列排列呈 45 度角，整个 CCD 上的像素排列如蜂窝状。所以有人称之为“蜂窝状的CCD”。虽然看起来只是一点形状上小小的改变，但它对 CCD 的表现却带
8、来质的飞跃。三线 CCD三线 CCD 是通过 3 个滤光器分别分离出红、绿、蓝三色。然后，由 CCD 同时捕捉所有的三色，从而有效地消除分色问题。一般三线 CCD 多用于高档数字相机，以产生高分辨率图像和光谱色阶交织传输 CCD交织传输 CCD 是利用单独的阵列摄取图像和进行电量转化，它允许在拍摄下一幅时读取当前图像，从这一特性可以看出交织传输 CCD 通常用于数码摄像机。3. CCD 的信号传输方式CCD 的信号传输方式，又称为电荷传输方式或信号读出方式。根据其结构的不同可人为帧传送方式（简称 FT）和扫描方式（简称 L）两大类。 L 方式中又分隔行扫描方式和逐行扫描方式。FT 帧传送方式多
9、用在高像素的高档数码相机中，如佳能 EOS D2000 型数码相机。现在的普及型数码相机上主要采用逐行扫描 2 方式。FT 和 2 差别在有无传输通路。FT 方式的每个受光元件兼起传输通路的作用，而 2 方式则有专用的传输通路。两类相机的优缺点就是由这种差别引起的。从 CCD 的感光灵敏度来看，FT 帧传送方式要有利得多。 2 扫描方式为防止灵敏度下降，每个像素都备有以聚光为目的的微透镜。FT 方式没有传输通路、微透镜 ，因而每一像素面积增大、生产成本降低。FT 方式的灵敏度特性高于 IL 方式。隔行扫描和逐行扫描两种方式的灵敏度相比较，隔行 IL 方式大于逐行 IL 方式。灵敏度与受光元件面
10、积成正比例。受光元件的面积，如果 FT 方式为 1，则隔行扫描方式约为 2/3，逐行方式约为 1/2。帧传送方式（FT）是面向高动态范围的数码相机的方式，但目前使用的 CCD 几乎都采用 IL 扫描方式， IL 方式因而有良好的生产业绩。目前 CCD 的信号读出方式尚存在不尽人意之处，对于 FT 方式来说，由于像素传输通路是合用的，只要有一个像素有缺陷，那么纵向一列的信息就接收不到，因此，生产过程中成品率低，制造成本高。此外，如果要使显示再生，则需要配备存储器。因此，CCD 整体的封装尺寸变大。对于 IL 方式来说，受光部分和传输通路都要占用面积，因而灵敏度难以提高。随着像素的增加，生产的成品
11、率也可能降低，如奥林巴斯 C-2500 Zoom 数码相机为确保灵敏度而采用了 250 万像素的 1.69cm CCD。CMOS 图像传感器CMOS 图像传感器和 CCD 在 20 年前几乎是同时起步的。由于 CCD 器件有光照灵敏高、噪音低、像素小等优点，所以在过去它一直主宰着图像传感器市场。与之相反，CMOS 图像传感器过去存在着像素大、信噪比小，分辨率低等缺点，一直无法和 CCD 技术抗衡。但是随着大规模集成电路技术的不断发展，过去 CMOS 图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现己找到相应解决的途径，改善了 CMOS 图像传感器的图像质量，目前CMOS 单元面积的像素数己可与 CCD
12、 单元面积的像素数相比，CMOS 图像传感器也可以做到高分辨率。如果能将 CMOS 黑白与彩色图像传感器的信噪比提高 10dB，光照灵敏度再提高 4-5 陪，那么 CMOS 图像传感器取代 CCD 器件就指日可待了。1. CMOS 图像传感器结构与原理CMOS 图像传感器和 CCD 传感器一样都是用于感受光线变化的半导体器件，它的中文因定译名为“互补金属氧化物半导体” 。它的光电转换功能与 CCD 相似，使用的光敏元件及其排列方式与 CCD 基本相同，区别主要在于光电转换后信息传送的方式不同。实际制作时，生产厂家通常将 CMOS 光电传感器与图像信号放大器、信号读取电路、模/数转换器、图像信号
13、处理器等集成在同一芯片上，使 CMOS 对获得的图像信息读出及处理变得简单而快捷。CMOS 传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器，因此，CMOS 传感器可以在每个像素基础上进行信号放大。采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。CMOS 主要是利用“硅”和“ 锗”这两种元素所做成的半导体，通过 CMOS 上带负电和带正电的晶体管实现其基本的功能。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影像。2. CMOS 与 CCD 的区别光电转换方式不同CMOS 和 CCD 使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，
14、但光电转换后的信息读取方式不同。CCD 存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，光通过光敏二极管转化为电荷，然后，电荷通过 CCD 芯片传递到转换器，这个传送的过程有信号放大、电荷信息转移和读取输出，需要有时钟控制电路以及三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。相对而言，CMOS 的每个像素都具有一个放大器，能够放在每个像素的信号。这就造成了比 CCD 更快的数据读取速度，因为后者需要水平传送电子。更重要的是，CMOS 传感器不需要 CCD 必需的多种操作电压，所以能够在芯片上集成更多的外围电路，并让整个相机的体积更加轻巧。CMOS 经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，
15、信号读取十分简单。电路结构不同CCD 仅有输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模/数转换器、图像信号处理器处理，并且还须提供三组不同电压的电源和同步时钟控制电路，集成度非常低。使用 CCD 的数码相机通常有六片芯片，有的多达八片，最少的也有三片，制作成本较高。CMOS 的加工采用半习体厂家生产集成电路的流程，可以将数码相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模/数转换器、图像信号处理器及控制器等都可集成到一块芯片上，还具有附加 DRAM 的优点。只需要一只芯片就可以实现数码相机的所有功能，因此采用 CMOS 光电转换系统的整体成本会很低。速度更快
16、CCD 需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢;而 CMOS采集光信号的同时还可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信号，速度比 CCD 快很多。耗电量更省CCD 一般需要三组电源供电，耗电量较大。CMOS 只需使用一个电源，耗电量非常小，省电是它的主要优势，CMOS 电路几乎没有表态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗，耗电量只有普通 CCD 的十分之一左右。CMOS 光电传感器在节能方面具有很大优势，有助于改善人们心目中的数码相机是“电老虎”的不良印象。消除噪声稍差CCD 制作技术起步早，技术成熟，采 PN 结或二氧化硅隔离噪声，成像质量相对CMOS 有一定优势
17、。由于 CMOS 集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热，容易出现杂点，对 图像质量影响很大，这个弱点使 CMOS 很长一段时间无法进入实用。图像传感器技术新发展1. 使用 Foveon X3 技术的 CCD 图像传感器美国 FOVQON 公司近来发表了多层感色 CCD 技术，VPS 技术。使用 VPS 技术、整个像素点的信号可以被合在一起，这合起来的信号就加同由传感器上一个大像素点获得的信号。应用了 VPS 技术，通过由整合在图像传感器中的集成电路进行控制，像素点的大小和结构都是可以灵活变化的。将小的像素
18、点组合成大的像素点，增加了信噪比，这可以让数码相机在低噪度条件下拍出噪点很小的图片。还可以让数码相机有更高的拍摄帧速度，提高了聚集系统的性能。X3 技术通过传感器上像素点大小的变化，可以完成不同的拍摄任务。比如，进行动态影像拍摄时，将像素点变大，降低传感器的分辨率;拍摄静态图像时，则将像素点变小，提高分辨率。2. 富士第三代 Super CCD 3 技术富士公司于 2002 年正式推出了第三代 Super CCD。具有更高的信噪比和 ISO 800/1600的感光度。新一代 Super CCD3 传感器，结合以前优势又加入了像素加算信号处理能力。这项技术利用相机内建的信号处理计算机整合第一次拍
19、摄所得的照片，以 RGB 三色之每4 个像素为一个计算机依据，整合出该图像在 ISO1600 高感光灵敏度时应有的表现。运用计算原理可提高并修正图像在低光亮下应有的色彩，有效避免了电子干扰所带来的噪音。水平/ 垂直像素混合运算是 Super CCD3 又一项技术，也是全球首次采用水平/垂直像素混合运算技术。这种方式可以让 300 万有效像素的 CCD 跨过一般在 QVGA 动画拍摄（320*240像素）速度被限制在 15fps 的门槛，使得数码相机在 VGA 的解析度下（640*480）可以达到最大 30fps 的拍摄能力，并能有效提高感光度达 4 倍以上。3. 索尼 HAD CCD 技术HA
20、D CCD 是索尼独特的构造，由于它采用了一层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决，另外，也提高了感光度。在上世纪 90 年代后期，CCD 的单位面积也越来越小，1989 年开发的微小镜片技术，己经无法再提升感亮度，如果将 CCD 组件内部放大器的放大倍率提升，将会使噪音也被提高，画质会受到明显的影响，于是索尼在将以前使用的微小镜片进行技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状电优化技术，即索尼 SUPER HAD CCD 技术。索尼在 1998 年开发出“EXV IEW HAD CCD”技术，可以将以前未能有效利用的近红外线光有效转换成为影像资料使用，让感亮度能大幅提高，在黑蝉 的环境下也可得到高变度的照片，而噪音很小。4. CMOS 新技术 ARAMISARAMIS（A synchmnous random-Access rnos fn-age Sensor）是新型平面传感器CMOS，它利用当前最普遍的 CMOS 工业标准半导体为原料在单蕊片内整合影像感测数组、模拟/ 数字转换电路、数字接口及其它控制电路，这种技术非常适合轻薄小巧的消费性电子相关的应用传统 CMOS 传感器采用线形的曝光方式，由于这种曝光方式的每一行不在同一时间点上曝光，因此，在拍摄运动物体时会产生影像扭曲，但 ARAMIS CMOS 传感器的整个画面是时曝光，所以会从根本上改善影像扭曲这种缺点。
