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鏡頭感光元件

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提到數碼相機,不得不說到就是數碼相機的心臟——鏡頭感光元件,它與傳統相機相比,傳統相機使用「膠捲」作為其記錄信息的載體,而數碼相機的「膠捲」就是其成像感光元件,而且是與相機一體的,是數碼相機的心臟。

 

1 鏡頭感光元件 -介紹

提到數碼相機,不得不說到就是數碼相機的心臟——感光元件。與傳統相機相比,傳統相機使用「膠捲」作為其記錄信息的載體,而數碼相機的「膠捲」就是其成像感光元件,而且是與相機一體的,是數碼相機的心臟。感光器是數碼相機的核心,也是最關鍵的技術。數碼相機的發展道路,可以說就是感光器的發展道路。目前數碼相機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(互補金屬氧化物導體)器件。
感光元件工作原理
    電荷藕合器件圖像感測器CCD(Charge Coupled Device),它使用一種高感光度的半導體材料製成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器晶元轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以後由相機內部的閃速存儲器或內置硬碟卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,並藉助於計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成,通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時,每個感光單位會將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產生的信號加在一起,就構成了一幅完整的畫面。

    CCD和傳統底片相比,CCD 更接近於人眼對視覺的工作方式。只不過,人眼的視網膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞,分工合作組成視覺感應。 CCD經過長達35年的發展,大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的網格、聚光鏡片以及墊於最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產 CCD 的公司分別為:SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本廠商。

    互補性氧化金屬半導體CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)和CCD一樣同為在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的製造技術和一般計算機晶元沒什麼差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶–電) 和 P(帶+電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶元紀錄和解讀成影像。然而,CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時,由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象。

2 鏡頭感光元件 -兩種感光元件的不同之處

    由兩種感光元件的工作原理可以看出,CCD的優勢在於成像質量好,但是由於製造工藝複雜,只有少數的廠商能夠掌握,所以導致製造成本居高不下,特別是大型CCD,價格非常高昂。同時,這幾年來,CCD從30萬像素開始,一直發展到現在的600萬,像素的提高已經到了一個極限。

    在相同解析度下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止,市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品應用於一些攝像頭上,若有哪家攝像頭廠商生產的攝想頭使用CCD感應器,廠商一定會不遺餘力地以其作為賣點大肆宣傳,甚至冠以「數碼相機」之名。一時間,是否具有CCD感應器變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。

    CMOS影像感測器的優點之一是電源消耗量比CCD低,CCD為提供優異的影像品質,付出代價即是較高的電源消耗量,為使電荷傳輸順暢,雜訊降低,需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像感測器將每一畫素的電荷轉換成電壓,讀取前便將其放大,利用3.3V的電源即可驅動,電源消耗量比CCD低。CMOS影像感測器的另一優點,是與周邊電路的整合性高,可將ADC與訊號處理器整合在一起,使體積大幅縮小,例如,CMOS影像感測器只需一組電源,CCD卻需三或四組電源,由於ADC與訊號處理器的製程與CCD不同,要縮小CCD套件的體積很困難。但目前CMOS影像感測器首要解決的問題就是降低雜訊的產生,未來CMOS影像感測器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命,往後技術的發展是重要關鍵。

3 鏡頭感光元件 -影響感光元件的因素

    對於數碼相機來說,影像感光元件成像的因素主要有兩個方面: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節,各像素間的干擾也小,成像質量越好。但隨著數碼相機向時尚小巧化的方向發展,感光元件的面積也只能是越來越小。

    除了面積之外,感光元件還有一個重要指標,就是色彩深度,也就是色彩位,就是用多少位的二進位數字來記錄三種原色。非專業型數碼相機的感光元件一般是24位的,高檔點的採樣時是30位,而記錄時仍然是24位,專業型數碼相機的成像器件至少是36位的,據說已經有了48位的CCD。對於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,每一種原色用一個8位的二進位數字來表示,最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對於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,每一種原色用一個12位的二進位數字來表示,最多能記錄的色彩是4096x4096x4096約68.7億種。舉例來說,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位感光元件的數碼相機來拍攝的話,如果按低光部位曝光,則凡是亮度高於256備的部位,均曝光過度,層次損失,形成亮斑,如果按高光部位來曝光,則某一亮度以下的部位全部曝光不足,如果用使用了36位感光元件的專業數碼相機,就不會有這樣的問題。

4 鏡頭感光元件 -感光元件的發展

    CCD是1969年由美國的貝爾研究室所開發出來的。進入80年代,CCD影像感測器雖然有缺陷,由於不斷的研究終於克服了困難,而於80年代後半期製造出高解析度且高品質的CCD。到了90年代製造出百萬像素之高解析度CCD,此時CCD的發展更是突飛猛進,算一算CCD 發展至今也有二十多個年頭了。進入90年代中期后,CCD技術得到了迅猛發展,同時,CCD的單位面積也越來越小。但為了在CCD面積減小的同時提高圖像的成像質量,SONY與1989年開發出了SUPER HAD CCD,這種新的感光元件是在CCD面積減小的情況下,依靠CCD組件內部放大器的放大倍率提升成像質量。以後相繼出現了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術(專為SONY F828所應用)。而富士數碼相機則採用了超級CCD(Super CCD)、Super CCD SR。

    對於CMOS來說,具有便於大規模生產,且速度快、成本較低,將是數字相機關鍵器件的發展方向。目前,在CANON等公司的不斷努力下,新的CMOS器件不斷推陳出新,高動態範圍CMOS器件已經出現,這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要,使之接近了CCD的成像質量。另外由於CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對於CCD的停滯不前相比,CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為數碼相機的核心部件,CMOS感光器以已經有逐漸取代CCD感光器的趨勢,並有希望在不久的將來成為主流的感光器。

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