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數(shù)碼攝像機傳感器類型有哪些

2017-03-24

數(shù)碼攝像機的感光元件也即數(shù)碼攝像機感光成像的部件,能把光線轉變成電荷,通過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號。目前數(shù)碼攝像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:
  電荷藕合器件圖像傳感器CCD(ChargeCoupledDevice),它使用一種高感光度的半導體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號,數(shù)字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數(shù)據傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,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(tǒng)底片相比,CCD更接近于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(fā)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、聚光鏡片以及墊于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(Complementarymetal-OxideSemiconductor)和CCD一樣同為在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別,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芯片紀錄和解讀成影像。然而,CMOS的缺點就是太容易出現(xiàn)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,由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現(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)勢在于成像質量好,但是由于制造工藝復雜,只有少數(shù)的廠商能夠掌握,所以導致制造成本居高不下,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(fā)展到現(xiàn)在的600萬,像素的提高已經到了一個極限。

  在相同分辨率下,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(shù)的消費級別以及高端數(shù)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于一些攝像頭上,若有哪家攝像頭廠商生產的攝想頭使用CCD感應器,廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳,甚至冠以“數(shù)碼相機”之名。一時間,是否具有CCD感應器變成了人們判斷數(shù)碼相機檔次的標準之一。
  CMOS影像傳感器的優(yōu)點之一是電源消耗量比CCD低,CCD為提供優(yōu)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,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影像傳感器的另一優(yōu)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影像傳感器只需一組電源,CCD卻需三或四組電源,由于ADC與訊號處理器的制程與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題就是降低噪聲的產生,未來CMOS影像傳感器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命,往后技術的發(fā)展是重要關鍵。
  影響感光元件因素:
  對于數(shù)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(jié),各像素間的干擾也小,成像質量越好。但隨著數(shù)碼相機向時尚小巧化的方向發(fā)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制數(shù)字來記錄三種原色。非專業(yè)型數(shù)碼相機的感光元件一般是24位的,高檔點的采樣時是30位,而記錄時仍然是24位,專業(yè)型數(shù)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,每一種原色用一個8位的二進制數(shù)字來表示,最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對于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,每一種原色用一個12位的二進制數(shù)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(shù)碼相機來拍攝的話,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(yè)數(shù)碼相機,就不會有這樣的問題。

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