楊 屹

[摘要]數(shù)碼相機以其靈活的存貯、傳輸、后期制作優(yōu)勢和逐漸降低的價格,愈加受到廣大攝影愛好者的青睞?？申P(guān)于其核心技術(shù):感光傳感器-CCD、CMOS卻知之不多,從而缺乏對數(shù)碼相機較深刻的認(rèn)識。將從圖像感光材料發(fā)展史、基本感光原理、技術(shù)性能對比、實踐應(yīng)用以及發(fā)展趨勢的層面簡要闡述CCD、CMOS。

[關(guān)鍵詞]CCD、CMOS、像素

中圖分類號:TB84文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1220017-01

攝影史上每一次攝影感光材料的革新都會推動攝影技術(shù)、攝影器材的重大變革,有時甚至是天翻地覆的根本變革。

從1816年,法國軍人尼普斯(N Niepce)開始第一次攝影試驗,到1837年5月,法國物理學(xué)家達蓋爾(L Daguerre)正式發(fā)明攝影術(shù),乃至1839年,他發(fā)明的全世界第一臺照相機,至今已有一百多年的歷史了[1]。在攝影技術(shù)發(fā)展的歷史進程中,先后經(jīng)歷了銀板、濕版、干版,直到1880年前后,英國人理查德·里奇·邁多克斯用溴化銀制成底片。其中溴化銀膠片的誕生,在攝影史上具有劃時代的意義。現(xiàn)在傳統(tǒng)照相機依然沿用溴化銀膠片作為感光材料。

1969年美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD[2],1991年第一款CCD商用數(shù)碼相機面市[3],之后又研制出了CMOS。數(shù)碼相機的問世短短十幾年,就從根本上動搖了傳統(tǒng)相機在攝影領(lǐng)域一百多年的統(tǒng)治地位,并將以其勃勃生機續(xù)寫出攝影史上更加光輝燦爛的新樂章。

一、簡介CCD、CMOS

CCD和CMOS都是一種能將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕陌雽?dǎo)體器件。利用這個特性,將它們替代傳統(tǒng)相機中的溴化銀膠片,成為數(shù)碼相機的感光傳感器。CCD和CMOS工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別,都是利用光電二極管(photodio

de)進行光電轉(zhuǎn)換。根據(jù)入射光的強度與光電二極管產(chǎn)生電荷量成正比的原理,被攝景物經(jīng)過相機鏡頭的接收匯聚,將清晰的具有明暗強弱的光影像投射到CCD或CMOS表面,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后,形成了“電荷圖像”。再經(jīng)過一系列圖像處理,模數(shù)轉(zhuǎn)換,最終形成一定格式的數(shù)字圖像文件儲存在存儲卡中。但是,CCD、CMOS芯片結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝不同。

CCD(Charge Coupled Device)即電荷耦合元件,是一種感光半導(dǎo)體芯片,被集成在半導(dǎo)體單晶材料上。每一個CCD芯片都是用大規(guī)模集成電路技術(shù)制作出的,內(nèi)嵌數(shù)十成百上千萬個光敏電容(即光電二極管),每一個光敏電容構(gòu)成一個感光單元,即一個像素。CCD感光后將每行的每個像素中的電荷依序逐一轉(zhuǎn)移到專門的緩沖器中,再轉(zhuǎn)輸?shù)綌?shù)據(jù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器中集中數(shù)據(jù)處理,最終形成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)即互補性氧化金屬半導(dǎo)體。也是一種感光半導(dǎo)體芯片,它的每個單元電路中包含兩個互補的晶體管:N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(NMOS)和P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(PMOS)。同樣,CMOS也是由數(shù)以百萬的像素構(gòu)成。區(qū)別于CCD,CMOS的每一個像素由一個光敏電容(即光電二極管)和四個晶體管構(gòu)成,感光后每個像素都獨立具有信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,能直接形成數(shù)字信息。從每個像素傳輸出來的數(shù)字信息,最后集中匯聚處理,形成完整的數(shù)字圖像文件。

二、對比CCD、CMOS

1.CCD感光后形成的電荷需要在時鐘控制電路的控制下一位一位地先轉(zhuǎn)移到緩沖區(qū)后一次性讀出,而且驅(qū)動電路、模擬、數(shù)字處理電路未集成到同一芯片上,速度較慢;CMOS系統(tǒng)集成度高,感光后生成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)速度比CCD快很多。

2.CCD電路的設(shè)計決定了數(shù)據(jù)不失真,圖像的低噪聲;CMOS電路設(shè)計,每個像素都有一個放大電路,放大電路屬于模擬電路,有數(shù)以百萬的模擬電路,不可避免地產(chǎn)生更多的噪點。

3.CCD每個像素感光面積大,感光度高,圖像質(zhì)量好;CMOS每個像素中光電二極管周圍多個附加元件相對縮小了像素的感光表面積。因此,相同面積的兩種感光半導(dǎo)體,CMOS的感光度低于CCD,圖像色彩、飽和度自然不及CCD。

4.CCD被動式數(shù)據(jù)采集,需要外接電壓,耗電量大,減少了數(shù)碼相機電池的壽命;CMOS主動式圖像采集,每個像素電信號自動放大、轉(zhuǎn)換、輸出,耗電量相對CCD小很多。

5.CCD生產(chǎn)工藝、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高,成品率低,成本高于CMOS;CMOS是目前用于生產(chǎn)各種計算機芯片的成熟半導(dǎo)體集成電路工藝。其它周邊電路很容易被集成在一起,成本較低。

三、識別CCD和CMOS的真實尺寸

相同類型的感光傳感器尺寸大小決定分辨率、像素數(shù)、成像質(zhì)量和價格級別。但在實踐中,數(shù)碼相機說明書中注明的技術(shù)參數(shù)普通用戶往往不理解,也不清楚用什么作為參照標(biāo)準(zhǔn),較難準(zhǔn)確判斷相機的性價比。

下面,就如何識別CCD和CMOS的真實尺寸作如下說明。

數(shù)碼相機是在傳統(tǒng)135單反相機的平臺上發(fā)展起來的(4/3系統(tǒng)的數(shù)碼單反相機除外)。一張傳統(tǒng)135型照相機標(biāo)準(zhǔn)膠片尺寸是36mm*24mm,以此作為參照標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)數(shù)碼相機CCD或CMOS尺寸等于或接近36mm*24mm時,這款數(shù)碼相機為全畫幅數(shù)碼相機;遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個標(biāo)準(zhǔn),為“袖珍數(shù)碼相機”;稍大一些的,小于135膠片的,有APS-C(24.9×16.6mm),APS-H(30.3×

16.6mm)畫幅數(shù)碼相機等;感光器約為36×48mm的,可以叫“中畫幅數(shù)碼相機”;比36×48mm更大的感光元件(傳感器),價格昂貴,多用于航天、天文、工業(yè)等尖端領(lǐng)域,目前不適合民用。有了這個標(biāo)準(zhǔn)去比對,我們就能做到心中有數(shù)了。

單反數(shù)碼相機,通常直接給出傳感器長寬尺寸,單位mm,只與標(biāo)準(zhǔn)進行比對即可。

對于消費級別相機,說明書上只給出感光傳感器是多少英寸。這種說法是參考傳統(tǒng)攝像機內(nèi)的真空攝像管的對角線長短來衡量的,它遵循了Optical Format規(guī)范(即光學(xué)格式),其數(shù)值稱為OF值,表明數(shù)碼相機傳感器對角線長度,單位為英寸,換算關(guān)系是1英寸=16mm,不是工業(yè)上的25.4mm。

下面我們用一個實例展示真實尺寸的計算方法。

例如:1/2.5英寸的CCD,16*(1/2.5)=6.4mm,這塊CCD的對角線尺寸是6.4mm,采用4:3系統(tǒng)(CCD的長寬比),利用勾股定理可求得長、寬。

設(shè)CCD對角線、長、寬分別為:c,a,b

則:c:a:b=5:4:3,a=4*(c/5)=5.12,b=3*(c/5)=3.84

CCD長、寬分別是5.12mm和3.84mm

四、CCD和CMOS的發(fā)展趨勢

目前CCD技術(shù)的發(fā)展趨勢朝著更高分辨率、更高速度、微型化、多光譜、紫外、X射線、紅外等方向發(fā)展[4]。富士公司已于1999年研發(fā)出Super CCD,采用八角形感光二極管和蜂窩結(jié)構(gòu)的像素排列;2001年,第二代SuperCCD問世;2002年1月第三代Super CCD被推出;2003年推出第四代Super CCD,包括CCD HR和SR[5]。

CMOS集成度高,工業(yè)化程度高,生產(chǎn)廠家眾多和低成本的優(yōu)勢突出。技術(shù)方面,2003年,美國Foveon公司推出FOVEON X3,實現(xiàn)單像素提供三原色的CMOS圖像感光器技術(shù),圖像銳度優(yōu)于CCD,色彩還原更好[6]。此外,CMOS圖像傳感器對紅外非可見光波的靈敏度比CCD圖像傳感芯片的靈敏度要高出許多,用于安全偵測系統(tǒng),也將是CMOS圖像傳感器的一個發(fā)展方向。

任何產(chǎn)品的存在就有其合理性。隨著感光傳感器技術(shù)的日臻成熟、完善,相信CCD和CMOS兩者會優(yōu)勢互補,數(shù)碼相機的未來會更加絢麗多彩。

參考文獻:

[1]沈銘,再現(xiàn)歷史——法國攝影博物館珍藏相機展隨筆,http://www.ca

pitalmuseum.org.cn/Contents/Channel_334/2007/0411/5214/content_5214.htm.

[2]侯雨石、何玉青、陳永飛、張忠廉,數(shù)碼相機圖像傳感器技術(shù),光學(xué)技術(shù),2003年1月,第29卷第1期,59.

[3]汪永明,數(shù)碼相機的發(fā)展趨勢,影像資料,4,http://www.cnki.net.

[4]寇玉民、盛宏、金諱、陳輝東,CCD圖像傳感器發(fā)展與應(yīng)用,電視技術(shù),2008,32(4),39.

[5]月兒,數(shù)碼相機的“心臟”——圖像傳感器技術(shù),數(shù)字產(chǎn)品與外設(shè)技術(shù)趨勢,2003,第5期,52.

[6]李繼軍、杜云剛、張麗華、劉全龍、陳建芮,CMOS圖像傳感器的研究進展,激光與光電子學(xué)進展,2009.04,49.

作者簡介:

楊屹(1966-),男,漢族,北京人,碩士學(xué)位,實驗師,就職于首都師范大學(xué)初等教育學(xué)院,主要研究方向:攝影攝像技術(shù)。