数码相机原理剖析.doc

数码相机原理 当几年前有人提出数码相机（下文昵称DC）在未来必定取代传统银盐相机时，很多人都对这一在当时看来颇为荒谬的论调嗤之以鼻，而现在看来随着DC销量的井喷式增长、传统菲林销量的下挫，DC在开创数字时尚玩物新概念的同时，也在潜移默化的改变着人们沿袭了多年的生活方式。笔者深感有义务让更多的消费者了解与DC相关的一些技术原理，以便在选购乃至使用中愈发的得心应手，便由此萌发了撰写这一系列文章的念头。 　　在当前的大环境下，“这款相机是多少万像素”想必是我们最常听到的一句话了，时至今日影像传感器（Image Sensor）的“像素”仍是消费者选购DC的第一考虑因素，不可否认像素有着驾驭最终成像质量的能力，但DC商品化至今我们也逐渐感受到，像素的增加在某种程度上并未对画质提高起到积极的作用，这无疑与我们的传统思维大相径庭。 索尼F828的800万像素2/3英寸CCD与R1的千万像素APS-C尺寸CMOS 　　目前流行在数码影像业中的影像传感器主要分三种：几乎被索尼和松下垄断的CCD，富士独家技术Super CCD，还有就是前不久才运用到DC产品中的CMOS。从上世纪七十年代世界上一台数码相机诞生以来，CCD从最初发展到500万像素耗费了近三十年时间；而从500万跳跃到800万像素只用了1年多时间，打破了原本每1年提升100万像素的惯例，之后又因画质原因开倒车推出了700万像素，接着消费者等待了约两年时间，期间出现的900万像素Super CCD让我们对千万像素到来的期待愈发强烈，不久前索尼终于引领我们跨过了这不可逾越的鸿沟，但主角却变成了CMOS。往事历历在目，回顾影像传感器的发展仿佛就是数码影像业发展的血泪史！ CCD物理结构与工作原理 一、尺寸折算与物理结构 　　我们常在DC的基本参数中看到该型号使用了多少英寸多少像素的CCD，比如1/2.7英寸300万像素、1/1.8英寸500万像素，这其中“1/X英寸”到底是怎么计算出来的呢？ 　　这时有人就参照电视机显象管的尺寸标识，将这个参数理解成CCD对角线的长度，这是一种不太严谨的说法。需要注意的是“1/X英寸”并不是CCD的尺寸单位，而是CCD的长宽比例。这沿袭了上个世纪五十年代初电视显象管规格的4:3标准，故我们不能说是CCD对角线长度的原因就在于此。 　　由于CCD是在晶圆体上通过特殊工艺蚀刻出来的，遵循统一的4:3的长宽比例这一行业标准，能更有效的控制生产成本。但是当我们按这个标准折算CCD尺寸的时候就会发现，算出的面积往往比真实面积大出许多，这是因为“1/X英寸”表示的是包括电路部分在内的整块CCD的对角线长度，并非CCD中感光核心部分的对角线长。 　　事实上我们现在所接触到的CCD尺寸的说法是参考传统摄像机内的真空摄像管的对角线长短来衡量的，它严格遵守了Optical Format规范，中文译名为光学格式，其数值称为OF值，单位为英寸。因此CCD尺寸的标准计算方法是其实际对角线长度（单位：mm）/16，我们以1/1.8英寸的CCD作例，这个1/1.8英寸就是计算公式中的OF值，16÷1.8≈8.89mm，这就是该CCD感光核心部分对角线的实际长度了，这下大家都心里有数了吧。 　　现在让我们来探讨一下CCD的物理结构，CCD仅仅是一种在硅基板表面通过绝缘膜使大量独立的、透明的光电二极管（下文简称电极）排列起来的固态电子元件（如图1），若按CCD内部的电极排列来分，现在DC中普遍采用的都为矩阵型结构，其特点是色彩表现力更强、光谱范围更广和色彩密度更高等诸多优势。 图1 　　如传统菲林胶片一样，CCD也包含了多个结构层，由上至下分别为感光层、色彩还原层、信号转换层（如图2）。 图2 　　目前作为整个光电半导体行业老大的索尼将其专利技术融入其中，故业内大部分品牌的DC中都装载了索尼的Super HAD CCD，中文译名为超级空穴堆积CCD。这里我们就结合出镜率最高的索尼CCD来对其构成作进一步的说明，CCD顶部感光层的专业术语叫做“微透镜”（Microlens），如图3所示，Super HAD CCD改变了传统CCD内部微透镜的形状和排列，缩小了两两间的相邻间距，增强了微透镜下面感光电极对入射光线的吸收率，进而提升了电极对光线的敏感度，如图4所示，红色线条表示Super HAD CCD随光线强度变化的敏感度曲线，蓝色则为传统CCD的敏感度变化曲线。 图4 二、信号的传输方式 　　大家可能都对CCD的成像原理略有所知，但对于其内部的信号传输方式却知之甚少。在光电半导体行业内CCD的输出方式分相互传递型和单一传递型两种，其中“相互传递方式”早已成为CCD制造中的主流技术，包括出货量最大的索尼CCD。下面就对该技术进行分析。 图5 　　图5为我们揭示