你所不知道的 数码相机原理.doc

你所不知道的数码相机原理 第一篇 CCD的奥秘 前言 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！ Part 1：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 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为我们揭示了CCD结构层中最底层的工作原理，可见图中每一个感光电极都对应了一个信号垂直传输单元，当光线透过镜头射到CCD表面时，相应强度的电荷量就被蓄积在电极下面，每单位蓄积电荷量的多少取决于每单位感光电极受到光照的强弱，当我们按下快门释放开关，各单位上的电信号（电流或电压）被输送到A/D（模拟/数字）转换器上，这就完成了一次光电信号的转换与传输过程。 现在让我们参照图5，以电极排列是三行四列的模拟图示具体理解相互传递型的工作方式。先从图中的C行开始： 第一步、DC集成电路中的时钟发生器