攝影百科：鏡頭感光元件

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　　提到數(shù)碼相機，不得不說到就是數(shù)碼相機的心臟——感光元件。與傳統(tǒng)相機相比，傳統(tǒng)相機使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數(shù)碼相機的“膠卷”就是其成像感光元件，而且是與相機一體的，是數(shù)碼相機的心臟。感光器是數(shù)碼相機的核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。數(shù)碼相機的發(fā)展道路，可以說就是感光器的發(fā)展道路。目前數(shù)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(dǎo)體)器件。

　　感光元件工作原理

　　電荷藕合器件圖像傳感器ccd(charge coupled device)，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)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(dāng)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(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)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(wǎng)膜是由負責(zé)光強度感應(yīng)的桿細胞和色彩感應(yīng)的錐細胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。 ccd經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。ccd 的組成主要是由一個類似馬賽克的網(wǎng)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(chǎn) 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(dǎo)體cmos(complementary metal-oxide semiconductor)和ccd一樣同為在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。cmos的制造技術(shù)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(dǎo)體，使其在cmos上共存著帶n(帶–電) 和 p(帶+電)級的半導(dǎo)體，這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)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(shè)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(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。

　　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(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)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(jīng)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(chǎn)生的圖像質(zhì)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(yīng)器;cmos感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝想頭使用ccd感應(yīng)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(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機檔次的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)，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(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3v的電源即可驅(qū)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(chǎn)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(shù)的發(fā)展是重要關(guān)鍵。

　　影響感光元件的因素

　　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(zhì)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(biāo)，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(jù)說已經(jīng)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。

　　感光元件的發(fā)展

　　ccd是1969年由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。進入80年代，ccd影像傳感器雖然有缺陷，由于不斷的研究終于克服了困難，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品質(zhì)的ccd。到了90年代制造出百萬像素之高分辨率ccd，此時ccd的發(fā)展更是突飛猛進，算一算ccd 發(fā)展至今也有二十多個年頭了。進入90年代中期后，ccd技術(shù)得到了迅猛發(fā)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(zhì)量，sony與1989年開發(fā)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(nèi)部放大器的放大倍率提升成像質(zhì)量。以后相繼出現(xiàn)了new structure ccd、exview had ccd、四色濾光技術(shù)(專為sony f828所應(yīng)用)。而富士數(shù)碼相機則采用了超級ccd(super ccd)、super ccd sr。

　　對于cmos來說，具有便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快、成本較低，將是數(shù)字相機關(guān)鍵器件的發(fā)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(tài)范圍cmos器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)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(zhì)量。另外由于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。相對于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(shù)碼相機的核心部件，cmos感光器以已經(jīng)有逐漸取代ccd感光器的趨勢，并有希望在不久的將來成為主流的感光器。