提到數(shù)碼相機(jī)，不得不說到就是數(shù)碼相機(jī)的心臟——感光器件。與傳統(tǒng)相機(jī)相比，傳統(tǒng)相機(jī)使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數(shù)碼相機(jī)的“膠卷”就是其成像感光器件，而且是與相機(jī)一體的，是數(shù)碼相機(jī)的心臟。感光器是數(shù)碼相機(jī)的核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。數(shù)碼相機(jī)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(jī)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(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）器件。

感光器件工作原理

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(jī)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(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)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(shí)，每個(gè)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

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(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。 CCD經(jīng)過長達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個(gè)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、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本廠商。

CCD 結(jié)構(gòu)

CCD 結(jié)構(gòu)

目前主要有兩種類型的CCD光敏元件，分別是線性CCD和矩陣性CCD。線性CCD用于高分辨率的靜態(tài)照相機(jī)，它每次只拍攝圖象的一條線，這與平板掃描儀掃描照片的方法相同。這種CCD精度高，速度慢，無法用來拍攝移動的物體，也無法使用閃光燈。

CCD特點(diǎn)

矩陣式CCD，它的每一個(gè)光敏元件代表圖象中的一個(gè)像素，當(dāng)快門打開時(shí)，整個(gè)圖象一次同時(shí)曝光。通常矩陣式CCD用來處理色彩的方法有兩種。一種是將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。在記錄照片的過程中，相機(jī)內(nèi)部的微處理器從每個(gè)像素獲得信號，將相鄰的四個(gè)點(diǎn)合成為一個(gè)像素點(diǎn)。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運(yùn)算地非?？?。這就是大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)CCD的成像原理。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成，其中包含著數(shù)學(xué)計(jì)算，因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無法達(dá)到如刀刻般的銳利。

CMOS

互補(bǔ)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(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)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(gè)互補(bǔ)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(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。

CMOS特點(diǎn)

除了CCD和CMOS之外，還有富士公司獨(dú)家推出的SUPER CCD，SUPER CCD并沒有采用常規(guī)正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果是可以縮小對圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。

傳統(tǒng)CCD中的每個(gè)像素由一個(gè)二極管、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。SUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，原有的控制信號路徑被取消了，只需要一個(gè)方向的電量傳輸路徑即可，感光二極管就有更多的空間。SUPER　CCD在排列結(jié)構(gòu)上比普通CCD要緊密，此外像素的利用率較高，也就是說在同一尺寸下，SUPER CCD的感光二極管對光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。

那為什么SUPER CCD的輸出像素會比有效像素高呢？我們知道CCD對綠色不很敏感，因此是以G－B－R－G來合成。各個(gè)合成的像素點(diǎn)實(shí)際上有一部分真實(shí)像素點(diǎn)是共用，因此圖象質(zhì)量與理想狀態(tài)有一定差距，這就是為什么一些高端專業(yè)級數(shù)碼相機(jī)使用3CCD分別感受RGB三色光的原因。而SUPER　CCD通過改變像素之間的排列關(guān)系，做到了R、G、B像素相當(dāng)，在合成像素時(shí)也是以三個(gè)為一組。因此傳統(tǒng)CCD是四個(gè)合成一個(gè)像素點(diǎn)，其實(shí)只要三個(gè)就行了，浪費(fèi)了一個(gè)，而SUPER CCD就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，只用三個(gè)就能合成一個(gè)像素點(diǎn)。也就是說，CCD每4個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)計(jì)算4次；SUPER CCD每3個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)也是計(jì)算4次，因此SUPER CCD像素的利用率較傳統(tǒng)CCD高，生成的像素就多了。

CCD跟CMOS的區(qū)別

由兩種感光器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(jià)格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS價(jià)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(fèi)級別以及高端數(shù)碼相機(jī)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)的攝像頭使用CCD感應(yīng)器，廠商一定會不遺余力地以其作為賣點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。

CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電，不像由二極管組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是"電老虎"的不良印象。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。

此外，CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續(xù)掃描300萬個(gè)電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個(gè)人傳給另一個(gè)人，并且只有在最后一個(gè)數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號放大，采用這種方法可節(jié)省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描，同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。

影像感光器件因素

對于數(shù)碼相機(jī)來說，影像感光器件成像的因素主要有兩個(gè)方面：一是感光器件的面積；二是感光器件的色彩深度。

感光器件面積越大，成像較大，相同條件下，能記錄更多的圖像細(xì)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(jī)向時(shí)尚小巧化的方向發(fā)展，感光器件的面積也只能是越來越小。

除了面積之外，感光器件還有一個(gè)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(jìn)制數(shù)字來記錄三種原色。非專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)的感光器件一般是24位的，高檔點(diǎn)的采樣時(shí)是30位，而記錄時(shí)仍然是24位，專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)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(gè)8位的二進(jìn)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(gè)12位的二進(jìn)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位感光器件的數(shù)碼相機(jī)來拍攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是亮度高于256倍的部位，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位感光器件的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，就不會有這樣的問題。

感光器件的發(fā)展

CCD是1969年由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。進(jìn)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(shí)CCD的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，算一算CCD 發(fā)展至今也有二十多個(gè)年頭了。進(jìn)入90年代中期后，CCD技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，同時(shí)，CCD的單位面積也越來越小。但為了在CCD面積減小的同時(shí)提高圖像的成像質(zhì)量，SONY與1989年開發(fā)出了SUPER HAD CCD，這種新的感光器件是在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(jī)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(jī)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(jī)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。