数码相机CCD的成像原理

CCD它是一种能将光学图像转化为电信号的半导体器件。它是贝尔实验室的维拉·波义耳和乔治·史密斯于1969年发明。

CCD光学信号可模数转换，可以直接将光学信号转换为模拟电流信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和再现。体积小，重量轻，功耗小，灵敏度高，响应速度快。CCD广泛应用于数码摄影、天文、光学遥测、光学和频谱望远镜、高速摄影等领域。

1、用DC拍摄景物时，景物反射的光线通过DC镜头透射CCD上。

2、当CCD曝光后，光电二极管受光线刺激释放电荷，从而产生感光元件的电信号。

3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD收集一次成像产生的电信号，统一输出到放大器。

4、放大和过滤后的电信号被发送到A/D，由A/D将电信号(此时为模拟信号)转换为数字信号，与电信号的强度成正比。这些值实际上是图像数据。

5、然而，仅仅依靠第四步获得的图像数据不能直接生成图像，输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP在这些图像数据中，颜色校正和白平衡处理(视用户而定DC后期处理，编码为DC图像格式、分辨率等数据格式，然后存储为图像文件。

6、较后，将图像文件写入存储器（内置或外部存储器）。

由于DC采集原理只能是亮或暗，部分细节会在暗或亮的光线下丢失(这种现象叫限幅)，有时很难纠正。DC使用单调光、闪光等光源拍照时，效果较好，但在色彩较多、光线复杂的情况下，效果与传统相机相差较大。

因此，非专业DC一般不能用于制作大幅图像。但由于图像以数字形式存储，可以与各种设备传输信息，图像质量在传输过程中不会损失。

众所周知，数码相机成像的关键在于其感光层，以扩展CCD采光率必须扩大单像素的受光面积。然而，提高采光率的方法也很容易降低图像质量。这层微镜头相当于在感光层前添加一副眼镜。因此，感光面积不再由传感器的开口面积决定，而是由微镜头的表面积决定。

CCD第二层是分色滤色片RGB另一种是原色分色法CMYK这两种补色方法各有优缺点。首先，让我们先了解一下两种分色方法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜都能识别的颜色都可以由红、绿、蓝组成，而RGB三个字母分别是Red,Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成的。CMYK，这是由四个通道的颜色组成的，它们是绿色的（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。

原色CCD优点是画质锐利，色彩真实，但缺点是噪音问题。因此，我们可以注意原色CCD数码相机，在ISO大多数感光度不超过400。相对而言，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD能容忍较高的感光度，一般可设定在800以上

第三层:感光层

CCD第三层是感光片

传统相机胶卷尺寸为35mm，35mm对角长度，35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。转换为数码相机，对角长度接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。许多单反数码相机接近35mm的CCD/CMOS比如尼康德D100，CCD/CMOS达到尺寸面积23.7 x 15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm，达到了35mm因此，成像也比较好。

目前市场上的消费级数码相机主要有2/3英寸和1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。

CCD/CMOS感光面积越大，成像效果越好。

1/1.8300万像素相机通常比1/英寸好2.7400万像素相机(后者的光敏面积只有前者的55%)。相同尺寸的CCD/CMOS当然，增加像素是一件好事，但它也会缩小单个像素的感光面积，并可能导致曝光不足。但如果在增加CCD/CMOS为了保持现有的图像质量，必须在至少保持单个像素面积不减小的基础上增加像素CCD/CMOS总面积。目前尺寸较大。CCD/CMOS加工制造难度大，成本高。CCD/CMOS大型数码相机的价格也很高。传感器的大小直接影响数码相机的体积和重量。超薄超轻数码相机一般CCD/CMOS尺寸越小，数码相机越专业，CCD/CMOS尺寸越大。

鉴于许多网友询问 CCD 与 CMOS 的主要区别。我们暂时抛开复杂的技术文本，通过简单的比较来看待这两种不同类型的图像感光元件。无论如何CCD 或 CMOS，基本上，两者都使用硅感光二极体（photodiode）进行光和电的转换。这种转换的原理类似于太阳能电子计算机的太阳能电池效应。光线越强，功率越强；相反，光线越弱，功率越弱，光图像转换为电子数字信号。CCD 和 CMOS 的结构，ADC位置和数量是较大的区别。简单来说，按照我们上面说的CCD 感光元件的工作原理(上)。CCD每次曝光，快门关闭后进行像素转移处理，每行每个像素（pixel）按顺序将电荷信号传输到缓冲器CCD 旁边的放大器放大，然后串联 ADC 输出；相对地，CMOS 在设计中，每个像素直接连接到 ADC(放大和类比数字信号转换器)，信号直接放大并转换为数字信号。

两者优缺点的比较 CCD CMOS 设计 单传感器 传感器连接放大器 灵敏度 同面积高 传感器开口小，灵敏度低 线路质量影响高，成本高CMOS集成、低成本 分析 连接复杂性低性低，分析高 低，新技术高 噪声比 单一放大，噪声低 百万放大，噪声高 功耗比 需要额外的电压，高 直接放大，低 由于结构的基本差异，我们可以列出两者在性能上的差异。CCD其特点是在传输过程中充分保持信号不失真（独家通道设计），通过每个像素 统一处理到单个放大器，可以保持数据的完整性；CMOS工艺相对简单，没有独家通道设计，所以在整合各种像素数据之前，必须先放大。总的来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用反映在成像效果上，包括 ISO 不同类型的感光度、制造成本、分析度、噪声和功耗等差异： ISO 感光度差: 感光度差: CMOS 每个像素都包含放大器和放大器A/D转换电路，过多的额外设备压缩单像素感光区的表面积，因此 相同大小的感光器尺寸，CMOS感光度会低于CCD。成本差异：CMOS 常用于半导体工业MOS工艺可一次将所有周边设施整合到单晶片中，节省加工晶片所需的成本 和良率损失；相对 CCD 如果通道中有像素故障，则通过电荷传输输出信息必须打开另一个传输通道。（Fail），会导致整排 信号堵塞，无法传输，因此CCD的良率比CMOS低，加上另一个传输通道和 ADC 等周边，CCD制造成本相对高于CMOS。分析差异：在第一点感光差异中CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂，其感光开口不如CCD大，尺寸相对相同CCD与CMOS感光器时，CCD传感器的分析通常优于CMOS。但是，如果跳出尺寸限制，目前的行业CMOS 感光原件可达1400万 像素 / 全片幅设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造的困难，尤其是整片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁边都有 ADC 放大器，如果用百万像素计，需要百万以上 ADC 放大器虽然是统一制造的产品，但每个放大器或多或少都有一些差异，很难达到放大同步的效果。与单个放大器相比CCD，CMOS较终计算出更多的噪声。功耗差异：CMOS图像电荷的驱动方式是主动的，感光二极体产生的电荷将由旁边的电晶体直接放大输出；但是CCD然而，它是被动的，每个像素中的电荷必须增加电压才能移动到传输通道。这通常需要12伏特（V）因此 CCD 还必须有更精确的电源线设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的功率远高于CMOS。尽管 CCD 在影像质量等方面均优于CMOS，但不可否认CMOS它具有成本低、功耗低、集成度高的特点。由于对数字图像的需求旺盛，CMOS低成本、稳定供应，成为厂家的较爱，因此，其制造技术不断改进和更新，使 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小。CCD为了进入摄影手机的行动通信市场，目标是减少朝向功耗；CMOS该系列通过后续的图像处理来纠正噪声和图像质量性能，特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功表明，高速图像处理晶片能够胜任高像素 CMOS 产生的图像处理时间和能力缩短；此外，大尺寸全片幅度为 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 这一系列数码机身为号召，CMOS未来跨越高级的影像市场产品前景广阔。