感光元器件

CCD感光元件，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

简要介绍

摄影常识——7

感光元器件

胶片相机记录感觉信息的载体是胶片（胶卷）。数码相机则通过成像感光元器件将感觉信息转换成表示信息（二进制编码的“0、1”），而记录到CF等接口的存储卡载体上。

成像感光元器件与数码相机一体的，是数码相机的心脏。感光器是数码相机的核心，也是最为关键的技术。数码相机的发展，实质上就是感光器的发展。目前，数码相机的核心成像感光器件，有两种：①电荷藕合器件图像传感器（Charge Coupled Device简写为CCD）。②互补金属氧化物导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor简写为 CMOS）。

电荷藕合

电荷藕合（CCD）使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信息，数字信息经过压缩以后，由数码照相机内部的闪速存储器（如：CF卡）或内置硬盘卡保存。可以把图像数字信息，传输给计算机。并可以借助于计算机的处理手段，根据需求来修改图像数字信息。

人眼视网膜是由分工合作组成的两种视觉感应细胞组成的：①负责光强度感应的柱形细胞。②负责色彩感应的锥形细胞。

电荷藕合（CCD）和胶片（胶卷）相比，感觉光线的工作方式，更接近于人眼视网膜等视觉神经系统。主要组成是由一个类似“马赛克”的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。

目前，电荷藕合（CCD）光敏元件主要有两种类型：①线性CCD。②矩阵性CCD。

线性CCD

线性CCD用于高分辨率的静态相机。每次只拍摄图像的一条线，这与平板扫描仪，扫描照片的方法相同。

特点：

CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。

矩阵式CCD

矩阵式CCD每一个光敏元件，代表着图像中的一个像素。当快门打开时，整个图像同时一次曝光。

矩阵式CCD处理色彩的方法——是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。

在记录相片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的4个点合成为一个像素点。

特点：

允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。

因为不是同点合成，其中包含着数学计算，所产生的图像，无法达到很锐利的程度。

例如：典型的两种CCD排列方式。

①原色CCD方式：绿—红—绿—蓝（G-R-G-B）。以光的三种原色红绿蓝（RGB）为感光基础。

优点：色彩调和准确、还原度高、真实自然、画质锐利，对于后期数字图像处理调色容易。

缺点：不能根除噪声问题，黑白两色容易形成杂点、色阶较窄。

因此，一般采用原色CCD的数码相机在ISO感光度上多半不会超过400。

②补色CCD方式：青—黄—品红—绿（C-Y- M - G）。以青黄品红绿（CYMG）为感光基础。

优点：色阶较宽、色彩混合变化多而精细丰富。

缺点：色彩过于细致使图像表现较柔和而不够鲜明，还牺牲了部分图像的分辨率，并且对于后期数字图像处理时调色不易，容易产生色散或偏色的问题。

在ISO值上，补色CCD方式可以获得较高的感光度，一般都可以在ISO 800 以上。

这两种排列方式成像的原理都是一样的。但是，不同方式对数码相机的成像质量有重要影响。

CCD成像的原理

光的三原色为：红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）。在计算机中，则用一个8位二进制的数（11111111）2来表示某一种颜色的灰度值。用十六进制的（FF0000）16来表示一个单纯的红色。用十六进制的（00FF00）16来表示一个单纯的绿色。用十六进制的（0000FF）16来表示一个单纯的蓝色，这种方法可以表示224= 16777216种颜色。

颜色的取值范围是：（000000）16～（FFFFFF）16，任何一种颜色，是由光的三个原色不同的灰度值来表示的，如：（ⅩⅩⅩⅩⅩⅩ）16。

例如：黑色（000000）16、白色（FFFFFF）16、灰色（666666）16、某种颜色（123456）16。

不同进制数值的转换，如：（11111111）2=（FF）16=（255）10

一个像素不可能感知所有色彩的灰度，只能感知红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）当中的某一种色彩的灰度。

为了显示彩色图像，可以让三种像素点分别专门感知红色、绿色、蓝色三种灰度。这样，光三原色的单个颜色的采样灰度色阶就有了。

一个像素可以理解为一个采样精度为255阶的模数（AD）转换口。如：负责采样红色灰度值的像素，得到当前光线中红颜色的灰度数字信息。同理，得到绿色、蓝色的灰度数字信息。

电荷藕合（CCD）上，三种采样不同颜色灰度数字信息的像素点交叉布局的结构，如图1所示。

图1 三种感知颜色的像素分布

从图中可以看到：红绿蓝三种颜色的像素点的分布数量比是1:2:1。

红色和蓝色点是一个隔一个。而绿色点则占了一整行。也就是说红绿蓝（RGB）三种颜色像素点的数量之比为1:2:1。

由于人的视觉器官，对绿色特别敏感。所以，刻意多加了绿色灰度数据信息的收集，这样做的目的是为后期处理相片的做铺垫。

当拍完相片图像之后，得到的就是这些小型数模（AD）采样灰度值，也就是相机原始图像编码的表示媒体信息——数码相机的“底片”。输出的文件叫做RAW格式文件。存的就是这三种颜色的灰度数字信息。

例如：一台1200万个像素的照相机。

CCD上有1200万个感光像素点。红绿蓝（RGB）三种颜色像素点的数量之比为1:2:1。最终生成的RAW格式文件中，包含300万个红（R）颜色的灰度值，600万个绿（G）颜色的灰度值，300万个蓝（B）颜色的灰度值。

⒈计算没有压缩时的成像文件的大小：

①如果1个感光像素点占用8个二进制位。那么，1200万个感光像素点占用的二进制位数为：8位（bit）×12000000=96000000位（bit）

②1200万个感光像素点占用字节数为：96000000位（bit）÷8=12000000字节（Byte）

③单位换算：

12000000字节（Byte）÷1024=11718.75字节（Byte）=11.71875兆字节（MB）≈12兆字节（MB）

答：这一台1200万个像素的照相机，最后生成一个未压缩的RAW格式文件大小约为12MB。

⒉将1200万个像素的RAW格式文件，转换成红绿蓝（RGB）像素的TIFF格式文件，有多大？

①一个红绿蓝（RGB）三种颜色像素点，用一个3×8位（bit）=24位（bit）表示，那么TIFF格式文件的大小应为：

11.71875兆字节（MB）×3=35156.25兆字节（MB）≈36兆字节（MB）

②分析：那么，多出来的2倍的数据是哪里来的？是因为一个像素是由一个8位的二进制数来表示，而最终看到的图像是一个红绿蓝（RGB）像素，则是由一个8位×3=24位的二进制数值来表示的。

这是数码照相机、或者计算机的中央处理单元（CPU），采用所谓“插值算法”算出来的。

（插值算法简述：通过这个像素周边的颜色灰度值来计算出这个像素点的红绿蓝（RGB）值。如果这个颜色像素点记录的是红（R）的灰度值，那么插值的时候，程序就会去找这个像素点周边绿（R）和蓝（B）像素点的灰度值，这样可以补足24位。）

数码照相机成像出现紫边产生的原因，可以总结为三点：

①照相机镜头的色差。②电荷藕合（CCD）成像的局限性。③相片放大倍数。

其中，插值算法应该是出现紫边的主要原因。

金属半导体

互补性氧化金属半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，简写为CMOS）和电荷藕合（CCD）一样，同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。

CMOS主要是利用硅或锗的半导体元素，使其在CMOS上存有PN结，由于互补效应所产生的电流，被处理芯片纪录和解读成影像。

缺点：太容易出现杂点。（早期的CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而产生过热现象。）

超级电荷藕合

超级电荷藕合CCD（Super CCD）则采用了一种八边形的二极管，像素是类以蜂窝状（六边形）排列，并且单位像素的面积要比电荷藕合（CCD）大。

将像素旋转45度排列的结果，是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。

图2 普通CCD（呈矩阵排列）、超级CCD（呈蜂窝状排列）

普通电荷藕合CCD中的每个像素，是有由一个PN结的感光二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。

超级电荷藕合CCD采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径即可。使得感光二极管有更多的空间。

特点：排列结构紧密，像素利用率较高，感光度、信噪比和动态范围都有所提高。