CCD技术在数码相机中的应用

　　摘要：CCD是数码相机为的部件，其功能是把透过镜头的光线捕获并转换为电子信号。由CCD的性能来决定数码影像的质量的因素主要有：CCD尺寸、像素数、单位像素大小、文件传输和读出方式、CCD虑镜颜色。

　　现代视频影像技术和以电子计算机为的数码影像技术技术正以崭新的技术手段，逐步在越来越多的应用领域取代或改变了人们所熟知的传统摄影技术，新的一种既不用胶片也不用冲洗的摄影方式已经形成———数码相机。

　　它无需胶片和冲洗，可重复拍摄和即时调整，影像可无限复制且不会降低质量，方便保存，并可用于电子传输和处理图像，现已广泛应用于社会生活的各个领域。由于数码影像技术可以很便捷地对图像进行修改、组合，大大提高了摄影者的主观创造性。

　　数码相机的优势是与信息技术的有效融合，它已被看作是IT技术的重要组成部分，而且软件、网页、邮件都需要数码照片，尤其是当印刷技术也基本实现了数字化、电子化，数码图像可直接满足这方面的要求。数字化摄影已经建立了一整套崭新的拍摄、后期制作、传输方式、储存方式的技术全系，其主要特征是以纯粹的物理方式取代传统的化学处理方式。

　　CCD（Charge Coupled Device）电荷耦合器件，是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。CCD是一种光学感应芯片，用于捕捉图形，是数码相机为的部件。数码相机规格中的多少像素指的就是CCD分辩率。它上面是一块布满光敏元件的感光板，由许多微小的光敏元件、电荷转移电路组成。如果能放大，CCD上就会看到密密麻麻的像素。在拍摄时能把光线经过镜头导入到这些像素，转变成电荷，每个元件的电荷量取决于光照强度。CCD 将元件的信息通过模数转换器芯片转换成数字信号，经过压缩后由相机内部闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举把数据传输给计算机，计算机根据需要和想像来修改处理图像。CCD 由许多感光单位组成，每原色的光度用8 位数据来记录，通常以百万像素为单位。数码相机先用快门激活CCD 传感器，把光信号转变为电信号，然后把电信号转变为数字信号，把得到的数字图像储存在存储器中。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于下的电子线路矩阵所组成。

　　CCD 在接受光线时本身并不能分辨颜色，需要为传感器加上色彩过滤器，来指定CCD 像素按不同的分工识别不同的颜色。CCD的生产厂家只有索尼（SONY）、柯达（KODAK）等几种。各不同厂家生产的CCD 像素的排列方式也不同，所占的CCD 面积也有所不同。因此多少像素也不能反映出数码相机的成像质量。由CCD 的性能来决定数码影像的质量的因素有很多，这包括CCD 的尺寸、像素数、单位像素的大小、文件传输和读出方式、CCD 滤镜颜色等。在数码相机中重要的标准除了像素量之外，其中像素的尺寸也是极其关键的。CCD 与胶片的原理相近，光线穿过一相镜头，将图形信息投射到CCD 上，但与胶卷不同的是CCD 没既没有能力记录图形数据，也没有能力保存下来，甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都不停留地送入一个模/ 数转换器、一个信号处理器及一个存储设备（存储卡）。

　　CCD 首要的是数据的传输方式，也就从CCD 的各个像素读出数据的方式。传输方式目前共有两种：一种是帧传输方式（frametransfer），像素本身就是传输线路，确保像素尺寸，感光比较好。另一种叫插写方式（interlene transfer），将CCD 所获得的数据分奇数和偶数线两次交叉读出，传输线的容量比较小。即前者的像素大小比较有利于感光，但后者传输速率比较快。CCD 的另一个要素是读出方式，它实际是插写方式的演化，原本用在摄像机上，也就是奇数行和偶数行的两次交叉读出方式，它是分两次读出的，是一种基于扫描线的读出方式。摄相机的这种读出方式称作隔行扫描（interracescan）方式，而从摄像机所用的CCD 进化而来的数码相机专用CCD 则可以将所有像素性地输出，称作为逐行扫描（progressivescan）方式。

　　还有就是滤镜的颜色。CCD 原本是具有黑白感光性能的传感器。为增加彩色信息，需要在CCD 的各个像素上加上彩色滤镜，只让其特定的光线通过，从而可以获得彩色的信息。滤镜共有两种：

　　①色彩还原较好的原色系滤镜；②解析度较高的补色系滤镜。每种滤镜都是四相一组，覆盖在每一个像素上。每一组原色系的滤镜包括一个红色、两个绿色和一个蓝色。而补色系滤镜则是包括黄、青、洋红和绿四种各一个。原色滤镜与补色系滤镜相较，色彩还原性较高，感光度比补色系底。补色系的解像力和感光度比原色系高，色调的还原性则较差，而补色系所能透过的光亮是原色系的1.5 倍，在感光度上也是补色系较。数码相机使用的是一个含有许多彩色影像单元（photo cell）的CCD 来记录镜头所摄取的光强度和影像色值（RGB 或CMY），然后通过数字相机中的微处理器（microprocessor）来生成彩色影像，并计算在终影像文件中每一个相应像素的完整色彩值，通过这些像素来表达及形成与传统底片相似的数字照片。但并不是所有的CCD 影像单元都能终形成有效的影像，会有一些黑色影像单元起不到应有的作用，这种损失约为总像素的15%左右，即总像素与有效像素的关系。

　　CCD 尺寸的大小对形成画面的终质量会起到极为关键的作用。好比传统的胶片摄影，其中胶片的尺寸对影像的影响一样关键。

　　面积大的CCD 不仅可以提高感光性能，还可以增加单位面积的像素数质量。但是仅有较高的像素数量及CCD 的尺寸并不能保证能够输出高质量的照片。数字相机同时还需要有高质量的色彩管理系统、高质量的光字变焦镜头、的数/ 模转换器及档案处理方法。

　　随着CCD 技术不断改进、提高，CCD 的发展很快，SuperCCD 是富士独创的一项CCD 技术，至今已发展到了第五代的SuperCCD。

　　这项CCD 技术与前面介绍的普通型CCD 的不同在于：它改变了矩阵CCD 四个原色点合成一个像素点的原理，八边形几何构造和间断排列，使蜂窝状的感光单元能更好的利用了CCD 表面空间，在像素相等的情况下获得了更多的信息量。随着新技术的不断进步，级的数字相机有效像素达了4000 万，这已经超过了传统胶片的标准。各CCD 的生产厂家也在不断发展，技术将更加成熟，现代摄影将在高新技术领域更快地发展。