数码相机CCD图像传感器的原理

    数码相机与普通胶片式相机的主要区别在于摄像元件。普通胶片式相机拍摄照片，直接将镜头摄取的光图像照射到感光胶片上，感光胶片经过冲洗（显影和定影）制成底片，再经光学放大和洗印变成照片。而数码相机则是通过镜头将光图像照射到CCD图像传感器上，图像传感器将光图像变成电信号，电信号经数字信号处理电路将数码图像记录到存储卡上。图像传感器的工作过程如图10-20所示。或是将数码图像传送给计算机、打印机进行图像处理或打印，完全不需要专门的洗印设备。    从结构原理上，CCD图像传感器可以分为线阵CCD和面阵CCD两种。    线阵CCD主要用于高分辨率的室内扫描数码相机，它的工作原理与台式扫描仪类似，在拍摄景物时，线阵CCD要对所拍摄景象进行一行行的扫描，每条线的宽度大约为10μm，光线经透镜组投射到线性CCD中，由三条平行的线状CCD分别对应记录红、绿、蓝三色信息，在每一条线状CCD上都嵌有滤光器，每一个滤光器分离出相应的原色光，CCD图像传感器根据光线强弱的不同转换成不同大小的电信号，经A/D转换处理，将电信号转换成数据信号，即产生一行的图像数据，最后，将逐行像素经过组合从而生成最终拍摄的影像。由于这种特殊的工作原理，线阵CCD数码相机的拍摄过程会生成很大的数据量，因此这类相机的拍摄一般都由计算机来进行控制，并且，在曝光的同时将所生成的文件数据实时地通过数据电缆传输到计算机的存储设备中进行存储。
    图10-20    CCD图像传感器的工作过程    面阵CCD是平面阵列CCD的简称，也称区域阵列CCD。与线阵CCD不同，面阵CCD包含一个光敏元件矩阵，在其感光面上纵横排列集成有几十万个、几百万个甚至上千万个光电二极管及驱动电路。当光线经镜头汇聚成像在面阵CCD上时，每个光电二极管会因感受到的光强的不同而产生出不同数量的电荷。通过驱动电路可取出每个光电二极管上产生的电荷而形成电信号，该电信号经A/D变换形成二进制数字信号。上百万个像素点集合起来，即构成了数字照片。    CCD中的每个像素单元是由一个光电二极管、电荷传输控制电极、色滤光镜等部分构成的，如图10-21所示。在光电二极管的上面，还设有彩色滤光器或微型透镜。其中，光电二极管的功能是产生电荷，它所产生电荷的量是与光照强弱及积累的时间成正比的。
    图10-21    面阵CCD上的一个像素单元结构示意图    数码相机在拍摄景物时，快门动作的瞬间，光图像照到CCD感光面上，光电二极管产生电荷并积累电荷，形成一个电荷图像，每个光电二极管产生的电荷在驱动信号的作用下先全部转移到垂直CCD中去，然后，再按水平方向排列的顺序输出电荷信号，直到将整个CCD感光面上的信号全部输出，完成一幅照片的信号转移。