本文仅用于学习和记录。

CCD/CMOS的成像原理

以下是常见的CCD相机成像过程的简单描述，现说明一下：

1.用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过相机的镜头传播到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控制光电二极管产生的电流，由电流传输电路输出，CCD一次成像产生的电将 收集信号，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，即电压的高度 低成正比。这些值实际上是图像数据。

5.但是，仅靠第四步获得的图像数据不能直接生成图像，还需要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP这些图像数据中的颜色 彩色校正、白平衡处理（取决于用户在相机中的设置）等后处理，编码相机支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后存储为图像文件。

最后，将图像文件写入存储器(内置或外置存储器)。

目前，市场上大多数相机都使用图像传感器CCD（Chagre Couled Device），即电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。它由大量独立的光敏元件组成，通常按矩阵排列，通常是数百万像素（megapixel）为单位。相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD分辨率是指相机CCD感光组件有多少？透过镜头照射光线CCD每个元件上的电荷量取决于其光强。按快门，CCD将各元件的信息传输到A/D上，通过模拟电信号A/D处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩，然后存储在缓存中。这时，一张数字照片诞生了。CCD通常用于相机，DV在扫描仪上，作为感光组件。（关于CCD它看起来像什么样子，它的组件放大图片，见下图)

传统CCD然而，这种做法限制了在有效区域内提高分辨率的能力。1/1.8CCD理想值约为600万像素，考虑到成本和制造良品率降低到400万是合理值。因此，一些制造商聪明地想出了改变CCD为了提高这一范围内的分辨率，排列顺序。由此产生了一种特殊的产生CCD，叫SUPER CCD。它是富士原创的。它不使用传统的方形二极管，而是使用八边形二极管。像素以蜂窝状排列，单位像素面积比传统像素大CCD大。45度像素旋转排列的结果是减少了图像拍摄无用的多余空间。光集中效率相对较高，提高了感光率、信噪比和动态范围。（关于两种CCD的排列对比见下图）

随着用户的要求不断提高，传统的CCD该技术无法满足当前用户对数字图像的需求。为了满足用户的需求，占领市场，一些制造商近年来推出了几种新产品CCD技术：

富士于2002年初发布了第三代Super CCD。富士于2003年初发布了第四代Super CCD(见下图):

2002年2月，美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术前，一般CCD结构类似于蜂窝状滤色版(见下图)，下面是传感器，以确定入射光是RGB哪种三原色？

然而，蜂窝技术（美国也被称为马赛克技术）的缺点是分辨率不能提高，颜色防御能力差，生产成本高。因此，这些年来的高阶CCD日本一直垄断生产。新的X3技术使电子技术能够成功地模仿真实底片的着色原理（见下图），并根据光的吸收波长逐层着色。对应蜂窝技术的一个像素只能感种颜色的缺点，X同一像素能感应到三种不同的颜色，大大提高了图像的质量和色彩表现。

X还有一个特点，那就是支持更强的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize)。搭配群体像素(见下图)。X能达到超高ISO高速值(分辨率必须降低)VGA动画录像。比Super CCD更强的是X理论上，每个像素都能感应到三个色值X在相同的速度条件下，3的动画拍摄可能比SuperCCD III更加精致。

2003年中期，SONY发布4色感应CCD。传统的CCD三原色矩阵，新的SONY CCD添加浅绿色。新一代的CCD不仅在节能和功率方面，还提高了色彩表现。SONY公司改变了以前的三色CCD创新推出新色四色过滤传统CCD，命名为ICX456。(4色分布见下图，左图为传统CCD右图为三色分布ICX4564色分布)新增E的颜色是Emerald(应翻译成祖母绿)。不同于以往三个原色RGB，E这种颜色增强了自然风光的解色能力，使绿色水平创造了更多的变化。应用的效果有点类似于喷墨打印机配备的浅蓝色和洋红色，以增强混色能力和效果。此外，它还配备了新的色阶CCD，SONY还开发了新的图像处理器，不仅有效降低了30%的功耗，而且加快了处理速度和绿色阶分析能力。

这项发明的特点是传统DC主要使用3色过滤矩阵，对每一个光点（或称像素）产生3种不同颜色的强度：红色（R），绿色（G）和蓝色（B）数据，然后整合这些数据，形成我们看到的图像。然而，根据实验，人类视觉系统对绿色的敏感性高于其他两种，这也使传统CCD红色和蓝色各25%，绿色各50%。然而，在这样的比例中，颜色差异仍然无法纠正，因为人类的视觉更接近模拟效果，而不是切割成数字阶层。为使风景的色彩更加逼真，SONY该技术有效地将深绿色、浅绿色分别引导取样，对绿色忠诚再现有很大的帮助。

以后补充说明CCD许多用户认为基础结构：CCD只是一个芯片。但实际上CCD与处理器制成完整的组件(见下图)。可以保证这种设计DC组件，降低维护和检查成本（也就是说，可以使用计算机检测组件运行，一旦自检发现特定组件问题，直接更换整个组件，不需要一个接一个地测试单件，简单和麻烦，这也是DC维修费用居高不下的原因之一)

如果切开CCD，会发现CCD和三明治一样，第一层是微镜头，第二层是分色滤色片，第三层是感光汇流片。为什么镜头会直接做？CCD上呢？其实这应该是英语翻译的问题，具体原因我不太清楚。ON-CHIP MICRO LENS是1980年初由SONY技术发展领先。这是为了有效提高CCD为了维持像素，还应确保单一像素的持续缩小CCD标准体积。因此，单像素的受光面积必须扩大。但利用提高开口率来增加受光面积反而使画质变差。因此，开口率只能提高到一定的极限，否则CCD将成为劣质产品。为了改善这个问题，SONY在每个感光二极管(单像素)上率先安装微镜。这个设计就像帮助CCD就像挂眼镜一样，感光面积不再由传感器的开口面积决定，而是由微镜片的表面积决定。这样可以同时考虑单像素的大小，提高规格的开口率，大大提高感光度。CCD第二层是分色滤色片，目前有两种分色方法，一种是RGB另一种是原色分色法CMYG这两种方法各有优缺点。但就产量而言，原色和补色CCD比例约为2:1。原色CCD画质锐利，色彩真实，但缺点是噪音问题。所以一般采用原色CCD的DC，在ISO大多数感光度不超过400。相对的补色CCD另外一个Y黄色滤色器，在色彩分辨上比较仔细，但牺牲了部分分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在 800以上。(这两种分色方法见下图)

CCD第三层是感光汇流片，主要负责将穿透滤色层的光源转换为电子信号，并将信号传输到图像处理芯片，恢复图像。

最后说一下CMOS：

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）在微处理器、闪存和特定用途的集成电路中，即互补金属氧化物半导体（ASIC）在半导体技术对重要。CMOS和CCD它们都是半导体，可以用来感受光化。CMOS主要由硅和锗制成的半导体CMOS带负电和带正电的晶体管实现基本功能。处理芯片可以记录和解释这两种互补效应产生的电流。

因为CMOS结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，可降低生产成本。原则上，CMOS信号是以点为单位的电荷信号，CCD是行为单位的电流信号，前者更敏感、更快、更省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但目前CMOS这种高质量的技术发展还不成熟CMOS只用于专业级数码相机，很多低档入门级数码相机都是廉价低档的。CMOS，其成像质量较差。最大的缺点是噪声太容易， 这主要是因为早期设计CMOS由于电流变化过频繁，在处理快速变化的图像时会过热。所以目前买消费级数码相机还是要选择的CCD图像传感器。