数码相机技术特性分析及改进

数码相机技术特性分析及改进

数码相机技术特性分析及改进

1.1 数码相机的光电成像系统的分析及改进

虽然CCD技术在运用越来越广泛的今天，慢慢地成熟起来，但是依然有很多影响成像质量的恶待解决的问题。以下所列正是现今科技发展的重点探究方向。

1.1.1 用于提高感光性能的改进

1）采用矩阵CCD 影像技术及高质量微透镜聚光技术

图1-1 矩阵CCD 的结构

矩阵CCD 影像技术，在保证像素数不变的情况下,矩阵CCD 拥有大至普通CCD 四倍的面积,从而提供了更高的速度指标和感光性能。此外，采用精密仪器生产技术还能在每个CCD 感光元件上方增加一个微透镜，有效的将光线集中于CCD 元件感光性能最佳的中心部位，使得CCD 的感光度提高30%。无需增加光源，清晰影像转瞬即得。

图1-2高质量微透镜聚光技术

2）超级CCD 影像传感器成像技术

除了CCD和CMOS之外，还有富士公司独家推出的Super CCD，Super CCD并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的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。

传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。SUPER 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，感光二极管就有更多的空间。SUPER CCD在排列结构上比普通CCD要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，SUPER CCD 的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。

那为什么SUPER CCD的输出像素会比有效像素高呢？我们知道CCD对绿色不很敏感，因此是以G－B－R－G来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。而SUPER CCD通过改变像素之间的排列关系，做到了R、G、B像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统CCD是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而SUPER CCD就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。也就是说，CCD每4个点合成一个像素，每个点计算4次；SUPER CCD每3个点合成一个像素，每个点也是计算4次，因此SUPER CCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了。

图1-3普通CCD 与超级CCD 的像素结构图1-4超级CCD 像素点的多角形结构

超级CCD ，它通过改变像素排列方式提高单位面积的感光器数量。因此，高光细节部分被完整的保留下来。

（1）超级CCD 带来更高分辨率。近几年，数码相机CCD 像素数的竞争越来越激烈。这期间图像感应器芯片的尺寸并没有增加，这样每个像素的尺寸在不断减小。在超级CCD 中，1/1.7 英寸的芯片上总共集成663 万像素，配备这种芯片的数码相机可以产生1230万的记录像素。类似的，1/2.7 英寸的芯片上总共集成314 万像素，可以产生600 万的记录像素。除了大幅度提高分辨率，相比传统CCD，超级CCD 的感光度也得到提升。

（2）超级CCD 带来更丰富细节。从给出的原理图中可以看出超级CCD整合了高感光度的S像素(大像素)和起到拓宽动态范围作用的R 像素(小像素) 。通过叠加，

以保证在各种场景中超级CCD 能够传递更高的感光度和更宽的动态范围。传统数码相机在拍摄高反差的照片时往往不尽如人意，比如高光部分和低调部分会损失很多关键细节。超级CCD 的光电二极管被设计成更大的尺寸，所以提高了

成像元器件的感光度和动态范围。超级CCD 动态范围是传统CCD 的四倍，所以高光部分和低调部分很少会损失细节，从而产生更宽阔的色调范围和更平滑的色彩过渡。

图1-5超级CCD 的原理图

1.1.2 用于提高信噪比及灵敏度的改进

提高CCD 的动态范围,特别是降低暗电流噪声对于这种组合型ICCD 的灵敏度具有重大的实际意义。关于灵敏度方面，主要从增强型CCD图像传感器方面进行讨论，这不是本文重点讨论的内容。

1.2 数码相机的光学系统的分析及改进

1.2.1 影响镜头质量的因素

做为数码相机重要组成部分的镜头是重中之重，相机的镜头是相机成像的关键。数码相机镜头的质量在一定程度上决定了其成像质量。目前，数字相机的镜头所采用的材质有磨光玻璃和透明塑料两种。这两种材质各有特点，磨光玻璃的透光程度略好，而透明塑料有重量轻的优势。一般人可能都会认为选用玻璃材质作为镜头的数字相机一定会比透明塑料镜头的相机投影更清晰，性能更优良，其实不然，由于数字相机镜头的结构非常复杂，因此，所采用的透镜组合、设计方案及制作工艺才是镜头质量优劣的关键。如果制作工艺考究，磨光玻璃和透明塑料在透光性方面不会有太大差别。虽然从理论上讲，数字相机的CCD 只需要一片透镜就可以，但在实际的应用中由于透镜的球差、色差等诸多原因，严重影响成像的质量。为了提高图像质量，在数字相机的镜头中需要设计有不同功能的透镜组合，但如果透镜过多势必会影响景物投射到CCD 时的清晰度。所以说，透镜的制作工艺和透镜组合的设计方案十分重要。除了材质方面的因素外，还要注意镜头其他方面的因素，例如焦距、变焦。

1.2.2 镜头的改进:采用镀膜技术

采用合适材料对热塑性塑料透镜镀制耐磨减反射膜，较好地克服了膜层附着力差的缺点，在热塑性塑料透镜上镀制出了膜层结合牢固，耐磨性、耐候性很好，有一定增透性，膜层均匀的三层耐磨减反射膜，大大提高了透镜的应用范围。

1.3 小结

从以上两个方面，我们详细的讨论了CCD成像的几个影响因素及其解决办法，也提出了很多当今科技在CCD方面的研究方向，它们都将丰富CCD成像的应用。相信在不久的将来，CCD能有更大的发展，我们能见到更加智能，更加快捷，能拍摄出更好照片的数码相机！