数码相机原理简介.ppt

数码相机 主讲人：吴厚亚 目录 一 .数码 相机 概 述 二 .数码 相机工作原理 三 .性能指 标 四 .数码 相机 Vs传统 相机 五 .数码 相机的缺点 六 .数码 相机 发 展 趋势 名词解释 数码相机 英文全称： Digital Still Camer a (DSC) 定义：一种能够进行拍摄，并利 用电子传感器把光学影像 转换 成电子 数据的照相机。 它融光学技术、传感技术、微电子技术 以及计算机技术和机械技术于一体，是典型 的光机电一体化新产品。 世界品牌： 佳能 尼康 富士 索尼 柯达 松下 三星 卡西欧 奥林巴斯 back 数码相机工作原理 数码相机的结构组成 镜头 CCD 模 /数转换 微处理器 back to to 工作原理 -信号变换 镜头 CCD 光 线 光 线 模 拟 信 号 数 字 信 号 压 缩 较 低 信 号 A/D 图像处理器 存 储 器 back 工作原理图 back 镜头 作用：收集被 照物体反射光并将其聚集于 CCD上。 next to 镜头 从镜头前面看去依次是： 镜头保护玻璃 透镜组件 光学低通滤光器 红外截止滤光器 CCD保护玻璃 CCD影像传感器 back 低通滤光器 低通滤光器是光学滤光器的一种，作用 是滤除空间频率的高频成分中，让低频成分 通过，使图像发晕。 其改变入射光束将会形成差频的目标频 率，达到减弱或消除低频干扰条纹的目的， 特别是彩色 CCD出现的伪彩色干扰条纹的目 的。 back 红外截止滤光器 红外截止滤光器大多采用镀层或外加滤 镜的形式，它的主要功能是提高成像质量， 以防止 CCD对红外线的敏感特性。 back 图像传感器 CCD 英文全称： Charge-coupled Device 中文全称：电荷耦合元件 定 义： CCD是一种半导体器件， 能够把光学影像转化为数字信号。 工 作 原 理 特 性 参 数 应 用 成 像 原 理 back CCD成像原理 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。 当光线穿过相机镜头将 图形的信息投身到 CCD上后， CCD将因感受光强的不同而 感受出不同数量的电荷送往 模 /数转换器和放大器，形 成与光强成正比的数据存储 起来。 像素 定义 像素是衡量数码相 机的最重要指标。像 素指的是数码相机的 分辩率。它是由相机 里的光电传感器上的 光敏元件数目所决定 的，一个光敏元件就 对应一个像素。 相关数据 三星 Digimax L50 500W像 素 奥林巴斯 u840 800W像 素 索尼 DSC-HX1 910W 像素 卡西欧 EX-S5 1000W 像素 尼康 P6000 13500W像 素 索尼 DSC-W350 14100W像素 back CCD工作原理 CCD是一种 MOS结构的新型器件。它具 有光电转换、信号存储和信号传输的 功能。 CCD的突出特点是以电荷作为信号， 而不同于其他大多数器件是以电流或 者电压为信号。 CCD的基本功能是电 荷的存储和电荷的转移。因此， CCD 工作过程的主要问题是信号电荷的 产生、存储、传输和检测。 电 荷 产 生 电 荷存 储 电 荷 传输 back 信号电荷的产生 在中，电荷注入的方法有很多， 归纳起来，可分为： 光注入 当光照射到硅片上时，在栅极附近的半导 体体内 产生电子空穴对 ，其多数载流子被栅极电压 排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。 摄象器件的光敏单元为光注入方 式。 电注入 所谓电注入就是 CCD通过输入结构对信号电压或 电流进行电压电流进行采样中，然后将信号电压或电 流转换为信号电荷。 back 信号电荷的存储 构成 CCD的基本单元是 MOS（金属 -氧化物 -半导体）结构 如图所示， 在栅极 G施加正偏压 UO之前， P型半导 体中空穴（多数载流子）分布是均匀 的。 当栅极施加正偏压 UG（此 时 UG小于 P型半导体的阈值电压 Uth）后，空穴被排斥，产生耗 尽区，如图所示。 next 信号电荷的存储 偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体 内延伸。当 UGUth时 ,半导体与绝缘体截面上的 电势 (常称为表面势 ,用 S 表示 )变得如此之高 ,以至于将半导体内的电子 (少数载流子 )吸引 到表面 ,形成一层极薄的 (约 102um )但电荷浓度 很高的反型层 ,如图。 反型层电荷的存在表明了 MOS结 构存储电荷的功能 back 信号电荷的传输 观察 CCD中 4个彼此靠得很近的电极，说明势 阱及电荷从一个位置移到另一个位置的过程 势阱 应 用 back Step1 初始状态 光敏元件 MOS结构接受光照产生信号电荷后，可 通过施加栅极电压的方式，把信号电荷存储在反型 层的势阱中。 back Step2 电荷由电极向电极转移 第一个电极仍保持为 10V，第二个电极上的电压由 2V变到 10V，形成新的势阱。因为这两个电极靠得 很紧 (间隔只有几微米 )，它们各自的对应势阱将 合并在一起。 back Step3 电荷在，电极下均匀分布 由于势阱的合并，原来在第一个电极下的电荷变为这 两个电极下势阱阱所共有 back Step4 电荷继续由电极向电极转移 将的电压由 10V变成 2V, 的电压保持 10V不变， 下的势阱 逐渐消失，电荷逐渐的向 下的势阱转移。 back Step5 电荷完全转移到电极 深势阱及电荷包向右移动了一个位置 完成一次信号电荷转移动作。 back 信号电荷转移的基本应用 通过将一定规则变化的电压加到 CCD各电极上，电 极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。 通常把 CCD电极分为几组，每一组成为一相，并施 加同样的时钟脉冲。 CCD的内部结构决定了使其正 常工作所需要的相数。如图所示的结构需要三相时 钟脉冲，其波形图如图 V(f)所示，这样的 CCD称为 三相 CCD。 注意 注意事项 方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能 以一定的方向逐单元地转移。 另外必须强调指出， CCD电极间隙必须很小 （一般应小于 3um），电荷才能不受阻碍地 从一个电极向另一个电极转移， CCD便不能 在外部脉冲作用下正常工作。 back CCD特性参数 转移效率 不均匀度 暗电流 灵敏度 噪声 分辨率 back 转移效率 定义：电荷包从一个栅转称到下一个栅下 时，有 部分的电荷转移过去，余下 部分没有被转移， 称为转移缺失率。 0Q back 不均匀度 不均匀是由于工艺过程及材料不均匀 引起的，越是大规模的器件，均匀性 问题越是突出，这往往是成品率下降 的原因。 back 暗电流 定义： CCD成像器件在既无光注入又无电注 入情况下的输出信号。 起因：在于耗尽区产生复合中心的热激发。 危害：限制器件的低频限、引起固定图像噪 声。 back 灵敏度 定义：是指在一定光谱范围内，单位曝光 量的输出信号电压（电流）。 back 噪声 CCD噪声分类： 散粒噪声 转移噪声 热噪声 back 分辨率 分辨率是摄像器件是重要的参数之一， 它是指摄像器件对物像中明暗细节的分 辨能力。测试时用专门的测试卡。目前 国际上一般用 MTF来表示分辨率。 数码相机分辨率的高低，取决于相机中 CCD芯片上像素的多少，像素越多，分 辨率越高。 back to CCD在数码相机中的应用 批量 信号电荷的转移 当 CCD的单元电容（也叫光敏二极管）由光照激发产生 电荷并且已经存储在其势阱中，这个时候，需要把这些 信息电荷按次序地批量传输转移到 A/D转换器中去。 首先要把 CCDH上的一个个电容近一定的方式连接起来， 如图是一种连接 方式。为获取转移功能，在每组电容 器的电极上分别加上 V1、 V2、 V3时钟驱动脉冲，其波形 如图所示。 next CCD在数码相机中的应用 为具体起见，假定将 CCD曝光，产生的电荷图像如图所示： 1号电容有 4个单位电荷， 4号电容有 2个单位电荷，其余的电容没 有电荷。 当初始处于 t=t1时刻。 V1为高电平， V2、 V3为低电平 ， 1号和 4 号接 高电平 ，电极下形成耗尽区，形象地称为势阱。 next CCD在数码相机中的应用 t2时刻， V1、 V2都是高电平，此时 1号、 2号及 4号、 5号都形成 高电平，且 1、 2号电容和 4、 5号电容的势阱分别 地连通到一 起，电荷数量未变，电荷在势阱中均匀分布。 next CCD在数码相机中的应用 t3时刻， V1、 V3为低电平， V2为高电平。 1号、 4号电容因处于低 电平，所以它们的势阱消。所以电荷保留到 2号、 5号电容的势阱 里。 完成一个转移动作，等待下一级脉冲，继续将电荷向右移动。 back CCD在数码相机中的应用 为存储电荷， CCD必须有金属电极和连线。 CCD器件按其感光单元的排列方式分为线阵 CCD和面阵 CCD两类。 线阵 CCD：结构简单，成本较低。可以同时储存一行电视信 号。使用单排排列感光单元。 面阵 CCD：在一片小小的硅片上，用大规模集成电路技术连 接制作出数十万到数百万个光敏电容（即光敏二极管）。数 码相机通常用的就是面阵列 CCD。 面阵 CCD行间传输 每列之间设计成隔离状，以免列间电荷的相互影响， 每又一起与一个移位寄存器相连。移位寄存器又与电 压输出电路相连接，以便完成电信号的输出。 移位寄存器 电压输出电路 n . . . . 2 1 行 列 back 模数转换器 模数转换器即 A/D转换器，或简称 ADC，通常是指 一个将 模拟信号 转变为 数字信号 的电子元件 通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为 一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有 实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个 模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标 准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大 小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考 信号的大小。 微处理器 MPU 数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻 辑控制以及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控 制体系。 这一系列功能正是通过 MPU来实现统一协调和 控制的。 MPU主要图像传感器数据处理 DSP、 SRAM控制器、显示控 制器、 JPEG编码器、 USB等接口控制器、运算处理单音 频接口和图像传感器时钟 生成器等模块。 back 性能指标 分辨率 色彩深度 光学镜头 镜头焦距 back 色彩深度 色彩深度又叫色彩位数，它是用来表示数码相机的色彩 分辨能力。 数码相机的色彩位数越多，意味着可捕获的细节数量也 越多。即，能正确记录的色调有越多，就越可能更真实 地还原亮部及暗部的细节。 back 镜头焦距 镜头焦距：是指镜头光学后主点到焦点的距 离，是镜头的重要性能指标。镜头焦距的长 短决定着拍摄的成像大小，视场角大小，景 深大小和画面的透视强弱。镜头的焦距是镜 头的一个非常重要的指标。镜头焦距的长短 决定了被摄物在成像介质（胶片或 CCD等）上 成像的大小，也就是相当于物和象的比例尺 。当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时 ，镜头焦距长的所成的象大，镜头焦距短的 所成的象小。根据用途的不同，照相机镜头 的焦距相差非常大，有短到几毫米，十几毫 米的，也有长达几米的。 back 数码相机 Vs传统相机 1.感光材料的不同 2.得到照片质量的不同 3.数码相机独有的特色功能 4.拍摄的速度不同 5.镜头上的不同 6.输出方式的不同 back 感光材料 摄影是一门用光来描述生活的艺术。我们平时使用的传 统相机是用胶卷（也就是银盐感光材料）来感光的，拍 完照片我们需要冲洗之后才能看到照片的拍摄效果，这 样，就不能把拍得不好的照片及时的删掉。再有就是， 拍完的照片经过暗房的加工后就不能改变它的效果了。 数码相机使用的是电荷耦合器 CCD元件感光，然后将信 息记录在存储卡上，存储卡可反复使用。由于数码相机 拍摄的照片要经过数字化处理再存储，拍摄后的照片能 够回放观看效果，以便对不满意的照片立即删除重拍。 拍摄后把数码相机与电脑连接，可以方便地将照片传输 到电脑中并可以用图形软件进行各种处理，再通过打印 机打印出来。 back 照片质量 传统相机的卤化银胶片可以捕捉连续的色调和色彩，所 以拍出来的照片清晰而且细腻。采集到的是模拟信号。 数码相机的 CCD感光材料在宽容度上就没有那么强，在 弱光和超强光下不容易留住所有的细节。采集到的是数 字信号。 一般地，传统 35毫米胶片解析度大约相当于 1800万像素 甚至更高 CCD，目前数码相机使用的比较好的 CCD所能达 到的像素一般不足 1000万。所以，数码相机拍摄的照片 ，不论在影像的清晰度、质感、层次、色彩的饱和度等 方面，都和传统相机有一定的差别。 back 数码相机独有的特色功能 A可删除影像的功能 B白平衡的调节功能 C. LCD的取景方式 D质量模式的选择功能以及照片尺寸的差别 E 后期可以再加工 F可以拍摄短时间的动态画面 back 拍摄的速度 用惯了传统相机再来使用数码相机的朋友们或许都 有这样的感觉，数码相机的拍摄速度是一件比较让 人头疼的事情。在按下快门即数码相机真正记录数 据之前，需要等待 1.5秒，这是因为数码相机要进 行调整光圈、改变快门速度、检查自动聚焦、打开 闪光灯等操作。数码相机每拍摄完一张照片，要等 待 3至 7秒才能进行下一张照片的拍摄，这是因为数 码相机要对已拍摄的照片进行图像压缩处理并存储 起来，由于存储卡的存储速度较慢，故数码相机的 拍摄速度，特别是连拍速度还无法达到专业摄影的 要求。 back 镜头的不同 有人曾经开玩笑地说：“让一个人破产有一个不错 的办法，就是给他一部相机”。其实传统相机昂贵 的不是机身部分，而是镜头。镜头是拍出好照片的 一个重要的因素。我们通过更换不同的镜头，可以 拍摄出不同的效果。 数码相机的镜头一般不需要更换，而且都比较小， 这是因为数码相机的感光单元 CCD相对于普通的 35m m胶片来说要小很多。因此比较短的镜头就可以完 成较大的变焦范围。当然也有可以更换镜头的数码 相机，那些专业的数码相机的 CCD的大小已经接近 普通 35mm胶片的尺寸了。但是我们很清楚，它们价 值连城。 back 输出方式的不同 传统相机拍出来的照片我们到图片社冲洗就好了。 数码相机目前最多的情况是传入到计算机中 ,然后进 行打印。 back 数码相机的缺点 电池。数码相机由于 LCD屏幕、 MPU、镜头伸缩等附加动 作，消耗掉大量的电量 。尤其是 LCD屏幕，要耗费掉相 机 30%的电量。而当今现状下，普通锂电池储量并不海 量，所以电池问题是当今数码相机领域里一个头痛的问 题。 速度。数码相机拍摄过程 比较久。因为，要经历一系 列信号处理过程。 画质。由于数码相机是数字信号图片，所以其照片清晰 很难达到高要求。 寿命。数码相机的寿命一般都不会太长，一般 2 3年左 右。而且如若性能 完好，也会被新型新产品淘汰了。 back 数码相机的发展趋势 1400万有效像素成为标配 防抖不再是卖点 HD和彻底的 HDMI 3D相机 存储介质的天下一家 翻转液晶屏 全景模式 1400万有效像素成为标配 NEX-5C的有效像素达到了 1400万。对 于现在的多数用户而言“像素”这个 名词似乎从其跨入一千万之后，便很 少有用户开始狂热追求了。除去一些 专业用户，家庭用户多数只需要将照 片放到 6寸 -7寸左右，而千万像素则足 矣满足这些需求。 防抖不再是卖点 “我的相机具有双重防抖功能！”这是若干年前， 电视上反复出现的一句广告语。当时非常新鲜的词 语，如今看来已经不是什么卖点了。现今，无论是 小数码还是单反相机都会考虑到防抖的问题。只是 或许在镜头，或许在机身。于是乎，我们也不会再 因为相机具有防抖功能而惊讶。倒是会因为没有这 项功能而叹一口气。 HD和彻底的 HDMI 索尼 NEX-5C上发现这样一个现象，没有了传统 AV接口，取而 代之的，则是独一份的 HDMI接口（高清晰度多媒体接口， HD MI可以同时传送音频和影音信号，由于音频和视频信号采用 同一条电缆，大大简化了系统的安装）。这是目前其他厂家 所没有达到的。尽管很多厂商已经将 HDMI接口融入数码相机 之中，但是放弃传统 AV，做的如此彻底也似乎也只有索尼一 家。 3D相机 D数码相机是在已有相机的基础上多装配了一个镜头， 也就是采用两个类似人眼看世界的镜头进行拍摄，将两 个镜头之间成像差异缩到最小，然后将两个近似一样的 画面合成，再现立体的三维影像。 存储介质的天下一家 随着奥林巴斯 XD的宣告退出，相机采用双卡槽设计，存 储卡各为其主已经是昨日黄花了。 SD以及随后将登上舞 台的 SDXC已经没有任何疑问的成为了目前主流产品的标 准配置，之所以用主流这个字眼，因为我们同样看到了 一些高端单反也开始采用 SD与 CF并存的方式。 翻转液晶屏 全景模式 全景就是吧几张照片沿边拼起来，拼成一条线，然后就 能在这张照片看见比较大视野的景物。换句话说，本来 只能照一座楼，但是用了全景模式，你就能照下你在原 地转一圈所能看见的景，然后把照片连起来 势阱 就是电子的热能图像类似一个波的形状，那么当电子处 于波谷，就好像处在一口井里，比较稳定，很难跑出来 。所以称为势井或势阱。不单单是量子力学里有这个势 井，任何形式的势只要具有这种样子，我们都可以称它 有势井 /势阱，比如重力势井。 Thank yo u !