数码相机的工作原理

 一：数码像机的起源
数码相机最早出现在美国，大约20多年前装置在卫星上，美国曾利用它通过卫星向地面传送照片。后来数字摄影技术转为民用并不断拓展应用范围，目前在欧美已十分流行，它是继扫瞄器之后，成为计算机影像的新型输入设备之一，并且已经广泛的使用当中。
二：数码相机工作原理
数码相机是由光、机、电一体化的产品。它的核心零件是CCD(Charge Couple Device，电荷耦合原件)影像检测传感器。CCD是使用一种高感光度的半导体材料制成，在光线作用下，可将光线作用强度转化为电荷的累积，再通过模数转换芯片转换成数字信号(也就是0与1的讯号)，数字信号经过压缩以后由数码像机内部的闪存或内置储存媒体来保存，因而可轻易的透过各种方式把影像数据传输到计算机，并借助计算机的处理手段，根据需要来修改影像。

三：数码相机与传统相机的比较
数码相机的最大优势在于利用数字化的信息，可以借助遍及全球的数字通信网及时传送(例如Internet)，得以实现影像的实时传递。它的外观，部分功能和操作方式与普通的35mm相机差不多，但毋须对焦、设置快门速度等(但是少数的专业型数字相机操作方式却和传统相机一般)。此外，数码相机与传统相机相比，还有以下几个不同点：
1. 处理时间不同：
从按下快门到数码相机真正地储存下影像之前，需要延迟约1﹒5秒。这是由于需要进行光传感器读取景像、高速光圈或改变快门速度、检查自动聚集、打开闪光灯等，将所拍摄下的影像转成数字元信号等操作，因此数码相机并无法做到像传统相机一般的连续拍摄，即使数码相机有这样的功能，也是牺牲了高分辨率而迁就至低分辨率的影像才可作到，另外由一张拍摄完成到准备拍摄另外一张影像的时间伴随着分辨率大小而有所不同，简单的说，就是分辨率越高，所花费的时间越多。
2. 储存媒体不同：
数码相机摄取的影像以数字元方式储存在记忆卡上，而传统相机的影像则是以化学方法记录在卤化银的底片上。
3. 影像质量不同：
用传统相机拍摄的影像晶状格会远远小于CCD采集的影像像素数，其次传统相机的卤化银胶片可以补捉连续色调和色彩，而数码相机的采集原理只能是亮或暗两种情况；此外，数码相机的CCD在较亮或较暗的光线下会丢失部分细节，并且有时很难校正；它适宜使用单调光、使用闪光灯或HMI光源拍照，会得到令人满意的效果。同时一个典型的35mm传统相机分辨率一般可以轻易达到2500dpi，而数码相机无法达成如此高的分辨率。
4. 输入输出方式不同：
数码相机拍摄的影像可直接输入计算机，经由影像处理软件处理后打印出来。传统相机的影像则必须在暗房里冲洗，想要进行处理必须通过扫瞄器输入计算机，扫瞄得到的影像质量必然受到扫瞄器精度的影响。这样，即使它的摄影质量很好，经过扫瞄以后得到的影像就差得远了。
照这样说，数码照相机所得到的影像是不是只能利用打印机输入成相片呢？其实并不然，现在矗立在各大街头的相片冲洗店，店头招牌已经渐渐加入一行字‘数字影像输出中心’，也就是说传统的冲洗店已经追上了时代的潮流，加入了数码相机的影像输出服务，只不过鉴于冲印装置建购成本比起传统的自动冲印设备来的昂贵(大约一部机器在八百万元左右)所以设立点并不是很多，可是在趋势的引导下，数字冲洗店已经朝向加盟的方式经营。所以在不久的将来，数字冲洗店将与传统的冲洗店一样普及。
5 成本的不同：
传统相机要冲印成相片，必须交给相片充洗店作相片冲洗，但是数码相机可不用这样的麻烦，因为可供输出的管道十分的多，例如可用喷墨打印机、相片打印机、数字冲洗店，甚至最新的技术是采用透过Internet传输影像到数字冲洗店的计算机中，然后经由数字冲洗店输出之后，交由快递送至收件者家中，这样的方式，可以节省往返车劳的时间，也方便无法到冲印店送件的使用者。
经过调查显示，数码相机的功能上具有明显的优点，便于在计算机上进行编辑处理，存储量大，易于传输并可长期保存；只要具备适当的输出设备，输出也相当方便快捷，这些优势是普通相机所无法比拟的。但与此同时，数码相机尚存在一些明显的不足，机体价格昂贵是首要问题，因为数码相机是采用电子式构造，基于机密度的考虑，所以数码相机的价格一直无法平民化。
影像的质量也有待提高，这个缺点只有朝增加分辨率与技术的进步才可以解决，另外数码相机的拍摄受环境限制，曝光动作时间长和不易操作也限制了它的普及。还有最重要的一点，就是数码相机所摄成的影像输出成本比起传统底片输出成相片还要来的昂贵。
总体而言，价格是阻碍我国数码相机市场迅速发展的首要因素。数码相机的价格令大多数的人敬而远之。其次，国内数码相机的市场刚刚起步，产品性能有待提高，必然涉及到售后服务的完善程度，相关产品的配套等问题；使用上的局限与操作上的困难也增大了它与人们的距离。另外，产品的宣传活动及形式也是数码相机普及的关键一环。
[!--empirenews.page--]数码相机的发展现况[/!--empirenews.page--]四：数码相机的发展现况
1 就数字照相机的镜头来说：
1-(1) 依可否调焦区分为固定镜头（fix lens or free focus）及可自动对焦镜头模（focus lens）

固定镜头顾名思义就是光学镜头本身与机身为固定不动，以及两者无相对运动。其另一涵义就是此光学镜头无法调焦。所以其成像质量与可对焦之光学镜头相比较之下，就逊色不少。另外，为使拍摄范围能涵盖从近距离别无穷远，因此就必须使其拍摄条件设定在景深长的状况，所以其采用的光圈值就不能太小，也由于光圈值大，因此就必须靠闪光灯来补光。一般此镜头在低阶相机或PC Camera最常见。

1-(2) 依镜头焦距值可否变化区分为单焦点镜头和变焦镜头

取像用光学镜头若以焦距可否变化，可分为单焦点镜头及变焦镜头。单焦点镜头顾名思义其此镜头的焦距值就只有一个；如5.7mm、6.2mm，如前所述固定镜头（ fix lens）一般都为单焦点镜头，但单焦点镜头不一定就是固定镜头，因高阶单焦点镜头包括有可对焦镜头。而变焦镜头的焦距值，不是一个固定值，而是一段范围；如6~18mm、5.5~11mm；因其焦距值可变化，所以其机构相对就更复杂。一般变焦镜头的采用会搭配在中高阶数码相机上，而用在数码相机上其变倍比（最大焦距值与最小焦距值之比值）通常2~3倍之间最多，而变焦镜头通常都为可对焦镜头。

[!--empirenews.page--] 依视角可区分广角、标准、望远视角的镜头[/!--empirenews.page--]1-(3) 依视角可区分广角、标准、望远视角的镜头

以一般人双眼能充分辨识色彩的角度范围的为50度的视角来说，我们依此来区分光学镜头的视角为广角、标准或望远，约略可依成像面尺寸(即CCD尺寸)来出略判别光学镜头其焦距值对此CCD的视角。有一简单的判别方法，就是若焦距值约等于CCD尺寸对角线，则可说此镜头对此CCD展现的视角为标准镜头，举例来说，以1／2英吋CCD成像面尺寸约写4﹒8mm X 6﹒4mm，对角线为8mm。若搭配光学镜头其焦距值若为8mm，则其视角接近人眼的辨识色彩的视角，此光学镜头可称为标准镜头。反观之，若焦距值约明显小于或大于CCD尺寸对角线，其将造成通过镜头成像后，视角将大于或小于人眼的辨识色彩的视角，则称为广角或望远镜头，其影响就是可成像的范围较广景物较小或可成像的范围较窄景物较大。例如4mm的焦距值的光学镜头对于1／3英吋CCD的成像面（对角线约6mm），其视角约74度大于50度人眼的辨识色彩的视角甚多，因此我们称此镜头对于1／3英吋CCD为广角镜头。而一般数码相机单焦点镜头皆小于CCD对角线长度，以使其具广角视角效果有如14mm的焦距值的光学镜头对于1／3英吋CCD的成像面，其视角约24度小于50度人眼的辨识色彩的视角甚多。因此在远处之景物也可透过此光学镜头，得到较大的像。因此我们称此镜头对于 1／3英吋CCD为望远镜头，一般数码相机除了搭配变焦镜头外，较少有数码相机单焦点的镜头，视角为望远视角。然而，在数码相机焦距值规格中，经常以相当于传统33mm底片相机的焦距值来表示，而35mm底片规格尺寸为24mmx36mm而其对角线尺寸约略为43mm，但我们常以镜头焦距值50mm为35nm底片相机的标准镜头。

[!--empirenews.page--]数码相机光学镜头规格演进[/!--empirenews.page--]1-(4) 数码相机光学镜头规格演进

依CCD画素区分数码相机可分为低阶、中阶、高阶数码相机，同样地光学镜头亦可分为低阶、中阶、高阶光学镜头。
首先，我们若从数码相机画素发展的历程来区分的话，大抵可分为三阶段。第一阶段则以CCD有效画素在30万画素以下的低阶数码相机为主，第二阶段则以CCD有效画素在30万画素以上到80万画素之间的中阶数码相机，第三阶段则以CCD有效画素在百万画素以上的高阶数码相机。在此三阶段搭配的光学镜头，其规格及技术也不尽相同。
以第一阶段低阶数码相机来说，此时搭配的光学镜头，几平全部是固定镜头(fix lens or free focus lens)为主，也就是以低阶光学镜头为主，其所提供的功能有限，诸如光圈值大部分为一段固定光圈口径，而只有少数有提供两段的光圈口径，对焦功能方面无(也就是不用对焦)。因此此阶段数码相机的光学镜头规格与PC Camera的光学镜头几乎相同，两者的差异只在于镜片材质的不同而已，数码相机为玻璃镜片， PC Camera为塑料镜片居多。
而第二阶段数码相机搭配的光学镜头，在规格及功能上已明显提升，诸如具自动对焦功能、近距拍摄、多段光圈变化、机械快门及2~3倍变倍比之变焦镜头等等。此时光学镜头的技术，已牵涉较复杂的光学、光机及电气控制技术。
在第三阶段数码相机，由于具百万画素CCD（ 2百万或 3百万）其每个画素尺寸约在3~4 μm之间﹒因此光学解像力被要求就相当严格（光轴中心解像力需2OO lps／mm，四周约160 lps／mm），同时为了表现百万画素的影像质量，其搭配的光学镜头，无论是在功能上或是在光学性能上，皆相当地严格，光学及光机技术困难度也相对地高。此时搭配的光学镜头不论是单焦点（固定焦距）镜头或是变焦镜头，皆有提供自动对焦、近距拍摄、多段光圈变化、机械快门等功能。
同时，在光学镜头模块本身的对位（alignment）及定位上，以及镜头模块与CCD Sensor之对位（alignment）、调整等技术就相当重要，否则就空具有超高画素的CCD，而无法表现出其影像质量的细腻。

2 就影像传感器的发展现况而言
目前的发展情形除由日商所长期掌握的电荷偶合原件影像传感器(CCD)外，目前，互补式金属氧化半导体影像传感器(CMOS)随着半导体制成技术的逐渐成熟，如今低分辨率(百万画素以下)的数码相机业者逐渐采用CMOS替代CCD。
CMOS由于其低成本及系统整合性高的优势，被视作CCD传感器的替代产品。CCD传感器与CMOS传感器都由硅晶圆制造而成，因此，两者对可见光及近红外线光谱的感应程度基本上相似。两种技术都藉由相同的光电转换过程，将影像入射光（光）转换成电压（电），如果还需要彩色传感器，再将每个画素上覆盖彩色滤光片（R、G、B）即可。
CCD所采取的特殊IC制程技术已发展有25年的历史，虽然， CCD可以把其它数码相机的功能（例如：数字讯号处理、定时逻辑等）一起整合，在技术面可行，但却没有经济效益，实际应用上，其它功能多建在另外的芯片上。大多数采用CCD的数码相机，有3到8颗的芯片。在未来信息产品将迈入整合单芯片的趋势下，就长远来看， CMOS是未来传感器的主流产品。
目前，日本市场正值大力促销数字摄录像机与33O万画素以上的数码相机，造成CCD需求大增、产能不足，所以自1999年2~3月开始， CCD产品开始短缺。在台湾生产百万画素以下数码相机的业者，有些已考虑采用CMOS来替代CCD，如此将可降低成本并提高产品的竞争力。而且随着数码相机价格之下滑，CCD传感器在1999年下半年亦有跌价的趋势。 CMOS传感器未来一、二年内，在影像质量不足、价格差距有限的情况下，仍将只能在80万像素以下的低阶数码相机市场中，此外，在电子玩具、可携式信息家电产品（手机、PDA、笔记型计算机等）、视讯摄影体 ( PC Camera)、影像电话、汽车用传感器、保全用途监视摄影机等领域，CMOS传感器具有很高的发展潜力，值得国内厂商投入开发。
[!--empirenews.page--]CCD影像传感器[/!--empirenews.page--]2-(1) CCD影像传感器

CCD传感器的种类，可分为Full Frame、 Frame Transfer (FT)、 Interline Transfer（IT）3种，以下将分别介绍这三种CCD。
Full Frame
Full Frame是三者中架构最简单者，由于整个传感器的都是感光区域，可以用于长时间，曝光的超高像素影像传感器等特殊用途。

Frame Transfer（FT）
FT方式采用两个数组方块区域，一是曝光区，另一是不透明储存区， FT方式适用于读取速度需比Full Frame方式更快的高阶CCD影像传感器，近来Philips与Sanyo即强调FT方式的技术优异性，连手进军消费型数码相机市场。原则上，FT方式CCD其每个像素的受光面积较大，所以要提高感度及饱合输出电压较容易，但是会产生蓝光感度较低、 smear高的问题，这是因为采FT方式时，每个像素的开口率较高所致、一般认为FT方式可以较IT方式获得更佳的画质，对照IT方式CCD必须采用微镜头来提高感度， FT方式CCD却无此需要，所以FT方式在高画素数码相机产品的应用，将会愈来愈广。

Interline Transfer （IT）
IT是目前通用的处理方式， CCD包含多个直条状数组，并由曝光区及储存区间隔组成。目前在数码相机、 PC Camera、摄录像机上用的CCD传感器，主要是采IT的转送方式，因为其数据读取速度较快，透过采用微镜头，可达到与FT方式CCD相同的实质开口率。
目前，数码相机的CCD传感器，主要采用IT方式。尽管300万像素以上数码相机今年以来相继上市，但画质与传统相机相比仍有差距，主要原因是CCD的动态范围（ Dynamic Range）窄；动态范围代表一张相片中，最明亮处与最黑暗处之间差距所能表现的程度，另一问题是景深的表现力较差。动态范围窄，一直是CCD传感器的弱点，但由于FT方式CCD其每个感光组件的感光面积，是IT方式CCD的2倍，相对提高FT方式CCD的动态范围，同时， FT方式CCD的构造比较简单，在景深表现方面也较IT方式为佳。
CCD传感器的未来发展方向，不能单单只考虑小型化及高画素化，以FT方式达到与传统相机相匹敌的丰富表现能力，也是CCD真正需要达到的目标之一。各种影像感测组件的特性比较请参考下表1。
表1：各种影像传感器的特性比较：

	CMOS	IT-CCD	FT-CCD	备注
感度	小	大	大
噪声	大	小	小
动态范围	大	中	大	CCD的动态范围较窄，动态范围代表一张相片中，最明亮处与最黑暗处之间差距所能表现的程度。
Smear	小	小	大	以50万画素作比较。
Smear(有快门时)	无	无	无	150万画素以上，IT-CCD也需要快门。
渐进式扫瞄	易	难	易	渐进式扫瞄(Progress Scan)的画质比Interlace方式较佳。
耗电量	10mW低耗电	100 mW	100 mW
芯片整合性	高	低	低
芯片SIZE	大	小	中/小
制程难易	复杂	复杂	较简单

[!--empirenews.page--]CMOS影像传感器[/!--empirenews.page--]2-2 CMOS影像传感器
CMOS影像传感器的应用范围非常的广泛，包括数码相机、 PC Camera、影像电话、第三代手机系统、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及到工业、医疗等用途。由于使用层面广泛，非常有利于CMOS产品的普及， CMOS不但体积小，耗电量也只有CCD的1／10，售价也比CCD便宜1/3，画质已接近低阶分辨率的CCD，国内相关业者已开始采用CMOS替代CCD，我们整理了CCD与CMOS特性的比较表，如表2所示。
表2 CCD与CMOS影像传感器的特性比较：

	CCD	CMOS
可达分辨率(Pixel)	3 M	1.5M
影像质量	优异	良好
画素大小(μm)	2-6	7-20
噪声瓶颈	无	尚需进一步克服
价格	USD$10~50	USD$8~15
系统整合	芯片组	单芯片
暗电流(pA/cm2)	10~30	100~1000
耗电量	100’s of mW	10’s of mW
电源供给	多电压轴(-8V~15V )	单一电压(〈 5 V〉

影像感测组件市场应用范围广，涵盖消费、商业、工业等领域。1998年CCD与CIS影像感测组件市场总产值为7亿美元，其中CMOS产值为3,200万美元，占4.57%，预估至2002年，市场占有率高达84﹒5％，根据台积电的统计数据显示，从1999年至2004年， CMOS Imager Sensor每年的复合成长率都将超过25%。
CMOS影像传感器目前采用以扫瞄器、数码相机、 PC Camera等产品为大宗，线型CMOS以扫瞄器为主；面型CMOS则以PC Camera、数码相机为主。目前，在35万像素以下的CMOS质量已相当接近CCD，而且体积比CCD小。在PC Camera上动态影像的截取，对影像质量要求不似静态的数码相机高， 35万像素的质量就可以被接受，业者采用CMOS的比例已开始增加。
虽然， CMOS传感器发展只有2、3年时间，在质量上仍难与CCO媲美，但是， CMOS终将会取代CCO成为主流，只不过是时间的问题，但CMOS欲成市场主流，需克服的最大的问题是质量。就目前而言，较高画素的CMOS传感器，面临到感度、 S／N比不足等问题，影像质量无法与CCD传感器相比，以目前的条件，CMOS传感器要普遍应用在130万像素以上数码相机市场，时机尚未成熟。
CMOS之所以受到业者青睐，与CCD相较之下， CMOS是标准制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且质量可随着半导体技术的提升而进步，同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外， CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件，理论上，所有数码相机的功能，都可整合在同一芯片上，降低数码相机生产成本。
由于CCD长久以来由日商所掌握，国内若要建立自主性高的数字影像产业，关键零组件的掌握是相当重要的，因此有望取代CCD的CMOS便成为台湾的一大机会。目前国内厂商除了积极争取数码相机市场机会外，已有多家厂商投入CMOS的设计与生产，我国厂商十分适合发展的PC Camera及其它CMOS传感器应用产品，实不宜在CMOS的产业中缺席。
台积电目前以O.35微米制程进行CMOS Image Sensor的代工，每月对于6吋晶圆产能的需求约写2,OOO多片左右，台积电并表示，将在2000年第四季开始进行O﹒25微米制程的小量试产。不过，对于目前有多少晶圆代工产能是供应CMOS Image Sensor所需。台积电不愿明确说明，仅表示每月约有数千片6吋晶圆左右。

[!--empirenews.page--]未来CMOS Sensor的发展趋势[/!--empirenews.page--]2-(3) 未来CMOS Sensor的发展趋势
低阶数码相机采用CMOS替代CCD比重日增
以PC Camera为例，由于宽带网络逐渐普及，视讯沟通及家庭网络化将成为趋势，促使PC Camera市场明显成长。目前PC Camera市场中，绝大多数是 25万及35万像素， PC Camera所用的传感器， CCD的占有率仍高于CMOS。
2000年CMOS传感器的机会，主要是在低阶的应用上，例如：数码相机、 PC Camera、保全用监现摄影机、汽车后照镜等。日本厂商尽管垄断CCD传感器市场，

但对于CMOS传感器市场未来的潜力也不敢忽视。在1998年，国内数码相机厂商尚未使用CMOS为影像传感器，到了1999年台湾厂商所主产35万画素的数码相机产品中，已经有15﹒5%的产品比率开始使用CMOS传感器，例如：普丽光电所推出的35万画素低阶数码相机，即采用进口HP的CMOS，该公司表示，如采用国产CMOS影像传感器将可再进一步降低成本。
300万画素数码相机也开始采用CMOS传感器Canon于2000/5/18日发表一款300万画素数
位相机，该相机使用325万画素的CMOS传感器，实际有效画素311万，预计于2000年9月正式上市。让业界震惊的是这款新型相机采用的是CMOS传感器，打破了目前百万像素以上相机皆使用CCD传感器的局面，使CCD与CMOS传感器的竞争状况有了新的发展。

发展超高画素CMOS传感器相机的原因分析

简单来说，CMOS传感器虽然价格较便宜，且其耗电量仅为CCD的1/10，但一般来说画质较差，百万画素以上的高阶产品仍是CCD传感器的天下。虽然国际大厂如HP等不断发布正在研究百万像素以上的高阶CMOS传感器的消息，但目前尚未有正式量产的消息发布。而Sony、 Sharp及Panasonic一直掌握CCD传感器的供货，这几家大厂本身皆有开发数码相机，虽然并未刻意控制CCD货源予其它竞争者，但面对全球数码相机的出货日增，CCD的供货仍不稳定。对Canon而言,关键零组件控制在主要竞争者手中当然不是滋味。因此，Canon便积极发展高画素的CMOS传感器相机，是理所当然的事。Canon跳过100万画素的技术瓶颈，直接攻入300万超高画素的市场，除了展现其身为数码相机大厂的技术能力外，对其他竞争者的示威作用亦相当明显。事实上，除了Canon、Toshiba等数码相机大厂进行CMOS传感器的开发外，SONY、Sharp等大厂也积极开发CMOS产品，以掌握其影像传感器领导供货商的地位。

高阶数码相机采用CMOS传感器的障碍尚未解决

自1999年下半年起， HP、Hyundai、VVL及泰视等厂商相继发表VGA的CMOS传感器后，2000下半年制造厂商将大量使用CMOS传感器作为低阶35万画素的标准组件，而在100万以上画素相机方面，CMOS传感器仍必须克服两个难题：一是当芯片整合所有组件之后，由于电流必须再放大，噪声(noise)将难免增加，而不论用什么方法解决这个问题，都将增加设计的复杂度与成本，此时CMOS并没有成本的优势。另一难题是在CMOS传感器中，因为增加了一些电路，每一画素的感光区域仅为CCD的30 %，造成其在昏暗光线下拍摄时感光质量较差，在要求质量的百万画素以上市场中难以被接受。因此为维持感光度，百万画素以上的CMOS传感器，很难像CCD缩小每一画素的SIZE，因此，CMOS感光区域面积较CCD为大，如此相对应的镜头面积也必须放大。镜头面积愈大，成本愈高，使用CMOS传感器成本上优势更将不存在。此点可从Canon使用高达25mm的镜头做为其相机的标准镜头，而非一般数码相机使用的6mm的镜头可看出。 Canon宣称其已开发出减少噪声的技术，但是否为牺牲成本所换来的结果无法得知，由于Canon本有优良的镜头技术，其使用超大的EOS镜头反而是产品的卖点（EOS是Canon的镜头品牌，在专业传统相机市场中知名度颇高）。综合来说，Canon似乎真正掌握了百万以上画素之CMOS传感器技术，但CMOS相机能否继续保持成本的优势，则是未来CMOS能否真正进入100万画素以上高阶相机市场的关键。