. 數碼單反的膠卷——感光元件：CCD與CMOS

CCD與CMOS傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數字數據，而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。

如下圖所示，CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數據都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似內存電路的方式將數據輸出。

　　造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真，因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個象素的數據。

由于數據傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異，這些差異包括：

1. 靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個象素的感光區域遠小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

2. 成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數據，只要其中有一個象 素不能運行，就會導致一整排的數據不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破 50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。

3. 分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復雜，其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與 CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優于CMOS傳感器的水平。例如，目前市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平 (OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率卻能高達513萬象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4. 噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會增加很多，影響圖像品質。

5. 功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中 的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高于CMOS傳感器的水平。舉例來說，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運行，功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等級的產品，其功耗卻仍保持在90mW 以上，雖然該公司近期將推出35mW的新產品，但仍與CMOS傳感器存在差距，且仍處于樣品階段。

綜上所述，CCD傳感器在靈敏 度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術的 進步，兩者的差異有逐漸縮小的態勢，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進，以應用于移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo)；CMOS傳感器則在 改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應用于更高端的圖像產品，我們可以從以下各主要廠商的產品規劃來看出一些端倪。

2. 相機之眼：鏡頭

鏡頭是一部相機的重中之重，讓我們再把目光轉移到相機的眼睛上吧。首先來了解一下鏡頭和感光器件的擺設位置。如下圖所示，從右至左該鏡頭組件依次由透 鏡、電子快門、透鏡組1、透鏡組2以及CCD組成，拍攝的影像就是沿著這條光路投射在CCD上成像的。組件中的焦距調節系統和快門系統是由透鏡組1和電子 快門構成的，二者是連接在一起。在電機的帶動下，透鏡組1和電子快門可以前后移動，進行焦距調節，從而獲得最清晰的圖像，由電子快門控制曝光。多組透鏡是 完成光學成像的，而最后的CCD可以把光信號轉換為電信號。

如果你在相機的英文規格書上看過“f =”，那么后面接的數字通常就是它的焦長，即焦距長度。如“f=8-24mm，38-115mm（相當于35mm傳統相機）”，就是指這臺相機的焦距長度 為8-24mm，同時對角線的視角換算后相當于傳統35mm相機的38-115mm焦長。一般而言，35mm相機的標準鏡頭焦長約是28-70mm，因此 如果焦長高于70mm就代表支持望遠效果，若是低于28mm就表示有廣角拍攝能力。 照相機鏡頭的焦距是鏡頭的一個非常重要的指標。鏡頭 焦距的長短決定了被攝物在成像介質（膠片或CCD等）上成像的大小，也就是相當于物和象的比例尺。當對同一距離遠的同一個被攝目標拍攝時，鏡頭焦距長的所 成的象大，鏡頭焦距短的所成的象小。根據用途的不同，照相機鏡頭的焦距相差非常大，有短到幾毫米，十幾毫米的，也有長達幾米的。較常見的有8mm， 15mm，24mm，28mm，35mm，50mm，85mm，105mm，135mm，200mm，400mm，600mm，1200mm等，還有長達 2500mm超長焦望遠鏡頭。

3. 光圈

光圈英文名稱為Aperture，光圈是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內。我們平時所說的光圈值 F2.8、F8、F16等是光圈“系數”，是相對光圈，并非光圈的物理孔徑，與光圈的物理孔徑及鏡頭到感光器件（膠片或CCD或CMOS）的距離有關。

表達光圈大小我們是用F值。光圈F值 = 鏡頭的焦距 / 鏡頭口徑的直徑從以上的公式可知要達到相同的光圈F值，長焦距鏡頭的口徑要比短焦距鏡頭的口徑大。

當光圈物理孔徑不變時，鏡頭中心與感光器件距離愈遠，F數愈小，反之，鏡頭中心與感光器件距離愈近，通過光孔到達感光器件的光密度愈高，F數就愈大。完 整的光圈值系列如下： F1， F1.4， F2， F2.8， F4， F5.6， F8， F11， F16， F22， F32， F44， F64。