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浅谈数码影像(四)——电子影像感应器

2010/9/16 6:55:33 人评论

简介
  翻查资料,原来电子影像可追索至一八七三年,当时科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)发现硒元素(Selenium)结晶体感光後可产生电流,是电子影像发展之开始。其後陆续有组织和学者研究电子影像,其中重要的发明有电视系统、光学倍增管(PhotoMultiplier Tube/简称PMT)和电子耜合器(Charge。Coupled Device)/简称CCD)。
图一:电子影像感应器非常普遍,对于很多办公室及家庭电子产品上  PMT和CCD是很成功的电子影像感应器(又称光学感应器),前者是五十年代的发明,後者是七十年代的发明,可应用於多种产品上,例如天文学望远镜、间碟卫星(有外国公司提供卫星数码照片服务,可拍摄世界任何角落,约三佰港元收费)、温度计、分析仪、传真机和扫描仪等, CCD更可应用于数码相机和手提摄录机等细小产品上。一九九八年亦出现两种新的电子影像感应器,就是CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)和CIS(Contact lmage Sensor)。随后介绍他们的技术和商业应用。

电子影像感应器
(Electronic Image Sensor)
  从前美国天文台的天文望远镜是利用菲林拍摄影像的,後来电子影像感应器取代菲林,不但免却冲印程序及可即时显现於荧幕,而且感光性能比菲林强许多,连接电脑後更可利用数码技术改善影像质素。电子影像感应器由五十年代到现在,其商业应用其实很广泛,例如较早前提及的卫星数码照片及由地面拍摄宇宙的天文望远镜,到生活娱乐中年青人在商场内使用的数码照片自拍机。当然最普遍应用就是传真机、扫描仪、数码相机和手提摄录机等。

图二:Hammatsu R980 PMT光学倍增管
  PMT--由五十年代。中发展到现在,是最早出现的电子感应器,也是现时最好(指质素)的技术。具结构像一个圆柱体小灯泡(见图),亘径约一寸,长度约二寸。内置多个电极,将进入的光线转化为强大的电子讯号,即使很微弱的光线也可准确补捉,此点比其他感应器优胜。PMT常应用于印刷、出版业扫描仪及工程分析仪等。PMT扫描仪的最高感应密度可达D4.2,表示可捕捉原稿上很暗的影像部位。PMT非常耐用,一般有一白至十万运作小时。
图三:单线型CCD晶片,用于黑白扫描仪(彩色型扫描仪采用三线CCD晶片,而数码相机或摄录机则采用平面()二维CCD晶片)。

  CCD--由美国贝尔实验室於一九六九年发明,与电脑晶片CMOS技术相似,也和CMOS一样,可作电脑记忆体及逻辑运作晶片,当然目前DRAM更适合为电子记忆体。最流行的应用非扫描仪、数码相机及手提摄录机莫属,但最触目的代表作就是将四颗大型CCD晶片安装位於南美智利安达斯美国天文台的BTC(Big Throughput Camera,见图五)天文望远镜内,它可一次拍摄35MB的资料,大大帮助天文学研究。CCD的感光能力和质素比PMT低,但近年CCD技术进步,其最高密度可达D4.0,比PMT最高感应窗度稍低。CCD的体积。通常只有一枚普通硬币般大,当然也有一些体积特大(见图四)或小的。CCD和PMT一样非常耐用。

图四:贝尔实验室研究员Tony Tyson利用手上之CCD进行天文研究。Copyright of Bell Labs, Lucent Technologies 图五:位于智利按达斯美国天文台(InterAmerican Observatory)内之四米长BTC天文望远镜,尾端放置了四颗贝尔大型CCD晶片。Copyright of Bell Labs, Lucent Technologies图六:由BTC天文望远镜所拍摄的宇宙拼图。
Copyright of Bell Labs, Lucent Technologies

  CMOS--此技术巳发展了数十年,可说有数码电脑便 有它,因为CPU和记忆体便是由CMOS组成。但一九九八年才应用於电子感应器或数码相机,也可应用於摄录机。CMOS的优点是结构比CCD简单,用较小的晶体及较低的电压,制造成本比CCD为低。CMOS也有其缺点,就是技术尚未成熟,质素一般比CCD低,解像度一般也比较差,但有资料显示CMOS(可参考本文未提供的网址)的技术会进步及将超越CCD。

图七:CIS结构图解
  CIS--由於结构关系,CIS技术通常只用於扫描仪。其感应器就是CMOS,CIS扫描仪将光源、聚焦镜片及感应器一同固定於一个外罩内,不须调节及热身(warm-up),所以比CCD扫描仪起动快。此设计今CIS扫描仪体积比CCD扫描仪更细小,而制造成本亦减少。但C1S技术亦未成熟,产生较大的杂讯,所以目前比CCD质素较差。

总结
  PMT、CCD、CMOS及CIS是目前流行的电子影像感应器,PMT利CCD的制造较复杂、成本较高,一个感应器需要数十至数百美元,但质素也是较好的,尤以PMT质素最高,专业型滚筒扫描仪便是采用PMT技术,但它的体积及结构不适合手提或细小的产品。而CCD、 CMOS及CIS体积小,可用于小型产品上。现时大部份电子影像产品采用CCD,希望不久将来有更多其他电子影像技术的产品(例如CMOS或更好的感应器),好让消费者有更多的选择。

参考
http://www.lucent.com/Telescope/Docs/ccd1.htm
http://www.photon-vision.com
http://www.vvl.co.uk
http://www.imcnet.com/product/umax/SCANNERS/ccdvcis.html
http://www.scanvisioninc.com

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