摄影第二课——相机的成像原理
摄影离不开照相机。随着科学技术发展，出现了性能优良、种类繁多的新型照相机，为摄影创作提供了更加便利的条件。为了尽快掌握摄影技术，有必要了解照相机的成像原理及基本结构。
快门一响，客观景物就凝固在胶片上，尤其是当今数码相机和手机倍受人们亲眛，在液晶屏取景框就能立即看到被摄下的固定影像，摄影不再神秘!
这些近乎魔术的技艺是怎么实现的呢?
摄影成像原理
照相机是个什么样的仪器？为什么可以把外界景物浓缩到一张小小的照片上？观察手中的照相机，就会感到这么多按钮、数字、开关，一定十分复杂。其实再高级的相机都是由镜头和机身这两样最基本的部件组成，它的成像原理都一样。
“小孔成像”
用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间，屏幕上就会形成物的倒像，我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板，像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光沿直线传播的性质。
“Camera”的由来
在照相机被发明之前，人们就已经开始利用“小孔成像”原理制造各类光学成像装置，这种装置被称为“Camera obscura（暗箱）”。19世纪上半叶，人们终于找到了固定保存暗箱中投影面上光学图像的方法与介质，照相机工业由此发端，因此Camera obscura被认为是照相机的祖先；而“Camera”则成了照相机的英文名称。
暗箱使用示意图
下一课，利用小孔成像原理，自己着手制作自己的第一台针孔相机。
CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式
维纳德 • 波利（左）和乔治 • 史密斯（右）在1969年发明了CCD技术
来源：文献[1]
2009年，维纳德 • 波利（Willard S. Boyle）和乔治 • 史密斯（George E. Smith）因为发明CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件，或称为CCD图像传感器）而获得当年的诺贝尔物理学奖。
诺贝尔奖委员会主席约瑟夫·诺德格伦（Joseph Nordgren）在宣布该奖项的新闻发布会上说：“当今社会的记录影像的方式完全基于CCD的研究。” “这项研究的实际意义是巨大的……它改变了我们的生活，不仅在科学领域，而且在整个社会领域。”
胶片时代
在1975年数码相机发明以前，人们记录影像的方式是使用胶片。它的工作过程可以概述为：光线经过照相机镜头，然后由快门的速度来决定曝光量的多少。光线使胶片上的银盐产生化学反应，最后在胶片上生成影像的潜影。经过暗房里的冲洗形成影像并制成底片。利用调配将底片显影最终印出。
胶片摄影需要经过复杂的处理才能得到影像
[图片来源自网络]
CCD的发明
1969年10月，史密斯和波利在贝尔实验室吃午餐时，讨论产生了灵感。午餐后继续探讨，当天就构想出了CCD这个无处不在的成像发明。不过，从造出样机到研制出科学家和摄影师都可以使用的实用技术，这条路漫长而艰难。尽管CCD后来主宰了天文学领域，但它在刚发明时分辨率非常低，根本派不上实际用场。当时CCD的信噪比很差，不大容易看得出它是否会有远大的前程。
第一个CCD器件
来源：文献[4]
第一个CCD集成器件
来源：文献[4]
早期的线性成像CCD
来源：文献[4]
在接下来的时间里，成百上千的科学家和工程师努力奋斗，逐步将CCD推向实用化，包括美国的仙童(Fairchild)、柯达泰克(Tektronix)和德州仪器(Texas Instruments，TI)，以及日本的夏普(Sharp)、索尼(SONY)、东芝(Toshiba)和日本电气(NEC)等公司都作出了许多贡献。航天、科学和消费等方面的应用，都得益于为解决CCD问题而从不同渠道投入的经费，但是问题还是很棘手，那是一条非常艰苦的发展之路。
CCD的原理
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。像素数越高,面积越大,成像质量就越高越清晰。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。
MOS电容器是构成CCD的最基本单元，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。
MOS电容器
来源：文献[4]
CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测：
（1）信号电荷的注入（产生）：在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。
背照式光注入
来源：文献[8]
所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电注入常用的有电流注入和电压注入两种方式。
电注入方式
来源：文献[8]
（2）信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。
当向SiO表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。
电荷存储
来源：文献[8]
（3）信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。
电荷转移
来源：文献[7]
三相CCD中电荷的转移方式
(a）初始状态；(b) 电荷由①电极向②电极转移；(c) 电荷在①、②电极下均匀分布；(d) 电荷继续由①电极向②电极转移；(e) 电荷完全转移到②电极；(f) 三相交叠脉冲
来源：文献[8]
（4）信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
其中电荷输出类型，主要有三种：1）电流输出；2）浮置栅放大器输出；3）浮置扩散放大器输出。
电荷检测电路
来源：文献[8]
CCD工作过程示意图
来源：文献[6]
CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。 在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。
线阵CCD每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。线阵CCD又分为单沟道线阵CCD和双沟道线阵CCD。
单沟道线阵CCD：转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。
双沟道线阵CCD：转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。
线阵CCD
来源：文献[6]
面阵CCD：按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。面阵CCD同时曝光整个图像。
帧转移面阵CCD——优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大暂存区。
帧转移面阵CCD结构及工作过程
来源：文献[6]
隔列转移面阵CCD——优点：转移效率大大提高。缺点：结构较为复杂。
隔列转移面阵CCD结构及工作过程
来源：文献[6]
CCD功能示意图
来源：文献[7]
CCD芯片结构
图片来源自网络
CCD的发展
CCD的发明具有划时代的意义，它的出现使得人类捕捉信息达85%的眼睛这个重要器官得到了极大扩展与延申。
促进CCD快速发展主要有三个因素：首先，CCD的尺寸小，重量轻，消耗功率少，超低噪声，动态范围较大，线性良好，可靠，耐用。第二，这种器件在形状、快速、外形质量和成本方面能与真空管抗衡。第三，空间成像应用需要新的探测器。
20世纪70年代，美国贝尔实验室成功研制了世界上第一只CCD，它的诞生使成像、摄像等技术呈现一次飞跃。1973年，仙童公司把CCD技术应用于商业领域，制造出第一只商用CCD成像器件，这开辟了CCD在工业领域的道路。80年代后期，CCD在大多数视频应用中取代了电子管。进入90年代后，CCD应用于分辨成像，广泛应用于专业电子照相、空间探测、X射线成像及其他科研领域。
两种CCD产品
图片来源自网络
市场应用的结果证明CCD是科学领域的一项重大技术变革。它在被忽视数十年之后，能获得2009年的诺贝尔奖可谓实至名归。
变革不停
但是，科学技术的进步一刻也不曾停止。1998年，CMOS图像传感器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor，CIS）诞生了。CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。从2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上。从此，CMOS图像传感器迅速发展。
CMOS取代CCD
图片来源自网络
科技不断发展，相信在未来的某一天，一定会有更多种类的传感器出现，这也只是时间的问题，到那时我们回望过去，看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD时代和CMOS时代，一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。
参考文献
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/summary/
张汝京. 半导体产业背后的故事[M]. 清华大学出版社, 2013.
董艺婷. 摄影技术的发展及对当代社会的作用研究[D].哈尔滨师范大学,2016.
Smith, G. E. (2009). "The invention and early history of the CCD." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 607(1): 1-6.
https://www.microscopyu.com/digital-imaging/introduction-to-charge-coupled-devices-ccds
https://www.mega-9.com/tech/tech-45.html
https://specinstcameras.com/what-is-a-ccd/
王庆有. 图像传感器应用技术[M]. 电子工业出版社, 2019.
https://www.docin.com/p-505990925.html
http://dc.yesky.com/88/31913588all.shtml
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编辑：荔枝果冻
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